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1. (WO2018182005) 水電解システム、水電解方法、水素の製造方法
Document

明 細 書

発明の名称 水電解システム、水電解方法、水素の製造方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009  

先行技術文献

特許文献

0010  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018  

課題を解決するための手段

0019   0020  

発明の効果

0021  

図面の簡単な説明

0022  

発明を実施するための形態

0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134   0135   0136   0137   0138   0139   0140   0141   0142   0143   0144   0145   0146   0147   0148   0149   0150   0151   0152   0153   0154   0155   0156   0157   0158   0159   0160   0161   0162   0163   0164   0165   0166   0167   0168   0169   0170   0171   0172   0173   0174   0175   0176   0177   0178   0179   0180   0181   0182   0183   0184   0185   0186   0187   0188   0189   0190   0191   0192   0193   0194   0195   0196   0197   0198   0199   0200   0201   0202   0203   0204   0205   0206   0207   0208   0209   0210   0211   0212   0213   0214   0215   0216   0217   0218   0219   0220   0221   0222   0223   0224   0225   0226   0227   0228   0229   0230   0231   0232   0233   0234   0235   0236  

実施例

0237   0238   0239   0240   0241   0242   0243   0244   0245   0246   0247   0248   0249   0250   0251   0252   0253   0254   0255   0256   0257   0258   0259   0260   0261   0262   0263   0264   0265   0266   0267   0268   0269   0270   0271   0272   0273   0274   0275   0276   0277   0278   0279   0280   0281   0282   0283   0284   0285   0286   0287   0288   0289   0290   0291   0292   0293   0294   0295   0296   0297   0298   0299   0300   0301   0302   0303   0304   0305   0306   0307   0308   0309   0310   0311   0312   0313   0314   0315   0316   0317   0318   0319   0320   0321   0322   0323   0324   0325   0326   0327   0328   0329   0330   0331   0332   0333   0334   0335   0336   0337   0338   0339   0340   0341   0342   0343   0344   0345   0346   0347   0348   0349   0350   0351   0352   0353   0354   0355   0356   0357  

産業上の利用可能性

0358  

符号の説明

0359  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

明 細 書

発明の名称 : 水電解システム、水電解方法、水素の製造方法

技術分野

[0001]
 本発明は、水電解システム、水電解方法、水素の製造方法に関する。

背景技術

[0002]
 近年、二酸化炭素等の温室効果ガスによる地球温暖化、化石燃料の埋蔵量の減少等の問題を解決するため、再生可能エネルギーを利用した風力発電や太陽光発電等の技術が注目されている。
[0003]
 再生可能エネルギーは、出力が気候条件に依存するため、その変動が非常に大きいという性質がある。そのため、再生可能エネルギーによる発電で得られた電力を一般電力系統に輸送することが常に可能とはならず、電力需給のアンバランスや電力系統の不安定化等の社会的な影響が懸念されている。
[0004]
 そこで、再生可能エネルギーから発電された電力を、貯蔵及び輸送が可能な形に代えて、これを利用しようとする研究が行われている。具体的には、再生可能エネルギーから発電された電力を利用した水の電気分解(電解)により、貯蔵及び輸送が可能な水素を発生させ、水素をエネルギー源や原料として利用することが検討されている。
[0005]
 水素は、石油精製、化学合成、金属精製等の場面において、工業的に広く利用されており、近年では、燃料電池車(FCV)向けの水素ステーションやスマートコミュニティ、水素発電所等における利用の可能性も広がっている。このため、再生可能エネルギーから特に水素を得る技術の開発に対する期待は高い。
[0006]
 水の電気分解の方法としては、固体高分子型水電解法、高温水蒸気電解法、アルカリ水電解法等があるが、数十年以上前から工業化されていること、大規模に実施することができること、他の水電解システムに比べると安価であること等から、アルカリ水電解は特に有力なものの一つとされている。
[0007]
 しかしながら、アルカリ水電解を今後エネルギーの貯蔵及び輸送のための手段として適応させるためには、前述のとおり出力の変動が大きい電力を効率的且つ安定的に利用して水電解を行うことを可能にする必要があり、アルカリ水電解用システムの諸課題を解決することが求められている。
[0008]
 アルカリ水電解において、ポンプを用いて電解液を循環させるアルカリ水電解システムが知られている(特許文献1参照)。
[0009]
 アルカリ水電解システムにおいて継続的に安定した稼働を確保するためには安全性、信頼性の高いガスの供給環境を構築することは重要である。そのための手段として、水封器はシステム外の大気とシステム内を水で遮断するため、特に信頼性の高いガスの効率的供給環境を提供し得るものとして一般に用いられている(特許文献2)。

先行技術文献

特許文献

[0010]
特許文献1 : 特開2013-028822号公報
特許文献2 : 特開2014-223590号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0011]
 アルカリ水電解で採用するシステムには、気液分離用タンクや電極液タンクをはじめ、貯蔵タンクは必須の構成であるにも関わらず、十分な検討がなされているとは言えず、用いる電解液の種類によってはタンクの劣化等を引き起こしてしまう課題が生じている。
[0012]
 アルカリ水電解システムは、安定した性能を持続的に維持することが当然に望まれている。そのためには電解液を貯蔵するタンク、気液分離を行うタンク等のタンク類が劣化等を起こすことなく、且つ、気液分離タンクであれば気液分離性を最大限に発揮できるような構成が望まれる。
[0013]
 そこで、本発明は、アルカリ水電解システムの気液分離タンクにおける気液分離性を顕著に向上させることを第一の課題とする。
[0014]
 また、電解液を循環させるためにポンプを用いると、ポンプの動力源として電力を使用するために電力効率が低下し、又/及びポンプによる電解液の循環量が一定であると、変動電源下の低電流密度時に、ガス純度が悪化することがあった。
[0015]
 従って、本発明の第二の課題は、電力効率が低下しにくく、低電流密度条件においてガス純度に優れるアルカリ水電解システムを提供することにある。
[0016]
 しかしながら、水封器は常に一定の水を充填している必要があることから、水封器の為の製水設備と水量の管理が必要となる。このため、アルカリ水電解槽中の循環液量やアルカリ濃度の管理を個別に実施するためには、アルカリ水電解システム全体として複雑な管理が必要となり、設備の負荷も非常に大きくなってしまうことが問題となってきた。水封器を電気分解に利用することは知られているが、電気分解システム全体の効率を考慮した検討はなされていない。
[0017]
 また、フレームアレスターに凝縮して溜まるミスト成分がガス配管を閉塞させ、酸素側と水素側の差圧が制御できなくなる、または、水封器内の圧力が高くなり水封器内の液面高さが低下し、水封レベルが低下する課題があり、前記凝縮水を系外に排出する作業が必要であった。このため、前記と同様に循環液量やアルカリ濃度の管理が複雑になる課題を有していた。
[0018]
 そこで、本発明は、水封器を利用してアルカリ水電解システム全体を効率化することを第三の課題とする。

課題を解決するための手段

[0019]
 本発明らは、気液分離タンクへの電解液及びガスの流入態様に着目し、上記課題の解決に向けた検討を行った結果、以下に記載する解決手段によって、気液分離タンクの気液分離性能を向上せしめた。
[0020]
 本発明の要旨は以下の通りである。
[1]
 少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有する水電解システムであり、
 ガスと電解液との混合物を前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させるための流入口が、前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている、
ことを特徴とする、水電解システム。
[2]
 少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有するアルカリ水電解システムであり、
 ガスと電解液との混合物を前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させるための流入口が、前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている、
ことを特徴とする、アルカリ水電解システム。
[3]
 前記流入口に取り付けられる配管は、前記気液分離タンクの内壁に沿って設置されている、[1]又は[2]に記載の水電解システム。
[4]
 前記電解槽と前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが独立しており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び/又は前記電解槽の外枠外の下部及び/又は上部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、[1]~[3]のいずれかに記載の水電解システム。
[5]
 前記電解槽と前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが一体化されており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び/又は前記電解槽の外枠内の下部及び/又は上部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、[1]~[4]のいずれかに記載の水電解システム。
[6]
 前記気液分離タンクの内面に樹脂ライニング層を有しており、
 前記樹脂ライニング層の厚みが0.5~4.0mmである、
[1]~[5]のいずれかに記載の水電解システム。
[7]
 前記樹脂ライニング槽の厚みの標準偏差が1.0mm以下である、[6]に記載の水電解システム。
[8]
 前記樹脂ライニング層がフッ素系樹脂である、[6]又は[7]に記載の水電解システム。
[9]
 前記フッ素系樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)からなる群から選択される少なくとも1種類である、[8]に記載の水電解システム。
[10]
 前記樹脂ライニング層が2層以上である、[6]~[9]のいずれかに記載の水電解システム。
[11]
 前記気液分離タンクの外面が保温材で覆われている、[1]~[10]のいずれかに記載の水電解システム。
[12]
 前記電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンクと、前記電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンクとに接続された合流管をさらに有する、[1]~[10]のいずれかに記載の水電解システム。
[13]
 [1]~[12]のいずれかに記載の水電解システムを、電流密度8kA/m 以上で継時的に電流密度が変動する電源下で、且つ、電解温度80℃以上で使用することを特徴とする、水電解方法。
[14]
 アルカリを含有する水を電解槽を有するシステムにより水電解し、水素を製造する水素製造方法において、
 ガスと電解液との混合物を前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置で前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させる、
ことを特徴とする、水素製造方法。
[15]
 前記気液分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記気液分離タンクへ電解液を送る電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をh(単位:m)、
 前記電解槽の電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置と前記気液分離タンクの電解液液面との鉛直方向の距離をH(単位:m)とした時に、以下の関係を満たし、
 0.01×H≦h≦0.5×H
 前記電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置が、前記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向上側にあり、前記電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置が、前記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向下側にある、
[1]に記載の水電解システム。
[16]
 前記複極式電解槽と前記気液分離タンクとが離れて設けられている、[15]に記載の水電解システム。
[17]
 前記気液分離タンクが、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
 前記酸素分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記酸素分離タンクへ電解液を送る陽極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をhaと、
 前記水素分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記水素分離タンクへ電解液を送る陰極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をhcとが、
以下の関係を満たす、[15]又は[16]に記載の水電解システム。
ha≦hc
[18]
 前記気液分離タンクが、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
 前記酸素分離タンク及び前記水素分離タンクから吐出された電解液が混合されて、前記電解槽に送られる、[15]~[17]のいずれかに記載の水電解システム。
[19]
 経時的に電流密度が変動する電力源を更に含む、[15]~[18]のいずれかに記載の水電解システム。
[20]
 前記電解槽と、前記電解槽に前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが一体化されており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び/又は前記電解槽の外枠内の下部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、[15]~[19]のいずれかに記載の水電解システム。
[21]
 前記電解槽が、陽極室と陰極室とを有し、
 前記陽極室と前記陰極室とを隔離する隔膜がポリスルホン系隔膜である、[15]~[20]のいずれかに記載の水電解システム。
[22]
 少なくとも水封器、水補給器をさらに有する水電解システムであり、
 前記水封器は、前記気液分離タンクの下流且つ前記水補給器の上流に接続されている
[1]に記載の水電解システム。
[23]
 前記水電解システムの全体の水量を調節する機構をさらに有する、[22]に記載の水電解システム。
[24]
 前記気液分離タンクは、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
 前記水素分離タンクと前記酸素分離タンクとに接続された合流管をさらに備える、
[22]又は[23]に記載の水電解システム。
[25]
 前記水封器は、酸素分離タンクの下流及び水素分離タンクの下流の少なくとも一方に接続されている、[22]~[24]のいずれかに記載の水電解システム。
[26]
 前記水封器の下流に接続されたバッファータンクをさらに有する、[22]~[25]のいずれかに記載の水電解システム。
[27]
 前記水封器の下流に接続された水素ガス及び/又は酸素ガスを系外に排出する配管をさらに有し、
 前記配管に、フレームアレスターを有する、
[22]~[26]のいずれかに記載の水電解システム。
[28]
 前記配管に、前記フレームアレスターのミスト凝縮液を前記水封器に戻す機構をさらに有する、[22]~[27]のいずれかに記載の水電解システム。
[29]
 前記フレームアレスターが、その気体通過方向を水平方向又は鉛直方向下向きとして、設けられている、[27]又は[28]に記載の水電解システム。
[30]
 [22]~[29]のいずれかに記載の水電解システムを用いて、
 前記水補給器より水を前記水封器を経由して供給する
ことを特徴とする、水電解方法。
[31]
 前記酸素分離タンクから吐出された電解液と、前記水素分離タンクから吐出された電解液とを、前記合流管で混合し、前記電解槽に導入する、[30]に記載の水電解方法。
[32]
 前記水封器から排出された水を前記バッファータンクを経由して前記電解槽に供給する、[30]又は[31]に記載の水電解方法。
[33]
 前記フレームアレスターに凝縮するミストを前記水封器に戻す、[30]~[32]のいずれかに記載の水電解方法。
[34]
 少なくとも、電解槽、気液分離タンク、水補給器を有する水電解システムであり、
 水素ガス及び/又は酸素ガスを系外に排出する配管をさらに有し、
 前記配管に、フレームアレスターを有する
ことを特徴とする、[1]に記載の水電解システム。

発明の効果

[0021]
 本発明の第一の実施形態によれば、アルカリ水電解システムの気液分離タンクにおいて気液分離性を顕著に向上させることができる。
 本発明の第二の実施形態のアルカリ水電解システムは、上記構成を有するため、電力効率が低下しにくく、低電流条件において、ガス純度に優れる。
 本発明の第三の実施形態によれば、水封器を利用してアルカリ水電解システム全体を効率化することができる。

図面の簡単な説明

[0022]
[図1] 本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す図である。
[図2] 本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの電解槽の一例の全体について示す側面図である。
[図3] 本実施形態の一例の円筒形状のアルカリ水電解システムの気液分離タンクについて示す図である。(A)は、気液分離タンクの軸方向に沿う面による断面図である;(i)は、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、(ii)は、本発明の比較例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、(iii)は、角度δについての説明図である。(B)は、気液分離タンクの軸方向に垂直な面による断面図である;(i)は、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、(ii)は、本発明の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、(iii)は、角度θについての説明図である。
[図4] 本実施形態の一例の内部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽の例を示す平面図である。
[図5] 図4に示す内部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を図4の線A-Aに沿う面により切断したときの断面の一部を示す図ある。
[図6] 本実施形態の一例の外部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を示す平面図である。
[図7] 図6に示す外部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を図6の線B-Bに沿う面により切断したときの断面の一部を示す図ある。
[図8] 本実施形態のアルカリ水電解システムの一例を示す概略図である。
[図9] 本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す図である。

発明を実施するための形態

[0023]
 以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
 以下、本発明の第一の課題を解決するための第一の実施形態について記載する。
[0024]
 図1に、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す。
[0025]
(アルカリ水電解システム)
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、少なくとも電解槽50と気液分離タンク72とを有するアルカリ水電解システム70であり、ガスと電解液との混合物を電解槽50から気液分離タンク72に流入させるための流入口72iが、気液分離タンク72内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている。
[0026]
 ここで、本実施形態のアルカリ水電解システム70では、流入口72iに取り付けられる配管72inは、気液分離タンク72の内壁に沿って設置されている。
[0027]
 後述のとおり、本実施形態のアルカリ水電解システム70では、内部ヘッダー10I型を採用しても外部ヘッダー10O型を採用してもよい。
 具体的には、本実施形態のアルカリ水電解システム70では、電解槽50と電解液を配液又は集液する管であるヘッダー10とが独立しており、ヘッダー10が、電解槽50の隔壁1内及び/又は電解槽50の外枠3外の下部及び/又は上部に設けられ、且つ、隔壁1に垂直な方向に延在するように設けられていてもよい。
 また、電解槽50と電解液を配液又は集液する管であるヘッダー10とが一体化されており、ヘッダー10が、電解槽50の隔壁1内及び/又は電解槽50の外枠3内の下部及び/又は上部に設けられ、且つ、隔壁1に垂直な方向に延在するように設けられていてもよい。
[0028]
 一方、本実施形態のアルカリ水電解システム70では、気液分離タンク72の内面に樹脂ライニング層(図示せず)を有している。
[0029]
 ここで、本実施形態では、樹脂ライニング層の厚みが0.5~4.0mmであることが好ましい。また、樹脂ライニング槽の厚みの標準偏差が1.0mm以下であることが好ましい。さらに、樹脂ライニング層がフッ素系樹脂であることが好ましい。フッ素系樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)からなる群から選択される少なくとも1種類であることが好ましい。
[0030]
 本実施形態では、樹脂ライニング層が2層以上であることが好ましい。
[0031]
 本実施形態では、気液分離タンク72の外面が保温材(図示せず)で覆われていることが好ましい。
[0032]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンク72hと、電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンク72oとに接続された合流管をさらに有する。
[0033]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70によれば、気液分離タンク72において気液分離性を顕著に向上させることができる。
[0034]
 初めに、本実施形態のアルカリ水電解システム70の構成要素について説明する。
[0035]
((電解槽))
 本実施形態のアルカリ水電解システム70における電解槽50は、特に限定されることなく、単極式としても複極式としてもよいが、工業的に、複極式の電解槽が好ましい。
[0036]
 複極式は、多数のセルを電源に接続する方法の1つであり、片面が陽極2a、片面が陰極2cとなる複数の複極式エレメント60を同じ向きに並べて直列に接続し、両端のみを電源に接続する方法である。
 複極式電解槽50は、電源の電流を小さくできるという特徴を持ち、電解により化合物や所定の物質等を短時間で大量に製造することができる。電源設備は出力が同じであれば、定電流、高電圧の方が安価でコンパクトになるため、工業的には単極式よりも複極式の方が好ましい。
[0037]
 図2に、本実施形態のアルカリ水電解システムの電解槽の一例の全体についての側面図を示す。
[0038]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50は、図2に示すとおり、陽極2aと、陰極2cと、陽極2aと陰極2cとを隔離する隔壁1と、隔壁1を縁取る外枠3とを備える複数の複極式エレメント60が隔膜4を挟んで重ね合わせられている複極式電解槽50である。
[0039]
((複極式エレメント))
 一例のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50に用いられる複極式エレメント60は、図2に示すように、陽極2aと陰極2cとを隔離する隔壁1を備え、隔壁1を縁取る外枠3を備えている。より具体的には、隔壁1は導電性を有し、外枠3は隔壁1の外縁に沿って隔壁1を取り囲むように設けられている。
[0040]
 なお、本実施形態では、複極式エレメント60は、通常、隔壁1に沿う所与の方向D1が、鉛直方向となるように、使用してよく、具体的には、図4~図7に示すように隔壁1の平面視形状が長方形である場合、隔壁1に沿う所与の方向D1が、向かい合う2組の辺のうちの1組の辺の方向と同じ方向となるように、使用してよい(図4~図7参照)。そして、本明細書では、上記鉛直方向を電解液通過方向とも称する。
[0041]
 本実施形態では、図2に示すとおり、複極式電解槽50は複極式エレメント60を必要数積層することで構成されている。
 図2に示す一例では、複極式電解槽50は、一端からファストヘッド51g、絶縁板51i、陽極ターミナルエレメント51aが順番に並べられ、更に、陽極側ガスケット部分7、隔膜4、陰極側ガスケット部分7、複極式エレメント60が、この順番で並べて配置される。このとき、複極式エレメント60は陽極ターミナルエレメント51a側に陰極2cを向けるよう配置する。陽極側ガスケット部分7から複極式エレメント60までは、設計生産量に必要な数だけ繰り返し配置される。陽極側ガスケット部分7から複極式エレメント60までを必要数だけ繰り返し配置した後、再度、陽極側ガスケット部分7、隔膜4、陰極側ガスケット部分7を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント51c、絶縁板51i、ルーズヘッド51gをこの順番で配置される。複極式電解槽50は、全体をタイロッド方式51r(図2参照)や油圧シリンダー方式等の締め付け機構により締め付けることによりー体化され、複極式電解槽50となる。
 複極式電解槽50を構成する配置は、陽極2a側からでも陰極2c側からでも任意に選択でき、上述の順序に限定されるものではない。
[0042]
 図2に示すように、複極式電解槽50では、複極式エレメント60が、陽極ターミナルエレメント51aと陰極ターミナルエレメント51cとの間に配置されている。隔膜4は、陽極ターミナルエレメント51aと複極式エレメント60との間、隣接して並ぶ複極式エレメント60同士の間、及び複極式エレメント60と陰極ターミナルエレメント51cとの間に配置されている。
[0043]
 また、本実施形態における複極式電解槽50では、図4~図7に示すとおり、隔壁1と外枠3と隔膜4とにより、電解液が通過する電極室5が画成されている。
[0044]
 本実施形態では、特に、複極式電解槽50における、隣接する2つの複極式エレメント60間の互いの隔壁1間における部分、及び、隣接する複極式エレメント60とターミナルエレメントとの間の互いの隔壁1間における部分を電解セル65と称する。電解セル65は、一方のエレメントの隔壁1、陽極室5a、陽極2a、及び、隔膜4、及び、他方のエレメントの陰極2c、陰極室5c、隔壁1を含む。
[0045]
 詳細には、電極室5は、外枠3との境界において、電極室5に電解液を導入する電解液入口5iと、電極室5から電解液を導出する電解液出口5oとを有する。より具体的には、陽極室5aには、陽極室5aに電解液を導入する陽極電解液入口5aiと、陽極室5aから導出する電解液を導出する陽極電解液出口5aoとが設けられる。同様に、陰極室5cには、陰極室5cに電解液を導入する陰極電解液入口5ciと、陰極室5cから導出する電解液を導出する陰極電解液出口5coとが設けられる(図4~図7参照)。
[0046]
 本実施形態では、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、電解液を電解槽50内部で、電極面内に均一に分配するための内部ディストリビュータを備えてもよい。また、電極室5は、電解槽50内部での液の流れを制限する機能を備えるバッフル板を備えてもよい。さらに、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、電解槽50内部での電解液の濃度や温度の均一化、及び、電極2や隔膜4に付着するガスの脱泡の促進のために、カルマン渦を作るための突起物を備えてもよい。
[0047]
 複極式電解槽50には、通常、電解液を配液又は集液する管であるヘッダー10が取り付けられ、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの下方に、陽極室5aに電解液を入れる陽極入口ヘッダー10aiと、陰極室5cに電解液を入れる陰極入口ヘッダー10ciとを備えている。また、同様に、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの上方に、陽極室5aから電極液を出す陽極出口ヘッダー10aoと、陰極室5cから電解液を出す陰極出口ヘッダー10coとを備えている。
 なお、図1~図7に示す複極式電解槽50に取り付けられるヘッダー10の配設態様として、代表的には、内部ヘッダー10I型と外部ヘッダー10O型とがあるが、本発明では、いずれの型を採用してもよく、特に限定されない。
[0048]
 図4に、本実施形態の一例の内部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽の例を平面図で示す。
 図5に、図4に示す内部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を図4の線A-Aに沿う面により切断したときの断面の一部を示す。
 図6に、本実施形態の一例の外部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を平面図で示す。
 図7に、図6に示す外部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を図6の線B-Bに沿う面により切断したときの断面の一部を示す。
[0049]
 さらに、図4、図5に示す一例では、ヘッダー10に、ヘッダー10に配液又は集液されたガスや電解液を集める管である導管20が取り付けられる。詳細には、導管20は、入口ヘッダーに連通する配液管と出口ヘッダーに連通する集液管とからなる。
 一例では、外枠3のうちの下方に、陽極入口ヘッダー10Iaiに連通する陽極用配液管20Iaiと、陰極入口ヘッダー10Iciに連通する陰極用配液管20Iciとを備えており、また、同様に、外枠3のうちの上方に、陽極出口ヘッダー10Iaoに連通する陽極用集液管20Iaoと、陰極出口ヘッダー10Icoに連通する陰極用集液管20Icoとを備えている。
[0050]
 通常、図4、図5に示すように、陽極入口ヘッダー10Iai、陰極入口ヘッダー10Ici、陽極出口ヘッダー10Iao、陰極出口ヘッダー10Icoは、各電極室5に1つずつ設けられるが、本実施形態では、これに限定されず、各電極室5にそれぞれ複数設けられてもよい。
 また、通常、図4、図5に示すように、陽極用配液管20Iaiは、陽極入口ヘッダー10Iaiの全てを連通し、陰極用配液管20Iciは、陰極入口ヘッダー10Iciの全てを連通し、陽極用集液管20Iaoは、陽極出口ヘッダー10Iaoの全てを連通し、陰極用集液管20Icoは、陰極出口ヘッダー10Icoの全てを連通してよい。
[0051]
 本実施形態では、ヘッダー10の延在方向は、特に限定されないが、図4、図5に示す一例のように、本発明の効果を得られやすくする観点から、入口ヘッダー(陽極入口ヘッダー10Iai、陰極入口ヘッダー10Ici)及び出口ヘッダー(陽極出口ヘッダー10Iao、陰極出口ヘッダー10Ico)は、ぞれぞれ、隔壁1に沿う所与の方向D1に対して平行に延びることが好ましく、ヘッダー10のいずれもが、隔壁1に沿う所与の方向D1に対して平行に延びることがさらに好ましい。
 なお、ここで、隔壁1に沿う所与の方向D1に対して平行に延びるとは、隔壁1に沿う所与の方向D1と厳密な意味で同じ方向に延びることを意味するものではなく、隔壁1に沿う所与の方向D1に対して、例えば、10°以下の範囲で、傾斜する方向に延びる場合も含むことを意味する。なお、上記傾斜角度は、5°以下であることが好ましく、2°以下であることがより好ましい。
[0052]
 本実施形態では、導管20の延在方向は、特に限定されないが、図4、図5に示す一例のように、本発明の効果を得られやすくする観点から、配液管(陽極用配液管20Iai、陰極用配液管20Ici)及び集液管(陽極用集液管20Iao、陰極用集液管20Ico)は、ぞれぞれ、隔壁1に垂直な方向に延びることが好ましく、導管20のいずれもが、隔壁1に垂直な方向に延びることがさらに好ましい。
 なお、ここで、隔壁1に垂直な方向に延びるとは、隔壁1に厳密な意味で垂直な方向に延びることを意味するものではなく、隔壁1に垂直な方向に対して、例えば、隔壁1に沿う方向にみて45°以下の範囲で、傾斜する方向に延びる場合も含むことを意味する。なお、上記傾斜角度は、30°以下であることが好ましく、15°以下であることがより好ましい。
[0053]
 図6、図7に示す一例では、ヘッダー10に、ヘッダー10に配液又は集液されたガスや電解液を集める管である導管20が取り付けられる。詳細には、導管20は、入口ヘッダーに連通する配液管と出口ヘッダーに連通する集液管とからなる。
 一例では、外枠3のうちの下方に、陽極入口ヘッダー10Oaiに連通する陽極用配液管20Oaiと、陰極入口ヘッダー10Ociに連通する陰極用配液管20Ociとを備えており、また、同様に、外枠3のうちの側方に、陽極出口ヘッダー10Oaoに連通する陽極用集液管20Oaoと、陰極出口ヘッダー10Ocoに連通する陰極用集液管20Ocoとを備えている。
[0054]
 通常、図6、図7に示すように、陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Oci、陽極出口ヘッダー10Oao、陰極出口ヘッダー10Ocoは、各電極室5に1つずつ設けられるが、本実施形態では、これに限定されず、各電極室5にそれぞれ複数設けられてもよい。
 また、通常、陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Oci、陽極用集液管20Oao、陰極用集液管20Ocoは、各電極室5に1つずつ設けられるが、本実施形態では、これに限定されず、複数の電極室5で兼用されてもよい。
[0055]
 本実施形態では、電極室5とヘッダー10との位置関係は、特に限定されず、図6、図7に示すように、複極式エレメント60を隔壁1に沿う所与の方向D1が鉛直方向となるように使用した場合に、入口ヘッダーは、電極室5に対して下方や側方に位置し(図示では、下方)、出口ヘッダーは、電極室5に対して上方や側方に位置していてよく(図示では、側方)、また、入口ヘッダーに連通する配液管は、電極室5に対して下方や側方に位置し(図示では、下方)、出口ヘッダーに連通する集液管は、電極室5に対して上方や側方に位置していてよい(図示では、側方)。
[0056]
 本実施形態では、ヘッダー10の延在方向は、特に限定されない。
[0057]
 本実施形態では、導管20の延在方向は、特に限定されないが、図6、図7に示す一例のように、本発明の効果を得られやすくする観点から、配液管(陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Oci)及び集液管(陽極用集液管20Oao、陰極用集液管20Oco)は、ぞれぞれ、隔壁1に垂直な方向に延びることが好ましく、導管20のいずれもが、隔壁1に垂直な方向に延びることがさらに好ましい。
[0058]
 本実施形態では、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、入口ヘッダーと出口ヘッダーとは、水電解効率の観点から、離れた位置に設けられることが好ましく、電極室5の中央部を挟んで向かい合うように設けられることが好ましく、図4~図7に示すように隔壁1の平面視形状が長方形である場合、長方形の中心に関して対称となるように設けられることが好ましい。
[0059]
 なお、図4~図7に図示した例では、平面視で長方形形状の隔壁1と平面視で長方形形状の隔膜4とが平行に配置され、また、隔壁1の端縁に設けられる直方体形状の外枠3の隔壁1側の内面が隔壁1に垂直となっているため、電極室5の形状が直方体となっている。しかしながら、本発明において、電極室5の形状は、図示の例の直方体に限定されることなく、隔壁1や隔膜4の平面視形状、外枠3の隔壁1側の内面と隔壁1とのなす角度等により、適宜変形されてよく、本発明の効果が得られる限り、いかなる形状であってもよい。
[0060]
 本実施形態では、電極室5とヘッダー10との位置関係は、特に限定されず、図4~図7に示すように、複極式エレメント60を隔壁1に沿う所与の方向D1が鉛直方向となるように使用した場合に、入口ヘッダーは、電極室5に対して下方や側方に位置し(図示では、下方)、出口ヘッダーは、電極室5に対して上方や側方に位置していてよく(図示では、上方)、また、入口ヘッダーに連通する配液管は、電極室5に対して下方や側方に位置し(図示では、下方)、出口ヘッダーに連通する集液管は、電極室5に対して上方や側方に位置していてよい(図示では、上方)。
[0061]
 なお、本実施形態のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50では、電解室5内における気液の流れの乱れにより電解室5に生じる対流を低減して、局所的な電解液の温度の上昇を抑制するため、隔壁1に沿う所与の方向D1に対して平行に配置される複数の整流板6を備えていてもよい。
[0062]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70の電解槽50は、特に限定されず、50~500の複極式エレメント60を有することが好ましく、70~300の複極式エレメント60を有することがさらに好ましく、100~200の複極式エレメント60を有することが特に好ましい。
 対数が減ると、リーク電流によるガス純度の影響は緩和される一方で、対数が増加すると、電解液を各電解セル65に均一に分配することが困難になる。下限未満の場合や上限超の場合には、電力供給を停止した際に生じる自己放電を低減して、電気制御システムの安定化を可能にする効果、及び、高効率での電力の貯蔵、具体的には、ポンプ動力の低減やリーク電流の低減を実現することを可能にする効果の並立が困難になる。
 また、複極式エレメント60の数(対数)が増え過ぎると、電解槽50の製作が困難になるおそれがあり、製作精度が悪い複極式エレメント60を多数スタックした場合には、シール面圧が不均一になりやすく、電解液の漏れやガス漏洩が生じやすい。
[0063]
 以下、本実施形態のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50の構成要素について詳細に説明する。
 また、以下では、本発明の効果を高めるための好適形態についても詳述する。
[0064]
-隔壁-
 本実施形態における隔壁1の形状は、所定の厚みを有する板状の形状としてよいが、特に限定されない。
 隔壁1の平面視形状としては、特に限定されることなく、矩形(正方形、長方形等)、円形(円、楕円等)としてよく、ここで、矩形は角が丸みを帯びていてもよい。
[0065]
 なお、隔壁1は、通常、隔壁1に沿う所与の方向D1が、鉛直方向となるように、使用してよく、具体的には、図4~図7に示すように隔壁1の平面視形状が長方形である場合、隔壁1に沿う所与の方向D1が、向かい合う2組の辺のうちの1組の辺の方向と同じ方向となるように、使用してよい。そして、本明細書では、上記鉛直方向を電解液通過方向とも称する。
[0066]
 隔壁1の材料としては、電力の均一な供給を実現する観点から、導電性を有する材料が好ましく、耐アルカリ性や耐熱性といった面から、ニッケル、ニッケル合金、軟鋼、ニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
[0067]
-電極-
 本実施形態のアルカリ水電解による水素製造において、エネルギー消費量の削減、具体的には電解電圧の低減は、大きな課題である。この電解電圧は電極2に大きく依存するため、両電極2の性能は重要である。
[0068]
 アルカリ水電解の電解電圧は、理論的に求められる水の電気分解に必要な電圧の他に、陽極反応(酸素発生)の過電圧、陰極反応(水素発生)の過電圧、陽極2aと陰極2cとの電極2間距離による電圧とに分けられる。ここで、過電圧とは、ある電流を流す際に、理論分解電位を越えて過剰に印加する必要のある電圧のことを言い、その値は電流値に依存する。同じ電流を流すとき、過電圧が低い電極2を使用することで消費電力を少なくすることができる。
[0069]
 低い過電圧を実現するために、電極2に求められる要件としては、導電性が高いこと、酸素発生能(或いは水素発生能)が高いこと、電極2表面で電解液の濡れ性が高いこと等が挙げられる。
[0070]
 アルカリ水電解の電極2として、過電圧が低いこと以外に、再生可能エネルギーのような不安定な電流を用いても、電極2の基材及び触媒層の腐食、触媒層の脱落、電解液への溶解、隔膜4への含有物の付着等が起きにくいことが挙げられる。
[0071]
 本実施形態における電極2としては、電解に用いられる表面積を増加させるため、また、電解により発生するガスを効率的に電極2表面から除去するために、多孔体が好ましい。特に、ゼロギャップ電解槽の場合、隔膜4との接触面の裏側から発生するガスを脱泡する必要があるため、電極2の膜に接する面と反対に位置する面が、貫通していることが好ましい。
[0072]
 多孔体の例としては、平織メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル、金属発泡体等が挙げられる。
[0073]
 本実施形態における電極2は、基材そのものとしてもよく、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものとしてもよいが、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものが好ましい。
[0074]
 基材の材料は、特に制限されないが、使用環境への耐性から、軟鋼、ステンレス、ニッケル、ニッケル基合金が好ましい。
[0075]
 陽極2aの触媒層は、酸素発生能が高く、耐久性が良いものが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、例えばパラジウム、イリジウム、白金、金、ルテニウム、ロジウム、セリウム、ニッケル、コバルト、タングステン、鉄、モリブデン、銀、銅、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、ランタノイド等の金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、或いはそれらの混合物やグラフェン等の炭素材料等としてを用いて、触媒層を形成できる。
[0076]
 陰極2cの触媒層は、水素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、或いはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。具体的には、ラネーニッケルや、ニッケルとアルミニウム、或いはニッケルと錫等の複数の材料の組み合わせからなるラネー合金、ニッケル化合物やコバルト化合物を原料として、プラズマ溶射法により作製した多孔被膜、ニッケルと、コバルト、鉄、モリブデン、銀、銅等から選ばれる元素との合金や複合化合物、水素発生能が高い白金やルテニウム等の白金族元素の金属や酸化物、及び、それら白金族元素の金属や酸化物と、イリジウムやパラジウム等の他の白金族元素の化合物やランタンやセリウム等の希土類金属の化合物との混合物、グラフェン等の炭素材料等が挙げられる。高い触媒活性や耐久性を実現するために、上記の材料を複数積層してもよく、触媒層中に複数混在させてもよい。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子材料等の有機物が含まれていてもよい。
[0077]
-外枠-
 本実施形態における外枠3の形状は、隔壁1を縁取ることができる限り特に限定されないが、隔壁1の平面に対して垂直な方向に沿う内面を隔壁1の外延に亘って備える形状としてよい。
 外枠3の形状としては、特に限定されることなく、隔壁1の平面視形状に合わせて適宜定められてよい。
[0078]
 外枠3の材料としては、導電性を有する材料が好ましく、耐アルカリ性や耐熱性といった面から、ニッケル、ニッケル合金、軟鋼、ニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
[0079]
-隔膜-
 本実施形態のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50において用いられる隔膜4としては、イオンを導通しつつ、発生する水素ガスと酸素ガスを隔離するために、イオン透過性の隔膜4が使用される。このイオン透過性の隔膜4は、イオン交換能を有するイオン交換膜と、電解液を浸透することができる多孔膜が使用できる。このイオン透過性の隔膜4は、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、電子電導度が小さく、強度が強いものが好ましい。
[0080]
--多孔膜--
 多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有し、隔膜4を電解液が透過できる構造を有する。電解液が多孔膜中に浸透することにより、イオン伝導を発現するため、孔径や気孔率、親水性といった多孔構造の制御が非常に重要となる。一方、電解液だけでなく、発生ガスを通過させないこと、すなわちガスの遮断性を有することが求められる。この観点でも多孔構造の制御が重要となる。
[0081]
 多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有するものであるが、高分子多孔膜、無機多孔膜、織布、不織布等が挙げられる。これらは公知の技術により作成することができる。
[0082]
 多孔膜の厚みは、特に限定されないが、200μm以上700μm以下であることが好ましい。多孔膜の厚みが、250μm以上であれば、一層優れたガス遮断性が得られ、また、衝撃に対する多孔膜の強度が一層向上する。この観点より、多孔膜の厚みの下限は、300μm以上であることがより好ましく、350μm以上であることが更に好ましく400μm以上でることがより一層好ましい。一方で、多孔膜の厚みが、700μm以下であれば、運転時に孔内に含まれる電解液の抵抗によりイオンの透過性を阻害されにくく、一層優れたイオン透過性を維持すことができる。かかる観点から、多孔膜の厚みの上限は、600μm以下であることがより好ましく、550μm以下であることが更に好ましく、500μm以下であることがより一層好ましい。特に、高分子樹脂が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン及びポリフェニルスルホンからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むものである場合に、かかる効果は一層向上する。
[0083]
--イオン交換膜--
 イオン交換膜としては、カチオンを選択的に透過させるカチオン交換膜とアニオンを選択的に透過させるアニオン交換膜があり、いずれの交換膜でも使用することができる。
 イオン交換膜の材質としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、含フッ素系樹脂やポリスチレン・ジビニルベンゼン共重合体の変性樹脂が好適に使用できる。特に耐熱性及び耐薬品性等に優れる点で、含フッ素系イオン交換膜が好ましい。
[0084]
((ゼロギャップ構造))
 ゼロギャップ型セルにおける複極式エレメント60では、極間距離を小さくする手段として、電極2と隔壁1との間に弾性体であるバネを配置し、このバネで電極2を支持する形態をとることが好ましい。例えば、第1の例では、隔壁1に導電性の材料で製作されたバネを取り付け、このバネに電極2を取り付けてよい。また、第2の例では、隔壁1に取り付けた電極リブ6にバネを取り付け、そのバネに電極2を取り付けてよい。なお、このような弾性体を用いた形態を採用する場合には、電極2が隔膜4に接する圧力が不均一にならないように、バネの強度、バネの数、形状等必要に応じて適宜調節する必要がある。
[0085]
 また弾性体を介して支持した電極2の対となるもう一方の電極2の剛性を強くすることで、押しつけても変形の少ない構造としている。―方で、弾性体を介して支持した電極2については、隔膜4を押しつけると変形する柔軟な構造とすることで、電解セル65の製作精度上の公差や電極2の変形等による凹凸を吸収してゼロギャップを保つことができる。
[0086]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50では、陰極2c又は陽極2aと隔壁1との間に、導電性弾性体2e及び集電体2rが、導電性弾性体2eが陰極2c又は陽極2aと集電体2rとに挟まれるように、設けられている。
[0087]
-集電体-
 集電体2rは、その上に積層される導電性弾性体2eや電極2へ電気を伝えるとともに、それらから受ける荷重を支え、電極2から発生するガスを隔壁1側に支障なく通過させる役割がある。従って、この集電体2rの形状は、エキスパンドメタルや打ち抜き多孔板等が好ましい。この場合の集電体2rの開口率は、電極2から発生した水素ガスを支障なく隔壁1側に抜き出せる範囲であることが好ましい。しかし、あまり開口率が大きいと強度が低下する、或いは導電性弾性体2eへの導電性が低下する等の問題が生ずる場合があり、小さすぎるとガス抜けが悪くなる場合がある。
[0088]
 集電体2rの材質は、導電性と耐アルカリ性の面からニッケル、ニッケル合金、ステンレススチール、軟鋼等が利用できるが、耐蝕性の面からニッケル或いは軟鋼やステンレススチールニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
[0089]
-導電性弾性体-
 導電性弾性体2eは、集電体2rと電極2の間にあって集電体2r及び電極2と接しており、電気を電極2に伝えること、電極2から発生したガスの拡散を阻害しないことが必須要件である。ガスの拡散が阻害されることにより、電気的抵抗が増加し、また電解に使用される電極2面積が低下することで、電解効率が低下するためである。そして最も重要な役割は、隔膜4を損傷させない程度の適切な圧力を電極2に均等に加えることで、隔膜4と電極2とを密着させることである。
[0090]
 導電性弾性体2eとしては、通常公知のものが使用でき、例えば、線径0.05~0.5mm程度のニッケル製ワイヤーを織ったものを波付け加工したクッションマットが、ゼロギャップ構造Zを維持しやすいため、好ましい。
[0091]
-電極室-
 本実施形態における複極式電解槽50では、図4~図7に示すとおり、隔壁1と外枠3と隔膜4とにより、電解液が通過する電極室5が画成されている。
[0092]
 本実施形態においては、複極式電解槽のヘッダー10の配設態様としては、内部ヘッダー10I型及び外部ヘッダー10O型を採用できるところ、例えば、図示の例の場合、陽極2a及び陰極2c自身が占める空間も電極室5の内部にある空間であるものとしてよい。また、特に、気液分離ボックスが設けられている場合、気液分離ボックスが占める空間も電極室5の内部にある空間であるものとしてよい。
[0093]
-整流板-
 本実施形態のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50では、隔壁1に整流板6(陽極整流板6a、陰極整流板6c)が取り付けられ、整流板6が電極2と物理的に接続されていることが好ましい。かかる構成によれば、整流板6が電極2の支持体となり、ゼロギャップ構造Zを維持しやすい。
 ここで、整流板6に、電極2が設けられていてもよく、整流板6に、集電体2r、導電性弾性体2e、電極2がこの順に設けられていてもよい。
 前述の一例のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50では、陰極室5cにおいて、整流板6-集電体2r-導電性弾性体2e-電極2の順に重ね合わせられた構造が採用され、陽極室5aにおいて、整流板6-電極2の順に重ね合わせられた構造が採用されている。
[0094]
 なお、前述の一例のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50では、陰極室5cにおいて上記「整流板6-集電体2r-導電性弾性体2e-電極2」の構造が採用され、陽極室5aにおいて上記「整流板6-電極2」の構造が採用されているが、本発明ではこれに限定されることなく、陽極室5aにおいても「整流板6-集電体2r-導電性弾性体2e-電極2」構造が採用されてもよい。
[0095]
 整流板6(陽極整流板6a、陰極整流板6c)には、陽極2a又は陰極2cを支える役割だけでなく、電流を隔壁1から陽極2a又は陰極2cへ伝える役割を備えることが好ましい。
[0096]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50では、整流板6の少なくとも一部が導電性を備えことが好ましく、整流板6全体が導電性を備えことがさらに好ましい。かかる構成によれば、電極たわみによるセル電圧の上昇を抑制することができる。
[0097]
 整流板6の材料としては、一般的に導電性の金属が用いられる。例えば、ニッケルメッキを施した軟鋼、ステンレススチール、ニッケル等が利用できる。
[0098]
-ガスケット-
 本実施形態のアルカリ水電解システム70の複極式電解槽50では、隔壁1を縁取る外枠3同士の間に隔膜4を有するガスケット7が挟持されることが好ましい。
 ガスケット7は、複極式エレメント60と隔膜4の間、複極式エレメント60間を電解液と発生ガスに対してシールするために使用され、電解液や発生ガスの電解槽外への漏れや両極室間におけるガス混合を防ぐことができる。
[0099]
 ガスケット7の一般的な構造としては、エレメントの枠体に接する面に合わせて、電極面をくり抜いた四角形状又は環状である。このようなガスケット2枚で隔膜4を挟み込む形でエレメント間に隔膜4をスタックさせることができる。さらに、ガスケット7は、隔膜4を保持できるように、隔膜4を収容することが可能なスリット部を備え、収容された隔壁1がガスケット7両表面に露出することを可能にする開口部を備えることも好ましい。これにより、ガスケット7は、隔膜4の縁部をスリット部内に収容し、隔膜4の縁部の端面を覆う構造がとれる。したがって、隔膜4の端面から電解液やガスが漏れることをより確実に防止できる。
[0100]
 ガスケット7の材質としては、特に制限されるものではなく、絶縁性を有する公知のゴム材料や樹脂材料等を選択することができる。
 ゴム材料や樹脂材料としては、具体的には、天然ゴム(NR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブタジエンゴム(BR)、アクリロニトリル-ブタジエンゴム(NBR)、シリコーンゴム(SR)、エチレン-プロピレンゴム(EPT)、エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、フッ素ゴム(FR)、イソブチレン-イソプレンゴム(IIR)、ウレタンゴム(UR)、クロロスルホン化ポリエチレンゴム(CSM)等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体(ECTFE)等のフッ素樹脂材料や、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアセタール等の樹脂材料を用いることができる。これらの中でも、弾性率や耐アルカリ性の観点でエチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、フッ素ゴム(FR)が特に好適である。
[0101]
-ヘッダー-
 アルカリ水電解システム70の複極式電解槽50は、電解セル65毎に、陰極室5c、陽極室5aを有する。電解槽50で、電気分解反応を連続的に行うためには、各電解セル65の陰極室5cと陽極室5aとに電気分解によって消費される原料を十分に含んだ電解液を供給し続ける必要がある。
[0102]
 電解セル65は、複数の電解セル65に共通するヘッダー10と呼ばれる電解液の給排配管と繋がっている。一般に、陽極用配液管は陽極入口ヘッダー10ai、陰極用配液管は陰極入口ヘッダー10ci、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー10ao、陰極用集液管は陰極出口ヘッダー10coと呼ばれる。電解セル65はホース等を通じて各電極用配液管及び各電極用集液管と繋がっている。
[0103]
 ヘッダー10の材質は特に限定されないが、使用する電解液の腐食性や、圧力や温度等の運転条件に十分耐えうるものを採用する必要がある。ヘッダー10の材質に、鉄、ニッケル、コバルト、PTFE、ETFE,PFA、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等を採用しても良い。
[0104]
 本実施形態において、電極室5の範囲は、隔壁1の外端に設けられる外枠3の詳細構造により、変動するところ、外枠3の詳細構造は、外枠3に取り付けられるヘッダー10(電解液を配液又は集液する管)の配設態様により異なることがある。複極式電解槽50のヘッダー10の配設態様としては、内部ヘッダー10I型及び外部ヘッダー10O型が代表的である。
[0105]
-内部ヘッダー-
 内部ヘッダー10I型とは、複極式電解槽50とヘッダー10(電解液を配液又は集液する管)とが一体化されている形式をいう。
[0106]
 内部ヘッダー10I型複極式電解槽50では、より具体的には、陽極入口ヘッダー10Iai及び陰極入口ヘッダー10Iciが、隔壁1内及び/又は外枠3内の下部に設けられ、且つ、隔壁1に垂直な方向に延在するように設けられ、また、陽極出口ヘッダー10Iao及び陰極出口ヘッダー10Icoが、隔壁1内及び/又は外枠3内の上部に設けられ、且つ、隔壁1に垂直な方向に延在するように設けられる。
[0107]
 内部ヘッダー10I型複極式電解槽50が内在的に有する、陽極入口ヘッダー10Iaiと、陰極入口ヘッダー10Iciと、陽極出口ヘッダー10Iaoと、陰極出口ヘッダー10Icoを総称して、内部ヘッダー10Iと呼ぶ。
[0108]
 内部ヘッダー10I型の例では、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの下方に位置する部分の一部に、陽極入口ヘッダー10Iaiと陰極入口ヘッダー10Iciとを備えており、また、同様に、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの上方に位置する部分の一部に、陽極出口ヘッダー10Iaoと陰極出口ヘッダー10Icoとを備えている。
[0109]
-外部ヘッダー-
 外部ヘッダー10O型とは、複極式電解槽50とヘッダー10(電解液を配液又は集液する管)とが独立している形式をいう。
[0110]
 外部ヘッダー10O型複極式電解槽50は、陽極入口ヘッダー10Oaiと、陰極入口ヘッダー10Ociとが、電解セル65の通電面に対し、垂直方向に、電解槽50と並走する形で、独立して設けられる。この陽極入口ヘッダー10Oai及び陰極入口ヘッダー10Ociと、各電解セル65が、ホースで接続される。
[0111]
 外部ヘッダー10O型複極式電解槽50に外在的に接続される、陽極入口ヘッダー10Oaiと、陰極入口ヘッダー10Ociと、陽極出口ヘッダー10Oaoと、陰極出口ヘッダー10Ocoを総称して、外部ヘッダー10Oと呼ぶ。
 外部ヘッダー10O型の例では、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの下方に位置する部分に設けられたヘッダー10用貫通孔に、管腔状部材が設置され、管腔状部材が、陽極入口ヘッダー10Oai及び陰極入口ヘッダー10Ociに接続されており、また、同様に、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの上方に位置する部分に設けられたヘッダー10用貫通孔に、管腔状部材(例えば、ホースやチューブ等)が設置され、かかる管腔状部材が、陽極出口ヘッダー10Oao及び陰極出口ヘッダー10Ocoに接続されている。
[0112]
 なお、内部ヘッダー10I型及び外部ヘッダー10O型の複極式電解槽50において、その内部に電解によって発生した気体と、電解液を分離する気液分離ボックスを有してもよい。気液分離ボックスの取付位置は、特に限定されないが、陽極室5aと陽極出口ヘッダー10aoとの間や、陰極室5cと陰極出口ヘッダー10coとの間に取付けられてもよい。
[0113]
 気液分離ボックスの表面は、電解液の腐食性や、圧力や温度等の運転条件に十分耐えうる材質のコーティング材料で、被覆されていても良い。コーティング材料の材質は、電解槽内部での漏洩電流回路の電気抵抗を大きくする目的で、絶縁性のものを採用してもよい。コーティング材料の材質に、EPDM、PTFE、ETFE,PFA、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等を採用してもよい。
[0114]
(アルカリ水電解システム)
 図1に、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す。
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、例えば、図1に示すように、電解槽50と、電解液を循環させるための送液ポンプ71と、電解液と水素及び/又は酸素とを分離する気液分離タンク72(水素分離タンク72h、酸素分離タンク72o)と、電解により消費した水を補給するための水補給器73とを有する。
[0115]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70によれば、再生可能エネルギー等の変動電源での運転時に、電力供給を停止した際に生じる自己放電を低減して、電気制御システムの安定化が可能となる。
[0116]
 以下、本実施形態のアルカリ水電解システム70について、気液分離タンク72の詳細と共に、詳述する。
[0117]
-気液分離タンク-
 本実施形態のアルカリ水電解システム70では、複数のタンクが用いられる。具体的には、気液分離タンク72、電極液を溜めるタンクが主な使用タンクとして挙げられるが、本システムにて使用する液体を貯蔵できる容器であれば、特に限定されない。
 気液分離タンク72は、アルアリ水電解システム70の中では、アルカリ水電解終了後の陽極2a側及び陰極2c側の電解液中に含まれるガスを分離するために重要な役割を果たす。
[0118]
 本実施形態において用いられる気液分離タンク72は、電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンク72hと、電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンク72oとを含む。
 水素分離タンク72hは陰極室5cに接続され、酸素分離タンク72oは陽極室5aに接続されて用いられる。
[0119]
 アルカリ水電解システム70の気液分離タンク72は、陽極室5a用に用いられる酸素分離タンク72oと、陰極室5cに用に用いられる水素分離タンク72hの二つが備えられる。
[0120]
 陽極室5a用の気液分離タンク72は、陽極室5aで発生した酸素ガスと電解液を分離し、陰極室5c用の気液分離タンク72は、陰極室5cで発生した水素ガスと電解液を分離する。
[0121]
 電解セル65から電解液と発生ガスが混合した状態で排出されたものを、気液分離タンク72に流入させる。気液分離が適切に行われなかった場合は、陰極室5cと陽極室5aの電解液が混合したときに、酸素ガス、水素ガスが混合されてしまい、ガスの純度が低下する。
[0122]
 気液分離タンク72に流入したガスと電解液は、ガスはタンク上層の気相へ、電解液はタンク下層の液相に分かれる。気液分離タンク72内での電解液の線束と、発生したガス気泡の浮遊する速度と、気液分離タンク72内の滞留時間によって、気液分離の度合いが決まる。
[0123]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70の気液分離タンク72の形状としては、特に限定されることなく、軸方向に垂直な面による断面での輪郭線が曲線(例えば、円や楕円)となる立体形状としてよく、具体的には円筒形状としてよい。
[0124]
 図3に、本実施形態の一例の円筒形状のアルカリ水電解システムの気液分離タンクについて示す。
[0125]
 図3(A)に、気液分離タンクの軸方向に沿う面による断面図を示す;(i)は、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、(ii)は、本発明の比較例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、(iii)は、角度δについての説明図である。
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、図3(A)(i)に示すように、ガスと電解液との混合物を電解槽50から気液分離タンク72に流入させるための流入口72iが、気液分離タンク72内の電解液の液面72sよりも高い位置に設置されている。
 かかる構成によれば、ガスと電解液との混合物が流入口72iから電解液の液面72sに至るまでにおいてガス抜きの時間を確保することができ、気液分離タンク72において気液分離性を顕著に向上させることができる。
 この点、本実施形態の比較例のアルカリ水電解システムでは、図3(A)(ii)に示すように、流入口72iが、気液分離タンク72内の電解液の液面72sよりも低い位置に設置されている、すなわち、ガスと電解液との混合物が電解液中に流入するが、この構成では気液分離性が十分とはならない場合がある。
[0126]
 ここで、上述のとおり、気液分離タンク72の底面から流入口72iの設置位置までの長さhiは、気液分離タンク72の底面から電解液の液面72sまでの長さhsよりも大きくなっている。
 気液分離タンク72の底面から電解液の液面72sまでの長さhsは、気液分気液分離タンク72の高さをHとして、0.1~0.9Hであることが好ましく、0.3~0.7Hであることがさらに好ましい(図3(A)参照)。
 また、気液分離タンク72の底面から流入口72iの設置位置までの長さhiは、気液分気液分離タンク72の高さをHとして、0.11~0.91Hであることが好ましく、0.31~0.71Hであることがさらに好ましい(図3(A)参照)。
 さらに、本実施形態では、hsが0.3~0.7Hであり、且つ、hiが0.4~0.8Hであることが最も好ましい。
[0127]
 詳細には、図3(A)(i)に示す態様では、気液分離タンクの軸方向に沿う面による断面において、流入口72iの延在方向が、電解液の液面72sに対してなす角度δは0~90°であってよい(図3(A)(i)では、0°)。
[0128]
 なお、水素分離タンク72hにおける流入口72ihと、酸素分離タンク72oにおける流入口72ioとは、配設態様を同じものとしてもよく異なるものとしてもよい。上述の気液分離タンク72の構成は、水素分離タンク72hと酸素分離タンク72oとにおいて独立に定められてよい。
[0129]
 図3(B)に、気液分離タンクの軸方向に垂直な面による断面図を示す;(i)は、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、(ii)は、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、(iii)は、角度θについての説明図である。
[0130]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70では、図3(B)(i)に示すように、流入口72iに取り付けられる配管72inは、その延在方向が気液分離タンク72の内壁に対して垂直となるように、設置されてよい。
 一方で、本実施形態のアルカリ水電解システム70では、図3(B)(ii)に示すように、流入口72iに取り付けられる配管72inは、気液分離タンク72の内壁に沿って、設置されていることが好ましい。
[0131]
 詳細には、図3(B)(i)及び(ii)に示す態様では、気液分離タンク72の軸方向に垂直な面による断面において、流入口72iの延在方向が、軸を示す点Aと流入口72iとを結ぶ仮想線(図中、二点鎖線)に対してなす角度θは0~90°であってよい(図3(B)(i)では、0°、(ii)では、90°)。この角度θとして、好ましくは60~90°であり、さらに好ましくは90°である。なお、角度θは、流入口72iの延在方向と上述の仮想線に対してなす角度のうち小さい方の角度をいうものとする。
[0132]
 より具体的には、気液分離タンク72の軸方向に垂直な面による断面において、流入口72iに取り付けられる配管72inのタンク径方向外側の内壁が、気液分離タンク72の内壁の一接線上に位置することが好ましい。このような構造とすることで気液分離性がより向上する。
[0133]
 本実施形態では、図3(B)(ii)に示す態様が、より具体的には、配管72inのタンク径方向外側の内壁が気液分離タンクの内壁の一接線上に位置する態様が、好ましい。
 かかる態様によれば、気液分離タンク72に、タンクに貯められている電解液の液面72sよりも上側から、ガスと混合状態となった電解液を、旋回流で流入させることができ、気液分離時間を長く取れることにより、酸素分離タンク72oにおける酸素中水素濃度及び水素分離タンク72hにおける水素中酸素濃度を低減することができる。
[0134]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70では、前述の外部ヘッダー10O型であっても、前述の内部ヘッダー10I型であってもよく、特に限定されないが、内部ヘッダー10I型であることが好ましい。
 内部ヘッダー10I型は、設置フットプリントの制約がある場合に好適に採用されるが、一方で、ガス純度が悪化する傾向があったところ、内部ヘッダー10I型のアルカリ水電解システム70においても良好なガス純度を得ることが可能となる。そのため、気液分離性の向上の効果を有利に得ることができる。
[0135]
 また、図1に示すように、本実施形態のアルカリ水電解システム70は、電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンク72hと、電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンク72oとに接続された合流管90をさらに有する。
 合流管90により両タンクから吐出された電解液が混合される一液循環のシステムではガス純度の低下が生じやすいことから、本実施形態のアルカリ水電解システム70における気液分離性の向上の効果を有利に得ることができる。
 合流管90の配設態様は、水素分離タンク72hから排出される電解液と酸素分離タンク72oから排出される電解液とが合流できる限り、特に限定されない。
[0136]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70では、気液分離タンク72の材料としては、ニッケル、SUS等の耐アルカリ性金属等が挙げられる。
[0137]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、気液分離タンク72の内面に、1層又は2層以上の樹脂ライニング層(図示せず)を有していることが好ましい。
[0138]
 樹脂ライニング層の材料としては、フッ素系樹脂が好ましく、フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)等が挙げられる。
 フッ素系樹脂を選択することで、特に、本発明のアルカリ水電解に用いる電極液に対する耐久性を向上させることができる。
[0139]
 樹脂ライニング層の厚みは、0.5~4.0mmであることが好ましく、1.0~2.0mmであることがさらに好ましい。0.5mmよりも薄い場合、ガスや電解液によるタンク内面の劣化が生じやすく、4.0mmよりも厚い場合、高温及びアルカリにより残留応力が開放され、変形や剥離を引き起こしてしまう可能性がある。上記範囲の厚みを採用することにより、気液分離タンク72の耐久性が向上する。
[0140]
 また、樹脂ライニング層の厚みの標準偏差は、1.0mm以下であることが好ましく、0.5mm以下であることがさらに好ましい。厚みのバラつきを制御することで耐久性の向上を達成することが可能となる。
 厚みのバラつきを制御は、ライニング層を形成する前に行うタンクの表面のブラストの条件を調整することにより行うことができる。
[0141]
 本実施形態では、樹脂ライニング層は、通常用いられる手法で製造することができる。
 本実施形態では、樹脂ライニング層を形成するにあたり、前もって、気液分離タンク72の内面に、脱脂処理、砂等を用いたブラスト処理、プライマー処理を、1つ又は複数施してもよい。
 樹脂ライニング層の形成は、例えば、回転焼成、紛体塗装による塗布、液体塗布、吹付等により行ってよい。
[0142]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70では、気液分離タンク72の内面に樹脂ライニング層を有している場合には、気液分離タンク72の外面が保温材で覆われていることが好ましい。タンク72の内面の劣化は特に高温条件下において顕著になることから、保温材が使用される際には、前述のガスや電解液によるタンクの72内面の劣化を抑制する効果を有利に得ることが可能になる。
 保温材としては、通常の断熱材としてよく、ガラスウール、発泡材等が挙げられる。
[0143]
 以下、気液分離タンク72についてさらに詳述する。
[0144]
 気液分離タンク72では、ガスが分離された後の電解液は、タンク下方の流出口から流出し、電解セル65に再び流入することで循環経路を形成する。タンク上方の排出口から排出された酸素、及び水素ガスは、いずれもアルカリミストを含んだ状態であるため、排出口の下流に、ミストセパレーターや、クーラー等の、余剰ミストを液化し気液分離タンク72に戻すことが可能な装置を取り付けることが好ましい。
[0145]
 気液分離タンク72には、内部に貯留する電解液の液面高さを把握するために、液面計を備えることも可能である。
[0146]
 また、前記気液分離タンク72は、圧力解放弁を備えることが好ましい。これにより電解で発生するガスによる圧力の上昇を受けても、設計圧力を超えた場合、安全に圧力を下げることが可能となる。
[0147]
 循環停止時の電解槽中の液面の低下を防ぐ目的で、気液分離タンク72内の電解液面を電解槽50上面よりも高いことが好ましいが、これに限定されるものではない。
 電解セル65と気液分離タンク72との間に遮断弁を付けることが好ましいが、これに限定されるものではない。
[0148]
 気液分離タンク72の容量は、設置容積を考慮すると、小さい方が好ましいが、容積が小さすぎると、陰極2cと陽極2aの圧力差が大きくなった場合や電解電流値に変動が生じた場合、タンク内の液面が変動するため、この変動分を考慮する必要がある。
 また、タンク高さも同様に、高さが低い場合は、上記変動の影響を受けやすいため、高くすることが好ましい。
[0149]
 以下、本実施形態のアルカリ水電解システム70の他の構成要素について説明する。
[0150]
-送液ポンプ-
 本実施形態において用いられる送液ポンプ71としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
[0151]
-水補給器-
 本実施形態において用いられる水補給器73としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
 水としては、一般上水を使用してもよいが、長期間に渡る運転を考慮した場合、イオン交換水、RO水、超純水等を使用することが好ましい。
[0152]
-その他-
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、電解槽50、気液分離タンク72、水補給器73以外にも、整流器74、酸素濃度計75、水素濃度計76、流量計77、圧力計78、熱交換器79、圧力制御弁80を備えてよい。
[0153]
 また、本実施形態のアルカリ水電解システム70は、さらに、電力供給の停止を検知する検知器、及び、送液ポンプを自動停止する制御器を備えることが好ましい。検知器及び制御器を備えることで、再生可能エネルギーのように、変動が激しい電力源下でも、人為的な操作なしに、自己放電の影響を効率的に低減することが可能になる。
[0154]
(アルカリ水電解方法)
 本実施形態のアルカリ水電解方法は、本実施形態のアルカリ水電解システム70を用いて、実施することができる。
[0155]
 本実施形態では、本実施形態のアルカリ水電解システム70を、電流密度0~20kA/m で継時的に電流密度が変動する電源下で、且つ、電解温度が0~120℃で問題なく使用することができる。
[0156]
 一方で、本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル65内にある電解液の温度は、40℃以上であることが好ましく、80℃以上であることがさらに好ましく、また、110℃以下であることが好ましく、95℃以下であることがさらに好ましい。
 上記温度範囲とすれば、高い電解効率を維持しながら、アルカリ水電解シスレム70の部材が熱により劣化することを効果的に抑制することができる。
[0157]
 さらに、本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル65に与える電流密度としては、1kA/m 以上であることが好ましく、8kA/m 以上であることがさらに好ましく、また、15kA/m 以下であることが好ましく、10kA/m 以下であることがさらに好ましい。
 特に、変動電源を使用する場合には、電流密度の上限を上記範囲にすることが好ましい。
[0158]
 以下に、本実施形態のアルカリ水電解方法の好適な条件を記載する。
[0159]
 本実施形態において用いられる電解液としては、アルカリ塩が溶解されたアルカリ性の水溶液としてよく、例えば、NaOH水溶液、KOH水溶液等が挙げられる。
 アルカリ塩の濃度としては、20質量%~50質量%が好ましく、25質量%~40質量%がより好ましい。
 本実施形態では、イオン導電率、動粘度、冷温化での凍結の観点から、25質量%~40質量%のKOH水溶液が特に好ましい。
[0160]
 本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル65内の圧力としては、3kPa~1000kPaであることが好ましく、3kPa~300kPaであることがさらに好ましい。
[0161]
 本実施形態では、前述のアルカリ水電解システム70の構成要素を用いて、例えば、図1に示すような構成のアルカリ水電解システム70を作製することができるが、これに限定されるものではない。
[0162]
 また、本実施形態では、電解槽50への電力供給の停止時に、送液ポンプ71を停止することで、出口ホース内の電解液の流れを停止することが好ましい。出口ホース内の電解液の流れを停止することで、電解液の自重によって電解液が出口ヘッダーに流れ落ちるため、出口ホース内に絶縁性のガス層が形成される。これにより、出口ホースの液抵抗が無限に増大するため、出口ホースにリーク電流がほぼ流れなくなる。その結果、自己放電の影響を低減することが可能になる。
[0163]
 本実施形態のアルカリ水電解方法は、太陽光や風力等の変動電源を使用することによって、上述の効果が顕著になる。
 上記のような、変動電源を用いた場合、具体的には、アルカリ水電解システム70に低電流密度から高電流密度までがランダムに印可されることとなり、特に低電流密度時に酸素中水素濃度が悪化することとなるところ、本実施形態のアルカリ水電解方法を採用すれば、酸素中水素濃度の悪化を抑制することが可能となる。
[0164]
(水素製造方法)
 本実施形態の水素製造方法は、アルカリを含有する水を電解槽により水電解し、水素を製造するものであり、本実施形態の水電解システム、本実施形態の水電解方法を用いて実施されてよい。
[0165]
 本実施形態では、水電解システムは、少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有していてよい。
 また、システムでは、ガスと電解液との混合物を電解槽から気液分離タンクに流入させるための流入口が、気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されていてよい。
[0166]
 ここで、本実施形態では、ガスと電解液との混合物を気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置で電解槽から気液分離タンクに流入させてよい。
[0167]
 本実施形態の水電解システムの詳細、本実施形態の水電解方法の詳細は、前述のとおりである。
[0168]
 以下、本発明の第二の課題を解決するための第二の実施形態について記載する。
[0169]
[アルカリ水電解システム]
 本発明のアルカリ水電解システムは、複極式電解槽と気液分離タンクと少なくとも有する、電解液が循環するアルカリ水電解システムであって、上記気液分離タンクの電解液液面と、上記複極式電解槽から上記気液分離タンクへ電解液を送る電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をh(単位:m)、上記複極式電解槽の電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置と上記気液分離タンクの電解液液面との鉛直方向の距離をH(単位:m)とした時に、以下の関係を満たし、
 0.01×H≦h≦0.5×H
 上記電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置が、上記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向上側にあり、上記電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置が、上記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向下側にある。
 本実施形態のアルカリ水電解システムによれば、電解液が循環しやすくなるため、アルカリ水電解に用いるエネルギーを抑制することができる。また、電力源として変動電源を用いた場合でも、低電密条件下においてガス純度が悪化しにくく、高電密条件下において、電解液の温度が上がりにくく、隔膜が劣化しにくい。
[0170]
 図1に、本実施形態のアルカリ水電解システムの概要を示す。
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、複極式電解槽50と、電解液と水素及び/又は酸素とを分離する気液分離タンク72とを有する。気液分離タンク72は、主に電解液と水素とを分離する水素分離タンク72h(陰極側気液分離タンク)、主に電解液と酸素とを分離する酸素分離タンク72O(陽極側気液分離タンク)とを含むことが好ましい。
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、さらに、経時的に電流密度が変動する電力源等の電力源、電解液を循環させるための送液ポンプ71、電解により消費した水を補給するための水補給器等を有していてもよい。
[0171]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、気液分離タンク72と複極式電解槽50とが配管により接続されていることが好ましい。
 ここで、電解液が循環する本実施形態のアルカリ水電解システム70において、複極式電解槽50から気液分離タンク72に、水素及び/又は酸素を含む電解液を戻す配管を電解液戻し配管81(陽極電解液戻し配管81a、陰極電解液戻し配管81c)、気液分離タンク72から複極式電解槽50に気液分離後の電解液を送る配管を電解液送り配管82(陽極電解液戻し配管82a、陰極電解液戻し配管82c)、と称する場合がある。陽極電解液戻し配管82aと、陰極電解液戻し配管82cとは、途中で合流していてもよい。
 また、電解液戻し配管81と複極式電解槽50との接続部(例えば、電解液戻し配管81と複極式電解槽50の電解液集液管との接続部)を電解液集液管出口50o、電解液戻し配管81と気液分離タンク72との接続部を流入口72iと称する場合がある。
 また、電解液送り配管82と気液分離タンク72との接続部を流出口72e、電解液送り配管82と複極式電解槽50との接続部(例えば、電解液送り配管82と複極式電解槽50の電解液配液管との接続部)を電解液配液管入口50iと称する場合がある。
[0172]
 図8に、複極式電解槽50と気液分離タンク72とを示した、本実施形態のアルカリ水電解システムの模式図を示す。
 本実施形態のアルカリ水電解システムは、気液分離タンク及び複極式電解槽の電解液の状態(例えば、密度、気泡割合等)との関係で、気液分離タンクの電解液液面72s、気液分離タンクの流入口72i、複極式電解槽の電解液配液管入口50i等の鉛直方向の位置を設定することにより、電解液を循環させる際のポンプ動力を低減又はなくすことができるために電力効率に一層優れ、低電流密度条件においてガス純度が一層悪化しにくく、高電流密度条件において電解液の温度上昇による隔膜の劣化を一層抑制できる点に着目した発明である。
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、気液分離タンク72の電解液液面72sと、上記複極式電解槽50から上記気液分離タンク72へ電解液を送る電解液戻し配管81の鉛直方向に最も高い位置81hとの鉛直方向の距離をh(単位:m)、上記複極式電解槽50の電解液配液管入口50iの鉛直方向に最も低い位置50ilと上記気液分離タンクの電解液液面72sとの鉛直方向の距離をH(単位:m)とした時に、
 0.01×H≦h≦0.5×H
の関係を満たす。
 上記hが0.01×H未満であると、気液分離が悪化し、ガス純度が著しく低下する。上記hは、電解液の循環が一層安定し、ガス純度が一層向上する観点から、0.01×H超であることが好ましく、0.02×H以上であることがより好ましく、更に好ましくは0.03×H以上、更に好ましくは0.04×H以上、更に好ましくは0.05以上、特に好ましくは0.1×H以上である。
 上記hは、アルカリ水電解システムの電力効率に一層優れ、低電流条件におけるガス純度が一層悪化しにくくなる観点から、0.5×H未満であることが好ましく、0.46×H以下であることがより好ましく、更に好ましくは0.4×H以下、特に好ましくは0.36×H以下である。
[0173]
 上記hは、アルカリ水電解システムの電力効率に優れ、低電流条件におけるガス純度が悪化しにくくなる観点から、(複極式電解槽内の電解液の気泡割合B)×H以下であることが好ましく、0.9×気泡割合B×H以下であることがより好ましく、0.7×気泡割合B×H以下であることがさらに好ましい。
 なお、上記気泡割合Bは、後述の実施例に記載の方法で測定される値をいう。
[0174]
 気液分離タンク72が複数ある場合、少なくとも1個の気液分離タンクが上記要件を満たすことが好ましく、全ての気液分離タンクが上記要件を満たすことがより好ましい。
[0175]
 上記複極式電解槽50の電解液配液管入口50iの鉛直方向に最も低い位置50ilと上記気液分離タンクの電解液液面72sとの鉛直方向の距離をHとしては、電解液が一層循環しやすく、且つ、変動する入力電力に対する循環の追従性の観点から、0.5~10mであることが好ましく、1.5~4mであることがより好ましい。Hが小さすぎると、密度差が付きにくく、循環のためのヘッド差が得られにくくなる。Hが大きすぎると、電解液の慣性力が大きくなり易く、変化の追従性が悪くなる。
[0176]
 上記複極式電解槽内の電解液の気泡割合Bは、0.01以上0.5以下であることが好ましく、0.02~0.4であることがより好ましい。上記気泡割合Bは、例えば、アルカリ水電解の通電量の変動範囲及び/又は変動周期、運転温度、電解液密度等により調整することができる。
[0177]
 本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置81hが、気液分離タンクの電解液液面72sより鉛直方向上側にあり、電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置50ilが、上記気液分離タンクの電解液液面72sより鉛直方向下側にある(図8参照)。
 ここで、電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置81hとは、電解液戻し配管81の鉛直方向の最も高い位置における、配管内腔の鉛直方向の最も高い位置をいう。例えば、電解液戻し配管81が、気液分離タンクの流入口72iより鉛直方向に高い位置を通らない場合は、流入口72iの内腔の鉛直方向に最も高い位置となる(図8参照)。
 また、電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置50ilとは、電解液配液管入口の内腔の鉛直方向に最も低い位置をいう。
[0178]
 本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、電解液戻し配管81の鉛直方向に最も低い位置は、電解液集液管出口50oであることが好ましい。即ち、電解液戻し配管81は、電解液集液管出口50oよりも低い位置を通らないことが好ましい。
[0179]
 気液分離タンク72が、酸素分離タンク72oと水素分離タンク72hとを含む場合、酸素分離タンク72oを循環する電解液と、水素分離タンク72hを循環する電解液との循環液量がそろうことで、液面レベルが管理しやすくなる、ガス純度が一層向上し、電解液温度が一層上昇しにくくなる観点から、酸素分離タンク72oの電解液液面72sと、複極式電解槽50から酸素分離タンク72oへ電解液を送る陽極電解液戻し配管81aの鉛直方向に最も高い位置81hとの鉛直方向の距離をha(単位:m)と、水素分離タンク72hの電解液液面72sと、複極式電解槽50から水素分離タンク72hへ電解液を送る陰極電解液戻し配管81cの鉛直方向に最も高い位置81hとの鉛直方向の距離をhc(単位:m)とが、ha≦hcの関係を満たすことが好ましく、より好ましくは0.9×ha≦hcである。
[0180]
 本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、ガス純度が一層向上する観点から、酸素分離タンク72o及び水素分離タンク72hから、流出口72eを通して吐出された電解液が、混合されて複極式電解槽50に送られることが好ましい。即ち、陽極電解液送り配管82aと、陰極電解液送り配管82cとは、電解液配液管入口に到達する前に、少なくとも一回合流することが好ましい(図1参照)。
[0181]
 本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、ガス純度が一層向上する観点から、気液分離タンク72と、複極式電解槽50とは、一体化しておらず、離れて設けられていることが好ましい。複極式電解槽の電解槽に沿う平面と、気液分離タンクに沿う平面とがオフセットしていてもよい。気液分離タンク72と複極式電解槽50とは接していないことが好ましく、気液分離タンクと複極式電解槽とが0.1m以上離れていることがより好ましく、0.5m以上離れていることがさらに好ましい。
[0182]
 本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、電解液戻し配管81と電解液送り配管82の材質は、特に限定されないが、使用する電解液の腐食性や、圧力や温度等の運転条件に十分耐えうるものを採用する必要がある。上記材質に、鉄、ニッケル、コバルト、PTFE、ETFE、PFA、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等を採用しても良い。
[0183]
 本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、電解液戻し配管81と電解液送り配管82の内腔の直径は、電解液の循環が安定する観点から、同じであることが好ましい。電解液の循環が一層安定する観点から、複極式電解槽の電解液配液管、電解液集液管の内腔の直径と同じであってもよい。
 電解液戻し配管81と電解液送り配管82の長さは、電解液の循環が安定する観点から、0.5m以上10m以下であることが好ましい。
[0184]
 第二の実施形態における上記送液ポンプ71としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
 本実施形態のアルカリ水電解システムでは、Hとhとが特定の関係となるように、気液分離タンクの電解液液面、電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置、及び電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置を配置することにより、送液ポンプを低出力で、又は層液ポンプを用いることなく電解液を循環させることができ、電力効率に優れる。特に、複極式電解槽内の電解液の密度と、気液分離タンク内の電解液の密度の差等を利用して、送液ポンプを用いることなく、電解液を循環させることで、一層電力効率に優れる。
[0185]
[アルカリ水電解方法]
 本実施形態のアルカリ水電解方法は、本実施形態のアルカリ水電解用電解システム70を用いて、上記気液分離タンクの電解液液面と、上記複極式電解槽から上記気液分離タンクへ電解液を送る電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離h(単位:m)、上記複極式電解槽の電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置と上記気液分離タンクの電解液液面との鉛直方向の距離H(単位:m)、上記複極式電解槽内の電解液の密度De(単位:g/cm )、上記気液分離タンク内の電解液の密度Dt(単位:g/cm )が、0.01×H≦h≦0.5×Hを満たす行件で行うことが好ましく、0.01×H≦h≦(De/Dt)×Hを満たす条件で行うことがより好ましい。
[0186]
 本実施形態のアルカリ水電解方法によれば、送液ポンプのポンプ動力を低減させることで電力効率が向上し、低電流密度時に得られるガスの純度に優れる。
 すなわち、本実施形態によれば、変動電源を用いてアルカリ水電解を行う際に、低電流密度時のガス純度に優れ、さらに高電流密度時に電解液の温度が上昇しにくく、複極式電解槽内の隔膜が劣化しにくい。さらに、複極式電解槽内の電解液の密度、及び気液分離タンク内の電解液の密度との関係で、気液分離タンクの流入口の位置を定めて、電解液の密度差を利用して電解液を循環させるため、電解液の循環の電力を低減させることができ、電力効率が低下しにくい。また、変動電源を用いた場合でも、電力に応じて変化する電解液の密度に応じて循環量が制御されるため、安定したアルカリ水電解が可能となる。
[0187]
 本実施形態のアルカリ水電解方法において、上記本発明の効果を高める観点から、電極室当たりの電解液の流量Qは、電極室5のサイズに応じて制御されるものであるが、1×10 -7/秒~1×10 -2/秒であることが好ましく、1×10 -6/秒~1×10 -3/秒であることがさらに好ましい。
[0188]
 本実施形態のアルカリ水電解方法において、複極式電解槽50内にある電解液の温度が80℃~130℃であることが好ましい。また、気液分離タンク内にある電解液の温度は、70~120℃であることが好ましく、複極式電解槽50内にある電解液温度以下にすることがより好ましい。
 上記温度範囲とすれば、高い電解効率を維持しながら、ガスケット7、隔膜4等のアルカリ水電解システム70の部材が熱により劣化することを効果的に抑制することができる。
 電解液の温度は、85℃~125℃であることがさらに好ましく、90℃~115℃であることが特に好ましい。また、気液分離タンク温度を上記範囲にする事で、複極式電解槽50内と気液分離タンク内にある電解液の密度差が付きやすく、電解液が循環しやすくなる。
[0189]
 本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル65に与える電流密度としては、4kA/m ~20kA/m であることが好ましく、6kA/m ~15kA/m であることがさらに好ましい。
 また、変動電源を使用する場合、電流密度の変動周期は、1~5000秒であることが好ましく、5~3000秒であることがさらに好ましい。
 特に、変動電源を使用する場合には、電流密度の上限を上記範囲にすることで効果が得られやすい。
[0190]
 本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル65内の圧力としては、3kPa~1000kPaであることが好ましく、3kPa~300kPaであることがさらに好ましい。
[0191]
 以下、本発明の第三の課題を解決するための第三の実施形態について記載する。
[0192]
 図1に、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す。
[0193]
(アルカリ水電解システム)
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、少なくとも、電解槽50、気液分離タンク72、水封器91、水補給器73を有するアルカリ水電解システムである。
 ここで、水封器91は、気液分離タンク72の下流且つ水補給器73の上流に接続されている。
[0194]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、一例では、アルカリ水電解システム70の全体の水量を調節する機構(図示せず)をさらに有する。
[0195]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70では、気液分離タンク72は、酸素分離タンク72oと水素分離タンク72hとを含み、そして、酸素分離タンク72oと水素分離タンク72hとに接続された合流管90をさらに備える。
[0196]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70では、水封器91は、酸素分離タンク72oの下流及び水素分離タンク72hの下流の少なくとも一方に接続されている。
[0197]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、水封器91の下流に接続されたバッファータンク92をさらに有する。
[0198]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、水封器91の下流に接続された水素ガス及び/または酸素ガスを系外に排出する配管93をさらに有する。
 そして、配管に、フレームアレスター94を有し、また、フレームアレスター94のミスト凝集液(フレームアレスター94に凝縮するミスト)を水封器91に戻す機構を有する。
[0199]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70では、フレームアレスター94が、その気体通過方向を水平方向又は鉛直方向下向きとして、設けられている。
[0200]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、少なくとも、電解槽50、気液分離タンク72、水補給器73を有するアルカリ水電解システム70としてもよい。
 ここで、アルカリ水電解システム70は、水素ガス及び/又は酸素ガスを系外に排出する配管93をさらに有するものとしてよく、配管93に、フレームアレスター94を有するものとしてよい。
[0201]
 本実施形態のアルカリ水電解システムによれば、水封器を利用してアルカリ水電解システム70全体を効率化することができ、アルカリ水電解システム70の安全性、信頼性の高いガスの効率的な供給を可能とする環境を達成することができる。
[0202]
(アルカリ水電解システム)
 図1に、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す。
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、例えば、図1に示すように、電解槽50と、電解液を循環させるための送液ポンプ71と、電解液と水素及び/又は酸素とを分離する気液分離タンク72(水素分離タンク72h、酸素分離タンク72o)と、電解により消費した水を補給するための水補給器73とを有する。
[0203]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70によれば、再生可能エネルギー等の変動電源での運転時に、電力供給を停止した際に生じる自己放電を低減して、電気制御システムの安定化が可能となる。
[0204]
 以下、本実施形態のアルカリ水電解システム70について詳述する。
[0205]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、少なくとも、電解槽50、気液分離タンク72、水封器91、水補給器73を有する。
[0206]
 本実施形態では、水補給器73よりシステム70に供給される水は、水封器91を経由して供給されることを特徴とする。
[0207]
 なお、水補給器73は、純水製造及び供給装置としてよい。
[0208]
 本実施形態で使用する水封器91は、容器内に水が充填されたものであり、アルカリ水電解で生成した水素又は酸素を接触させた後回収すると同時に外部とは充填された水によってアルカリ水電解システム70内とは遮断されている。かかる構造のため、外部からの予期されない物質のコンタミネーションや、水素ガスへの酸素の混入を防止することが可能であるため、アルカリ水電解システム70の安全性が高くなり、且つ信頼性の高いガスを継続的に供給することが可能となる。
[0209]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70によれば、スクラバーという装置を別個に設けなくても、水封器91中のシール水に発生ガスをくぐらせることによって、スクラバー効果を得ることができる。
 さらに、本実施形態のアルカリ水電解システム70によれば、そのアルカリ性を帯びた水を回収し電解液として再利用することによって、外部から供給する水の量が削減できること、アルカリ性となった水の処理が不要になること、システムの構造が簡単になることにより、ランニングコスト、メンテコスト、イニシャルコストが削減すること、といったメリットが得られる。
[0210]
 ここで、水封器は、気液分離タンク72の下流且つ水補給器73の上流に接続されている。
 本実施形態では、水封器91内の水を気液分離タンク72の下流に供給することを特徴としている(図1参照)。
 このような構成とすることで、アルカリが混入する可能性が高い水封器中の水をアルカリ水が循環しているアルカリ水電解システム70に利用して、効率的なシステムの稼働が可能となる。
 また、水封器91への水の供給装置をアルカリ水電解システム70への水の水補給器73と兼ねた上で、水封器91からの水のアルカリ水電解システム70への供給位置を、水補給器73から直接アルカリ水電解システム70へ水を供給する位置と同じように、気液分離タンク72の下流としている。これにより、これまで廃棄しており利用していなかった水封器91内の水を有効に再利用することが可能になるとともに、常に水封器91を同じ条件で稼働させることが可能となるので信頼性も向上させることが可能になる。
[0211]
 本実施形態では、水封器91は、酸素分離タンク72o及び水素分離タンク72hのいずれにも利用することが可能であり、いずれか一方にだけ利用することも可能である(図1では、酸素側及び水素側での利用を図示)。信頼性の高いガスの供給の点からは、水封器は、酸素分離タンク72o及び水素分離タンク72hの双方に利用することが望ましい。
 なお、酸素側及び水素側の双方に水封器を利用する場合、水補給器73は同一のものを使用してもよく、それぞれ異なるものを設置しても構わない。
[0212]
 本実施形態では、アルカリ水電解システム70は、システム全体の水量を調節する機構を有していても構わない。
 水封器91にシステム全体の水量調節機能を設けてもよい。水封器91と水補給器73を一体の設備とみなして、システム全体の水量調節機能を設けても構わない。
 また、システムの系内はアルカリ性であるため、水封器91は、水量調節機能の他に、pHをコントロールするための機能を併せ持っていてもよい。
[0213]
 また、本実施形態のアルカリ水電解システム70では、水封器91に液面計95を設けても構わない。
[0214]
 本実施形態では、気液分離タンク72は、酸素分離タンク72oと水素分離タンク72hとの二つを含んでよく、酸素分離タンク72oと水素分離タンク72hとに接続された合流管90をさらに備えてよい。
 そして、当該二つの気液分離タンク72o、72hから吐出された電解液が混合して電解槽50に流入する、所謂一液混合型であってもよい。
 合流管90の配設態様は、水素分離タンク72hから排出される電解液と酸素分離タンク72oから排出される電解液とが合流できる限り、特に限定されない。
[0215]
 さらに、本実施形態では、水封器の下流にバッファータンク92を設け、一旦、製造した水を当該バッファータンク92に貯めてから水を供給することも可能である(図示せず)。このように常に水を一定量保有することで安定した供給が可能となり、信頼性が向上する。
[0216]
 水封器91から電解液循環ラインへ導入する水量は、気液分離タンク72の液面の上限と下限とを定め管理することができる。
 例えば、下限位置に到達した際に水を供給し、上限位置に到達した時点で供給を停止すればよい。また、電解電流密度に応じて、供給する水量を調整することも可能である。本実施形態では、水量調整方法を限定するものではない。補給水の制御は、水補給器73から水封器91への水供給量で行うことができる。また、貯水タンクを介して、貯水タンクからの供給で行うこともでき、その際、水補給器73から水封器91への供給を定量供給としてもよいし、水封器91の液面で制御することもできる。
[0217]
 さらに、本実施形態では、アルカリ水電解システム70は水の電解により発生した水素ガス及び/又は酸素ガスを系外に排出するための配管93をさらに有する。
[0218]
 ここで、上記配管93に、フレームアレスター94を利用することが、安全性が高める観点から、好ましい。
 本実施形態では、フレームアレスター94は、逆火防止機能を有していればよいが、ガス流路閉塞防止機能を有することが好ましい。
 ガス流路閉塞防止機能は、ガスに含まれるミストがフレームアレスター94内に貯まることにより、ガスの出口流路が閉塞し、酸素側と水素側の差圧が制御できなくなる、又は、水封器91内の圧力が高まることにより、水封器91内の液面レベルが低下する、という問題を解決するために、有用な機構である。
 例えば、電解システム70内の圧力を、調圧弁で5~100kPa程度に制御している場合は、フレームアレスター94が閉塞した初期段階において、電解システム70内の圧力は所定の圧力で制御されるが、水封器91内の圧力が高まるため、水封器91内の液面レベルが低下し、水封機能の低下を招く。
 一方、電解システム70内の圧力を水封器91に導入する水の水封高さで1~5kPa程度に制御する場合は、フレームアレスター94が閉塞した際、水素/酸素ガス配管の閉塞度合が大きい方から系内の圧力が高くなるため、差圧が大きく変化する傾向になる。
[0219]
 本実施形態では、前述の配管93に、フレームアレスター94に凝縮するミストを水封器に戻す機構を有することが好ましい。
 上記機構としては、具体的には、フレームアレスター94表面上のミスト凝集水を移動させ、ガス流路を確保するために、フレームアレスター94表面上のミスト凝集水を蒸発させるもの、ミストに不活性のガスを吹き付けミスト凝集水を移動させるもの、単純にフレームアレスター94に傾斜を付け、フレームアレスター94表面上のミスト凝集水を移動させるもの、フレームアレスター94の設置角度を鉛直上向きに対して水平または上方から下方へ取り付けることで、フレームアレスター94内の気体通過方向を、水平、または上方から下方に流す構造とするものがある。
[0220]
 本実施形態では、酸素側と水素側との差圧の制御、水封器91内の液面レベルの低下の抑制の観点から、フレームアレスター94が、その気体通過方向を水平方向又は鉛直方向下向きとして、設けられていることが好ましい。
[0221]
 本実施形態のアルカリ水電解システム70は、少なくとも、電解槽50、気液分離タンク72、水補給器73を有するものとしてもよい。
 ここで、アルカリ水電解システム70は、水素ガス及び/又は酸素ガスを系外に排出する配管93をさらに有するものとしてよく、配管93に、フレームアレスター94を有するものとしてよい。
 この際、フレームアレスター94が前述の機構と同様に、凝縮するミストを気液分離タンク72等に戻す機構を有していてもよい。
[0222]
 以下、第三の実施形態のアルカリ水電解システム70の構成要素について説明する。
[0223]
-気液分離タンク-
 本実施形態において用いられる気液分離タンク72は、電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンク72hと、電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンク72oとを含む。
[0224]
 気液分離タンク72に流入したガスと電解液は、ガスはタンク上層の気相へ、電解液はタンク下層の液相に分かれる。気液分離タンク72内での電解液の線束と、発生したガス気泡の浮遊する速度と、気液分離タンク72内の滞留時間によって、気液分離の度合いが決まる。
[0225]
 ガスが分離された後の電解液は、タンク下方の流出口から流出し、電解セル65に再び流入することで循環経路を形成する。タンク上方の排出口から排出された酸素、及び水素ガスは、いずれもアルカリミストを含んだ状態であるため、排出口の下流に、ミストセパレーターや、クーラー等の、余剰ミストを液化し気液分離タンク72に戻すことが可能な装置を取り付けることが好ましい。
[0226]
-水補給器-
 本実施形態において用いられる水補給器73としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
[0227]
 また、本実施形態のアルカリ水電解システム70は、さらに、電力供給の停止を検知する検知器、及び、送液ポンプを自動停止する制御器を備えることが好ましい。検知器及び制御器を備えることで、再生可能エネルギーのように、変動が激しい電力源下でも、人為的な操作なしに、自己放電の影響を効率的に低減することが可能になる。
[0228]
(アルカリ水電解方法)
 本実施形態のアルカリ水電解方法は、本実施形態のアルカリ水電解システム70を用いて、実施することができる。
[0229]
 本実施形態のアルカリ水電解方法は、水補給器73より水を水封器91を経由して供給するものである。
 かかる方法によれば、従来は廃棄していた水封用の水を電解液用の水に活用することができ、電解液量や電解液濃度を管理・制御することが容易になり、また、アルカリ性の排水処理量を削減することができる。
[0230]
 ここで、本実施形態のアルカリ水電解方法では、水素分離タンク72hから吐出された電解液と、酸素分離タンク72oから吐出された電解液とを、合流管90で混合し、電極室5に導入することが好ましい。
[0231]
 また、本実施形態のアルカリ水電解方法では、水封器91から排出された水をバッファータンク92を経由して電解槽に供給することが好ましい。
[0232]
 さらに、本実施形態のアルカリ水電解方法では、フレームアレスター94に凝縮するミストを水封器91に戻すことが好ましい。
 かかる方法によれば、フレームアレスター94に凝縮して溜まるミスト成分による、ガス配管93の閉塞を抑制することができ、酸素側と水素側との差圧の制御が容易になる。
[0233]
 本実施形態では、前述のアルカリ水電解システム70の構成要素を用いて、例えば、図1に示すような構成のアルカリ水電解システム70を作製することができるが、これに限定されるものではない。
[0234]
 また、本実施形態では、電解槽50への電力供給の停止時に、送液ポンプ71を停止することで、出口ホース内の電解液の流れを停止することが好ましい。出口ホース内の電解液の流れを停止することで、電解液の自重によって電解液が出口ヘッダーに流れ落ちるため、出口ホース内に絶縁性のガス層が形成される。これにより、出口ホースの液抵抗が無限に増大するため、出口ホースにリーク電流がほぼ流れなくなる。その結果、自己放電の影響を低減することが可能になる。
[0235]
 本実施形態のアルカリ水電解方法は、太陽光や風力等の変動電源を使用することによって、上述の効果が顕著になる。
[0236]
 本実施形態では、前述の第一の実施形態、前述の第二の実施形態、前述の第三の実施形態は、適宜組み合わせて用いられてよい。
実施例
[0237]
 以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。
[0238]
 以下、実施例A、実施例B、比較例A、比較例Bについて記載する。
[0239]
(実施例A1及び比較例A1)
 複極式エレメント及びそれを用いたアルカリ水電解システムは、下記のとおり作製した。
[0240]
-隔壁、外枠-
 複極式エレメントとして、陽極と陰極とを区画する隔壁と、隔壁を取り囲む外枠と、を備えたものを用いた。隔壁及び複極式エレメントのフレーム等の電解液に接液する部材の材料は、全てニッケルとした。
[0241]
-陽極-
 陽極としては、あらかじめブラスト処理を施したニッケルエキスパンド基材を用い、酸化ニッケルの造粒物をプラズマ溶射法によって導電性基材の両面に吹き付けて製作した。
[0242]
-陰極-
 導電性基材として、直径0.15mmのニッケルの細線を40メッシュで編んだ平織メッシュ基材上に白金を担持したものを用いた。
[0243]
-隔膜-
 酸化ジルコニウム(商品名「EP酸化ジルコニウム」、第一稀元素化学工業社製)、N-メチル-2-ピロリドン(和光純薬工業社製)、ポリスルホン(「ユーデル」(登録商標)、ソルベイアドバンストポリマーズ社製)、及びポリビニルピロリドン(重量平均分子量(Mw)900000、和光純薬工業社製)を用いて、以下の成分組成の塗工液を得た。
 ポリスルホン:15質量部
 ポリビニルピロリドン:6質量部
 N-メチル-2-ピロリドン:70質量部
 酸化ジルコニウム:45質量部
 上記塗工液を、基材であるポリフェニレンサルファイドメッシュ(くればぁ社製、膜厚280μm、目開き358μm、繊維径150μm)の両表面に対して塗工した。塗工後直ちに、塗工液を塗工した基材を蒸気下へ晒し、その後、凝固浴中へ浸漬して、基材表面に塗膜を形成させた。その後、純水で塗膜を十分洗浄して多孔膜を得た。
 この多孔膜を隔膜Aとした。
[0244]
 陰極Aを、切断加工により、50cm角(縦50cm×横50cm)に調整し、陰極サンプルAとした。
 陽極Aを、切断加工により、50cm角(縦50cm×横50cm)に調整し、陽極サンプルAとした。
 隔膜Aを、切断加工により、52.5cm角(縦52.5cm×横52.5cm)に調整し、隔膜サンプルAとした。
[0245]
-ゼロギャップ構造-
 複極式エレメントを隔膜を保持したガスケットを介してスタックさせ、複極式電解槽を組み立てることによって、陰極サンプルAと陽極サンプルAとを隔膜の両側から押し付けて接触させ、ゼロギャップ構造を形成した。
 陽極側では陽極サンプルAのみを用い、陰極側は「陰極-導電性弾性体-集電体」の組み合わせからなる陰極サンプルを用いた。
 陽極サンプルとしては、前述のものを用いた。
 集電体として、あらかじめブラスト処理を施したニッケルエキスパンド基材を用いた。基材の厚みは1mmであり、開口率は54%であった。
 導電性弾性体として、線径0.15mmのニッケル製ワイヤーを織ったものを、波高さ5mmになるように波付け加工したものを使用した。
 導電性弾性体を集電体上にスポット溶接して固定した。
 陰極サンプルAとしては、前述のものを用いた。
[0246]
-複極式電解槽、複極式エレメント-
 複極式エレメントを49個使用し、図2に示すように、一方の端側で、ファストヘッド、絶縁板、陽極ターミナルユニットを配置し、さらに、陽極側ガスケット部分、隔膜、陰極側ガスケット部分、複極式エレメントをこの順に並べたものを49組配置し、さらに、陽極側ガスケット部分、隔膜、陰極側ガスケット部分を配置し、もう一方の端側で、陰極ターミナルユニット、絶縁板、ルーズヘッドを配列し、その後、これらをファストヘッド及びルーズヘッドの両側からガスケットのシール面圧で2450kN/m で締め付けることでスタックし、複極式電解槽を組み立てた。
 この実施例においては、陰極室及び陽極室が、それぞれ50室ある50対の直列接続構造を有していた。
[0247]
-ガスケット-
 ガスケットとして、EPDMゴムを材質とし、100%変形時の弾性率が4.0MPaであり、厚みが4.0mmであるものを用いた。このガスケットは、平面視での開口部の寸法がアクリル製のセル枠の電極室の寸法であり、ここで、開口部の内壁の厚み方向中央部分に、隔膜を挿入することでこれを保持するための、厚み0.4mmのスリット構造を有していた。
[0248]
-ヘッダー、導管-
 内部ヘッダー10I型の複極式エレメント60を採用した。
 そして、図4、図5に示すように、ヘッダー10(陽極入口ヘッダー10Iai、陰極入口ヘッダー10Ici、陽極出口ヘッダー10Iao、陰極出口ヘッダー10Ico)のいずれもが、複極式エレメント60の隔壁1の側方の2辺に対して平行に延びるように(隔壁1の上方の辺及び下方の辺に対して直交して延びるように)、配置した。
 また、図4、図5に示すように、導管20(陽極用配液管20Iai、陰極用配液管20Ici、陽極用集液管20Iao、陰極用集液管20Ico)のいずれもが、複極式エレメント60の隔壁1に垂直な方向に延びるように、配置した。
 こうして、内部ヘッダー10I型の電解槽を作製した。
 陰極入口ヘッダー10Iciを介して陰極室5cへ、陰極室5cから陰極出口ヘッダー10Icoを介して、電解液を流した。また、陽極入口ヘッダー10Iaiを介して陽極室5aへ、陽極室5aから陽極出口ヘッダー10Icoを介して、電解液を流した。
 図4に示すように、陰極電解液入口5ciは平面視で長方形の外枠の下辺の一方端側に、陰極電解液出口5coは平面視で長方形の外枠3の下辺の他方端側に繋がる側辺の上側に、それぞれ接続されている。ここでは、陰極電解液入口5ciと陰極電解液出口5coとを、平面視で長方形の電解室5において電極室5の電極室5の中央部を挟んで向かい合うように、設けた。電解液は、鉛直方向に対して傾斜しながら下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
 この実施例の複極式電解槽50では、陽極室5aや陰極室5cの電解液入口5iから、陽極室5aや陰極室5cに、電解液が流入し、陽極室5aや陰極室5cの電解液出口5oから、電解液と生成ガスとが、電解槽50外へ流出する構造とした。
 陰極室5cでは、電解により水素ガスが発生し、陽極室5aでは、電解により酸素ガスが発生するため、前述した、陰極出口ヘッダー10Icoでは、電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口ヘッダー10Icoでは、電解液と酸素ガスとの混相流となった。
[0249]
-気液分離タンク-
 気液分離タンクは、高さ1400mm、容積1m のものを用意した。
 気液分離タンクの液量は、それぞれ設計容積の50%程度とした。
 実施例A1は、hiがhsよりも大きく、δ=60°、θ=0°のものとした。
 比較例A1は、hiがhsよりも小さく、δ=0°、θ=0°のものとした。
 そして、後述の実施例B1と同様に、気液分離タンクに樹脂ライニング層を設ける処理を行った。表1に詳細を示す。
[0250]
 送液ポンプ、水補給器等は、いずれも当該技術分野において通常使用されるものを用いて、図1に示すようなアルカリ水電解システムを作製した。
[0251]
 アルカリ水電解システムを用いたアルカリ水電解方法を、下記の条件で実施した。
[0252]
 電解液として、30%KOH水溶液を用いた。
 整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、10kA/m となるように通電をした。
 送液ポンプにより、陽極室、酸素分離タンク(陽極用気液分離タンク)、陽極室1aの循環を、また、陰極室、水素分離タンク(陰極用気液分離タンク)、陰極室、の循環を行った。
[0253]
 通電開始後の槽内圧力は、圧力計で測定し、陰極(水素ガス)側圧力が50kPa、陽極(酸素ガス)側圧力が49kPaとなるとように、調整した。圧力調整は、圧力計下流に設置した制御弁により行った。
[0254]
 なお、循環流路として、配管の電解液に接液する部分についてSGP(配管用炭素鋼鋼管)にテフロンライニング内面処理を施した、20Aの配管を用いた。
[0255]
(電解試験)
 整流器から電解槽に対して、電流密度が10kA/m となるように連続で通電し、水電解を行った。それぞれの条件において、100時間ずつ運転し、80時間経過時に評価を行った。
[0256]
 各例において、水電解により得られた水素中の酸素濃度(%)の値をガスクロマトグラフィーにより測定した。この場合、水素中に酸素濃度が少ない方が、水素の純度が上がることとなるため、より良質な水素を得たことになる。
 その結果を表1に記す。
[0257]
(実施例A2、実施例A3、比較例A2)
 複極式エレメント及びそれを用いたアルカリ水電解システムは、下記のとおり作製した。
[0258]
-隔壁、外枠、整流板-
 複極式エレメントとして、陽極と陰極とを区画する隔壁と隔壁を取り囲む外枠とが一体化されたニッケル製の部材を用いた。隔壁の平面視でのサイズは、縦500mm×横500mmとし、厚みは2mmとした。
 隔壁の陽極室側に、高さ25mm、厚み1.5mmのニッケル製の陽極側整流板(陽極側リブ)を4枚、隔壁の陰極室側に、高さ25mm、厚み1.5mmのニッケル製の陰極側整流板(陰極側リブ)を4枚、溶接により、95mmの間隔(外枠-整流板距離は95.5mm)で、取り付けた。
 整流板には、隔壁に溶接された側に、半径10mmの半円形状の穴を、整流板の延在方向について等間隔に、12か所設けた。
[0259]
-陽極、陰極、隔膜、ガスケット-
 実施例1において使用した陽極、陰極、隔膜、ガスケットと同様のものを使用した。
 陽極及び陰極の平面視でのサイズは、500mm×500mmとした。
[0260]
-複極式電解槽、複極式エレメント-
 複極式エレメントを5個使用し、図2に示すように、一方の端側で、ファストヘッド、絶縁板、陽極ターミナルエレメントを配置し、さらに、陽極側ガスケット部分、隔膜、陰極側ガスケット部分、複極式エレメントをこの順に並べたものを5組配置し、さらに、陽極側ガスケット部分、隔膜、電陰極側ガスケット部分を配置し、もう一方の端側で、陰極ターミナルエレメント、絶縁板、ルーズヘッドを配列し、その後、これらをファストヘッド及びルーズヘッドの両側から8本のタイロッドを使用し、各タイロッドをトルクレンチにより締め付けトルク59Nmで締め付けることでスタックし、複極式電解槽を組み立てた。
 この実施例においては、陰極室及び陽極室が、それぞれ5室ある5対の直列接続構造を有していた。
 ゼロギャップ型の複極式エレメントは、隔壁に垂直な方向にみて、縦540mm×横620mmの長方形の形状を有していた。
[0261]
-電解室-
 電極室の隔壁に垂直な方向の長さ(電極室の深さ)は、陽極室で25mmであり、陰極室で25mmであった。
[0262]
-ゼロギャップ構造-
 前述のとおり、複極式電解槽を組み立てることによって、図2に示すような、陰極と陽極とを隔膜の両側から押し付けて接触させ、ゼロギャップ構造を形成した。
 陽極側では陽極のみを用い、陰極側は「陰極-導電性弾性体-集電体」の組み合わせを用い、ゼロギャップ構造の詳細は、実施例1と同様とした。
[0263]
-ヘッダー(外部ヘッダー)-
 この実施例の複極式電解槽50では、図6、図7に示すように、この実施例の複極式電解槽50では、電解槽50の筐体の外方に、電解液を配液及び集液するための導管20(陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Oci、陽極用集液管20Oao、陰極用集液管20Oco)が設けられている。
 更に、この電解槽50では、これらの導管20から電解室5に電解液を通過させるホース(陽極入口側ホース10Oai、陽極出口側ホース10Oao、陰極入口側ホース10Oci、陰極出口側ホース10Oco)を、外部から取り付けた。
 なお、各ホース(10Oai、10Oao、10Oci、10Oco)には、それぞれ熱電対を設置し、電極室を通過する前後での電解液の温度差を測定した。
 こうして、外部ヘッダー型の電解槽を作製した。
 陰極入口側ホース10Ociを介して陰極室5cへ、陰極室5cから陰極出口側ホース10Ocoを介して、電解液を流した。
 また、陽極入口側ホース10Oaiを介して陽極室5aへ、陽極室5aから陽極出口側ホース10Oaoを介して、電解液を流した。
 図6、図7に示すように、入口側ホースは平面視で長方形の外枠の下辺の一方端側に、出口側ホースは平面視で長方形の外枠の下辺の他方端側に繋がる側辺の上側に、それぞれ接続されている。ここでは、入口側ホースと出口側ホースとを、平面視で長方形の電解室において電極室の電極室の中央部を挟んで向かい合うように、設けた。電解液は、鉛直方向に対して傾斜しながら下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
 この実施例の複極式電解槽では、陽極室5aや陰極室5cの入口側ホースから、陽極室5aや陰極室5cに、電解液が流入し、陽極室5aや陰極室5cの出口側ホースから、電解液と生成ガスとが、電解槽外へ流出する構造とした。
 陰極室5cでは、電解により水素ガスが発生し、陽極室5aでは、電解により酸素ガスが発生するため、前述した、陰極出口側ホース10Ocoでは、電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口側ホース10Oaoでは、電解液と酸素ガスとの混相流となった。
[0264]
 整流器としては、(株)三社電機製作所社製のKCA2F7-15-2500CLを用いた。
 酸素濃度計としては、アドバンストインストゥルメンツ社製のGPR-2500を用いた。
 水素濃度計としては、理研計器(株)社製のSD-D58・ACを用いた。
 圧力計としては、横河電機(株)社製のEJA-118Wを用いた。
 送液ポンプ、気液分離タンク、水補給器等は、いずれも当該技術分野において通常使用されるものを用いて、アルカリ水電解システムを作製した(図1参照)。
[0265]
-気液分離タンク-
[0266]
 気液分離タンクは、高さ1400mm、容積1m のものを用意した。
 気液分離タンクの液量は、それぞれ設計容積の50%程度とした。
 実施例A2は、hiがhsよりも大きく、δ=60°、θ=0°のものとした。
 比較例A2は、hiがhsよりも小さく、δ=0°、θ=0°のものとした。
 実施例A3は、hiがhsよりも大きく、δ=70°、θ=90°のものとした。
 そして、後述の実施例B1と同様に、気液分離タンクに樹脂ライニング層を設ける処理を行った。表1に詳細を示す。
[0267]
 複極式電解槽を用いたアルカリ水電解を下記の条件で実施した。
[0268]
 電解液として、30%KOH水溶液を用いた。
 整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、10kA/m となるように通電をした。
 送液ポンプにより、陽極室、酸素分離タンク(陽極用気液分離タンク)、陽極室の循環を、また、陰極室、水素分離タンク(陰極用気液分離タンク)、陰極室、の循環を行った。
[0269]
 通電開始後の槽内圧力は、圧力計で測定し、陰極(水素ガス)側圧力が50kPa、陽極(酸素ガス)側圧力が49kPaとなるとように、調整した。圧力調整は、圧力計下流に設置した制御弁により行った。
[0270]
 なお、循環流路として、配管の電解液に接液する部分についてSGP(配管用炭素鋼鋼管)にテフロンライニング内面処理を施した、20Aの配管を用いた。
[0271]
(電解試験)
 整流器から電解槽に対して、電流密度が10kA/m となるように連続で通電し、水電解を行った。それぞれの条件において、100時間ずつ運転し、80時間経過時に評価を行った。
[0272]
 各例において、水電解により得られた水素中の酸素濃度の値をガスクロマトグラフィーにより測定した。この場合、水素中に酸素濃度(%)が少ない方が、水素の純度が上がることとなるため、より良質な水素を得たことになる。
 その結果を表1に記す。
[0273]
[表1]


[0274]
(実施例B1)
 特に下記の条件とした以外はアルカリ水電解システムの全体構成を実施例A1と同様とした。
[0275]
 複極式電解槽は、各電解質の電極面積が2.7m であり、陰極室及び陽極室がそれぞれ4室ある4対の直列接続構造を有するものとした。
[0276]
 SS400の鋼製タンクの表面を脱脂処理し、その後砂でブラスト処理し表面をあらし、回転焼成にてETFEで1層目(厚さ1mm)を塗布した。その後、同様に回転焼成にてETFEで2層目(厚さ1mm)を塗布した。
 このタンクをアルカリ水電解の気液分離タンク(水素分離タンク、酸素分離タンク)に使用した。
 タンクの容積は、水素分離タンク及び酸素分離タンク共に2m であった。
 アルカリ水電解システムの詳細な条件を表1に示す。
[0277]
 電解液には、30%水酸化カリウムを用いた。
 整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、電流密度6kA/m となるように通電をした。
 循環流量を1m /hrとした。
 電解液の温度は最高95℃とした。
[0278]
 この条件で累積7000時間運転したところ、ライニング層が剥がれることなく、且つ水電解にて25Nm /hrの水素を得ることができた。
[0279]
(実施例B2)
 特に下記の条件とした以外はアルカリ水電解システムの全体構成を実施例A1と同様とした。
[0280]
 複極式電解槽は、各電解質の電極面積が2.7m であり、陰極室及び陽極室がそれぞれ4室ある4対の直列接続構造を有するものとした。
[0281]
 SS400の鋼製タンクの表面を脱脂処理し、その後砂でブラスト処理し表面をあらした、紛体塗装方式によりETFEで1層目(厚さ1mm)を塗布した。その後、同様に紛体塗装方式にてETFEで2層目(厚さ1mm)を塗布した。
 このタンクをアルカリ水電解の気液分離タンク(水素分離タンク、酸素分離タンク)に使用した。
 タンクの容積は、水素分離タンク及び酸素分離タンク共に2m であった。
 アルカリ水電解システムの詳細な条件を表1に示す。
[0282]
 電解液には、30%水酸化カリウムを用いた。
 整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、電流密度6kA/m となるように通電をした。
 循環流量を1m /hrとした。
 電解液の温度は最高95℃とした。
[0283]
 この条件で累積7000時間運転したところ、ライニング層が剥がれることなく、且つ水電解にて25Nm /hrの水素を得ることができた。
[0284]
(実施例B3)
 特に下記の条件とした以外はアルカリ水電解システムの全体構成を実施例A1と同様とした。
[0285]
 複極式電解槽は、各電解質の電極面積が0.25m であり、陰極室及び陽極室がそれぞれ4室ある4対の直列接続構造を有するものとした。
[0286]
 SS400の鋼製タンクの表面を脱脂処理し、その後砂でブラスト処理し表面を荒らした。プライマーには、ETFEの共重合体を塗布し、その上にPFAを主材として1層(厚さ2mm)塗布した。
 このタンクをアルカリ水電解の気液分離タンク(水素分離タンク、酸素分離タンク)に使用した。
 タンクの容積は、水素分離タンク及び酸素分離タンク共に0.3m であった。
 アルカリ水電解システムの詳細な条件を表1に示す。
[0287]
 電解液には、30%水酸化カリウムを用いた。
 整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、電流密度10kA/m となるように通電をした。
 循環流量を0.1m /hrとした。
 電解液の温度は最高80℃とした。
[0288]
 この条件で累積2000時間運転したところ、ライニング層が剥がれることなく、かつ水電解にて4.2Nm /hrの水素を得ることができた。
[0289]
(実施例B4)
 特に下記の条件とした以外はアルカリ水電解システムの全体構成を実施例A1と同様とした。
[0290]
 複極式電解槽は、各電解質の電極面積が0.25m であり、陰極室及び陽極室がそれぞれ40室ある40対の直列接続構造を有するものとした。
[0291]
 SS400の鋼製タンクの表面を脱脂処理し、その後砂でブラスト処理し表面を荒らした。プライマーには、ETFEの共重合体を塗布し、その上にETFE主材として1層(厚さ2mm)塗布した。
 このタンクをアルカリ水電解の気液分離タンク(水素分離タンク、酸素分離タンク)に使用した。
 タンクの容積は、水素分離タンク及び酸素分離タンク共に0.5m であった。
 アルカリ水電解システムの詳細な条件を表1に示す。
[0292]
 電解液には、30%水酸化カリウムを用いた。
 整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、電流密度6kA/m となるように通電をした。
 循環流量を1m /hrとした。
 電解液の温度は最高70℃とした。
[0293]
 この条件で累積1000時間運転したところ、ライニング層が剥がれることなく、且つ水電解にて16Nm /hrの水素を得ることができた。
[0294]
(実施例B5)
 特に下記の条件とした以外はアルカリ水電解システムの全体構成を実施例A2と同様とした。
[0295]
 複極式電解槽は、各電解質の電極面積が0.25m であり、陰極室及び陽極室がそれぞれ10室ある10対の直列接続構造を有するものとした。
[0296]
 SS400の鋼製タンクの表面を脱脂処理し、その後砂でブラスト処理し表面を荒らした。プライマーには、ETFEの共重合体を塗布し、その上にETFEを主材として1層(厚さ2mm)塗布した。
 このタンクをアルカリ水電解の気液分離タンク(水素分離タンク、酸素分離タンク)に使用した。
 タンクの容積は、水素分離タンク及び酸素分離タンク共に0.5m であった。
 アルカリ水電解システムの詳細な条件を表1に示す。
[0297]
 電解液には、30%水酸化カリウムを用いた。
 整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、電流密度10kA/m となるように通電をした。
 循環流量を0.2m /hrとした。
 電解液の温度は最高95℃とした。
[0298]
 この条件で累積2000時間運転したところ、ライニング層が剥がれることなく、且つ水電解にて10Nm /hrの水素を得ることができた。
[0299]
[表2]


[0300]
 以下、実施例C及び比較例Cについて記載する。
[0301]
(実施例C1)
 複極式エレメントを下記の通りに作製した。なお、電解装置を作製する際に使用する一部のものについても記載する。
[0302]
 隔壁、外枠、陽極、陰極、隔膜、ゼロギャップ構造等は、特に断りのない限り、それぞれ実施例A1で使用したもと同様のものを使用した。
[0303]
-ヘッダー、導管-
 内部ヘッダー10I型の複極式エレメント60を採用した。
 そして、図4、図5に示すように、ヘッダー10(陽極入口ヘッダー10ai、陰極入口ヘッダー10ci、陽極出口ヘッダー10ao、陰極出口ヘッダー10co)のいずれもが、複極式エレメント60の隔壁1の側方の2辺に対して平行に延びるように(隔壁1の上方の辺及び下方の辺に対して直交して延びるように)、配置した。
 また、図4、図5に示すように、導管20(陽極用配液管20ai、陰極用配液管20ci、陽極用集液管20ao、陰極用集液管20co)のいずれもが、複極式エレメント60の隔壁1に垂直な方向に延びるように、配置した。
 こうして、内部ヘッダー10I型の電解槽を作製した。
 陰極入口ヘッダー0Iciを介して陰極室5cへ、陰極室5cから陰極出口ヘッダー10coを介して、電解液を流した。また、陽極入口ヘッダー10aiを介して陽極室5aへ、陽極室5aから陽極出口ヘッダー10coを介して、電解液を流した。
 図4に示すように、陰極電解液入口5ciは平面視で長方形の外枠の下辺の一方端側に、陰極電解液出口5coは平面視で長方形の外枠3の下辺の他方端側に繋がる側辺の上側に、それぞれ接続されている。ここでは、陰極電解液入口5ciと陰極電解液出口5coとを、平面視で長方形の電解室5において電極室5の電極室5の中央部を挟んで向かい合うように、設けた。電解液は、鉛直方向に対して傾斜しながら下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
 この実施例の複極式電解槽50では、陽極室5aや陰極室5cの電解液入口5iから、陽極室5aや陰極室5cに、電解液が流入し、陽極室5aや陰極室5cの電解液出口5oから、電解液と生成ガスとが、電解槽50外へ流出する構造とした。
 陰極室5cでは、電解により水素ガスが発生し、陽極室5aでは、電解により酸素ガスが発生するため、前述した、陰極出口ヘッダー10coでは、電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口ヘッダー10coでは、電解液と酸素ガスとの混相流となった。
[0304]
 実施例C1の複極式電解槽は下記のとおりの手順で作製した。
[0305]
 陰極Aを複極式フレームの陰極面に取付け、陽極Aを複極式フレームの陽極面に取付けたものを、複極式エレメントとした。また、陰極Aを陰極ターミナルフレームに取付けたものを、陰極ターミナルエレメントとした。陽極Aを陽極ターミナルフレームに取付けたものを、陽極ターミナルエレメントとした。
[0306]
 複極式エレメントに取り付けた電極(陽極及び陰極)の面積S1は、0.25m に調整した。
 外枠の下方に設けられた、導管(配液管、集液管)の流路の断面積S2は、0.0009m に調整した。
 ヘッダー(陽極入口ヘッダー、陽極出口ヘッダー、陰極入口ヘッダー、陰極出口ヘッダー)の流路の断面積S3は、0.000016m に調整した。
[0307]
 また、複極式エレメントの厚さdは、0.033mに調整した。また、陰極ターミナルエレメント、陽極ターミナルエレメントの厚みを、0.0125mに調整した。
[0308]
 上記複極式エレメントを9個用意した。また、上記陰極ターミナルエレメント、上記陽極ターミナルエレメントを、1個ずつ用意した。
[0309]
 全ての複極式エレメントと、陰極ターミナルエレメントと、陽極ターミナルエレメントの、金属フレーム部分にガスケットを貼付けた。
[0310]
 陽極ターミナルエレメントと、複極式エレメントの陰極側との間に、隔膜Aを1枚挟み込んだ。9個の複極式エレメントを、隣接する複極式エレメントのうちの一方の陽極側と他方の陰極側とが対向するように、直列に並べ、隣接する複極式エレメントの間に、8枚隔膜Aを1枚ずつ挟み込み、陰極と陽極とが隔膜に押しつけられたゼロギャップ構造を形成した。更に、9個目の複極式エレメントの陽極側と、陰極ターミナルエレメントとの間に、隔膜Aを1枚挟み込んだ。これらを、ファストヘッド、絶縁板、ルーズヘッドを用いたうえで、プレス機で締付けたものを、実施例C1の複極式電解槽とした。
[0311]
 送液ポンプ、気液分離タンク等は、いずれも当該技術分野において通常使用されるものを用いて、図1に示すようなアルカリ水電解システムを作製した。なお、陽極電解液戻し配管中に陽極温度計を、陰極電解液戻し配管中に陰極温度計を設け、各配管中の電解液濃度を測定した。また、電解液送り配管の陽極及び陰極の電解液配液管入口手前(流量計より下流側)に圧力計を設け、電解液配液管入口の電解液の圧力を測定した。
[0312]
 アルカリ水電解システムを用いたアルカリ水電解方法を、下記の条件で実施した。
[0313]
 電解液として、30%KOH水溶液を用いた。
 送液ポンプにより、陽極室、陽極電解液戻し配管、酸素分離タンク(陽極用気液分離タンク)、陽極電解液送り配管、陽極室の循環を、また、陰極室、陰極電解液戻し配管、水素分離タンク(陰極用気液分離タンク)、陰極電解液送り配管、陰極室の循環を、行った。送液ポンプは、電解槽へ通電開始前に止め、送液ポンプを用いずに電解液を循環させた。
[0314]
 なお、循環流路として、配管の電解液に接液する部分についてSGP(配管用炭素鋼鋼管)にテフロンライニング内面処理を施した、20Aの配管を用いた。
[0315]
 気液分離タンクは、実施例A2で使用したものと同様のもを用意した。
[0316]
 整流器から複極式電解槽に、各々の陰極及び陽極の面積に対して、変動範囲0~10kA/m 、変動周期30秒の正弦波状に変動させた電流を流した。実施例C1においては、電極の面積は500mm×500mmであるため、0~2.5kAを通電した。
[0317]
 電解槽内の圧力は、気液分離タンクのガス流出路下流に設けた圧力計78で測定し、陰極側圧力が50kPa、陽極側圧力が50kPaとなるとように調整しながら、電気分解を行った。圧力調整は、圧力計78の下流に設置した圧力制御弁80により行った。
[0318]
 複極式電解槽の電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置と気液分離タンクの電解液液面との鉛直方向の距離Hは2m、酸素分離タンクの電解液液面と、複極式電解槽から酸素分離タンクへ電解液を送る陽極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離haは0.9m、水素分離タンクの電解液液面と、複極式電解槽から水素分離タンクへ電解液を送る陰極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離hcは0.9m、にそれぞれ調整した。
 酸素分離タンク、水素分離タンクが、複極式電解槽と接している一体型のアルカリ水電解システムとした。
[0319]
 そして、実施例C1におけるアルカリ水電解について、下記の通りに評価した。
[0320]
(電解液温度)
 陽極電解液戻し配管に設けた陽極温度計及び陰極電解液戻し配管に設けた陰極温度計により、通電開始100時間後の複極式電解槽の電解液集液管出口から送られる電解液の温度(℃)を測定した。
 結果を表3に示す。
[0321]
(陰極及び陽極の電解液配液管入口の電解液圧力差の振幅)
 通電開始100時間後の、陽極側の電解液配液管入口に流れる陽極電解液圧力(kPa)、及び陰極側の電解液配液管入口に流れる陰極電解液圧力(kPa)を測定し、陽極電解液圧力と陰極電解液圧力との差の振幅を測定した。
 陽極電解液圧力と陰極電解液圧力との差の振幅が小さいほど、隔膜を介したガスの混合が少なくなり、隔膜や電極へのダメージを低減できるため、好ましい。
[0322]
(回収ガスの純度)
 通電開始100時間後の、酸素分離タンクから回収された酸素ガス中の酸素ガス及び水素ガスの濃度を測定し、回収された酸素ガス全量に対する水素ガスの含有率(水素ガスの濃度/(酸素ガスの濃度+水素ガスの濃度)×100)を算出した。また、水素分離タンクから回収された水素ガス中の水素ガス及び酸素ガスの濃度を測定し、回収された水素ガス全量に対する酸素ガスの含有率(酸素ガスの濃度/(水素ガスの濃度+酸素ガスの濃度)×100)を算出した。
 ガスの濃度は、図1に示すように、圧力制御弁80の下流に設けた、H /O 濃度計75、76により測定した。
 他のガスの含有割合が小さいほど、得られるガスの純度が優れていると判断した。
[0323]
(複極式電解槽内の電解液の気泡割合、B)
 本実施例C、比較例Cと同じ寸法の透明の電解槽及び配管ラインを用意し、一定電密で、1時間電解後に、電解を停止し、停止の前後の電解液の体積変化により、電解液中の気泡の体積割合(気泡の体積/(液体の体積+気泡の体積))を測定した。6kA/m のとき、10%程度、10kA/m のとき、15%程度だった。
[0324]
(実施例C2)
 酸素分離タンクと複極式電解槽、及び水素分離タンクと複極式電解槽を、それぞれ1.0m離し、約2mの電解液戻し配管、電解液送り配管で接続したこと以外は、実施例C1と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
 測定結果を表3に示す。
[0325]
(実施例C3)
 ha及びhcを0.5mとしたこと以外は、実施例C2と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
 測定結果を表3に示す。
[0326]
(実施例C4)
 ha及びhcを0.1mとしたこと以外は、実施例C2と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
 測定結果を表3に示す。
[0327]
(実施例C5)
 haを0.7m、hcを0.9mとしたこと以外は、実施例C2と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
 測定結果を表3に示す。
[0328]
(実施例C6)
 haを0.9m、hcを0.7mとしたこと以外は、実施例C2と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
 測定結果を表3に示す。
[0329]
(比較例C1)
 ha及びhcを1.1mとしたこと以外は、実施例C2と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
 測定結果を表3に示す。
[0330]
(比較例C2)
 ha及びhcを0.01mとしたこと以外は、実施例C2と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
 測定結果を表3に示す。
[0331]
[表3]


[0332]
 実施例C1のアルカリ水電解システムは、電解液集液管出口の電解液温度が、陽極、陰極共に90℃以下で、許容範囲であり、低く抑えることができた。また、ガス純度も低かった。
 実施例C2~C6は、電解液集液管出口の電解液温度が、陽極、陰極共に90℃以下で、許容範囲であり、低く抑えることができた。また、ガス純度は実施例C1よりも大幅に改善した。
 実施例C6は、陰極及び陽極の電解液配液管入口の循環液圧力差の振幅が大幅に改善した。
 一方、比較例C1は電解液集液管出口の電解液温度が高く、比較例C2はガス純度が高かった。
[0333]
 以下、実施例D及び比較例Dについて記載する。
[0334]
(実施例D1)
 アルカリ水電解用複極式セル及びそれを用いたアルカリ水電解システムは、下記のとおり作製した。
[0335]
 隔壁、外枠、陽極、陰極、隔膜、ゼロギャップ構造、ガスケット等は、特に断りのない限り、それぞれ実施例A1で使用したもと同様のものを使用した。
[0336]
-複極式電解槽、複極式エレメント-
 複極式エレメントを5個使用し、図2に示すように、一方の端側で、ファストヘッド、絶縁板、陽極ターミナルエレメントを配置し、さらに、陽極側ガスケット部分、隔膜、陰極側ガスケット部分、複極式エレメントをこの順に並べたものを5組配置し、さらに、陽極側ガスケット部分、隔膜、電陰極側ガスケット部分を配置し、もう一方の端側で、陰極ターミナルエレメント、絶縁板、ルーズヘッドを配列し、その後、これらをファストヘッド及びルーズヘッドの両側から8本のタイロッドを使用し、各タイロッドをトルクレンチにより締め付けトルク59Nmで締め付けることでスタックし、複極式電解槽を組み立てた。
 この実施例においては、陰極室及び陽極室が、それぞれ5室ある5対の直列接続構造を有していた。
[0337]
-電解室-
 電極室の隔壁に垂直な方向の長さ(電極室の深さ)は、陽極室で25mmであり、陰極室で25mmであった。
[0338]
-ヘッダー(外部ヘッダー)-
 この実施例の複極式電解槽50では、図6、図7に示すように、この実施例の複極式電解槽50では、電解槽50の筐体の外方に、電解液を配液及び集液するための導管20(陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Oci、陽極用集液管20Oao、陰極用集液管20Oco)が設けられている。
 更に、この電解槽50では、これらの導管20から電解室5に電解液を通過させるホース(陽極入口側ホース10Oai、陽極出口側ホース10Oao、陰極入口側ホース10Oci、陰極出口側ホース10Oco)を、外部から取り付けた。
 なお、各ホース(10Oai、10Oao、10Oci、10Oco)には、それぞれ熱電対を設置し、電極室を通過する前後での電解液の温度差を測定した。
 こうして、外部ヘッダー型の電解槽を作製した。
 陰極入口側ホース10Ociを介して陰極室5cへ、陰極室5cから陰極出口側ホース10Ocoを介して、電解液を流した。
 また、陽極入口側ホース10Oaiを介して陽極室5aへ、陽極室5aから陽極出口側ホース10Oaoを介して、電解液を流した。
 図6、図7に示すように、入口側ホースは平面視で長方形の外枠の下辺の一方端側に、出口側ホースは平面視で長方形の外枠の下辺の他方端側に繋がる側辺の上側に、それぞれ接続されている。ここでは、入口側ホースと出口側ホースとを、平面視で長方形の電解室において電極室の電極室の中央部を挟んで向かい合うように、設けた。電解液は、鉛直方向に対して傾斜しながら下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
 この実施例の複極式電解槽では、陽極室5aや陰極室5cの入口側ホースから、陽極室5aや陰極室5cに、電解液が流入し、陽極室5aや陰極室5cの出口側ホースから、電解液と生成ガスとが、電解槽外へ流出する構造とした。
 陰極室5cでは、電解により水素ガスが発生し、陽極室5aでは、電解により酸素ガスが発生するため、前述した、陰極出口側ホース10Ocoでは、電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口側ホース10Oaoでは、電解液と酸素ガスとの混相流となった。
[0339]
 実施例D1のアルカリ水電解システムの全体構造は図1に示すようなものとした。
[0340]
 整流器としては、(株)三社電機製作所社製のKCA2F7-15-2500CLを用いた。
 酸素濃度計としては、アドバンストインストゥルメンツ社製のGPR-2500を用いた。
 水素濃度計としては、理研計器(株)社製のSD-D58・ACを用いた。
 また、酸素濃度計、水素濃度計の上流側には、ミスト除去を目的として、ボルテックスクーラー(図示せず)を設置した。
 圧力計としては、横河電機(株)社製のEJA-118Wを用いた。
 送液ポンプ、気液分離タンクは、いずれも当該技術分野において通常使用されるものを用いて、アルカリ水電解システムを作製した(図1参照)。
[0341]
 水供給器としては、純水製造装置であるオルガノ(株)社製のPRO-0100を用いた。
 水封器としては、内径φ400mm×高さ600mmのSUS製円筒容器を用い、水封高さが450mmとなるように円筒容器にオーバーフローノズルを取り付けた。円筒容器の上蓋には、ガスを導入するための配管とガスを排出するための配管とを接続し、ガスを導入するための配管は水封部まで延伸させた。また、水封器内の液面レベルを目視で確認できるように、液面計を取り付けた。
 フレームアレスターとしては、クリンプ・リボン式フレームアレスター(金子産業(株)製のFAR-150)を用いた。
 バッファータンクとしては、内径φ600mm×高さ600mmのSUS製円筒容器を用いた。
[0342]
 気液分離タンクによって分離された水素及び酸素は前述した円筒容器の上蓋に接続された配管を通じて、水封器に向けて放出された。
 水封器より出たガスは、フレームアレスターを通過し、系外に排出された。
 水補給器より、水封器に水が供給され、オーバーフローした水は、バッファータンクに溜められた。そして、水はバッファータンクから水供給ポンプにより電解液として電解槽に供給された。
 バッファータンクから電解液循環ラインへの水供給量は、水素側気液分離タンクの液面レベルで制御し、液面レベル43%で供給ポンプ停止、液面レベル40%で供給ポンプ稼働とした。
 水補給器から水封器への水補給量は、バッファータンクの液面レベルで制御し、液面レベル60%で補給ポンプ停止、液面レベル50%で補給ポンプ稼働とした。
 フレームアレスターは、水封器のガスライン下流側(系外にガスが排出さされるライン)に水平方向に取り付けた。フレームアレスターでは、ガスに随伴されるミスト成分が凝縮し、凝縮した成分の一部が水やアルカリ水となってガスライン下流側に流れた。この凝縮水とガスとを分岐させ、凝縮水を水封器に戻すラインが設けられた。この凝縮水戻しラインは、途中に液溜り部を有し、流れてきた凝縮水がオーバーフローして水封器に戻り、ガスの流れは遮断できるようにした。
[0343]
 アルカリ水電解システムを用いたアルカリ水電解方法を、下記の条件で実施した。
[0344]
 電解液として、30%KOH水溶液を用いた。
 整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、10kA/m となるように通電をした。
 送液ポンプにより、陽極室、酸素分離タンク(陽極用気液分離タンク)、陽極室1aの循環を、また、陰極室、水素分離タンク(陰極用気液分離タンク)、陰極室、の循環を行った。
[0345]
 通電開始後の槽内圧力は、圧力計で測定し、陰極(水素ガス)側圧力が50kPa、陽極(酸素ガス)側圧力が49kPaとなるとように、調整した。圧力調整は、圧力計下流に設置した制御弁80により行った。
[0346]
 なお、循環流路として、配管の電解液に接液する部分についてSGP(配管用炭素鋼鋼管)にテフロンライニング内面処理を施した、20Aの配管を用いた。
[0347]
 気液分離タンクは、実施例A2で使用したものと同様のものを用意した。
 気液分離タンクの液量は、それぞれ設計容積の45%とした。
[0348]
(電解試験1)
 整流器から電解槽に対して、電流密度が10kA/m となるように連続で通電し、水電解を行った。運転は1000時間行い、開始時、500時間後、950時間後における、循環電解液濃度、水素分離タンク液面レベル、水素側水封器液面レベル、酸素側水封器液面レベル、水素側・酸素側水封器液面レベルの差圧を測定した。結果を表4に示す。
[0349]
(電解試験2)
 実施例D、比較例Dにおける電解システムについて、実施例A及び実施例Bにおける電解試験と同様に、電解試験を行った。結果を表4に示す。
[0350]
[表4]


[0351]
 電解液濃度、液面レベル共に安定しており、排水・排アルカリを出すことなく、電解により消費した水を供給しながら、システム中の水量を管理することができた。また、酸素側・水素側水封器液面レベルの差圧も安定しており、さらには、フレームアレスターの凝縮水等によるガスラインの詰りを防止し、水素側・酸素側水封器液面レベルも保つことができた。
 また、水素中酸素濃度を常時測定し、0.05%以下に維持されていることが確認できた。
[0352]
(実施例D2)
 フレームアレスターを、水封器のガスライン下流側(系外にガスが排出さされるライン)に鉛直方向で、ガスの流れを下方から上方に流れるように、取り付けた。フレームアレスター内に貯まった凝縮水は、ガスライン上流の下方に貯まり戻り出るため、凝縮水戻しラインは設けなかった。
 上記以外は、実施例D1と同様に水電解を行った。
 そして、実施例D1と同様に電解試験1及び電解試験2により評価した。結果を表5に示す。
[0353]
[表5]


[0354]
 その結果、実施例D1同様、電解液濃度、液面レベル共に安定しており、排水・排アルカリを出すことなく、電解により消費した水を供給しながら、システム中の水量を管理することができた。また、酸素側・水素側水封器液面レベルの差圧も1kPaを維持することができた。一方、水素側水封器液面レベルについては、500~950時間後の間、約800時間後に、水素側のガス配管に凝縮水による詰りが発生し、水素側水封器液面レベルが250mmまで低下した。
 また、水素中酸素濃度を常時測定し、0.05%以下に維持されていることが確認できた。
[0355]
(実施例D3)
 水素側/酸素側気液分離タンクと水素側/酸素側水封器との間に設けた圧力制御弁80をそれぞれ全開とし、圧力調整をせず、運転を行った以外は、実施例D2と同様に行った。結果を表6に示す。
[0356]
[表6]


[0357]
 その結果、実施例D1及び実施例D2同様、電解液濃度、液面レベル共に安定しており、排水・排アルカリを出すことなく、電解により消費した水を供給しながら、システム中の水量を管理することができた。一方、水素側液面レベル及び電解システム内差圧については、500~950時間の間、約800時間後に、水素側のガス配管に凝縮水による詰まりが発生し、水素側水封器液面レベルが250mmまで低下し、系内差圧は電解初期においては0kPaであったが、950時間後は、水素側圧力が2kPa高くなった。
 また、水素中酸素濃度を常時測定し、0.05%以下に維持されていることが確認できた。

産業上の利用可能性

[0358]
 本発明によれば、アルカリ水電解システムの気液分離タンクにおいて気液分離性を顕著に向上させることができる。

符号の説明

[0359]
 1     隔壁
 2     電極
 2a    陽極
 2c    陰極
 2e    導電性弾性体
 2r    集電体
 3     外枠
 4     隔膜
 5     電極室
 5a    陽極室
 5c    陰極室
 5i    電解液入口
 5o    電解液出口
 5ai   陽極電解液入口
 5ao   陽極電解液出口
 5ci   陰極電解液入口
 5co   陰極電解液出口
 6     整流板(リブ)
 6a    陽極整流板(陽極リブ)
 6c    陰極整流板(陰極リブ)
 7     ガスケット
 10    ヘッダー
 10ai  陽極入口ヘッダー
 10ao  陽極出口ヘッダー
 10ci  陰極入口ヘッダー
 10co  陰極出口ヘッダー
 10I   内部ヘッダー
 10Iai 陽極入口ヘッダー
 10Iao 陽極出口ヘッダー
 10Ici 陰極入口ヘッダー
 10Ico 陰極出口ヘッダー
 10O   外部ヘッダー
 10Oai 陽極入口ヘッダー(陽極入口側ホース)
 10Oao 陽極出口ヘッダー(陽極出口側ホース)
 10Oci 陰極入口ヘッダー(陰極入口側ホース)
 10Oco 陰極出口ヘッダー(陰極出口側ホース)
 20    導管
 20ai  陽極用配液管
 20ao  陽極用集液管
 20ci  陰極用配液管
 20co  陰極用集液管
 20Iai 陽極用配液管
 20Iao 陽極用集液管
 20Ici 陰極用配液管
 20Ico 陰極用集液管
 20Oai 陽極用配液管
 20Oao 陽極用集液管
 20Oci 陰極用配液管
 20Oco 陰極用集液管
 50    電解槽
 51g   ファストヘッド、ルーズヘッド
 51i   絶縁板
 51a   陽極ターミナルエレメント
 51c   陰極ターミナルエレメント
 51r   タイロッド
 60    複極式エレメント
 65    電解セル
 70    アルカリ水電解システム
 71    送液ポンプ
 72    気液分離タンク
 72h   水素分離タンク
 72o   酸素分離タンク
 72i   流入口
 72e   流出口
 72s   電解液の液面
 72in  流入口に取り付けられる配管
 73    水補給器
 74    整流器
 75    酸素濃度計
 76    水素濃度計
 77    流量計
 78    圧力計
 79    熱交換器
 80    圧力制御弁
 81    電解液戻し配管
 81a   陽極電解液戻し配管
 81c   陰極電解液戻し配管
 82    電解液送り配管
 82a   陽極電解液送り配管
 82c   陰極電解液送り配管
 90    合流管
 A     軸を示す点
 D1    隔壁に沿う所与の方向(電解液通過方向)
 H     気液分離タンクの高さ
 Z     ゼロギャップ構造

請求の範囲

[請求項1]
 少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有する水電解システムであり、
 ガスと電解液との混合物を前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させるための流入口が、前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている、
ことを特徴とする、水電解システム。
[請求項2]
 少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有するアルカリ水電解システムであり、
 ガスと電解液との混合物を前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させるための流入口が、前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている、
ことを特徴とする、アルカリ水電解システム。
[請求項3]
 前記流入口に取り付けられる配管は、前記気液分離タンクの内壁に沿って設置されている、請求項1又は2に記載の水電解システム。
[請求項4]
 前記電解槽と前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが独立しており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び/又は前記電解槽の外枠外の下部及び/又は上部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、請求項1~3のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項5]
 前記電解槽と前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが一体化されており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び/又は前記電解槽の外枠内の下部及び/又は上部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、請求項1~4のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項6]
 前記気液分離タンクの内面に樹脂ライニング層を有しており、
 前記樹脂ライニング層の厚みが0.5~4.0mmである、
請求項1~5のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項7]
 前記樹脂ライニング槽の厚みの標準偏差が1.0mm以下である、請求項6に記載の水電解システム。
[請求項8]
 前記樹脂ライニング層がフッ素系樹脂である、請求項6又は7に記載の水電解システム。
[請求項9]
 前記フッ素系樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)からなる群から選択される少なくとも1種類である、請求項8に記載の水電解システム。
[請求項10]
 前記樹脂ライニング層が2層以上である、請求項6~9のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項11]
 前記気液分離タンクの外面が保温材で覆われている、請求項1~10のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項12]
 前記電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンクと、前記電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンクとに接続された合流管をさらに有する、請求項1~10のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項13]
 請求項1~12のいずれか一項に記載の水電解システムを、電流密度8kA/m 以上で継時的に電流密度が変動する電源下で、且つ、電解温度80℃以上で使用することを特徴とする、水電解方法。
[請求項14]
 アルカリを含有する水を電解槽を有するシステムにより水電解し、水素を製造する水素製造方法において、
 ガスと電解液との混合物を前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置で前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させる、
ことを特徴とする、水素製造方法。
[請求項15]
 前記気液分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記気液分離タンクへ電解液を送る電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をh(単位:m)、
 前記電解槽の電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置と前記気液分離タンクの電解液液面との鉛直方向の距離をH(単位:m)とした時に、以下の関係を満たし、
 0.01×H≦h≦0.5×H
 前記電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置が、前記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向上側にあり、前記電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置が、前記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向下側にある、
請求項1に記載の水電解システム。
[請求項16]
 前記複極式電解槽と前記気液分離タンクとが離れて設けられている、請求項15に記載の水電解システム。
[請求項17]
 前記気液分離タンクが、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
 前記酸素分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記酸素分離タンクへ電解液を送る陽極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をhaと、
 前記水素分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記水素分離タンクへ電解液を送る陰極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をhcとが、
以下の関係を満たす、請求項15又は16に記載の水電解システム。
ha≦hc
[請求項18]
 前記気液分離タンクが、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
 前記酸素分離タンク及び前記水素分離タンクから吐出された電解液が混合されて、前記電解槽に送られる、請求項15~17のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項19]
 経時的に電流密度が変動する電力源を更に含む、請求項15~18のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項20]
 前記電解槽と、前記電解槽に前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが一体化されており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び/又は前記電解槽の外枠内の下部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、請求項15~19のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項21]
 前記電解槽が、陽極室と陰極室とを有し、
 前記陽極室と前記陰極室とを隔離する隔膜がポリスルホン系隔膜である、請求項15~20のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項22]
 少なくとも水封器、水補給器をさらに有する水電解システムであり、
 前記水封器は、前記気液分離タンクの下流且つ前記水補給器の上流に接続されている
請求項1に記載の水電解システム。
[請求項23]
 前記水電解システムの全体の水量を調節する機構をさらに有する、請求項22に記載の水電解システム。
[請求項24]
 前記気液分離タンクは、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
 前記水素分離タンクと前記酸素分離タンクとに接続された合流管をさらに備える、
請求項22又は23に記載の水電解システム。
[請求項25]
 前記水封器は、酸素分離タンクの下流及び水素分離タンクの下流の少なくとも一方に接続されている、請求項22~24のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項26]
 前記水封器の下流に接続されたバッファータンクをさらに有する、請求項22~25のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項27]
 前記水封器の下流に接続された水素ガス及び/又は酸素ガスを系外に排出する配管をさらに有し、
 前記配管に、フレームアレスターを有する、
請求項22~26のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項28]
 前記配管に、前記フレームアレスターのミスト凝縮液を前記水封器に戻す機構をさらに有する、請求項22~27のいずれか一項に記載の水電解システム。
[請求項29]
 前記フレームアレスターが、その気体通過方向を水平方向又は鉛直方向下向きとして、設けられている、請求項27又は28に記載の水電解システム。
[請求項30]
 請求項22~29のいずれか一項に記載の水電解システムを用いて、
 前記水補給器より水を前記水封器を経由して供給する
ことを特徴とする、水電解方法。
[請求項31]
 前記酸素分離タンクから吐出された電解液と、前記水素分離タンクから吐出された電解液とを、前記合流管で混合し、前記電解槽に導入する、請求項30に記載の水電解方法。
[請求項32]
 前記水封器から排出された水を前記バッファータンクを経由して前記電解槽に供給する、請求項30又は31に記載の水電解方法。
[請求項33]
 前記フレームアレスターに凝縮するミストを前記水封器に戻す、請求項30~32のいずれか一項に記載の水電解方法。
[請求項34]
 少なくとも、電解槽、気液分離タンク、水補給器を有する水電解システムであり、
 水素ガス及び/又は酸素ガスを系外に排出する配管をさらに有し、
 前記配管に、フレームアレスターを有する
ことを特徴とする、請求項1に記載の水電解システム。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]