JP2007508456A

JP2007508456A - 複極式電解槽のための構造ユニット

Info

Publication number: JP2007508456A
Application number: JP2006534633A
Authority: JP
Inventors: フリッツゲスターマン、; アンドレーアスブーラン、
Original assignee: バイエルマテリアルサイエンスアーゲー
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2007-04-05
Also published as: CN1867701A; WO2005038090A3; WO2005038090A2; TW200523403A; EP1673491A2; US20050077068A1; DE10347703A1

Abstract

本発明は、フィルタープレス技術に基づいた複極式電解槽のための構造ユニットを記載するもので、少なくとも、第１のハーフシェル（12）、第２のハーフシェル（14）およびフレーム状担体エレメント（10）を含み、ここで、ハーフシェル（12、14）の少なくとも１つがプラスチック材を含有し、２つのハーフシェル（12、14）は、第１のハーフシェル（12）の後壁と第２のハーフシェル（14）の後壁とが互いに接するように担体エレメント（10）内に設置され、２つのハーフシェル（12、14）と同様に担体エレメント（10）も、電解液および／またはガスの流入ならびに流出のための少なくとも２つの開口部（16、19）を有し、そして２つのハーフシェル（12、14）は、少なくとも１つの導電性接続エレメント（30）に適合するように、その平坦部（11、13）において互いの上方に通路（15、15’）を有し、第１のハーフシェル（12）においては第１の電極（42）が、そして第２のハーフシェル（14）においては第２の電極（44）が接続エレメントに固定される。

Description

本発明は、フィルタープレス技術に基づいた複極式電解槽のための、より詳細には膜処理に基づいた塩化水素の水溶液の電気分解のための構造ユニットに関する。

例えばEP-A 0 785 294に記載するように、塩化水素の水溶液（塩酸）の電気分解のための電気化学セルは通常チタンまたはチタン合金、例えばチタン-パラジウム合金からなる。EP-A 0 785 294において、通常の水素電極と比較して好ましくは0.3〜0.6Vの酸化還元電位を有する酸化剤が、腐食防止のために塩酸に添加される。3価鉄は、好ましい酸化剤として選択される。しかしながら、塩酸の存在下における腐食性は、チタンを電気化学セルのための材料とする場合の唯一の不利な点である。さらに不利な点は低い伝導率であり、結果として、電極への電流の伝導およびセル内の電流分布において電圧損失が生じる。最後に、チタンが非常に高価な材料であるという事実がある。

従って、本発明の目的は、膜処理に基づいた塩化水素の水溶液の電気分解のための複極式電解槽のための構造ユニットを提供することであり、これは腐食を受けにくく、電圧損失がより少なくなり、そして同時に低価格の材料からなるものである。構造ユニットは、フィルタープレス技術に基づいて、複極式回路装置により作動する電解槽内に組み込まれる必要がある。

本発明はフィルタープレス技術に基づいた複極式電解槽のための構造ユニットを提供し、これは少なくとも第１のハーフシェル、第２のハーフシェルおよびフレーム状担体エレメントを含み、少なくとも１つのハーフシェルはプラスチック材を含有し、そして２つのハーフシェルは、第１のハーフシェルの後壁と第２のハーフシェルの後壁とが互いに接するように担体エレメント内に設置され、２つのハーフシェルと同様に担体エレメントも、電解液および／またはガスの流入ならびに流出のための少なくとも２つの開口部を含み、そして２つのハーフシェルが、少なくとも１つの導電性接続エレメントに適合するようにその平坦部領域において互いの上方に通路を含み、第１のハーフシェルにおいては第１の電極が、そして第２のハーフシェルにおいては第２の電極が接続エレメントに固定される。

個々のエレメント技術においては、アノードハーフエレメント、カソードハーフエレメント、および２つのハーフエレメントを互いに隔てるイオン交換膜から構成される電気化学セルが、電解槽を構成するための構造ユニットを形成する一方、フィルタープレス技術において、構造ユニットは電気化学セルのアノードハーフエレメントおよび隣接する電気化学セルのカソードハーフエレメントから形成され、２つのハーフエレメントは背中合わせに設置されている。したがって、フィルタープレス技術において、電気化学セルは１つの構造ユニットのハーフエレメントおよび隣接する構造ユニットのハーフエレメントから形成され、電気化学セルを形成する２つのハーフエレメントはイオン交換膜によって互いに隔てられている。

２つの隣接する電気化学セルの２つのハーフシェルが挿入されており、かつ接続エレメント、ならびにカソードおよびアノードとなる２つの電極と同様に、２つのハーフシェルと共に本発明の構造ユニットを形成するフレーム状担体エレメントは、好ましくは金属製であり、具体的には鋼鉄またはプラスチック材（例えばポリフッ化ビニリデン（PVDF）またはポリ塩化ビニル（PVC））でコーティングされた鋼鉄である。

ハーフシェルはいずれの場合にも平坦部および（好ましくは曲げられた）周縁部からなり、それによって、これらが担体エレメント内に挿入される。周縁部は担体エレメント上に位置する。２つのハーフシェル（つまりアノードハーフシェルおよびカソードハーフシェル）は、ハーフシェルが背中合わせに位置する（つまりハーフシェルの平坦部は、それらの外表面（後壁）が互いに隣接するように位置する）ように担体エレメント内に挿入される。ハーフシェルは、互いに分離的または非分離的に接続される２つの別々の構造部品として組み立てられ得る。あるいはまた、ハーフシェルは１つの構成品として設計しても良い。好ましくは、ハーフシェルは分離して互いに連結される。

ハーフシェルの平坦部は、接続エレメントに適合する通路を有する。ハーフシェルが、それらの後壁が互いに反対側に位置するように設置される場合、ハーフシェルにおける通路は互いの上方に位置する。このことは、接続エレメントがハーフシェルを通じて導かれることを可能にする。通路は、あらゆる任意の形状（例えば円形または角状）であり得る。

好ましい実施形態によれば、構造ユニットの２つのハーフエレメントが２つのハーフシェルで形成され、そしてこれらが分離的接続によって互いに連結される場合、これには、例えばEP-A 0 999 294で周知の２つのハーフエレメント間の単純な隔壁と比較して、個々のハーフシェルを構造ユニットから外して、別のハーフシェルと交換できるという利点がある。このことは、電解槽が損傷を受けた場合に、再装備または修理を容易にする。

ハーフエレメントの２つのハーフシェルは構造上同一でも良いが、深さが異なっていても良い。ガス拡散電極は、好ましくはその構造ユニット内のカソードとして使用される。好ましくはこの場合、カソードハーフシェルはアノードハーフシェルより浅く、これにより、一方では材料を節約し、そして他方では電解槽のための空間を削減する。

ハーフシェルおよび担体エレメントに異なる材料を使用する場合、材料の熱膨張の違いが考慮されるべきである。これは特に、金属のフレーム状担体エレメントの大きさに対応したプラスチック材の２つのハーフシェルの大きさの選択、および接続エレメントの直径に対応した金属の接続エレメントに適合するためのそれらの開口部の選択について当てはまる。塩化水素の水溶液の電気分解は、30℃〜70℃の範囲の温度で実施されるのが好ましい。

本発明によれば、ハーフシェルの少なくとも１つがプラスチック材でできている。好ましくは双方のハーフシェルがプラスチック材、特にポリフッ化ビニル（PVDF）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）または塩素化ポリ塩化ビニル（CPVC）から作製される。従って、本発明の利点は、電解槽の本質的な構造を付与する構造エレメントが、耐食性（特に塩酸耐性）であると同時に低価格の材料からなるという事実にある。

接続エレメントは、ボルト、ピン、ネジ等であり得る。好ましくは、２つのハーフシェルが分離的に、少なくとも１つの接続エレメントの末端に（例えばネジ／ワッシャー接続を用いて）連結される。接続エレメントは好ましくはボルト、ピン等であり、これは少なくとも１つの末端に外側のネジ山を有し、そしてネジ／ワッシャーによって一方はアノードハーフシェルに接続され、もう一方はカソードハーフシェルに接続される。

接続エレメントはまた、２つのハーフエレメント内の電極へ電流を伝導する機能も果たす。従って、接続エレメントは導電性である。特に、接続エレメントはチタン製、耐酸性チタン合金製であるか、または耐酸性チタン合金でコーティングされる。好ましくは、接続エレメントは高導電性の金属（特に銅）のコアおよびチタンまたはチタン合金（特にチタン-パラジウム合金もしくはチタン-ルテニウム合金）のシースを有する。この接続エレメントの実施形態は銅の高伝導性を有利に活用する。

アノードおよびカソードとなる２つの電極は、低抵抗の方法で接続エレメントに固定される。これらは接続エレメントに、例えば溶接（つまり非分離的な様式で接続）され得る。これは、例えばネジ型またはボルト型の接続エレメントを使用することによってもたらされ得るものであり、ここで、ネジ頭はハーフシェルのうちの１つ（例えばアノードハーフシェル）内に突出し、そしてネジ山とネジ山ワッシャーとを有する接続エレメントのもう一方の末端は、もう一方のハーフシェル（例えばカソードハーフシェル）内に突出する。そして、電極（例えばアノード）は接続エレメントのネジ頭に溶接され得る。好ましい実施形態において、電極は例えばネジによって接続エレメントに分離的に固定される。この目的のために、接続部は少なくとも１つの末端に内側のネジ山を有する。電極の接続エレメントへの分離的接続が有利であるのは、電気化学的に活性なコーティングの磨耗のために、または破損のために交換する必要がある場合に、電極を比較的少ない労力で取り付けおよび取り外しすることが可能であるためである。さらに好ましい実施形態において、アノードとなる電極が、非分離的な方法で（例えば溶接によって）接続エレメントに接続される一方、カソードとなる電極は、特にガス拡散電極においては、例えばネジによって分離的に接続エレメントに接続される。

接続エレメントの数は、それが作製される材料およびその厚さの他に、アノードおよびカソードの横伝導率によっても左右される。材料の導電性および電極の横伝導率が高いほど、必要なボルトの数は少ない。また、使用される接続エレメントが多いほど、接続エレメントはより薄い。２つの隣接する接続エレメント間の距離は、10cm〜20cmの範囲内である。

例えばチタンまたはチタン合金（特にチタン-パラジウム合金）から構成されるアノードは、例えばルテニウム-チタン混合酸化物またはルテニウム-チタン-イリジウム酸化物に基づいた耐酸性コーティング剤でコーティングされる。カソードはアノードと同様の方法で構築され得る。また一方、その使用目的によって、他のコーティング剤を用いても提供され得る。ガス拡散電極をカソードとして使用する場合、アノードに相当する材料は、触媒を含むコーティングのための担体として使用され得る。例えば、ガス拡散電極は、白金族、好ましくは白金またはロジウムの触媒を含むものが使用され得る。E-TEK Company（USA）のガス拡散電極が一例として記載でき、これは1.2 mg Pt/cm²の貴金属でコーティングされた炭素基材において、30wt.％の白金を触媒として含む。好ましい実施形態において、ガス拡散電極は酸素を消費するカソードとして機能する。

接続エレメントに加え、ピン状スペーサーエレメントが、好ましくはアノードハーフシェルとアノードとの間および／またはカソードハーフシェルとカソードとの間に提供される。これらのスペーサーエレメントは、電極またはハーフシェルのあらゆる可能性のある変形を回避することで、アノードとカソードとの間の距離を一定に保持する。スペーサーエレメントは、例えばピン状であってもよく、またはT型もしくはZ型等を有するように設計されてもよい。これらは例えばプラスチック材からなっていてもよく、ハーフシェルと一体化して作製されてもよい。また一方、これらは他の任意の適切な方法により、一方はハーフシェルに、およびもう一方は電極に接続されてよい。スペーサーエレメントがさらに電流分布を改良するための機能を果たそうとする場合、それらは導電性である。スペーサーエレメントは横断接続エレメントによって互いに接続され得る。横断接続エレメントはワイヤー、網、繊維などであり得る。横断接続エレメントは、電流分布を改良するために導電性であり得る。

フレーム状担体エレメントは、例えば電解液および／またはガスの流入ならびに流出のためのチャンネル状通路を有する。カソードおよびアノードとして使用される従来の電極の場合、電解液のための１つの注入口および１つの排出口が各々のハーフシェルに対して必要であると同時に、さらにアノードハーフエレメントにおいて塩素のための排出口が必要である。状況に応じて、塩素は電解液と共に排出されることもあり得る。ガス拡散電極をカソードとして使用する場合、ガスをカソードハーフエレメントに添加しなければならず、そして過剰な液体に加えて過剰なガスをカソードハーフエレメントから除去しなくてはならない。例えば、個々のハーフシェルに分離的または非分離的のどちらかにより連結されたチューブを、例えば担体エレメント内のチャンネル状通路内に導入する。例えば、ハーフシェルの内側に位置するチューブの末端にフランジを付けることで、チューブをハーフシェルの内側から通路へ移動させてもよい。

フィルタープレスの原理に基づいて電解槽を形成するために、本発明の複数の構造ユニットを組み立てる場合、フレーム状担体エレメントが同時にプレスされる。さらに、構造ユニットは、例えばPTFEまたはPTFE含有密封材等の市販の媒体耐性シールを用いて互いに密封することができる。

本発明は、添付の図面に関して以下により詳細に記載される。

図１は、横断面図におけるフレーム状担体エレメント10および２つのハーフシェル12、14を示し、これらのハーフシェルは平坦部11、13の領域において担体エレメント10内に背中合わせで挿入される。ハーフシェル12、14の曲げられた周縁部17、18は担体エレメント10と隣接している。電解液および／もしくはガスの流入ならびに／または流出のために、通路16、19が担体エレメント内に提供され、開口部がハーフシェル内に備えられる。例えば、図１は担体エレメント10内のチャンネル状通路16、およびハーフシェル14の周縁部18における開口部19を示す。電解液および／もしくはガスの流入または流出のためのチューブ23は、通路16および開口部19内に配置される。図で示した実施形態において、２つのハーフシェル12、14は、接続エレメント30によって互いに分離的に接続される。接続エレメント30は、ハーフシェル12、14の平坦部11、13において重ね合わさった通路15、15’を通り、ハーフシェル12、14によって形成される半電池内に突出する。電極42、44は接続エレメントに固定される。

図１aは、図１の拡大断面図において、電解液および／またはガスのための流入ならびに流出の実施形態を示す。チャンネル状通路16は担体エレメント10内に配置される。ハーフシェル14はその周縁部18に開口部19を有し、これは通路16となる。チューブ、特に金属チューブ23は、通路16および開口部19内に挿入される。チューブ23はその末端にフランジ25を有し、これはハーフシェルに面している。チューブ23は、ハーフシェル14の周縁部18に、ネジ22によって固定される。シール24は、ネジ22とハーフシェル14の周縁部18との間に備えられる。

図２は、図１に図解される本発明の構造エレメントの部分を示す。ハーフシェル12、14は、それらの後壁を隣接させて平坦部11、13の領域に位置し、互いに一体化した通路15、15’を有する。通路15、15’は接続エレメント30に適合する。図２に図解される接続エレメント30の実施形態は、ネジと類似する。ネジ様接続エレメント30の２つの末端は、個々のハーフシェル12、14によって形成される空間に突出する。２つのハーフシェル12、14は、接続エレメント30によって互いに分離的に接続される。図２に図解される実施形態において、接続エレメント30が１つの末端31に外側のネジ山32を有することで、ネジ-ワッシャー結合部34によってこの末端31における接続がなされる。接続エレメント30のもう一方の末端33は、通路15、15’の直径よりその直径が大きいヘッド35を有する。これは、接続エレメント30がハーフシェル12、14の通路15、15’から外れるのを防ぐ。シール52はハーフシェル12とネジワッシャー34との間に備えられる。同様にして、シール54はハーフシェル14と接続エレメント30のヘッド35との間に備えられる。外側のネジ山32を有する接続エレメント30の両端31、33を提供し、そして同様にして、ネジ-ワッシャー結合部34によって２つのハーフシェル12、14を接続することが同様に可能である。図で示した実施形態において、接続エレメント30は銅のコア38、およびコア38を完全に囲むチタンまたはチタン合金のシース39を有する。

図２はまた、電極42、44の接続エレメント30への分離的接続の実施形態も示す。接続エレメント30は、両端31、33に内側のネジ山36、37を有することで、電極42、44がネジ43、45によって接続エレメント30に接続されることを可能にする。あるいはまた、電極42、44の少なくとも１つが、溶接によって接続エレメント30に接続されてもよい。好ましくは、アノードとなる電極は、溶接によって接続エレメント30に接続される。

スペーサーエレメント52、54および横断接続エレメント53、55をさらに図２に示す。例えば、導電性スペーサーエレメント52、54は、いずれの場合にもハーフシェル12、14と電極42、44との間に位置し、ハーフシェル12、14および電極42、44と実質的に垂直に配置される。これらは電極42、44が接続エレメント30の間でたるむのを防ぎ、それによってハーフシェル12、14と電極42、44との間に一定の空間を確保する。スペーサーエレメント52、54は、図で示した実施形態においてピン状である。横断接続エレメント53、55は、例えば同様に導電性であって、スペーサーエレメント52、54を互いに接続してもよい。それによって、電流分布が増加する。横断結合エレメントは、ワイヤー、網、繊維等である。

図１は、本発明の構造エレメントの概略を示す断面図である。図１aは、図１の拡大断面図である。図２は、図１の構造エレメントの概略を示す断面図であり、ハーフシェルの断面、接続エレメントの第一の好ましい実施形態、および電極を示す。

Claims

フィルタープレス技術に基づいた複極式電解槽のための構造ユニットであって、少なくとも第１のハーフシェル（12）、第２のハーフシェル（14）およびフレーム状担体エレメント（10）を含み、ここで前記ハーフシェル（12、14）の少なくとも１つがプラスチック材を含有し、２つのハーフシェル（12、14）は第１のハーフシェル（12）の後壁と第２のハーフシェル（14）の後壁とが互いに接するように担体エレメント（10）内に設置され、担体エレメント（10）および２つのハーフシェル（12、14）が、電解液および／またはガスの流入ならびに流出のための少なくとも２つの開口部（16、19）を含み、そして２つのハーフシェル（12、14）が、少なくとも１つの導電性接続エレメント（30）に適合するように、その平坦部領域（11、13）において互いの上方に通路（15、15’）を含み、第１のハーフシェル（12）においては第１の電極（42）が、そして第２のハーフシェル（14）においては第２の電極（44）が前記接続エレメントに固定される、構造ユニット。
２つのハーフシェル（12、14）が互いに分離的に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の構造ユニット。
２つのハーフシェル（12、14）が、ネジ-ワッシャー結合部（34）によって、接続エレメント（30）の少なくとも１つの末端に分離的に接続されることを特徴とする、請求項２に記載の構造ユニット。
２つのハーフシェル（12、14）が一体化して形成されることを特徴とする、請求項１に記載の構造ユニット。
第１の電極（42）および／または第２の電極（44）が接続エレメント（30）に分離的に接続されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構造ユニット。
接続エレメント（30）が少なくとも１つの末端に内側のネジ山（36）を有し、かつ第１の電極（42）および／または第２の電極（44）が接続エレメント（30）にネジ（43、45）によって分離的に接続されることを特徴とする、請求項５に記載の構造ユニット。
スペーサーエレメント（52、54）が、第１のハーフシェル（12）と第１の電極（42）との間および／または第２のハーフシェル（14）と第２の電極（44）との間に備えられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の構造ユニット。
スペーサーエレメント（52、54）が導電性であり、かつ導電性横断接続エレメント（53、55）によって互いに接続されることを特徴とする、請求項７に記載の構造ユニット。
両方のハーフシェル（12、14）がプラスチック材、好ましくはポリテトラフルオロエチレン、PVDFまたはCPVCを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の構造ユニット。
担体エレメント（10）が金属製、特に鋼鉄製であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の構造ユニット。
接続エレメント（30）が銅のコア（38）、およびチタンまたはチタン合金、特にチタン-パラジウム合金もしくはチタン-ルテニウム合金のシース（39）から構成されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の構造ユニット。
２つの電極（42、44）の一方がガス拡散電極であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の構造ユニット。