包括弹性构件的电解槽的制作方法

本发明涉及电解槽，特别是包括弹性构件的电解槽，该电解槽与传统电解槽相比对诸如离子交换膜或隔膜的膜几乎不造成损坏并且能够降低电解电压。

背景技术：

在用于电解水溶液的电解槽中，电解所需的电压受各种因素的影响。在这些因素中，阳极和阴极之间的间隔极大地影响电解电池电压。因此，通过减小电极之间的间隔来降低电解电池电压以减少电解所需的能量消耗量。在用于电解盐溶液的离子交换膜电解槽等中，阳极、离子交换膜和阴极以紧密配合的状态布置，以降低电解槽电压。然而，在电极表面积可以达到几平方米的大型电解槽中，在阳极和阴极通过刚性构件接合到电极室的情况下，难以在不对离子交换膜施加过大的压力的情况下将电极紧密地配合到离子交换膜并减小电极间隔以使其保持在规定值处。

为了克服这些问题，已经提出了下述电解槽，在该电解槽中将柔性电极用于阳极和阴极中的至少一个，使得电极之间的间隔是可调节的。

专利文献1提出在至少一个电极室中设置弹性构件和柔性电极。专利文献1中公开的弹性构件具有包括设置在电解分隔壁上的支承构件和从支承构件以倾斜方式延伸的多对梳状扁平弹簧状体的结构，并且每对梳状扁平弹簧状体被插入使相邻的扁平弹簧状体彼此相对。通过安装上述弹性体，即使在使用具有大的表面积的电极时电极表面也可以保持光滑，并且可以减少由于电极的位置偏差和施加在离子交换膜表面上的过大压力而对离子交换膜的损坏。

引文列表

专利文献

专利文献1：jp2004-2993a

技术实现要素：

技术问题

然而，即使在专利文献1中提出的离子交换膜电解槽中，也难以完全避免对离子交换膜的损坏。此外，由于电极的形状，存在当电极与专利文献1的弹性构件组合时电压升高的情况。另外，期望进一步降低电解电压以降低操作成本。

本发明的目的是提供与传统电解槽相比对诸如离子交换膜或隔膜的膜几乎不造成损坏并且能够降低电解电压的电解槽。

问题的解决方案

作为为解决上述问题的深入研究的结果，发明人发现，可以通过以规定的结构来配置设置在电解槽的电解分隔壁上的弹性构件来解决上述问题，从而发明人完成了本发明。

根据本发明的一个方面，提供了一种电解槽，该电解槽包括：容纳阳极的阳极室；容纳阴极的阴极室；将阳极室和阴极室分隔的电解分隔壁；以及在阳极室和阴极室中的至少一个内附接到电解分隔壁的弹性构件，其中，弹性构件具有弹簧保持部，其包括：接合到电解分隔壁的接合部；从接合部沿电解分隔壁的相对方向延伸、并且被布置成彼此平行的一对第一支承部；将一对第一支承部的端部彼此连接的第二支承部；以及沿与一对第一支承部的平行布置方向平行的方向延伸的两个弹簧排，并且每个弹簧排通过将多个第一扁平弹簧状体和多个第二扁平弹簧状体相组合来构成，多个第一扁平弹簧状体始于作为起点的第一支承部并且朝着电解分隔壁的相对方向延伸，多个第二扁平弹簧状体始于作为起点的第二支承部并且朝着电解分隔壁的相对方向延伸。

根据上述方面，每个第一扁平弹簧状体优选地在与从接合部到第一支承部和第二支承部的连接部的距离相同的距离的位置处朝着一对第一支承部中的另一个第一支承部弯曲。此外，每个第一扁平弹簧状体优选地与第一支承部沿电解分隔壁的相对方向延伸的方向平行地延伸到与从接合部分到第一支承部和第二支承部的连接部的距离相同的距离的位置，然后优选地在与从接合部到连接部的距离相同的距离的位置处朝着一对第一支承部中的另一个第一支承部弯曲。

根据上述方面，每个弹簧排优选地包括弹簧单元，在弹簧单元中，多个第一扁平弹簧状体和多个第二扁平弹簧状体被交替地布置。

根据上述方面，第一扁平弹簧状体的远端和第二扁平弹簧状体的远端优选地在纵向方向截面图中形成朝着电解分隔壁的相对方向凸起的弯曲形状。

根据上述方面，第一扁平弹簧状体的远端和第二扁平弹簧状体的远端优选地在与纵向方向正交的平面的截面图中形成朝着电解分隔壁的相对方向凸起的弯曲形状。

本发明的有益效果

通过设置上述弹性构件，与传统的电解槽相比，本发明的电解槽对诸如离子交换膜或隔膜的膜几乎不造成损坏，同时能够抑制电极的损坏。此外，可以通过上述弹性构件适当地调节表面压力，因此可以降低电解电压。

附图说明

[图1]图1是根据本发明的合适实施方式的电解槽的电解槽单元的示意性截面图。

[图2]图2是根据本发明的电解槽的弹性构件的放大示意性立体图。

[图3]图3是根据本发明的电解槽的弹性构件的扁平弹簧状体的沿纵向方向的示意性截面图。

[图4]图4是沿图3中的a-a'的截面图。

[图5]图5是说明根据本发明的电解槽的弹性构件的另一示例的放大示意性立体图。

[图6]图6是示出在示例和比较例中的扁平弹簧状体的压缩量与接触表面压力之间的关系的曲线图。

[图7]图7是示出在示例和比较例中的扁平弹簧状体的压缩量与每个扁平弹簧状体的负荷之间的关系的曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图详细说明本发明的实施方式。

图1是应用于本发明的合适实施方式的电解槽的电解槽单元的示意性截面图。其中示出的电解槽单元1是双极型电解槽单元，其设置有阳极室3、阴极室5以及将阳极室3和阴极室5分隔的电解分隔壁6。在图1中，电解分隔壁6通过将阳极分隔壁6a和阴极分隔壁6b相组合来构造。然而，本实施方式也适用于存在单个电解分隔壁的情况。阳极2容纳在与电解分隔壁6相对的阳极室3内。阴极4容纳在与电解分隔壁6相对的阴极室5内。

阳极2和阴极4的形式未被特别限制。例如，可以使用多孔金属网、网状体和编织体。可以使用其中诸如含铂族金属的层，含骨架(raney)镍的层或含活性炭的镍层的电极催化物质被涂覆在由镍或上述形式的镍合金制成的基板的表面上的阴极作为阴极4。可以使用通过将含铂族金属或铂族金属氧化物的电极催化物质涂覆到由诸如钛、钽或锆或其合金的薄膜形成金属制成的上述形式的基板的表面上而构成的阳极作为阳极2。

在电解槽单元1中，阳极保持构件7设置在阳极室3内。阳极保持构件7通过焊接接合到阳极2和电解分隔壁6。由此，阳极2和电解分隔壁6经由阳极保持构件7电连接。

在电解槽单元1中，弹性构件10设置在阴极室5内。弹性构件10由多个弹簧保持部30和设置在每个弹簧保持部30上的两个弹簧排40构成。弹性构件10接触电解分隔壁6。弹簧排40接触阴极4。由此，阴极4和电解分隔壁6经由弹性构件10电连接。

本发明的合适实施方式的电解槽通过经由诸如离子交换膜或隔膜的膜8层压多个电解槽单元1而被组装以供使用。

图1示出了弹性构件10设置在阴极室5内的示例，但是弹性构件10也可以设置在阳极室3内。

图2是根据本发明的电解槽的弹性构件的放大示意性立体图。弹性构件10由接合部20和弹簧保持部30构成。弹簧保持部30包括一对第一支承部31和第二支承部32。接合部20接合到扁平板状电解分隔壁6。第一支承部31是从接合部20朝着电解分隔壁6的相对方向延伸的构件。一对第一支承部31彼此平行地设置在电极分隔壁6的平面中。第二支承部32将一对第一支承部31的在电解分隔壁6的相对侧的端部彼此连接。弹簧保持部30通过将第一支承部31和第二支承部32相组合来构成。

在图1和图2的示例中，第一支承部31设置成沿与电解分隔壁6正交的方向延伸，但是本实施方式不限于这种构造。第一支承部31中的一个第一支承部31可以相对于另一个第一支承部31倾斜设置。在这种情况下，第一支承部31中的两个均可以是倾斜的，或者第一支承部31中的仅一个可以是倾斜的。此外，在图1和图2的示例中，第一支承部31的端部位于距电解分隔壁6相同的距离处，并且第二支承部32大致平行于电解分隔壁6。然而，本实施方式不限于这种构造。第一支承部31的端部可以定位在距电解分隔壁6不同的距离处，使得第二支承部32相对于电解分隔壁6倾斜。

每个弹簧保持部30具有两个弹簧排40。弹簧排40沿一对第一支承部31彼此平行设置的方向延伸。换句话说，弹簧排40沿与多个弹簧保持部30被布置在弹性构件10内的方向正交的方向延伸。

一个弹簧排40通过将多个第一扁平弹簧状体41和多个第二扁平弹簧状体42相组合来构成。第一扁平弹簧状体41和第二扁平弹簧状体42以梳状方式布置在一对第一支承部31彼此平行设置的方向上，即在与多个弹簧保持部件30被布置的方向正交的方向上。在一个弹簧排40内，第一扁平弹簧状体41的排和第二扁平弹簧状体42的排彼此平行。

第一扁平弹簧状体41始于作为起点的第一支承部31，并且朝着电解分隔壁6的相对方向延伸。换句话说，第一扁平弹簧状体41朝着阴极延伸。第一扁平弹簧状体41始于作为起点41a的第一支承部31的内部，并且在与从接合部20到第一支承部31和第二支承部32的连接部的距离相同的距离的位置(以下称为“弯曲点41b”)处朝着另一个第一支承部31(换句话说，沿同一弹簧排40内的第二扁平弹簧状体42的方向)弯曲。在图2的示例中，第一扁平弹簧状体41与第一支承部31沿电解分隔壁6的相对方向延伸的方向平行地从第一支承部31内的起点41a延伸到弯曲点41b，然后在与弯曲点41b对应的位置处沿第二支承部32的面内方向弯曲。此外，如上所述，第一扁平弹簧状体41的端部在第二支承部32的平面中沿电解分隔壁6的相对方向(朝着所示的示例中的阴极)弯曲。在本实施方式的情况下，第一扁平弹簧状体41的起点可以位于第一支承部31与接合部20之间的边界处。可以通过改变起点的位置来改变第一扁平弹簧状体41的长度。

第二扁平弹簧状体42始于作为起点的第二支承部32，并且朝着电解分隔壁6的相对方向延伸。换句话说，第二扁平弹簧状体42朝着阴极延伸。在图2的示例中，第二扁平弹簧状体42从起点42a大致平行于第二支承构件32地朝着在同一弹簧排内形成配对的第一扁平弹簧状体41的排延伸。然后，在处于中间位置的弯曲点42b处朝着电解分隔壁6的相对方向弯曲。第二扁平弹簧状体42可以具有以下形状：它们从起点42a朝着电解分隔壁6的相对方向弯曲。

可以通过改变第一扁平弹簧状体41的总长度、倾斜部的长度，弯曲量等来改变第一扁平弹簧状体41的弹性模量。第二扁平弹簧状体42的弹性模量可以通过第二扁平弹簧状体42的总长度、弯曲量等来改变。可以考虑从弹性构件10压在电极(在所示示例中为阴极)上的表面压力来适当地设计第一扁平弹簧状体41和第二扁平弹簧状体42的尺寸。在本实施方式中，第一扁平弹簧状体41优选地比第二板状弹簧状体42长。

在本实施方式中，第一扁平弹簧状体41和第二扁平弹簧状体42交替地布置在弹簧排40内的至少一部分中。在图2的示例中，第一扁平弹簧状体41和第二扁平弹簧状体42交替地布置在其中示出的弹簧组43中。利用作为单个单元的该弹簧组43，通过对准多个弹簧组43构成一个弹簧排40。因此，第一扁平弹簧状体41在相邻的弹簧组43之间是连续的。

作为替选示例，第二扁平弹簧状体42可以在相邻的弹簧组43之间是连续的，或者第一扁平弹簧状体41和第二扁平弹簧状体42可以交替地布置在整个弹簧排40上。

在图2的示例中，一个弹簧组43内的第一扁平弹簧状体41和第二扁平弹簧状体42的数目的比率是4：3。然而，可以考虑从弹性构件10压在电极(在所示示例中为阴极)上的表面压力来适当地设定该比率。

在图2中，一个弹簧排40内的第一扁平弹簧状体41和第二扁平弹簧状体42被构造成使得它们的端部彼此插入。由此，如图1和图2所示，当从第一支承部31延伸的方向(与弹簧支承部30的布置方向正交的方向)观察时，第一扁平弹簧状体41的端部和第二扁平弹簧状体42的端部彼此交叉。然而，本实施方式不限于这种构造，并且扁平弹簧状体的端部不必彼此交叉。

由于第一扁平弹簧状体的长度和形状与第二扁平弹簧状体的长度和形状不同，因此它们各自具有不同的弹性模量。通过改变弹簧状体的尺寸，第一扁平弹簧状体和第二扁平弹簧体的数目的比例等，可以改变弹性构件整体的弹性模量。因此，可以控制成所需的表面压力。

例如，可以通过在单个弹簧保持部上设置两个弹簧排来增加与电极(在所示示例中为阴极4)的接触点的数目。因此，与专利文献1中公开的传统弹性构件相比，即使弹性构件的表面积相同，也可以减小每个扁平弹簧状体施加的负荷。

鉴于上述情况，本实施方式的弹性构件可以抑制对膜施加过大的压力，并且可以抑制对电极本身的损坏。此外，通过适当地控制表面压力，可以降低电解电压。

此外，为了降低电解电压，优选将阳极和阴极均匀地压向膜并保持两个电极，使它们紧密贴合到膜。为了使电极上的压力均匀，需要增加弹簧状体的数目。本实施方式的弹性构件还可以降低电解槽的操作成本，因为与专利文献1相比，两个电极可以更均匀地贴合到膜。另外，本实施方式的弹性构件可以增加弹簧状体的数目而不需要任何复杂的加工，因此与专利文献1的弹性构件相比在制造成本方面也是有利的。

图3是第一扁平弹簧状体的纵向方向的示意性截面图，其示出了图2的第一扁平弹簧体的远端部。如图3所示，在纵向方向截面图(第一支承部31在电解分隔壁6的平面中延伸的方向)中，第一扁平弹簧状体41的远端部50具有朝着电解分隔壁6的相对方向(阴极)凸起的弯曲形状。在图3中，弯曲形状是弧形。

图4是沿图3中的a-a'的示意性截面图。如图4所示，第一扁平弹簧状体41的远端部50具有其中与第一扁平弹簧状体41的纵向方向正交的截面朝着电解分隔壁6的相对方向(阴极)凸起的弯曲形状。在图4中，弯曲形状是弧形。

从图2中清楚的是，每个第二扁平弹簧状体42的远端部也具有与第一扁平弹簧状体41相同的形状。

在本实施方式中，两个扁平弹簧状体的远端部可以仅沿纵向方向弯曲，并且与纵向方向正交的截面可以是平坦的。

图5是说明根据本发明的电解槽的弹性构件的另一示例的放大示意性立体图。将相同的附图标记分配给与图2相同的那些构造。图5的弹性构件110与图2的弹性构件10的不同之处在于弹簧排140的第一扁平弹簧状体141的远端部和第二扁平弹簧状体142的远端部的的形状。在图5所示的弹性构件110中，第一扁平弹簧状体141的远端部和第二扁平弹簧状体142的远端部具有其中弯曲部在纵向方向截面图中具有拐角的弯曲形状。此外，与纵向方向正交的截面不弯曲并且是平坦的。

如图2至图4所示，通过使第一扁平弹簧状体41和第二扁平弹簧状体42的远端弯曲，当阴极被压向弹性构件10时，接触表面积减小，因此可以减少对阴极的损坏。特别地，由于与纵向方向正交的截面也具有如图4所示的弯曲形状，因此可以进一步减小接触表面积，这是有利的。然而，即使具有图5中所示的形状，也可以减小阴极和弹性构件110之间的接触表面积。图5的形状是有利的在于，第一扁平弹簧状体141和第二扁平弹簧状体142的加工是容易的。

在本实施方式的电解槽中，弹性构件10和第一扁平弹簧状体41和第二扁平弹簧状体42的尺寸可以根据电解槽的电极表面积等来确定。可以通过例如冲压厚度为0.1mm至0.5mm的金属板然后用压模机等连续弯曲来制造弹性构件10。第一扁平弹簧状体41和第二扁平弹簧状体42的尺寸例如为1mm至10mm宽和20mm至50mm长。

在上面的示例中，仅两个弹簧排被对齐。然而，本实施方式的弹性构件的形状不限于此。例如，在两个弹簧排40之间，可以形成单独的弹簧排，在该弹簧排中两排第二扁平弹簧状体彼此相对地布置。

在上述实施方式中，使用了双极型电解槽单元。然而，在本实施方式中说明的弹性构件可以应用于单极型电解槽。

在上述实施方式中，弹性构件设置在阴极室5中，但弹性构件也可以设置在阳极室3中。

如果弹性构件设置在阴极室5中，则弹性构件由在阴极室5内的环境中表现出良好耐腐蚀性的材料制成。具体地，对于弹性构件的材料，可以使用镍、镍合金、不锈钢等。

如果弹性构件设置在阳极室3中，则可以使用诸如钛、钽或锆或其合金的薄膜形成金属作为弹性构件的材料。

在本实施方式的电解池用于电解碱金属卤化物的水溶液例如电解盐水溶液的情况下，向阳极室3供给饱和盐水，向阴极室5供给水或弱的氢氧化钠水溶液，以规定的分解速度进行电解，然后从电解槽中去除电解后的溶液。在使用离子交换膜电解槽电解盐溶液时，在阴极室5的压力被保持得高于阳极室3的压力的状态下进行电解，使得膜8紧密贴合到阳极2。在本实施方式中，阴极4由弹性构件10保持，因此可以在阴极4被定位成靠近膜8的表面达预定距离的情况下进行电解。此外，根据本实施方式的弹性构件10具有大的回复力，因此即使在异常期间阳极室3侧的压力增加，在压力被去除之后保持预定间隔的操作也是可能的。

示例

下面将详细解释本发明的示例，但这些示例仅用于适当地解释本发明的目的，并且本发明不以任何方式被限制于这些示例。

<示例>

通过冲压和弯曲厚度为0.2mm的纯镍平板来制造图2所示类型的弹性构件。下面详细说明由此制造的弹性构件的第一支承部、第二支承部和第一扁平弹簧状体和第二扁平弹簧状体。

弹性构件

接合部：9mm

第一支承部：12mm

第二支承部：47mm

每电极单元表面积的扁平弹簧状体的数目(第一扁平弹簧状体和第二扁平弹簧状体的总数)：9600/m²

第一扁平弹簧状体

从起点(图2中的附图标记41a)到弯曲点(图2中的附图标记41b)的长度：10.5mm

平行部(与第二支承部平行的部分；图3中的附图标记51)的长度：4.5mm

倾斜部(相对于第二支承部倾斜的部分；图3中的附图标记52)的长度：13.5mm

倾斜部的倾斜角：相对于第二支承部为40°

远端的纵向方向截面的曲率半径：2mm

与远端的纵向方向正交的方向的截面的曲率半径：1.5mm

第二扁平弹簧状体

平行部(与第二支承部平行的部分；图3中的附图标记51)的长度：4.5mm

倾斜部(相对于第二支承部倾斜的部分；图3中的附图标记52)的长度：13.5mm

倾斜部的倾斜角：相对于第二支承部的40°

远端的纵向方向截面的曲率半径：2mm

与远端的纵向方向正交的方向的截面的曲率半径：1.5mm

<比较例>

通过冲压和弯曲厚度为0.2mm的纯镍平板来制造比较例的弹性构件。比较例的弹性构件具有与专利文献1的图7对应的形状。其中，在弹簧保持部上形成单个弹簧排，在单个弹簧排中，对应于第二扁平弹簧状体的扁平弹簧状体交替地布置成彼此相对的两排。远端具有图5中所示的形状，并且远端不在纵向方向截面或与纵向方向正交的方向上的截面中被加工成弧形。对应于第二扁平弹簧状体的扁平弹簧状体的尺寸等如下。

弹性构件

接合部：9mm

第一支承部：12mm

第二支承部：47mm

每电极单元表面积的扁平弹簧状体的数目：3200/m²

弹簧状体

平行部(与第二支承部平行的部分)的长度：7mm

倾斜部(相对于支承部倾斜的部分)的长度：28.5mm

倾斜部的倾斜角度：相对于第二支承部分为20°

远端的纵向方向截面的曲率半径：2mm

使用在示例和比较例中制造的弹性构件测量弹性构件的压缩量和接触表面压力。图6是示出示例和比较例中的扁平弹簧状体的压缩量与接触表面压力之间的关系的曲线图。在图6中，使用该示例的扁平弹簧状体的4mm压缩量处的值作为参考来表示竖直轴上的接触表面压力。图7是示出示例和比较例中的扁平弹簧状体的压缩量与每一个扁平弹簧状体的负荷之间的关系的曲线图。在图7中，使用该示例的扁平弹簧状体的4mm压缩量处的值作为参考来表示竖直轴上的负荷。每一个扁平弹簧状体的负荷是通过将接触表面压力除以扁平弹簧状体的总数而获得的值。在该示例的情况下，负荷是第一扁平弹簧状体和第二扁平弹簧状体的平均值。

如图6所示，该示例的弹性构件表现出比比较例的弹性构件高的接触表面压力。此外，参照图7，可以理解，在该示例中，每一个扁平弹簧状体的负荷较小。根据这些结果，该示例的弹性构件可以更好地抑制对膜和电极的损坏。

在操作其中示例和比较例的弹性构件安装在阴极室内的电解槽时测量电极之间的电压。使用平纹组织网(材料：纯镍；催化剂：含铂族金属的层)作为阴极并且在操作期间的电流密度为6.0ka/m²的情况下进行该实验。结果，当使用示例的弹性构件时，电极之间的电压为2.9v，而当使用比较例的弹性构件时，电极之间的电压较高，为2.96v。可以说该结果是由于与比较例的弹性构件相比，该示例的弹性构件中的弹簧状体的数目较多，这使得电极能够均匀紧密地贴合到膜。

附图标记列表

1电解槽单元

2阳极

3阳极室

4阴极

5阴极室

6电解分隔壁

6a阳极分隔壁

6b阴极分隔壁

7阳极保持构件

8膜

10弹性构件

20接合部

30弹簧保持部

31第一支承部

32第二支承部

40,140弹簧排

41,141第一扁平弹簧状体

42,142第二扁平弹簧状体

43弹簧组