電解槽の製造方法
【課題】起動直後においても良好な電解性能を得ることが可能な電解槽の製造方法を提供する。
【解決手段】構成要素として少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を有する電解槽の製造方法であって、水酸化ナトリウム水溶液を蒸発濃縮することによって発生する蒸発蒸気を凝縮して凝縮水を準備する、準備工程Ｓ１と、イオン交換膜及び陰極のうちの少なくとも一つと、凝縮水とを接触させる、接触工程とＳ２、接触工程とともに、又は、接触工程の後、構成要素を組み立てる、組み立て工程Ｓ３とを有する、電解槽の製造方法。
【解決手段】構成要素として少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を有する電解槽の製造方法であって、水酸化ナトリウム水溶液を蒸発濃縮することによって発生する蒸発蒸気を凝縮して凝縮水を準備する、準備工程Ｓ１と、イオン交換膜及び陰極のうちの少なくとも一つと、凝縮水とを接触させる、接触工程とＳ２、接触工程とともに、又は、接触工程の後、構成要素を組み立てる、組み立て工程Ｓ３とを有する、電解槽の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ金属塩の電解等に用いられる電解槽の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、アルカリ金属塩水溶液の電解によって、アルカリ金属水酸化物を製造することがなされてきた。アルカリ金属塩水溶液の電解は、通常、電解槽を用いて行われる。電解槽は陽イオン交換膜を挟んで、陽極室と陰極室とで構成されており、陽極室には陽極を、陰極室には陰極をそれぞれ配置させてなる。そして、陽極室にアルカリ金属塩水溶液を、陰極室に希薄なアルカリ金属水酸化物水溶液を満たして、両電極間に直流電流を通すことによって電解を行う。例えば、塩化ナトリウムの電解にあっては、理論上、理論電解電圧をかけることにより、いわゆるファラデーの法則に従って、消費した電力に応じて水酸化ナトリウム、塩素及び水素が得られる。このような電解槽については、特許文献１〜８に開示されているように、細部の構成から全体構成に至るまで、様々な研究がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０６１７６６号パンフレット
【特許文献２】特開平６−２２０６７７号公報
【特許文献３】特開２０００−１７８７８２号公報
【特許文献４】特開２００１−０６４７９２号公報
【特許文献５】特開２００１−１５２３８０号公報
【特許文献６】特開２００１−２６２３８７号公報
【特許文献７】特許第４４５３９７３号公報
【特許文献８】特開２０００−１１７０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を備えた電解槽の製造工程にあっては、イオン交換膜の組込み時、電解槽の構成部材に対して、不純物をほとんど含まない水（一般的に純水）を用いて水洗を行うのが通常である。この水洗の目的は、電極や電解槽ユニットセルに付着した塵等を洗い流す目的と、イオン交換膜の電極側部材への密着性を向上させるための湿潤目的との両方である。しかしながら、このようにして製造された電解槽にあっては、電解槽の起動直後において、良好な電解性能を得ることができない場合があった。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、起動直後においても良好な電解性能を得ることが可能な電解槽の製造方法を提供するとともに、当該製造方法により製造された電解槽を用いた水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、電解槽の起動直後において電解性能が低下する原因について鋭意研究したところ、水洗後、系内が中性雰囲気であったことに起因して、電解槽を起動（即ち、電解槽に通電開始）させるまで間において電極（特に陰極）の一部がイオン化してイオン交換膜へ付着する場合があり、このことが起動直後の電解槽の電解性能に悪影響を及ぼすことを知見した。そこで、イオン交換膜の組込みから、電解槽の起動までにおける系内の雰囲気を中性以外の雰囲気とすることが重要と考え、さらに研究を進めたところ、本発明者らは、アルカリ溶液を用いて電極や電解槽ユニットセルの付着塵の除去やイオン交換膜の湿潤を行って、系内の雰囲気をアルカリ雰囲気としておくことにより、電解槽の起動直後においても良好な電解性能を発揮させることができることを知見した。
【０００７】
ここで、例えば、電解槽を用いて食塩電解を行う場合、電解槽からは水酸化ナトリウム水溶液が得られる。得られた水酸化ナトリウム水溶液は、流通効率を向上させるため、通常、蒸発濃縮工程に供され、水分を蒸発させることにより高濃度に調整される。一方、蒸発濃縮工程において蒸発した水分は蒸気として排出され、冷却されて凝縮水となる。本発明者らはこの凝縮水に着目した。というのも、当該凝縮水は弱アルカリ性を呈するため、上記のアルカリ溶液として好適であると考えられたためである。実際に、イオン交換膜の組込み時、当該凝縮水を用いて系内の洗浄及び湿潤を行ったところ、電解槽の起動直後における電解性能を向上させることができた。
【０００８】
本発明は上記知見に基づいてなされたものである。すなわち、
本発明の第１の態様は、構成要素として少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を有する電解槽の製造方法であって、水酸化ナトリウム水溶液を蒸発濃縮することによって発生する蒸発蒸気を凝縮して凝縮水を準備する、準備工程と、イオン交換膜及び陰極のうちの少なくとも一つと当該凝縮水とを接触させる、接触工程と、接触工程とともに、又は、接触工程の後、構成要素を組み立てる、組み立て工程とを有する、電解槽の製造方法である。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る接触工程において、少なくとも陰極と凝縮水とを接触させることが好ましい。これにより、電解槽の起動直後における陰極の溶出を一層抑制することができ、電解槽の起動直後における電解性能を一層良好なものとすることができる。
【００１０】
本発明の第１の態様において、凝縮水は、水酸化ナトリウムが含まれるとともにｐＨが８．０以上９．５以下であるとよい。このような凝縮水を用いると、電解槽の起動直後における電解性能を一層良好なものとすることができる。
【００１１】
本発明の第１の態様において、電解槽が、電気分解によって食塩水から少なくとも水酸化ナトリウムを製造するものであるとよい。
【００１２】
本発明の第１の態様において、陰極が、ニッケル及びスズを含む活性陰極であることが好ましい。このような活性陰極は、電解槽の起動直後において溶出によりイオン交換膜に付着し易い。そのため、本発明による溶出抑制効果が一層顕著となる。
【００１３】
本発明の第１の態様において、電解槽が、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽であることが好ましい。
【００１４】
本発明の第２の態様は、水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程において発生する蒸発蒸気を凝縮してなる凝縮水の、電解槽組み立て時の洗浄水及び／又は湿潤水としての使用である。
【００１５】
本発明の第３の態様は、本発明の第１の態様に係る製造方法により製造された電解槽に食塩水を供給するとともに、陰極と陽極との間に直流電流を流すことによって食塩水を電解する、水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素の製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電解槽にイオン交換膜を組み込む際、イオン交換膜及び／又は陰極がアルカリの凝縮水と接触されるため、電解槽の起動前において、系内をアルカリ雰囲気とすることができる。これにより、電解槽を起動させるまでの間における陰極からの金属イオンの溶出が抑制される。すなわち、金属イオンがイオン交換膜に付着・吸着して膜性能を低減させることが抑制されるため、電解槽の起動直後において良好な電解性能を発揮させることができる。このように、起動直後から良好な電解性能を発揮させることで、食塩電解の際、水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素を起動直後から適切に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一実施形態に係る本発明の電解槽の製造方法を説明するための図である。
【図２】水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程の一例を示す図である。
【図３】本発明に係る電解槽の製造方法により製造される電解槽の一例を概略的に示す図である。
【図４】本発明に係る電解槽の製造方法により製造される電解槽の一例を概略的に示す図である。
【図５】食塩水の電解メカニズムについて説明するための図である。
【図６】本発明により得られた電解槽を用いて食塩水の電解を実施する場合の装置構成の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
１．第１実施形態
第１実施形態に係る本発明は、構成要素として少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を有する電解槽の製造方法である。
【００１９】
尚、本発明に係る製造方法により製造される電解槽には、上記構成要素の他、電解槽の形態に応じてその他部材が備えられていてもよい。例えば、電解槽枠や電極集電体等である。特に、電解槽としてゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽を製造する場合、電解槽には、陽極、イオン交換膜、及び陰極の他、電解槽枠、背面隔壁、弾性材、ガスケット、陰極集電体等が備えられる。
【００２０】
図１に一実施形態に係る本発明の電解槽の製造方法Ｓ１０を示す。図１に示すように、製造方法Ｓ１０は、構成要素として少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を有する電解槽の製造方法であって、水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程において発生する蒸発蒸気を凝縮して凝縮水を準備する、準備工程Ｓ１と、イオン交換膜及び陰極のうちの少なくとも一つと凝縮水とを接触させる、接触工程Ｓ２と、接触工程Ｓ２とともに、又は、接触工程Ｓ２の後、構成要素を組み立てる、組み立て工程Ｓ３とを有している。
【００２１】
１．１．準備工程Ｓ１
工程Ｓ１は、水酸化ナトリウムを蒸発濃縮することによって発生する蒸発蒸気を凝縮して凝縮水を準備する工程である。該工程は、水酸化ナトリウムの製造プロセスから得られた所定濃度の水酸化ナトリウム溶液（水溶液）に対して、蒸発処理を施し、高濃度の水酸化ナトリウム溶液（水溶液）を得る工程を言う。例えば、電解槽を用いて食塩水を電解することにより所定濃度の水酸化ナトリウム水溶液を得ることができるが、得られた水酸化ナトリウム水溶液は、流通効率を向上させるため、通常、複数の蒸発缶を経て蒸発濃縮される。図２に、水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程の一形態を示す。図２に示すように、水酸化ナトリウムの製造プロセスから得られた低濃度の水酸化ナトリウム水溶液は、第三蒸発缶から第二蒸発缶、第一蒸発缶を経て徐々に濃縮され、最終的に高濃度の水酸化ナトリウムとされる。一方、水酸化ナトリウムとは対向流となるように第一蒸発缶から第二蒸発缶、第三蒸発缶に向かって一定圧力の蒸気が流されており、蒸発缶内の蒸発物を伴って系外へと排出されるようにされている。すなわち、蒸気は第一蒸発缶から第二、第三蒸発缶を経て徐々に蒸発物濃度が上昇することとなり、これを凝縮することで、最終的に弱アルカリの凝縮水が得られる。尚、図示した態様では蒸発缶が３つの態様であるが、無論これ以外の数でもなんら問題は無い。また、蒸気による蒸発濃縮に限らず、ヒーターやバーナー等により直接加熱して蒸発濃縮させてもよい。本発明では、この凝縮水を下記工程Ｓ２における電解槽の洗浄水、湿潤水として用いることに特徴を有する。
【００２２】
水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程において得られる上記の如くの凝縮水は水酸化ナトリウムが混在しており、弱アルカリを呈する。特に、ｐＨが８．０以上９．５以下であることが好ましい。ｐＨが８．０以上あれば、工程Ｓ２において電解槽系内を適切にアルカリとすることができる。これにより、電解槽を起動させるまでの間における陰極からの金属イオンの溶出が抑制され、電解槽の起動直後において良好な電解性能を発揮させることができる。なお、上限は特に定められるものではないが、前記蒸発濃縮により得られる凝縮水のｐＨは通常は１０未満、多くの場合には９．５以下である。
【００２３】
１．２．接触工程Ｓ２
工程Ｓ２は、イオン交換膜及び陰極のうちの少なくとも一つと凝縮水とを接触させる工程である。すなわち、工程Ｓ２では、工程Ｓ１にて準備した凝縮水を、少なくともイオン交換膜の洗浄・湿潤水又は陰極の洗浄水として用いる。工程Ｓ２は、イオン交換膜が電極に貼り付く程度にイオン交換膜を凝縮水によって洗浄し、湿潤させる、或いは、陰極表面の塵等が除去される程度に、陰極を凝縮水によって洗浄する工程であればよい。また、この洗浄する工程の際に、電解槽を構成する他の部材（陽極、電解槽枠、背面隔壁、弾性材、ガスケット等）も同時に洗浄することが好ましい。該洗浄により、これら部材が湿潤化するため、イオン交換膜が陽極に張り付き組込みやすくなるという効果も副次的に得られる。
すなわち、洗浄・湿潤水として凝縮水を用いること以外は、従来から行われてきたイオン交換膜の洗浄・湿潤、或いは、陰極の洗浄と同様の操作で工程Ｓ２を実施することが可能である。例えば、イオン交換膜や陰極に対して、ホース等を用いて凝縮水を流しかける形態や、凝縮水を噴霧する形態が挙げられる。特に、凝縮水の使用量を削減可能なことから、噴霧により接触させることが好ましい。
【００２４】
工程Ｓ２では、少なくとも陰極と凝縮水とを接触させることが好ましい。イオン交換膜と凝縮水とを接触させることによっても、電解槽の組み立て完了後、陰極液を陰極室内に導入するまでの間にイオン交換膜と接する部分の陰極もアルカリ性環境下におかれ、該接触部分からの金属イオンの溶出が抑制できる。しかしながら、陰極の洗浄を純水で行った場合には、陰極のイオン交換膜と接していない部分から金属イオンが該洗浄水（陰極に付着している）に溶出する虞がある。それに対し、陰極に凝縮水を直接接触させることによって該陰極全体をまんべんなくアルカリ性環境とでき、電解槽を起動させるまでの間の陰極からの金属イオンの溶出をより適切に防止することができる。
【００２５】
特に、工程Ｓ２では、少なくとも、陰極、及び陰極と接触する部材と、凝縮水とを接触させることが好ましい。「陰極と接触する部材」は電解槽の構成によって異なる。例えば、本発明に係る製造方法により、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽を製造する場合は、イオン交換膜と、陰極をイオン交換膜側に押し付けるための弾性材とが「陰極と接触する部材」となる。ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽において弾性材を設けない場合は、イオン交換膜と陰極集電体或いは電解槽の単位セルを区画する背面隔壁とが「陰極と接触する部材」となる。また、本発明に係る製造方法により、陰極とイオン交換膜との間にギャップを有する電解槽を製造する場合は、陰極集電体或いは電解槽の単位セルを区画する背面隔壁が「陰極と接触する部材」となる。また、多くの場合、集電体とイオン交換膜との間にはガスケットが配設されるが、この場合には、該ガスケットも「陰極と接触する部材」となる。このように、電解槽の起動前において、陰極及び陰極と接触する部材すべてについて凝縮水と接触させておくことで、特に、陰極周辺をアルカリとすることができ、これにより、電解槽の起動直後における陰極の溶出を一層適切に防止することができる。
【００２６】
１．３．組み立て工程Ｓ３
工程Ｓ３は、工程Ｓ２とともに、又は、工程Ｓ２の後、構成要素を組み立てる工程である。すなわち、構成要素と凝縮水とを接触させつつ構成要素を組み立てる工程、又は、構成要素と凝縮水との接触が完了した後で構成要素を組み立てる工程である。
【００２７】
構成要素の組み立てについては、従来と同様の方法で実施すればよい。すなわち、イオン交換膜を挟んで陽極室と陰極室とを構成し、陽極室には陽極を、陰極室には陰極をそれぞれ配置させるようにして構成要素を組み立て、電解槽を製造する。例えば、まず、陽極室を凝縮水で洗浄した後、当該陽極室の陽極表面にイオン交換膜を貼り付ける。イオン交換膜は工程Ｓ２によって凝縮水で湿潤されることで、陽極の表面に容易に貼り付けることができる。そして、イオン交換膜を陽極と陰極とで挟み込むように陰極室を配置することにより、電解槽を製造することができる。
【００２８】
本発明に係る製造方法により製造される電解槽としては、アルカリ金属塩水溶液の電解を行うための電解槽が挙げられ、この中でも、電気分解によって食塩水から少なくとも水酸化ナトリウムを製造する電解槽が好ましく、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽が最も好ましい。ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽とは、電極とイオン交換膜との間のギャップがゼロとなるようにイオン交換膜と電極とが接触するように配置されてなる電解槽である。
【００２９】
図３に、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽１０（以下、単に「電解槽１０」という。）を構成する電解槽ユニット１０ａの分解斜視図を概略的に示す。また、図４に、工程Ｓ３後における電解槽ユニット１０ａの断面構造を概略的に示す。図３、４に示すように、電解槽ユニット１０ａは、陽極室１（電解槽枠１ａ、背面隔壁１ｂ、陽極１ｃ及びリブ１ｄ）、イオン交換膜２、陰極室３（電解槽枠３ａ、背面隔壁３ｂ、陰極３ｃ、弾性材３ｄ、陰極集電体３ｅ及びリブ３ｆ）並びにガスケット４、４を備えており、陽極室１と陰極室３がイオン交換膜３やガスケット４によって区画されるように構成されている。
【００３０】
陽極室１には、電解槽枠１ａ、背面隔壁１ｂ、陽極１ｃ及び背面隔壁１ｂと陽極１ｃとを電気的に接続するリブ１ｄ、１ｄが備えられている。また、陽極室１は、電解槽枠１ａ、背面隔壁１ｂ及びイオン交換膜２によって区画されており、内部に電解液を流通可能な空間１ｅが設けられている。尚、図３、４には示していないが、陽極室１には、電解液の供給管や電解に伴い発生するガスの排出口等が設けられている。
【００３１】
電解槽枠１ａとしては、その形状及び材質は特に限定されるものではなく、例えば、軟鋼等の金属や電解液に対して耐久性を有する強化プラスチック等を枠状に成形してなるものを用いることができる。背面隔壁１ｂは、電解槽枠１ａの内側に設けられ、隣接する電解槽ユニット同士を区画する。背面隔壁１ｂは、電解液に対して耐久性を有するものであれば、その材質は特に限定されるものではない。ただし、背面隔壁１ｂを介して電気を供給する場合、導電性を有する必要がある。例えば、チタン等の金属からなるものが好ましい。陽極１ｃとしては、電解槽の陽極として用いられるものであれば特に限定されない。特に、陽極活物質として白金族元素の酸化物又はこれに他の金属酸化物を混合或いは混晶としたものをチタン基材上に焼成等によりコートした、所謂、寸法安定性陽極（ＤＳＡ）が好ましい。その形状としてはパンチドメタル、エキスパンドメタル又は網状体が好ましい。リブ１ｄは、背面隔壁１ｂと陽極１ｃとの間に空間１ｅを形成するとともに、背面隔壁１ｂと陽極１ｃとを導電可能に接続する部材である。リブ１ｄは、電解液に対して耐久性を有し、背面隔壁１ｂから陽極１ｃに電気を導くことが可能なものであれば、その形状、材質は特に限定されるものではない。
【００３２】
イオン交換膜２としては、電解槽のイオン交換膜として用いられるものであれば特に限定されないが、特に、陽イオン交換膜を用いる。より具体的には、パーフルオロカーボン骨格を有し、側鎖に陽イオン交換基（例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、或いはこれらの混合基）が存在するものが好ましい。このようなイオン交換膜としては、例えば、デュポン社製ナフィオン、旭硝子社製フレミオン、旭化成社製アシプレックス等が挙げられる。
【００３３】
陰極室３には、電解槽枠３ａ、背面隔壁３ｂ、陰極３ｃ、弾性材３ｄ、陰極集電体３ｅ、及び背面隔壁３ｂと陰極集電体３ｅとを電気的に接続するリブ３ｆ、３ｆ、…が備えられている。また、陰極室３は、電解槽枠３ａ、背面隔壁３ｂ及びイオン交換膜２によって区画されており、内部に電解液を流通可能な空間３ｇが設けられている。尚、図３、４には示していないが、陰極室３には、電解液の供給管や電解に伴い発生するガスの排出口等が設けられている。
【００３４】
電解槽枠３ａ、背面隔壁３ｂ及びリブ３ｆとしては、上述した陽極室１に係るものと同様の構造のものを用いることができる。陰極３ｃとしては、電解槽の陰極として用いられるものであれば特に限定されない。具体的には、軟鋼、ニッケル、およびこれらの合金等が挙げられる。なかでも、その表面にニッケルを含む陰極が好ましく、ニッケル及びスズを含む活性陰極がより好ましい。特に、ニッケル分２５〜９９％、スズ分７５〜１％（重量比）のニッケル−スズ系合金を電気めっきによって被覆した陰極が最も好ましい。この場合の心材（基体）としては軟鋼やニッケルを用いることができる。本発明では、特にニッケルを含む陰極すべてについて顕著な効果を発揮する。このような陰極３ｃとしては、例えば、国際公開第２０１０／０６１７６６号パンフレットに開示されたような、平板状、曲板状、エキスパンドメタル状、パンチングメタル状、網状、多孔板状、或いはすだれ状の導電性・耐食性を有する基体に、ニッケル−スズ合金を被覆した活性陰極が挙げられる。弾性材３ｄは、電解槽１０において、陰極３ｃをイオン交換膜２側に押し付ける機能を有するとともに、陰極３ｃと陰極集電体３ｅとを電気的に接続する機能も有する。弾性材３ｄとしては、陰極３ｃをイオン交換膜２側に適切に押し付けることが可能であり、且つ、陰極室３の内部に供給される電解液に対して耐久性を有するとともに、導電性を有するものであれば、その材質、形状は特に限定されるものではない。例えば、金属繊維からなる織物或いは不織布等のマット状体やコイルバネ、板バネを用いることができる。より具体的には、特許第３７０７９８５号公報に開示された線径０．０２〜０．１５ｍｍの金属線を用いた織物であって、クリンプ加工されるとともに、山形のヘリンボーン模様が賦形され、各ヘリンボーン模様が一枚の織物につき２〜９回、１２０〜１６０°の角度で変曲しているものが好ましく用いられる。陰極集電体３ｅとしては、金属多孔板等の公知の陰極集電体を用いることができる。
【００３５】
尚、陰極室３においては、例えば特許第３６８６２７０号公報に開示されたようなピンを用いて、陰極３ｃ、弾性材３ｄ及び陰極集電体３ｅを一体に固定してもよい。
【００３６】
ガスケット４は、陽極室１の電解槽枠１ａと陰極室３の電解槽枠３ａとの間に挟持されるように配置され、電解槽１０からの流体の漏れ等を防いでいる。ガスケット４の形状、材質は特に限定されるものではなく、公知のものを適宜選択して用いればよい。
該ガスケットとしては、各々、陽極液、陰極液に対して耐性を有するもので、電解槽のシール性を維持するための強度を有するものであれば特に限定されず、各種ゴム系の材料、より具体的には、耐薬品性や硬度よりエチレン・プロピレン・ジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム等が挙げられる。
【００３７】
電解槽１０の製造においては、イオン交換膜２又は陰極３ｃを、好ましくは、陰極３ｃを、より好ましくは、陰極３ｃ、並びに、陰極３ｃと接触するイオン交換膜２及び弾性材３ｄを、凝縮水を用いて洗浄・湿潤させた後、或いは、洗浄・湿潤させつつ（工程Ｓ１、Ｓ２）、陽極室１の陽極１ｃの表面に、イオン交換膜２を貼り付け、イオン交換膜２を陽極室１に押し付けるように陰極室３を配置する。この際、陽極室１と陰極室３との間にはガスケット４を介在させる。そして、陰極室３の内部に設けられた弾性材３ｄの弾性力によって陰極３ｃがイオン交換膜２へと押し付けられた状態で固定され、電解槽ユニット１０ａとなる。このような電解槽ユニット１０ａを任意にモノポーラ式或いはバイポーラ式に複数重ね合わせて固定することにより、電解槽１０を製造することができる（工程Ｓ３）。
【００３８】
尚、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽は、上述の陰極集電体３ｅやリブ３ｆ、３ｆを備えないものであってもよい。この場合、陰極３ｃと背面隔壁３ｂとの間が弾性材３ｄによって埋められた形態となる。この形態は、特に、陰極室３の厚みが薄い場合、例えば、イオン交換膜２と背面隔壁３ｂとの間隔が２０ｍｍ以下のような場合に有効である。ただし、液や気泡の流路を十分確保し、さらに陰極３の全面に亘って均一に電流を流すためには、陰極集電体３ｄやリブ３ｆが備えられることが好ましい。
【００３９】
本発明に係る電解槽の製造方法は、電解槽のイオン交換膜を更新する場合に適用することもできる。例えば、食塩電解法におけるイオン交換膜の更新の際は、電解槽の通電を停止し、内部液を冷却した後、電解槽内から内部液を脱液する。その後、内部に水を貼り込み残存する液を水洗する。水洗液を脱液後、電解槽ユニットセルを解体し、組み込まれていたイオン交換膜を取り出す。その後、本発明の製造方法に係る工程Ｓ１〜Ｓ３を行う。すなわち、水酸化ナトリウム水溶液を蒸発濃縮することによって発生する蒸発蒸気を凝縮してなる凝縮水を用いて、電解槽ユニットセルや組み込まれている電極の洗浄を行い、新しいイオン交換膜を湿潤させ、電解槽ユニット間にセットする（工程Ｓ１、Ｓ２）。そして、電解槽ユニットセルにてイオン交換膜を挟み込むことでイオン交換膜が固定される（工程Ｓ３）。
【００４０】
以上のように、本発明に係る電解槽の製造方法では、電解槽にイオン交換膜を組み込む際、イオン交換膜及び／又は陰極がアルカリの凝縮水と接触されるため、電解槽の起動前において、系内をアルカリ雰囲気とすることができる。これにより、電解槽を起動させるまでの間における陰極からの金属イオンの溶出が抑制され、電解槽の起動直後において良好な電解性能を発揮させることができる。
【００４１】
２．第２実施形態
第２実施形態に係る本発明は、水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程において発生する蒸発蒸気を凝縮してなる凝縮水の、電解槽組み立て時の洗浄水及び／又は湿潤水としての使用である。「電解槽組み立て時」とは、上述したように、イオン交換膜の更新時も含む概念である。電解槽組み立て時において、凝縮水を洗浄水及び／又は湿潤水として用いることにより、電解槽の起動前において、系内をアルカリ雰囲気とすることができる。これにより、電解槽を起動させるまでの間における陰極からの金属イオンの溶出が抑制され、電解槽の起動直後において良好な電解性能を発揮させることができる。
【００４２】
３．第３実施形態
第３実施形態に係る本発明は、第１実施形態に係る本発明の製造方法により製造された電解槽に食塩水を供給するとともに、陰極と陽極との間に直流電流を流すことによって食塩水を電解する、水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素の製造方法である。
【００４３】
図５に電解槽１００を用いた食塩水の電解メカニズムを概略的に示す。図５に示すように、電解槽１００は、イオン交換膜１０２を挟んで、内部が陽極室１０１と陰極室１０３とに区画されている。陽極室１０１には陽極１０１ａが、陰極室１０３には陰極１０３ａがそれぞれ設置されている。
【００４４】
電解槽１００を用いて食塩水を電解する場合は、通常、まず、陰極室１０３に希薄な水酸化ナトリウム溶液を供給し、ついで、陽極室１０１に食塩水（精製塩水）を供給する。そして、両液の張込みが完了した時点から液循環を行なうとともに予備電解を開始し、電解槽１００の内部循環液が所定濃度、所定温度になった時点で本通電を開始する。陰極１０３ａと陽極１０１ａとの間に直流電流を流すことによって、陽極室１０１においては、食塩水中の塩素イオンが電子を放出して塩素ガスとなるとともに、ナトリウムイオンがイオン交換膜１０２を介して陰極室１０３側に移動する。一方、陰極室１０３においては電子が供給されることで、水が電気分解され、陽極室１０１から移動したナトリウムイオンの存在のもと、水素ガスと水酸化物イオンとが生じる。すなわち、陽極室１０１からは塩素ガスと、消費されなかった食塩を含む希薄塩水とが得られ、陰極室１０３からは水素ガスと、水酸化ナトリウム水溶液とが得られる。
【００４５】
ここで、本発明に係る製造方法により製造された電解槽は、凝縮水を用いた洗浄・湿潤を経て組み立てられ、製造されたものであり、起動前に系内がアルカリ雰囲気とされている。これにより、電解槽を起動させるまでの間における陰極からの金属イオンの溶出の溶出が抑制され、電解槽の起動直後において良好な電解性能が発揮される。このように、起動直後から良好な電解性能を発揮させることで、食塩電解の際、水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素を起動直後から適切に製造することができる（本発明により得られた電解槽を用いて食塩水を電解する場合における全体フローの概略図を図６として示す。）。
【００４６】
尚、食塩水の電解によって陰極室から得られた水酸化ナトリウム水溶液は、流通効率を向上させるため、蒸発濃縮工程（例えば、図２で示されるような工程）に供される。そして、蒸発濃縮工程においては、濃縮された水酸化ナトリウム水溶液と、弱アルカリを呈する凝縮水とが得られ、得られた凝縮水を凝縮水貯留槽（例えば、図６に示したような装置形態）に保存しておくことで、必要時に電解槽製造時の洗浄・湿潤水として用いることができる。また洗浄・湿潤水以外にも、各種の工水として使用可能である。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例に基づき、本発明に係る電解槽の製造方法について、さらに詳細に説明する。
【００４８】
実施例１〜４
水酸化ナトリウム水溶液の蒸発濃縮缶から発生した蒸発蒸気を凝縮してなる凝縮水を複数種類用意し、電解槽組み立て時の洗浄・湿潤水として用いて、小型電解実験装置としての電解槽を製造した。電解槽の形態としては、図４で示されるようなゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽とした。陽極はＤＳＥ（ペルメレック社製）を、イオン交換膜はデュポン社製の陽イオン交換膜ナフィオンを、陰極はスズ−ニッケル系の活性陰極を使用した。当該電解槽を用いて食塩電解実験を行った。食塩電解実験においては、まず、陰極室に希薄な水酸化ナトリウム溶液を供給し、ついで、陽極室に精製塩水を供給した。その後、両液の張込みが完了した時点から液循環を行なうとともに予備電解を開始し、一定時間（２時間）経過後、本通電を開始させた。電解槽の通電面積は０．５ｄｍ２とし、電解条件は、食塩水供給量が２００ｇ／Ｌ、水酸化ナトリウムの出口濃度が３２％、系内温度が８５℃となるように制御し、運転時の電流密度は５０Ａ／ｄｍ２とした。
【００４９】
比較例１〜４
電解槽組み立て時の洗浄・湿潤水として単なる純水を用いた以外は、実施例１〜４と同様にして電解槽を製造し、食塩電解実験を行った。
【００５０】
洗浄・湿潤水のｐＨや温度、及び、食塩電解実験時の初期起動時（本通電開始から５日後）における電解電圧を下記表１、表２にまとめた。
【００５１】
【表１】
【００５２】
【表２】
【００５３】
表１、２から明らかなように、洗浄・湿潤水として、水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程から得られる凝縮水を用いた実施例１〜４は、単なる純水を用いた比較例１〜４と比較して、食塩電解実験時の電解電圧を抑えることができ、比較例１〜４よりも少ない電力で同等量の食塩を電解することができた。弱アルカリを呈する凝縮水を洗浄・湿潤水として用いることで、電解槽起動前において系内をアルカリ雰囲気とすることができ、これにより、電解槽を起動するまでの間における陰極からの金属イオンの溶出が抑制され、電解性能が向上し、効率的に食塩の電解を行うことができたと言える。すなわち、本発明に係る製造方法により製造された電解槽は、起動直後から良好な電解性能を発揮させることができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、アルカリ金属塩を電解するための電解槽の製造方法として広く利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 陽極室
１ａ 電解槽枠
１ｂ 背面隔壁
１ｃ 陽極
１ｄ リブ
１ｅ 空間
２ イオン交換膜
３ 陰極室
３ａ 電解槽枠
３ｂ 背面隔壁
３ｃ 陰極
３ｄ 弾性材
３ｅ 陰極集電体
３ｆ リブ
３ｇ 空間
４ ガスケット
１０ 電解槽
１０ａ 電解槽ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ金属塩の電解等に用いられる電解槽の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、アルカリ金属塩水溶液の電解によって、アルカリ金属水酸化物を製造することがなされてきた。アルカリ金属塩水溶液の電解は、通常、電解槽を用いて行われる。電解槽は陽イオン交換膜を挟んで、陽極室と陰極室とで構成されており、陽極室には陽極を、陰極室には陰極をそれぞれ配置させてなる。そして、陽極室にアルカリ金属塩水溶液を、陰極室に希薄なアルカリ金属水酸化物水溶液を満たして、両電極間に直流電流を通すことによって電解を行う。例えば、塩化ナトリウムの電解にあっては、理論上、理論電解電圧をかけることにより、いわゆるファラデーの法則に従って、消費した電力に応じて水酸化ナトリウム、塩素及び水素が得られる。このような電解槽については、特許文献１〜８に開示されているように、細部の構成から全体構成に至るまで、様々な研究がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０６１７６６号パンフレット
【特許文献２】特開平６−２２０６７７号公報
【特許文献３】特開２０００−１７８７８２号公報
【特許文献４】特開２００１−０６４７９２号公報
【特許文献５】特開２００１−１５２３８０号公報
【特許文献６】特開２００１−２６２３８７号公報
【特許文献７】特許第４４５３９７３号公報
【特許文献８】特開２０００−１１７０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を備えた電解槽の製造工程にあっては、イオン交換膜の組込み時、電解槽の構成部材に対して、不純物をほとんど含まない水（一般的に純水）を用いて水洗を行うのが通常である。この水洗の目的は、電極や電解槽ユニットセルに付着した塵等を洗い流す目的と、イオン交換膜の電極側部材への密着性を向上させるための湿潤目的との両方である。しかしながら、このようにして製造された電解槽にあっては、電解槽の起動直後において、良好な電解性能を得ることができない場合があった。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、起動直後においても良好な電解性能を得ることが可能な電解槽の製造方法を提供するとともに、当該製造方法により製造された電解槽を用いた水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、電解槽の起動直後において電解性能が低下する原因について鋭意研究したところ、水洗後、系内が中性雰囲気であったことに起因して、電解槽を起動（即ち、電解槽に通電開始）させるまで間において電極（特に陰極）の一部がイオン化してイオン交換膜へ付着する場合があり、このことが起動直後の電解槽の電解性能に悪影響を及ぼすことを知見した。そこで、イオン交換膜の組込みから、電解槽の起動までにおける系内の雰囲気を中性以外の雰囲気とすることが重要と考え、さらに研究を進めたところ、本発明者らは、アルカリ溶液を用いて電極や電解槽ユニットセルの付着塵の除去やイオン交換膜の湿潤を行って、系内の雰囲気をアルカリ雰囲気としておくことにより、電解槽の起動直後においても良好な電解性能を発揮させることができることを知見した。
【０００７】
ここで、例えば、電解槽を用いて食塩電解を行う場合、電解槽からは水酸化ナトリウム水溶液が得られる。得られた水酸化ナトリウム水溶液は、流通効率を向上させるため、通常、蒸発濃縮工程に供され、水分を蒸発させることにより高濃度に調整される。一方、蒸発濃縮工程において蒸発した水分は蒸気として排出され、冷却されて凝縮水となる。本発明者らはこの凝縮水に着目した。というのも、当該凝縮水は弱アルカリ性を呈するため、上記のアルカリ溶液として好適であると考えられたためである。実際に、イオン交換膜の組込み時、当該凝縮水を用いて系内の洗浄及び湿潤を行ったところ、電解槽の起動直後における電解性能を向上させることができた。
【０００８】
本発明は上記知見に基づいてなされたものである。すなわち、
本発明の第１の態様は、構成要素として少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を有する電解槽の製造方法であって、水酸化ナトリウム水溶液を蒸発濃縮することによって発生する蒸発蒸気を凝縮して凝縮水を準備する、準備工程と、イオン交換膜及び陰極のうちの少なくとも一つと当該凝縮水とを接触させる、接触工程と、接触工程とともに、又は、接触工程の後、構成要素を組み立てる、組み立て工程とを有する、電解槽の製造方法である。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る接触工程において、少なくとも陰極と凝縮水とを接触させることが好ましい。これにより、電解槽の起動直後における陰極の溶出を一層抑制することができ、電解槽の起動直後における電解性能を一層良好なものとすることができる。
【００１０】
本発明の第１の態様において、凝縮水は、水酸化ナトリウムが含まれるとともにｐＨが８．０以上９．５以下であるとよい。このような凝縮水を用いると、電解槽の起動直後における電解性能を一層良好なものとすることができる。
【００１１】
本発明の第１の態様において、電解槽が、電気分解によって食塩水から少なくとも水酸化ナトリウムを製造するものであるとよい。
【００１２】
本発明の第１の態様において、陰極が、ニッケル及びスズを含む活性陰極であることが好ましい。このような活性陰極は、電解槽の起動直後において溶出によりイオン交換膜に付着し易い。そのため、本発明による溶出抑制効果が一層顕著となる。
【００１３】
本発明の第１の態様において、電解槽が、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽であることが好ましい。
【００１４】
本発明の第２の態様は、水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程において発生する蒸発蒸気を凝縮してなる凝縮水の、電解槽組み立て時の洗浄水及び／又は湿潤水としての使用である。
【００１５】
本発明の第３の態様は、本発明の第１の態様に係る製造方法により製造された電解槽に食塩水を供給するとともに、陰極と陽極との間に直流電流を流すことによって食塩水を電解する、水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素の製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電解槽にイオン交換膜を組み込む際、イオン交換膜及び／又は陰極がアルカリの凝縮水と接触されるため、電解槽の起動前において、系内をアルカリ雰囲気とすることができる。これにより、電解槽を起動させるまでの間における陰極からの金属イオンの溶出が抑制される。すなわち、金属イオンがイオン交換膜に付着・吸着して膜性能を低減させることが抑制されるため、電解槽の起動直後において良好な電解性能を発揮させることができる。このように、起動直後から良好な電解性能を発揮させることで、食塩電解の際、水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素を起動直後から適切に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一実施形態に係る本発明の電解槽の製造方法を説明するための図である。
【図２】水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程の一例を示す図である。
【図３】本発明に係る電解槽の製造方法により製造される電解槽の一例を概略的に示す図である。
【図４】本発明に係る電解槽の製造方法により製造される電解槽の一例を概略的に示す図である。
【図５】食塩水の電解メカニズムについて説明するための図である。
【図６】本発明により得られた電解槽を用いて食塩水の電解を実施する場合の装置構成の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
１．第１実施形態
第１実施形態に係る本発明は、構成要素として少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を有する電解槽の製造方法である。
【００１９】
尚、本発明に係る製造方法により製造される電解槽には、上記構成要素の他、電解槽の形態に応じてその他部材が備えられていてもよい。例えば、電解槽枠や電極集電体等である。特に、電解槽としてゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽を製造する場合、電解槽には、陽極、イオン交換膜、及び陰極の他、電解槽枠、背面隔壁、弾性材、ガスケット、陰極集電体等が備えられる。
【００２０】
図１に一実施形態に係る本発明の電解槽の製造方法Ｓ１０を示す。図１に示すように、製造方法Ｓ１０は、構成要素として少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を有する電解槽の製造方法であって、水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程において発生する蒸発蒸気を凝縮して凝縮水を準備する、準備工程Ｓ１と、イオン交換膜及び陰極のうちの少なくとも一つと凝縮水とを接触させる、接触工程Ｓ２と、接触工程Ｓ２とともに、又は、接触工程Ｓ２の後、構成要素を組み立てる、組み立て工程Ｓ３とを有している。
【００２１】
１．１．準備工程Ｓ１
工程Ｓ１は、水酸化ナトリウムを蒸発濃縮することによって発生する蒸発蒸気を凝縮して凝縮水を準備する工程である。該工程は、水酸化ナトリウムの製造プロセスから得られた所定濃度の水酸化ナトリウム溶液（水溶液）に対して、蒸発処理を施し、高濃度の水酸化ナトリウム溶液（水溶液）を得る工程を言う。例えば、電解槽を用いて食塩水を電解することにより所定濃度の水酸化ナトリウム水溶液を得ることができるが、得られた水酸化ナトリウム水溶液は、流通効率を向上させるため、通常、複数の蒸発缶を経て蒸発濃縮される。図２に、水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程の一形態を示す。図２に示すように、水酸化ナトリウムの製造プロセスから得られた低濃度の水酸化ナトリウム水溶液は、第三蒸発缶から第二蒸発缶、第一蒸発缶を経て徐々に濃縮され、最終的に高濃度の水酸化ナトリウムとされる。一方、水酸化ナトリウムとは対向流となるように第一蒸発缶から第二蒸発缶、第三蒸発缶に向かって一定圧力の蒸気が流されており、蒸発缶内の蒸発物を伴って系外へと排出されるようにされている。すなわち、蒸気は第一蒸発缶から第二、第三蒸発缶を経て徐々に蒸発物濃度が上昇することとなり、これを凝縮することで、最終的に弱アルカリの凝縮水が得られる。尚、図示した態様では蒸発缶が３つの態様であるが、無論これ以外の数でもなんら問題は無い。また、蒸気による蒸発濃縮に限らず、ヒーターやバーナー等により直接加熱して蒸発濃縮させてもよい。本発明では、この凝縮水を下記工程Ｓ２における電解槽の洗浄水、湿潤水として用いることに特徴を有する。
【００２２】
水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程において得られる上記の如くの凝縮水は水酸化ナトリウムが混在しており、弱アルカリを呈する。特に、ｐＨが８．０以上９．５以下であることが好ましい。ｐＨが８．０以上あれば、工程Ｓ２において電解槽系内を適切にアルカリとすることができる。これにより、電解槽を起動させるまでの間における陰極からの金属イオンの溶出が抑制され、電解槽の起動直後において良好な電解性能を発揮させることができる。なお、上限は特に定められるものではないが、前記蒸発濃縮により得られる凝縮水のｐＨは通常は１０未満、多くの場合には９．５以下である。
【００２３】
１．２．接触工程Ｓ２
工程Ｓ２は、イオン交換膜及び陰極のうちの少なくとも一つと凝縮水とを接触させる工程である。すなわち、工程Ｓ２では、工程Ｓ１にて準備した凝縮水を、少なくともイオン交換膜の洗浄・湿潤水又は陰極の洗浄水として用いる。工程Ｓ２は、イオン交換膜が電極に貼り付く程度にイオン交換膜を凝縮水によって洗浄し、湿潤させる、或いは、陰極表面の塵等が除去される程度に、陰極を凝縮水によって洗浄する工程であればよい。また、この洗浄する工程の際に、電解槽を構成する他の部材（陽極、電解槽枠、背面隔壁、弾性材、ガスケット等）も同時に洗浄することが好ましい。該洗浄により、これら部材が湿潤化するため、イオン交換膜が陽極に張り付き組込みやすくなるという効果も副次的に得られる。
すなわち、洗浄・湿潤水として凝縮水を用いること以外は、従来から行われてきたイオン交換膜の洗浄・湿潤、或いは、陰極の洗浄と同様の操作で工程Ｓ２を実施することが可能である。例えば、イオン交換膜や陰極に対して、ホース等を用いて凝縮水を流しかける形態や、凝縮水を噴霧する形態が挙げられる。特に、凝縮水の使用量を削減可能なことから、噴霧により接触させることが好ましい。
【００２４】
工程Ｓ２では、少なくとも陰極と凝縮水とを接触させることが好ましい。イオン交換膜と凝縮水とを接触させることによっても、電解槽の組み立て完了後、陰極液を陰極室内に導入するまでの間にイオン交換膜と接する部分の陰極もアルカリ性環境下におかれ、該接触部分からの金属イオンの溶出が抑制できる。しかしながら、陰極の洗浄を純水で行った場合には、陰極のイオン交換膜と接していない部分から金属イオンが該洗浄水（陰極に付着している）に溶出する虞がある。それに対し、陰極に凝縮水を直接接触させることによって該陰極全体をまんべんなくアルカリ性環境とでき、電解槽を起動させるまでの間の陰極からの金属イオンの溶出をより適切に防止することができる。
【００２５】
特に、工程Ｓ２では、少なくとも、陰極、及び陰極と接触する部材と、凝縮水とを接触させることが好ましい。「陰極と接触する部材」は電解槽の構成によって異なる。例えば、本発明に係る製造方法により、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽を製造する場合は、イオン交換膜と、陰極をイオン交換膜側に押し付けるための弾性材とが「陰極と接触する部材」となる。ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽において弾性材を設けない場合は、イオン交換膜と陰極集電体或いは電解槽の単位セルを区画する背面隔壁とが「陰極と接触する部材」となる。また、本発明に係る製造方法により、陰極とイオン交換膜との間にギャップを有する電解槽を製造する場合は、陰極集電体或いは電解槽の単位セルを区画する背面隔壁が「陰極と接触する部材」となる。また、多くの場合、集電体とイオン交換膜との間にはガスケットが配設されるが、この場合には、該ガスケットも「陰極と接触する部材」となる。このように、電解槽の起動前において、陰極及び陰極と接触する部材すべてについて凝縮水と接触させておくことで、特に、陰極周辺をアルカリとすることができ、これにより、電解槽の起動直後における陰極の溶出を一層適切に防止することができる。
【００２６】
１．３．組み立て工程Ｓ３
工程Ｓ３は、工程Ｓ２とともに、又は、工程Ｓ２の後、構成要素を組み立てる工程である。すなわち、構成要素と凝縮水とを接触させつつ構成要素を組み立てる工程、又は、構成要素と凝縮水との接触が完了した後で構成要素を組み立てる工程である。
【００２７】
構成要素の組み立てについては、従来と同様の方法で実施すればよい。すなわち、イオン交換膜を挟んで陽極室と陰極室とを構成し、陽極室には陽極を、陰極室には陰極をそれぞれ配置させるようにして構成要素を組み立て、電解槽を製造する。例えば、まず、陽極室を凝縮水で洗浄した後、当該陽極室の陽極表面にイオン交換膜を貼り付ける。イオン交換膜は工程Ｓ２によって凝縮水で湿潤されることで、陽極の表面に容易に貼り付けることができる。そして、イオン交換膜を陽極と陰極とで挟み込むように陰極室を配置することにより、電解槽を製造することができる。
【００２８】
本発明に係る製造方法により製造される電解槽としては、アルカリ金属塩水溶液の電解を行うための電解槽が挙げられ、この中でも、電気分解によって食塩水から少なくとも水酸化ナトリウムを製造する電解槽が好ましく、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽が最も好ましい。ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽とは、電極とイオン交換膜との間のギャップがゼロとなるようにイオン交換膜と電極とが接触するように配置されてなる電解槽である。
【００２９】
図３に、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽１０（以下、単に「電解槽１０」という。）を構成する電解槽ユニット１０ａの分解斜視図を概略的に示す。また、図４に、工程Ｓ３後における電解槽ユニット１０ａの断面構造を概略的に示す。図３、４に示すように、電解槽ユニット１０ａは、陽極室１（電解槽枠１ａ、背面隔壁１ｂ、陽極１ｃ及びリブ１ｄ）、イオン交換膜２、陰極室３（電解槽枠３ａ、背面隔壁３ｂ、陰極３ｃ、弾性材３ｄ、陰極集電体３ｅ及びリブ３ｆ）並びにガスケット４、４を備えており、陽極室１と陰極室３がイオン交換膜３やガスケット４によって区画されるように構成されている。
【００３０】
陽極室１には、電解槽枠１ａ、背面隔壁１ｂ、陽極１ｃ及び背面隔壁１ｂと陽極１ｃとを電気的に接続するリブ１ｄ、１ｄが備えられている。また、陽極室１は、電解槽枠１ａ、背面隔壁１ｂ及びイオン交換膜２によって区画されており、内部に電解液を流通可能な空間１ｅが設けられている。尚、図３、４には示していないが、陽極室１には、電解液の供給管や電解に伴い発生するガスの排出口等が設けられている。
【００３１】
電解槽枠１ａとしては、その形状及び材質は特に限定されるものではなく、例えば、軟鋼等の金属や電解液に対して耐久性を有する強化プラスチック等を枠状に成形してなるものを用いることができる。背面隔壁１ｂは、電解槽枠１ａの内側に設けられ、隣接する電解槽ユニット同士を区画する。背面隔壁１ｂは、電解液に対して耐久性を有するものであれば、その材質は特に限定されるものではない。ただし、背面隔壁１ｂを介して電気を供給する場合、導電性を有する必要がある。例えば、チタン等の金属からなるものが好ましい。陽極１ｃとしては、電解槽の陽極として用いられるものであれば特に限定されない。特に、陽極活物質として白金族元素の酸化物又はこれに他の金属酸化物を混合或いは混晶としたものをチタン基材上に焼成等によりコートした、所謂、寸法安定性陽極（ＤＳＡ）が好ましい。その形状としてはパンチドメタル、エキスパンドメタル又は網状体が好ましい。リブ１ｄは、背面隔壁１ｂと陽極１ｃとの間に空間１ｅを形成するとともに、背面隔壁１ｂと陽極１ｃとを導電可能に接続する部材である。リブ１ｄは、電解液に対して耐久性を有し、背面隔壁１ｂから陽極１ｃに電気を導くことが可能なものであれば、その形状、材質は特に限定されるものではない。
【００３２】
イオン交換膜２としては、電解槽のイオン交換膜として用いられるものであれば特に限定されないが、特に、陽イオン交換膜を用いる。より具体的には、パーフルオロカーボン骨格を有し、側鎖に陽イオン交換基（例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、或いはこれらの混合基）が存在するものが好ましい。このようなイオン交換膜としては、例えば、デュポン社製ナフィオン、旭硝子社製フレミオン、旭化成社製アシプレックス等が挙げられる。
【００３３】
陰極室３には、電解槽枠３ａ、背面隔壁３ｂ、陰極３ｃ、弾性材３ｄ、陰極集電体３ｅ、及び背面隔壁３ｂと陰極集電体３ｅとを電気的に接続するリブ３ｆ、３ｆ、…が備えられている。また、陰極室３は、電解槽枠３ａ、背面隔壁３ｂ及びイオン交換膜２によって区画されており、内部に電解液を流通可能な空間３ｇが設けられている。尚、図３、４には示していないが、陰極室３には、電解液の供給管や電解に伴い発生するガスの排出口等が設けられている。
【００３４】
電解槽枠３ａ、背面隔壁３ｂ及びリブ３ｆとしては、上述した陽極室１に係るものと同様の構造のものを用いることができる。陰極３ｃとしては、電解槽の陰極として用いられるものであれば特に限定されない。具体的には、軟鋼、ニッケル、およびこれらの合金等が挙げられる。なかでも、その表面にニッケルを含む陰極が好ましく、ニッケル及びスズを含む活性陰極がより好ましい。特に、ニッケル分２５〜９９％、スズ分７５〜１％（重量比）のニッケル−スズ系合金を電気めっきによって被覆した陰極が最も好ましい。この場合の心材（基体）としては軟鋼やニッケルを用いることができる。本発明では、特にニッケルを含む陰極すべてについて顕著な効果を発揮する。このような陰極３ｃとしては、例えば、国際公開第２０１０／０６１７６６号パンフレットに開示されたような、平板状、曲板状、エキスパンドメタル状、パンチングメタル状、網状、多孔板状、或いはすだれ状の導電性・耐食性を有する基体に、ニッケル−スズ合金を被覆した活性陰極が挙げられる。弾性材３ｄは、電解槽１０において、陰極３ｃをイオン交換膜２側に押し付ける機能を有するとともに、陰極３ｃと陰極集電体３ｅとを電気的に接続する機能も有する。弾性材３ｄとしては、陰極３ｃをイオン交換膜２側に適切に押し付けることが可能であり、且つ、陰極室３の内部に供給される電解液に対して耐久性を有するとともに、導電性を有するものであれば、その材質、形状は特に限定されるものではない。例えば、金属繊維からなる織物或いは不織布等のマット状体やコイルバネ、板バネを用いることができる。より具体的には、特許第３７０７９８５号公報に開示された線径０．０２〜０．１５ｍｍの金属線を用いた織物であって、クリンプ加工されるとともに、山形のヘリンボーン模様が賦形され、各ヘリンボーン模様が一枚の織物につき２〜９回、１２０〜１６０°の角度で変曲しているものが好ましく用いられる。陰極集電体３ｅとしては、金属多孔板等の公知の陰極集電体を用いることができる。
【００３５】
尚、陰極室３においては、例えば特許第３６８６２７０号公報に開示されたようなピンを用いて、陰極３ｃ、弾性材３ｄ及び陰極集電体３ｅを一体に固定してもよい。
【００３６】
ガスケット４は、陽極室１の電解槽枠１ａと陰極室３の電解槽枠３ａとの間に挟持されるように配置され、電解槽１０からの流体の漏れ等を防いでいる。ガスケット４の形状、材質は特に限定されるものではなく、公知のものを適宜選択して用いればよい。
該ガスケットとしては、各々、陽極液、陰極液に対して耐性を有するもので、電解槽のシール性を維持するための強度を有するものであれば特に限定されず、各種ゴム系の材料、より具体的には、耐薬品性や硬度よりエチレン・プロピレン・ジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム等が挙げられる。
【００３７】
電解槽１０の製造においては、イオン交換膜２又は陰極３ｃを、好ましくは、陰極３ｃを、より好ましくは、陰極３ｃ、並びに、陰極３ｃと接触するイオン交換膜２及び弾性材３ｄを、凝縮水を用いて洗浄・湿潤させた後、或いは、洗浄・湿潤させつつ（工程Ｓ１、Ｓ２）、陽極室１の陽極１ｃの表面に、イオン交換膜２を貼り付け、イオン交換膜２を陽極室１に押し付けるように陰極室３を配置する。この際、陽極室１と陰極室３との間にはガスケット４を介在させる。そして、陰極室３の内部に設けられた弾性材３ｄの弾性力によって陰極３ｃがイオン交換膜２へと押し付けられた状態で固定され、電解槽ユニット１０ａとなる。このような電解槽ユニット１０ａを任意にモノポーラ式或いはバイポーラ式に複数重ね合わせて固定することにより、電解槽１０を製造することができる（工程Ｓ３）。
【００３８】
尚、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽は、上述の陰極集電体３ｅやリブ３ｆ、３ｆを備えないものであってもよい。この場合、陰極３ｃと背面隔壁３ｂとの間が弾性材３ｄによって埋められた形態となる。この形態は、特に、陰極室３の厚みが薄い場合、例えば、イオン交換膜２と背面隔壁３ｂとの間隔が２０ｍｍ以下のような場合に有効である。ただし、液や気泡の流路を十分確保し、さらに陰極３の全面に亘って均一に電流を流すためには、陰極集電体３ｄやリブ３ｆが備えられることが好ましい。
【００３９】
本発明に係る電解槽の製造方法は、電解槽のイオン交換膜を更新する場合に適用することもできる。例えば、食塩電解法におけるイオン交換膜の更新の際は、電解槽の通電を停止し、内部液を冷却した後、電解槽内から内部液を脱液する。その後、内部に水を貼り込み残存する液を水洗する。水洗液を脱液後、電解槽ユニットセルを解体し、組み込まれていたイオン交換膜を取り出す。その後、本発明の製造方法に係る工程Ｓ１〜Ｓ３を行う。すなわち、水酸化ナトリウム水溶液を蒸発濃縮することによって発生する蒸発蒸気を凝縮してなる凝縮水を用いて、電解槽ユニットセルや組み込まれている電極の洗浄を行い、新しいイオン交換膜を湿潤させ、電解槽ユニット間にセットする（工程Ｓ１、Ｓ２）。そして、電解槽ユニットセルにてイオン交換膜を挟み込むことでイオン交換膜が固定される（工程Ｓ３）。
【００４０】
以上のように、本発明に係る電解槽の製造方法では、電解槽にイオン交換膜を組み込む際、イオン交換膜及び／又は陰極がアルカリの凝縮水と接触されるため、電解槽の起動前において、系内をアルカリ雰囲気とすることができる。これにより、電解槽を起動させるまでの間における陰極からの金属イオンの溶出が抑制され、電解槽の起動直後において良好な電解性能を発揮させることができる。
【００４１】
２．第２実施形態
第２実施形態に係る本発明は、水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程において発生する蒸発蒸気を凝縮してなる凝縮水の、電解槽組み立て時の洗浄水及び／又は湿潤水としての使用である。「電解槽組み立て時」とは、上述したように、イオン交換膜の更新時も含む概念である。電解槽組み立て時において、凝縮水を洗浄水及び／又は湿潤水として用いることにより、電解槽の起動前において、系内をアルカリ雰囲気とすることができる。これにより、電解槽を起動させるまでの間における陰極からの金属イオンの溶出が抑制され、電解槽の起動直後において良好な電解性能を発揮させることができる。
【００４２】
３．第３実施形態
第３実施形態に係る本発明は、第１実施形態に係る本発明の製造方法により製造された電解槽に食塩水を供給するとともに、陰極と陽極との間に直流電流を流すことによって食塩水を電解する、水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素の製造方法である。
【００４３】
図５に電解槽１００を用いた食塩水の電解メカニズムを概略的に示す。図５に示すように、電解槽１００は、イオン交換膜１０２を挟んで、内部が陽極室１０１と陰極室１０３とに区画されている。陽極室１０１には陽極１０１ａが、陰極室１０３には陰極１０３ａがそれぞれ設置されている。
【００４４】
電解槽１００を用いて食塩水を電解する場合は、通常、まず、陰極室１０３に希薄な水酸化ナトリウム溶液を供給し、ついで、陽極室１０１に食塩水（精製塩水）を供給する。そして、両液の張込みが完了した時点から液循環を行なうとともに予備電解を開始し、電解槽１００の内部循環液が所定濃度、所定温度になった時点で本通電を開始する。陰極１０３ａと陽極１０１ａとの間に直流電流を流すことによって、陽極室１０１においては、食塩水中の塩素イオンが電子を放出して塩素ガスとなるとともに、ナトリウムイオンがイオン交換膜１０２を介して陰極室１０３側に移動する。一方、陰極室１０３においては電子が供給されることで、水が電気分解され、陽極室１０１から移動したナトリウムイオンの存在のもと、水素ガスと水酸化物イオンとが生じる。すなわち、陽極室１０１からは塩素ガスと、消費されなかった食塩を含む希薄塩水とが得られ、陰極室１０３からは水素ガスと、水酸化ナトリウム水溶液とが得られる。
【００４５】
ここで、本発明に係る製造方法により製造された電解槽は、凝縮水を用いた洗浄・湿潤を経て組み立てられ、製造されたものであり、起動前に系内がアルカリ雰囲気とされている。これにより、電解槽を起動させるまでの間における陰極からの金属イオンの溶出の溶出が抑制され、電解槽の起動直後において良好な電解性能が発揮される。このように、起動直後から良好な電解性能を発揮させることで、食塩電解の際、水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素を起動直後から適切に製造することができる（本発明により得られた電解槽を用いて食塩水を電解する場合における全体フローの概略図を図６として示す。）。
【００４６】
尚、食塩水の電解によって陰極室から得られた水酸化ナトリウム水溶液は、流通効率を向上させるため、蒸発濃縮工程（例えば、図２で示されるような工程）に供される。そして、蒸発濃縮工程においては、濃縮された水酸化ナトリウム水溶液と、弱アルカリを呈する凝縮水とが得られ、得られた凝縮水を凝縮水貯留槽（例えば、図６に示したような装置形態）に保存しておくことで、必要時に電解槽製造時の洗浄・湿潤水として用いることができる。また洗浄・湿潤水以外にも、各種の工水として使用可能である。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例に基づき、本発明に係る電解槽の製造方法について、さらに詳細に説明する。
【００４８】
実施例１〜４
水酸化ナトリウム水溶液の蒸発濃縮缶から発生した蒸発蒸気を凝縮してなる凝縮水を複数種類用意し、電解槽組み立て時の洗浄・湿潤水として用いて、小型電解実験装置としての電解槽を製造した。電解槽の形態としては、図４で示されるようなゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽とした。陽極はＤＳＥ（ペルメレック社製）を、イオン交換膜はデュポン社製の陽イオン交換膜ナフィオンを、陰極はスズ−ニッケル系の活性陰極を使用した。当該電解槽を用いて食塩電解実験を行った。食塩電解実験においては、まず、陰極室に希薄な水酸化ナトリウム溶液を供給し、ついで、陽極室に精製塩水を供給した。その後、両液の張込みが完了した時点から液循環を行なうとともに予備電解を開始し、一定時間（２時間）経過後、本通電を開始させた。電解槽の通電面積は０．５ｄｍ２とし、電解条件は、食塩水供給量が２００ｇ／Ｌ、水酸化ナトリウムの出口濃度が３２％、系内温度が８５℃となるように制御し、運転時の電流密度は５０Ａ／ｄｍ２とした。
【００４９】
比較例１〜４
電解槽組み立て時の洗浄・湿潤水として単なる純水を用いた以外は、実施例１〜４と同様にして電解槽を製造し、食塩電解実験を行った。
【００５０】
洗浄・湿潤水のｐＨや温度、及び、食塩電解実験時の初期起動時（本通電開始から５日後）における電解電圧を下記表１、表２にまとめた。
【００５１】
【表１】
【００５２】
【表２】
【００５３】
表１、２から明らかなように、洗浄・湿潤水として、水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程から得られる凝縮水を用いた実施例１〜４は、単なる純水を用いた比較例１〜４と比較して、食塩電解実験時の電解電圧を抑えることができ、比較例１〜４よりも少ない電力で同等量の食塩を電解することができた。弱アルカリを呈する凝縮水を洗浄・湿潤水として用いることで、電解槽起動前において系内をアルカリ雰囲気とすることができ、これにより、電解槽を起動するまでの間における陰極からの金属イオンの溶出が抑制され、電解性能が向上し、効率的に食塩の電解を行うことができたと言える。すなわち、本発明に係る製造方法により製造された電解槽は、起動直後から良好な電解性能を発揮させることができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、アルカリ金属塩を電解するための電解槽の製造方法として広く利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 陽極室
１ａ 電解槽枠
１ｂ 背面隔壁
１ｃ 陽極
１ｄ リブ
１ｅ 空間
２ イオン交換膜
３ 陰極室
３ａ 電解槽枠
３ｂ 背面隔壁
３ｃ 陰極
３ｄ 弾性材
３ｅ 陰極集電体
３ｆ リブ
３ｇ 空間
４ ガスケット
１０ 電解槽
１０ａ 電解槽ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成要素として少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を有する電解槽の製造方法であって、
水酸化ナトリウム水溶液を蒸発濃縮することによって発生する蒸発蒸気を凝縮して、凝縮水を準備する、準備工程と、
前記イオン交換膜及び前記陰極のうちの少なくとも一つと、前記凝縮水とを接触させる、接触工程と、
前記接触工程とともに、又は、前記接触工程の後、前記構成要素を組み立てる、組み立て工程と、
を有する、電解槽の製造方法。
【請求項２】
前記接触工程において、少なくとも前記陰極と前記凝縮水とを接触させる、請求項１に記載の電解槽の製造方法。
【請求項３】
前記凝縮水は、水酸化ナトリウムが含まれるとともにｐＨが８．０以上９．５以下である、請求項１又は２に記載の電解槽の製造方法。
【請求項４】
前記電解槽が、電気分解によって食塩水から少なくとも水酸化ナトリウムを製造するものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解槽の製造方法。
【請求項５】
前記陰極が、ニッケル及びスズを含む活性陰極である、請求項４に記載の電解槽の製造方法。
【請求項６】
前記電解槽が、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電解槽の製造方法。
【請求項７】
水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程において発生する蒸発蒸気を凝縮してなる凝縮水の、電解槽組み立て時の洗浄水及び／又は湿潤水としての使用。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法により製造された電解槽に食塩水を供給するとともに、前記陰極と前記陽極との間に直流電流を流すことによって前記食塩水を電解する、水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素の製造方法。
【請求項１】
構成要素として少なくとも陽極、イオン交換膜及び陰極を有する電解槽の製造方法であって、
水酸化ナトリウム水溶液を蒸発濃縮することによって発生する蒸発蒸気を凝縮して、凝縮水を準備する、準備工程と、
前記イオン交換膜及び前記陰極のうちの少なくとも一つと、前記凝縮水とを接触させる、接触工程と、
前記接触工程とともに、又は、前記接触工程の後、前記構成要素を組み立てる、組み立て工程と、
を有する、電解槽の製造方法。
【請求項２】
前記接触工程において、少なくとも前記陰極と前記凝縮水とを接触させる、請求項１に記載の電解槽の製造方法。
【請求項３】
前記凝縮水は、水酸化ナトリウムが含まれるとともにｐＨが８．０以上９．５以下である、請求項１又は２に記載の電解槽の製造方法。
【請求項４】
前記電解槽が、電気分解によって食塩水から少なくとも水酸化ナトリウムを製造するものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解槽の製造方法。
【請求項５】
前記陰極が、ニッケル及びスズを含む活性陰極である、請求項４に記載の電解槽の製造方法。
【請求項６】
前記電解槽が、ゼロギャップ式イオン交換膜食塩電解槽である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電解槽の製造方法。
【請求項７】
水酸化ナトリウムの蒸発濃縮工程において発生する蒸発蒸気を凝縮してなる凝縮水の、電解槽組み立て時の洗浄水及び／又は湿潤水としての使用。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法により製造された電解槽に食塩水を供給するとともに、前記陰極と前記陽極との間に直流電流を流すことによって前記食塩水を電解する、水酸化ナトリウム、塩素及び／又は水素の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１８０５３７（Ｐ２０１２−１８０５３７Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４２３７６（Ｐ２０１１−４２３７６）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００３１８２）株式会社トクヤマ (839)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００３１８２）株式会社トクヤマ (839)
【Ｆターム（参考）】
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