JP7631069B2 - Gas diffusion electrode electrolysis two-chamber method for sodium chloride electrolysis and its applications - Google Patents
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Description
本発明は、ガス拡散電極食塩電解2室法の電解槽およびその利用技術に関する。 The present invention relates to an electrolytic cell for two-chamber gas diffusion electrode salt electrolysis and its utilization technology.
水酸化ナトリウムおよび塩素は、従来はイオン交換膜、陰極に金属電極を用いて、食塩水を電解する方法によって製造されてきた。しかし、食塩水の電気分解には大きな電力が必要となるため、近年では大幅な省エネルギーを期待して、陰極電極としてガス拡散電極を用いて、酸素を還元する方法が検討されている。 Sodium hydroxide and chlorine have traditionally been produced by electrolyzing salt water using an ion exchange membrane and a metal electrode as the cathode. However, because electrolysis of salt water requires a large amount of electricity, in recent years, methods of reducing oxygen using a gas diffusion electrode as the cathode have been investigated in the hope of achieving significant energy savings.
ガス拡散電極を用いて酸素を還元する方法では、電解槽が陽極室、陰極液室、陰極ガス室という3室に区画される3室法のほか、陽極、イオン交換膜、ガス拡散電極を互いに密着し、陰極液室を実質的になくし、電解槽を陽極室および陰極ガス室の2室に区画する2室法が開発されている。 In methods for reducing oxygen using gas diffusion electrodes, in addition to the three-chamber method in which the electrolytic cell is divided into three chambers, an anode chamber, a cathode liquid chamber, and a cathode gas chamber, a two-chamber method has been developed in which the anode, ion exchange membrane, and gas diffusion electrode are tightly attached to each other, essentially eliminating the cathode liquid chamber and dividing the electrolytic cell into two chambers, an anode chamber and a cathode gas chamber.
例えば、特許文献1には、イオン交換膜により陽極室と陰極室に区画され、該陽極室に陽極を設置し、該陰極室に液保持層とガス拡散電極を設置して、陽極室に食塩水を陰極室に酸素含有ガスをそれぞれ供給して電解する2室法の電解槽において、イオン交換膜とガス拡散電極間に、所定の液保持層単位体積当たりの液保持量の液保持層を設けた電解槽が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a two-chamber electrolytic cell that is partitioned into an anode chamber and a cathode chamber by an ion exchange membrane, has an anode installed in the anode chamber, and a liquid retaining layer and a gas diffusion electrode installed in the cathode chamber, and electrolysis is performed by supplying saline solution to the anode chamber and an oxygen-containing gas to the cathode chamber, with a liquid retaining layer having a predetermined liquid retention amount per unit volume of the liquid retaining layer between the ion exchange membrane and the gas diffusion electrode.
また、特許文献2には、電極基体に、親水性触媒と疎水性バインダーを含む触媒層を担持したガス拡散電極において、前記電極基体が、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン発泡体およびカーボン焼結体から選択されるカーボン材料であることを特徴とするガス拡散電極と、当該ガス拡散電極を用いた食塩電解槽が開示されている。 Patent Document 2 also discloses a gas diffusion electrode in which a catalyst layer containing a hydrophilic catalyst and a hydrophobic binder is supported on an electrode substrate, the electrode substrate being made of a carbon material selected from carbon cloth, carbon paper, carbon foam, and carbon sintered body, and a salt electrolysis cell using the gas diffusion electrode.
しかしながら、特許文献1,2のような技術では、イオン交換膜とガス拡散電極との間に、別途、液保持層や親水性層を設置する必要があり、電解槽の組み立ての容易性の点で改善の余地があった。なお、特許文献2では、食塩電解槽において、ガス拡散電極の設置向きについても記載されていない。 However, in the techniques described in Patent Documents 1 and 2, it is necessary to install a liquid retaining layer or a hydrophilic layer between the ion exchange membrane and the gas diffusion electrode, and there is room for improvement in terms of ease of assembly of the electrolytic cell. Furthermore, Patent Document 2 does not describe the installation direction of the gas diffusion electrode in the salt electrolytic cell.
本発明の一態様は、上記課題に鑑みてなされたものであり、組み立てが容易なガス拡散電極食塩電解2室法の電解槽およびその利用技術を提供することを目的とする。 One aspect of the present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide an electrolytic cell for gas diffusion electrode salt electrolysis using two chambers that is easy to assemble, and a technology for using the same.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、従来、炭素材料からなる基体に、反応層を塗布してガス拡散陰極を形成した後、イオン交換膜側に、別途、液保持層や親水性層を張り付けていたところ、親水性かつ導電性の電極支持層の片面(イオン交換膜側と反対側)に反応層を形成することにより、液保持層や親水性膜を設けなくとも、良好な性能を有するガス拡散電極食塩電解2室法の電解槽を得ることができること、またかかる電解槽によれば液保持層や親水性膜を設ける必要がないため、組み立てが容易となること等の新規知見を見出し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明の一実施形態は、以下の態様を含む。
<1>イオン交換膜により陽極室と陰極室とに区画され、前記陽極室内に陽極電極が設置され、前記陰極室内に陰極電極が設置され、前記陽極室に食塩水を、前記陰極室に酸素含有ガスを、それぞれ供給して電解する、ガス拡散電極食塩電解2室法の電解槽において、前記陰極電極は、親水性かつ導電性の電極支持層と、前記電極支持層の表面の一方の面側に配置され、かつ、親水性触媒および疎水性樹脂を含有する、導電性の反応層と、の2層のみからなるガス拡散電極であり、前記陰極室内において、前記ガス拡散電極における前記電極支持層が、前記反応層が配置された面と反対側の面にて、前記イオン交換膜と接するように配置されている、ガス拡散電極食塩電解2室法の電解槽。
<2>前記電極支持層は、電極支持層単位体積当たりの液保持量が0.10g-H2O/cm3~0.80g-H2O/cm3である、<1>に記載の電解槽。
<3>前記電極支持層は、カーボン、酸化ジルコニウム、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレンと六フッ化プロピレンとの共重合体、アラミド樹脂、ポリイミド樹脂、塩化ビニル樹脂、ニッケル、ステンレス、銀、および金からなる群から選択される少なくとも1つによって形成されているものである、<1>または<2>に記載の電解槽。
<4>前記ガス拡散電極の前記反応層が配置された面に接するように、疎水性樹脂層が配置される、<1>~<3>のいずれかに記載の電解槽。
<5>上記<1>~<4>のいずれかに記載の電解槽を用いて食塩水を電解する工程を有する、塩素ガスの製造方法。
<6>上記<1>~<4>のいずれかに記載の電解槽を用いて食塩水を電解する工程を有する、水酸化ナトリウムの製造方法。
As a result of intensive research to solve the above problems, the present inventors have found that, whereas conventionally, a gas diffusion cathode is formed by applying a reactive layer to a substrate made of a carbon material, and then a liquid retaining layer or a hydrophilic layer is separately attached to the ion exchange membrane side, by forming a reactive layer on one side (the side opposite to the ion exchange membrane side) of a hydrophilic and conductive electrode support layer, an electrolytic cell for a two-chamber gas diffusion electrode salt electrolysis method having good performance can be obtained without providing a liquid retaining layer or a hydrophilic membrane, and that such an electrolytic cell is easy to assemble because it does not require the provision of a liquid retaining layer or a hydrophilic membrane, and have thus completed the present invention. That is, one embodiment of the present invention includes the following aspects.
<1> An electrolytic cell for a two-chamber method for gas diffusion electrode saline electrolysis, which is partitioned into an anode chamber and a cathode chamber by an ion exchange membrane, an anode electrode is installed in the anode chamber, a cathode electrode is installed in the cathode chamber, and electrolysis is performed by supplying saline solution to the anode chamber and an oxygen-containing gas to the cathode chamber, respectively, wherein the cathode electrode is a gas diffusion electrode consisting of only two layers: a hydrophilic and conductive electrode support layer and a conductive reaction layer which is disposed on one surface side of the electrode support layer and contains a hydrophilic catalyst and a hydrophobic resin, and within the cathode chamber, the electrode support layer of the gas diffusion electrode is disposed so as to be in contact with the ion exchange membrane on a surface opposite to the surface on which the reaction layer is disposed.
<2> The electrolytic cell according to <1>, wherein the electrode backing layer has a liquid retention amount per unit volume of the electrode backing layer of 0.10 g-H 2 O/cm 3 to 0.80 g-H 2 O/cm 3 .
<3> The electrolytic cell according to <1> or <2>, wherein the electrode support layer is formed of at least one selected from the group consisting of carbon, zirconium oxide, ceramics, polytetrafluoroethylene, a copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene, an aramid resin, a polyimide resin, a polyvinyl chloride resin, nickel, stainless steel, silver, and gold.
<4> The electrolytic cell according to any one of <1> to <3>, wherein a hydrophobic resin layer is disposed so as to be in contact with the surface of the gas diffusion electrode on which the reaction layer is disposed.
<5> A method for producing chlorine gas, comprising a step of electrolyzing saline solution using the electrolytic cell according to any one of <1> to <4> above.
<6> A method for producing sodium hydroxide, comprising a step of electrolyzing saline solution using the electrolytic cell according to any one of <1> to <4> above.
本発明の一実施形態によれば、組み立てが容易な電解槽を提供できるという効果を奏する。 One embodiment of the present invention has the effect of providing an electrolytic cell that is easy to assemble.
本発明の実施の形態について、以下に詳細に説明する。本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「A~B」は、「A以上(Aを含みかつAより大きい)B以下(Bを含みかつBより小さい)」を意味する。 The embodiments of the present invention are described in detail below. Unless otherwise specified in this specification, "A to B" representing a numerical range means "A or more (including A and larger than A) and B or less (including B and smaller than B)."
<1.ガス拡散電極食塩電解2室法の電解槽>
本発明の一実施形態に係るガス拡散電極食塩電解2室法の電解槽は、イオン交換膜により陽極室と陰極室とに区画され、前記陽極室内に陽極電極が設置され、前記陰極室内に陰極電極が設置され、前記陽極室に食塩水を、前記陰極室に酸素含有ガスを、それぞれ供給して電解する、ガス拡散電極食塩電解2室法の電解槽において、前記陰極電極は、親水性かつ導電性の電極支持層と、前記電極支持層の表面の一方の面側に配置され、かつ、親水性触媒および疎水性樹脂を含有する、導電性の反応層と、の2層のみからなるガス拡散電極であり、前記陰極室内において、前記ガス拡散電極における前記電極支持層が、前記反応層が配置された面と反対側の面にて、前記イオン交換膜と接するように配置されている、ガス拡散電極食塩電解2室法の電解槽である。以下、本発明の一実施形態について詳説する。
<1. Electrolytic cell for gas diffusion electrode salt electrolysis using two-chamber method>
An electrolytic cell for two-compartment gas diffusion electrode salt electrolysis according to one embodiment of the present invention is partitioned into an anode chamber and a cathode chamber by an ion exchange membrane, an anode electrode is installed in the anode chamber, a cathode electrode is installed in the cathode chamber, and electrolysis is performed by supplying saline solution to the anode chamber and an oxygen-containing gas to the cathode chamber, respectively, in which the cathode electrode is a gas diffusion electrode consisting of only two layers, a hydrophilic and conductive electrode support layer, and a conductive reaction layer that is disposed on one surface of the electrode support layer and contains a hydrophilic catalyst and a hydrophobic resin, and in which the electrode support layer of the gas diffusion electrode is disposed in the cathode chamber so as to contact the ion exchange membrane on the surface opposite to the surface on which the reaction layer is disposed. Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail.
図1に示すように、本発明の一実施形態に係るガス拡散電極食塩電解2室法用の電解槽1は、イオン交換膜2、陽極室3、陰極室4、陽極電極5、ガス拡散電極(陰極電極)7、クッション材8、陰極室背板(陰極端子)9、陽極ガスケット10、陰極ガスケット11、陽極液導入口12、陽極液およびガス取出口13、酸素含有ガス導入口14、水酸化ナトリウム水溶液取出口15から構成される。
As shown in FIG. 1, an electrolytic cell 1 for a two-chamber gas diffusion electrode salt electrolysis method according to one embodiment of the present invention is composed of an ion exchange membrane 2, an
電解槽1において、イオン交換膜2により陽極室3と陰極室4に区画される。イオン交換膜2の陽極室3側には陽極電極5が配置されている。イオン交換膜2の陰極室4側には、ガス拡散電極7、クッション材8、陰極室背板(陰極端子)9が、この順で設置されていている。ガス拡散電極7は、電極支持層6aと反応層6bとから構成されている。直流電流は最終的にクッション材8により排電される。陽極ガスケット10は陽極電極5を、陰極ガスケット11はガス拡散電極7を、電解槽1に固定化するためのものである。
The electrolytic cell 1 is divided into an
陽極室3の底部近傍に、陽極液(食塩水)導入口12が形成されている。また陽極室3の上壁側には、陽極液(未反応食塩水)および(塩素)ガス取出口13が形成されている。陰極室4上部近傍の側壁には酸素含有ガス導入口14が形成されており、陰極室4底部近傍の側壁には、水酸化ナトリウム水溶液取出口15が形成されている。なお、水酸化ナトリウム水溶液取出口15は、過剰な酸素ガスの排出口としても機能する。
An anolyte (saline)
電解槽1の陽極室3に陽極液導入口12から陽極液(食塩水)が供給され、陰極室4には酸素含有ガス導入口14から酸素含有ガス(例えば、酸素ガスや空気等)が供給される。両電極間に通電することで、電解槽1は動作する。
Anode fluid (saline solution) is supplied to the
上述した特許文献1では「液保持層」がガス拡散電極とイオン交換膜2との間に配置される構成であり、また特許文献2では「親水性層」がガス拡散電極とイオン交換膜との間に配置される構成である。これに対して、本発明の一実施形態では、ガス拡散電極7は、イオン交換膜側に、液保持層や親水性層を別途設ける必要はなく、液保持機能(親水層としての機能)を備えた電極支持層6aと反応機能を備える反応層6bとの2層のみから構成される。本構成によれば、ガス拡散電極7とイオン交換膜2との間に、別途、液保持層(親水層)を形成する必要がないため、組み立てが容易となる。
In the above-mentioned Patent Document 1, a "liquid retention layer" is disposed between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane 2, and in Patent Document 2, a "hydrophilic layer" is disposed between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane. In contrast, in one embodiment of the present invention, the
また、本発明の一実施形態では、ガス拡散電極7において、電極支持層6aは、反応層6bが形成された面と反対側の面にて、イオン交換膜2と接する。換言すれば、陰極室4において、ガス拡散電極7は電極支持層6aおよび反応層6bの2層構造であって、イオン交換膜2、電極支持層6a、反応層6bは、この順に配置されている。本構成によれば、イオン交換膜2と反応層6bとが接する構成とした場合に比べて、電解槽1に電流を供給して電解を開始した後、所定時間経過後の陽極および陰極間の抵抗を低くできるという利点がある。これは、電極支持層6aが液保持性或いは親水性であるためと考えられる。
In one embodiment of the present invention, the
ガス拡散電極での陰極反応は、水と酸素から水酸化物イオンのみを生成する反応である。反応に寄与する水は、陽極液(未反応食塩水)が、イオン交換膜2を通過して、ガス拡散電極7に供給されるため、イオン交換膜2とガス拡散電極7の電解面積界面上に、反応するに十分な量および均一濃度で存在することが望ましい。本構成によれば、電極支持層6aにおいて十分な量および均一濃度の水が存在できるため、電流の一部分に集中した片流れ或いは水の不均一な濃度分布により発生する抵抗上昇分を低くできる。言い換えれば、イオン交換膜2、反応層6b、電極支持層6aの順に配置すると、イオン交換膜2とガス拡散電極7の界面上に均一濃度で十分な量の水を持続的に存在させることが困難となり抵抗上昇を招くことが考えられる。
The cathodic reaction at the gas diffusion electrode is a reaction that produces only hydroxide ions from water and oxygen. The water that contributes to the reaction is desirably present on the electrolytic surface interface between the ion exchange membrane 2 and the
また、本発明の一実施形態のガス拡散電極7によれば、ガス拡散電極7とイオン交換膜2との間に液保持層や親水性層を別途形成する場合に比べて、電解槽1に電流を供給して電解を開始した後、所定時間経過後の陽極および陰極間の抵抗を低くできるという利点もある。これは、イオン交換膜2とガス拡散電極7の電解面積界面上に、反応するに十分な量および均一濃度の水が存在できているためと考えられる。
In addition, the
また、液保持層を設けた場合においては、本構成に比べて、液保持層とガス拡散電極の接触抵抗および電極支持層自身の抵抗が余分に発生し、抵抗上昇を招くと考えられる。 In addition, when a liquid retention layer is provided, it is believed that, compared to this configuration, additional contact resistance between the liquid retention layer and the gas diffusion electrode and resistance of the electrode support layer itself will occur, leading to an increase in resistance.
電極支持層6aは、親水性かつ導電性であり、反応層6bが形成される支持体として機能するものである。電極支持層6aは、親水層(液保持層)としての機能も有する。電極支持層6aは、ガス拡散電極の支持体として一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、液体、特に生成する水酸化ナトリウム水溶液を保持できる性能を有することが好ましい。また、電極支持層6aは、水酸化ナトリウムに対する化学的および物理的耐性を有することが好ましい。化学的耐性とは高アルカリに対して耐性を有する材料を意図し、物理的耐性とは電解槽にかかる加重に対して適度な強度を有する材料を意図する。
The
電極支持層6aは、良好な液保持機能を有することが好ましい。例えば、液保持機能としては、電極支持層単位体積当たりの液保持量が0.10g-H2O/cm3~0.80g-H2O/cm3であることが好ましく、0.15g-H2O/cm3~0.70g-H2O/cm3であることがより好ましく、0.20g-H2O/cm3~0.60g-H2O/cm3であることがさらに好ましい。なお、本明細書でいう電極支持層の液保持量は、電極支持層を水酸化ナトリウム濃度34.5重量%の水溶液に1日浸漬させた後、水洗し完全に水酸化ナトリウム水溶液を取り除き、完全に乾燥させた時の重量をAとし、前述の完全に乾燥させた電極支持層を純水中に1時間浸漬後取り出した時の重量をBとすると、B-Aで定義される。また単位体積当たりの液保持量は、該液保持量を液保持量測定に使用した電極支持層の体積で割った値で定義される。実施例でも同様の定義で測定した。
The
電極支持層6aは、カーボン、酸化ジルコニウム、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレンと六フッ化プロピレンとの共重合体、アラミド樹脂、ポリイミド樹脂、塩化ビニル樹脂、ニッケル、ステンレス、銀、および金からなる群から選択される少なくとも1つ以上によって形成されていることが好ましい。なかでも、多孔性の炭素系の基体が好ましく例示できる。多孔性の炭素系の基体としては、例えば、炭素材料から成るクロス、繊維焼結体、発泡体などを用いることができる。これらのなかでも、大型化と量産の容易さからクロスか繊維焼結体のいずれかが好ましく、市販のカーボンクロス、およびカーボンペーパーなどの繊維焼結体を利用することができる。
The
電極支持層6aは、酸素および生成した水酸化ナトリウムが透過する必要があるため、十分な導電性に加えて適度な多孔性を兼ね備えることが好ましく、空孔径としては0.001~1mmが、空隙率としては30~95%が好ましい。また、電極支持層6aの厚さは、引っ張り強度などの機械的強度と、酸素および生成した水酸化ナトリウムの透過距離を考慮すれば、0.1~1mmの範囲のものが好適に使用できる。
The
反応層6bは、電極支持層6aの表面の一方の面側に配置され、かつ、親水性触媒および疎水性樹脂を含有する、導電性の反応層である。
The
反応層6bに使用される親水性触媒は、高温高濃度のアルカリ中で電気化学的に安定である銀、白金、パラジウムのうち少なくとも一種類からなるものであり、単一金属、あるいはこれら金属の合金を使用することができる。なお、価格の点で銀の単一金属、あるいは銀に微量のパラジウム又は白金を添加した、銀-パラジウム合金、および銀-白金合金であることが好ましい。これら親水性触媒は市販されている粒子状のものを好適に使用できるが、これに限定されず、公知方法に従って合成後使用してもよい。例えば、硝酸銀、或いは硝酸銀と硝酸パラジウム又は硝酸銀とジニトロジアンミン白金硝酸水溶液に、還元剤を混合す湿式法や、蒸着、スパッタなどの乾式法で合成された粒子状のものも使用できる。親水性触媒の粒径は0.001~50μmのものを使用でき、0.001~1μmであることがより好ましい。
The hydrophilic catalyst used in the
反応層6bに使用される疎水性樹脂は、親水性触媒の結着剤として機能するものである。例えば、高温高濃度のアルカリ中で化学的に安定であるフッ素系樹脂を利用することができる。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシアルカン(PFA)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)などの粉末、または懸濁水溶液を好適に使用し得る。疎水性樹脂は電極に十分なガス透過性を付与し、生成した水酸化ナトリウムによる電極の過度の湿潤を防止することで良好な電解性能に寄与するものであり、その粒径範囲としては0.005~10μmが好ましい。
The hydrophobic resin used in the
また、反応層6bには、親水性触媒および疎水性樹脂以外に、カーボン材料を含有させることもできる。カーボン材料としては、例えば、カーボン粉末、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ、フラーレン、ダイヤモンド、等を挙げることができる。カーボン材料を含有させることにより、導電性および親水性を改質できる利点がある。
In addition to the hydrophilic catalyst and hydrophobic resin, the
電極支持層6aへの反応層6bの形成方法としては、従来公知の手法を好適に利用でき、特に限定されない。例えば、親水性触媒および疎水性樹脂を混合・撹拌・脱泡したスラリーまたは樹脂混合物を、電極支持層6aに塗布・乾燥することで、電極支持層6aの片面に反応層6bを形成し得る。なお、スラリーまたは樹脂混合物の塗布は、筆・刷毛・スクレーパーを使用して手動で行ってもよいし、塗工機およびスプレードライ装置等を使用してもよい。
The method for forming the
また、ガス拡散電極7の反応層6bが配置された面に接するように、さらに疎水性樹脂層(不図示)が配置されることが好ましい。つまり、陰極室4において、イオン交換膜2、電極支持層6、反応層6b、疎水性樹脂層が、この順で設けられることが好ましい。疎水性樹脂層は、例えば、ガス拡散電極7の反応層6bが形成されている表面に、疎水性樹脂のコーティングを行うことで形成し得る。かかる構成によれば、ガス拡散電極7の接触抵抗をより緩和することができる。なお、疎水性樹脂としては、上述したものを好適に使用できる。
It is also preferable that a hydrophobic resin layer (not shown) is further arranged so as to be in contact with the surface on which the
イオン交換膜2としては、一般的なガス拡散電極食塩電解2室法用のイオン交換膜が使用でき、特に限定されないが、フッ素樹脂系の陽イオン交換膜が耐食性の面から好ましい。 As the ion exchange membrane 2, a typical ion exchange membrane for a two-chamber gas diffusion electrode salt electrolysis method can be used, and is not particularly limited, but a fluororesin-based cation exchange membrane is preferred from the standpoint of corrosion resistance.
陽極電極5は、一般的なガス拡散電極食塩電解2室法用の不溶性陽極を好適に利用でき、特に限定されないが、DSAと呼ばれるチタン製の不溶性電極を例示できる。
The
クッション材8は、ガス拡散電極7をイオン交換膜2に密着させるためのものである。クッション材8を圧縮状態で収容してクッション材8に反力を生じさせ、その反力を利用してガス拡散電極7をイオン交換膜2に密着させることが好ましい。2室法では、イオン交換膜2を境界として陽極室3には食塩水による液圧が作用し、陰極室4にはガス圧が作用している。クッション材8の反力は、この液圧とガス圧の差圧に合わせて設計されるが、液圧は食塩水の深さが深いほど大きいため、クッション材8の反力を、陰極室4上部より下部の方が大きくなるようにすることで、イオン交換膜2や陽極電極5に加わる圧力の均等化を図ることができる。
The
このようなクッション材8としては、コイル材又はウエーブ加工したマット材を使用することが可能である。コイルは直径方向に弾性を持ち、この方向に反力が生じるため、コイル軸を陰極ガス室背板に並行に配置して使用することができ、コイル材の線径、コイル系、敷設密度を調整することにより、クッション材の反力を上部より下部の方が大きくなるようにすればよい。またウエーブ加工されたマット材は、金属ワイヤーをメリヤス編みしたデミスターメッシュをウエーブ加工したものを用いることができ、ワイヤーの線径、束ねるワイヤー本数、マット材の積層枚数を調整することにより、クッション材の反力を上部より下部の方が大きくなるようにすればよい。
As the
また、陽極室3に供給される食塩水は厳密に精製されることが好ましい。カルシウム、マグネシウムイオン等はキレート樹脂を使用して10ppbレベルまで除去されることが好ましい。
It is also preferable that the salt water supplied to the
また、陰極室4に供給される酸素含有ガスは、加湿することが好ましい。加湿方法としては、電解槽1に供給する酸素含有ガスに散水し加湿する方法、酸素含有ガスを水中に吹き込み加湿させる方法などがある。
The oxygen-containing gas supplied to the
水酸化ナトリウムは、イオン交換膜2と陰極室4との間で、陽極室3からイオン交換膜2を透過してくる浸透水に溶解して水酸化ナトリウム水溶液となる。生成した水酸化ナトリウム水溶液はガス拡散電極7の電極支持層6a内を拡散し、特に重力により落下して電極支持層6aの下端に達して液滴として陰極室4底部まで流下し、過剰酸素を含むガスとともに水酸化ナトリウム水溶液取出口15から電解槽1外に取り出される。
Between the ion exchange membrane 2 and the
また、電解槽1の電解条件としては、電流密度1~10kA/m2とすることが好ましく、電解時の陽極室3、陰極室4の温度は、特に限定されるものではなく、通常用いられる温度であればよい。例えば、イオン交換膜2の性能を最大限発揮するために電流密度に応じた温度範囲に設定することが好ましい。温度範囲としては、イオン交換膜2の種類に応じて適宜設定すればよいが、例えば、電流密度が1.0kA/m2以上、2.0kA/m2未満である場合、68~82℃が好ましく、2.0kA/m2以上、3.0kA/m2未満である場合、77~85℃が好ましく、3.0kA/m2以上である場合、80~90℃が好ましい。
As electrolysis conditions for the electrolytic cell 1, a current density of 1 to 10 kA/ m2 is preferable, and the temperatures of the
<2.塩素ガスおよび水酸化ナトリウムの製造方法>
また、本発明の一実施形態には、上述した電解槽1を用いて食塩水を電解する(食塩水を電解して、塩素ガスを製造する)工程を有する、塩素ガスの製造方法が含まれ得る。また、本発明の一実施形態には、上述した電解槽1を用いて食塩水を電解する(食塩水を電解して、水酸化ナトリウムを製造する)工程を有する、水酸化ナトリウムの製造方法が含まれ得る。
2. Methods for producing chlorine gas and sodium hydroxide
Moreover, one embodiment of the present invention may include a method for producing chlorine gas, which includes a step of electrolyzing saline water (producing chlorine gas by electrolyzing saline water) using the above-mentioned electrolytic cell 1. Moreover, one embodiment of the present invention may include a method for producing sodium hydroxide, which includes a step of electrolyzing saline water (producing sodium hydroxide by electrolyzing saline water) using the above-mentioned electrolytic cell 1.
電解槽1の陽極室3に食塩水を供給し、かつ陰極室4に酸素を供給しながら陽極電極5およびガス拡散電極7の両電極間に通電すると、陰極室4側では、イオン交換膜2の陰極室4側の表面で水酸化ナトリウムが生成し、この水酸化ナトリウムは水溶液としてガス拡散電極7を透過する。
When salt water is supplied to the
このようにして、ガス拡散電極7を通過した水酸化ナトリウムは、陰極室4下部に集められ、水酸化ナトリウム水溶液取出口15から、未反応の酸素と共に取り出される。一方、陽極電極5の表面に生成した塩素ガスは、陽極室3上部に集められ、陽極液およびガス取出口13から取り出される。
In this way, the sodium hydroxide that has passed through the
本発明の一実施形態にかかる塩素ガスまたは水酸化ナトリウムの製造方法によれば、簡便に塩素ガスまたは水酸化ナトリウムを得ることができる。 According to the method for producing chlorine gas or sodium hydroxide according to one embodiment of the present invention, chlorine gas or sodium hydroxide can be easily obtained.
以下、実施例および比較例によって本発明の一実施形態をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明の一実施形態は、前記または後記の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更して実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。なお下記実施例および比較例において「部」および「%」とある場合、重量部または重量%を意味する。 Below, one embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these. One embodiment of the present invention can be practiced with appropriate modifications within the scope that can conform to the purpose described above or below, and all of these modifications are included in the technical scope of the present invention. In the following examples and comparative examples, "parts" and "%" mean parts by weight or % by weight.
(実施例1)
<ガス拡散電極(陰極電極)の作製>
反応層を形成する懸濁液として、銀粉末(福田金属箔工業株式会社製、シルコート)2.4gとポリテトラフルオロエチレン水懸濁液(三井フロロケミカル株式会社製、31JR)0.8gおよびカルボキシメチルセルロースナトリウム(和光純薬工業株式会社製)0.06gを、脱泡機能付き撹拌機を用いて、2000rpmで5分間混合した後、2200rpmで5分間脱泡した。
Example 1
<Preparation of gas diffusion electrode (cathode)>
As a suspension for forming a reaction layer, 2.4 g of silver powder (Silcoat, manufactured by Fukuda Metal Foil Industries Co., Ltd.), 0.8 g of a polytetrafluoroethylene aqueous suspension (31JR, manufactured by Mitsui Fluorochemical Co., Ltd.), and 0.06 g of sodium carboxymethylcellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed at 2000 rpm for 5 minutes using a stirrer equipped with a defoaming function, and then degassed at 2200 rpm for 5 minutes.
得られた懸濁液を、刷毛を用いて、電極支持層であるカーボンクロス(AvCarb Material Solutions製、1071HCB、縦9cm×横9cm×厚さ0.4mm)の一面に、横6cm×縦5.6cmの面積に250g/m2となるように塗布し、熱風乾燥機内で120℃にて1時間乾燥して反応層を形成し、陰極電極となるガス拡散電極を作製した。なお、電極支持層として使用したカーボンクロスは、単位体積当たりの液保持量が0.40-H2O/cm3のものである。
The obtained suspension was applied with a brush to one side of a carbon cloth (manufactured by AvCarb Material Solutions, 1071HCB,
<電解槽の作製>
電解槽は、図1に示すような構成にて作製した。電解槽(クロリンエンジニアズ株式会社製、0.336dm2電解槽)において、陽極電極として、ペルメレック電極株式会社製DSE(登録商標)を、イオン交換膜として旭化成株式会社製A1001をそれぞれ用いた。
<Preparation of electrolytic cell>
The electrolytic cell was prepared in the configuration shown in Figure 1. In the electrolytic cell (0.336 dm2 electrolytic cell manufactured by Chlorine Engineers Co., Ltd.), DSE (registered trademark) manufactured by Permelec Electrodes Co., Ltd. was used as the anode electrode, and A1001 manufactured by Asahi Kasei Corporation was used as the ion exchange membrane.
鉛直方向に位置するイオン交換膜を挟んで、陽極室内にて陽極電極をイオン交換膜方向に押圧し、陰極室内にて、ガス拡散電極を、反応層が配置された面と反対側の面にて、カーボンクロスがイオン交換膜と接するように、クッション材を用いて密着固定して、電解槽を構成した。 The electrolytic cell was constructed by sandwiching the ion exchange membrane positioned vertically and pressing the anode electrode in the direction of the ion exchange membrane in the anode chamber, and then using a cushioning material to closely attach the gas diffusion electrode in the cathode chamber so that the carbon cloth was in contact with the ion exchange membrane on the side opposite the side on which the reaction layer was placed.
<食塩電解実験>
食塩電解実験は、陽極液導入口より陽極室に80℃の飽和食塩水を供給し、酸素含有ガス導入口より陰極室にPSA濃縮酸素(93体積%)を供給した。飽和食塩水および酸素が陽極室、陰極室にそれぞれ供給されたことを確認した後、10Aの電流(電流密度3kA/m2)を陽極電極およびガス拡散電極の両極に供給した。電流供給後は、陽極液およびガス取出口の温度を80℃に、生成される水酸化ナトリウム水溶液濃度を35%となるよう管理しながら、電解を行った。
<Chlorine electrolysis experiment>
In the salt electrolysis experiment, saturated saline solution at 80°C was supplied to the anode chamber from the anolyte inlet, and PSA concentrated oxygen (93 % by volume ) was supplied to the cathode chamber from the oxygen-containing gas inlet. After confirming that saturated saline solution and oxygen were supplied to the anode chamber and cathode chamber, respectively, a current of 10 A (
陽極電極およびガス拡散電極の両電極間の抵抗は、パルス発生器とオシロスコープを用いたカレントインターラプタ―法にてモニタリングする測定した。 The resistance between the anode electrode and the gas diffusion electrode was monitored and measured using a current interrupter method with a pulse generator and an oscilloscope.
本構成の電解槽において、電流を供給して電解を開始後4日目の陽極および陰極間の抵抗は、0.31Vであった。また、イオン交換膜とガス拡散電極との間に、親水層を別途設ける必要がないため、組み立ては容易であった。 In the electrolytic cell of this configuration, the resistance between the anode and cathode on the fourth day after current was supplied and electrolysis was started was 0.31 V. In addition, since there was no need to provide a separate hydrophilic layer between the ion exchange membrane and the gas diffusion electrode, assembly was easy.
(実施例2)
ガス拡散電極の反応層の表面側に、さらに、ポリテトラフルオロエチレン水懸濁液(三井フロロケミカル株式会社製、31JR)を凹凸の発生しない程度に塗布し、疎水性樹脂層を形成した以外は、実施例1と同様の構成の電解槽を作製し、同様の条件による電解を行った。
Example 2
An electrolytic cell having the same configuration as in Example 1 was prepared, except that a polytetrafluoroethylene aqueous suspension (31JR, manufactured by Mitsui Fluorochemical Co., Ltd.) was further applied to the surface side of the reaction layer of the gas diffusion electrode to an extent that did not cause unevenness, thereby forming a hydrophobic resin layer. Electrolysis was performed under the same conditions as in Example 1.
本構成の電解槽において、電流を供給して電解を開始後4日目の陽極および陰極間の抵抗は、0.30Vであった。疎水性樹脂層を形成することにより、電極の接触抵抗が緩和され、実施例1に比べて、陽極および陰極間の抵抗がさらに抑制されたものと考えられる。また、実施例1と同様、イオン交換膜とガス拡散電極との間に、親水層を別途設ける必要がないため、組み立ては容易であった。 In the electrolytic cell of this configuration, the resistance between the anode and cathode on the fourth day after current was supplied and electrolysis was started was 0.30 V. It is believed that the contact resistance of the electrodes was alleviated by forming a hydrophobic resin layer, and the resistance between the anode and cathode was further suppressed compared to Example 1. Also, as in Example 1, there was no need to provide a separate hydrophilic layer between the ion exchange membrane and the gas diffusion electrode, so assembly was easy.
(実施例3)
反応層を形成する懸濁液に、カーボン粉末(電気化学工業株式会社製、AB-11)0.0024gおよびカーボン粉末(電気化学工業株式会社製、AB-6)0.0024gを追加した以外は、実施例1と同様の構成の電解槽を作製し、同様の条件による電解を行った。
Example 3
An electrolytic cell having the same configuration as in Example 1 was prepared, and electrolysis was performed under the same conditions, except that 0.0024 g of carbon powder (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., AB-11) and 0.0024 g of carbon powder (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., AB-6) were added to the suspension forming the reaction layer.
本構成の電解槽において、電流を供給して電解を開始後4日目の陽極および陰極間の抵抗は、0.31Vであった。また、実施例1,2と同様、イオン交換膜とガス拡散電極との間に、親水層を別途設ける必要がないため、組み立ては容易であった。 In the electrolytic cell of this configuration, the resistance between the anode and cathode on the fourth day after current was supplied and electrolysis was started was 0.31 V. Also, as in Examples 1 and 2, there was no need to provide a separate hydrophilic layer between the ion exchange membrane and the gas diffusion electrode, so assembly was easy.
(比較例1)
陰極室内にて、ガス拡散電極におけるカーボンクロスを、反応層が配置された面にて、イオン交換膜と接するように密着固定した以外は、実施例1と同様の構成の電解槽を作製し、同様の条件による電解を行った。
(Comparative Example 1)
An electrolytic cell having the same configuration as in Example 1 was prepared, except that the carbon cloth of the gas diffusion electrode was fixed in close contact with the ion exchange membrane on the side where the reaction layer was disposed, in the cathode chamber, and electrolysis was performed under the same conditions.
本構成の電解槽において、電流を供給して電解を開始後4日目の陽極および陰極間の抵抗は、0.70Vと悪化した。 In this electrolytic cell, the resistance between the anode and cathode deteriorated to 0.70 V four days after current was supplied and electrolysis began.
(比較例2)
陰極のガス拡散電極として、ペルメレック電極株式会社製カーボンクロス基材2室法GDEを使用し、さらに、ガス拡散電極とイオン交換膜との間に、親水性を示すペルメレック電極株式会社製カーボンクロスを配置する構成とした以外は、実施例1と同様に電解槽を作製し、同様の条件による電解を行った。
(Comparative Example 2)
An electrolytic cell was prepared in the same manner as in Example 1, and electrolysis was performed under the same conditions, except that a carbon cloth substrate two-chamber GDE manufactured by Permelec Electrodes Co., Ltd. was used as the gas diffusion electrode for the cathode, and further, a hydrophilic carbon cloth manufactured by Permelec Electrodes Co., Ltd. was disposed between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane.
本構成の電解槽において、電流を供給して電解を開始後4日目の陽極および陰極間の抵抗は、0.38Vであった。 In an electrolytic cell of this configuration, the resistance between the anode and cathode was 0.38 V four days after current was supplied and electrolysis was started.
一方、本構成の電解槽では、ガス拡散電極とイオン交換膜との間に、親水層であるカーボンクロスを配置したため、部材数が増加し、実施例1に比べて組み立ての容易性は劣った。 On the other hand, in the electrolytic cell of this configuration, a hydrophilic layer of carbon cloth was placed between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane, so the number of parts increased and the ease of assembly was inferior to that of Example 1.
比較例2は、実施例1~3に比べて、親水層とガス拡散電極の接触抵抗および親水層自身の抵抗が余分に存在したため抵抗上昇となったと考えられる。 Comparative Example 2 is believed to have increased resistance due to the presence of additional contact resistance between the hydrophilic layer and the gas diffusion electrode and the resistance of the hydrophilic layer itself compared to Examples 1 to 3.
1 電解槽
2 イオン交換膜
3 陽極室
4 陰極室
5 陽極電極
6a 電極支持層
6b 反応層
7 ガス拡散電極(陰極電極)
8 クッション材
9 陰極室背板(陰極端子)
10 陽極ガスケット
11 陰極ガスケット
12 陽極液導入口
13 陽極液およびガス取出口
14 酸素含有ガス導入口
15 水酸化ナトリウム水溶液取出口
1 Electrolytic cell 2
8 Cushioning
10
Claims (4)
前記陰極電極は、
親水性かつ導電性の電極支持層と、
(a)前記電極支持層の表面の一方の面側に配置され、かつ、親水性触媒および疎水性樹脂を含有する、導電性の反応層と、の2層のみからなるガス拡散電極;もしくは、
(b)前記電極支持層の表面の一方の面側に配置され、かつ、親水性触媒および疎水性樹脂を含有する、導電性の反応層と、疎水性樹脂層と、の3層のみからなるガス拡散電極であって、前記疎水性樹脂層は、前記ガス拡散電極の前記反応層が配置された面に接するように配置されている、ガス拡散電極であり、
前記陰極電極は、導電性であり、
前記電極支持層は、電極支持層単位体積当たりの液保持量が0.10g-H 2 O/cm 3 ~0.80g-H 2 O/cm 3 であり、
前記陰極室内において、前記ガス拡散電極における前記電極支持層が、前記反応層が配置された面と反対側の面にて、前記イオン交換膜と接するように配置されている、
ガス拡散電極食塩電解2室法の電解槽。 An electrolytic cell for a two-chamber method for gas diffusion electrode salt electrolysis, which is partitioned into an anode chamber and a cathode chamber by an ion exchange membrane, an anode electrode is installed in the anode chamber, a cathode electrode is installed in the cathode chamber, and electrolysis is performed by supplying saline solution to the anode chamber and an oxygen-containing gas to the cathode chamber,
The cathode electrode is
a hydrophilic and conductive electrode backing layer;
(a) a gas diffusion electrode consisting of only two layers, i.e., a conductive reaction layer disposed on one side of the surface of the electrode support layer and containing a hydrophilic catalyst and a hydrophobic resin ; or
(b) A gas diffusion electrode consisting of only three layers: a conductive reaction layer that is disposed on one side of the surface of the electrode support layer and contains a hydrophilic catalyst and a hydrophobic resin; and a hydrophobic resin layer, the hydrophobic resin layer being disposed so as to be in contact with the surface of the gas diffusion electrode on which the reaction layer is disposed ;
The cathode electrode is electrically conductive;
the electrode backing layer has a liquid retention capacity per unit volume of the electrode backing layer of 0.10 g-H 2 O/cm 3 to 0.80 g-H 2 O/cm 3 ;
In the cathode chamber, the electrode support layer of the gas diffusion electrode is disposed so as to be in contact with the ion exchange membrane on a surface opposite to a surface on which the reaction layer is disposed.
An electrolytic cell using the two-chamber gas diffusion electrode salt electrolysis method.
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