CN102459708A - 安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽，其具有阳极、离子交换膜和配置有气体扩散电极的阴极室，其特征在于，在所述阴极室的背面板和气体扩散电极的电解面的相反侧形成的阴极气体室中，在所述气体扩散电极和所述背面板之间配置有透气性的弹性构件，所述弹性构件与接合于所述背面板的、在表面形成有耐腐蚀性导电层的多个通电构件的所述耐腐蚀性导电层接触，形成所述气体扩散电极和所述背面板之间的导电连接。

Description

安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽

技术领域

本发明涉及在食盐水等的碱金属氯化物水溶液的电解等中使用的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽，特别适合于二室法安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽。

背景技术

设置有气体扩散电极的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽作为在气体扩散电极与从外部导入的气体进行反应由此使电解电压减少的单元而被利用。

在阴极使用气体扩散电极的碱金属氯化物水溶液的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，向阳极室供给氯化碱水溶液，在阳极生成氯气。另一方面，向阴极室供给含氧气体，在气体扩散电极处还原氧，并且生成碱金属氢氧化物水溶液。

如果气体扩散电极不维持与离子交换膜均一紧贴的状态，则电解液不能对气体扩散电极的全部面流动，不能对气体扩散电极的电解面均一地流过电流。

因此，提出了如下这样的离子交换膜电解槽：在气体扩散电极的背面的阴极室和背面板之间配置具有透气性的弹性构件，使气体扩散电极与离子交换膜紧贴，并且确保从阴极室的背面板向气体扩散电极的通电。

此外，由于在阴极室内存在碱金属氢氧化物水溶液和氧，所以阴极室的内壁面形成氧化性环境，因此在阴极室内的结构构件中，使用镍、镍合金等，但在这样的环境下，镍、镍合金由于氧化而在表面形成钝化膜。

虽然利用形成于镍、镍合金的钝化膜能防止金属腐蚀的进行，但是钝化膜会导致在从阴极室的背面板到通过与弹性构件的接触而通电的气体扩散电极的通电电路中产生大的通电电阻。

因此，为了防止钝化膜导致的导电性的降低，提出了一种对阴极室的背面板以及弹性构件实施镀银来防止通电电阻的上升的方案（例如，参照专利文献1）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-322018号公报。

发明内容

发明要解决的课题

在安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，通过在阴极室的背面板、弹性构件等的结构构件的表面实施镀银，从而防止导电性的降低，防止通电电阻的上升，虽然该方案在防止电解槽电压的上升方面是有效的方案，但是当长时间持续电解时，不能避免电解槽电压的上升。

本发明以提供如下这样的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽为课题：在安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，能防止在从阴极室内的气体扩散电极到阴极室的背面板的通电电路中的通电电阻的上升导致的电解槽电压的上升，并能长期地实现作为安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的特征的利用低的电解槽电压的运转。

用于解决课题的方案

本发明是一种安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽，其具有阳极、离子交换膜和配置有气体扩散电极的阴极室，其中，在所述阴极室的背面板和气体扩散电极的电解面的相反侧形成的阴极气体室中，在所述气体扩散电极与所述背面板之间配置有透气性的弹性构件，所述弹性构件与接合于所述背面板的、在表面形成有耐腐蚀性导电层的多个通电构件的所述耐腐蚀性导电层接触，形成所述气体扩散电极与所述背面板之间的导电连接。

此外，在所述安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，所述通电构件在镍或镍合金制的箔或板上具有包含银或铂族金属的耐腐蚀性导电层。

此外，在所述安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，所述通电构件是通过镀敷、包覆或烧结覆盖将包含银或铂族金属的耐腐蚀性导电层一体化后的构件。

此外，在所述安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，所述通电构件的一部分或全部与所述背面板接合。

在安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，所述弹性构件在导电接触面或全部面形成有耐腐蚀性导电层。

发明效果

在本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，在对气体扩散电极通电的弹性构件和阴极室的背面板相接触的面中，配置多个在表面形成有耐腐蚀性导电层的通电构件并进行通电，因此能提供一种与对气体扩散电极通电的弹性构件的接触部的特性稳定、长期使电解槽电压稳定在较低的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽。

附图说明

图1是说明本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的实施方式的图，是剖面图。

图2是说明本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的实施方式的图，是分解立体图。

图3是说明本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的实施方式的图，是说明通电构件的图。图3A是在背面板安装有面积比较大的通电构件的图。图3B是将许多与图3A中示出的通电构件相比面积小的通电构件板安装于背面板的图。

图4是说明本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的实施例、比较例的图。

图5是说明本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的实施例的图。

具体实施方式

发现在安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的阴极室的背面板的导电接触面形成的导电性优越的银等覆盖层的部分剥离的原因是，由于在由镀敷等形成的覆盖层的膜厚等中产生不均而导致产生电化学特性不同的部位。

即，由于阴极室的背面板被阴极室框体包围四方，所以无法避免镀敷槽内在镀敷液的流动中产生不均等的现象，其结果是，会形成以膜厚为首的特性不同的部位，因此当继续电解时，考虑会产生从背面板的剥离等问题。

因此，发现本发明解决了在对背面板直接镀敷导电层时产生的问题，即，通过将多个由在表面利用镀敷等形成银、铂族金属等耐腐蚀性导电层的平板状的金属箔、金属板构成的通电构件与背面板接合，从而使与弹性构件的接触部的特性成为均一的特性，由此，能防止与弹性构件接触的耐腐蚀性导电层的剥离等的现象。

以下，参照附图来说明本发明的实施方式。

图1是说明本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的实施方式的图，是剖面图。

举出隔着离子交换膜将单一的阳极室和单一的阴极室层叠的在食盐水的电解中使用的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽为例进行说明。

图1是以与电极面垂直的面切断安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的剖面图。

安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽1被离子交换膜10划分为阳极室20和阴极室30，其被称为二室法安装有气体扩散电极的电解槽。

在阳极室20中设置有阳极211，在内部作为阳极液213而填充食盐水，在阳极室20下部设置有阳极液入口215。

此外，在阳极室上部设置有利用电解而浓度降低的阳极液以及气体出口217，阳极室框体219隔着阳极室侧垫片（gasket）221与离子交换膜10层叠。

另一方面，在离子交换膜10的和阳极室20相反侧的面设置有阴极室30，在阴极室内设置有气体扩散电极313。

在包含气体扩散电极313的阴极室内部空间301和离子交换膜10之间配置有液体保持构件311。

此外，在气体扩散电极313的面向液体保持构件311的一侧的相反面，配置有以线材等制作的在内部设置有气体通过的空间的弹性构件330。

弹性构件330使气体扩散电极313、液体保持构件311与离子交换膜10侧紧贴，在阴极室内形成阴极气体室317，该弹性构件330与接合于阴极室30的背面板327的、在表面形成有耐腐蚀性导电层的多个通电构件340的耐腐蚀性导电层341接触，在气体扩散电极313和背面板327之间形成通电电路。

当一边向本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽1的阳极室20供给碱金属氯化物水溶液，向阴极室30的阴极气体室317从氧入口319供给含氧气体，一边在阳极211和气体扩散电极313间通电时，在气体扩散电极313处从液体保持构件311侧供给碱金属氢氧化物水溶液的水分，此外从相反面的阴极气体室317侧供给含氧气体，在气体扩散电极313内进行碱金属氢氧化物水溶液的生成反应。

将生成的碱金属氢氧化物水溶液利用浓度梯度转移至液体保持构件311来进行吸收、保持，并且在液体保持构件311内部、气体扩散电极313的气体室侧流下，从阴极气体室出口321排出。

在阴极气体室317存在高浓度氧、水蒸气、碱金属氢氧化物水溶液的雾（mist），温度达到90℃前后，因此在阴极室的结构构件中使用镍、镍合金等。此外，对弹性构件也使用耐腐蚀性优越并且导电性大的金属材料，使用镍、高镍合金。

在现有的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，在阴极气体室317中使用的镍、或镍合金等的耐腐蚀性良好的金属基于高浓度的氧的存在而表面被氧化，形成钝化膜阻碍通电，引起电解槽电压的上升。

与此相对，在本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，在阴极室30的背面板327配置有在表面形成有耐腐蚀性导电层341的多个平板状的通电构件340。

由于平板状的通电构件340通过镀敷、包覆或烧结覆盖而形成有表面的特性一样的耐腐蚀性导电层341，所以即使背面板327的面积变大，也会与部位无关地得到特性一样的面。

其结果是，在形成气体扩散电极313和背面板327之间的通电电路的弹性构件330的接触面中，由于耐腐蚀性导电层341的存在，即使在长时间的运转中也不会引起接触电阻的增大，能防止电解槽电压的上升。

优选对平板状的通电构件使用厚度为0.1～1.0mm的与阴极室的背面板相同的镍材料。此外，耐腐蚀性导电层能由银、铂族金属形成，但尤其优选导电性良好的银，该耐腐蚀性导电层能通过镀敷、包覆、烧结等形成。

耐腐蚀性导电层的厚度优选为0.5μm以上，在比0.5μm薄的情况下，无法得到充分的特性。另一方面，厚度越厚会得到耐腐蚀性等越优越的导电层，但以5μm左右的厚度是充分的。

此外，平板状的通电构件优选为60×56mm～1220×500mm的大小。在比60×56mm小的情况下，设置个数变多，点焊位置增加，有均一性降低的可能性。另一方面，当比1220×500mm大时，在通过镀敷等形成耐腐蚀性导电层时容易产生不均一的导电层，因此不优选。

图2是说明本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的实施方式的图，是说明弹性构件和通电构件的分解立体图。

在阴极室框体323的背面板327接合有多个通电构件340。在该图的例子中，配置有12个通电构件340。

与通电构件340相向地配置有弹性构件330，其一方的面与通电构件340接触，另一方的面与气体扩散电极的电解面的相反侧接触。

在图2示出的例子中，弹性构件330在弹性构件框体331上安装有由形成气体的通路的中空的螺旋弹簧状的构件构成的8个单位弹性构件333a、333b、333c、333d、333e、333f、333g、333h，以均等地按压气体扩散电极，在气体扩散电极和背面板之间能实现均等的通电的方式来配置。

像这样，通过使用多个单位弹性构件，从而即使气体扩散电极的电解面积变大，也能使对气体扩散电极施加的压力以及电流分布变为均等。此外，形成弹性构件330的单位弹性体333a～333h、以及通电构件的数量能根据电解面积、通电电流密度等的大小适当地进行设定。

图3是说明本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽的实施方式的图，是说明通电构件的图。

对于安装于阴极室的背面板327的通电构件340，如图3A所示那样，将面积比较大的通电构件340以在接合部343点焊等的方法安装于背面板，将形成于通电构件340的耐腐蚀性导电层341配置在气体扩散电极侧。

此外，在图3B中，将许多与图3A中示出的通电构件相比面积小的通电构件340安装于背面板327，分别通过接合部343进行接合，在表面形成耐腐蚀性导电层341。

像这样，通过安装许多小的通电构件340，从而能实现从背面板对气体扩散电极长时间稳定的通电。

以下，示出实施例、比较例来说明本发明。

实施例

实施例1

在有效电解面积为高度56mm、宽度60mm的电解槽中，与食盐水电解用阳极（培尔梅烈克电极制JP202R）相接地配置离子交换膜（旭硝子制阳离子交换膜F-8020），在离子交换膜的与阳极的相反面，作为液体保持构件，层叠有覆盖电解面的厚度为0.4mm的碳纤维布（卓尔泰克公司制），进而在液体保持构件上，层叠有液体透过性气体扩散电极（培尔梅烈克电极制）。

在气体扩散电极的与电解面的相反面，以卷绕直径6mm呈线圈（coil）状地配置1个线径0.17mm的镍线。

在阴极室框体的阴极室的背面板，分别在6个位置进行点焊以接合1个对纵长56mm、宽度60mm、厚度0.2mm的镍箔（NW2201材料）的一方的面实施了厚度为10μm的镀银的通电构件。

对气体扩散电极装配电压测定端子，将电流密度维持为3kA／m²，将电解温度维持为87～89℃，将氢氧化钠水溶液浓度维持为30～33质量%，进行17天的运转。

测定气体扩散电极和背面板之间的电位差，即压降，将其结果在图4中示出。初始电压为0.001V，17天后电压也没有上升，通过17天的运转且稳定。

实施例2

在有效电解面积为宽度620mm、高度1220mm的电解槽中，与食盐水电解用阳极（培尔梅烈克电极制JP202R）相接地配置离子交换膜（旭化成化学制阳离子交换膜 Aciplex F-4403），在离子交换膜的与阳极的相反面，作为液体保持构件，层叠有覆盖电解面的厚度为0.4mm的碳纤维布（卓尔泰克公司制），进而在液体保持构件上，层叠有液体透过性气体扩散电极（培尔梅烈克电极制）。

在气体扩散电极的与电解面的相反面，以卷绕直径6mm呈线圈状地配置4个线径0.17mm的镍线。

在阴极室框体的阴极室的背面板，分别在144个位置进行点焊以接合2个对纵长1160mm、宽度310mm、厚度0.2mm的镍箔（NW2201材料）的一方的面实施了厚度为10μm的镀银的通电构件。

使用该电解槽，将电流密度保持为3kA／m²，将电解温度保持为75～85℃，将氢氧化钠浓度保持为30～34质量%，进行电解。

电解槽电压的变化如图5所示那样未确认到电压的上升。

进而，持续运转，在500天的运转后，对电解槽进行解体，但在实施了镀银的通电构件未看到异常。

比较例1

作为通电构件，使用除了未实施镀银的方面之外和实施例1同样地制作的电解槽，并以和实施例1同样的条件进行电解，和实施例1同样地测定气体扩散电极和阴极室的背面板之间的电位差。其结果如图4所示那样，可以看到随着运转的经过，电位差增大。

此外，运转停止后，在对电解槽进行解体时，作为通电构件来使用的镍箔由于钝化膜的形成而导致变黑。

比较例2

除了使用了由未使用通电构件、对阴极室的背面板实施了中心测定的厚度为10μm的镀银的阴极室制作的电解槽的方面之外，和实施例2同样地进行电解，测定电解槽电压的变化。

在300天的运转中，存在200mV的电解槽电压的上升。此外，运转停止后，在对电解槽进行解体时，上述背面板的镀银层的和弹性构件接触的通电位置的几乎全部部分的镀银剥离，基底的镍材露出，并且作为基底的镍材料由于钝化膜的形成而导致变黑。

产业上的利用可能性

在本发明的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽中，在对气体扩散电极通电的弹性构件和阴极室的背面板相接触的面中，配置多个在表面形成有耐腐蚀性导电层的通电构件并进行通电，因此能提供一种与对气体扩散电极通电的弹性构件的接触部的特性稳定、没有从通电构件的表面的耐腐蚀性导电层的剥离、气体扩散电极和上述背面板之间的压降小并能得到长期稳定的性能的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽。

附图标记的说明

1 安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽；10 离子交换膜；20 阳极室；30 阴极室；211 阳极；213 阳极液；215 阳极液入口；217 阳极液以及气体出口；219 阳极室框体；221 阳极室侧垫片；301 阴极室内部空间；311 液体保持构件；313 气体扩散电极；317 阴极气体室；319 氧入口；321 阴极气体室出口；323 阴极室框体；325 阴极室侧垫片；327 背面板；330 弹性构件；331 弹性构件框体；333a、333b、333c、333d、333e、333f、333g、333h 单位弹性体；340 通电构件；341 耐腐蚀性导电层；343 接合部。

Claims (5)

1.一种安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽，其具有阳极、离子交换膜和配置有气体扩散电极的阴极室，其特征在于，

在所述阴极室的背面板和气体扩散电极的电解面的相反侧形成的阴极气体室中，在所述气体扩散电极与所述背面板之间配置有透气性的弹性构件，所述弹性构件与接合于所述背面板的、在表面形成有耐腐蚀性导电层的多个通电构件的所述耐腐蚀性导电层接触，形成所述气体扩散电极与所述背面板之间的导电连接。

2.根据权利要求1所述的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽，其特征在于，

所述通电构件在镍或镍合金制的箔或板上具有包含银或铂族金属的耐腐蚀性导电层。

3.根据权利要求1或2所述的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽，其特征在于，

所述通电构件是通过镀敷、包覆或烧结覆盖将包含银或铂族金属的耐腐蚀性导电层一体化后的构件。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽，其特征在于，

所述通电构件的一部分或全部与所述背面板接合。

5.根据权利要求1至4的任一项所述的安装有气体扩散电极的离子交换膜电解槽，其特征在于，

所述弹性构件在导电接触面或全部面形成有耐腐蚀性导电层。

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