(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複極式イオン交換膜電解槽において、単位電解槽の隔壁に電解液循環通路形成部材の中央部が隔壁側へ変形した状態で両端部が固定されて隔壁と反対方向へ付勢され、電解槽の隔壁を一つの面として電極室の垂直方向に伸びる電解液循環通路を形成し、電解液循環通路形成部材の隔壁と反対側の面に電極が取り付けられているとともに、電解液循環通路形成部材の隔壁側の面には、電解液循環通路が隔壁方向への押圧によって変形を回復しなくなる場合の隔壁との間隔よりも長さが長い間隔保持部材が設けられており、間隔保持部材を設けた台形状部の両側には、台形状部の頂点よりも高さが低い山状部を有し、間隔保持部材が隔壁に接した際に、間隔保持部材と山状部に電極が接し電極を保持することを特徴とする複極式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、複極式イオン交換膜電解槽に関し、特に電気分解電圧が低く、運転時の変動等に対しても信頼性が高い複極式電解槽に関する。
【０００２】
【従来の技術】
食塩水の電気分解に代表される水溶液の電気分解に用いられるイオン交換膜電解槽は、極めて大きな電流密度で運転されるので、電気分解電圧を低下させることが大きな課題である。
電気分解電圧は、電解槽の構造、電気分解用電極の特性など多数の要因によって決定されるが、なかでも陽極と陰極の間の電極間隔は、間隔が短いほど電気分解電圧が小さくなるために電極間隔を小さくすることが行われており、陽極室と陰極室を区画する陽イオン交換膜と電極との間隔を実質的になくして運転を行うことが行われている。
【０００３】
食塩水の電気分解においては、陰極室の圧力を陽極室の圧力よりも高くして運転することによっても電気分解電圧を低下させることが可能であるので、陰極室の圧力を陽極室の圧力よりも高くし、陽極室と陰極室との間の圧力差で陽イオン交換膜を陽極に密着させて運転を行っている。
このような電解槽において、陽極と陰極との電極間距離を小さくするためには、陽極に密着した陽イオン交換膜に対して陰極を近づけることが必要となるが、電解槽の陰極室枠に固定して取り付けた陰極では、大面積の電解面全体に対して高精度に電極間隔を設定することは困難があるので、陰極をバネ状の部材に取り付けてバネによる付勢力によって陰極を陽イオン交換膜に密着させて電極間隔を小さくすることが提案されている。
【０００４】
バネ状部材に陰極を取り付けた場合には陽イオン交換膜との密着性を高め、電極間隔を小さくすることが可能となるが、電解槽への電解液の供給装置の異常、あるいは電解槽の運転操作の誤り等によって、陽極室の圧力と陰極室の圧力が逆転すると、陽イオン交換膜は陰極に押し付けられる。陰極はバネ状の部材によって取り付けられているので、陰極は隔壁側へ押し付けられ、陽イオン交換膜は大きく延び、陽イオン交換膜に悪影響を及ぼしたり、あるいは陰極が隔壁側へ押し付けられる結果、バネ状の部材が回復不可能な変形を生じ、以後の正常な運転ができない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、複極式フィルタープレス型イオン交換膜電解槽において、バネ状の部材によって保持した電極と、イオン交換膜の両面に作用する圧力の差との均衡が取れなくなった場合においてもイオン交換膜および電極に悪影響を及ぼすことがない電解槽を提供することを課題とするものである。
【０００６】
本発明の課題は、複極式イオン交換膜電解槽において、単位電解槽の隔壁に電解液循環通路形成部材の中央部が隔壁側へ変形した状態で両端部が固定されて隔壁と反対方向へ付勢され、電解槽の隔壁を一つの面として電極室の垂直方向に伸びる電解液循環通路を形成し、電解液循環通路形成部材の隔壁と反対側の面に電極が取り付けられているとともに、電解液循環通路形成部材の隔壁側の面には、電解液循環通路が隔壁方向への押圧によって変形を回復しなくなる場合の隔壁との間隔よりも長さが長い間隔保持部材が設けられており、間隔保持部材を設けた台形状部の両側には、台形状部の頂点よりも高さが低い山状部を有し、間隔保持部材が隔壁に接した際に、間隔保持部材と山状部に電極が接し電極を保持する複極式イオン交換膜電解槽によって解決することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の複極式イオン交換膜電解槽は、バネ性を有する電解液循環通路形成部材に間隔保持部材を設けたので、電解槽の隔壁を一つの面として電解液循環通路を形成するとともに隔壁からの電極の位置を調整可能に保持したので、必要最小限の構成部材によって電解液循環通路の形成、および電極の保持と導電接続とを行うことを可能とし、安全性が大きく特性が優れた複極式イオン交換膜電解槽を提供するものである。
【０００８】
以下に、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の複極式イオン交換膜電解槽を説明する図であり、図１（Ａ）は単位電解槽を陰極室側から見た陰極の一部を切り欠いた図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）において隣接する単位電解槽をＡ−Ａ’線で示す断面で切断した斜視図である。
本発明の単位電解槽１は、一方の面に陰極室２を有し、他方の面に陽極室３を有している。各電極室は、皿状の陰極室隔壁４および陽極室隔壁５が相互に接合されて導電接続を形成しており、単位電解槽１の周囲に設けた構造部材となる電解槽枠体６の表面も陰極室隔壁４および陽極室隔壁５の延長部で覆われて、陰極側フランジ面７および陽極側フランジ面８を形成している。
【０００９】
陰極室隔壁４には、バネ状の陰極液循環通路形成部材９が取り付けられており、陰極室隔壁を一面とした陰極液循環通路１０が形成されている。陰極液循環通路形成部材９は、陰極液循環通路１０の流通方向に直角の面で切断した断面図は、左右対称であって両側の端部１１および１２において陰極室隔壁４と接合されている。また、板状体を折り曲げて山状部１３および１４を形成したことにより、板状体はバネ性を有し、中央部１５は常に陰極室隔壁４とは反対側へ付勢されるものとなる。また中央部１５には頂部が陰極室隔壁に平行な面を有し、両側の山状部１３および１４よりも突出した台形状部１６を有しており、台形状部１６の隔壁に平行な頂部に陰極１７が接合されており、陰極は隔壁とは反対側へ付勢されている。また、台形状部の陰極隔壁側には、間隔保持保持部材１８が取り付けられており、陰極が押圧された場合であっても、陰極液循環通路形成部材５は、間隔保持部材１８によって保持されるので、回復不可能な変形を生じることはない。
また、陰極室内には、陰極液流入管１９が設けられており、陰極液流入口２０から陰極液が陰極室へと供給されて電気分解を受ける。
【００１０】
一方、陽極室３には、陽極室隔壁５を一つの面として陽極液を循環する陽極液循環通路２１を形成するとともに、陽極２２を保持し陽極室隔壁５と陽極２２との間で導電接続を形成する陽極液循環路形成部材２３が取り付けられている。陽極液循環路形成部材２３は、両端部２４および２５を陽極室隔壁５に接合されており、陽極室隔壁５に対して垂直な部位２６と陽極室隔壁５に平行な部位２７から構成されており、凸条部２８によって陽極２２を保持している。
電解槽の運転時に陰極室の圧力を陽極室の圧力よりも高くする結果、陽極室と陰極室の間に配置された陽イオン交換膜２９が陽極２２面を押圧するので、陽極液循環通路形成部材２３は、上記したように陽極室隔壁５に垂直な部位２６によって取り付けられることが好ましく、陰極室側からの圧力に対して変形が生じないようにすることが好ましい。
【００１１】
また、図１（Ｂ）に示すように、陽極室隔壁５に平行な部位２７を陽極面から間隔を設けて配置することによって、電解液の上昇通路を電極の背面に形成することができる。さらに、陽極液循環通路形成部材２２には、内部に少なくとも１個の陽極間隔保持部材３０を設けても良い。陽極間隔保持部材３０を設けることによって、陰極室側から陽極室側に加わる圧力による変形を小さくすることができる。
本発明の複極式イオン交換膜電解槽は、上記した単位電解槽の複数個を積層し、両端部には、陰極室のみを有する陰極側端部電解槽と陽極室のみを有する陽極側端部電解槽を積層して使用することができる。
【００１２】
本発明において、陰極室隔壁には、ニッケル、ニッケル合金等を用いることができる。陰極には、ニッケル、ニッケル合金の多孔体、網状体、エキスパンデッドメタル、あるいはこれらを基体として、表面に白金族金属含有層、ラネーニッケル含有層、活性炭含有ニッケル層等の電極触媒物質の被覆を形成し、水素過電圧を低下させたものを用いることができる。また、陰極液循環通路形成部材は、陰極室隔壁と同一の材料を用いることができる。
一方、陽極室隔壁には、チタン、タンタル、ジルコニウム等の薄膜形成性金属あるいはこれらの合金を用いることができる。陽極には、チタン、タンタル、ジルコニウム等の薄膜形成性金属あるいはこれらの合金の表面に、白金族金属、白金族金属の酸化物を含有する電極触媒物質の被覆を形成した陽極を用いることができる。
【００１３】
本発明の複極式イオン交換膜電解槽においては、陽極液循環通路形成部材は、両端部は５０ｍｍ〜１５０ｍｍとし、中央部に陽極間隔保持部材を設けることが好ましく、陰極液循環通路形成部材の両端部の間隔は同様の大きさとすることができ、陰極液循環通路形成部材としては、厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの部材を用いて折り曲げ加工してバネ状の部材を作製することができる。
本発明の電解槽をアルカリ金属ハロゲン化物の水溶液の電気分解、例えば食塩水の電気分解に用いる場合には、陽極室には、飽和食塩水を供給し、陰極室には水または希薄水酸化ナトリウム水溶液を供給し、所定の分解率で電気分解を行った後に電解槽から取り出される。
【００１４】
図２は、本発明の複極式イオン交換膜電解槽の運転時の電解液の流れを説明する図であり、電解槽ユニットの隔壁を挟んで陰極室および陰極室側から見た斜視図である。
電解槽ユニットの陰極室隔壁４に接合された陰極液循環通路形成部材９によって、陰極液隔壁４との間に陰極液循環通路１０が形成される。陰極液流入管１９の陰極液流入口２０から陰極室内へ流入する陰極液の流れ、および電気分解によって生成する気泡の上昇によって生じる上昇流３１により陰極液が陰極室内を上昇し、陰極室上部において陰極液と生成気体とを気液分離し、見かけ上の比重が大きくなった陰極液は、陰極液循環通路１０を下降流３２となって下降する。このように、陰極液が陰極室内部を循環する結果、陰極室内部では陰極液の濃度分布が小さくなる。
【００１５】
また、陽極室３においては、陽極室隔壁５に接合された陽極液循環路形成部材２３により、陽極室隔壁５を一つの面として陽極液循環通路２１が形成される。陽極室内においても、陽極液流、および電気分解によって生成する気泡の上昇流によって生じる上昇流３３により陽極液が陽極室内を上昇し、陽極室上部において陽極液と生成気体とを分離して、見かけ上の比重が大きくなった陽極液は、陽極液循環通路２１を下降流３４となって下降し、陽極室内において陽極液の循環が充分に行われ、循環陰極室内部では陰極液の濃度分布が小さくなり、大電流密度で運転を行った場合であっても効率的な電気分解を行うことができる。
【００１６】
図３は、本発明の電解槽の陰極液循環通路形成部材の動作を説明する図である。
図３（Ａ）は、電解槽の定常運転時を説明する図であり、陰極液循環通路形成部材５は、陰極室内の圧力が陽極室内の圧力よりも高いために、正常差圧Ａによって陽イオン交換膜２９は陽極２２へ押し付けられ、さらに陰極１７はバネ性の陰極液循環通路形成部材９によって付勢されて陽イオン交換膜２９に密着される。
【００１７】
図３（Ｂ）は、陰極室内の圧力よりも陽極室内の圧力が高くなった場合を説明する図である。
陰極室と陽極室の圧力の逆転が生じると、逆転差圧Ｂにより、陽イオン交換膜２９は陽極室側から陰極１７側へ押圧される。しかしながら、本発明の複極式イオン交換膜電解槽においては、バネ性の陰極液循環通路形成部材９は、間隔保持部材１８を有している。その結果、陰極液循環通路形成部材９の台形状部１６に接合した陰極１７は、陰極液循環通路形成部材９を変形させるものの、間隔保持部材１８によって制限を受けるので陰極と陰極隔壁との間隔は、間隔保持部材１８の長さよりも短くなることはない。しかも、バネ性の陰極液循環通路形成部材５には、中央に対して対称な位置に山状部１３および１４を有しているので、押圧の際には山状部１３および１４の頂点は、陰極室隔壁から等しく陰極室隔壁４へと近づくこととなる。
したがって、陰極液循環通路形成部材を、陰極が押圧されて間隔保持部材１８によって保持された場合に陰極が山状部１３および１４に接するように設計するならば、押圧による圧力は３個所によって保持されることとなり、陰極の変形は生じず、また陰極液循環通路形成部材が回復不可能な変形を生じることはなく、圧力異常時が生じても定常運転に回復すれば問題なく運転を行うことができる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の複極式イオン交換膜電解槽によれば、バネ性を有する部材によって電解液循環通路を形成して電極の保持と導電接続を行った電解槽において、バネ性の部材からなる電解液循環通路形成用部材に間隔保持部材を設けたので、圧力異常時にも電解液循環通路形成用部材は回復不可能な変形して電解槽が事実上破壊することもなく、圧力異常が生じても運転性能を維持することが可能な複極式イオン交換膜電解槽を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の複極式イオン交換膜電解槽を説明する図である。
【図２】図２は、本発明の複極式イオン交換膜電解槽の運転時の電解液の流れを説明する図であり、電解槽ユニットの隔壁を挟んで陰極室および陰極室から見た斜視図である。
【図３】図３は、本発明の電解槽の陰極液循環通路形成部材の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１…電解槽ユニット、２…陰極室、３…陽極室、４…陰極室隔壁、５…陽極室隔壁、６…電解槽枠体、７…陰極側フランジ面、８…陽極側フランジ面、９…陰極液循環通路形成部材、１０…電解液循環通路、１１，１２…端部、１３，１４…山状部、１５…中央部、１６…台形状部、１７…陰極、１８…間隔保持保持部材、１９…陰極液流入管、２０…陰極液流入口、２１…陽極液循環通路、２２…陽極、２３…陽極液循環路形成部材、２４，２５…両端部、２６…垂直な部位、２７…平行な部位、２８…凸条部、２９…陽イオン交換膜、３０…陽極間隔保持部材、３１…上昇流、３２…下降流、３３…上昇流、３４…下降流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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