(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
竪型の電解槽ユニットの陽極側の隔壁と陰極側の隔壁に互いに嵌合する凹凸を形成し、両隔壁を重ね併せて一体化した隔壁板の凸部に電極板を結合した電解槽において、凹凸は電解槽ユニットの上下方向に延びる凹条部、凸条部として形成されており、凹凸は高さ方向を複数の領域に分割して形成されており、各領域の凹条部は他の領域の凸条部と同一の直線上にあって各領域毎に凹凸が半ピッチずつずれたものであり、隣接する領域の結合部分において同一の領域の隣接する凸条部を介して配置した凹条部を結合するとともに隣接する領域の凹条部を結合する液絡部を有し、隔壁の凹状部の斜面もしくは隔壁の凹状部の斜面に設けた平行な部材を少なくとも一つの区画壁とした隔壁と電極面との間に設けた内部循環部材によって電解液が下降する内部循環路を形成したことを特徴とする電解槽。
【請求項２】
内部循環部材が、各領域の凹状部の一方の斜面に接触する面を有する三角筒状の部材によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の電解槽。
【請求項３】
内部循環路が、各領域の一つの凹状部の一方の斜面と内部循環部材から形成されており、内部循環部材は、電極室の縦方向に延びた縦方向部材、縦方向部材から凸条部側へ延びて隔壁の凸状部に接した部分、縦方向部部材から凹状部側に延びて隔壁に接した部分、および隔壁との間で構成されていることを特徴とする請求項１記載の電解槽。
【請求項４】
内部循環路が、各領域の凹状部の斜面と内部循環部材から形成されており、内部循環部材は、電極室の縦方向に延びた縦方向部材と、縦方向部材の側端部から延びて凹状部および液絡部を区画する側面部材から構成されており、凹状部の全面を縦方向部材が覆った領域に隣接する領域では、第一の領域に隣接する第二の領域では、縦方向部材の中央部が隔壁の凸状部に位置し、縦方向部材の側端部から隔壁方向へ延びて隔壁に接する２個の側面部から構成されていることを特徴とする請求項１記載の電解槽。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィルタープレス型の電解槽に関し、特に電解液の循環に特徴を有する電解槽に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フィルタープレス型電解槽は食塩の電気分解による塩素と苛性ソーダの製造をはじめとして、有機物の電解製造、海水の電解等に広く用いられている。
フィルタープレス型電解槽を使用する代表的な電解方法である食塩のフィルタープレス型の電解槽には隣接する陽極室と陰極室とを隔壁を介して電気的および機械的に結合した複極式電解槽ユニットを陽イオン交換膜を介して多数積層し、両端には陽極あるいは陰極のいずれかを片面に有する端部電極室ユニットを積層して油圧式のプレス等で固定した複極式フィルタープレス型電解槽が用いられている。
【０００３】
一方、複極式の電解槽のユニットには、陽極室と陰極室とを分離するとともに電気分解電流の伝達の作用をする隔壁が設けられている。陽極室と陰極室とを分離する隔壁にはそれぞれ陽極および陰極が取り付けられている。陽極室と陰極室は対象となる電解反応によって、一方は酸化性の環境にあり他方が還元性の環境となる。とくにイオン交換膜を利用した代表的な電解方法である食塩電解においては陽極では塩素が発生し、陰極では高濃度の水酸化ナトリウムと水素が生成するので、陽極室には塩素などに耐食性の大きなチタン、タンタル、ジルコニウムなどの薄膜形成性金属あるいはその合金を使用している。また、陰極室の雰囲気ではチタンは水素を吸収して脆化するので耐食性が大きなチタンも陰極室には使用できない。このため、陰極室には鉄、ニッケル、ステンレス等の鉄系の金属あるいはその合金を使用している。各々の電極室を金属材料の隔壁で形成し両者を接合することにより電気的接合を形成することができるが、陽極室側のチタンと陰極室側の鉄、ニッケル、ステンレスなどを直接に溶接によって接合しようとするとチタンと陰極室側の鉄系の金属が金属間化合物を形成するために実用的な強度を有する接合体を得ることはできなかった。
【０００４】
そこで、本出願人は、このような問題を解決するために、互いに嵌合する凹凸を形成した隔壁板をプレス加工によって製造し、凸部に電極を接合した電解槽ユニットを有する構造および製造方法が簡単な複極式電解槽を特開平３−２４９１８９号公報として提案している。さらに、複極式電解槽内部での電解液の循環を改善した電解槽を、特開平５−５１９５号公報、特開平５−５１９６号あるいは特開平５−９７７４号公報等において提案している。
とくに、特開平５−９７７４号公報において提案している方法は、隔壁板に設けた凹凸によって、電気的接続を良好なものとするとともに、電解槽内での電解液の循環を高めて電解液の濃度分布を均一なものとすることによって電解槽の効率的な運転を可能としたものである。
そして、これらの電解槽には、広い電極面積にわたり均一に電解液を供給するために電解槽内の電解液を循環する装置を用いることが行われている。
【０００５】
図６は、電解液の外部循環による電解液の循環方法を説明する図である。
電解槽ユニット１の下部の電解液供給口１８から電極室４内へ電解液３１を供給し、電解槽の上部の排出口３２から電気分解の生成物を含む電解液が排出され、循環槽３３に集められる。循環槽３３において気体生成物３４を分離し、排出された電解液の一部を電解液調整工程３５に供給するとともに、循環槽３３内の電解液の少なくとも一部を補給液３６と混合して循環ポンプ３７によって電解槽の下部の電解液供給口１８から電解槽に供給して循環している。
電解液が食塩水の場合には、電解槽から排出された濃度２００ｇ／ｌの塩水を濃度３００ｇ／ｌの飽和食塩水とを、容積比１：１で混合し、濃度２５０ｇ／ｌの食塩水として供給した場合には、電解槽の電解液供給口１８と排出口３２との電解液の濃度差は５０ｇ／ｌとなる。
電解槽の電解液供給口と排出口での電解液の濃度差を小さくするためには、電解液の循環量を多くして大量の電解液を循環する方法があるが、流量が増加すると電極室上部での圧力変動が大きくなり、陽極室と陰極室を区画するイオン交換膜が振動し、イオン交換膜の劣化を招くという問題がある。
【０００６】
また、図７には、電気分解に伴う電解液の比重の差を利用した循環方法を説明する図である。
電解槽ユニット１の上部の電解槽の排出口３２と結合した電解液貯槽３８を設け、電解液貯槽の下部の配管を電解液供給口１８に結合する。電解槽内で発生した気体を含んだ電解生成物は、比重の差から電解槽内を上昇し電解液貯槽３８に達する。電解液貯槽３８において、気体生成物３４を分離、電解液の一部は電解液調整工程３５に供給し、一部の電解液は補給液３６を補給して電解液の濃度を調整し、電解液供給口１８から電極室４内へ供給される。
このような電解液循環装置を有する電解槽の下部に供給される電解液は希釈され、電極室の電解液供給口の近傍では、電解液の供給口から離れた部分の電解液の濃度の均一化が充分には進まないので、電流分布が不均一となるので、電気分解電圧に悪影響を及ぼすこととなる。
また、食塩水の電気分解の場合には、食塩水に塩酸を供給して電解液のｐＨを低くすることが行われることがあるが、電解液の濃度の不均一のために電解液供給口の近傍が低いｐＨに晒されることとなってイオン交換膜の劣化が生じることがあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電極室内の電解液の濃度、および温度の不均一を防止し、電圧、電流効率およびイオン交換膜の長寿命化を図ることを課題とするものであり、とくに電極の面積が大きな大型の電解槽においても充分な電解性能が得られる電解槽を得ることを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、竪型の電解槽ユニットの陽極側の隔壁と陰極側の隔壁に互いに嵌合する凹凸を形成し、両隔壁を重ね併せて一体化した隔壁板の凸部に電極板を結合した電解槽において、凹凸は電解槽ユニットの上下方向に延びる凹条部、凸条部として形成されており、凹凸は高さ方向を複数の領域に分割して形成されており、各領域の凹条部は他の領域の凸条部と同一の直線上にあって各領域毎に凹凸が半ピッチずつずれたものであり、隣接する領域の結合部分において同一の領域の隣接する凸条部を介して配置した凹条部を結合するとともに隣接する領域の凹条部を結合する液絡部を有し、隔壁の凹状部の斜面もしくは隔壁の凹状部の斜面に設けた平行な部材を少なくとも一つの区画壁とした隔壁と電極面との間に設けた内部循環部材によって電解液が下降する内部循環路を形成した電解槽である。また、内部循環部材が、各領域の凹状部の一方の斜面に接触する面を有する三角筒状の部材によって形成されている前記の電解槽である。内部循環路が、各領域の一つの凹状部の一方の斜面と内部循環部材から形成されており、内部循環部材は、電極室の縦方向に延びた縦方向部材、縦方向部材から凸条部側へ延びて隔壁の凸状部に接した部分、縦方向部部材から凹状部側に延びて隔壁に接した部分、および隔壁との間で構成されている前記の電解槽である。
【０００９】
内部循環路が、各領域の凹状部の斜面と内部循環部材から形成されており、内部循環部材は、電極室の縦方向に延びた縦方向部材と、縦方向部材の側端部から延びて凹状部および液絡部を区画する側面部材から構成されており、凹状部の全面を縦方向部材が覆った領域に隣接する領域では、第一の領域に隣接する第二の領域では、縦方向部材の中央部が隔壁の凸状部に位置し、縦方向部材の側端部から隔壁方向へ延びて隔壁に接する２個の側面部から構成されている前記の電解槽である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の電解槽の単位電解槽の一実施例を示す図であり、電極、および電極室枠体の一部を切り欠いた陽極側から見た図を示す。
電解槽ユニット１の陽極側の隔壁２はチタン、ジルコニウム、タンタルなどの薄膜形成性金属およびそれらの合金から選ばれる薄板を鍋状に成形加工し、同様に成形加工した陰極側の隔壁（図示しない）と嵌合して電解槽枠体３に取り付けられている。電極室４内の両隔壁には、互いに嵌合する凹凸部を形成しており、陽極側の隔壁には凹部５と凸部６を設けており、陰極側の隔壁にも陽極側の凹凸と嵌合する位置に同様に溝状の凹部と凸部を設けている。
【００１１】
陽極側の隔壁の凸部には、電極７として陽極が直接、あるいは導電スペーサ（図示しない）を介して溶接によって接合されている。陽極は、エキスパンデッド金属、多孔性板等に白金族の金属の酸化物等からなる陽極活性被覆を形成したものであり、陰極側の隔壁の凸部には、同様に直接、あるいは導電スペーサを介してエキスパンデッド金属、多孔性板等にニッケル系、白金族の金属系の物質からなる陰極活性被覆を形成した陰極が溶接等によって結合されている。
【００１２】
凹凸は隔壁を上部から第１領域１１、第２領域１２、第３領域１３、および第４領域の４つの領域に分割しており、それぞれの領域の凹部および凸部は電解槽ユニットの上下方向に延びる凹条部１５および凸条部１６として形成されており、隣接する凹条を連絡するとともに上下の領域間の凹条部を連絡する液絡部１７を各領域間に形成している。電解槽ユニットの上下方向の領域は、第１ないし第４の領域の４個の領域に限らず、３個の領域あるいは５個以上の多数の領域に分割しても良い。
電解液は電解液供給口１８から、電解槽枠体３内部に設けた電解液供給管１９を通じて、電極室下部の電解液吹き出し口２０から電極室４内部に導入される。電解液は、電解槽内で発生する気体とともに電極室の凹条部を上昇し、液絡部から左右の凹条部へと流路を変えられながら上昇し、上昇する過程で電解液の混合が進み、電解液の濃度が均一化される。
【００１３】
さらに、本発明の電解槽は、隔壁２と電極７との間に内部循環部材２１を設けており、隔壁２と内部循環部材２１との間の領域には、電極で発生した気泡を含んだ電解液は流入せず、電極室の上部において気泡を分離した電解液が下向きに流れ、電極室内において電解液の循環が行われる。
内部循環部材２１は、本発明の電解槽のように隔壁２が下部から上部に向けて一様な形状でない場合にも、内部循環部材２１を隔壁の凹凸に合わせた形状で形成することによって上部から下部に向けて電解液の内部循環通路を形成することができる。
本発明の電解槽は、隔壁２に電解液の濃度の均一化を促進する凸条、凹条、および液絡部を有するとともに、電解液の内部循環部材を設けたので、図１に示すように電解液の流入口から奥行きの長い大型の電解槽においても、電極室の内部での電解液の循環が充分に行われるので、効率的な電気分解を行うことができる。
【００１４】
図２は、本発明の電解槽の単位電解槽に用いる凹凸を有する隔壁を説明する図である。
隔壁２は、斜面２２ａと斜面２２ｂで形成される凹条部１５ａと、斜面２２ｃで形成される凹条部１５ｂから液絡部１７に流入した電解液は、液絡部１７で合流し、次の領域の斜面２２ｄと斜面２２ｅで形成される凹条部１５ｃへと流入する。その結果、隣接する凹条部から流入した電解液が液絡部で合流して混合が進み濃度が均一化される。
【００１５】
図３は、本発明の電解槽に設ける内部循環部材の一実施例を説明する斜視図である。
図３（Ａ）は、上部と下部の異なる領域の、電極および隔壁の一部を切り欠いた斜視図である。図３（Ｂ）は、三角柱状内部循環部材を示す図である。
隔壁２は、各領域毎に凹凸が半ピッチずつずれたものであるので、三角柱状内部循環部材２１ａは、その二つの面を隔壁の傾斜方向の異なる斜面２２ｆおよび斜面２２ｇに交互に接することにより、本発明の電解槽のように、凹条部が一直線上に並んでない場合にも三角柱状内部循環部材を取り付けることができる。内部循環部材の外部には、電解槽の下部から流入する電解液の流れと、電気分解によって発生する気泡によって上昇流が生じ、内部循環部材の内部電解液循環路２３ａには、電解液の下降流が生じ電解液の循環が行われる。
【００１６】
また、本発明の電解槽においては、電極７は、隔壁２の凸状部に直接接合しても良いが、棒状の金属からなる導電スペーサ８を凸状部に接合し、導電スペーサ上に電極を溶接等によって接合することにより、隔壁の凹状部の投影面上にも電極の接合部が存在することとなり、電極の電流分布、および電極の形状の保持性を良好なものとすることができる。さらに、導電スペーサによって電極と内部循環部材の間に間隙を形成することによって電解液の循環路を良好に形成することができる。
【００１７】
図４は、本発明の電解槽に設ける内部循環部材の一実施例を説明する斜視図である。
図４（Ａ）は、電極および隔壁の一部を切り欠いた斜視図であり、上部と下部の領域の隔壁と内部循環部材２１ｂを示す図である。上部では内部循環部材２１ｂの縦方向部の側端部が凸状部１６に接し、凸状部に接していない側端部には、側面部が形成され、隔壁２の凹条部の斜面２２ｈと側面部２５ａによって内部電解液循環路２３ｂが形成されている。上部領域に形成された凹条部の延長線上に、凸条部が形成されていることを示している。下部の領域では、隔壁の斜面２２ｉと、内部循環部材２２ｂの側面部２５ｄを他の面として内部電解液循環路２３ｂが形成されている。
【００１８】
図４（Ｂ）は、内部循環部材２１ｂを説明する斜視図であり、内部循環部材２１ｂは、電極室ユニットに設置された際に、縦方向部の隔壁の凸状部に接する側端部とは反対側の側端部から縦方向部２４ａから側面部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが交互に直角方向に延びたものであり、縦方向部２４、側面部、および隔壁の斜面によって内部循環路が形成される。
【００１９】
図５は、本発明の電解槽に設ける内部循環部材の他の実施例を説明する斜視図である。
図５（Ａ）は、電極および隔壁の一部を切り欠いた斜視図であり、図５（Ａ）は、隔壁の斜面と内部循環部材を示す図であり、隔壁２の凹条部の斜面２２ｊおよび２２ｋと内部循環部材２１ｄの平面部２４ｂによって内部循環路２３ｄを形成したものである。
また、斜面２２ｊおよび２２ｋで形成された凹状部の延長線上には、図で示すように斜面２２ｍおよび２２ｎで形成された凸状部が位置するが、斜面２２ｍと内部循環部材２１ｄの側面部２５ｇによって内部電解液循環路２３ｅが形成され、また、斜面２２ｎと内部循環部材２１ｄの側面部２５ｈによって内部電解液循環路２３ｆが形成される。これらの内部電解液循環路２３ｅおよび内部電解液循環路２３ｆは、上部に形成された内部電解液循環路２３ｄと連通しており、電解液の下降流が流れる循環路を形成する。
【００２０】
図５（Ｂ）は、内部循環部材２１ｄを説明する斜視図であり、内部循環部材２１ｄは、電極室ユニットに設置された際に、電極面側に面する縦方向部２４ｂから側面部２５ｅ、２５ｆ、２５ｇ、２５ｈが直角方向に延びたものであり、隔壁および内部循環部材２１ｄの縦方向部２４ｂ、側面部２５ｅ、２５ｆ、２５ｇ、２５ｈによって内部循環路が形成される。また、縦方向部には、導電スペーサを凸状部に接合するための接合孔２６を設けることによって、導電スペーサと隔壁との導電接続抵抗を小さくすることができる。
【００２１】
本発明の電解槽において、内部循環部材は、電解槽内において電解槽の強度を保持したり、あるいは電流を供給する作用を果たしている部材ではないので、隔壁に用いたものと同種の金属材料の薄板によって形成した部材を溶接等によって接合して作製することができる。例えば、陽極室側においては、厚さ０．５〜０．３ｍｍのチタンの薄板を用いることができ、陰極室側においては、厚さ０．５〜０．３ｍｍのニッケル等の薄板を用いて作製することができる。
【００２２】
内部循環部材の取り付けは、電極を取り付ける前に隔壁上に溶接等によって取り付けるが、図３で示した三角筒状の内部循環部材にあっては、電極を取り付けた後の空間に取り付けることも可能である。
また、内部循環部材を形成する面は、電極室の隔壁に設けた凹凸の斜面との間に空間を形成することができるものであれば平面状の部材に限らず、曲面状の部材であっても良い。
内部循環部材の取り付け個数、あるいは取り付け位置は、電解槽の大きさ等に応じて任意に設定することができる。また、内部循環部材の構造は、図３ないし図５に示したものを一種類もしくは複数種類のものを取り付けることができる。
本発明の電解槽は、電極室枠の下部から均等な電解液の供給を行うとともに、隔壁に設けた凹凸によって、電解液の循環を良好なものとするとともに、凹凸部に適合した形状の内部循環部材を設けたので、電極室内部での電解液の循環を良好なものとすることができるので、電解液の濃度および温度の均一化を図ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
電極室内での電解液の循環を高めることができるので、電極室内での電解液の濃度、および温度の不均一を防止し、電圧、電流効率を高め、イオン交換膜の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電解槽の隔壁板に内部循環部材を取り付けた電解槽ユニットを説明する図である。
【図２】図２は、本発明の電解槽の単位電解槽に用いる凹凸を有する隔壁を説明する図である。
【図３】図３は、本発明の電解槽に設ける内部循環部材の一実施例を説明する斜視図である。
【図４】図４は、本発明の電解槽に設ける内部循環部材の他の実施例を説明する斜視図である。
【図５】図５は、本発明の電解槽に設ける内部循環部材の他の実施例を説明する斜視図である。
【図６】図６は、電解液の外部循環による電解液の循環方法を説明する図である。
【図７】図７には、電気分解に伴う電解液の比重の差を利用した循環方法を説明する図である。
【符号の説明】
１…電解槽ユニット、２…隔壁、３…電解槽枠体、４…電極室、５…凹部、６…凸部、７…電極、８…導電スペーサ、１１…第１領域、１２…第２領域、１３…第３領域、１４…第４領域、１５…凹条部、１６…凸条部、１７…液絡部、１８…電解液供給口、１９…電解液供給管、２０…電解液吹き出し口、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…内部循環部材、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｈ，２２ｉ，２２ｊ，２２ｋ，２２ｍ，２２ｎ…斜面、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｅ，２３ｆ…内部電解液循環路、２４ａ…縦方向部、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ…側面部、２６…接合孔、３１…電解液、３２…排出口、３３…循環槽、３４…気体生成物、３５…電解液調整工程、３６…補給液、３７…循環ポンプ、３８…電解液貯槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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