(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽イオン交換膜を用いて塩化アルカリ水溶液を電解する複極式単位電解セルにおいて、単位電解セル内上部が、セルに取り付けられたプレートと該プレートの上部に固定された多孔質体気泡消去板により、電極と隔壁との間が仕切られて２つの通路が形成されており、前記多孔質体気泡消去板の開口率は、１０％〜８０％の範囲であり、且つ前記多孔質体気泡消去板の厚みは、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする単位電解セル。
【請求項２】
前記多孔質体気泡消去板は、前記プレートの上端から水平または前記プレートに対して斜めに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の単位電解セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気液分離室を有するフィルタ−プレス型単位電解セルを用いてアルカリ金属塩化物水溶液を電解し、塩素とアルカリ金属水酸化物を生産するためのイオン交換膜法塩化アルカリの複極式単位電解セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高電流効率で高純度のアルカリ金属水酸化物を生産するためのイオン交換膜法塩化アルカリ単位電解セルについては、従来より多数提案されている。例えば特開昭５１−４３３７７号公報、特開昭６２−９６６８８号公報、特表昭６２−５００６６９号公報等がある。これらの単位電解セルは、単位電解セルと一体となった気液分離室もなく、液及びガスを気液混相のまま上部に抜き出しているため単位電解セル内に振動が発生し、イオン交換膜を破損するなどの欠点があった。
【０００３】
特開昭６１−１９７８９号公報、特開昭６３−１１６８６号公報では、上部にガス及び電解液を抜き出さずに下向きに抜き出すように工夫しているが、液とガスが混相で払い出されることがあり、単位電解セル内での振動発生を防止することはできなかった。
実開昭５９−１５３３７６号公報ではこの対策として波消し板を提案しているが、この方法だけでは未だ十分な波消し効果が得られず、単位電解セル内の圧力変動の基づく振動を完全に防止することはできなかった。
【０００４】
特開平４−２８９１８４号公報、特開平８−１００２８６号公報は気液分離室にある程度十分な大きさを持たせ、且つ下向きや水平に気液分離した状態で抜き出す工夫はしているが、５０Ａ／ｄｍ2 以上の高電流密度においてはまだ振動が発生することもあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、電解液を単位電解セル出口ノズルから払い出す際に、５０Ａ／ｄｍ2 以上の高電流密度においても、気泡や液、ガスが混相で払い出されずに、気液が分離した状態のまま払い出されるようにすることにより、単位電解セル内の振動を防止し、イオン交換膜の破損等が起きない複極式単位電解セルを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、陽イオン交換膜を用いて塩化アルカリ水溶液を電解する複極式単位電解セルに関する。
一般に、安定した塩化アルカリの電解を行ない、塩素、水素、苛性ソーダを安価に生産するために要求される事項としては、設備コストが安価であること、低電圧で電解できること、セル内の振動等によりイオン交換膜が破損しないこと、セル内の電解液濃度の分布が均一でイオン交換膜の電圧や電流効率が長期間安定していること等があげられる。
【０００７】
このような要求に応じて、近年のイオン交換膜法塩化アルカリ電解における性能の向上はめざましいものがある。特にイオン交換膜、電極、単位電解セルの性能向上は著しく、電力原単位はイオン交換膜法の出現当初の４０Ａ／ｄｍ2 で３０００ｋＷ／ＮａＯＨ−ｔから、近年では２０００ｋＷ／ＮａＯＨ−ｔ以下になろうとしている。しかし、設備大型化や省力化、高効率化の要望は最近さらに大きくなってきており、単位電解セルにおいても電解電流密度も当初の３０Ａ／ｄｍ2 から、現在では５０Ａ／ｄｍ2 以上で電解できるようにすることが求められている。
【０００８】
本発明者等はこのような状況に鑑み、単位電解セルを改良するに当たり、５０Ａ／ｄｍ2 以上のような高電流密度で安定した電解ができることを目標に検討を進めてきた。このような高電流密度で電解するに当たり必要なことは、単位電解セル内の電解液濃度分布が均一であること、単位電解セル内に気泡やガスの滞留部分の無いこと、電解液や気泡・ガスを排出ノズルから払い出す際に、これらが混相となり単位電解セル内に圧力変動が生じて振動を発生させないことである。
【０００９】
高電流密度においては、ガスの発生量が増加するため、単位電解セル内の圧力変動が生じやすく、長期的にはイオン交換膜の破損を引き起こす場合があった。本発明は、このような単位電解セル内の圧力変動を防止するものである。
すなわちこの発明は、陽イオン交換膜を用いて塩化アルカリ水溶液を電解する複極式単位電解セルにおいて、単位電解セル内上部が、セルに取り付けられたプレートと該プレートの上部に固定された多孔質体気泡消去板により、電極と隔壁との間が仕切られて２つの通路が形成されており、前記多孔質体気泡消去板の開口率は、１０％〜８０％の範囲であり、且つ前記多孔質体気泡消去板の厚みは、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする単位電解セルに関する。さらに、この単位電解セルの多孔質体気泡消去板は、前記プレートの上端から水平または前記プレートに対して斜めに取り付けられていることを特徴とするものとすることができる。
【００１０】
以下に図面を参照して本発明を説明するが、本発明は図面のみに限定されるものではない。
図１〜図３は、いずれも本発明の例を示す複極式単位電解セルの単極室上部の概念図（断面図）である。
図４は、比較のための、本発明とは異なる複極式単位電解セルの概念図（断面図）である。
【００１１】
図５は本発明の例を示す複極式単位電解セルの正面図、図６は図５のＡ−Ａ’間の断面図である。
図７は本発明のセルを用いた複極式電解槽の例を示す組立図である。
本発明は、セル内上部にプレートを設置して堰を作ることにより、電解液とガスをそれぞれ分離した状態で排出すると同時に、電解セル下部へ電解液を戻すことを可能としたものである。
【００１２】
図１において、堰を形成するプレート３はセル上部の通電部分に設置され、隔壁１とプレート３により通路Ａが、電極８とプレート３により通路Ｂが形成される。
電解により生成したガス、気泡、電解液の混合物は通路Ｂを通過し、電解液とガスに気液分離された状態で通路Ａを通過し、排出される。
プレート３の下端は隔壁１と全面にわたり接しており、通路Ａの中へ流れ込んだ電解液が極室内に戻ることがないように閉じられている。通路Ａ内の電解液は排出ノズルから払い出される。
通路Ａの断面積は、製作のしやすさや製作コスト面から、通常１０ｃｍ2 以上で２００ｃｍ2 以下のものが用いられる。
【００１３】
電解により生成したガス、気泡、電解液の混合物は、通路Ｂ側から、プレート上端から上方へ向かって垂直に延びる多孔質体気泡消去板（以下、多孔板ともいう）２を通過することにより、気泡が消去されて電解液とガスとに分離され、通路Ａ側に達する。電解液はプレート３を伝わって通路Ａの底に流れ落ちる。このようにして気泡は完全にガスと液に分離される。通路Ａの底に流れ落ちた電解液は、ガスと電解液とに分離した状態で図５の排出ノズル５から排出される。気泡を殆ど含まない電解液とガスとが排出されるので、５０Ａ／ｄｍ2 以上の高電流密度でも排出ノズルでの圧力損失の変化にともなうセル内圧力変動（振動）を全くなくすことができる。
【００１４】
図２に示す例は、プレート３の下端と隔壁がスリット状の隙間４を形成しており、この隙間４から、プレート上部から流れ込んだ液の一部が極室内に流入し、通路Ａを介して液が循環するような構造になっている。
図３は、多孔板２をプレート３の上端から水平に設けた場合の例である。
プレート３は通路Ｂ側の気泡を含む液と、通路Ａ側の堰内にある気泡を消去した液を隔てる役割も有するので、その高さＨは、プレート下端が図１のように隔壁と接している場合では５０ｍｍ〜３００ｍｍ程度でよい。一方、図２のように隔壁との間にスリット状の隙間を設ける場合は、プレートの高さＨは２００ｍｍ〜５００ｍｍ程度の長さにする必要がある。
【００１５】
この理由は、図１の構造では電解液の循環がなく、気液分離した液は全量排出ノズルから払い出されるので、堰の内側（通路Ａ）でガスの流れにより液が波立つことにより排出ノズルが閉塞して圧力変動が生じることがない程度に、通路Ａの断面積が確保できれば良いからである。
これに対し、図２の構造では、できるだけ液循環を多くするためには、通路Ｂでのガス・液混合相のヘッドと通路Ａのヘッド差を大きくとることが必要になるため、プレートの高さを大きくする必要があるためである。
【００１６】
プレート上端と単位極室の上端との間隔Ｓは、５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲が好ましい。この間隔Ｓが狭すぎるとガスが滞留しやすくなり、一方、広すぎると単位極室上端まで通路Ｂを通過する液が到達せず、やはりガスが滞留してしまう。したがって最も好ましいＳの範囲は１０ｍｍ〜２０ｍｍである。
プレート３と電極４の間隔Ｗは、２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で有れば圧力損失も少ないので好ましい。２０ｍｍを超えると通路Ａの幅が小さくなって圧力損失が高まるために、気液分離している液とガスが再度混合して、排出ノズルから払い出す際に圧力変動が大きくなり振動発生を引き起こす場合がある。２ｍｍ未満ではガスや液等が通過する際に圧力損失が大きくなり、通電部にガス溜まりを形成してイオン交換膜に悪影響を与える場合が有る。特に図２のようにプレートと隔壁がスリット状の隙間を形成している場合は、通路Ｂの幅Ｗが小さいとスリット部分から電解液やガスがショートパスして通路Ａに入り込むため、通路Ｂに液やガスの滞留が起こる場合がある。
【００１７】
気泡を消去するための多孔質体気泡消去板２としては、金属を用いる場合はエクスパンデッドメタルや、丸型や角形等の孔を打ち抜きしたパンチドメタル、金網、ワイヤーメッシュ、発泡金属等が使用できる。その他にも塩素や苛性ソーダに対する耐久性のある素材であれば、プラスチックやセラミック製で同様な形状のものでも良い。多孔板の開口率は、１０％〜８０％の範囲で使用できるが、圧力損失や気泡消去の面から、最も好ましくは３０％〜７０％の範囲である。多孔板の厚みは、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲であれば、圧力損失も少なく気泡消去効果は十分得られる。
【００１８】
多孔板２を取り付ける場合は、図１及び図２のようにプレート上端から垂直に設置する方法、あるいは図３に示すようにプレート上端から水平に取り付ける方法、あるいは斜めに取り付ける方法がある。
いずれの方法においても、多孔板２の一方の端はプレート３上で且つ通路Ａの気相部分に相当する位置に固定されていることが必要である。多孔板２のいずれか一方の端がプレート３上に取り付けられていない場合、通路Ｂを通過した気泡を含むガスと電解液の混合物が多孔板２を通過することなく通路Ａに流れ込む部分が生じ、波消し効果が薄れて排出ノズルでの圧力変動が起こる原因となる。また一方の端がプレート３上の通路Ａの気相部分でなく液相部である場合では、多孔板２上に電解液と気泡が残り、やはり波消し効果が薄れて排出ノズルでの圧力変動が起こる原因となる。
【００１９】
このため多孔板２の固定位置は重要なポイントとなる。例えばプレート上端から垂直方向に延長して多孔板２を設ける場合、多孔板２の一方の端をプレート３の上端付近に固定し、多孔板２の高さはプレート上端と単位極室の上端との間隔Ｓと同じかそれよりも小さく、５ｍｍより大きな範囲であれば気泡消去効果は得られる。更に２０ｍｍより大きく、Ｓと同じかそれより小さい範囲が、高電流密度でも効果的に気泡を消去できるので更に好ましい。プレート３の上端から水平に取り付ける場合は、通路Ａの幅と等しくすることが好ましい。通路Ａの幅より小さいと、隙間から気泡が流れ落ちて有効に気泡を消去できない場合がある。
【００２０】
また、多孔板２は、プレート上端から斜めに取り付けても良いし、あるいはプレート上端より低い位置から斜めあるいは水平に取り付けても良い。プレート上端から斜めに取り付ける場合は、多孔板２の位置が排出ノズルの高さより２０ｍｍ以上上方であることが好ましい。２０ｍｍ未満であると通路Ａの液面より低くなったり、あるいは気泡が消去されずにガスの流れにより排出ノズルまで運ばれて、圧力変動が生じる場合がある。プレート上端より低い位置から水平あるいは斜めに取り付ける場合においても同様の理由により、多孔板２の最も下の端が底よりも２０ｍｍ以上になるように取り付けることが望ましい。
【００２１】
図２のようにプレートと隔壁がスリット状の隙間４を形成しているときの隙間の間隔Ｗ’の大きさは、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度が好ましい。１ｍｍ未満では圧力損失が大きくなり、通路Ａを介しての電解液の循環が不良となる。１０ｍｍを超えると、スリット部分から電解液やガスがショートパスして通路Ａに入り込むため、通路Ｂに液やガスの滞留が起こる場合があるだけでなく、液の循環が生じなくなる。
【００２２】
このような気泡消去できる構造を有する堰は、陽極側及び陰極側いずれにも取り付けることができる。特に陽極側は、気泡の影響が大きいので陽極側に取り付けると効果的である。
多孔板を取り付けることにより気泡消去効果が得られる。図４に示すような多孔板２を取り付けていない場合は、全くこの効果が得られない。本発明のように通路Ａ側の気相部分で電解液、気泡、ガスの混合相が多孔板２を通過すると、気泡がはじけて電解液とガスに分離し、効果を奏するものと考えられる。
【００２３】
本発明の複極式単位電解セルの正面図を図５に、図５のＡ−Ａ’間の断面図を図６に示した。
以上述べたように本発明の複極式単位電解セルは、プレートと、気泡を消去するための多孔板を取り付けた簡単な構造である。また、有効に気泡を消去できるため、５０Ａ／ｄｍ2 以上の高電流密度でも、電解液やガスをセル外に排出する際に圧力変動による振動も発生せず安定した電解ができ、イオン交換膜への悪影響が全く生じない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例を示すが、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
【００２５】
【実施例１】
図５と同様の正面形状を持ち、図６と同様の断面形状を持つ複極式単位電解セル枠を８コを直列並べ、その両端に図３と同様の堰を設けた陽極単位セル及び陰極単位セルを配して電流リード板を取り付け、図７の電解槽を組み立てた。
単位電解セルは、横幅が２４００ｍｍ、高さが１２８０ｍｍで、陽極側及び陰極側ともに図１と同様な構造とした。すなわち通路Ｂの幅Ｗを１０ｍｍ、高さＨは５００ｍｍ、板厚み１ｍｍのチタンプレートを設け、隔壁とプレート下端との隙間Ｗ’を３ｍｍとした。チタン製プレート上端から垂直に極室上端までの高さＳを１０ｍｍとし、この間に開口率５９％、厚み１ｍｍのチタン製エクスパンデッドメタルを取り付けた。
【００２６】
陽極は、エクスパンデッドメッシュ加工したチタン板の表面に、ルテニウム、イリジウム、チタンを成分とする酸化物を被覆することにより製作し、陰極はエクスパンデッドメッシュ加工したニッケル板の表面に酸化ニッケルを主成分としたコーティングをプラズマ溶射して製作したものを用いた。
このような電解セルに、陽イオン交換膜ＡＣＩＰＬＥＸ（登録商標）Ｆ４２０２を、ガスケットを介してはさみ、電解槽を組み立てた。この電解槽の陽極室側に、陽極液として出口塩水濃度が２００ｇ／リットルとなるように３００ｇ／リットルの塩水を供給し、陰極室側には出口苛性ソーダ濃度が３２重量％なるように希薄苛性ソーダを供給し、電解温度９０℃、電解時の絶対圧力で０．１４ＭＰａ、電流密度３０Ａ／ｄｍ2 〜６０Ａ／ｄｍ2 の範囲で１０日間電解した。
電解中の電解セル内の振動を測定した結果を表１に示す。この結果から、電解セル内の振動は６０Ａ／ｄｍ2 でも水柱で９ｃｍであった。
【００２７】
【実施例２】
プレートを、図１のように配置した。すなわち堰の高さＨは１２０ｍｍとし、隔壁とプレート下端との隙間はないように接合した以外は、実施例１と同様の複極式単位電解セルを用いて電解槽を組み立て、全く同様な条件で電解をおこなった。
電解中の電解セル内の振動を測定した結果を表１に示す。この結果から、電解セル内の振動は６０Ａ／ｄｍ2 でも水柱で５ｃｍ以下であった。
【００２８】
【比較例】
図４のように気泡消去用多孔板を設けない以外は、実施例２と同様な複極式単位電解セルを用い、実施例２と同様に電解槽を組み立て、同一条件で電解した。
電解中の電解セル内の振動を測定した結果を表１に示す。その結果、電解セル内の振動は５０Ａ／ｄｍ2 では水柱で２３ｃｍ、６０Ａ／ｄｍ2 では３７ｃｍに達した。
【００２９】
【表１】
0004402215.tif 000002
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、電解液を電解セル出口ノズルから払い出す際に、５０Ａ／ｄｍ2 以上の高電流密度においても、気泡や液、ガスが混相で払い出されずに、気液が分離した状態のまま払い出される。そのため、電解セル内の振動がなく、イオン交換膜の破損等が起きない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様の一例を示す単位セル上部の概念図（断面図）である。
【図２】本発明の実施態様の一例を示す単位セル上部の概念図（断面図）である。
【図３】本発明の実施態様の一例を示す単位セル上部の概念図（断面図）である。
【図４】本発明とは異なる単位セル上部の断面図である。
【図５】本発明の複極式単位電解セルの例を示す正面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ’間の断面図である。
【図７】本発明のセルを用いた複極式電解槽の例を示す、一部を切り欠いた組立図である。
【符号の説明】
１    隔壁
２    多孔質体気泡消去板
３    プレート
４    スリット状隙間
５    排出ノズル
６    リブ
７    入り口ノズル
８    電極
９    フレーム
１０  陽極
１１  陰極
１２  リード板
１３  陰極側ガスケット
１４  イオン交換膜
１５  陽極側ガスケット
１６  複極式単位電解セル
１７  締結体
【図１】
0004402215.tif 000003
【図２】
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【図３】
0004402215.tif 000005
【図４】
0004402215.tif 000006
【図５】
0004402215.tif 000007
【図６】
0004402215.tif 000008
【図７】
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