JPS63140093A - 気体生成電解槽用電極構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は気体生成電解槽用の電極構造に関し、特に板状
垂直電極、対向電極及びこれらの間に配設された隔膜を
備えた単極式隔膜電解槽用の電極組立構造に関するもの
である。

〔従来の技術とその問題点〕

電気化学的プロセスにおいては、電極の表面全体に亘っ
て電流分布を均一にすることが重要である。電流の均一
分布は電解液のスローイングパワーと電極の均一性とに
依存する。スローイングパワーの不足は電極間距離を広
げることで補償できるが、この場合には電解槽の電圧降
下が増大する。

電極の表面が不均一であれば、電流の流れに局部的な偏
りを生じる。従って、陽極と陰極との間の距離を均一に
してこれらを配設することが重要である。塩素、酸素及
び水素の様な気体を商業的に生成するために使用される
隔膜電解槽においては、形成された電極間距離の調整及
び保守に極めて費用がかかる。電極間距離が小さ過ぎる
と気泡は十分に迅速に放散することができない。−力覚
極間距離が大き過ぎると、気泡は迅速に放散するが、電
解液の抵抗がより高くなるので摺電圧が高まる。

電極間距離が零の電解槽は活性陽極構造と活性陰極構造
とが夫々隔膜に直接接触しており、しばしば提案される
。しかし、このような電解槽では局所的電流ピークを避
けることができないので隔膜の寿命が低下する。

電極間の電解の電解液中にガスが存在すると電解液の導
電率が低下し、またこのためにエネルギー消費量が増加
する０、このようなガスが存在すると、電極表面では電
流に誘発された微視的歪みもまた起こり得る。またガス
の発生は電解液中に乱流を引き起こす、電解中に乱流が
生ずると、隔膜は強い機械的負荷を受けるので好ましく
ない。

隔膜の破壊を回避するためには、一般に電極の高さを制
限し、電解槽の電極間をかなりの距離に調整し、また電
流密度を制限しなければならないが、これは同時に電解
槽のエネルギー効率及び生産性を低下させるものである
。

隔膜及び垂直電極を備えた電解槽の上記欠点を取り除く
ためには、有孔電極、即ち反応によって生成した気体を
逃すための孔を有する電極を使用するのが一般的である
。このような電極は、例えば多孔質電極、或いはエクス
パンド・メタルで構成し得る。このような電極の使用に
は、とりわけ、活性表面領域の減少、機械的安定性の不
足及び電極裏面に被覆した高品質コーティング材料の損
失という欠点がある。

ドイツ連邦共和国特許出願公告第２０５９８６８号公報
により、垂直電極を備えた気体生成用ダイヤフラム電解
槽には、個別の板状体から成る分離電極板を備え得るこ
とが知られており、個々の電極板は、生成されて除去さ
れるべき気体を導出するための案内面を有している。ま
たフランス国特許第１０２８１５３号明細書により周知
の電解槽では、電極が、距離をできるだけ狭めて互いに
平行に配設されている。この周知の電極は、どれも１枚
または複数枚の板で構成されている。板は、水平溝を有
しており、この水平溝は帯状板の側縁フランジによって
形成され、また気体の放散に対し極力値かな抵抗を示す
ように構成されている。側縁フランジは対向電極の方に
向けられており、活性表面領域が実質的に減少すること
はない。

欧州特許出願公開第１０２０９９号公報は、水平方向に
沿って連続し且つ複数に区分された電極板を備えた気体
生成用電解槽の電極組立構造を開示している。電解液か
らのガスの放散を促進するために、成る幾何形状が採ら
れている。

電解槽の電極は、理想的には電流を伝導するために使用
される。この使用法は、複極式電解槽では何ら問題を生
じない、この複極式電解槽では、電流が電極を通して電
気分解電流の方向に流れ、この結果通電のための十分な
断面積が常に得られている。一方、単極式電解槽におい
ては、電極中の電流は電気分解電流を横切って流れねば
ならない。このために、面電極が使用可能ではあるが、
金網やエクスパンド・メタルは容易には使用することが
できない。これは特に、ダイヤフラム電解槽とは異なり
、３ＫＡ／ｎ＋”以上の電流密度で作動する電解槽に当
てはまる。この場合、導電性ロンドのような内部要素に
よって電流を伝導するのが普通であり、電流はこれから
電極の活性表面に配分される（ドイツ連邦共和国特許出
願公開筒２８２１９８４号公報）。

イオン選択性隔膜を使用する隔膜プロセスでアルカリ塩
化物の水溶液を電気分解する場合、陰極室内のアルカリ
水酸化物の密度と陽極室内のアルカリ塩化物の酸性水溶
液の密度とが異なることからイオン選択性隔膜は陽極の
薄板構造物に接触する。隔膜の上記接触面には電解液が
無いかまたはごく僅かに存在するにすぎないので、上記
接触面では電気分解が生じないかまたはごく弱く生じる
にすぎない。このために、商業的電気分解ではエクスパ
ンド・メタル、有孔板または同様のチタン製電極板が使
用され、この結果、孔またはエクスパンド・メタルの周
縁部及び電極板の裏面の一部分でも電気分解が生じ得る
。しかしこの場合には、活性電極の有効表面領域が減少
するので、好ましくない電圧上昇が起こる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、かかる電圧損失を回避するかまたは低減し高
電気分解電流の通電を可能とすることを目的とする。

ガス生成電解槽用の板状垂直電極、対向電極及びこれら
の間に介在する隔膜を備えた特に単極式隔膜電解槽用の
電極組立構造において、上記目的は、有孔性で且つ導電
性の面構造体を上記隔膜に対向して配設し、この面構造
体の例えば上記隔膜とは反対の側に上記板状垂直電極を
相対的に取り付けて上記面構造体と上記板状垂直電極と
を電気的に結合し、且つ上記面構造体と上記板状垂直電
極とが実質的に平行となるように構成して改良された本
発明に従って達成される。

本発明による電極構造において、隔膜と板状垂直電極と
の間の所定距離が確実に保持され、かつ隔膜と電極面と
の間の隙間は電解液によって確実に充填される。有孔性
面構造体がイオン選択性隔膜を支える。そして高電気伝
導率を有する板状垂直電極が高電気分解電流の通電を可
能とし、かつ有孔性面構造体（前電極）に面したその表
面領域で電気分解に関与する。なお隔膜は、従来の配列
では要求される孔のために不活性の表面領域も、電気分
解プロセスに関与する。更に、電解液−気体懸濁液から
ガスが効率的に放散する。

板状垂直電極は、既知の方法で帯状チタン板で構成し得
る。この帯状チタン板は、欧州特許出願公開第１０２．
０９９号公輻に記載されているように、特別の方法でフ
ランジを付けられかつ放散気体用の導出手段を有してい
るのが好ましい。この場合、個々の帯状金属板は水平方
向に連続した隙間によって相互に完全に分離されている
。

本発明の別の好ましい実施態様においては、有孔性面構
造体を支える板状垂直電極は垂直方向に沿って、または
垂直方向と水平方向とに沿って完全に分離された複数の
要素に分割し得る。後者の場合、一方の極性を有する電
極が水平方向に沿って複数の水平方向要素に分かれかつ
逆極性を有する電極が垂直方向に沿って複数の分離され
た要素に分かれて成り、この種の電極構成を有する隔膜
電解槽は欧州特許出願公開第９７９９１号明細書により
周知である。

有孔性面構造体は板状垂直電極から１〜５■ｌの距離で
その板状垂直電極に相対的に取付けられるのが好ましい
。上記距離は更に好ましくは１．５〜２．５ｍｍに保た
れる。通常、有孔性面構造体は板状垂直電極の突起また
はこぶとスポット溶接により接合される。こぶ及びスポ
ット溶接部の間隔と数は電流負荷によって課せられる要
求条件を考慮して選択される。勿論、他の従来の接合方
法のどれも適用することができる。

導電性の有孔性金属面構造体は、通常、弾力的かつ可撓
的であり約０．５〜２１ｍの厚さを有し、例えば有孔性
薄板金属（篩板）、エクスパンド・メタル、ワイヤメツ
シュまたは金網から構成し得る。

しかしまた、有孔性面構造体は金属素線系でも構成し得
る。この素線系は、板状垂直電極に対し実質的に平行に
張り渡されかつスポット溶接によって板状垂直電極に導
電接合されている。素線は、正方形状または菱形状のメ
ツシュが得られるように相互に平行にまた有角をなして
張り渡すことができる。

周知の様に、単極式電解槽用の本発明による電極構造に
対する構成材料は、電極組立構造を陽極として使用する
か陰極として使用するかに応じて決まる。板状電極とこ
れに導電接合された有孔性面構造体から成る前電極とを
備えた電極組立構造が、アルカリ塩化物の水溶液の電解
液中で陽極として使用される場合には、板状垂直電極及
び前電極は、例えばチタン、ジルコニウム、ニオビウム
、タンタルまたはそれらの合金で構成し得る。陰極とし
て使用する場合には、伝電極及び板状垂直電極は、例え
ば特殊鋼、ニッケルまたはこれらの金属から成るクラツ
ド鋼で構成し得る。

本発明による電極組立構造は、給電用端子を有する枠部
材に周知の方法で堅固に取付けられてよい。活性的コー
テイング材は、板状垂直電極の対向電極に面している表
面上にのみ被覆される。このコーテイング材は、周知の
様に、例えば金属酸化物及び白金、イリジウム、オスミ
ウム、パラジウム、ロジウム、ルテニウムから成る金属
群とから成っている。

本発明による電極構造は、隔膜を有する単極式電解槽に
使用される。本発明に関して、隔膜電解槽という用語は
陽イオン透過性隔膜のようなイオン選択性隔膜を有する
電解槽に対してのみ用いられる。この種の隔膜では電気
分解の陰極生成物及び陽極生成物の相互の分離またはそ
れらと対向電極に供給される反応体との分離が可能であ
る。

本発明による電極構造によって多くの利点がもたらされ
る。イオン選択性隔膜は板状垂直電極から所望する一定
距離に簡単にかつ確実に保持される。有孔性面構造体は
空孔の周縁部で活性でありまた板状垂直電極は空孔の投
影領域上で活性であるので、電流は有孔性電極のみが使
用される場合よりも隔膜内で一層均一に分配される。採
られた幾何学的配置によって、気体−電解液懸濁液から
のガスの放散が改善されまた有孔性電極と電極板との間
の隙間における電解液の交換が改善される。

本発明による電極構造を使用することによって電圧降下
の低減もまた可能となる。イオン選択性隔膜を有する隔
膜電解槽においてはに値を、例えば０．０５　Ｖ−ｍ”
／ＫＡまで低下させることができる。電流密度が４ＫＡ
／ｍ”の場合、このことは２００ｍＶの電圧利得に相当
する。

〔実施例〕

第１図〜第４図を参照して本発明の一実施例による電極
組立構造を詳しく説明する。

第１図は電極組立構造を示す縦断面図である。

枠部材１は電極板２を支えている。電極板２は、水平方
向に沿って連続的に延びると共に、垂直方向で互いに分
離されており、各電極板２は、活性電極面の背後に放散
ガスを偏向して導出するための上側縁フランジを有する
帯状板から構成されている。電解液は８の箇所で有孔管
を通して枠部材１内に導入される。有孔管はその管端９
が圧潰されている。電解液は枠部材１から導入口１１　
（第３図参照）を介して電解槽の内部に進入し、排出口
１０を通して電解槽から抜き取られる。枠部材１は、源
に接続するためのリード線用の穴５を存する棒材４の配
設によって横方向に延長されている。エクスパンド・メ
タルの表面構造物から成る前電極６は、多数の溶接部７
によって帯状電極板に導電結合されている。

第２図は第１図のＣ−Ｃ線における縦断面図であり、第
１図と同一部材には同じ符号が付けである。

第３図は第１図のＡ−Ａ線における断面図である。枠部
材１の下側水平部分には導入口１１が設けられている。

この導入口１１を通して電解液が電極槽内に進入する。

第４図は第１図のＤ−Ｄ線におてる断面図であり、帯状
電極板２は上側縁フランジ３を有しており、スポット溶
接部７によって前電極６に接合されている。

本発明の電極構造を適用した隔膜電解槽の下記実施例を
基に本発明を更に詳細に説明する。

イオン選択性隔膜（デュポン社製ナフィオン：Ｎａｆｉ
ｏｎ　”’９０２０９　）を有する試験槽が使用され、
本発明による電極組立構造と比較して従来の有孔性陽極
構造を使用した測定が行われた。従来の有孔性電極は２
０％の空孔率を有するエクスパンド・メタル（ＲｕＯｚ
活性化チタン）で構成された。電解槽は全高が３００１
で、深さは２００ｍｍであった。

本発明による電極組立構造は同様のエクスパンド・メタ
ル（ＲｕＯ□活性化チタン）製の前電極で構成された。

垂直に張り渡されたチタン素線が前電極と電極板を導電
結合するために使用され、これら電極管の距離は３ｍｍ
に維持された。対向電極はニッケル製非活性エクスパン
ド・メタルで構成された。前電極と対向電極間の電極間
距離は４ｎ＋ｍであった。隔膜は前電極に接触された。

電解液温度は７０〜８０℃とした。陰極液は濃度３２％
の苛性ソーダ溶液とした。塩水は３１０ｇＮａｃｌ／　
ｊ２を含有し、また陽極液２００ｇＮａｃｌ／　ｊ！を
含有した。

本発明による電極組立構造の利点として下記の電圧利得
が得られた。

１（ＫＡ／ｍ”）　　１　　２　　３　　４Δ’（ｍＶ
）　　　４０　９０　１３５　１８０この結果からエネ
ルギーが著しく節約されることがわかる。電力価格が０
．１０　　ドイツマルク／ｋＷｈとすれば、ＮａＯＨの
日産定格能力が３００．０００の電解プラントにおいて
４ｋＡ／ｍ”で測定される電圧利得は年間１３７万ドイ
ツマルクの節約に相当する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、隔膜と板状垂直電極との間の間隙が所
望の値に確実に保持でき、また均一な電流分布が得られ
る。さらに、電解槽の電圧利得も大幅に改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による電極組立構造を示す縦
断面図、第２図は第１図のＣ−Ｃ線に沿った縦断面図、
第３図は第１図のＡ−Ａ線に沿った横断面図、また第４
図は第１図のＤ−Ｄ線に沿った部分縦断面図である。 なお図面に用いた符号において、 ｌ−一〜−一・・−・−枠部材 ２・−−−−−・・−−−−一−・垂直電極板６−・−
・−・−・−・−前電極（面構造体）である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、板状垂直電極、対向電極及びこれらの間に配設され
   た隔膜を備えた気体生成電解槽用電極構造において、 有孔性で且つ導電性の面構造体を上記隔膜に対向し配設
   し、この面構造体に上記板状垂直電極を相対的に取り付
   けて上記面構造体と上記板状垂直電極とを電気的に結合
   し、且つ上記面構造体と上記板状垂直電極とが実質的に
   平行となるように構成したことを特徴とする電極構造。 ２、上記面構造体と上記板状垂直電極との間の距離が１
   〜５ｍｍである特許請求の範囲第１項に記載の電極構造
   。 ３、上記面構造体が有孔性薄板金属、エクスパンド・メ
   タル、ワイヤメッシュ、金網及び金属素線系のいずれか
   から成っている特許請求の範囲第１項又は第２項に記載
   の電極構造。 ４、上記板状垂直電極が水平方向に沿って連続した複数
   の分離要素に分かれている特許請求の範囲第１〜３項の
   いずれか１項に記載の電極構造。 ５、上記板状垂直電極が垂直方向に沿って連続した複数
   の分離要素に分かれている特許請求の範囲第１〜３項の
   いずれか１項に記載の電極構造。 ６、一方の極性の上記板状垂直電極が水平方向に沿って
   連続した複数の分離要素に分かれ、且つ逆極性の上記板
   状垂直電極が垂直方向に沿って連続した複数の分離要素
   に分かれている特許請求の範囲第１〜３項のいずれか１
   項に記載の電極構造。