JP2014509694A - 塩溶液の減極電気透析用セル - Google Patents

Abstract

本発明は、電気エネルギーの消費が減少した、または消費のないプロセスによって関連の酸および塩を生成するための塩溶液電気透析セルに関する。このセルは、関連のガス拡散電極が設けられた、水素が供給される陽極室と、酸素または空気が供給される陰極室とを含み；この電気透析法の原動力は、２つの室に供給される水素および酸素の酸化還元化学ポテンシャルによって得られる。

Description

本発明は、ガス拡散電極によって減極される塩溶液電気透析セルに関する。

関連する酸および塩基を得ること意図した塩溶液の電気透析は、それぞれ陰イオン交換膜および陽イオン交換膜の２つのイオン交換膜によって陽極区画および陰極区画から分離された中央区画を有する３区画の電気化学セル中で行うことができる。中央区画に供給される塩の解離によって得られるイオン種は、電界の影響下でそれぞれの膜を通って移動して、陽極区画で関連する酸が生成し、陰極区画でそれぞれの塩基が生成する。陽極区画には陽極も設けられ、その表面上で酸素が発生し、一方、陰極区画には陰極が設けられ、その上で水素が発生する。この技術の可能性のある応用の１つは、たとえば、塩化ナトリウムブライン電気分解による苛性ソーダの最も一般的な製造の代替法の１つとしての、硫酸および苛性ソーダが生成される硫酸ナトリウム溶液の電気透析である。この方法は、たとえば、塩素が使用されない腐食性消費部位に使用することができ、この場合、塩素は取り扱いおよび保管が困難な副生成物となり、あるいは塩素および苛性ソーダの互いに独立した生成が望ましいあらゆる場合に使用することができる。にもかかわらず、この方法に関連する電力消費量は非常に大きく、その理由は、水素および酸素を生成する水の電気分解に相当する全体の正味の反応に関連する電圧、ならびに種々の構成要素、特に陰イオン交換膜における大きな抵抗降下のためである。過度の電力消費量の問題は、酸素発生陽極の代わりに、水素が供給され陽極分極されるガス拡散電極を使用することで従来は軽減されており：この方法では、全体の正味の反応では、アルカリ性環境での陰極における水素発生と、実質的に酸性の環境での陽極における水素消費との間の電位差に相当する可逆電圧がはるかに低くなる。しかし、この種類の技術でも、期待される結果は得られておらず、その理由は、一方では、この方法で加えられる種々の過電圧成分のために、いずれの場合も顕著なエネルギー消費につながるからであり、他方では、規則的に陽極区画に供給される水素流の加湿が困難なことに関連する低い電流密度（２ｋＡ／ｍ^２未満）でさえも動作電圧が変動することを特徴とする、この方法の制御が困難であるからである。不規則な水素の加湿によって、関連する膜の乾燥が生じ、その結果、オーム効果のために動作電圧が上昇し場合により急上昇する場合があり、あるいは、ガス拡散電極の部分的なフラッディングが発生し、その結果、供給される水素の物質移動画が不十分となるために動作電圧の上昇が生じる場合がある。フラッディングの最も深刻な場合には、セル電極に印加される電圧によって、水素を消費する陽極反応の支援が不可能となり、酸素発生が急激に開始し、発生期の酸素の酸化作用に対して抵抗性となるようには特に設計されていないガス拡散電極に破壊的影響が生じることがある。さらに、この状況では、当業者には明らかとなっているように、陽極区画で爆発性混合物が形成されることがある。

したがって、より高いエネルギー効率で、同時に、より容易で安全に運転される、塩溶液の電気透析のための新規な装置の提供が必要とされている。

本発明の種々の態様は、添付の特許請求の範囲に記載されている。

一実施形態においては、本発明は、３つ以上の室で構成され、すなわち、外部陽極半殻と、ガス拡散陽極とによって境界が定められ、水素含有燃料ガスが供給される１つの陽極室；酸および／または塩を含有する溶液からなるプロセス電解質が供給される少なくとも１つの中間室；イオン交換膜と陰極半殻とによって境界が定められ、ガス拡散陰極を含み、酸素含有酸化剤ガスが供給される１つの陰極室で構成され、２つの外部半殻が、互いに短絡しているか、または低出力電流整流器を含む電気回路を介して接続されているかのいずれかである、塩溶液の電気透析のための電解セルに関する。後者の場合、整流器の陽極が陽極半殻に接続され、陰極が陰極半殻に接続される。本発明による電気透析セルによって行われる全体的な反応は、水素および酸素の再結合によって水が得られる反応であり、燃料電池中で生じる反応と類似しており、これらの差は、陽極および陰極２つの反応の起電力が、電気エネルギーの生成には使用されず、電気透析プロセスの達成のみに使用されることである。特定の電流密度（たとえば最大２ｋＡ／ｍ^２）までは、このような方法は、電気の外部からの供給なしに進行させることができ（短絡セル）、より高い電流密度では、電気エネルギーの供給が必要となるが、従来技術のセルに必要な電圧よりもはるかに低い電圧しか必要としない。本発明者らは、この種類の構成を用いることで、本質的に安全な方法でセルを運転できることを観察しており：膜の部分的な乾燥またはガス拡散電極のフラッディングにより生じうる非効率性によって、実際この場合には、電流密度の一時的な現象が生じ、したがって生成が減少するが、外部からセルに印加される電流がなければ（またはわずかな量の電流であれば）、ガス拡散陽極表面上での有害な酸素発生現象が生じる可能性はない。ガス拡散陽極および陰極は、場合によりたとえばフッ素化ポリマー懸濁液を用いて疎水性にされ、気体反応物の拡散を促進するのに好適な組成物（たとえばカーボンブラックまたは金属粉末と、フッ素化ポリマーバインダーとの混合物）が充填され、白金族貴金属を場合により含有する触媒組成物によって少なくとも１つの外面上が活性化された、剛性導電性材料、たとえばカーボンペーパーまたは金属メッシュからなることができる。

一実施形態においては、電気透析セルは、１つの陽イオン交換膜と、ガス拡散陽極および陽イオン交換膜によって境界が定められた１つの中間室とを含む。処理される塩を含有する溶液は、場合により、室の下部に供給され、ガス拡散陽極によって生成した酸が濃縮され、種々の量の残留塩を含有する酸性溶液として上部から抜き取られる。あるいは、室は、多孔質平面状要素からなるパーコレーターを含み：この場合、塩を含有する溶液は、室の上部に供給されて、下部に流れ、そこから、ガス拡散陽極によって生成した酸が濃縮された後で取り出される。パーコレーターによって、関連する圧力水頭を実際に解消することで、電解質によって形成される液柱の圧力を均質化することができ、それによってガス拡散陽極の本体内部のフラッディングの可能性が排除され、それによってそのより信頼性の高い機能が保証される。この実施形態においては、生成物の１つを構成するアルカリ性溶液は、陽イオンの組み合わせによって形成され、中間室から陽イオン交換膜を通って移動し、ガス拡散陰極で生成するアルカリ分は、次にガス拡散陰極、または膜とガス拡散陰極との間に介在する親水性層の構造を透過し、陰極室の下部に集められ、そこから取り出される。

一実施形態においては、本発明の電気透析セルは、陽極室および陰極室に加えて、陰イオン型または陽イオン型のいずれかの１つのイオン交換膜と、２つの別個の中間室とを含む。希釈された塩基または塩あるいはそれらの混合物を含有する溶液を、陰極室に隣接しガス拡散陰極およびイオン交換膜によって境界が定められた第１の中間室の下部に供給することができ；この溶液は、ガス拡散陰極によって生成したアルカリ分が濃縮し、排出されると、室の上部は、種々の量の塩を含有することができる。あるいは、第１の中間室にはパーコレーターが設けられ：これによって、電解溶液は上部に供給され、アルカリ分が濃縮された溶液は下部から排出される。陽極室に隣接し、ガス拡散陽極およびイオン交換膜によって境界が定められた第２の中間室には、酸および／または塩を含有する溶液からなるプロセス電解質が供給され、これは出口に向かって流れると、ガス拡散陽極によって生成した酸が濃縮され；取り出される酸性溶液は、種々の量の塩を含有することができる。この場合も、第２の中間室には底部から供給することができるし、あるいはパーコレーターを設けて上部から供給して、下部に出口を有することができる。

一実施形態においては、電気透析セルは、３つの別個の中間室を含む。第１の中間室は、陰極室に隣接し、ガス拡散陰極と第１のイオン交換膜とによって境界が定められ、下部から、またはパーコレーターを用いて上部から、塩基および／または塩を含有する溶液が供給され、それが室を通過して流れることで、ガス拡散陰極によって生成したアルカリ分が濃縮され：室出口で取り出される生成物のアルカリ性溶液は、種々の量の塩を含有することができる。第２の中間室は、陽極室に隣接し、ガス拡散陽極と第２のイオン交換膜とによって境界が定められ、プロセス電解質が供給され、これが出口に流れると、ガス拡散陽極によって生成した酸が濃縮される。生成物の酸性溶液は種々の量の塩を含有することができる。第２の中間室も、底部から、またはパーコレーターを用いて上部から供給することができる。第３の中間室は、中央の位置に配置され、第１および第２のイオン交換膜によって境界が定められ、２つの膜の間であらかじめ設定された距離の維持と、局所的な希釈現象を防止するのに有用な特定のレベルの乱流の保証との目的でスペーサーを有する。第３の中間室には、たとえば底部から塩溶液が供給され、室の上部から消費された溶液が取り出される。

セルに供給されるプロセス電解質は、アルカリ塩、たとえばナトリウムまたはカリウムの硫酸塩、塩化物、炭酸塩、または重炭酸塩を含有することができ、その場合、一方の側で苛性ソーダまたは苛性カリが生成し、容易に再利用可能な塩酸または硫酸などの鉱酸、あるいは二酸化炭素が、他方の側から気体の形態で系から排出されるので好都合である。

陽極に供給される燃料ガスは、水蒸気改質、あるいは炭化水素または軽質アルコールの部分酸化によって得られる水素および二酸化炭素の混合物からなることができる。一実施形態においては、陰極区画に供給される酸化剤ガスは、周囲空気からなり、これは、純酸素と比較して陰極反応のエネルギー効率がある程度低下するにもかかわらず、非常に安価であるという利点を有する。別の一実施形態においては、陰極区画に供給される酸化剤ガスは、濃縮空気、たとえば周知の安価なＰＳＡシステムによって酸素含有率が５０％となった空気からなり、これは、はるかに低コストで純酸素に非常に近い陰極効率が得られるという利点を有する。他のプロセスの副生成物として利用可能な安価な水素および／または酸素を有するいくつかの化学プラントにおいては、混合物を用いるよりも純粋な反応物を用いて電気透析を行う方がより好都合となることが分かっている。

別の一態様では、本発明は、本明細書で前述したセル中で行われる塩溶液の減極電解方法であって、場合によりナトリウムまたはカリウムの塩化物、硫酸塩、炭酸塩、または重炭酸塩である、電気透析が行われる塩溶液を、中間室の１つの入口に供給し、排出溶液を関連の出口から取り出すステップと、水素含有燃料ガスを陽極室入口に供給し酸素含有酸化剤ガスを陰極室入口に供給するステップと、排出物を関連の出口から取り出すステップと、陽極半殻および陰極半殻相互に電気的に接続するステップとを含む方法に関する。半殻の接続は、電流密度を制御下に維持するための電流計、またはその他のプロセス機器が場合により挿入される単純な短絡であってよいし、あるいは直流を供給する小出力の整流器の挿入を含んでもよく、これは、小さな構成要素のエネルギー消費に対してプロセスの電流密度調整を促進するという利点を有することができる。

一実施形態においては、本発明は、２つの中間室を備えたセル中で行われる塩溶液の減極電解方法であって、ナトリウムまたはカリウムの塩化物または硫酸塩を場合により含有するプロセス電解質を、陰極区画に隣接する中間室の入口に供給し、関連の出口からアルカリ分が濃縮された排出物を取り出すステップと；酸性溶液を陽極区画に隣接する中間室の入口に供給し、関連の出口から酸が濃縮された排出物を取り出すステップと；水素含有燃料ガスを陽極室入口に供給し、酸素含有酸化剤ガスを陰極室入口に供給して、排出物を関連する出口から取り出すステップと、陽極半殻および陰極半殻を相互に電気的に接続するステップとを含む方法に関する。この場合も、半殻の接続は、電流密度を制御下に維持するための電流計、またはその他のプロセス機器が場合により挿入される単純な短絡であってよいし、あるいは直流を供給する小出力の整流器の挿入を含んでもよい。

最終的にしっかり締める前の２つの中間区画を含む種類の本発明による電気透析セルの可能な実施形態の概略断面図を示している。

図面の詳細な説明
図面中、陰極半殻１、陽極半殻５によって境界が定められる電気透析セルの一実施形態であって、４つの室、すなわち陰極室Ａ、陰極室Ａに隣接する第１の中間室Ｂ、陽極室Ｄに隣接する第２の中間室Ｃ、および陽極室Ｄからなる電気透析セルの一実施形態が示されている。

陰極室Ａは、イオン交換膜１２および陰極半殻１によって境界が定められ、この場合はストリップ２の形態の電流を伝達するための複数の要素、この場合は目の粗いメッシュのエキスパンドシート３を弾性マット４に重ね合わせることによって得られる小孔を有する集電体、ガス拡散陰極１０、およびガス拡散陰極１０をイオン交換膜１２から分離する親水性布１１を含む。次に、陽極室Ｄは、陽極半殻５およびガス拡散陽極９によって境界が定められ、この場合はストリップ６の形態の電流を伝達するための複数の要素と、目の粗いメッシュのエキスパンドシート７および目のより細かいエキスパンドシート８を重ね合わせることによって得られる小孔を有する集電体とを含む。

第１の中間室Ｂは、それぞれ陽イオン膜および陰イオン膜であってよいイオン交換膜１２および１４によって境界が定められ、ポリマー材料でできた三次元メッシュからなることができるスペーサー１３がそれらの間に配置されている。

陽極室Ｄに隣接する第２の中間室Ｃは、ガス拡散陽極９およびイオン交換膜１４によって境界が定められ、ポリマー材料でできた三次元メッシュからなることができるパーコレーター１５がそれらの間に配置されている。

２つの区画ＡおよびＤは、電流計を介して相互に短絡して接続されている。

本発明者らによって得られた最も顕著な結果の一部を以下の実施例に示すが、これらの実施例は本発明の範囲の限定を意図したものではない。

実施例１
図面に示される方法により実験用セルを組み立てた。このセルは、ＡＩＳＩ ３１０ステンレス鋼でできた陰極半殻１を含み、その上に壁ストリップ２を取り付け：ストリップ２上には、５および１０ｍｍの対角線を有する菱形の開口部を有する厚さ１ｍｍエキスパンドシートでできた集電体３を取り付けた。ストリップ２および集電体３もＡＩＳＩ ３１０ステンレス鋼でできていた。集電体を、直径０．３ｍｍのニッケルワイヤーコイルの組立体から形成された弾性マット４に接触させ、次にこれを、ガス拡散陰極（ＧＤＣ）１０および多孔質親水性層１１からなる組立体に接触させた。ＧＤＣは、ポリテトラフルオロエチレン懸濁液中に浸漬し、次に３５０℃で焼結熱処理を行うことによって防水性にされた黒鉛化カーボンペーパーでできており：マット４に接触する表面とは反対側のカーボンペーパーの表面上には、ＰＴＦＥ粒子および高比表面積炭素上に担持された白金粒子（Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２炭素上の６０％白金／Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の混合物からなる触媒膜をあらかじめ取り付けておいた。ＧＤＣの触媒面は２０×２０ｃｍ^２であった。接触電気抵抗を最小限にするために、集電体３およびマット４の両方には、厚さ５μｍの銀膜をコーティングした。

半殻１の壁および陽イオン交換膜１２（Ｎｅｏｓｅｐｔａ ＣＭ−２／Ａｓｔｏｍ Ｃｏｒｐ．）によって境界が定められた陰極室Ａに純酸素を供給した。別の試験においては、酸素の代わりに６０％の酸素を含有する濃縮空気を使用した。

チタン製の陽極半殻５にチタンストリップ６を取り付け、その上に、５および１０ｍｍの対角線を有する菱形の開口部を有する厚さ１ｍｍの第１のチタン製エキスパンドシート７と、３および５ｍｍの対角線を有する菱形の開口部を有する０．２％のパラジウムを含有するチタンでできた厚さ０．５ｍｍの第２のエキスパンドシート８とからなる集電体を取り付けた。この集電体は、ポリテトラフルオロエチレン懸濁液中に浸漬し、次に３５０℃で焼結熱処理を行うことによって防水性にされた黒鉛化カーボンペーパーでできたガス拡散陽極（ＧＤＡ）９との接触が維持されるようにした。半殻５の壁およびＧＤＡによって境界が定められる陽極室Ｄに純水素を供給した。

シート８に接触する表面とは反対側のカーボンペーパーの表面上には、ＰＴＦＥ粒子および高比表面積炭素上に担持された白金粒子（Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２炭素上の６０％白金／Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の混合物からなる触媒膜をあらかじめ取り付けておいた。シート８とＧＤＡとの間の接触電気抵抗を最小限にするために、電気めっきにより厚さ０．２μｍの白金膜をシート８上に取り付けた。

ＧＤＡの触媒面は２０×２０ｃｍ^２であり、これを厚さ１ｍｍの第１のポリエチレンメッシュ１５と接触した状態に維持し、次にこれを陰イオン交換膜１４（Ｎｅｏｓｅｐｔａ ＡＭＸ／Ａｓｔｏｍ Ｃｏｒｐ．）に接触した状態に維持し：メッシュ１５は、ＧＤＡと膜１４との間のであらかじめ設定された一定の間隙を確保する目的を有し、ＧＤＡおよび膜１４の表面によって境界が定められる中間室Ｃ（前述の第２の中間室）には、試験段階中に１〜５％の間に調節された濃度を有する塩酸溶液を通した。

別の試験において、中間室Ｃには、１００〜２００ｇ／ｌの間で変動する濃度の塩化ナトリウムを含有する溶液を供給した。

膜１４は、これも厚さ１ｍｍである第２のポリエチレンメッシュ１３と接触した状態に維持し、次にこれを陽イオン交換膜１２に接触させ：２つの膜１２および１４によって境界が定められる中間室Ｂ（前述の第１の中間室）には、試験中に１００〜２００ｇ／ｌの間で変動する濃度を有する塩化ナトリウム溶液を底部から上部に供給した。この塩化ナトリウム溶液は、回収容器を介して再循環させた。別の試験においては、塩化ナトリウム溶液は再循環させず、塩酸を有する混合物が生成された中間室Ｃに供給した。

外部環境に種々の流体が漏れるのを防止するために必要な関連の周囲ガスケット（図示せず）をともに介在させながら、好適なタイロッドを用いて、半殻１および１０を要素４、１０、１１、１２、１３、１４、１５、および９と、しっかり締め付けることによって、セルを組み立てた。２つの半殻の締め付けによって、弾性マット４が圧縮され、それによって、組立体の種々の部品間の十分な接触圧力が保証された。

次にセル室を関連の供給および抜き取り回路に接続し、特に：
−陰極室Ａは、純酸素または濃縮空気の供給回路、および排出酸化剤ガスの抜き取り回路に接続した。親水性多孔質層１１を介して浸透する苛性ソーダが抜き取りされる排出パイプを、室の下部に接続した。中間室Ｂに供給される塩化ナトリウム溶液の濃度を１００〜２００ｇ／ｌの間で変化させることによって、苛性ソーダ濃度を１０〜２０％の間に調節した；
−中間室Ｂは、１００〜２００ｇ／ｌの塩化ナトリウムの供給回路（下部）、および消費された塩化ナトリウムの抜き取り回路（上部）に接続した；
−中間室Ｃは、希塩酸の供給回路（下部）および生成物の塩酸（１〜５％）のｄ抜き取り回路（上部）に接続した；
−陽極室Ｄは、反応物として使用される水素の供給回路および排出水素の抜き取り回路に接続した。

中間室ＢおよびＣに供給する溶液の温度を制御することで７０℃に温度調節したセルは、０．４Ｖの開回路電圧を有した。半殻１および１０を短絡させた後、電気回路に挿入された電流計によって測定される循環電流を、純酸素が供給される場合には２ｋＡ／ｍ^２の電流密度に相当する８０Ａで安定化させ、６０％酸素を含有する濃縮空気供給の場合は１．７ｋＡ／ｍ^２の電流密度に相当する６８Ａで安定化させ、どちらも工業用途に好適な値である。中間室Ｂに供給される溶液の１００ｇ／ｌの塩化ナトリウム濃度では、苛性ソーダの濃度は１５〜１７％であった。塩酸および苛性ソーダの生成物の収率は約８５％であった。

次の試験では、中間室Ｂの出口で得られた塩化ナトリウム溶液を中間室Ｃの供給材料として使用した。中間室Ｃの出口の生成物は、この場合１〜５％の塩酸および１００〜２００ｇ／ｌの塩化ナトリウムを含有した。

実施例２
陰イオン交換膜１４の代わりに陽イオン交換膜（Ｎｅｏｓｅｐｔａ ＣＭ−２）を使用したことを除けば実施例１と同じセルを使用し：この場合、中間室Ｃ中で生成した酸の過剰の画分は、このような膜を通過して中間室Ｂに移動した。この損失の主要部分は、中間室Ｂを出た塩化ナトリウム溶液を再循環させるのではなく、中間室Ｃの入口に送る場合に回復することが観察され：実際このようにして、事実上失われる塩酸量は、膜１２を通過して移動する画分に限定された。この画分は、驚くべきことに非常に少量であることが分かり：この好ましい効果は、塩化ナトリウムの解離によって形成されるナトリウムイオンの作用に起因し、これによって酸の輸率が大きく減少する。特に、８４Ａの短絡電流が得られ、これは２．１ｋＡ／ｍ^２の電流密度に相当し、酸および苛性ソーダの生成物の収率は約８０％であった。

実施例３
親水性多孔質層１１の代わりにメッシュ１３および１５と同等の厚さ０．５ｍｍポリエチレンメッシュを加えることによって、実施例１のセルを修正した。さらに、塩酸希釈溶液を中間室Ｃの上部に供給し、下部に位置する出口まで浸透させた。全体的に同様の方法で、親水性多孔質層１１の代わりに取り付けたメッシュには、上部から希釈苛性ソーダ溶液を供給し、これは下部に浸透するにつれて濃縮され、下部からこれを取り出した。ＧＤＡおよびＧＤＣに加わる圧力水頭が顕著に減少し、垂直高さが１メートルを超える工業用セルの製造が可能となるので、この種類の供給を試験した。逆に実施例１および２のセル構造は、ＧＤＡおよびＧＤＣへの圧力水頭がより高くなり、これは、中間室ＢおよびＣを出て流れる溶液に関連する動的効果が加わった正味の水頭に相当する。この状況では、最大セル高さが約５０〜７０ｃｍに限定され、さもなければガス拡散電極の内部構造でフラッディングが生じ、その結果性能が低下する。短絡電流は７５Ａであり、これは約１．９ｋＡ／ｍ^２の電流密度に相当する。

実施例４
膜１４およびメッシュ１３を除去してセル構造を単純化し、ＧＤＡ９および膜１２によって境界が定められる１つの中間室で運転して、実施例１の試験を繰り返した。この場合、残りの中間室に、中性ｐＨで２００ｇ／ｌを超える濃度の塩化ナトリウム溶液が１パスで供給される場合には、約７５％の酸および苛性ソーダの生成の収率が得られ、依然として工業用途に許容されると考えられた。短絡電流は９２Ａであり、これは２．３ｋＡ／ｍ^２の電流密度に相当した。

実施例５
硫酸ナトリウム溶液を使用して実施例１の試験を繰り返すと、１０％の硫酸および１５％の苛性ソーダが生成された。得られた結果は、生成収率および短絡電流に関しては、塩化ナトリウム溶液からの塩酸および苛性ソーダの生成に関して前述した結果と実質的に同等であった。

以上の説明は、本発明の限定を意図したものではなく、本発明は、本発明の範囲から逸脱しない種々の実施形態により使用することができ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって一義的に定義される。

本出願の説明および特許請求の範囲の全体にわたって、用語「含む」（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）、ならびに「含むこと」（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）および「含む」（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）などのその変形は、他の要素および添加物の存在の排除を意図したものではない。

文献、行為、材料、装置、論文などの議論は、本発明の背景を提供する目的でのみ本明細書に含まれている。これらの事項のいずれかまたはすべてが、従来技術の基礎の一部を形成したり、本出願の各請求項の優先日以前に本発明の関連分野で共通の一般知識となったりしたことを、示唆したり意味したりするものではない。

Claims (18)

1. 陽極半殻および陰極半殻によって境界が定められた、塩溶液の電気透析のために電解セルであって：
   −前記陽極半殻と、ガス拡散陽極とによって境界が定められ、水素含有燃料ガスが供給される１つの陽極室と；
   −酸および／または塩を含有する溶液からなるプロセス電解質が供給され、前記ガス拡散陽極およびイオン交換膜によって境界が定められる、少なくとも１つの中間室と；
   −前記イオン交換膜および前記陰極半殻によって境界が定められ、ガス拡散陰極を含み、酸素含有酸化剤ガスが供給される１つの陰極室とを含み；
   前記陽極半殻および前記陰極半殻が、互いに短絡しているか、あるいは、前記陽極半殻に接続される陽極と前記陰極半殻に接続される陰極とを有する電流整流器を介して接続されるかである、電解セル。
2. 前記少なくとも１つの中間室が、上部から前記プロセス電解質を供給するのに適したパーコレーターを前記ガス拡散陽極と前記イオン交換膜との間に含む、請求項１に記載のセル。
3. ２つの中間室、すなわち、塩溶液が供給され、前記第１のイオン交換膜および前記第２のイオン交換膜によって境界が定められる第１の中間室と、酸および／または塩を含有する溶液からなる前記プロセス電解質が供給され、前記第２のイオン交換膜および前記ガス拡散陽極によって境界が定められる第２の中間室とを含む、請求項１に記載のセル。
4. 前記第２の中間室が、酸および／または塩を含有する溶液からなる前記プロセス電解質を上部から供給するのに適した第１のパーコレーターを含み、前記第１のパーコレーターが前記ガス拡散陽極と前記第２のイオン交換膜との間に配置される、請求項３に記載のセル。
5. 前記第２の中間室の供給が、前記第１の中間室の出口に接続される、請求項３に記載のセル。
6. 前記第１の中間室がスペーサーを含む、請求項３に記載のセル。
7. 前記陰極室が、前記ガス拡散陰極によって生成されたアルカリ溶液を含有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のセル。
8. ３つの中間室、すなわち、塩基および／または塩を含有する溶液が供給され、前記イオン交換膜および前記ガス拡散陰極によって境界が定められる第１の中間室と、酸および／または塩を含有する溶液からなる前記プロセス電解質が供給され、第２のイオン交換膜および前記ガス拡散陽極によって境界が定められる第２の中間室と、塩溶液が供給される第３の中間室とを含む、請求項１に記載のセル。
9. 前記第１の中間室が、前記塩基および／または塩を含有する前記溶液を上部から供給するのに適したパーコレーターを含む、請求項８に記載のセル。
10. 前記第３の中間室がスペーサーを含む、請求項８または９に記載のセル。
11. 前記酸および／または塩を含有する前記溶液が、アルカリ塩化物、硫酸塩、炭酸塩、または重炭酸塩を含有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のセル。
12. 前記酸および／または塩を含有する前記溶液が、塩酸または硫酸を含有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセル。
13. 前記第１のイオン交換膜が陽イオン膜であり、前記第２のイオン交換膜が陰イオン膜である、請求項３〜１２のいずれか一項に記載のセル。
14. 前記外部電気接続が、前記陽極半殻に接続される陽極と前記陰極半殻に接続される陰極とを有する電流整流器を含む電気開路である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のセル。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載のセル中での塩溶液の電気透析方法であって：
    −少なくとも１つの前記中間室の入口に前記プロセス電解質を供給し、関連の排出物をそれぞれの出口から取り出すステップと；
    −前記陽極室の入口に水素含有燃料ガスを供給し、水素が消費された燃料ガスをそれぞれの出口から取り出すステップと；
    −前記陰極室の入口に酸素含有酸化剤ガスを供給し、酸素が消費された酸化剤ガスをそれぞれの出口から取り出すステップと；
    −前記陽極半殻および陰極半殻を相互に電気接続し、場合により前記整流器を介して直流を供給するステップとを同時または逐次ステップとして含む、方法。
16. 前記プロセス電解質が、アルカリ塩化物、硫酸塩、炭酸塩、または重炭酸塩を含有する、請求項１５に記載の方法。
17. 請求項３〜１１のいずれか一項に記載のセル中での塩溶液の電気透析方法であって：
    −前記プロセス電解質を１つ以上の中間室に供給し、アルカリ分を含有する排出物をそれぞれの出口から取り出すステップと；
    −前記第２の中間室の入口に酸溶液を供給し、酸が濃縮された排出物をそれぞれの出口から取り出すステップと；
    −前記陽極室の入口に水素含有燃料ガスを供給し、水素が消費された燃料ガスをそれぞれの出口から取り出すステップと；
    −前記陰極室の入口に酸素含有酸化剤ガスを供給し、酸素が消費された酸化剤ガスをそれぞれの出口から取り出すステップと；
    −前記陽極半殻および陰極半殻を相互に電気接続し、場合により前記整流器を介して直流を供給するステップとを同時または逐次ステップとして含む、方法。
18. 前記プロセス電解質と、前記第２の中間室に供給される前記酸溶液とが、同じ陰イオン、場合により塩化物または硫酸塩を含有する、請求項１７に記載の方法。

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