JP3420790B2 - 塩化アルカリ電解用電解槽及び電解方法 - Google Patents
塩化アルカリ電解用電解槽及び電解方法Info
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- JP3420790B2 JP3420790B2 JP06268493A JP6268493A JP3420790B2 JP 3420790 B2 JP3420790 B2 JP 3420790B2 JP 06268493 A JP06268493 A JP 06268493A JP 6268493 A JP6268493 A JP 6268493A JP 3420790 B2 JP3420790 B2 JP 3420790B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高効率で塩化アルカリ
水溶液を電解して水酸化アルカリを製造する方法に関
し、より詳細には大規模な工業的に塩化アルカリ電解を
行うための低電力消費型電解槽及び電解方法に関する。
水溶液を電解して水酸化アルカリを製造する方法に関
し、より詳細には大規模な工業的に塩化アルカリ電解を
行うための低電力消費型電解槽及び電解方法に関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】塩化アルカリ水溶液特に食塩
水から水酸化ナトリウム等と塩素を電解的に製造するい
わゆるソーダ電解は工業電解の主体をなすもので主生成
物である前記水酸化ナトリウム等と塩素を製品として使
用できる有用な電解であり、その製法や電解槽に関する
多くの改良が行われてきた。現在の最も進んだ工業的方
法はいわゆるイオン交換膜法であり、過電圧が数十ｍＶ
と低い不溶性陽極及び過電圧が100 ｍＶ前後である活性
化陰極を使用し、しかもその間に挟まれるイオン交換膜
の電気抵抗低下の改良もあって、その電解電圧は実用領
域において理論分解電圧2.2 〜2.4 Ｖに対して約３Ｖと
不可避なオーム損を除くとこれ以上の省エネルギーを望
むことが殆ど不可能な段階に達している。
水から水酸化ナトリウム等と塩素を電解的に製造するい
わゆるソーダ電解は工業電解の主体をなすもので主生成
物である前記水酸化ナトリウム等と塩素を製品として使
用できる有用な電解であり、その製法や電解槽に関する
多くの改良が行われてきた。現在の最も進んだ工業的方
法はいわゆるイオン交換膜法であり、過電圧が数十ｍＶ
と低い不溶性陽極及び過電圧が100 ｍＶ前後である活性
化陰極を使用し、しかもその間に挟まれるイオン交換膜
の電気抵抗低下の改良もあって、その電解電圧は実用領
域において理論分解電圧2.2 〜2.4 Ｖに対して約３Ｖと
不可避なオーム損を除くとこれ以上の省エネルギーを望
むことが殆ど不可能な段階に達している。
【０００３】一方製品である塩素ガスと水酸化アルカリ
は100 ％使用されるが、全反応式 ２ＮａＣｌ ＋ Ｈ2 Ｏ → ２ＮａＯＨ ＋ Ｃｌ2 ＋ Ｈ2 で示される物質のうち水素ガスは一部使用されているが
十分活用されていないのが現状であり今後も活用されな
いと予測されている。理論分解電圧の面から見ると水素
発生に伴う電圧が約0.83Ｖであり、水素発生を伴わない
ようにすると前記電圧分の電力消費を減少させることが
可能になる。このために開発された手段が酸素ガス減極
電極（ガス陰極）であり、酸素ガスを陰極に供給するこ
とにより陰極反応を従来の Ｈ2 Ｏ ＋ ｅ → ＯＨ- ＋ 1/2 Ｈ2 （−0.83Ｖ）から Ｈ2 Ｏ ＋ ２ｅ ＋ 1/2 Ｏ2 → ２ＯＨ- （0.40Ｖ） の反応に代えることにより水素発生がなくしかも理論的
には約1.2 Ｖに相当する電力消費節減が可能な電解シス
テムを提供することが可能になる。
は100 ％使用されるが、全反応式 ２ＮａＣｌ ＋ Ｈ2 Ｏ → ２ＮａＯＨ ＋ Ｃｌ2 ＋ Ｈ2 で示される物質のうち水素ガスは一部使用されているが
十分活用されていないのが現状であり今後も活用されな
いと予測されている。理論分解電圧の面から見ると水素
発生に伴う電圧が約0.83Ｖであり、水素発生を伴わない
ようにすると前記電圧分の電力消費を減少させることが
可能になる。このために開発された手段が酸素ガス減極
電極（ガス陰極）であり、酸素ガスを陰極に供給するこ
とにより陰極反応を従来の Ｈ2 Ｏ ＋ ｅ → ＯＨ- ＋ 1/2 Ｈ2 （−0.83Ｖ）から Ｈ2 Ｏ ＋ ２ｅ ＋ 1/2 Ｏ2 → ２ＯＨ- （0.40Ｖ） の反応に代えることにより水素発生がなくしかも理論的
には約1.2 Ｖに相当する電力消費節減が可能な電解シス
テムを提供することが可能になる。
【０００４】このガス陰極自体は周知であり（例えば特
公平２−29757 号公報、特開昭59−25179 号公報）、こ
れらはいずれも約0.8 〜１Ｖの電圧低下を達成してい
る。前記ガス電極は片面に疎水性多孔層を設け、他面又
は該疎水層上に電解触媒を担持した親水層を設けて成
り、主として導電性炭素表面に白金を担持して製造され
る。しかしこれらの電極は電解初期には良好な性能を示
すものの触媒自体が濃厚水酸化アルカリに直接触れ、そ
の中で電気化学反応が行われるため、触媒の耐性が不充
分で短期間で触媒活性を失ってしまうという問題点があ
り、更に気液が相互にリークしない大面積のガス電極を
作製することは極めて困難であり工業的規模の電解用と
して実用化されたガス電極は存在しない。更にこのガス
電極ではガスとして空気を使用すると空気中の二酸化炭
素が電解室で水酸化アルカリと反応して炭酸ナトリウム
に変換されて膜の目詰まりを生じさせ使用不能になるこ
とを回避するため、使用ガス中の二酸化炭素除去が大き
な問題となっている。
公平２−29757 号公報、特開昭59−25179 号公報）、こ
れらはいずれも約0.8 〜１Ｖの電圧低下を達成してい
る。前記ガス電極は片面に疎水性多孔層を設け、他面又
は該疎水層上に電解触媒を担持した親水層を設けて成
り、主として導電性炭素表面に白金を担持して製造され
る。しかしこれらの電極は電解初期には良好な性能を示
すものの触媒自体が濃厚水酸化アルカリに直接触れ、そ
の中で電気化学反応が行われるため、触媒の耐性が不充
分で短期間で触媒活性を失ってしまうという問題点があ
り、更に気液が相互にリークしない大面積のガス電極を
作製することは極めて困難であり工業的規模の電解用と
して実用化されたガス電極は存在しない。更にこのガス
電極ではガスとして空気を使用すると空気中の二酸化炭
素が電解室で水酸化アルカリと反応して炭酸ナトリウム
に変換されて膜の目詰まりを生じさせ使用不能になるこ
とを回避するため、使用ガス中の二酸化炭素除去が大き
な問題となっている。
【０００５】又ガス電極の前にイオン交換膜を設け、ガ
ス電極から電解液室にＨ+ （陽極）及びＯＨ- （陰極）
を供給することが提案され、この提案はガス電極の大型
化に有利なように思えるが、具体的な使用条件等が不明
であり、依然として実用化には至っていない。このよう
に塩化アルカリ電解用としてガス電極を使用する省エネ
ルギー化については、実用化の予測はある程度立ってい
るが、実現のための手段、ガス電極の長寿命化等の具体
的手法については依然として見出されていない。
ス電極から電解液室にＨ+ （陽極）及びＯＨ- （陰極）
を供給することが提案され、この提案はガス電極の大型
化に有利なように思えるが、具体的な使用条件等が不明
であり、依然として実用化には至っていない。このよう
に塩化アルカリ電解用としてガス電極を使用する省エネ
ルギー化については、実用化の予測はある程度立ってい
るが、実現のための手段、ガス電極の長寿命化等の具体
的手法については依然として見出されていない。
【０００６】
【発明の目的】本発明は、ガス陰極を使用する塩化アル
カリ電解槽及び電解方法、特に前記ガス陰極の電極性能
を長期間良好に維持しながらかつ大型化が可能な塩化ア
ルカリ電解槽及び該電解槽を使用する塩化アルカリ電解
方法を提供することを目的とする。
カリ電解槽及び電解方法、特に前記ガス陰極の電極性能
を長期間良好に維持しながらかつ大型化が可能な塩化ア
ルカリ電解槽及び該電解槽を使用する塩化アルカリ電解
方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】本発明に係わる塩化ア
ルカリ電解槽は、陽イオン交換膜により陽極を収容する
陽極室とガス陰極を収容する陰極室とに区画され、更に
該陰極室が陰イオン交換膜により前記陽極室と接する溶
液室と前記ガス陰極を収容するガス室とに区画されたこ
とを特徴とする塩化アルカリ電解用電解槽であり、本発
明方法はこのような構成から成る電解槽の陽極室に塩化
アルカリ水溶液を、ガス室に前記酸素含有ガスを供給し
ながら前記塩化アルカリ水溶液の電解を行い、前記溶液
室で水酸化アルカリを生成することを特徴とする塩化ア
ルカリの電解方法である。以下本発明を詳細に説明す
る。
ルカリ電解槽は、陽イオン交換膜により陽極を収容する
陽極室とガス陰極を収容する陰極室とに区画され、更に
該陰極室が陰イオン交換膜により前記陽極室と接する溶
液室と前記ガス陰極を収容するガス室とに区画されたこ
とを特徴とする塩化アルカリ電解用電解槽であり、本発
明方法はこのような構成から成る電解槽の陽極室に塩化
アルカリ水溶液を、ガス室に前記酸素含有ガスを供給し
ながら前記塩化アルカリ水溶液の電解を行い、前記溶液
室で水酸化アルカリを生成することを特徴とする塩化ア
ルカリの電解方法である。以下本発明を詳細に説明す
る。
【０００８】通常のガス電極を塩化アルカリ電解に使用
すると該ガス電極は濃厚水酸化アルカリと直接接触し該
水酸化アルカリの化学的腐食性により前記ガス電極の触
媒層が消耗しこれが塩化アルカリ電解におけるガス電極
の短寿命化の一因と考えられている。しかし本発明者ら
は、塩化アルカリ電解における陰極の役割は陰極室へ水
酸イオンを供給することであると認識し、それ以外の機
能は極力排除するよう試みた。つまり本発明の電解槽及
び電解方法は、電解槽を陽イオン交換膜により陽極室と
陰極室とに区画し、更に陰イオン交換膜により前記陰極
室を生成する水酸化アルカリ水溶液が存在する溶液室と
ガス電極が存在するガス室とに区画し、前記陰イオン交
換膜の存在によりガス電極が直接濃厚な水酸化アルカリ
水溶液と接触することを防止することにより前記ガス電
極の長寿命化を意図する。
すると該ガス電極は濃厚水酸化アルカリと直接接触し該
水酸化アルカリの化学的腐食性により前記ガス電極の触
媒層が消耗しこれが塩化アルカリ電解におけるガス電極
の短寿命化の一因と考えられている。しかし本発明者ら
は、塩化アルカリ電解における陰極の役割は陰極室へ水
酸イオンを供給することであると認識し、それ以外の機
能は極力排除するよう試みた。つまり本発明の電解槽及
び電解方法は、電解槽を陽イオン交換膜により陽極室と
陰極室とに区画し、更に陰イオン交換膜により前記陰極
室を生成する水酸化アルカリ水溶液が存在する溶液室と
ガス電極が存在するガス室とに区画し、前記陰イオン交
換膜の存在によりガス電極が直接濃厚な水酸化アルカリ
水溶液と接触することを防止することにより前記ガス電
極の長寿命化を意図する。
【０００９】このように陽イオン交換膜、陰イオン交換
膜及びガス陰極を配置し陽極室に塩化アルカリ水溶液
を、陰極室の溶液室に水又は希釈水酸化アルカリ水溶液
を、ガス室に酸素や空気等の酸素含有ガスを供給する
と、陽極室中のナトリウムイオンが陽イオン交換膜を浸
透して溶液室に達し又ガス室で生成する水酸イオンが陰
イオン交換膜を浸透して溶液室に達し、該溶液室中で水
酸化アルカリが生成する。この電解フローにおいて、陰
極室の溶液室中の水酸化アルカリ中のナトリウムイオン
のガス室方向への浸透が前記陰イオン交換膜により阻止
され、又ガス陰極表面で生成する水酸イオンはその電荷
により陰イオン交換膜を浸透して溶液室方向に移動し再
度陰極に接触することが防止され、この水酸イオンの移
動は前記ナトリウムイオンのガス陰極への接触を更に確
実に防止し、実質的に前記ガス陰極は水酸化アルカリ水
溶液と接触することがなくなり、ガス陰極の寿命を長く
することができる。
膜及びガス陰極を配置し陽極室に塩化アルカリ水溶液
を、陰極室の溶液室に水又は希釈水酸化アルカリ水溶液
を、ガス室に酸素や空気等の酸素含有ガスを供給する
と、陽極室中のナトリウムイオンが陽イオン交換膜を浸
透して溶液室に達し又ガス室で生成する水酸イオンが陰
イオン交換膜を浸透して溶液室に達し、該溶液室中で水
酸化アルカリが生成する。この電解フローにおいて、陰
極室の溶液室中の水酸化アルカリ中のナトリウムイオン
のガス室方向への浸透が前記陰イオン交換膜により阻止
され、又ガス陰極表面で生成する水酸イオンはその電荷
により陰イオン交換膜を浸透して溶液室方向に移動し再
度陰極に接触することが防止され、この水酸イオンの移
動は前記ナトリウムイオンのガス陰極への接触を更に確
実に防止し、実質的に前記ガス陰極は水酸化アルカリ水
溶液と接触することがなくなり、ガス陰極の寿命を長く
することができる。
【００１０】更に多孔質である前記ガス陰極自体により
陰極室を溶液室とガス室とに区画する方式と比較して本
発明における電解槽及び電解方法は、両室の分離をガス
陰極と該ガス陰極より遙に緻密で液不浸透性に優れた陰
イオン交換膜により行っているため、気液リーク特に溶
液室の水酸化アルカリ水溶液のガス室への浸透を確実に
防止してガス陰極の劣化及び電流効率の低下を抑制でき
るため、高電流密度での操業を必要とする工業的規模の
電解にも使用することができる。但し電解反応の進行に
従って触媒とガスとの接触面積が小さくなったり、生成
したイオンの移動に若干の制限が生じたりするため、小
型の電解セル例えば燃料電池の場合のようには所望の性
能が実現される訳ではなく、特に高電流密度では過電圧
が大きくなりがちであり、実用上は５ＫＡ／ｍ2 以下の
電流密度で操業を行うことが望ましい。
陰極室を溶液室とガス室とに区画する方式と比較して本
発明における電解槽及び電解方法は、両室の分離をガス
陰極と該ガス陰極より遙に緻密で液不浸透性に優れた陰
イオン交換膜により行っているため、気液リーク特に溶
液室の水酸化アルカリ水溶液のガス室への浸透を確実に
防止してガス陰極の劣化及び電流効率の低下を抑制でき
るため、高電流密度での操業を必要とする工業的規模の
電解にも使用することができる。但し電解反応の進行に
従って触媒とガスとの接触面積が小さくなったり、生成
したイオンの移動に若干の制限が生じたりするため、小
型の電解セル例えば燃料電池の場合のようには所望の性
能が実現される訳ではなく、特に高電流密度では過電圧
が大きくなりがちであり、実用上は５ＫＡ／ｍ2 以下の
電流密度で操業を行うことが望ましい。
【００１１】塩化アルカリ電解の実用電流密度である３
〜４ＫＡ／ｍ2 では、陰イオン交換膜の性能にもよる
が、従来の水素発生陰極の場合と比較して、酸素を陰極
室に供給しながら電解を行う場合には約0.7 Ｖ、空気を
供給しながら電解を行う場合には約0.5 Ｖの電解電圧の
低下が見られる。又前述した供給ガス中の二酸化炭素は
膜の目詰まりの原因になることがあり本発明でも例外で
はないが、供給前に酸素含有ガスを石灰水中を通すこと
により実質的に膜の目詰まりを防止することができる。
これは従来のように親水層でガスと液が直接会合するの
ではないからと推測される。本発明の電解槽は従来のフ
ィルタープレス型電解槽として構成することが望まし
い。
〜４ＫＡ／ｍ2 では、陰イオン交換膜の性能にもよる
が、従来の水素発生陰極の場合と比較して、酸素を陰極
室に供給しながら電解を行う場合には約0.7 Ｖ、空気を
供給しながら電解を行う場合には約0.5 Ｖの電解電圧の
低下が見られる。又前述した供給ガス中の二酸化炭素は
膜の目詰まりの原因になることがあり本発明でも例外で
はないが、供給前に酸素含有ガスを石灰水中を通すこと
により実質的に膜の目詰まりを防止することができる。
これは従来のように親水層でガスと液が直接会合するの
ではないからと推測される。本発明の電解槽は従来のフ
ィルタープレス型電解槽として構成することが望まし
い。
【００１２】本発明に使用する陰イオン交換膜は約30％
の高濃度の高温水酸化アルカリ水溶液に対する耐性を有
しなければならない。そのためには従来の陽イオン交換
膜に使用されているようなフッ素樹脂系イオン交換膜を
使用することが好ましいが、炭化水素系のイオン交換膜
も数カ月程度の運転では問題なく使用することができ、
これはガス陰極の特徴的な作用である陰極側からの水酸
イオンの移行とそれに伴う随伴水によって陰イオン交換
膜表面が保護されること及びガス発生による気泡の攪拌
効果がないことからと推測される。しかし１年以上の連
続運転の場合には上述のフッ素樹脂系イオン交換膜を使
用すべきである。本発明に使用できる陰イオン交換膜と
しては、徳山曹達株式会社の商品名ネオセプタＡＣＬＥ
−５Ｐ、東ソー株式会社のフッ素系陰イオン交換膜であ
る商品名トスフレックスＩＥ−ＳＦ３４等がある。又前
記陰イオン交換膜は、粒状の陰イオン交換樹脂から成膜
したものであってもよい。
の高濃度の高温水酸化アルカリ水溶液に対する耐性を有
しなければならない。そのためには従来の陽イオン交換
膜に使用されているようなフッ素樹脂系イオン交換膜を
使用することが好ましいが、炭化水素系のイオン交換膜
も数カ月程度の運転では問題なく使用することができ、
これはガス陰極の特徴的な作用である陰極側からの水酸
イオンの移行とそれに伴う随伴水によって陰イオン交換
膜表面が保護されること及びガス発生による気泡の攪拌
効果がないことからと推測される。しかし１年以上の連
続運転の場合には上述のフッ素樹脂系イオン交換膜を使
用すべきである。本発明に使用できる陰イオン交換膜と
しては、徳山曹達株式会社の商品名ネオセプタＡＣＬＥ
−５Ｐ、東ソー株式会社のフッ素系陰イオン交換膜であ
る商品名トスフレックスＩＥ−ＳＦ３４等がある。又前
記陰イオン交換膜は、粒状の陰イオン交換樹脂から成膜
したものであってもよい。
【００１３】この陰イオン交換膜はガス陰極が水酸化ア
ルカリ水溶液と直接接触することを防止するとともに、
溶液室内の水酸化アルカリ水溶液が該陰イオン交換膜を
浸透しガス陰極と接触することも防止する。従って前記
陰イオン交換膜はその周縁を確実に電解槽の室枠等で締
着して液のリークを防止しなければならない。又該陰イ
オン交換膜とガス陰極間の液抵抗を最小にするため両者
を密着させるＳＰＥ型とすることが望ましいが、両者を
若干離間させて設置してもよい。
ルカリ水溶液と直接接触することを防止するとともに、
溶液室内の水酸化アルカリ水溶液が該陰イオン交換膜を
浸透しガス陰極と接触することも防止する。従って前記
陰イオン交換膜はその周縁を確実に電解槽の室枠等で締
着して液のリークを防止しなければならない。又該陰イ
オン交換膜とガス陰極間の液抵抗を最小にするため両者
を密着させるＳＰＥ型とすることが望ましいが、両者を
若干離間させて設置してもよい。
【００１４】前記陰イオン交換膜のガス室側に設置する
ガス陰極は、 Ｈ2 Ｏ ＋ ２ｅ ＋ 1/2 Ｏ2 → ２ＯＨ- の反応で水酸イオンを生成する機能を有し、生成した水
酸イオンは前記陰イオン交換膜を通して電場により溶液
室に移行する。ガス陰極は前述の通り前記陰イオン交換
膜と接触するＳＰＥ型であってもなくてもよいがガス室
中に液と接触しないように配置される。従って液相にお
ける会合が生じないため、従来のガス電極のように疎水
層と親水層の２層により構成される電極であっても、又
疎水層中に触媒を埋め込んだ形態の電極であってもよ
い。該ガス陰極は例えば白金や銀等の触媒を担持した炭
素粉末とポリテトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦＥと
いう）のような撥水性樹脂を混合しシート状に加工した
従来のガス電極を使用すればよく、芯材としてカーボン
クロスや金属メッシュを使用することもできる。該ガス
電極に給電するための集電体としては例えば銀メッキし
たニッケル多孔体（エキスパンドメッシュ等）を使用
し、これを前記ガス陰極に圧接して給電する。
ガス陰極は、 Ｈ2 Ｏ ＋ ２ｅ ＋ 1/2 Ｏ2 → ２ＯＨ- の反応で水酸イオンを生成する機能を有し、生成した水
酸イオンは前記陰イオン交換膜を通して電場により溶液
室に移行する。ガス陰極は前述の通り前記陰イオン交換
膜と接触するＳＰＥ型であってもなくてもよいがガス室
中に液と接触しないように配置される。従って液相にお
ける会合が生じないため、従来のガス電極のように疎水
層と親水層の２層により構成される電極であっても、又
疎水層中に触媒を埋め込んだ形態の電極であってもよ
い。該ガス陰極は例えば白金や銀等の触媒を担持した炭
素粉末とポリテトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦＥと
いう）のような撥水性樹脂を混合しシート状に加工した
従来のガス電極を使用すればよく、芯材としてカーボン
クロスや金属メッシュを使用することもできる。該ガス
電極に給電するための集電体としては例えば銀メッキし
たニッケル多孔体（エキスパンドメッシュ等）を使用
し、これを前記ガス陰極に圧接して給電する。
【００１５】陽イオン交換膜によって前記溶液室から区
画される陽極室に収容される陽極としては寸法安定性陽
極として知られるチタン等のバルブメタル基体上に貴金
属酸化物を主体とする触媒層を担持した電極（ＤＳＥ）
を使用することが好ましい。前記陽イオン交換膜は通常
のイオン交換膜法塩化アルカリ電解に使用されるフッ素
系イオン交換膜を使用することが好ましく、これらのイ
オン交換膜としては例えば米国デュポン社の商品名ナフ
ィオン、旭硝子株式会社の商品名フレミオン、旭化成株
式会社の商品名アシプレックスＦ等がある。
画される陽極室に収容される陽極としては寸法安定性陽
極として知られるチタン等のバルブメタル基体上に貴金
属酸化物を主体とする触媒層を担持した電極（ＤＳＥ）
を使用することが好ましい。前記陽イオン交換膜は通常
のイオン交換膜法塩化アルカリ電解に使用されるフッ素
系イオン交換膜を使用することが好ましく、これらのイ
オン交換膜としては例えば米国デュポン社の商品名ナフ
ィオン、旭硝子株式会社の商品名フレミオン、旭化成株
式会社の商品名アシプレックスＦ等がある。
【００１６】次に添付図面に基づいて本発明方法を説明
する。図１は本発明に係わる塩化アルカリ電解槽の一例
を示す概略縦断面図である。電解槽本体１は陽イオン交
換膜２により陽極室３と陰極室４とに区画され、陽極室
３内には前記陽イオン交換膜２に密着するようにＤＳＥ
等である陽極５が設置されている。前記陰極室４は陰イ
オン交換膜６により更に陽極室３側の溶液室７と該陰イ
オン交換膜６に密着するガス陰極８及び該ガス陰極８に
給電するためのメッシュ状の集電体９が収容されたガス
室10とに区画されている。前記陽極室３の側壁の下部及
び上部にはそれぞれ塩水供給口11及び塩水及び塩素ガス
取出口12が設置され、前記溶液室７の下面及び上面には
それぞれ希釈水酸化アルカリ水溶液供給口13及び濃厚水
酸化アルカリ水溶液取出口14が設置され、更にガス室10
の側壁の上部及び下部にはそれぞれ酸素含有ガス供給口
15及び酸素含有ガス取出口16が設置されている。
する。図１は本発明に係わる塩化アルカリ電解槽の一例
を示す概略縦断面図である。電解槽本体１は陽イオン交
換膜２により陽極室３と陰極室４とに区画され、陽極室
３内には前記陽イオン交換膜２に密着するようにＤＳＥ
等である陽極５が設置されている。前記陰極室４は陰イ
オン交換膜６により更に陽極室３側の溶液室７と該陰イ
オン交換膜６に密着するガス陰極８及び該ガス陰極８に
給電するためのメッシュ状の集電体９が収容されたガス
室10とに区画されている。前記陽極室３の側壁の下部及
び上部にはそれぞれ塩水供給口11及び塩水及び塩素ガス
取出口12が設置され、前記溶液室７の下面及び上面には
それぞれ希釈水酸化アルカリ水溶液供給口13及び濃厚水
酸化アルカリ水溶液取出口14が設置され、更にガス室10
の側壁の上部及び下部にはそれぞれ酸素含有ガス供給口
15及び酸素含有ガス取出口16が設置されている。
【００１７】この電解槽本体１の陽極室３に塩水を、溶
液室７に希釈水酸化アルカリ水溶液を、又ガス室10に酸
素含有ガスを供給しながら両極に通電すると、陽極室で
生成するナトリウムイオンが陽イオン交換膜２を浸透し
て溶液室７に達し、ガス陰極８表面で生成し陰イオン交
換膜６を浸透して該溶液室７に到達した水酸イオンと反
応して水酸化アルカリを生成する。溶液室７中の水酸化
アルカリ水溶液は循環させて徐々に濃度を上げて行くこ
とが望ましいが、前記溶液室７中に濃厚水酸化アルカリ
水溶液が存在しても該溶液室７とガス室10を区画する陰
イオン交換膜６が確実にガス陰極８の濃厚水酸化アルカ
リ水溶液との接触及び該水酸化アルカリ水溶液のリーク
を防止するためガス陰極８の寿命が延びる。又通常のガ
ス電極の場合と異なり溶液室とガス室がイオン交換膜で
区画されているため前記水酸化アルカリ水溶液のリーク
が確実に防止され、大型の電解槽でも使用できるため、
図示の電解槽は工業的規模の電解にも適用することがで
きる。
液室７に希釈水酸化アルカリ水溶液を、又ガス室10に酸
素含有ガスを供給しながら両極に通電すると、陽極室で
生成するナトリウムイオンが陽イオン交換膜２を浸透し
て溶液室７に達し、ガス陰極８表面で生成し陰イオン交
換膜６を浸透して該溶液室７に到達した水酸イオンと反
応して水酸化アルカリを生成する。溶液室７中の水酸化
アルカリ水溶液は循環させて徐々に濃度を上げて行くこ
とが望ましいが、前記溶液室７中に濃厚水酸化アルカリ
水溶液が存在しても該溶液室７とガス室10を区画する陰
イオン交換膜６が確実にガス陰極８の濃厚水酸化アルカ
リ水溶液との接触及び該水酸化アルカリ水溶液のリーク
を防止するためガス陰極８の寿命が延びる。又通常のガ
ス電極の場合と異なり溶液室とガス室がイオン交換膜で
区画されているため前記水酸化アルカリ水溶液のリーク
が確実に防止され、大型の電解槽でも使用できるため、
図示の電解槽は工業的規模の電解にも適用することがで
きる。
【００１８】
【実施例】次に本発明による塩化アルカリ水溶液の電解
を例示する実施例を記載するが、本発明はこれらに限定
されるものではない。
を例示する実施例を記載するが、本発明はこれらに限定
されるものではない。
【実施例１】陰極として炭素繊維の薄布の表面に、触媒
無担持グラファイト粉末と、表面に白金をスパッタ法で
担持させたグラファイト粉末を、フッ素樹脂と混練した
混練物を塗布し、前記薄布上で平板状に維持されるよう
に重しを載せながら250 ℃で30分間焼き付けてガス陰極
とした。白金担持量は15ｇ／ｍ2 であった。
無担持グラファイト粉末と、表面に白金をスパッタ法で
担持させたグラファイト粉末を、フッ素樹脂と混練した
混練物を塗布し、前記薄布上で平板状に維持されるよう
に重しを載せながら250 ℃で30分間焼き付けてガス陰極
とした。白金担持量は15ｇ／ｍ2 であった。
【００１９】このガス陰極の表面にフッ素樹脂系陰イオ
ン交換膜である東ソー株式会社製のトスフレックス（Ｔ
ｏｓｆｌｅｘ）ＩＥ−ＳＦ３４を密着させ、該陰イオン
交換膜の反対側から銀メッキしたニッケル製の目開き６
×3.5 ｍｍのエキスパンドメッシュを集電体として圧接
し、電解面積が50×125 の実験用電解槽に組み込んだ。
陽極としてチタン穴明板に（ルテニウム−チタン）酸化
物系のＤＳＥ電極を使用した。陽イオン交換膜としては
米国デュポン社の商品名ナフィオン90209 を使用して陽
極室と陰極室を区画した。
ン交換膜である東ソー株式会社製のトスフレックス（Ｔ
ｏｓｆｌｅｘ）ＩＥ−ＳＦ３４を密着させ、該陰イオン
交換膜の反対側から銀メッキしたニッケル製の目開き６
×3.5 ｍｍのエキスパンドメッシュを集電体として圧接
し、電解面積が50×125 の実験用電解槽に組み込んだ。
陽極としてチタン穴明板に（ルテニウム−チタン）酸化
物系のＤＳＥ電極を使用した。陽イオン交換膜としては
米国デュポン社の商品名ナフィオン90209 を使用して陽
極室と陰極室を区画した。
【００２０】陽極液として200 ｇ／リットルの食塩水を
循環して使用し、陰極液として水酸化ナトリウム濃度が
約32％となるように純水を添加しながら１分間に３回程
度循環させた。陰極ガスとしては水電解で生成した酸素
ガスを水層を通して十分加湿した後、水柱30ｃｍの圧力
でガス室に供給した。
循環して使用し、陰極液として水酸化ナトリウム濃度が
約32％となるように純水を添加しながら１分間に３回程
度循環させた。陰極ガスとしては水電解で生成した酸素
ガスを水層を通して十分加湿した後、水柱30ｃｍの圧力
でガス室に供給した。
【００２１】温度90℃、電流密度30Ａ／dm2 で電解した
ところ、槽電圧は2.4 Ｖであり、通常の活性化陰極を使
用した場合の3.1 Ｖより0.7 Ｖの低下が見られた。６ヶ
月間電解を継続したが性能の低下は見られなかった。又
白金の消耗は１ｇ／ｍ2 程度であり、消耗率も極めて小
さいことが判った。
ところ、槽電圧は2.4 Ｖであり、通常の活性化陰極を使
用した場合の3.1 Ｖより0.7 Ｖの低下が見られた。６ヶ
月間電解を継続したが性能の低下は見られなかった。又
白金の消耗は１ｇ／ｍ2 程度であり、消耗率も極めて小
さいことが判った。
【００２２】
【実施例２】実施例１と同様にして触媒を担持したガス
陰極の片面に第三アンモニウム系陰イオン交換樹脂粉末
をＰＴＦＥ分散液と混練した混練物を塗布し、120 ℃で
焼き付けた。更にその表面にフッ化グラファイトの微粉
末を含むＰＴＦＥ樹脂を焼き付けた。これを陰極として
実施例１と同様にして電解を行ったところ、電解電圧は
2.5 Ｖであり、実施例１より100 ｍＶ高かったが、通常
の電解より600 ｍＶの低下が見られた。又６ヶ月の電圧
後も性能の低下は全く見られなかった。本実施例におけ
る酸素ガスの代わりに、石灰水を通した空気を供給した
ところ、電圧は2.7 Ｖとなったが、他の性能は変わらな
かった。
陰極の片面に第三アンモニウム系陰イオン交換樹脂粉末
をＰＴＦＥ分散液と混練した混練物を塗布し、120 ℃で
焼き付けた。更にその表面にフッ化グラファイトの微粉
末を含むＰＴＦＥ樹脂を焼き付けた。これを陰極として
実施例１と同様にして電解を行ったところ、電解電圧は
2.5 Ｖであり、実施例１より100 ｍＶ高かったが、通常
の電解より600 ｍＶの低下が見られた。又６ヶ月の電圧
後も性能の低下は全く見られなかった。本実施例におけ
る酸素ガスの代わりに、石灰水を通した空気を供給した
ところ、電圧は2.7 Ｖとなったが、他の性能は変わらな
かった。
【００２３】
【比較例１】陰イオン交換膜を使用せずガス陰極が水酸
化ナトリウム水溶液と直接接触するようにしたこと以外
は実施例１と同一条件で電圧を行ったところ、10日後に
ガス陰極のガス室側に水酸化ナトリウムがリークしはじ
め、槽電圧の上昇が始まり、14日後に槽電圧が３Ｖを越
えたため電解を停止した。その後電解槽を解体し、ガス
陰極を観察したところその疎水性は完全に失われてい
た。
化ナトリウム水溶液と直接接触するようにしたこと以外
は実施例１と同一条件で電圧を行ったところ、10日後に
ガス陰極のガス室側に水酸化ナトリウムがリークしはじ
め、槽電圧の上昇が始まり、14日後に槽電圧が３Ｖを越
えたため電解を停止した。その後電解槽を解体し、ガス
陰極を観察したところその疎水性は完全に失われてい
た。
【００２４】
【発明の効果】本発明は、陽イオン交換膜により陽極を
収容する陽極室とガス陰極を収容する陰極室とに区画さ
れ、更に該陰極室が陰イオン交換膜により前記陽極室と
接する溶液室と前記ガス陰極を収容するガス室とに区画
されたことを特徴とする塩化アルカリ電解用電解槽であ
る。
収容する陽極室とガス陰極を収容する陰極室とに区画さ
れ、更に該陰極室が陰イオン交換膜により前記陽極室と
接する溶液室と前記ガス陰極を収容するガス室とに区画
されたことを特徴とする塩化アルカリ電解用電解槽であ
る。
【００２５】本発明では、腐食性の濃厚水酸化アルカリ
水溶液が存在する溶液室とガス陰極が存在するガス室と
が緻密な陰イオン交換膜で区画されているため、耐性に
劣るガス陰極が直接腐食性の水酸化アルカリ水溶液と直
接接触することが回避され、従って前記ガス陰極の長寿
命化が達成される。しかも前記陰イオン交換膜により確
実に溶液室とガス室が区画されているため、前記水酸化
アルカリ水溶液のガス室へのリークが防止され、従って
前記ガス陰極が間接的に腐食性の水酸化アルカリ水溶液
と接触することも防止され、より長寿命化が達成でき
る。そして電解槽を大型化するにつれ溶液室の水酸化ア
ルカリ水溶液のガス室へのリークの防止が困難になる
が、本発明の電解槽では前述の通りリークをほぼ完全に
阻止することができ、本発明は電解槽の大型化及びそれ
による工業的規模の操業を可能にする。
水溶液が存在する溶液室とガス陰極が存在するガス室と
が緻密な陰イオン交換膜で区画されているため、耐性に
劣るガス陰極が直接腐食性の水酸化アルカリ水溶液と直
接接触することが回避され、従って前記ガス陰極の長寿
命化が達成される。しかも前記陰イオン交換膜により確
実に溶液室とガス室が区画されているため、前記水酸化
アルカリ水溶液のガス室へのリークが防止され、従って
前記ガス陰極が間接的に腐食性の水酸化アルカリ水溶液
と接触することも防止され、より長寿命化が達成でき
る。そして電解槽を大型化するにつれ溶液室の水酸化ア
ルカリ水溶液のガス室へのリークの防止が困難になる
が、本発明の電解槽では前述の通りリークをほぼ完全に
阻止することができ、本発明は電解槽の大型化及びそれ
による工業的規模の操業を可能にする。
【００２６】本発明による電解方法の場合も同様に、陰
イオン交換膜の使用によるガス陰極の長寿命化を達成で
きかつ電解槽の大型化にも寄与することができる。
イオン交換膜の使用によるガス陰極の長寿命化を達成で
きかつ電解槽の大型化にも寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる塩化アルカリ電解槽の一例を示
す概略縦断面図。
す概略縦断面図。
１・・・電解槽本体 ２・・・陽イオン交換膜 ３・・
・陽極室 ４・・・陰極室 ５・・・陽極 ６・・・陰
イオン交換膜 ７・・・溶液室 ８・・・ガス陰極 ９
・・・集電体 10・・・ガス室
・陽極室 ４・・・陰極室 ５・・・陽極 ６・・・陰
イオン交換膜 ７・・・溶液室 ８・・・ガス陰極 ９
・・・集電体 10・・・ガス室
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 中松 秀司
神奈川県藤沢市大庭5568−４パピヨング
レースＩＩ102号
(56)参考文献 特開 昭56−69384（ＪＰ，Ａ)
特開 昭56−47578（ＪＰ，Ａ)
特開 昭54−132498（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】 陽イオン交換膜により陽極を収容する陽
極室とガス陰極を収容する陰極室とに区画され、更に該
陰極室が陰イオン交換膜により前記陽極室と接する溶液
室と前記ガス陰極を収容するガス室とに区画されたこと
を特徴とする塩化アルカリ電解用電解槽。 - 【請求項２】 陽イオン交換膜により陽極を収容する陽
極室とガス陰極を収容する陰極室とに区画され、更に該
陰極室が陰イオン交換膜により前記陽極室と接する溶液
室と前記ガス陰極を収容するガス室とに区画された塩化
アルカリ電解用電解槽の前記陽極室に塩化アルカリ水溶
液を、前記ガス室に酸素含有ガスを供給しながら前記塩
化アルカリ水溶液の電解を行い、前記溶液室で水酸化ア
ルカリを生成することを特徴とする塩化アルカリの電解
方法。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06268493A JP3420790B2 (ja) | 1993-02-26 | 1993-02-26 | 塩化アルカリ電解用電解槽及び電解方法 |
| ES94830041T ES2132364T3 (es) | 1993-02-26 | 1994-02-04 | Celula de electrolisis y procedimientos de produccion de hidroxido alcalino y de peroxido de hidrogeno. |
| EP94830041A EP0612864B1 (en) | 1993-02-26 | 1994-02-04 | Electrolytic cell and processes for producing alkali hydroxide and hydrogen peroxide |
| DE69418239T DE69418239T2 (de) | 1993-02-26 | 1994-02-04 | Elektrolysezelle und Verfahren zur Herstellung von Alkalimetall-Hydroxid und Wasserstoff-Peroxyd |
| AT94830041T ATE179765T1 (de) | 1993-02-26 | 1994-02-04 | Elektrolysezelle und verfahren zur herstellung von alkalimetall-hydroxid und wasserstoff-peroxyd |
| US08/196,442 US5437771A (en) | 1993-02-26 | 1994-02-15 | Electrolytic cell and processes for producing alkali hydroxide and hydrogen peroxide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06268493A JP3420790B2 (ja) | 1993-02-26 | 1993-02-26 | 塩化アルカリ電解用電解槽及び電解方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06248483A JPH06248483A (ja) | 1994-09-06 |
| JP3420790B2 true JP3420790B2 (ja) | 2003-06-30 |
Family
ID=13207363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06268493A Expired - Fee Related JP3420790B2 (ja) | 1993-02-26 | 1993-02-26 | 塩化アルカリ電解用電解槽及び電解方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3420790B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018154643A1 (ja) * | 2017-02-22 | 2018-08-30 | 日本碍子株式会社 | 苛性ソーダ製造用の食塩電解装置 |
| CN113818036A (zh) * | 2021-11-05 | 2021-12-21 | 天津工业大学 | 一种用于电解的通用型电解槽 |
-
1993
- 1993-02-26 JP JP06268493A patent/JP3420790B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06248483A (ja) | 1994-09-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |