イオン交換膜法電解槽及びその製造方法
【課題】電極面に二層のエキスパンデッドメタルからなる電極を配置したイオン交換膜電解槽、および該イオン交換膜電解槽の製造方法の提供。
【解決手段】イオン交換膜４で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽１の陰極室には、第一のエキスパンデッドメタル８Ａ面に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタル８Ｂの表面がイオン交換膜に面した陰極８を備えており、陰極８は陰極室缶体３に結合した陰極支持体７に接合されて取付られており、陰極支持体７を陰極８との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から陰極８への最も長い垂直距離が０．０５〜０．３ｍｍであるイオン交換膜法電解槽およびその製造方法。
【解決手段】イオン交換膜４で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽１の陰極室には、第一のエキスパンデッドメタル８Ａ面に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタル８Ｂの表面がイオン交換膜に面した陰極８を備えており、陰極８は陰極室缶体３に結合した陰極支持体７に接合されて取付られており、陰極支持体７を陰極８との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から陰極８への最も長い垂直距離が０．０５〜０．３ｍｍであるイオン交換膜法電解槽およびその製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解槽の電極面に二層のエキスパンデッドメタルからなる電極を配置したイオン交換膜法食塩電解槽をはじめとするイオン交換膜法電解槽およびイオン交換膜法電解槽の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン交換膜法電解槽では、イオン交換膜によって区画した陽極室と陰極室に、それぞれ陽極および陰極を配置し、食塩水の電気分解のような気体が発生する電気分解反応の場合には、電極には多孔板、網状、あるいはエキスパンデッドメタル等の開口を有した表面積が大きな電極を用いて、電極で発生した気泡をイオン交換膜と面する側の背面から速やかに離脱させて電解電圧の低下を防止している。
電極からの気泡の離脱は、開口率が所定の範囲にある場合には、陰極を重ね合わせても気体の離脱の作用は低下することはないとの理由で、多孔性陰極の陽極に向かった面に更にもう１つの水素過電圧が前記陰極よりも低い多孔性の陰極を容易に取り除くことができるかまたは脱着ができるように取り付けた電解槽が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、従来技術では、第一の陰極と、第一の陰極の陽極へ向かった側の面に取り付ける陰極とは材質が異なり、水素過電圧が異なるものの、同一の形状寸法のものを用いることを提示したのみであった。
また、食塩水のイオン交換膜法電解槽においては、陰極室の圧力を陽極室の圧力よりも大きくすることによって効率的な電気分解が可能であることが知られている。このため、陰極室と陽極室との圧力差によってイオン交換膜を陽極に密着すると共に、陰極を可能な限りイオン交換膜に接して電極間隔を小さくして電解電圧を低下させて電気分解が行われている。
【０００４】
しかしながら、イオン交換膜と陰極との間の距離の分布を少なくするために、第一のエキスパンデッドメタルは、陰極リブに溶接等によってその裏側の缶体に強固に取り付けられ、歪みや変形が生じないようにされている。第一のエキスパンデッドメタル上にこれと寸法形状が同じ第２のエキスパンデッドメタルをスポット溶接等に接合した場合には、長時間の電解槽の運転の後に電解性能が低下した第二のエキスパンデッドメタルを電解槽から取り外し、新規に製作した第二のエキスパンデッドメタルを電解槽に取り付けるという陰極の更新方法を適用することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実公昭５８−２４９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電解性能が優れ、電解性能が低下した陰極の更新が簡便に実施可能であるイオン交換膜法電解槽及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室には、第一のエキスパンデッドメタル面に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタルの表面がイオン交換膜に面した陰極を備えており、前記陰極は陰極室缶体に結合した陰極支持体に接合されて取付られており、前記陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離が０．０５〜０．３ｍｍであるイオン交換膜法電解槽である。
【０００８】
また、第二のエキスパンドメタルの刻み幅０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、短径０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、長径１ｍｍ〜５．０ｍｍ、板厚０．１ｍｍ以上である前記のイオン交換膜法電解槽である。
第二のエキスパンドメタルの板厚が０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍである前記のイオン交換膜法電解槽である。
【０００９】
イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室缶体に結合した陰極支持体に、第一のエキスパンデッドメタルを取り付けた後に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタルをスポット溶接によって接合して陰極を作製する際に、スポット溶接時に加える圧力を調整することによって前記陰極支持体の陰極との接合部以外の陰極表面への垂直投影部と陰極表面を結ぶ平面から、前記陰極への最も遠い垂直距離を０．０５〜０．３ｍｍに設定したイオン交換膜法電解槽の製造方法である。
また、スポット溶接の際に、溶接時の圧力を５〜２２ＭＰａとする前記のイオン交換膜法電解槽の製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電解槽は、第一のエキスパンデッドメタル上に、第一のエキスパンデッドメタルよりも刻み幅、短径、長径のそれぞれが半分よりも小さな第二のエキスパンデッドメタルを装着した陰極を用いているので、電極間隔の分布を小さくし、電解電圧の上昇を抑制し、電力原単位が小さな電解槽の提供という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明のイオン交換膜法電解槽の一実施例を説明する図であり、陽極および陰極面に垂直な面で切断した断面図である。
【図２】図２は、スポット溶接機による溶接方法を説明する図である。
【図３】図３は、陰極缶体への陰極の取付状態を説明する図である。
【図４】図４は、本発明の陰極に使用するエキスパンデッドメタルを説明する図であり、一部を切断した部分を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明者らは、イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室に装着する陰極として、第一のエキスパンデッドメタル面上に、刻み幅、短径及び長径のそれぞれが、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さな第二のエキスパンデッドメタルを装着した陰極を形成するとともに、陰極室缶体に結合した陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、前記基準面から前記陰極への最も長い垂直距離が０．０５〜０．３ｍｍとしたことによって、陰極表面とイオン交換膜との間の電気抵抗が小さくなり、電解電圧が低い電解槽を提供することが可能であることを見出したものである。
また、長期間の運転の後に陰極が劣化した場合には、第二のエキスパンデッドメタルは、第一のエキスパンデッドメタルに比べて厚みが薄いものであるので、陰極面からの取り外し及び陰極の更新が容易である電極を提供することができる。
【００１３】
更に、本発明のイオン交換膜法電解槽は、第一のエキスパンデッドメタルメタルとして厚みが厚い電極を用いることができるので、剛性の大きな電解槽を提供することが可能である。
【００１４】
以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明のイオン交換膜法電解槽の一実施例を説明する図であり、陽極および陰極面に垂直な面で切断した断面図である。
ここで示すイオン交換膜法電解槽１は、一対の陽極室缶体２と陰極室缶体３をイオン交換膜４を介して対向させて積層したものである。この図では一対の陽極室缶体と陰極室缶体を積層した単位電解槽を示しているが、このような電解槽の複数個を積層したものであっても同様である。
また、陽極室缶体と陰極室缶体の缶体の外面を相互一体に接合して、両面に陽極と陰極を設けた複極ユニットをイオン交換膜４を介して積層し、両端には陽極室または陰極室のいずれか一方のみを有する陽極室ユニット、陰極室ユニットをイオン交換膜を介して積層したものにも同様に適用することができる。
陽極室缶体２には、陽極リブ等の陽極支持体５に陽極６が固定されており、陰極室缶体３には、陰極リブ等の陰極支持体７に陰極８が固定されている。
【００１５】
食塩水のイオン交換膜法電解槽では、陰極室を陽極室に比べて加圧し、イオン交換膜を陽極に近づけて運転することによって効率的な運転が可能であることが知られており、図１に示すように、陽極６とイオン交換膜４とを密着して運転を行っている。
陽極６には、平板に刻みを形成した後に拡開して作製したエキスパンデッドメタルをロール掛け等により平坦化加工したチタン製の基体上に電極触媒の被覆を形成した電極が用いられる。
【００１６】
また、陽極室缶体２と陰極室缶体３とはガスケット９を介して密閉して積層されており、ガスケットの厚み、陽極支持体および陰極支持体の長さによって陰極と陽極との距離が調整される。陰極８とイオン交換膜４との間には図１に示すように１ないし２ｍｍ程度の間隔を設けても運転しても良く、実質的にイオン交換膜と陰極とを密着して運転しても良い。
【００１７】
陽極室缶体２に設けた陽極室注入口２１から陽極液が供給されて、電気分解による生成物とともに陽極室排出口２２から排出される。また、陰極室缶体３に設けた陰極室注入口３１から陰極液が供給されて電気分解による生成物を含む陰極液が陰極室排出口３２から排出される。
【００１８】
陰極８は、第一のエキスパンデッドメタル８Ａのイオン交換膜４に面する面に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタル８Ｂが接合されており、２枚のエキスパンデッドメタルから構成されている。
【００１９】
第一のエキスパンデッドメタル８Ａ、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂのいずれにも、導電性が大きな金属材料を用いることが好ましく、食塩水の電気分解の場合には、ニッケルやニッケル合金が好ましい。また、これらのエキスパンデッドメタルには、電気分解電圧を低下させるために、電極触媒の被覆層の被覆層を形成することが好ましい。
【００２０】
第一のエキスパンデッドメタル８Ａは、陰極支持体７に接合されており、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂは、第一のエキスパンデッドメタル８Ａ上に溶接により接合されている。
第二のエキスパンデッドメタル８Ｂの接合方法としては、アーク溶接方法やスポット溶接方法等の種々の溶接方法が適用可能であるが、スポット溶接方法が好ましい。
【００２１】
図２は、スポット溶接機による溶接方法を説明する図である。
スポット溶接機４０に陰極室缶体３を装着し、陰極支持体７上に固着させた第一のエキスパンデッドメタル８Ａ上の所定の位置に第二のエキスパンデッドメタル８ｂを載置し、一方の溶接電極４１を陰極室缶体３の壁面に接触し、他方の溶接電極４２を、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂに接触させ、両溶接電極間に所定の力を加えて通電することにより、第一のエキスパンデッドメタル８Ａと第二のエキスパンデッドメタル８Ｂとを溶接することができる。
【００２２】
図３は陰極缶体への陰極の取付状態を説明する図である。
図３（Ａ）は、陰極缶体の断面を陰極面に垂直な面で切断した断面を説明する図であり、図３（Ｂ）は、陰極の一部を表面からみた平面図である。
陰極缶体３に取り付けた陰極支持体７に陰極８が接合されている。陰極８と陰極支持体７との接合部８Ｃは、スポット溶接等によって接合されたものであるので、接合部８Ｃは変形等を生じている。
したがって、本発明では、陰極面の基準となる基準面５１は、陰極支持体７と陰極８との接合部８Ｃ以外の部分であって、陰極支持体７を陰極方向へ垂直に投影した部分と交わる陰極表面を結ぶ平面を基準としている。これによって、陰極の構造を正確に評価することができる。
すなわち、本発明においては、陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離５２を０．０５〜０．３ｍｍとすることにより電気分解性能に優れたイオン交換膜法電解槽を提供することができる。
【００２３】
図４は、本発明の陰極に使用するエキスパンデッドメタルを説明する図であり、一部分を説明する図である。
図４（Ａ）は、第一のエキスパンデッドメタル８Ａを説明する図である。
第一のエキスパンデッドメタルは、平板に刻みを設けて刻み方向と直角方向に拡開することによって製造されたものであって、刻み幅８１Ａ、短径８２Ａ、長径８３Ａ、エキスパンデッドメタルの孔部８４Ａ及びエキスパンデッドメタルのメッシュ部８５Ａで構成されている。
【００２４】
図４（Ｂ）は、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂを説明する図である。第二のエキスパンデッドメタル８Ｂは、第一のエキスパンデッドメタル８Ａよりも厚みが薄い金属材料を用いて同様に製造される。
第二のエキスパンデッドメタル８Ｂは、刻み幅８１Ｂ、短径８２Ｂ、長径８３Ｂ、エキスパンデッドメタル孔部８４Ｂ及びエキスパンデッドメタルのメッシュ部８５Ｂで構成されている。
【００２５】
図４（Ｃ）は、第一のエキスパンデッドメタル８Ａ上に第二のエキスパンデッドメタル８Ｂを接合した陰極を説明する図である。
第二のエキスパンデッドメタル８Ｂは、刻み幅８１Ｂ、短径８２Ｂ、長径８３Ｂのいずれもが第一のエキスパンデッドメタル８Ａの刻み幅８１Ｂ、短径８２Ｂ、長径８３Ｂよりも小さいのみではなく、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅８１Ｂ、短径８２Ｂ、長径８３Ｂのそれぞれの１／２よりも小さくすることによって、陰極上での広い範囲において電気分解反応が均一化されることによって電解性能向上が向上し、第二のエキスパンデッドメタルの孔が第一のエキスパンデッドメタルのメッシュ部でふさがれることによる影響を補うことができる。その結果、本発明の陰極を用いることにより、低い電解電圧によって電気分解が行われるものと見られる。
また、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂ上で発生した水素気泡は、大きな孔から第一のエキスパンデッドメタルの背面、すなわちイオン交換膜と反対側の陰極缶体側へと速やかに取り出すことができ、水素気泡の滞留による電解液の導電性の低下を小さくすることが可能となるので好ましい。
【００２６】
第一のエキスパンデッドメタル８Ａに第二のエキスパンデッドメタル８Ｂをスポット溶接によって接合する際には、溶接時の圧力が大きいと、大きく押圧されて変形量、すなわち先に説明したように陰極支持体方向への変形量が大きくなり、陽極との電極間間隔が大きくなって電気分解電圧が上昇する。変形量を小さくするためには、ニッケル基材の場合にはスポット溶接時の圧力を５〜２２ＭＰａとし、溶接電流を２５００〜４０００Ａとするとすることが好ましい。
【００２７】
スポット溶接の圧力がスポット溶接時の圧力が５ＭＰａよりも小さい場合には、変形量が小さくなるもののスポット溶接が不十分となり、第一のエキスパンデッドメタルと第二のエキスパンデッドメタルとの接合強度が不十分となる。一方、圧力が２２ＭＰａよりも大きくなると変形量が大きくなる。
【００２８】
本発明の電解槽においては、第一のエキスパンデッドメタル８Ａは、刻み幅０．５〜１１．５ｍｍ、短径４〜５ｍｍ、長径１０〜１２ｍｍ、板厚１．０〜１．５ｍｍとすることが好ましい。
また、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂは、刻み幅０．１〜０．５ｍｍ、短径０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、長径１ｍｍ〜５．０ｍｍ、板厚０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。
また、第二のエキスパンドメタルの板厚が０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。
【００２９】
また、第二のエキスパンデッドメタルの表面には電極触媒の被膜を形成することが好ましい。電極触媒の被膜を形成しない場合は、電解電圧が高くなり、本発明の効果が十分には得られない。触媒被膜としては、ニッケル系、あるいは白金、ルテニウム等の白金族金属を用いたもの等の各種の触媒被膜を用いることができる。触媒被膜の厚みが大きくなると、開口部の面積が小さくなるとの厚みは５０μｍ以下、好ましくは、１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００３０】
また、陰極の平面精度が電解性能に影響する。すなわち、陰極の平面精度が悪いと、電極間間隔に分布が生じ、電解電流が距離の近い部位に集中するため、電圧の上昇や電流効率の低下を招く。陰極の平面精度は、第一のエキスパンデッドメタルに影響を受ける。このため、リブ等の陰極支持体に第一のエキスパンデッドメタルを取り付けた時点で、平面精度を確認し、基準面に対して＋０．５〜−０．５ｍｍ、好ましくは、＋０．２〜−０．２ｍｍにすることが好ましい。
また、陰極の表面精度は、第一のエキスパンデッドメタルに第二のエキスパンデッドメタルを均一に密着することで確保することができる。このため、第一のエキスパンデッドメタルから第二のエキスパンデッドメタルが部分的に浮き上がる部位がないようにすることが必要となる。
【００３１】
本発明のイオン交換膜法電解槽は、食塩水の電気分解であれば、電流密度は１〜６ｋＡ／ｍ2、温度は８０〜９０℃、陽極室出口塩水の濃度は１９０〜２３０ｇ／ｌ、陰極室出口水酸化ナトリウム水溶液の濃度は３０〜３５質量％で実施することができ、電解で消費されるエネルギー消費の上昇を抑制することが可能となる。
以下、実施例を示して本発明を説明する。
【実施例】
【００３２】
実施例１
第一のエキスパンデッドメタルの調製
ロール掛けした、刻み幅１．５ｍｍ、短径６ｍｍ、長径１５ｍｍ、板厚１．５ｍｍのニッケル製のエキスパンデッドメタルを、縦５３ｃｍ、横４０ｃｍに切断して第一のエキスパンデッドメタルとした。短径方向を縦、長径方向を横とした。
【００３３】
電解槽への取り付け
第一のエキスパンデッドメタルを、有効電解面積：２１２０ｃｍ2 （縦：５３ｃｍ、横：４０ｃｍ）の電解槽の４．５ｃｍ間隔に設けた陰極室のリブに溶接で取り付けるとともに、第一のエキスパンデッドメタルが平坦になるように調整した。
【００３４】
第二のエキスパンデッドメタルの調製
ロール掛けした刻み幅０．１６ｍｍ、短径１．０ｍｍ、長径２ｍｍ、板厚：０．１５ｍｍのニッケル製エキスパンデッドメタルを、縦５３ｃｍ、横４０ｃｍに切断して第二のエキスパンデッドメタルとした。短径方向を縦、長径方向を横とした。
得られた、第二のエキスパンデッドメタルを、１０質量％の塩酸を用いて温度５０℃で１５分間エッチングした後、水洗、乾燥した。
【００３５】
電極触媒用塗布液の調製と電極触媒被膜の形成
ジニトロジアンミン白金硝酸溶液（田中貴金属製、白金濃度：４．５重量％、溶媒：８質量％硝酸溶液）と硝酸ニッケル６水和物と水を用いて白金含有量がモル比で０．５、混合液中の白金とニッケルの合計濃度が金属換算で５質量％の塗布液を調製した。
電極触媒用塗布液を先に調製した第二のエキスパンデッドメタルに刷毛を用い全面に塗布し、熱風式乾燥機内で８０℃１５分間乾燥後、箱型電気炉を用いて空気流通下のもと５００℃で１５分間加熱した。この一連の操作を５回繰り返して、触媒被膜を形成した第二のエキスパンデッドメタルを作製した。
【００３６】
第二のエキスパンデッドメタルの取り付け
触媒被膜を形成した第二のエキスパンデッドメタルを電解槽に取り付けた第一のエキスパンデッドメタルに載置して１４ｍｍの間隔でスポット溶接を行った。
スポット溶接は、電極面積０．１３ｃｍ2 の電極を用い、圧力を１１ＭＰａとして３，０００Ａの電流を４サイクル通電して行った。
第二のエキスパンデッドメタルと陰極リブとの接合部を除く陰極リブを第二のエキスパンデッドメタルへの垂直投影した部分と第二のエキスパンデッドメタル表面を結ぶ面を基準面として、第二のエキスパンデッドメタルまでの垂直距離は、０．１〜０．２ｍｍの範囲となった。
【００３７】
陽極の取り付け
陽極室缶体にチタン製エキスパンデッドメタルに電極触媒被覆を形成した陽極（ペルメレック電極製）を取り付けた。
電解槽の作製
陰極として第一のエキスパンデッドメタルと第二のエキスパンデッドメタルを取り付けた陰極缶体と、陽極を取り付けた陽極缶体とをイオン交換膜（旭化成ケミカルズ製アシプレックス）を介して積層し、ガスケット厚みを調整して、イオン交換膜と陰極との距離を、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ及び２．０ｍｍの電解槽を組み立てた。
【００３８】
電解試験
それぞれの電解槽を、陽極室の圧力に対して陰極室の圧力を５ｋＰａ高く設定しイオン交換膜を陽極表面に密着させ、陽極室には、飽和食塩水を供給し、電流密度６ｋＡ／ｍ2、陽極室出口塩水濃度２００〜２１０ｇ／ｌ、陰極室出口水酸化ナトリウム水溶液濃度：３１〜３３質量％、温度９０℃に保持して食塩水の電気分解試験を行い、電解電圧を測定した。電解電圧は、５分間にわたり、１秒間隔で測定・記録し、それを平均した値を表１に示す。イオン交換膜と陰極との距離が０．５ｍｍの場合を除いて、電圧は安定していた。
【００３９】
実施例２
実施例１において、第二のエキスパンデッドメタルを第一のエキスパンデッドメタルにスポット溶接で取り付ける際の圧力を２２ＭＰａとした点を除き実施例１と同様に陰極を作製した。
作製した陰極は、第二のエキスパンデッドメタルと陰極リブとの接合部を除く陰極リブを第二のエキスパンデッドメタルへの垂直投影部と第二のエキスパンデッドメタル表面を結ぶ面を基準面として、第二のエキスパンデッドメタルまでの垂直距離は、０．２〜０．３ｍｍの範囲となった。
実施例１と同様にして電解槽を組み立て、食塩水の電気分解試験を実施し、電解電圧を測定した。その測定結果を表１に示すが、電圧は安定していた。
【００４０】
比較例１
第二のエキスパンデッドメタルを、第一のエキスパンデッドメタルにスポット溶接で取り付ける際の圧力を４２ＭＰａとした点を除き実施例１と同様に陰極を作製した。
作製した陰極は、第二のエキスパンデッドメタルと陰極リブとの接合部を除く陰極リブを第二のエキスパンデッドメタルへの垂直投影部と第二のエキスパンデッドメタル表面を結ぶ面を基準面として、第二のエキスパンデッドメタルまでの垂直距離は、最大１．６ｍｍであった。
実施例１と同様にして電解槽を組み立て、食塩水の電気分解試験を実施し、電解電圧を測定した。その結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、電解電圧を２０ｍＶ以上低減するので、食塩水のイオン交換膜法電解槽の場合には、水酸化ナトリウム１トンあたり約１４ｋＷ時の電力原単位の減少に相当し、膨大な電力の減少に寄与するものとなり、食塩水のイオン交換膜法電解槽に代表されるイオン交換膜法電解槽に極めて有用なものである。
【符号の説明】
【００４３】
１…イオン交換膜法電解槽、２…陽極室缶体、３…陰極室缶体、４…イオン交換膜、５…陽極支持体、６…陽極、７…陰極支持体、８…陰極、８Ａ…第一のエキスパンデッドメタル、８Ｂ…第二のエキスパンデッドメタル、８Ｃ…接合部、９…ガスケット、２１…陽極室注入口、２２…陽極室排出口、３１…陰極室注入口、３２…陰極室排出口、
４０…スポット溶接機、４１，４２…溶接電極、５１…陰極面の基準となる基準面、５２…基準面からの陰極への最も遠い垂直距離、８１Ａ，８１Ｂ…刻み幅、８２Ａ，８２Ｂ…短径、８３Ａ，８３Ｂ…長径、８４Ａ，８４Ｂ…エキスパンデッドメタルの孔部、８５Ａ，８５Ｂ…エキスパンデッドメタルのメッシュ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解槽の電極面に二層のエキスパンデッドメタルからなる電極を配置したイオン交換膜法食塩電解槽をはじめとするイオン交換膜法電解槽およびイオン交換膜法電解槽の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン交換膜法電解槽では、イオン交換膜によって区画した陽極室と陰極室に、それぞれ陽極および陰極を配置し、食塩水の電気分解のような気体が発生する電気分解反応の場合には、電極には多孔板、網状、あるいはエキスパンデッドメタル等の開口を有した表面積が大きな電極を用いて、電極で発生した気泡をイオン交換膜と面する側の背面から速やかに離脱させて電解電圧の低下を防止している。
電極からの気泡の離脱は、開口率が所定の範囲にある場合には、陰極を重ね合わせても気体の離脱の作用は低下することはないとの理由で、多孔性陰極の陽極に向かった面に更にもう１つの水素過電圧が前記陰極よりも低い多孔性の陰極を容易に取り除くことができるかまたは脱着ができるように取り付けた電解槽が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、従来技術では、第一の陰極と、第一の陰極の陽極へ向かった側の面に取り付ける陰極とは材質が異なり、水素過電圧が異なるものの、同一の形状寸法のものを用いることを提示したのみであった。
また、食塩水のイオン交換膜法電解槽においては、陰極室の圧力を陽極室の圧力よりも大きくすることによって効率的な電気分解が可能であることが知られている。このため、陰極室と陽極室との圧力差によってイオン交換膜を陽極に密着すると共に、陰極を可能な限りイオン交換膜に接して電極間隔を小さくして電解電圧を低下させて電気分解が行われている。
【０００４】
しかしながら、イオン交換膜と陰極との間の距離の分布を少なくするために、第一のエキスパンデッドメタルは、陰極リブに溶接等によってその裏側の缶体に強固に取り付けられ、歪みや変形が生じないようにされている。第一のエキスパンデッドメタル上にこれと寸法形状が同じ第２のエキスパンデッドメタルをスポット溶接等に接合した場合には、長時間の電解槽の運転の後に電解性能が低下した第二のエキスパンデッドメタルを電解槽から取り外し、新規に製作した第二のエキスパンデッドメタルを電解槽に取り付けるという陰極の更新方法を適用することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実公昭５８−２４９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電解性能が優れ、電解性能が低下した陰極の更新が簡便に実施可能であるイオン交換膜法電解槽及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室には、第一のエキスパンデッドメタル面に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタルの表面がイオン交換膜に面した陰極を備えており、前記陰極は陰極室缶体に結合した陰極支持体に接合されて取付られており、前記陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離が０．０５〜０．３ｍｍであるイオン交換膜法電解槽である。
【０００８】
また、第二のエキスパンドメタルの刻み幅０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、短径０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、長径１ｍｍ〜５．０ｍｍ、板厚０．１ｍｍ以上である前記のイオン交換膜法電解槽である。
第二のエキスパンドメタルの板厚が０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍである前記のイオン交換膜法電解槽である。
【０００９】
イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室缶体に結合した陰極支持体に、第一のエキスパンデッドメタルを取り付けた後に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタルをスポット溶接によって接合して陰極を作製する際に、スポット溶接時に加える圧力を調整することによって前記陰極支持体の陰極との接合部以外の陰極表面への垂直投影部と陰極表面を結ぶ平面から、前記陰極への最も遠い垂直距離を０．０５〜０．３ｍｍに設定したイオン交換膜法電解槽の製造方法である。
また、スポット溶接の際に、溶接時の圧力を５〜２２ＭＰａとする前記のイオン交換膜法電解槽の製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電解槽は、第一のエキスパンデッドメタル上に、第一のエキスパンデッドメタルよりも刻み幅、短径、長径のそれぞれが半分よりも小さな第二のエキスパンデッドメタルを装着した陰極を用いているので、電極間隔の分布を小さくし、電解電圧の上昇を抑制し、電力原単位が小さな電解槽の提供という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明のイオン交換膜法電解槽の一実施例を説明する図であり、陽極および陰極面に垂直な面で切断した断面図である。
【図２】図２は、スポット溶接機による溶接方法を説明する図である。
【図３】図３は、陰極缶体への陰極の取付状態を説明する図である。
【図４】図４は、本発明の陰極に使用するエキスパンデッドメタルを説明する図であり、一部を切断した部分を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明者らは、イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室に装着する陰極として、第一のエキスパンデッドメタル面上に、刻み幅、短径及び長径のそれぞれが、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さな第二のエキスパンデッドメタルを装着した陰極を形成するとともに、陰極室缶体に結合した陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、前記基準面から前記陰極への最も長い垂直距離が０．０５〜０．３ｍｍとしたことによって、陰極表面とイオン交換膜との間の電気抵抗が小さくなり、電解電圧が低い電解槽を提供することが可能であることを見出したものである。
また、長期間の運転の後に陰極が劣化した場合には、第二のエキスパンデッドメタルは、第一のエキスパンデッドメタルに比べて厚みが薄いものであるので、陰極面からの取り外し及び陰極の更新が容易である電極を提供することができる。
【００１３】
更に、本発明のイオン交換膜法電解槽は、第一のエキスパンデッドメタルメタルとして厚みが厚い電極を用いることができるので、剛性の大きな電解槽を提供することが可能である。
【００１４】
以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明のイオン交換膜法電解槽の一実施例を説明する図であり、陽極および陰極面に垂直な面で切断した断面図である。
ここで示すイオン交換膜法電解槽１は、一対の陽極室缶体２と陰極室缶体３をイオン交換膜４を介して対向させて積層したものである。この図では一対の陽極室缶体と陰極室缶体を積層した単位電解槽を示しているが、このような電解槽の複数個を積層したものであっても同様である。
また、陽極室缶体と陰極室缶体の缶体の外面を相互一体に接合して、両面に陽極と陰極を設けた複極ユニットをイオン交換膜４を介して積層し、両端には陽極室または陰極室のいずれか一方のみを有する陽極室ユニット、陰極室ユニットをイオン交換膜を介して積層したものにも同様に適用することができる。
陽極室缶体２には、陽極リブ等の陽極支持体５に陽極６が固定されており、陰極室缶体３には、陰極リブ等の陰極支持体７に陰極８が固定されている。
【００１５】
食塩水のイオン交換膜法電解槽では、陰極室を陽極室に比べて加圧し、イオン交換膜を陽極に近づけて運転することによって効率的な運転が可能であることが知られており、図１に示すように、陽極６とイオン交換膜４とを密着して運転を行っている。
陽極６には、平板に刻みを形成した後に拡開して作製したエキスパンデッドメタルをロール掛け等により平坦化加工したチタン製の基体上に電極触媒の被覆を形成した電極が用いられる。
【００１６】
また、陽極室缶体２と陰極室缶体３とはガスケット９を介して密閉して積層されており、ガスケットの厚み、陽極支持体および陰極支持体の長さによって陰極と陽極との距離が調整される。陰極８とイオン交換膜４との間には図１に示すように１ないし２ｍｍ程度の間隔を設けても運転しても良く、実質的にイオン交換膜と陰極とを密着して運転しても良い。
【００１７】
陽極室缶体２に設けた陽極室注入口２１から陽極液が供給されて、電気分解による生成物とともに陽極室排出口２２から排出される。また、陰極室缶体３に設けた陰極室注入口３１から陰極液が供給されて電気分解による生成物を含む陰極液が陰極室排出口３２から排出される。
【００１８】
陰極８は、第一のエキスパンデッドメタル８Ａのイオン交換膜４に面する面に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタル８Ｂが接合されており、２枚のエキスパンデッドメタルから構成されている。
【００１９】
第一のエキスパンデッドメタル８Ａ、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂのいずれにも、導電性が大きな金属材料を用いることが好ましく、食塩水の電気分解の場合には、ニッケルやニッケル合金が好ましい。また、これらのエキスパンデッドメタルには、電気分解電圧を低下させるために、電極触媒の被覆層の被覆層を形成することが好ましい。
【００２０】
第一のエキスパンデッドメタル８Ａは、陰極支持体７に接合されており、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂは、第一のエキスパンデッドメタル８Ａ上に溶接により接合されている。
第二のエキスパンデッドメタル８Ｂの接合方法としては、アーク溶接方法やスポット溶接方法等の種々の溶接方法が適用可能であるが、スポット溶接方法が好ましい。
【００２１】
図２は、スポット溶接機による溶接方法を説明する図である。
スポット溶接機４０に陰極室缶体３を装着し、陰極支持体７上に固着させた第一のエキスパンデッドメタル８Ａ上の所定の位置に第二のエキスパンデッドメタル８ｂを載置し、一方の溶接電極４１を陰極室缶体３の壁面に接触し、他方の溶接電極４２を、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂに接触させ、両溶接電極間に所定の力を加えて通電することにより、第一のエキスパンデッドメタル８Ａと第二のエキスパンデッドメタル８Ｂとを溶接することができる。
【００２２】
図３は陰極缶体への陰極の取付状態を説明する図である。
図３（Ａ）は、陰極缶体の断面を陰極面に垂直な面で切断した断面を説明する図であり、図３（Ｂ）は、陰極の一部を表面からみた平面図である。
陰極缶体３に取り付けた陰極支持体７に陰極８が接合されている。陰極８と陰極支持体７との接合部８Ｃは、スポット溶接等によって接合されたものであるので、接合部８Ｃは変形等を生じている。
したがって、本発明では、陰極面の基準となる基準面５１は、陰極支持体７と陰極８との接合部８Ｃ以外の部分であって、陰極支持体７を陰極方向へ垂直に投影した部分と交わる陰極表面を結ぶ平面を基準としている。これによって、陰極の構造を正確に評価することができる。
すなわち、本発明においては、陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離５２を０．０５〜０．３ｍｍとすることにより電気分解性能に優れたイオン交換膜法電解槽を提供することができる。
【００２３】
図４は、本発明の陰極に使用するエキスパンデッドメタルを説明する図であり、一部分を説明する図である。
図４（Ａ）は、第一のエキスパンデッドメタル８Ａを説明する図である。
第一のエキスパンデッドメタルは、平板に刻みを設けて刻み方向と直角方向に拡開することによって製造されたものであって、刻み幅８１Ａ、短径８２Ａ、長径８３Ａ、エキスパンデッドメタルの孔部８４Ａ及びエキスパンデッドメタルのメッシュ部８５Ａで構成されている。
【００２４】
図４（Ｂ）は、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂを説明する図である。第二のエキスパンデッドメタル８Ｂは、第一のエキスパンデッドメタル８Ａよりも厚みが薄い金属材料を用いて同様に製造される。
第二のエキスパンデッドメタル８Ｂは、刻み幅８１Ｂ、短径８２Ｂ、長径８３Ｂ、エキスパンデッドメタル孔部８４Ｂ及びエキスパンデッドメタルのメッシュ部８５Ｂで構成されている。
【００２５】
図４（Ｃ）は、第一のエキスパンデッドメタル８Ａ上に第二のエキスパンデッドメタル８Ｂを接合した陰極を説明する図である。
第二のエキスパンデッドメタル８Ｂは、刻み幅８１Ｂ、短径８２Ｂ、長径８３Ｂのいずれもが第一のエキスパンデッドメタル８Ａの刻み幅８１Ｂ、短径８２Ｂ、長径８３Ｂよりも小さいのみではなく、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅８１Ｂ、短径８２Ｂ、長径８３Ｂのそれぞれの１／２よりも小さくすることによって、陰極上での広い範囲において電気分解反応が均一化されることによって電解性能向上が向上し、第二のエキスパンデッドメタルの孔が第一のエキスパンデッドメタルのメッシュ部でふさがれることによる影響を補うことができる。その結果、本発明の陰極を用いることにより、低い電解電圧によって電気分解が行われるものと見られる。
また、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂ上で発生した水素気泡は、大きな孔から第一のエキスパンデッドメタルの背面、すなわちイオン交換膜と反対側の陰極缶体側へと速やかに取り出すことができ、水素気泡の滞留による電解液の導電性の低下を小さくすることが可能となるので好ましい。
【００２６】
第一のエキスパンデッドメタル８Ａに第二のエキスパンデッドメタル８Ｂをスポット溶接によって接合する際には、溶接時の圧力が大きいと、大きく押圧されて変形量、すなわち先に説明したように陰極支持体方向への変形量が大きくなり、陽極との電極間間隔が大きくなって電気分解電圧が上昇する。変形量を小さくするためには、ニッケル基材の場合にはスポット溶接時の圧力を５〜２２ＭＰａとし、溶接電流を２５００〜４０００Ａとするとすることが好ましい。
【００２７】
スポット溶接の圧力がスポット溶接時の圧力が５ＭＰａよりも小さい場合には、変形量が小さくなるもののスポット溶接が不十分となり、第一のエキスパンデッドメタルと第二のエキスパンデッドメタルとの接合強度が不十分となる。一方、圧力が２２ＭＰａよりも大きくなると変形量が大きくなる。
【００２８】
本発明の電解槽においては、第一のエキスパンデッドメタル８Ａは、刻み幅０．５〜１１．５ｍｍ、短径４〜５ｍｍ、長径１０〜１２ｍｍ、板厚１．０〜１．５ｍｍとすることが好ましい。
また、第二のエキスパンデッドメタル８Ｂは、刻み幅０．１〜０．５ｍｍ、短径０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、長径１ｍｍ〜５．０ｍｍ、板厚０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。
また、第二のエキスパンドメタルの板厚が０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。
【００２９】
また、第二のエキスパンデッドメタルの表面には電極触媒の被膜を形成することが好ましい。電極触媒の被膜を形成しない場合は、電解電圧が高くなり、本発明の効果が十分には得られない。触媒被膜としては、ニッケル系、あるいは白金、ルテニウム等の白金族金属を用いたもの等の各種の触媒被膜を用いることができる。触媒被膜の厚みが大きくなると、開口部の面積が小さくなるとの厚みは５０μｍ以下、好ましくは、１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００３０】
また、陰極の平面精度が電解性能に影響する。すなわち、陰極の平面精度が悪いと、電極間間隔に分布が生じ、電解電流が距離の近い部位に集中するため、電圧の上昇や電流効率の低下を招く。陰極の平面精度は、第一のエキスパンデッドメタルに影響を受ける。このため、リブ等の陰極支持体に第一のエキスパンデッドメタルを取り付けた時点で、平面精度を確認し、基準面に対して＋０．５〜−０．５ｍｍ、好ましくは、＋０．２〜−０．２ｍｍにすることが好ましい。
また、陰極の表面精度は、第一のエキスパンデッドメタルに第二のエキスパンデッドメタルを均一に密着することで確保することができる。このため、第一のエキスパンデッドメタルから第二のエキスパンデッドメタルが部分的に浮き上がる部位がないようにすることが必要となる。
【００３１】
本発明のイオン交換膜法電解槽は、食塩水の電気分解であれば、電流密度は１〜６ｋＡ／ｍ2、温度は８０〜９０℃、陽極室出口塩水の濃度は１９０〜２３０ｇ／ｌ、陰極室出口水酸化ナトリウム水溶液の濃度は３０〜３５質量％で実施することができ、電解で消費されるエネルギー消費の上昇を抑制することが可能となる。
以下、実施例を示して本発明を説明する。
【実施例】
【００３２】
実施例１
第一のエキスパンデッドメタルの調製
ロール掛けした、刻み幅１．５ｍｍ、短径６ｍｍ、長径１５ｍｍ、板厚１．５ｍｍのニッケル製のエキスパンデッドメタルを、縦５３ｃｍ、横４０ｃｍに切断して第一のエキスパンデッドメタルとした。短径方向を縦、長径方向を横とした。
【００３３】
電解槽への取り付け
第一のエキスパンデッドメタルを、有効電解面積：２１２０ｃｍ2 （縦：５３ｃｍ、横：４０ｃｍ）の電解槽の４．５ｃｍ間隔に設けた陰極室のリブに溶接で取り付けるとともに、第一のエキスパンデッドメタルが平坦になるように調整した。
【００３４】
第二のエキスパンデッドメタルの調製
ロール掛けした刻み幅０．１６ｍｍ、短径１．０ｍｍ、長径２ｍｍ、板厚：０．１５ｍｍのニッケル製エキスパンデッドメタルを、縦５３ｃｍ、横４０ｃｍに切断して第二のエキスパンデッドメタルとした。短径方向を縦、長径方向を横とした。
得られた、第二のエキスパンデッドメタルを、１０質量％の塩酸を用いて温度５０℃で１５分間エッチングした後、水洗、乾燥した。
【００３５】
電極触媒用塗布液の調製と電極触媒被膜の形成
ジニトロジアンミン白金硝酸溶液（田中貴金属製、白金濃度：４．５重量％、溶媒：８質量％硝酸溶液）と硝酸ニッケル６水和物と水を用いて白金含有量がモル比で０．５、混合液中の白金とニッケルの合計濃度が金属換算で５質量％の塗布液を調製した。
電極触媒用塗布液を先に調製した第二のエキスパンデッドメタルに刷毛を用い全面に塗布し、熱風式乾燥機内で８０℃１５分間乾燥後、箱型電気炉を用いて空気流通下のもと５００℃で１５分間加熱した。この一連の操作を５回繰り返して、触媒被膜を形成した第二のエキスパンデッドメタルを作製した。
【００３６】
第二のエキスパンデッドメタルの取り付け
触媒被膜を形成した第二のエキスパンデッドメタルを電解槽に取り付けた第一のエキスパンデッドメタルに載置して１４ｍｍの間隔でスポット溶接を行った。
スポット溶接は、電極面積０．１３ｃｍ2 の電極を用い、圧力を１１ＭＰａとして３，０００Ａの電流を４サイクル通電して行った。
第二のエキスパンデッドメタルと陰極リブとの接合部を除く陰極リブを第二のエキスパンデッドメタルへの垂直投影した部分と第二のエキスパンデッドメタル表面を結ぶ面を基準面として、第二のエキスパンデッドメタルまでの垂直距離は、０．１〜０．２ｍｍの範囲となった。
【００３７】
陽極の取り付け
陽極室缶体にチタン製エキスパンデッドメタルに電極触媒被覆を形成した陽極（ペルメレック電極製）を取り付けた。
電解槽の作製
陰極として第一のエキスパンデッドメタルと第二のエキスパンデッドメタルを取り付けた陰極缶体と、陽極を取り付けた陽極缶体とをイオン交換膜（旭化成ケミカルズ製アシプレックス）を介して積層し、ガスケット厚みを調整して、イオン交換膜と陰極との距離を、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ及び２．０ｍｍの電解槽を組み立てた。
【００３８】
電解試験
それぞれの電解槽を、陽極室の圧力に対して陰極室の圧力を５ｋＰａ高く設定しイオン交換膜を陽極表面に密着させ、陽極室には、飽和食塩水を供給し、電流密度６ｋＡ／ｍ2、陽極室出口塩水濃度２００〜２１０ｇ／ｌ、陰極室出口水酸化ナトリウム水溶液濃度：３１〜３３質量％、温度９０℃に保持して食塩水の電気分解試験を行い、電解電圧を測定した。電解電圧は、５分間にわたり、１秒間隔で測定・記録し、それを平均した値を表１に示す。イオン交換膜と陰極との距離が０．５ｍｍの場合を除いて、電圧は安定していた。
【００３９】
実施例２
実施例１において、第二のエキスパンデッドメタルを第一のエキスパンデッドメタルにスポット溶接で取り付ける際の圧力を２２ＭＰａとした点を除き実施例１と同様に陰極を作製した。
作製した陰極は、第二のエキスパンデッドメタルと陰極リブとの接合部を除く陰極リブを第二のエキスパンデッドメタルへの垂直投影部と第二のエキスパンデッドメタル表面を結ぶ面を基準面として、第二のエキスパンデッドメタルまでの垂直距離は、０．２〜０．３ｍｍの範囲となった。
実施例１と同様にして電解槽を組み立て、食塩水の電気分解試験を実施し、電解電圧を測定した。その測定結果を表１に示すが、電圧は安定していた。
【００４０】
比較例１
第二のエキスパンデッドメタルを、第一のエキスパンデッドメタルにスポット溶接で取り付ける際の圧力を４２ＭＰａとした点を除き実施例１と同様に陰極を作製した。
作製した陰極は、第二のエキスパンデッドメタルと陰極リブとの接合部を除く陰極リブを第二のエキスパンデッドメタルへの垂直投影部と第二のエキスパンデッドメタル表面を結ぶ面を基準面として、第二のエキスパンデッドメタルまでの垂直距離は、最大１．６ｍｍであった。
実施例１と同様にして電解槽を組み立て、食塩水の電気分解試験を実施し、電解電圧を測定した。その結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、電解電圧を２０ｍＶ以上低減するので、食塩水のイオン交換膜法電解槽の場合には、水酸化ナトリウム１トンあたり約１４ｋＷ時の電力原単位の減少に相当し、膨大な電力の減少に寄与するものとなり、食塩水のイオン交換膜法電解槽に代表されるイオン交換膜法電解槽に極めて有用なものである。
【符号の説明】
【００４３】
１…イオン交換膜法電解槽、２…陽極室缶体、３…陰極室缶体、４…イオン交換膜、５…陽極支持体、６…陽極、７…陰極支持体、８…陰極、８Ａ…第一のエキスパンデッドメタル、８Ｂ…第二のエキスパンデッドメタル、８Ｃ…接合部、９…ガスケット、２１…陽極室注入口、２２…陽極室排出口、３１…陰極室注入口、３２…陰極室排出口、
４０…スポット溶接機、４１，４２…溶接電極、５１…陰極面の基準となる基準面、５２…基準面からの陰極への最も遠い垂直距離、８１Ａ，８１Ｂ…刻み幅、８２Ａ，８２Ｂ…短径、８３Ａ，８３Ｂ…長径、８４Ａ，８４Ｂ…エキスパンデッドメタルの孔部、８５Ａ，８５Ｂ…エキスパンデッドメタルのメッシュ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室には、第一のエキスパンデッドメタル面に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタルが、前記第二のエキスパンデッドメタルの表面がイオン交換膜に面した陰極を備えており、前記陰極は陰極室缶体に結合した陰極支持体に接合されて取付られており、前記陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離が０．０５〜０．３ｍｍであることを特徴とするイオン交換膜法電解槽。
【請求項２】
第二のエキスパンドメタルの刻み幅０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、短径０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、長径１ｍｍ〜５ｍｍ、板厚０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のイオン交換膜法電解槽。
【請求項３】
第二のエキスパンドメタルの板厚が０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載のイオン交換膜法電解槽。
【請求項４】
イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室缶体に結合した陰極支持体に、第一のエキスパンデッドメタルを取り付けた後に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタルをスポット溶接によって接合して陰極を作製する際に、スポット溶接時に加える圧力を調整することによって前記陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離を０．０５〜０．３ｍｍに設定することを特徴とするイオン交換膜法電解槽の製造方法。
【請求項５】
スポット溶接の際に、溶接時の圧力を５〜２２ＭＰａとすることを特徴とする請求項４記載のイオン交換膜法電解槽の製造方法。
【請求項１】
イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室には、第一のエキスパンデッドメタル面に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタルが、前記第二のエキスパンデッドメタルの表面がイオン交換膜に面した陰極を備えており、前記陰極は陰極室缶体に結合した陰極支持体に接合されて取付られており、前記陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離が０．０５〜０．３ｍｍであることを特徴とするイオン交換膜法電解槽。
【請求項２】
第二のエキスパンドメタルの刻み幅０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、短径０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、長径１ｍｍ〜５ｍｍ、板厚０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のイオン交換膜法電解槽。
【請求項３】
第二のエキスパンドメタルの板厚が０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載のイオン交換膜法電解槽。
【請求項４】
イオン交換膜で陽極室と陰極室とに区画されたイオン交換膜法電解槽の陰極室缶体に結合した陰極支持体に、第一のエキスパンデッドメタルを取り付けた後に、刻み幅、短径及び長径が、第一のエキスパンデッドメタルの刻み幅、短径及び長径の半分よりも小さい第二のエキスパンデッドメタルをスポット溶接によって接合して陰極を作製する際に、スポット溶接時に加える圧力を調整することによって前記陰極支持体を陰極との接合部以外の陰極表面へ垂直投影した部分と交わる陰極の表面を結ぶ平面を基準面とし、基準面から前記陰極への最も長い垂直距離を０．０５〜０．３ｍｍに設定することを特徴とするイオン交換膜法電解槽の製造方法。
【請求項５】
スポット溶接の際に、溶接時の圧力を５〜２２ＭＰａとすることを特徴とする請求項４記載のイオン交換膜法電解槽の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１７４３４６（Ｐ２０１０−１７４３４６Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９５４１（Ｐ２００９−１９５４１）
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【出願人】（０００００３３００）東ソー株式会社 (1,901)
【出願人】（０００１０５０４０）クロリンエンジニアズ株式会社 (48)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【出願人】（０００００３３００）東ソー株式会社 (1,901)
【出願人】（０００１０５０４０）クロリンエンジニアズ株式会社 (48)
【Ｆターム（参考）】
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