特許 6803406 電解槽、電解装置、電解方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6803406

(24)【登録日】2020年12月2日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】電解槽、電解装置、電解方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20060101AFI20201214BHJP

   C25B 11/04 20060101ALI20201214BHJP

   C25B 11/06 20060101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   C25B9/00 A

   C25B11/04 A

   C25B11/06 A

【請求項の数】23

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2018-564657(P2018-564657)

(86)(22)【出願日】2018年1月26日

(86)【国際出願番号】JP2018002541

(87)【国際公開番号】WO2018139597

(87)【国際公開日】20180802

【審査請求日】2019年3月14日

(31)【優先権主張番号】特願2017-12549(P2017-12549)

(32)【優先日】2017年1月26日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2017-225060(P2017-225060)

(32)【優先日】2017年11月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000033

【氏名又は名称】旭化成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100181272

【弁理士】

【氏名又は名称】神 紘一郎

(72)【発明者】

【氏名】内野 陽介

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 伸司

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 悠介

(72)【発明者】

【氏名】小村 亮

(72)【発明者】

【氏名】藤本 則和

【審査官】 萩原 周治

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１８３２５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０９４６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０２３７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１４１２１１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２５Ｂ １／００−１５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通するヘッダーとを備える複極式電解槽であり、
前記陽極の電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２の範囲であり、前記陰極の電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２の範囲であり、
前記複極式エレメントの通電面の面積をＳ１、前記ヘッダーの流路の断面積をＳ２、前記ヘッダーの流路の長さをＬ２としたときに、（Ｓ２／Ｓ１）／Ｌ２が１．３１×１０^−６ｍ^−１〜２．３×１０^−４ｍ^−１の範囲である、
ことを特徴とする、複極式電解槽。

【請求項2】

陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通するヘッダーとを備える複極式電解槽であり、
前記陽極の電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２の範囲であり、前記陰極の電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２の範囲であり、
前記複極式エレメントの通電面の面積をＳ１、前記ヘッダーの流路の断面積をＳ２、前記ヘッダーの流路の長さをＬ２としたときに、（Ｓ２／Ｓ１）／Ｌ２が１．３１×１０^−６ｍ^−１〜２．３×１０^−４ｍ^−１の範囲である、
ことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解槽。

【請求項3】

前記陽極の電気容量及び前記陰極の電気容量のうち低い方が９６５０Ｃ／ｍ^２〜９５５３５０Ｃ／ｍ^２の範囲である、請求項１又は２に記載の複極式電解槽。

【請求項4】

前記陽極の電気容量が、前記陰極の電気容量よりも大きい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項5】

前記陰極の電気容量が、前記陽極の電気容量の０．１倍を超えて０．９９倍以下である、請求項４に記載の複極式電解槽。

【請求項6】

前記陰極の電気容量が、前記陽極の電気容量の０．１倍を超えて０．４９倍以下である、請求項４又は５に記載の複極式電解槽。

【請求項7】

前記陽極の幾何セル面積１ｍ^２当たりの実電極表面積が、９０ｍ^２〜１００００ｍ^２の範囲である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項8】

５０〜５００の複極式エレメントを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項9】

前記Ｓ１が０．１ｍ^２〜１０ｍ^２である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項10】

電解セルの厚さｄが１０ｍｍ〜１００ｍｍである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項11】

前記陽極が、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項12】

前記陽極が、導電性基材と、前記導電性基材上に配置された触媒層を有し、
前記触媒層は、ニッケルの金属結晶を含み、且つ、細孔を有し、
前記触媒層の細孔のうち、
孔径が２〜５ｎｍの範囲内である第一細孔の比表面積が０．６〜２．０ｍ^２／ｇであり、
前記第一細孔の細孔容積が３×１０^−４〜９×１０^−４ｍｌ／ｇであり、
前記細孔のうち、孔径が０．０１〜２．００μｍの範囲内である第二細孔の比表面積が２．０〜５．０ｍ^２／ｇであり、
前記第二細孔の細孔容積が０．０４〜０．２ｍｌ／ｇであり、
前記触媒層の厚みが５０〜８００μｍである、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項13】

前記陰極が、Ｒｕ−Ｌａ−Ｐｔ系、Ｒｕ−Ｃｅ系、Ｐｔ−Ｃｅ系、及びＰｔ−Ｉｒ系、Ｉｒ−Ｐｔ−Ｐｄ系、Ｐｔ−Ｎｉ系からなる群から選択される少なくとも一種のＰｔ族化合物を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項14】

前記陰極及び前記陽極の構成が、前記導電性基材の表面に触媒層を有するものであり、前記導電性基材が金属ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含む、請求項１３に記載の複極式電解槽。

【請求項15】

前記陰極及び前記陽極が、メッシュ状の構造である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項16】

前記陰極の基材が、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の線径を有し、目開きが３０メッシュから８０メッシュの範囲を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項17】

前記陽極の基材が、開口率が２０％〜６０％の範囲を有するメッシュ状の構造である請求項１〜１６のいずれか一項に記載の複極式電解槽。

【請求項18】

電解セルを電気的に直列に接続した、請求項１〜１７に記載の複極式電解槽。

【請求項19】

前記陰極、前記陽極、隔膜、陽極室と陰極室を区画する隔壁を有する複極式エレメントを備え、前記陰極と前記陽極の間に前記隔膜が位置し、前記隔膜は前記陰極及び前記陽極と接触している、請求項１８に記載の複極式水電解槽。

【請求項20】

請求項１〜１９のいずれか一項に記載の複極式電解槽と、電解液を循環させるための電解液循環ポンプと、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と、水を補給するための水投入ポンプとを含むことを特徴とする、電解装置。

【請求項21】

電解装置への電力供給の停止時に、電力供給の停止を検知する検知器、及び、前記電解液循環ポンプを自動停止する制御器をさらに含む、請求項２０に記載の電解装置。

【請求項22】

請求項２０又は２１に記載の電解装置への電力供給の停止時に、前記電解液循環ポンプを停止することを特徴とする、水電解方法。

【請求項23】

アルカリを含有する水を電解槽により水電解し、水素を製造する水素製造方法において、
前記電解槽は、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通するヘッダーとを備える複極式電解槽であり、前記陽極の電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２の範囲であり、前記陰極の電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２の範囲であり、前記複極式エレメントの通電面の面積をＳ１、前記ヘッダーの流路の断面積をＳ２、前記ヘッダーの流路の長さをＬ２としたときに、（Ｓ２／Ｓ１）／Ｌ２が１．３１×１０^−６ｍ^−１〜２．３×１０^−４ｍ^−１の範囲であることを特徴とする、水素製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複極式電解槽、電解装置、水電解方法に関する。

【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高純度の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。この中で、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、他の水電解装置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る。そのため、アルカリ水電解用等の電解セルや装置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電解電圧を低く抑えて、水素製造の電力原単位を改善するという課題を解決するためには、電解セルの構造として、特に、隔膜と電極との隙間を実質的に無くした構造である、ゼロギャップ構造と呼ばれる構造を採用することが有効なことはよく知られている（特許文献１、２参照）。ゼロギャップ構造では、発生するガスを電極の細孔を通して電極の隔膜側とは反対側に素早く逃がすことによって、電極間の距離を低減しつつ、電極近傍におけるガス溜まりの発生を極力抑えて、電解電圧を低く抑制している。ゼロギャップ構造は、電解電圧の抑制にきわめて有効であり、種々の電解装置に採用されている。

【0009】

一方、効率的且つ安定的なアルカリ水電解を実現するためには、電極や隔膜の最適な選択、電解セルの構造の最適化等が重要であることも、Ｄｅｔｌｅｆ Ｓｔｏｌｔｅｎらにより報告されている（非特許文献１参照）。さらに、近年、ゼロギャップ構造を有するアルカリ水電解用電解槽について上述の諸課題に取り組む研究が盛んに行われている（特許文献３、４参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】米国特許第４５３０７４３号明細書

【特許文献2】特開昭５９−１７３２８１号公報

【特許文献3】国際公開第２０１３／１９１１４０号

【特許文献4】国際公開第２０１４／１７８３１７号

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Ｄｅｔｌｅｆ Ｓｔｏｌｔｅｎ、「Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ」、ドイツ国、Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧａＡ、２０１０年、第２５４頁〜第２５７頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかしながら、複極式電解槽として、これまでに多様な構造のものが開発されてきているが、この様な電解槽に再生可能エネルギー等の変動する電力を投入する場合、安定して運転するためには、複雑な電気駆動の制御システムの制御が必要になるが、突発的な電力供給停止時事には電気駆動の制御システムが制御できないため、改善が求められていた。

【0013】

そこで、本発明は、再生可能エネルギー等の変動電源での運転時に、高効率での水素製造を可能にし、さらに電力供給停止時の電気制御システムの安定化を可能にすること、を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明の要旨は以下の通りである。
本発明の複極式電解槽は、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通するヘッダーとを備える複極式電解槽であり、
前記陽極の電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２の範囲であり、前記陰極の電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２の範囲であり、
前記複極式エレメントの通電面の面積をＳ１、前記ヘッダーの流路の断面積をＳ２、前記ヘッダーの流路の長さをＬ２としたときに、（Ｓ２／Ｓ１）／Ｌ２が１．３１×１０^−６ｍ^−１〜２．３×１０^−４ｍ^−１の範囲である、
ことを特徴とする。
ここで、本発明の複極式電解槽は、アルカリ水電解用複極式電解槽であることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陽極の電気容量及び前記陰極の電気容量のうち低い方が９６５０Ｃ／ｍ^２〜９５５３５０Ｃ／ｍ^２の範囲であることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陽極の電気容量が、前記陰極の電気容量よりも大きいことが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陰極の電気容量が、前記陽極の電気容量の０．１倍を超えて０．９９倍以下であることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陰極の電気容量が、前記陽極の電気容量の０．１倍を超えて０．４９倍以下であることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陽極の幾何セル面積１ｍ^２当たりの実電極表面積が、９０ｍ^２〜１００００ｍ^２の範囲であることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、５０〜５００の複極式エレメントを有することが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記Ｓ１が０．１ｍ^２〜１０ｍ^２であることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、電解セルの厚さｄが１０ｍｍ〜１００ｍｍであることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陽極が、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含むことが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陽極が、導電性基材と、前記導電性基材上に配置された触媒層を有し、前記触媒層は、ニッケルの金属結晶を含み、且つ、細孔を有し、前記触媒層の細孔のうち、孔径が２〜５ｎｍの範囲内である第一細孔の比表面積が０．６〜２．０ｍ^２／ｇであり、前記第一細孔の細孔容積が３×１０^−４〜９×１０^−４ｍｌ／ｇであり、前記細孔のうち、孔径が０．０１〜２．００μｍの範囲内である第二細孔の比表面積が２．０〜５．０ｍ^２／ｇであり、前記第二細孔の細孔容積が０．０４〜０．２ｍｌ／ｇであり、前記触媒層の厚みが５０〜８００μｍであることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陰極が、Ｒｕ−Ｌａ−Ｐｔ系、Ｒｕ−Ｃｅ系、Ｐｔ−Ｃｅ系、及びＰｔ−Ｉｒ系、Ｉｒ−Ｐｔ−Ｐｄ系、Ｐｔ−Ｎｉ系からなる群から選択される少なくとも一種のＰｔ族化合物を含むことが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陰極及び陽極の構成が、前記導電性基材の表面に触媒層を有するものであり、前記導電性基材が金属ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含むことが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陰極及び陽極が、メッシュ状の構造であることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陰極の基材が、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の線径を有し、目開きが３０メッシュから８０メッシュの範囲を有することが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陽極の基材が、開口率が２０％〜６０％の範囲を有するメッシュ状の構造であることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、電解セルを電気的に直列に接続したものであることが好ましい。
さらに、本発明の複極式電解槽は、前記陰極、前記陽極、隔膜、陽極室と陰極室を区画する隔壁を有する複極式エレメントを備え、前記陰極と前記陽極の間に前記隔膜が位置し、前記隔膜は前記陰極及び前記陽極と接触している、ことが好ましい。

【0015】

本発明の電解装置は、本発明の複極式電解槽と、電解液を循環させるための電解液循環ポンプと、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と、水を補給するための水投入ポンプとを含むことを特徴とする。
また、本発明の電解装置は、本発明の電解装置への電力供給の停止時に、電力供給の停止を検知する検知器、及び、前記電解液循環ポンプを自動停止する制御器をさらに含むことが好ましい。

【0016】

本発明の水電解方法は、本発明の電解装置への電力供給の停止時に、前記電解液循環ポンプを停止することを特徴とする。

【0017】

本発明の水素製造方法は、アルカリを含有する水を電解槽により水電解し、水素を製造する水素製造方法において、前記電解槽は、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通するヘッダーとを備える複極式電解槽であり、前記陽極の電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２の範囲であり、前記陰極の電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２の範囲であり、前記複極式エレメントの通電面の面積をＳ１、前記ヘッダーの流路の断面積をＳ２、前記ヘッダーの流路の長さをＬ２としたときに、（Ｓ２／Ｓ１）／Ｌ２が１．３１×１０^−６ｍ^−１〜２．３×１０^−４ｍ^−１の範囲であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、再生可能エネルギー等の変動電源での運転時に、高効率での水素製造を可能にし、更に電力供給停止時の電気制御システムを安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の全体について示す側面図である。

【図2】本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の電解室、ヘッダー、導管について示す斜視図である。

【図3】本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例における電解液の流れを示す斜視図である。

【図4】本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解用複極式電解槽の例を示す平面図である。

【図5】本実施形態のアルカリ水電解用電解装置の概要を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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。

【0021】

図１に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の全体についての側面図を示す。
図２に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の電解室、ヘッダー、導管についての斜視図を示す。
図３に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例における電解液の流れについての斜視図を示す。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０は、図１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。

【0022】

（複極式電解槽）
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。

【0023】

（（複極式エレメント））
一例のアルカリ水電解用複極式電解槽５０に用いられる複極式エレメント６０は、図１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。

【0024】

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２、図３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１〜図５参照）。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。

【0025】

本実施形態では、図１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１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１参照）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。

【0026】

図１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。

【0027】

また、本実施形態における複極式電解槽５０では、図２、図３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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

そして、本実施形態における複極式電解槽５０は、外枠３の外方に、電極室５に連通するヘッダー１０を備える（図２、図３参照）。

【0031】

図２、図３に示す一例では、複極式電解槽５０に、ガスや電解液を配液又は集液する管であるヘッダー１０が取り付けられる。詳細には、ヘッダー１０は、電極室５に電解液を入れるための入口ヘッダーと電極室５からガスや電解液を出すための出口ヘッダーとからなる。
一例では、隔壁１の端縁にある外枠３の下方に、陽極室５ａに電解液を入れる陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉと、陰極室５ｃに電解液を入れる陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉとを備えており、また、同様に、隔壁１の端縁にある外枠３の側方に、陽極室５ａから電極液を出す陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏと、陰極室５ｃから電解液を出す陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏとを備えている。
また、一例では、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が、電極室５の中央部を挟んで向かい合うように設けられている。

【0032】

特に、この一例の複極式電解槽５０は、複極式電解槽５０とヘッダー１０とが独立している形式である外部ヘッダー１０Ｏ型を採用している。
図４に、本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解用複極式電解槽の例を平面図で示す。

【0033】

なお、図１〜図３に示す複極式電解槽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。

【0034】

さらに、図２、図３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。

【0035】

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２、図３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。

【0036】

通常、図２、図３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。

【0037】

なお、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。

【0038】

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。

【0039】

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２、図３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。

【0040】

ときに、電解セル６５は、電解停止時に電解液供給配管によって形成される漏洩電流回路を介して自己放電反応を生じる。

【0041】

前記自己放電が生じた場合でも、電解セル６５のセル電圧を保持するための、電気容量を持った構造体を、電荷保持体と呼ぶ。電荷保持体を、陰極室５ｃ内部又は陽極室５ａ内部で、陰極２ｃ又は陽極２ａと電気的に接続し、陰極２ｃ又は陽極２ａの電気化学的な電位を長時間安定化することができる。電解槽を、電力供給が停止した場合に非常用の蓄電池として使用することができる。

【0042】

本実施形態では、陰極２ｃ又は陽極２ａが、触媒層と触媒層を支持する基材とで構成され、この触媒層や基材が、電荷保持体の機能を備える。

【0043】

ここで、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、陽極２ａの電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２（０．０５Ｆｄ／ｍ^２〜１０Ｆｄ／ｍ^２）の範囲であり、陰極２ｃの電気容量が４８２５Ｃ／ｍ^２〜９６５０００Ｃ／ｍ^２（０．０５Ｆｄ／ｍ^２〜１０Ｆｄ／ｍ^２）の範囲である。

【0044】

再生可能エネルギー等の変動電源での運転時に、電極室５の電荷保持体の機能により、電解槽に保有する電気量を増大化・バランス化させ、更に、電解液供給配管の構造の改善により、電力供給を停止した際に生じる自己放電を低減することで、電力供給停止時に、電解槽を非常用の蓄電池として使用することができ、非常時においても電気制御システムの安定化が可能となる。

【0045】

本実施形態では、本発明の効果を高める観点から、陽極２ａの電気容量は、９６５０Ｃ／ｍ^２〜７７２０００Ｃ／ｍ^２の範囲であることがさらに好ましく、４８２５０Ｃ／ｍ^２〜４８２５００Ｃ／ｍ^２の範囲であることが最も好ましい。陰極２ｃの電気容量は、９６５０Ｃ／ｍ^２〜７７２０００Ｃ／ｍ^２の範囲であることがさらに好ましく、４８２５０Ｃ／ｍ^２〜４８２５００Ｃ／ｍ^２の範囲であることが最も好ましい。

【0046】

本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、陽極２ａの電気容量及び陰極２ｃの電気容量のうち低い方が９６５０Ｃ／ｍ^２〜９５５３５０Ｃ／ｍ^２の範囲あることが好ましく、４８２５０Ｃ／ｍ^２〜７７２０００Ｃ／ｍ^２の範囲であることがさらに好ましく、９６５００Ｃ／ｍ^２〜４８２５００Ｃ／ｍ^２の範囲であることが特に好ましい。
電気容量のうち低い方が小さすぎると、電源として機能しにくくなり、また、電気容量のうち低い方が大きすぎると、実質的な製作が困難になる。

【0047】

本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、陽極の電気容量が陰極の電気容量よりも大きいことが好ましく、その場合、陽極の電気容量に対する前記陰極の電気容量の割合は、０．１倍を超えて、０．９９倍以下の範囲であることが好ましく、０．１倍を超えて、０．４９倍以下の範囲であることがさらに好ましい。

【0048】

なお、電極２（陽極２ａ、陰極２ｃ）に関して、電極２（陽極２ａ、陰極２ｃ）に加えて導電性弾性体２ｅや集電体２ｒを含めた電極複合体（陽極複合体、陰極複合体）を用いた場合は、前述の電気容量は、電極複合体（陽極複合体、陰極複合体）について定められてよい。

【0049】

上記本発明の効果は、ヘッダー設計に関して物理的な制約を受けにくく、電解停止時に、電解液出口５ｏ側の電解液の排出ライン（出口ヘッダー）を遮断することが構造的に容易であるため、各電解セル６５への電解液の供給ヘッダーが電解セル６５外部に配置されている、外部ヘッダー１０Ｏ型のアルカリ水電解槽において、得られやすい。

【0050】

本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、複極式エレメント６０の通電面の面積をＳ１、ヘッダー１０の流路の断面積をＳ２、ヘッダー１０の流路の長さをＬ２としたときに、（Ｓ２／Ｓ１）／Ｌ２が１．５×１０^−６ｍ^−１〜２．３×１０^−４ｍ^−１の範囲であることが好ましく、４．０×１０^−６ｍ^−１〜２．０×１０^−４ｍ^−１の範囲であることがさらに好ましく、８．０×１０^−６ｍ^−１〜１．０×１０^−４ｍ^−１の範囲であることが特に好ましい。

【0051】

上記複極式エレメント６０の通電面の面積Ｓ１とは、複極式エレメント６０の電極（陽極２ａ及び陰極２ｃ）の隔壁に平行な面における面積をいう。なお、陽極２ａと陰極２ｃとにおいて上記面積が異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記ヘッダー１０の流路の断面積Ｓ２とは、ヘッダー１０のうち電解液が通過する内部空間の断面積をいう。なお、ヘッダー１０の延在方向について断面積に変化がある場合には、その断面積の平均をいうものとする。また、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において上記断面積が異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記ヘッダー１０の流路の長さＬ２とは、ヘッダー１０のうち電解液が通過する内部空間の延在長さをいう。特に、ヘッダー１０に連通する導管２０を備える場合には、ヘッダー１０の電解液入口５ｉから配液管（導管２０）との接続部分まで、又は電解液出口５ｏから集液管（導管）との接続部分まで、の部分についての長さをいう。また、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において上記長さが異なる場合には、その平均をいうものとする。

【0052】

（Ｓ２／Ｓ１）／Ｌ２を上記範囲とすれば、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と共に、高効率での電力の貯蔵、具体的には、リーク電流の低減することで高効率での水素製造を実現することが可能となる。

【0053】

さらに、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、複極式エレメント６０の通電面の面積Ｓ１が、０．１ｍ^２〜１０ｍ^２であることが好ましく、０．１５ｍ^２〜８ｍ^２であることがさらに好ましく、０．２ｍ^２〜５ｍ^２であることが特に好ましい。
通電面が小さすぎると、電解液供給ヘッダーも小さくなり、電解槽５０の製作が難しくなる。また、通電面が大きすぎると、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の原因になる。

【0054】

さらに、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、電解セル６５の厚さｄが、１０ｍｍ〜１００ｍｍであることが好ましく、１５ｍｍ〜５０ｍｍであることがさらに好ましく、２０ｍｍ〜４０ｍｍであることが特に好ましい。
上記電解セル６５の厚さｄとは、隣接する２つの複極式エレメント６０間の互いの隔壁１間における部分の厚さ、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５１ａ、５１ｃとの間の互いの隔壁１間における部分の厚さであり、それぞれ、隣接する２つの複極式エレメント６０の隔壁１同士の間の隔壁１に垂直な方向についての距離、及び、隣接する複極式エレメント６０の隔壁１とターミナルエレメント５１ａ、５１ｃの隔壁１との間の隔壁１に垂直な方向についての距離をいう。上記厚さｄが複極式電解槽５０全体において一定でない場合には、その平均をいうものとしてよい。
電解セルの厚さｄが小さすぎると、電解セル６５のガス液チャンバー内のガス比率が増大しやすくなり、セル電圧が上昇しやすくなる。また、厚さｄが大きすぎると、ヘッダー１０の圧損の影響で均一分配が難しくなり、設置面積が大きくなりすぎる。

【0055】

さらに、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、ガス純度をより高純度化させる観点、及び循環流路中に存在する固形物による流路閉塞を抑制する観点から、Ｓ２が、７．００×１０^−７ｍ^２〜３．１４×１０^−４ｍ^２であることが好ましく、１．０×１０^−６ｍ^２〜２．０×１０^−４ｍ^２であることがさらに好ましい。

【0056】

さらに、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、特に限定されるものではないが、前記Ｓ２の好適範囲の場合と同様の観点から、Ｌ２が、０．２ｍ〜１０ｍであることが好ましく、０．４ｍ〜８ｍであることがさらに好ましい。

【0057】

本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０は、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。
下限未満の場合、セルに対する締め付け機構の割合が相対的に大きくなるため、製作コストがアップし、また、設備の設置面積が増加するため、現実的な設備ではなくなるおそれがある。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。

【0058】

以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽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。

【0059】

−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。
一実施形態において、隔壁１と外枠３とを溶接その他の方法で接合することで一体化してもよく、例えば、隔壁１に、隔壁１の平面に対して垂直な方向に張り出したフランジ部（陽極２ａ側に張り出した陽極フランジ部、陰極２ｃ側に張り出した陰極フランジ部）を設け、フランジ部を外枠３の一部としてもよい。

【0060】

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２、図３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。

【0061】

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。

【0062】

−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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

陽極及び陰極の導電性基材の構造は、担体として比表面積を確保すること、及び、脱泡性を両立する観点で、メッシュ構造であることが好ましい。前記導電性基材の材質は、ニッケル鉄、バナジウム、モリブデン、銅、銀、マンガン、白金族、黒鉛及びクロム等からなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。二種以上の金属からなる合金又は、二種以上の導電性物質の混合物を導電性基材に用いてもよい。金属ニッケルを導電性基材に用いるのが好ましい。

【0067】

−−陽極−−
陽極２ａは、導電性基材と、導電性基材を被覆する触媒層と、を備え、触媒層は多孔質体であることが好ましい。なお、触媒層は導電性基材の表面全体を被覆していることが好ましい。

【0068】

陽極の触媒層は元素として、アルカリに対する耐久性と、酸素発生に対する活性が高い点で、ニッケルを含むことが好ましい。触媒層は、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金から選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含むことが好ましい。

【0069】

陽極一枚当たりの幾何セル面積１ｍ^２当たりの実電極表面積（実比表面積）は、９０〜１００００ｍ^２の範囲にすることが好ましい。実電極表面が、９０ｍ^２／ｍ^２未満の範囲では、触媒層全体の表面積が小さいため、酸素過電圧が高くなることが予想される。また、実電極表面が、１００００ｍ^２／ｍ^２を超える範囲では、触媒層が微細な多孔質を含むため非常にもろくなり、耐久性が悪く、酸素発生とともに酸素過電圧が高くなることが予想される。
なお、幾何セル面積とは、電解セル６５を隔壁１に垂直な方向に投影したときの面積をいう。
上記面積１ｍ^２当たりの実電極表面としては、５００〜８０００ｍ^２／ｍ^２の範囲にすることがさらに好ましく、１０００〜５０００ｍ^２／ｍ^２の範囲にすることが特に好ましい。

【0070】

この陽極の触媒層中の細孔のうち、孔径が２〜５ｎｍの範囲内である第一細孔の比表面積は０．６〜２．０ｍ^２／ｇであり、第一細孔の細孔容積は３×１０^−４〜９×１０^−４ｍｌ／ｇであることが好ましい。触媒層中の細孔のうち、孔径が０．０１〜２．００μｍの範囲内である第二細孔の比表面積は２．０〜５．０ｍ^２／ｇであり、第二細孔の細孔容積は、０．０４〜０．２ｍｌ／ｇであることが好ましい。
触媒層の厚みは５０〜８００μｍであることが好ましく、１００〜４００μｍであることがより好ましい。

【0071】

孔径が０．０１〜２．００μｍの範囲内である第二細孔は、比表面積は小さいが、細孔容量が大きいため、第一細孔は、第二細孔の内壁に存在することになる。第一細孔は、触媒層の表面積を非常に大きくする。第一細孔の表面は、水酸化物イオンの酸化反応（酸素の生成反応）の反応場（反応界面）として機能する。第一細孔の内部では、酸素発生の際に水酸化ニッケルが生成され、そのため細孔を更に小さくすると予想される。しかし、第一細孔は孔径が大きな第二細孔の内部に存在するため、第一細孔内で生成された酸素は第二細孔を通じて触媒層の外へ抜けやすく、電解を阻害しにくい。そのため、本実施形態では電解時に酸素発生過電圧が上昇しにくいと推定される。

【0072】

第一細孔の比表面積は０．６〜１．５ｍ^２／ｇであることが好ましく、０．６〜１．０ｍ^２／ｇであることがより好ましい。第一細孔の比表面積は０．６２〜０．９８ｍ^２／ｇであってもよい。一般的には第一細孔の比表面積の増加に伴い、酸素発生電位が低くなると考えられる。ただし、第一細孔が小さすぎると酸素発生時に生成する水酸化ニッケルにより第一細孔が完全に埋まり、第一細孔の実質的な表面積が少なくなる傾向がある。第一細孔の比表面積が減少すると、触媒層全体の表面積も減少する傾向がある。触媒層全体の表面積の減少に伴い、酸素発生電位が上昇する傾向がある。

【0073】

第一細孔の容積は３．３×１０^−４〜８．５×１０^−４ｍｌ／ｇことが好ましい。第一細孔の容積は３．６×１０^−４ｍｌ／ｇ〜７．９×１０^−４ｍｌ／ｇであってもよい。第一細孔の細孔容積の増加に伴い、比表面積が減少する傾向がある。第一細孔の細孔容積の減少に伴い、触媒層全体の比表面積が増加する傾向がある。

【0074】

第二細孔の比表面積は２．３〜４．５ｍ^２／ｇであることが好ましい。第二細孔の比表面積は２．５〜４．２ｍ^２／ｇであってもよい。第二細孔の比表面積の増加に伴い触媒層全体の細孔容積が減少する傾向がある。また、第二細孔の比表面積の低下に伴い触媒層全体の細孔容積が増加する傾向がある。

【0075】

第二細孔の容積は０．０４〜０．１５ｍｌ／ｇであることが好ましく、０．０４〜０．１ｍｌ／ｇであることがより好ましい。第二細孔の容積は０．０４〜０．０９ｍｌ／ｇであってもよい。第二細孔の細孔容積の増加に伴い、触媒層内で発生した酸素ガスが脱泡し易い傾向がある。第二細孔の細孔容積の減少に伴い、触媒層で発生した酸素ガスが脱泡し難くなる傾向があり、酸素発生過電圧が高くなる傾向がある。一方で、第二細孔の細孔容積の減少に伴い、触媒層の機械的強度は高まる傾向がある。

【0076】

厚みが５０μｍ未満では、触媒層が薄いため、触媒層全体の表面積が小さくなり、酸素過電圧が高くなることが予想される。また、厚みが８００μｍを越える範囲では触媒層が厚くなりすぎて、剥離等が起こりやすくなる場合があり、さらに陽極の製作コストが高くなりすぎる場合がある。

【0077】

触媒層がニッケルの金属結晶を含み、触媒層中のニッケルの金属結晶の（１，１，１）面によって回折されるＸ線のピーク強度がＩ_Ｎｉであり、触媒層中のＮｉＯの（０，１，２）面によって回折されるＸ線のピーク強度がＩ_ＮｉＯであるとき、［Ｉ_Ｎｉ／（Ｉ_Ｎｉ＋Ｉ_ＮｉＯ）］×１００の値が７５〜１００％であることが好ましい。Ｉ［Ｉ_Ｎｉ／（Ｉ_Ｎｉ＋Ｉ_ＮｉＯ）］×１００は９０〜１００％であることがより好ましく、９５〜１００％であることが特に好ましい。

【0078】

［Ｉ_Ｎｉ／（Ｉ_Ｎｉ＋Ｉ_ＮｉＯ）］×１００が大きいほど、触媒層の電気抵抗が低く、酸素発生を行う際の電圧損失が小さくなる。触媒層中の酸化ニッケルの部分では、導電性が低下するが、酸素発生反応も起き難い。また、酸化ニッケルは比較的、化学的安定性に優れるため、触媒層が酸化ニッケルを含有することは、触媒層の強度を維持するために有効な場合がある。なお、Ｉ_Ｎｉ及びＩ_ＮｉＯは、触媒層についてのＸＲＤ（（Ｘ‐Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）の測定結果から求められる。

【0079】

なお、触媒層には、ニッケルとその他の金属とから構成される合金を含んでもよい。触媒層は、金属ニッケルからなることが特に好ましい。チタン、クロム、モリブデン、コバルト、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、亜鉛、白金族及び希土類元素等からなる群より選ばれる少なくとも一種をさらに含んでもよい。また、触媒層の表面が、ロジウム、パラジウム、イリジウム及びルテニウム等からなる群より選ばれる少なくとも一種の触媒で修飾されてもよい。

【0080】

−−アルカリ水電解用陽極の製造方法−−
本実施形態に係るアルカリ水電解用陽極の製造方法は、特に限定されない。好ましい製造方法として、基材としてエクスパンドニッケルを用いて、分散メッキにてラネーニッケルを被覆し、３２ｗｔ％のアルカリで展開する方法が挙げられる。

【0081】

−−陰極−−
陰極２ｃとしては、特に限定されない。Ｒｕ−Ｌａ−Ｐｔ系、Ｒｕ−Ｃｅ系、Ｐｔ−Ｃｅ系、及びＰｔ−Ｉｒ系、Ｉｒ−Ｐｔ−Ｐｄ系、Ｐｔ−Ｎｉ系からなる群から選択される少なくとも一種のＰｔ族化合物を含むことが好ましい。また、熱分解型活性陰極であることが好ましい。前記陰極の基材の構造は、担体として比表面積を確保すること、及び、脱泡性を両立する点で、メッシュ構造であることが好ましい。

【0082】

陰極の触媒層は元素として、アルカリに対する耐久性と、水素発生に対する活性が高い点で、ニッケルを含むことが好ましい。触媒層は、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金から選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含むことが好ましい。

【0083】

特に、陰極の基材が、０．０５〜０．５ｍｍの範囲の線形を有し、目開きが３０メッシュ〜８０メッシュの範囲を有することが好ましい。この範囲にすることで、陰極として、メッシュの機械的強度を保ちつつ、担体として必要な比表面積、脱泡性を発現することができる。陽極の導電性基材のメッシュの開口率を２０％〜６０％の範囲にすることで、メッシュの機械的強度を保ちつつ、担体として必要な比表面積、脱泡性を発現することができる。
なお、電極の開口率は、下記の方法で測定することができる。
エキスパンドメタルを基材とした電極を５ｍｍ×５ｍｍ程度の大きさに切り出し、卓上顕微鏡Ｍｉｎｉｓｃｏｐｅ ＴＭ３０００（株式会社日立ハイテクノロジーズ社製）を用いて、短目方向中心間距離ＳＷ、長目方向中心間距離ＬＷ、ボンド長さＢ、開口部の単目方向長さＳＷＯ、開口部の長目方向長さＬＷＯを測量した。これらの値を用いて、下記式に従って、開口率を算出した。
開口率＝ＳＷＯ×（ＬＷＯ＋Ｂ）×１００／（ＳＷ×ＬＷ）
また、平織メッシュを基材とした電極は、同様にＴＭ３０００を用いて目開きＡ、線径ｄを測量し、下記式に従って開口率（％）を算出した。
開口率＝（Ａ／（Ａ＋ｄ））^２×１００
電極の開口率の算出方法は、エキスパンドメタルを基材とした電極と、平織メッシュを基材とした電極とで異なる。なお、エキスパンドメタル、平織メッシュ以外を基材とした電極の開口率は、電極を所定の大きさ（例えば５ｍｍ×５ｍｍ程度）に切り出し、水平に静置した該電極の中央部の鉛直方向上側から光を投射し、鉛直方向下側に電極を投影させ、光が透過した部分の総面積及び電極の投影面積（影と透過光との面積の合計）を測定して、以下の式に従って算出することができる。
開口率＝（光が透過した部分の総面積）／（電極の投影面積）×１００

【0084】

−−アルカリ水電解用陰極の製造方法−−
本実施形態に係るアルカリ水電解用陰極の製造方法は、上述の陽極の製造方法と同様としてよい。

【0085】

−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。

【0086】

−隔膜−
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽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。

【0087】

−電極室−
本実施形態における複極式電解槽５０では、図２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。

【0088】

−ガスケット−
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽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。

【0089】

−電荷保持体−
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、図２に示すように、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、電解保持体をなしている。
電荷保持体は、アルカリに対する耐久性が高く、且つ、陽極に対して酸化還元電位が碑であり、電解停止時に陽極を還元することが出来るという点から、ニッケルを母体に含むことが好ましい。母体に酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金から選ばれる少なくとも一種を含んでもよい。

【0090】

陰極室が、さらに導電性弾性体２ｅと集電体２ｇを内包しており、導電性弾性体２ｅが、陰極室と集電体との間で電気的に接続した状態で圧縮収容されており、陰極集電体の一部が前記電荷保持体で構成されてもよい。これにより、電荷保持体を付加的に取り付けることによる、セルの重量の増加を抑えることができる。

【0091】

電荷保持体の表面層は、さらに元素としてニッケルを含むことが好ましい。この表面層は、酸化ニッケル、金属ニッケル（ニッケルの金属結晶）、水酸化ニッケル及びからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。表面層は、ニッケルとその他の金属とから構成される合金を含んでもよい。表面層が金属ニッケルからなることが特に好ましい。なお、表面層は、チタン、クロム、モリブデン、コバルト、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、亜鉛、白金族及び希土類元素等からなる群より選ばれる少なくとも一種をさらに含んでもよい。

【0092】

電荷保持体の製造方法としては、特に限定されないが、陽極と同様の製造方法が挙げられる。

【0093】

−ヘッダー−
アルカリ水電解用複極式電解槽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。

【0094】

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。

【0095】

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。

【0096】

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。

【0097】

−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。

【0098】

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。

【0099】

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。

【0100】

図４及び図５に示す内部ヘッダー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。

【0101】

−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。

【0102】

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。

【0103】

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。

【0104】

（アルカリ水電解用電解装置）
図５に、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置の概要を示す。
本実施形態の複極式水電解槽を、他の要素も含む電解装置にして、水素製造装置として使用することで、電解効率が高い水素製造装置が提供できる。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置は、少なくとも、本実施形態の複極式水電解槽５０、気液分離タンク７２（水素分離タンク７２ｈ、酸素分離タンク７２ｏ）、電解液循環ポンプ７１、水投入ポンプ７３、電気分解用の電力供給用の整流器７４を具備する。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０は、上記以外にも、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。

【0105】

本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０によれば、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態によれば、再生可能エネルギー等の変動電源での運転時に、高効率での水素製造を実現することが可能となり、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。本実施形態によれば、さらには、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が可能となる。

【0106】

（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装置７０を用いて、実施することができる。

【0107】

以上、図面を参照して、本発明の実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用電解装置、アルカリ水電解方法について例示説明したが、本発明のアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用電解装置、アルカリ水電解方法は、上記の例に限定されることはなく、上記実施形態には、適宜変更を加えることができる。

【実施例】

【0108】

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。

【0109】

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装置は、下記のとおり作製した。

【0110】

−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３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。

【0111】

−陽極−
導電性基材として，エクスパンドニッケル開口率：５０％）を用いて、ブラスト処理を行った。導電性基材を切削加工により、５０ｃｍ角に調整し、陽極サンプルＡとした。
陽極サンプルＡを５Ｎ−ＨＣｌ水溶液に１０分間浸漬し、陽極サンプルＢとした。
陽極サンプルＢを用いて、分散メッキにてラネーニッケル合金を被覆し、３２ｗｔ％、８０℃のＮａＯＨ水溶液に、１０時間浸漬し、ラネーニッケル合金中のＡｌを溶かした。上記工程により、陽極サンプルＣを得た。
陽極サンプルＣを６枚重ねにして積層し、それぞれ等しい電位になるように接続した陽極サンプルＤを用意した。
陽極サンプルＣを８枚重ねにして積層し、それぞれ等しい電位になるように接続した陽極サンプルＥを用意した。

【0112】

導電性基材として，エクスパンドニッケルを用いて、ブラスト処理を行った。上述と同様に、導電性基材を切削加工により、５０ｃｍ角に調整し、陽極サンプルＡとした。上述と同様に、陽極サンプルＡを５Ｎ−ＨＣｌ水溶液に１０分間浸漬し、陽極サンプルＢとした。陽極サンプルＢを用いて、陽極サンプルＣの８倍の時間、分散メッキにてラネーニッケル合金を被覆し、３２ｗｔ％、８０℃のＮａＯＨ水溶液に、１０時間浸漬し、ラネーニッケル合金中のＡｌを溶かした。上記工程により、陽極サンプルＦを得た。

【0113】

（（陽極サンプルの陽極（酸素極）電位の測定））
陽極サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを一枚用意し、フッ素樹脂製ビーカーを３０ｗｔ％ＫＯＨの電解液で満たした、その中に浸漬させた。ＫＯＨの水溶液の温度は９０℃に維持した。陽極サンプル、白金金網（対極）及び対極の周りを覆うフッ素樹脂の筒を備え、これらの電気伝導性が確保された装置で、陽極サンプルに対して、０．４Ａ／ｃｍ^２の電流密度の酸化電流を流し、３０分間、水素を発生させた。その後、０．０５Ａ／ｃｍ^２の還元電流を流し、陽極サンプルの電位の変化を測定した。この電位変化を、流した電流のトータル保有電荷量（電気容量）に対してプロットして、陽極サンプルの酸化曲線とした。

【0114】

測定は、対極として、メッシュ状の白金電極を用いて、温度９０℃にて行った。フッ素樹脂の筒としては、その周りに多数の１ｍｍφの穴を開けたものを用いた。陽極サンプルの陽極電位は、液抵抗によるオーム損の影響を排除するために、ルギン管を使用する三電極法によって測定した。ルギン管の先端と陽極との間隔は、常に０．０５ｍｍに固定した。三電極法用の参照極としては、銀−塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）を用いた。

【0115】

（（酸素発生時に陽極（酸素極）室内に蓄えられる正の保有電荷量（電気容量）の測定））
陽極サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆについて測定した、陽極サンプルの還元曲線において、陽極電位が０Ｖ（ｖ．ｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）になるまで流した電流のトータル電荷量を酸素発生時に陽極室に蓄えられる正の保有電荷量（電気容量）（Ｃ／ｍ^２）とした。

【0116】

陽極サンプルＡの正の保有電荷量（電気容量）は、３６６７Ｃ／ｍ^２だった。陽極サンプルＢの正の保有電荷量（電気容量）は、５０１８Ｃ／ｍ^２だった。陽極サンプルＣの正の保有電荷量（電気容量）は、１４８６１０Ｃ／ｍ^２だった。陽極サンプルＤの正の保有電荷量（電気容量）は、９５５３５０Ｃ／ｍ^２だった。陽極サンプルＥの正の保有電荷量（電気容量）は、１０６１５００Ｃ／ｍ^２だった。陽極サンプルＦの正の保有電荷量（電気容量）は、４４５８３０Ｃ／ｍ^２だった。

【0117】

陽極サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｆの陽極一枚当たりの実比表面積を測定した。陽極サンプルＤ、Ｅは、陽極サンプルの陽極一枚当たりの実比表面積は陽極サンプルＣと同じだった。
陽極サンプルＡの実比表面積は、９１ｍ^２／ｍ^２だった。陽極サンプルＢの正の実非常面積は、１２５ｍ^２／ｍ^２だった。陽極サンプルＣの実比表面積は、３７００ｍ^２／ｍ^２だった。陽極サンプルＦの実比表面積は、１１１００ｍ^２／ｍ^２だった。

【0118】

（（陽極の触媒層の第一細孔及び第二細孔の比表面積及び細孔容積））
陽極の触媒層の孔径が２〜５ｎｍの範囲内である第一細孔の比表面積は、陽極サンプルＡとＢで１０^−５ｍ^２／ｇ以下、陽極サンプルＣ、Ｄ、Ｅで１．５ｍ^２／ｇ、陽極サンプルＦで４．５ｍ^２／ｇであった。
第一細孔の細孔容積は、陽極サンプルＡとＢで１０^−６ｍｌ／ｇ以下、陽極サンプルＣ、Ｄ、Ｅで４×１０^−４ｍｌ／ｇ、陽極サンプルＦで５×１０^−５ｍｌ／ｇであった。
陽極の触媒層の孔径が０．０１〜２．００ｎｍの範囲内である第二細孔の比表面積は、陽極サンプルＡとＢで０．１ｍ^２／ｇ以下、陽極サンプルＣ、Ｄ、Ｅで２．５ｍ^２／ｇ、陽極サンプルＦで１０．５ｍ^２／ｇであった。
第二細孔の細孔容積は、陽極サンプルＡとＢで０．１ｍｌ／ｇ以下、陽極サンプルＣ、Ｄ、Ｅで０．１ｍｌ／ｇ、陽極サンプルＦで０．４５ｍｌ／ｇであった。

【0119】

（（陽極の触媒層の厚み・外観））
陽極の触媒層の厚みは、陽極サンプルＡとＢで１０μｍ以下、陽極サンプルＣ、Ｄ、Ｅで２００μｍ、陽極サンプルＦで１０００μｍであった。
陽極の触媒層には、ニッケルの金属結晶が含まれていた。

【0120】

−陰極−
マイクロメッシュ（線径：０．１ｍｍ、５０メッシュ）状の活性陰極（Ｐｔ系の熱分解活性陰極）を切断加工により、５０ｃｍ角に調整して陰極を作製した。

【0121】

−電荷保持体（構造体）−
導電性基材として，エクスパンドニッケルを用いて、ブラスト処理を行った。導電性基材を切削加工により、５０ｃｍ角に調整した。５Ｎ−ＨＣｌ水溶液に１０分間浸漬した。分散メッキにてラネーニッケル合金を被覆し、３２ｗｔ％、８０℃のＮａＯＨ水溶液に、１０時間浸漬し、ラネーニッケル合金中のＡｌを溶かした。上記工程により、活物質として機能する構造体を得た。

【0122】

陰極を、縦５０ｃｍ×縦５０ｃｍに調整し、陰極サンプルＧとした。
構造体を、縦５０ｃｍ×横５．７３ｃｍに調整し、陰極サンプルＧと重ね合わせ、陰極サンプルＡとした。
構造体を、縦５０ｃｍ×横０．７３ｃｍに調整し、陰極サンプルＧと重ね合わせ、陰極サンプルＢとした。
構造体を、縦５０ｃｍ×横１１．９８ｃｍに調整し、陰極サンプルＧと重ね合わせ、陰極サンプルＣとした。
構造体を、縦５０ｃｍ×横１８．８６ｃｍに調整し、陰極サンプルＧと重ね合わせ、陰極サンプルＤとした。
構造体を、縦５０ｃｍ×横５０ｃｍに調整し、これを３枚重ねにしたものを、陰極サンプルＧと重ね合わせ、陰極サンプルＥとした。
構造体を、縦５０ｃｍ×横５０ｃｍに調整し、これを４枚重ねにしたものを、陰極サンプルＧと重ね合わせ、陰極サンプルＦとした。

【0123】

（陽極及び陰極の電気容量）
以下のとおり、電解セルの陽極及び陰極の電気容量（Ｃ／ｍ^２）を測定した。

【0124】

（（陰極サンプルの酸化曲線の測定））
陰極サンプルＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、各々一枚ずつ用意し、フッ素樹脂製ビーカーを３０ｗｔ％ＫＯＨの電解液で満たした、その中に浸漬させた。ＫＯＨの水溶液の温度は９０℃に維持した。陰極サンプル、白金金網（対極）及び対極の周りを覆うフッ素樹脂の筒を備え、これらの電気伝導性が確保された装置で、陰極サンプルに対して、０．４Ａ／ｃｍ^２の電流密度の還元電流を流し、３０分間、水素を発生させた。その後、０．０５Ａ／ｃｍ^２の酸化電流を流し、陰極サンプルの電位の変化を測定した。この電位変化を、流した電流のトータル電荷量に対してプロットして、陰極サンプルの酸化曲線とした。

【0125】

測定は、対極として、メッシュ状の白金電極を用いて、温度９０℃にて行った。フッ素樹脂の筒としては、その周りに多数の１ｍｍφの穴を開けたものを用いた。陰極サンプルの陰極（水素極）電位は、液抵抗によるオーム損の影響を排除するために、ルギン管を使用する三電極法によって測定した。ルギン管の先端と陰極サンプルとの間隔は、常に０．０５ｍｍに固定した。三電極法用の参照極としては、銀−塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）を用いた。

【0126】

（（水素発生時に陰極室内に蓄えられる負の保有電荷量（電気容量）の測定））
陰極サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇについて、測定した陰極サンプルの酸化曲線において、陰極電位が−０．８Ｖ（ｖ．ｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）になるまで流した電流のトータル電荷量を水素発生時に陰極室に蓄えられる負の保有電荷量（電気容量）とした。

【0127】

陰極サンプルＡの負の保有電荷量（電気容量）は、４８２５０Ｃ／ｍ^２だった。陰極サンプルＢの負の保有電荷量（電気容量）は、９６５０Ｃ／ｍ^２だった。陰極サンプルＣの負の保有電荷量（電気容量）は、９６５００Ｃ／ｍ^２だった。陰極サンプルＤの負の保有電荷量（電気容量）は、１４９５７５Ｃ／ｍ^２だった。陰極サンプルＥの負の保有電荷量（電気容量）は、８６８５００Ｃ／ｍ^２だった。陰極サンプルＦの負の保有電荷量（電気容量）は、１１５８０００Ｃ／ｍ^２だった。陰極サンプルＧの負の保有電荷量（電気容量）は、３９５６．５Ｃ／ｍ^２だった。

【0128】

本実施例において使用する電解槽は、陰極を有する陰極室、陽極を有する陽極室、陰極室と陽極室とを区画する隔膜、並びに陰極室及び陽極室に充填された電解液を具備する電解セルを備えるものとした。電解セルは、陰極を有する陰極室、陽極を有する陽極室、並びに陰極室と陽極室とを区画する隔膜を具備するものであった。陰極室と陽極室とは、隔膜を介して対向して配置された。陰極室及び陽極室は、それぞれ、電解液によって充填した。陰極、陽極、隔膜、及び電解液としては、それぞれ、水の電気分解において使用される公知の材料をした。

【0129】

−隔膜−
ポリスルホン系多孔質膜を切断加工により、５０ｃｍ角に調整したものを隔膜サンプルとした。

【0130】

−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１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、電陰極側ガスケット部分を配置し、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。

【0131】

−ガスケット−
ガスケットとして、ＥＰＤＭゴムを材質のものを用いた。

【0132】

−ヘッダー、導管−
外部ヘッダー型の複極式エレメントを採用した。
図４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）を設けた。更に、この電解槽５０では、これらの導管２０から電極室５に電解液を通過させるヘッダー１０としてのホース（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）を、外部から取り付けた。
ここで、図４に示すように、ヘッダー１０（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）のいずれもが、複極式エレメント６０の隔壁１の側方から外方に延びるように、配置した。また、図４に示すように、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）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、外部ヘッダー１０Ｏ型の電解槽５０を作製した。
陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉを介して陰極室５ｃへ、陰極室５ｃから陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏを介して、電解液を流した。また、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉを介して陽極室５ａへ、陽極室５ａから陽極出口ヘッダー１０Ｏｃｏを介して、電解液を流した。
図４に示すように、入口ホースは平面視で長方形の外枠３の下辺の一方端側に、出口ホース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、入口ホースと出口ホースとを、平面視で長方形の電極室５において電極室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の入口ホースから、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の出口ホースから、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１０Ｏｃｏ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１０Ｏａｏでは、電解液と酸素ガスとの混相流となった。

【0133】

（実施例１）
実施例１の複極式電解槽は下記のとおりの手順で作製した。

【0134】

陰極サンプルＡを複極式フレームの陰極面に取付け、陽極サンプルＣを複極式エレメントの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、陰極サンプルＡを陰極ターミナルエレメントの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。陽極サンプルＣを陽極ターミナルエレメントの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。

【0135】

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^２に調整した。
外枠の側方に設けられた、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Ｓ２は、２．８３×１０^−５ｍ^２に調整した。
ヘッダーの流路の長さＬ２は、０．５ｍ^２に調整した。

【0136】

また、複極式エレメントの厚さｄは、３３ｍｍ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。

【0137】

上記複極式エレメントを４９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。

【0138】

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、陽極ターミナル電解セルエレメントの、金属フレーム部分にガスケットを貼付けた。

【0139】

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、隔膜サンプルを１枚挟み込んだ。４９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、４８枚の隔膜サンプルを１枚ずつ挟み込んだ。更に、４９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、隔膜サンプルを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１の複極式電解槽とした。

【0140】

電解液として、３０％ＫＯＨ水溶液を用いた。
電解液循環ポンプにより、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。
電解液の温度は９０℃に調整した。

【0141】

整流器から複極式電解槽に、各々の陰極及び陽極の面積Ｓ１に対して、６ｋＡ／ｍ^２となるように電流を流した。実施例１においては、電極の面積Ｓ１は５００ｍｍ×５００ｍｍであるため、整流器から複極式電解槽に、１．５ｋＡを通電した。

【0142】

電解槽内の圧力は、圧力計で測定し、陰極側圧力が５０ｋＰａ、酸素側圧力が４９ｋＰａ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、圧力計の下流に設置した圧力制御弁により行った。

【0143】

そして、実施例１におけるアルカリ水電解について下記のとおり評価した。

【0144】

（電解試験）
電流密度６ｋＡ／ｍ^２で連続で８時間通電し、水電解を行った。電解槽のセル電圧Ｖを測定し、電解セルの相加平均値（Ｖ）を計算により求めた。

【0145】

（電位保持時間）
電流密度６ｋＡ／ｍ^２で連続で７時間通電後、整流器の電源を切り、セル電圧Ｖを測定し続けた。電解停止直後の時間を基準に、セル電圧Ｖの相加平均が、１Ｖ以上保持される時間を、電位保持時間Ｔ（時間）とした。

【0146】

（製作性）
電解槽の製作性を以下の評価基準で評価した。結果を表１に示す。
＜評価基準＞
○（優れる）：電極を電解槽に固定するために必要な溶接点数が５００箇所／ｍ^２未満
△（良）：電極を電解槽に固定するために必要な溶接点数が５００箇所／ｍ^２以上１５００箇所／ｍ^２未満
×（不良）：電極を電解槽に固定するために必要な溶接点数が１５００箇所／ｍ^２以上

【0147】

（実施例２）
Ｌ２を１ｍに調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0148】

（実施例３）
陰極サンプルを陰極サンプルＢとし、Ｓ１を２．７ｍ^２に調整し、Ｌ２を２．４ｍに調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0149】

（実施例４）
Ｓ１を２．７ｍ^２に調整し、Ｌ２を２．４ｍに調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0150】

（実施例５）
Ｓ１を２．７ｍ^２に調整し、Ｌ２を６．５ｍに調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0151】

（参考例６）
Ｌ２を０．２ｍに調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0152】

（実施例７）
陰極サンプルとして陰極サンプルＥを用いた以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0153】

（実施例８）
Ｓ１を２．７ｍ^２に調整し、Ｌ２を７．２ｍに調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0154】

（実施例９）
Ｓ２を７．８５×１０^−７ｍ^２に調整し、Ｌ２を２．４ｍに調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0155】

（参考例１０）
陰極サンプルを陰極サンプルＣとし、Ｓ２を７．８５×１０^−７ｍ^２に調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0156】

（実施例１１）
陽極サンプルを陽極サンプルＢとし、Ｓ２を１．７７×１０^−６ｍ^２に調整し、Ｌ２を１ｍに調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0157】

（実施例１２）
陽極サンプルを陽極サンプルＤとし、陰極サンプルを陰極サンプルＤとし、Ｌ２を１ｍに調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0158】

（実施例１３）
Ｌ２を１ｍに調整し、スタック数を１００とした以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0159】

（実施例１４）
陽極サンプルを陽極サンプルＦとした以外は実施例１と同様に複極式電解槽及び電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0160】

（比較例１）
陰極サンプルとして陰極サンプルＦを用いた以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0161】

（比較例２）
陰極サンプルを陰極サンプルＧとした以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0162】

（比較例３）
陽極サンプルを陽極サンプルＡとし、陰極構造体サンプルを陰極サンプルＣとした以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0163】

（比較例４）
陰極サンプルを陰極サンプルＧとし、Ｓ１を２．７ｍ^２に調整し、Ｌ２を２．４ｍに調整した以外は実施例１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解用電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0164】

（比較例５）
陽極サンプルを陽極サンプルＥとした以外は実施例１と同様に複極式電解槽及び電解装置を作製した。詳細な条件及び結果は表１に示すとおりである。

【0165】

実施例１〜５、参考例６、実施例７〜９、参考例１０、実施例１１〜１４では、１．８５Ｖ以下で電解可能な上に、電位保持時間が３時間以上であり、システム制御する上で十分安定な結果であった。また、陽極の実電極表面積が１００００ｍ^２／ｍ^２以下である実施例１〜５、参考例６、実施例７〜９、参考例１０、実施例１１〜１３では、更にセル電圧を下げることができた。特に、実施例２、４、７の電解槽は優れている。
一方、比較例１、３、５のものは、電解効率が悪く、比較例２〜４のものは、電位保持時間が短い結果となり、風力や太陽光等の再生可能エネルギー等の変動電源での運転において、電力供給停止時に電解槽を非常用の蓄電池として使用することや、非常時においても電気制御システムを安定的に作動させることには、実用上課題があることが示された。

【0166】

【表1】

【産業上の利用可能性】

【0167】

本発明によれば、再生可能エネルギー等の変動電源での運転時に、大電力の長期的貯蔵・長距離輸送を可能にし、電力供給停止時の電気制御システムの安定化することすることができる。

【符号の説明】

【0168】

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
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
１０Ｉ 内部ヘッダー
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
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 複極式電解槽
５１ｇ ファストヘッド、ルーズヘッド
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
５１ｉ 絶縁板
５１ｒ タイロッド
６０ 複極式エレメント
６５ 電解セル
７０ 電解装置
７１ 電解液循環ポンプ
７２ 気液分離タンク
７２ｈ 水素分離タンク
７２ｏ 酸素分離タンク
７３ 水投入ポンプ
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
Ｄ１ 隔壁に沿う所与の方向（電解液通過方向）
Ｓ１ 複極式エレメントの通電面の面積
Ｓ２ ヘッダーの流路の断面積
Ｌ２ ヘッダーの流路の長さ
Ｚ ゼロギャップ構造
ｄ 電解セルの厚さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】