專利名稱：使用氣體擴(kuò)散電極的電解槽及該電解槽的配電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于離子交換膜法食鹽電解等的采用氧陰極的電解槽，具體涉及在采用氣體擴(kuò)散電極為氧陰極的電解槽中，使用氣液透過(guò)型氣體擴(kuò)散電極為氣體擴(kuò)散電極，所述氣液透過(guò)型氣體擴(kuò)散電極能夠有效進(jìn)行苛性液的供給和排出，有效解決苛性液從氣體擴(kuò)散電極流向氣室的苛性液泄漏，使成為電解液通道的苛性室厚度變得極薄，能夠均勻地向氣體擴(kuò)散電極的氣室供給及排出氧氣，本發(fā)明涉及的電解槽能夠以較高的電流效率持續(xù)進(jìn)行穩(wěn)定的電解作業(yè)，或不大幅度改變傳統(tǒng)電解槽的結(jié)構(gòu)而能夠?qū)Σ捎猛娒娣e較大的氣體擴(kuò)散電極的電解槽改善配電情況。
背景技術(shù)：
以往，提出了將使用陽(yáng)極、離子交換膜和氣體擴(kuò)散電極組成的氧陰極的電解槽用于食鹽電解和芒硝電解的方法。
這種傳統(tǒng)的使用了氣體擴(kuò)散電極的電解槽，例如，食鹽電解槽中，電解槽由陰極元件、陰極集電框架、苛性室框架等要素構(gòu)成，在這些要素之間夾有墊圈，苛性液從設(shè)置在陰極元件內(nèi)的苛性室的溶液出入口供給和排出。由于該電解槽具備以上構(gòu)成，所以，其組成中必須要有墊圈。
因此，該電解槽的問(wèn)題是，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各部件的結(jié)合部分，例如，因墊圈密封性能的下降，出現(xiàn)苛性液泄漏的可能性較大。
另外的問(wèn)題還有，該電解槽中，陰極元件的苛性室有時(shí)會(huì)出現(xiàn)電腐蝕，由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以，在為防止前述苛性室的腐蝕而進(jìn)行鍍銀等具有防NaOH腐蝕性的金屬時(shí)，操作就較困難。
另外，傳統(tǒng)的離子交換膜型食鹽電解槽中，用氣體擴(kuò)散電極代替氣體發(fā)生型陰極，以此為氧陰極時(shí)，通常使用無(wú)透液性的氣體擴(kuò)散電極，構(gòu)成3室法。這種情況下，由于實(shí)際使用的電解槽高1.2m以上，而液室中充滿電解液時(shí)，因此由于電解液的關(guān)系，在氣體擴(kuò)散電極下部產(chǎn)生較大的液壓，這樣就造成電解液從陰極液室向氣室泄漏。
上述長(zhǎng)方型電解槽中裝有氣體擴(kuò)散電極，在供給電解液時(shí)，如前所述，在氣體擴(kuò)散電極下部產(chǎn)生較大的液壓，而相反在其上部基本不產(chǎn)生液壓，從而出現(xiàn)液壓差。這樣，下部就出現(xiàn)電解液從陰極液室向氣室的泄漏，而上部則出現(xiàn)氣體從氣體擴(kuò)散電極向電解液一側(cè)的泄漏。
另外的問(wèn)題是，在實(shí)際的電解條件下，若電解槽在液壓高于氣體擴(kuò)散電極的氣壓的狀態(tài)下運(yùn)行，則在氣體擴(kuò)散電極的耐水性較差、且密封性能不理想的情況下，由于電解液(苛性液)大量流入氣室，所以，阻礙了氣體供給，造成電極性能和電極壽命的下降。特別是限制使用耐水壓較低的氣體擴(kuò)散電極。
此外，如果氣室中充滿苛性液，則苛性液還要流入排出或供給氣體用的下部氣室(以往形成于電解槽的框體)。這種情況下，由于下部氣室被苛性液腐蝕，所以，必須將銀等防止NaOH腐蝕的金屬鍍?cè)谙虏繗馐业膬?nèi)側(cè)面。但傳統(tǒng)的電解槽從結(jié)構(gòu)上看，很難在下部氣室的內(nèi)側(cè)面進(jìn)行防腐蝕鍍層處理。此外的問(wèn)題是，陰極集電框架和下部氣室通過(guò)墊圈密封，在密封不太理想的情況下，苛性液流入陰極元件內(nèi)部，元件內(nèi)部也被腐蝕。另外還有的電解槽從結(jié)構(gòu)上看，在原有的陰極元件中很難設(shè)置氣室。
上述電解槽用的氣體擴(kuò)散電極中，大多數(shù)氣體擴(kuò)散電極一般由兩層構(gòu)成，一層是使液體反應(yīng)物進(jìn)行電解反應(yīng)用的反應(yīng)層，另一層是可透過(guò)氣體而不能夠透過(guò)電解液的氣體供給層。
上述反應(yīng)層由載有催化劑的親水性炭黑、疏水性炭黑及聚四氟乙烯(PTFE)構(gòu)成。利用這些材料，改變這些材料的配比，通過(guò)分散及自組織可制得有電解液進(jìn)入的親水部分和有氣體進(jìn)入的疏水部分構(gòu)成的反應(yīng)層。制成后，直接或使親水性微粒附著在表面上僅使表面發(fā)生親水化反應(yīng)，再將其裝入槽中使用。
另外，為了確保離子交換膜和氣體擴(kuò)散電極反應(yīng)層間的電解液通路，還可在離子交換膜和氣體擴(kuò)散電極反應(yīng)層間夾入具有連續(xù)孔或氣孔率較大的結(jié)構(gòu)體。
其結(jié)果是，雖然能夠確保電解液的流動(dòng)，但流入電解液的陰極室即苛性室的厚度增加，這樣產(chǎn)生的問(wèn)題是，必然造成電阻增大，必須提高實(shí)際使用時(shí)的電壓。
另外，關(guān)于氣體擴(kuò)散電極的氣室，眾所周知以往存在下述關(guān)系，即，氧氣與作為氧陰極的氣體擴(kuò)散電極接觸時(shí)，氧氣的線速度越快，氧氣向電極內(nèi)的擴(kuò)散速度就越快。
因此，研究了一種設(shè)置氣室的技術(shù)，所述技術(shù)是將鎳薄板壓制成型，在其中央設(shè)置與氣體擴(kuò)散電極尺寸相同的凹處，在該凹處和氣體擴(kuò)散電極形成的氣室內(nèi)插入鎳制網(wǎng)狀物作為確保氧氣通路的隔板，構(gòu)成氣體擴(kuò)散電極的氣室，通過(guò)這樣設(shè)置專用的氣室，在該氣室內(nèi)設(shè)置為使氧氣充分向電極擴(kuò)散而產(chǎn)生必要線速度的間隙，使氧氣能夠均勻接觸氣體擴(kuò)散電極。另外還研究了一種氣室構(gòu)成，是對(duì)帶有凹凸?fàn)畈鄣慕饘侔宓腻冦y凸面與氣體擴(kuò)散電極的氣體供給層形成的氣室，使存在于帶有前述凹凸槽的金屬板凸面的銀與前述氣體擴(kuò)散電極熱壓結(jié)合，以前述金屬板的凹槽部分作為氣體通道。
但是，這些擴(kuò)散電極的氣室都僅考慮加快氣室內(nèi)氧氣的擴(kuò)散速度和擴(kuò)散的均勻性，完全未考慮均勻地向氣室供給及排出氧氣，這樣的問(wèn)題仍然未解決。
另外，以往使用氣體擴(kuò)散電極的鹽水電解的缺點(diǎn)是，有時(shí)會(huì)因氣體擴(kuò)散電極的劣化或生成的苛性鈉的回收而產(chǎn)生問(wèn)題，這樣就不能夠長(zhǎng)期工作或因苛性鈉進(jìn)入陽(yáng)極室而使電流效率下降。
為了解決這些缺點(diǎn)，提出使用氣液透過(guò)型氣體擴(kuò)散電極的電解槽(例如，日本專利公開(kāi)公報(bào)平7-126880號(hào))。該發(fā)明中，生成的較濃的苛性鈉水溶液殘留在離子交換膜和氣體擴(kuò)散電極的界面附近，為了防止上述水溶液透過(guò)離子交換膜進(jìn)入陽(yáng)極室，上述氣體擴(kuò)散電極必須采用氣液透過(guò)型電極。這樣，生成的苛性鈉通過(guò)前述氣體擴(kuò)散電極進(jìn)入陰極室，就能夠容易回收。因此，能夠?qū)⒖列遭c產(chǎn)生的電流效率維持在較高水平，并能夠?qū)o(wú)耐堿性的陽(yáng)極室部件進(jìn)行保護(hù)。
但是，上述電解槽中，在從供給口向陰極室供給較稀的苛性鈉水溶液及含氧氣體的同時(shí)，還通過(guò)多孔片狀物等基材向碳材和PTFE混合物質(zhì)的氣體擴(kuò)散電極供給水分和氧氣，所以，從電流效率和電解作業(yè)的穩(wěn)定性考慮，多少存在不滿意的地方，而且，必須對(duì)原有的陰極框架進(jìn)行改造，這樣就存在改造費(fèi)用較高的問(wèn)題。
再有，就使用氣體擴(kuò)散電極的電解槽的配電方法而言，以往使用氣體擴(kuò)散電極的電解槽的配電方法，即，設(shè)置氣體擴(kuò)散電極進(jìn)行配電的方法大致有以下2種方式。
(1)從氣體擴(kuò)散電極外周部分的導(dǎo)電方式這種方法是使氣體擴(kuò)散電極的外周尺寸形成氣體擴(kuò)散電極的外周部分稍微覆蓋陰極元件或陰極集電框架(盤(pán)狀或板狀)的墊圈密封面的尺寸，使氣體擴(kuò)散電極的外周部分與陰極元件或陰極集電框架的墊圈密封面接觸，在其上設(shè)置墊圈，構(gòu)成整個(gè)電解槽，再固緊，其接觸部分也固緊，電流從固緊的接觸面流過(guò)。
(2)陰極集電框架-氣體擴(kuò)散電極一體型方式這種方法是將片狀氣體擴(kuò)散電極的催化劑層設(shè)置在陰極集電框架上的氣室用金屬網(wǎng)上，用壓機(jī)在高溫高壓下對(duì)催化劑進(jìn)行燒結(jié)，使氣室用金屬網(wǎng)和催化劑層一體化，由氣體擴(kuò)散電極向陰極集電框架和陰極元件配電。
但是，這種傳統(tǒng)的設(shè)置氣體擴(kuò)散電極進(jìn)行配電的方法，因其作用機(jī)理而產(chǎn)生以下問(wèn)題。
(a)從氣體擴(kuò)散電極外周部分的導(dǎo)電方式小型電解槽雖然能夠確保適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電面積，但反應(yīng)面積(電極面積)為3m2的實(shí)用電解槽中，不能夠確保足夠的導(dǎo)電面積，該部分的接觸電阻較高。另外，大型電解槽中，反應(yīng)面積的邊長(zhǎng)至少在1m以上，即使在氣體擴(kuò)散電極中加入導(dǎo)電體，該導(dǎo)電體的電阻也會(huì)增大，即，由于結(jié)構(gòu)體的電阻較大，所以，運(yùn)行成本較高。而且，氣體擴(kuò)散電極的強(qiáng)度較小的情況下，由于墊圈的擠壓，其擠壓處的氣體電極易受損，這樣就造成氧氣和苛性鈉溶液從受損處泄漏。
(b)陰極集電框架-氣體擴(kuò)散電極一體型方式實(shí)用電解槽的反應(yīng)面積為3m2左右，在氣體擴(kuò)散電極和陰極集電框架一體化的情況下，必須使用巨大的壓機(jī)和壓制模具，這樣成本就過(guò)高。
另外，即使實(shí)現(xiàn)了一體化，但3m2大小的氣體擴(kuò)散電極和陰極集電框架構(gòu)成的整體與其大小相比其厚度也非常薄，處于很“單薄”的狀態(tài)，所以，強(qiáng)度很低，這樣就很難從壓制工廠搬運(yùn)到組裝電解槽的地方。這也是上述“從氣體擴(kuò)散電極外周部分的導(dǎo)電”方法具有的共同缺點(diǎn)。
此外，在需要對(duì)氣體擴(kuò)散電極進(jìn)行更新的情況下，也很難從集電框架上將催化劑層拆除，最終導(dǎo)致集電框架需要更新，這又是經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題。
發(fā)明的揭示本發(fā)明是為解決上述問(wèn)題而完成的發(fā)明。其目的之一是供給結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可直接使用傳統(tǒng)的電解槽、使用易于進(jìn)行防腐蝕鍍金屬處理的苛性室以完全防止苛性液的泄漏、使用氣體擴(kuò)散電極的電解槽。
本發(fā)明的目的之二是供給通過(guò)在陰極元件的下方外側(cè)設(shè)置下部氣室以有效防止苛性液從氣體擴(kuò)散電極向氣室泄漏的電解槽。
本發(fā)明的目的之三是供給苛性室的厚度盡可能減小、能量損失少、并使用可減少電壓的氧陰極的電解槽。
本發(fā)明的目的之四是供給通過(guò)在陰極集電框架設(shè)置為供氧或排氧而開(kāi)有多個(gè)小孔的氣室以向氣體擴(kuò)散電極的氣室均勻供給或排出氧氣的電解槽。
本發(fā)明的目的之五是供給結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電解槽一樣，并能夠向氣體擴(kuò)散電極的氣室均勻供給或排出氧氣的電解槽。
本發(fā)明的目的之六是供給通過(guò)向氣體擴(kuò)散電極和陰極集電框架間的氣室構(gòu)成部件即氣體擴(kuò)散電極供電的導(dǎo)電性多孔體中直接引入水分和氧氣、能持續(xù)以更高的電流效率進(jìn)行更穩(wěn)定的電解作業(yè)的電解槽。
本發(fā)明的目的之七是供給不對(duì)原有的陰極元件進(jìn)行任何改造而能夠快速且以低成本進(jìn)行配電的使用氣體擴(kuò)散電極的電解槽的配電方法。
本發(fā)明具體來(lái)說(shuō)通過(guò)以下手段實(shí)現(xiàn)上述目的。
1．電解槽，該電解槽由陽(yáng)極、離子交換膜及氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的氧陰極組成，其中，設(shè)置了具有氣體擴(kuò)散電極的氧氣出入口的氣室，所述氣室與陰極元件相鄰，并沿陰極集電框架表面與在其中央設(shè)置的上下氣室的氧氣出入口相連，還在氣體擴(kuò)散電極和離子交換膜間送入苛性液的陰極室構(gòu)成的電解槽的外側(cè)端部設(shè)置了通過(guò)苛性液通道與作為苛性液排出口的上部氣室和作為苛性液送入口的下部氣室相通的苛性室框架。
2．前述1記載的電解槽，其中，各氣室的苛性液通道在具有狹小間隔的平行板材間形成，為確?？列砸旱木鶆蚍稚⒑蛷?qiáng)度，以10～100mm的間隔設(shè)置了隔板。
3．電解槽，該電解槽由陽(yáng)極、離子交換膜及氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的氧陰極組成，其中，設(shè)置了具有與陰極元件的氧氣供給部分相通的氣體擴(kuò)散電極的氧氣供給口的氣室，在氣體擴(kuò)散電極和離子交換膜間的送入苛性液的陰極室構(gòu)成的電解槽的氣室下部，沿陰極元件的陰極集電框架表面在下方端部設(shè)置了作為氣體排出部分的下部氣室。
4．電解槽，該電解槽由陽(yáng)極、離子交換膜及氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的氧陰極組成，其中，在上下框架部分設(shè)置了與設(shè)置于陰極元件上下部分的苛性室的苛性液出入口相對(duì)的苛性液流通孔的厚度較薄的鎳框體，將上下框架部分的設(shè)有梳狀條形孔的厚度較薄的鎳框體和在上下框架部分無(wú)孔的厚度較薄的鎳框體依次靠近離子交換膜配置，構(gòu)成苛性室框架，構(gòu)成厚度極薄的苛性室。
5．前述4記載的電解槽，其中，前述各鎳框體間利用片材密封，或通過(guò)激光焊接使前述各鎳框體連為一體。
6．電解槽，使用了氣體擴(kuò)散電極的電解槽中，沿陰極集電框架表面，在陰極元件內(nèi)側(cè)設(shè)置了與氣體擴(kuò)散電極的氣室上下兩端的氣體出入口相連的送入氧氣用上部氣室和排出氧氣用下部氣室。
7．電解槽，在使用了氣體擴(kuò)散電極的電解槽中，使用氣液透過(guò)型氣體擴(kuò)散電極作為氣體擴(kuò)散電極，沿陰極元件的陰極集電框架表面，在上下兩端外部設(shè)置了與氣體擴(kuò)散電極的氣室相通的上部氣室作為供給氧氣和水分的部分，同時(shí)，還設(shè)置了與前述氣室相通的下部氣室，作為氣體和苛性液的排出部分。
8．電解槽的配電方法，所述方法為使用了氣體擴(kuò)散電極的電解槽的配電方法，其中，由氣體擴(kuò)散電極、氣室、陰極集電框架構(gòu)成氧陰極，將所述氧陰極的陰極集電框架與陰極元件的陰極室框架導(dǎo)電體的金屬網(wǎng)眼加工材料相對(duì)設(shè)置，利用氣壓保持必要的表面壓力，使各部分接觸形成電氣連接。
對(duì)附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的設(shè)置了苛性液的供給·排出用上部氣室和下部氣室的電解槽的剖面圖。圖2是本發(fā)明的設(shè)置了向氣體擴(kuò)散電極排出氣體的下部氣室的單極式電解槽的剖面圖。圖3是復(fù)極式的剖面圖。圖4是本發(fā)明的將3塊較薄的框架疊在一起構(gòu)成苛性室用框架的電解槽的剖面圖。圖5是形成苛性室框的鎳框體的結(jié)構(gòu)立體圖。圖6是本發(fā)明的在氣體擴(kuò)散電極氣室的氣體出入口側(cè)面設(shè)置了上部氣室和下部氣室的電解槽的剖面圖。圖7是設(shè)置了具備多個(gè)氧氣供給孔及排出孔的上下氣室的陰極框架主視圖。圖8是本發(fā)明的使用了氣液透過(guò)型氣體擴(kuò)散電極、且具有上下氣室的單極式電解槽的剖面圖。圖9是復(fù)極式電解槽之一側(cè)的剖面圖。圖10是本發(fā)明的使用了氣體擴(kuò)散電極的電解槽配電方法中的單極式電解槽的橫截面圖。圖11是復(fù)極式電解槽的橫截面圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳狀態(tài)下面，參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施狀態(tài)進(jìn)行說(shuō)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
圖1是使用了氣體擴(kuò)散電極的電解槽中，本發(fā)明的設(shè)置了苛性液供給·排出用上部氣室和下部氣室的電解槽的剖面圖(到圖9為止都是縱剖面圖)。
與電解槽的陰極元件1相鄰，沿陰極集電框架3表面，在中央部分一側(cè)設(shè)置了上部氣室的氧氣入口4和下部氣室的氧氣出口5。陰極集電框架3具備氧氣入口6和出口7與氧氣入口4和出口5相連，在陰極集電框架3和氣體擴(kuò)散電極9間填滿了波紋網(wǎng)狀物構(gòu)成氣室8，氣體擴(kuò)散電極9和離子交換膜10構(gòu)成裝有苛性液的陰極室11。
前述陰極集電框架3和陰極元件1間插入了防止苛性液及氧氣泄漏用墊圈，并密封。上述密封用墊圈只要是耐堿性的墊圈即可，對(duì)其無(wú)特別限度，例如，最好是合成橡膠和塑料墊圈等。
另一方面，在以上構(gòu)成的電解槽的陰極部分的外側(cè)端部，通過(guò)苛性液通道13和12，在陰極室11的上下端部分別設(shè)置了作為苛性液排出口的上部氣室17和作為苛性液流入口的下部氣室16。為了構(gòu)成狹小的陰極室，各苛性液通道12和13可由以狹小間隔平行配置的框架板的上下框架部分構(gòu)成。為確?？列砸旱姆稚⒕鶆蚝蛷?qiáng)度，以10～100mm的間隔設(shè)置隔板。隔板型苛性液通道12及13和陰極集電框架3間插入了墊圈14，在通道12及13和離子交換膜10間插入了墊圈15，以防止苛性液的泄漏而加以密封。另外，墊圈材料只要是前述耐堿性墊圈即可，對(duì)其無(wú)特別限定。
由于陰極室11的上部氣室17和下部氣室16預(yù)先由鍍有可防止苛性鈉腐蝕的銀等金屬的金屬板通過(guò)板金加工形成，鍍金屬面為內(nèi)表面，所以，不僅容易制得，而且，對(duì)苛性鈉具備良好的耐腐蝕性能，這樣就可在上部氣室17和下部氣室16杜絕電腐蝕的發(fā)生。另外，板金加工也可使氣室與陰極室框架2形成一體。
如圖1所示，本發(fā)明的實(shí)施狀態(tài)中，電解液由下部朝上部供給，是上升的形式。即，苛性液由陰極室11的下部氣室16供給，通過(guò)苛性液通道12流入苛性室11，在苛性室11中向上，然后通過(guò)苛性液通道13從上部氣室17排出。
圖2是本發(fā)明的設(shè)置了向氣體擴(kuò)散電極排出氣體的下部氣室的單極式電解槽的剖面圖。圖3是復(fù)極式電解槽的剖面圖。
圖2中，在由氣體擴(kuò)散電極21、波紋網(wǎng)狀物27和陰極集電框架23(該部分不僅包括上方的斜線部分，還包括氣體供給口25下方以線表示的延長(zhǎng)部分)構(gòu)成的氣室22的陰極集電框架23上開(kāi)設(shè)了與陰極元件24的氧氣供給部分相通的氣體供給口25。沿填充了波紋網(wǎng)狀物27的氣室22向下，在陰極元件24的下方外側(cè)端部沿陰極集電框架23表面的氣室下部，設(shè)置了作為氣體排出部分的下部氣室26，它由預(yù)先鍍有可防止苛性鈉腐蝕的銀等金屬的金屬板作為內(nèi)側(cè)面通過(guò)板金加工制得。
圖2所示實(shí)施狀態(tài)中，氧氣由陰極元件24的下部供給，在陰極元件24內(nèi)部向上，由陰極集電框架23的上部氣體供給口25引入氣室22，再進(jìn)入下部氣室26。
由于本發(fā)明的具有氣體擴(kuò)散電極的電解槽具備上述結(jié)構(gòu)，所以要在液壓高于氣壓的狀態(tài)下工作，這樣即使電解液(苛性液)大量滲入氣室，由于漏出的苛性液流向下部氣室26，所以也不會(huì)阻礙氣體供給，更不會(huì)造成電極性能等的下降。此外，即使由于氣體擴(kuò)散電極21的墊圈密封不緊，苛性液向下部氣室26泄漏，由于下部氣室26的內(nèi)表面預(yù)先鍍有防止苛性鈉腐蝕的金屬，所以，內(nèi)表面不會(huì)被腐蝕，這樣苛性液就不會(huì)流入陰極元件24內(nèi)部造成陰極元件內(nèi)部的腐蝕。另外，即使下部氣室26被腐蝕，也只要調(diào)換陰極集電框架23即可修復(fù)。此外，由于不需要對(duì)原有陰極元件進(jìn)行改造，所以，適用于任何一種型式的電解槽。
圖4是本發(fā)明的苛性室厚度極薄的電解槽的剖面圖。圖5是形成苛性室框架的鎳框體的結(jié)構(gòu)立體圖。
本發(fā)明中，如圖4所示，氣體擴(kuò)散電極41的陰極集電框架34通過(guò)插入方式或焊接方式安裝在陰極元件35的導(dǎo)電筋上，氣體擴(kuò)散電極41、形成氣室的波紋網(wǎng)狀物50(圖中未顯示)、由陰極集電框架34構(gòu)成的具有氣體出入口的上下氣室51和52設(shè)置在電解槽的陰極部分的上下端部。另一方面，在陰極元件的上下苛性室36和37的凸緣面上開(kāi)設(shè)了苛性液出入口38和39。在前述陰極集電框架34上開(kāi)設(shè)了與苛性液出入口38和39相通的苛性液通過(guò)孔40和42。
為了在氣體擴(kuò)散電極41和離子交換膜44間構(gòu)成苛性室43，如圖5所示，按照以下順序，配置了上下框架部分開(kāi)設(shè)了苛性液通過(guò)孔的厚度較薄的鎳板(3)33、在上下框架部分設(shè)置了梳狀條形的厚度較薄的鎳板(2)32、在上下框架部分未設(shè)置任何孔等使苛性液通過(guò)手段的厚度較薄的鎳板(1)31，逐步靠近離子交換膜44。圖4中，所用鎳板為鎳框體。
圖5是對(duì)鎳板31、32、33的框架結(jié)構(gòu)、上下框架部分設(shè)置了多個(gè)苛性液通過(guò)孔和梳狀條形的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的立體圖。離子交換膜側(cè)的鎳板(1)31的厚度為0.5mm，中間的鎳板(2)32的厚度為1mm，陰極元件側(cè)的鎳板(3)33的厚度為0.5mm，合計(jì)不超過(guò)2mm，形成厚度極薄的苛性室43。這些框架板之間最好通過(guò)密封材料密封，或通過(guò)激光焊接形成一體，構(gòu)成苛性室框架45。
為了防止苛性鈉溶液從鎳板間泄漏，只要使用耐堿性密封材料作為密封相鄰框體的密封材料即可，對(duì)其無(wú)特別限定，例如，較好是使用合成橡膠、合成樹(shù)脂，最好是使用變性聚硅氧烷類和蒂奧科爾(Thiokol)類等高性能密封材料。
另外，為了防止苛性液的泄漏，在前述苛性室框架45前后附設(shè)了墊圈46和47。作為防止苛性鈉溶液泄漏的墊圈材料只要使用耐堿性墊圈材料即可，對(duì)其無(wú)特別限定，例如，最好使用合成橡膠和塑料等。
在陰極集電框架34上設(shè)置了氧氣出入口，所述氧氣出入口分別與上下苛性室36和37相鄰，沿陰極集電框架34的表面，在其中央部分與上部氣室51和下部氣室52的氧氣出入口48和49相通。
與前述苛性室框架45一樣，在氧氣出入口48及49和陰極集電框架34的氧氣出入口間插入了墊圈。該墊圈的材質(zhì)可以與附設(shè)在苛性室框架45前后的墊圈相同，也可以形成一體。
如圖4所示，本發(fā)明的這種形式的電解槽中，苛性液(電解液)以上升的形式由下向上供給。即，苛性液由陰極元件35的下部苛性室36的苛性液入口38供給，通過(guò)陰極集電框架34、墊圈46的孔和苛性室框架45的鎳框體33的苛性液通過(guò)孔，到達(dá)中央的鎳框體32，再經(jīng)過(guò)設(shè)置于其上的條形孔流入苛性室43，在苛性室43中向上，經(jīng)過(guò)苛性室43上部的苛性室框架45中間鎳框體32的條形孔，再通過(guò)墊圈46的孔、陰極集電框架34的苛性液通過(guò)孔42，到達(dá)上部苛性室37，從苛性液出口39排出。
如上所述，本發(fā)明的這種形式的電解槽中，形成苛性室43的苛性室框架45的鎳框體的板厚合計(jì)不超過(guò)2mm，所以，苛性室43的厚度極薄。其結(jié)果是，電阻變小，能夠降低電解槽工作電壓。
圖6是本發(fā)明的在氣體擴(kuò)散電極氣室的氣體出入口側(cè)面設(shè)置了上部氣室和下部氣室的電解槽的剖面圖。圖7是設(shè)置了具備多個(gè)氧氣供給孔及排出孔的上下氣室的陰極框架主視圖。
下面參考圖6和圖7進(jìn)行說(shuō)明，由氣體擴(kuò)散電極61、波紋網(wǎng)狀物62和陰極集電框架63構(gòu)成氣室，該氣室的陰極集電框架63以插入方式或焊接方式設(shè)置在陰極元件64的導(dǎo)電筋上。在陰極集電框架63的上下部分設(shè)置了供給及分配氧氣的氧氣入口65和出口66。沿陰極集電框架63表面，在陰極元件64內(nèi)側(cè)，與入口65和出口66相連設(shè)置了具備氧氣供給孔67的上部氣室69以及具備氧氣排出孔68的下部氣室70。為了防止上下氣室69和70與陰極集電框架63的上下兩端間的氣體泄漏，插入了墊圈72和73并密封。防止氧氣泄漏的墊圈材料可使用橡膠、皮、石棉、紙、塑料等低壓密封用墊圈材料，對(duì)其無(wú)特別限定。其中，最好使用彈性恢復(fù)率較好的合成橡膠和塑料。
圖7是圖6的A-A剖面圖，用以對(duì)設(shè)置陰極集電框架71的上部及下部氣室、并沿氣體擴(kuò)散電極的橫向均勻供給及排出氧氣的供給孔及排出孔的排列設(shè)置狀態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。
本發(fā)明中，在氣體擴(kuò)散電極氣室的氣體出入口側(cè)面設(shè)置了上部氣室和下部氣室，這種形式的電解槽如圖6和圖7所示，由設(shè)置在上部氣室69的多個(gè)氧氣供給孔67，通過(guò)設(shè)置在陰極集電框架63上部的氧氣入口65向氣室74供給氧氣，在氣室74內(nèi)下降，通過(guò)設(shè)置在陰極集電框架63下部的多個(gè)氧氣出口66，經(jīng)過(guò)設(shè)置在下部氣室70的多個(gè)氧氣排出孔69排出。
其結(jié)果是，由于從多個(gè)氧氣入口65引入的氧氣從多個(gè)氧氣出口66排出，與傳統(tǒng)氣室相比，氧氣更均勻供給氣體擴(kuò)散電極61的整個(gè)氣室74，這樣氧氣就能夠均勻地向氣體擴(kuò)散電極擴(kuò)散。此外，如果采用上下氣室69及70與陰極元件64接觸的結(jié)構(gòu)，則不需要特別設(shè)置復(fù)雜的配電機(jī)構(gòu)。為此，上下氣室69及70的材質(zhì)最好與陰極元件64的材質(zhì)相同。
圖8是本發(fā)明的使用氣液透過(guò)型氣體擴(kuò)散電極、且具有上下氣室的單極式電解槽的剖面圖。圖9是復(fù)極式電解槽的剖面圖。
下面參考圖8進(jìn)行說(shuō)明，由氣液透過(guò)型氣體擴(kuò)散電極81、氣室構(gòu)成部件82和陰極集電框架83構(gòu)成氣室87，沿氣室87的陰極集電框架83表面，在上下外部設(shè)置與氣室87相通的上部氣室85，形成氧氣和水分供給部分，同時(shí)，在陰極室框架83下部設(shè)置與氣室構(gòu)成部件82相通的下部氣室86，形成氧氣和苛性液的排出部分。氣室85和86用預(yù)先在內(nèi)側(cè)面鍍上對(duì)苛性鈉有耐腐蝕性的銀等金屬的金屬板通過(guò)板金加工制得。
本發(fā)明所用氣體擴(kuò)散電極必須具有氣液透過(guò)性能。在這一點(diǎn)上，本發(fā)明的電極與傳統(tǒng)的氣液透過(guò)性氣體電極有根本的不同。因此，本發(fā)明所用的氣體電極不能夠用以往的制造方法制得，必須通過(guò)特殊的方法制造，但對(duì)該制造方法沒(méi)有特別限定，例如可以采用下述的制造方法，使用具有數(shù)μm～數(shù)10μm的微孔的碳織物、金屬纖維和金屬燒結(jié)體等導(dǎo)電性材料為基材，在該基材的單面或雙面涂布碳粉和PTFE等防水性材料的混合物，燒結(jié)后形成氣體擴(kuò)散層，然后，通過(guò)熱分解法等在與離子交換膜接觸的面上負(fù)載鉑或銀等催化劑，或形成催化的碳粉和PTFE薄層，制得本發(fā)明的氣體擴(kuò)散電極。
此外，氣室構(gòu)成部件中向前述氣體電極供電的導(dǎo)電性多孔體由耐堿性材料制得，最好是使用不銹鋼和鎳等金屬，也可使用碳材。其形狀最好為拉制網(wǎng)、織造網(wǎng)、沖孔板、金屬纖維網(wǎng)、編織型等。金屬燒結(jié)體和商品名為セルメット(住友電工株式會(huì)社制)的市售的金屬發(fā)泡體也可使用。
在陰極室內(nèi)與離子交換膜接觸，在金屬多孔體形成的陰極集電框架83上設(shè)置在多孔片狀物等氣室構(gòu)成部件82上形成的作為電極物質(zhì)的碳材和PTFE的混合物構(gòu)成的氣液透過(guò)性片狀氣體擴(kuò)散電極，在氣體擴(kuò)散電極81的電極物質(zhì)上生成的苛性鈉在氣體擴(kuò)散電極的氣液透過(guò)性共同作用下能夠容易地轉(zhuǎn)移到其背面的陰極室中。
本發(fā)明的電解槽具備上述構(gòu)成，氧氣和水分兩者都由上部氣室85供給，通過(guò)氣室87由下部氣室86排出。
氣室86和85中，由于預(yù)先在內(nèi)部鍍上了對(duì)苛性液具有耐腐蝕性能的金屬，所以，可防止腐蝕。這樣，在陰極框架84內(nèi)部流入苛性液也不會(huì)出現(xiàn)元件的腐蝕。此外，即使氣室被腐蝕，不僅可以通過(guò)調(diào)換陰極集電框架83來(lái)進(jìn)行修復(fù)，由于不需要對(duì)已有的元件進(jìn)行改造，所以，還適用于任何型號(hào)的電解槽。
圖10是本發(fā)明的使用了氣體擴(kuò)散電極的電解槽配電方法中的單極式電解槽的橫剖面圖。圖11是復(fù)極式電解槽的橫剖面圖。
圖10中，由氣體擴(kuò)散電極91、氣室92、陰極集電框架93構(gòu)成氧陰極，在氧陰極的陰極集電框架93和陰極元件96的陰極室框架導(dǎo)電體95間不除去金屬網(wǎng)眼加工材料94，在電解槽的陰極室框架導(dǎo)電體95上設(shè)置氣體擴(kuò)散電極91。
這樣，將氣體擴(kuò)散電極91的陰極集電框架93與陰極室框架導(dǎo)電體95的金屬網(wǎng)眼加工材料94相對(duì)配置，陰極集電框架93和金屬網(wǎng)眼加工材料94的各部分略有接觸。如果在上述狀態(tài)下向氣室92送入氧氣，則因?yàn)闅鈮旱淖饔?，兩者通過(guò)表面壓力而多處接觸，一面保持必須的表面壓力，一面利用表面壓力而電氣連接，使氣體擴(kuò)散電極91和電解槽間通電。
作為本發(fā)明所用的導(dǎo)電體用金屬網(wǎng)眼加工材料94使用的耐堿性和導(dǎo)電性良好的金屬材料包括不銹鋼、鎳、鎳合金等，從成本考慮，最好為不銹鋼和鎳。
本發(fā)明中的“金屬網(wǎng)眼加工材料”包括一般的金屬網(wǎng)，以及其他形態(tài)的拉制金屬網(wǎng)和沖孔金屬網(wǎng)等。由于最普通的“金屬網(wǎng)”并不能非常明確地包括上述全部材料，所以，本說(shuō)明書(shū)中特別使用了上述詞匯。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性本發(fā)明的電解槽是設(shè)置了苛性液供給及排出用的上部氣室及下部氣室的電解槽，該電解槽不僅能夠防止苛性液的泄漏，還能夠容易地完成上部氣室和下部氣室的防腐蝕處理，因此不會(huì)出現(xiàn)苛性室的電腐蝕。另外，在與陰極室及上部氣室、下部氣室相通的苛性液通道設(shè)置隔板，使苛性液能夠均勻分配并順利流動(dòng)。由于上部氣室和下部氣室設(shè)置在電解槽外側(cè)，所以，能夠不改變以往電解槽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而進(jìn)行改造。
本發(fā)明的電解槽是設(shè)置了向氣體擴(kuò)散電極排出氣體用的下部氣室的電解槽，由于在氣體擴(kuò)散電極氣室下部，沿陰極元件的陰極集電框架表面，在下方外部設(shè)置了作為氣體排出部分的下部氣室，所以，即使苛性液大量泄漏到氣室中，也流向下部氣室，所以，不會(huì)阻礙氣體供給，電極性能不會(huì)下降。此外，即使下部氣室被腐蝕，也可通過(guò)僅調(diào)換陰極集電框架而進(jìn)行修復(fù)。另外，由于不需要對(duì)已有的元件進(jìn)行改造，所以，還適用于單極式和復(fù)極式等任何型式的電解槽。
本發(fā)明的電解槽是將3塊極薄框體重疊構(gòu)成苛性室用框體的電解槽，由于電解槽苛性室的厚度極薄，且能夠均勻順利地向苛性室供給溶液，所以，能夠降低工作時(shí)的電壓。另外，從下部苛性室的苛性液入口供給苛性液，強(qiáng)制苛性液在苛性室內(nèi)上升，采用這種形式的情況下，即使苛性室極薄，也不用設(shè)置特別的苛性液通道，就能夠經(jīng)過(guò)多個(gè)梳狀條形孔向苛性室均勻供給苛性液，這樣苛性液在苛性室內(nèi)均勻分散并上升，使電解能夠均勻進(jìn)行。
本發(fā)明的電解槽是在氣體擴(kuò)散電極氣室的氣體出入口側(cè)面設(shè)置了上部氣室和下部氣室的電解槽，與氣體擴(kuò)散電極氣室上下兩端的氣體出入口相連，沿陰極元件的陰極集電框架表面，在內(nèi)側(cè)設(shè)置具有多個(gè)氧氣供給孔和排出孔的氣室，所以，與以往僅利用氣體擴(kuò)散電極氣室的結(jié)構(gòu)而使氧氣均勻擴(kuò)散的方式相比，本發(fā)明能夠使氧氣更均勻一地與氣體擴(kuò)散電極接觸，這樣就能夠在氣體擴(kuò)散電極上產(chǎn)生極好的氧還原反應(yīng)，使陰極電位下降，從而導(dǎo)致電解電壓顯著降低。另外，本發(fā)明是不改變以往電解槽的結(jié)構(gòu)，就能夠供給可均勻一地向氣體擴(kuò)散電極供給或排出氧氣的構(gòu)成。
本發(fā)明的電解槽是使用了氣液透過(guò)性氣體擴(kuò)散電極，且具有上下氣室的電解槽，由于從上部氣室可直接向?qū)щ娦远嗫左w形成的氣室構(gòu)成部件送入水分和氧氣，所以，能夠以更高的電流效率連續(xù)進(jìn)行穩(wěn)定性良好的電解作業(yè)。另外，即使氣室被腐蝕，可通過(guò)僅調(diào)換陰極集電框架而進(jìn)行修復(fù)，還具備適用于單極式和復(fù)極式等任何型式電解槽的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的電解槽是氣體擴(kuò)散電解、氣室、陰極集電框架構(gòu)成的氧陰極通電相連的電解槽，在陰極集電框架上設(shè)置了導(dǎo)電筋，不需要除去附設(shè)在陰極元件上的原有的金屬網(wǎng)眼等金屬網(wǎng)眼加工材料，也不需要對(duì)原有的元件進(jìn)行任何改造就可用于單極式電解槽或復(fù)極式電解槽。此外，由于陰極集電框架在多處與金屬網(wǎng)眼加工材料接觸，所以，陰極集電框架和陰極室框架導(dǎo)電體間的通電距離很短，電阻下降，因而使電能效率提高。
權(quán)利要求
1．一種電解槽，所述電解槽具備陽(yáng)極、離子交換膜和氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的氧陰極，其中，設(shè)置了具有氣體擴(kuò)散電極的氧氣出入口的氣室，所述氣室與陰極元件相鄰，并沿陰極集電框架表面與在其中央設(shè)置的上下氣室的氧氣出入口相連，還在氣體擴(kuò)散電極和離子交換膜間送入苛性液的陰極室構(gòu)成的電解槽的外側(cè)端部設(shè)置了通過(guò)苛性液通道與作為苛性液排出口的上部氣室和作為苛性液送入口的下部氣室相通的苛性室框架。
2．如權(quán)利要求1所述的電解槽，其中，各氣室的苛性液通道在具有狹小間隔的平行板材間形成，為確?？列砸壕鶆蚍稚⒑蛷?qiáng)度，以10～100mm間隔設(shè)置了隔板。
3．一種電解槽，所述電解槽具備陽(yáng)極、離子交換膜及氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的氧陰極，其中，設(shè)置了具有與陰極元件的氧氣供給部分相通的氣體擴(kuò)散電極的氧氣供給口的氣室，在氣體擴(kuò)散電極和離子交換膜間送入苛性液的陰極室構(gòu)成的電解槽的氣室下部，沿陰極元件的陰極集電框架表面在下方端部設(shè)置了作為氣體排出部分的下部氣室。
4．一種電解槽，該電解槽具備陽(yáng)極、離子交換膜及氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的氧陰極，其中，在上下框架部分設(shè)置了與設(shè)置于陰極元件上下部分的苛性室的苛性液出入口相對(duì)的苛性液通過(guò)孔的厚度較薄的鎳框體，將上下框架部分的設(shè)有梳狀條形孔的厚度較薄的鎳框體和在上下框架部分無(wú)孔的厚度較薄的鎳框體依次靠近離子交換膜配置，構(gòu)成苛性室框架，構(gòu)成厚度極薄的苛性室。
5．如權(quán)利要求4所述的電解槽，其中，前述各鎳框體間利用片材密封，或通過(guò)激光焊接使前述各鎳框體連為一體。
6．一種電解槽，所述電解槽使用了氣體擴(kuò)散電極，其中，沿陰極集電框架表面，在陰極元件內(nèi)側(cè)設(shè)置了與氣體擴(kuò)散電極的氣室上下兩端的氣體出入口相連的送入氧氣用上部氣室和排出氧氣用下部氣室。
7．一種電解槽，所述電解槽使用了氣體擴(kuò)散電極，其中，使用氣液透過(guò)型氣體擴(kuò)散電極作為氣體擴(kuò)散電極，沿陰極元件的陰極集電框架表面，在上下兩端外部設(shè)置了與氣體擴(kuò)散電極的氣室相通的上部氣室作為供給氧氣和水分的部分，同時(shí)，還設(shè)置了與前述氣室相通的下部氣室，作為氣體和苛性液的排出部分。
8．電解槽的配電方法，所述方法為使用了氣體擴(kuò)散電極的電解槽的配電方法，其特征在于，由氣體擴(kuò)散電極、氣室、陰極集電框架構(gòu)成氧陰極，將所述氧陰極的陰極集電框架與陰極元件的陰極室框架導(dǎo)電體的金屬網(wǎng)眼加工材料相對(duì)設(shè)置，利用氣壓保持必要的表面壓力，使各部分接觸形成電氣連接。
全文摘要
本發(fā)明是用于離子交換膜法食鹽電解等的使用了氧陰極的電解槽,其中,為了能夠有效地進(jìn)行苛性液的供給和排出,并可有效防止苛性液的泄漏,在電解槽的外側(cè)端部設(shè)置了通過(guò)苛性液通道與作為苛性液排出口的上部氣室和作為苛性液送入口的下部氣室相通的苛性室框架,以減少苛性液的泄漏。另外,通過(guò)在陰極元件的下方端部設(shè)置下部氣室,防止苛性液從氣體擴(kuò)散電極向氣室泄漏。或者使用氣液透過(guò)型氣體擴(kuò)散電極,由與氣室相通的上部氣室供給氧氣和水分,再由下部氣室排出氣體和苛性液。
文檔編號(hào)C25B9/04GK1297493SQ00800453
公開(kāi)日2001年5月30日 申請(qǐng)日期2000年3月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月31日
發(fā)明者坂田昭博, 齊木幸治, 相川洋明, 片山真二, 山口健三 申請(qǐng)人:東亞合成株式會(huì)社, 三井化學(xué)株式會(huì)社, 鐘淵化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社, 氯工程公司