特許 6948384 水電解システム、水電解方法、水素の製造方法

(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】6948384

(24)【登録日】2021年9月22日

(45)【発行日】2021年10月13日

(54)【発明の名称】水電解システム、水電解方法、水素の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20210930BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20210930BHJP

   C25B 9/19 20210101ALI20210930BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20210930BHJP

【ＦＩ】

   C25B9/00 A

   C25B1/04

   C25B9/19

   C25B15/08 302

【請求項の数】32

【全頁数】58

(21)【出願番号】特願2019-507044(P2019-507044)

(86)(22)【出願日】2018年3月23日

(86)【国際出願番号】JP2018011900

(87)【国際公開番号】WO2018174281

(87)【国際公開日】20180927

【審査請求日】2019年5月24日

(31)【優先権主張番号】特願2017-57829(P2017-57829)

(32)【優先日】2017年3月23日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2017-57732(P2017-57732)

(32)【優先日】2017年3月23日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2017-72965(P2017-72965)

(32)【優先日】2017年3月31日

(33)【優先権主張国】JP

【前置審査】

(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】100181272

【弁理士】

【氏名又は名称】神 紘一郎

(72)【発明者】

【氏名】古賀 健裕

(72)【発明者】

【氏名】内野 陽介

(72)【発明者】

【氏名】小村 亮

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 伸司

【審査官】 馳平 憲一

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１４−５０４６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４０６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３４２７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１１９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１０５５７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０３８２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２８０９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２６０１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２０４６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０９４６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２４９５０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｃ２５Ｂ １／０４

Ｃ２５Ｂ ９／１９

Ｃ２５Ｂ １５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解槽に接続された水素ガスラインと酸素ガスラインとを有する水電解システムであって、
前記水素ガスライン及び前記酸素ガスラインの少なくとも一方に、ガス濃度計、圧力計、及び圧力制御弁が設けられており、
電解槽に備えられた陰極室と、該陰極室と水素導入管により電解液通過方向の上流側で接続された、前記陰極室に導入する水素ガスを貯留する水素タンクとを、さらに備え、
前記陰極室に電解液を配液する配液管をさらに備え、該配液管が前記水素導入管を兼ねる
ことを特徴とする、水電解システム。

【請求項2】

電解槽に接続された水素ガスラインと酸素ガスラインとを有するアルカリ水電解システムであって、
前記水素ガスライン及び前記酸素ガスラインの少なくとも一方に、ガス濃度計、圧力計、及び圧力制御弁が設けられており、
電解槽に備えられた陰極室と、該陰極室と水素導入管により電解液通過方向の上流側で接続された、前記陰極室に導入する水素ガスを貯留する水素タンクとを、さらに備え、
前記陰極室に電解液を配液する配液管をさらに備え、該配液管が前記水素導入管を兼ねる
ことを特徴とする、アルカリ水電解システム。

【請求項3】

さらに、前記圧力制御弁の開度を自動で調整する機構を有する、請求項１又は２に記載の水電解システム。

【請求項4】

前記ガス濃度計が、前記圧力制御弁と並列に配置され、且つ、前記ガス濃度計のラインに、圧力及び／又は流量を制御可能な機構が設けられている、請求項１又は２に記載の水電解システム。

【請求項5】

前記ガス濃度計が、前記圧力制御弁の上流側に配置されている、請求項１又は２に記載の水電解システム。

【請求項6】

前記ガス濃度計が、前記圧力制御弁の下流側に配置されている、請求項１又は２に記載の水電解システム。

【請求項7】

請求項１〜６のいずれか一項に記載のアルカリ水電解システムを変動電源で用いることを特徴とする、水電解システム。

【請求項8】

請求項７に記載のアルカリ水電解システムを用い、電解停止時に前記圧力制御弁が全閉となるように制御することを特徴とする、水電解方法。

【請求項9】

請求項１に記載の水電解システムを用いて、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、
前記システムは、電解槽に接続された水素ガスラインと酸素ガスラインとを有し、
前記水素ガスライン及び前記酸素ガスラインの少なくとも一方に、ガス濃度計、圧力計、及び圧力制御弁が設けられ、
前記水素ガスラインの圧力計及び前記酸素ガスラインの圧力計の圧力データを元に、前記圧力制御弁を制御し、
前記水素ガスラインの圧力と前記酸素ガスラインの圧力との差を調整する
ことを特徴とする、水素製造方法。

【請求項10】

前記電解槽に備えられた電極室をさらに備え、前記電極室に印加される電流密度に応じて電解液の循環流量を制御する制御部をさらに備え、
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備える、
請求項１に記載の水電解システム。

【請求項11】

前記制御部が、前記電解液を循環させるための送液ポンプに取り付けられたインバーター、前記電極室に電解液を配液する配液管に取り付けられた自動制御弁から選ばれる少なくとも一つである、請求項１０に記載の水電解システム。

【請求項12】

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１０又は１１に記載の水電解システム。

【請求項13】

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１０〜１２のいずれか一項に記載の水電解システム。

【請求項14】

前記電極室で陽極室と陰極室とを隔離する隔膜がポリスルホンを含む、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の水電解システム。

【請求項15】

請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の水電解システムを用いて、前記電極室に印加される電流密度に応じて前記電解液の循環流量を制御し、
前記水素分離タンクから吐出された前記電解液と、前記酸素分離タンクから吐出された前記電解液とを、前記合流管で混合し、前記電極室に導入する、
ことを特徴とする、水電解方法。

【請求項16】

前記電流密度が小さいほど前記循環流量を小さくする、請求項１５に記載の水電解方法。

【請求項17】

変動電源を使用する、請求項１５又は１６に記載の水電解方法。

【請求項18】

前記陰極室と水素導出管により電解液通過方向の下流側で接続された、前記陰極室で発生する水素ガスを貯留する水素タンクをさらに備え、該水素タンクが前記陰極室に導入する水素ガスを貯留する水素タンクを兼ねる、請求項１又は２に記載の水電解システム。

【請求項19】

前記陰極室に含まれる陰極が白金族元素を含む、請求項１〜７、１０〜１４、１８のいずれか一項に記載の水電解システム。

【請求項20】

前記水素導入管が制御弁を有する、請求項１〜７、１０〜１４、１８、１９のいずれか一項に記載の水電解システム。

【請求項21】

請求項１〜７、１０〜１４、１８〜２０のいずれか一項に記載の水電解システムを用いて、電解停止時に前記水素導入管を介した前記陰極室への水素ガスの導入を行うことを特徴とする、水電解方法。

【請求項22】

電解停止時に電流の低下を自動検出し、該電流の低下の後に前記水素ガスの導入を開始する、請求項２１に記載の水電解方法。

【請求項23】

前記水素ガスを０．０００００１〜１ｍ^３／ｍ^２／時間で導入する、請求項２１又は２２に記載の水電解方法。

【請求項24】

陽極室を備える電解槽と、前記陽極室と酸素導入管により電解液通過方向の上流側で接続された、前記陽極室に導入する酸素ガスを貯留する酸素タンクと、を備えることを特徴とする、請求項１に記載の水電解システム。

【請求項25】

前記陽極室に電解液を配液する配液管をさらに備え、該配液管が前記酸素導入管を兼ねる、請求項２４に記載の水電解システム。

【請求項26】

前記陽極室と酸素導出管により電解液通過方向の下流側で接続された、前記陽極室で発生する酸素ガスを貯留する酸素タンクをさらに備え、該酸素タンクが前記陽極室に導入する酸素ガスを貯留する酸素タンクを兼ねる、請求項２４又は２５に記載の水電解システム。

【請求項27】

前記陽極室に含まれる陽極が白金族元素を含む、請求項２４〜２６のいずれか一項に記載の水電解システム。

【請求項28】

前記酸素導入管が制御弁を有する、請求項２４〜２７のいずれか一項に記載の水電解システム。

【請求項29】

請求項２４〜２８のいずれか一項に記載の水電解システムを用いて、電解停止時に前記酸素導入管を介した前記陽極室への酸素ガスの導入を行うことを特徴とする、水電解方法。

【請求項30】

電解停止時に電流の低下を自動検出し、該電流の低下の後に前記酸素ガスの導入を開始する、請求項２９に記載の水電解方法。

【請求項31】

前記酸素ガスを０．０００００１〜１ｍ^３／ｍ^２／時間で導入する、請求項２９又は３０に記載の水電解方法。

【請求項32】

変動電源を使用する、請求項２１〜２３、２９〜３１のいずれか一項に記載の水電解方法。

【発明の詳細な説明】

【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り、アルカリ水電解用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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特許第５５５３６０５号公報

【特許文献2】国際公開第２０１５／０９８０５８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

従来のアルカリ水電解システムでは、陽極室及び陰極室の運転圧力を圧力調整弁で調整し、酸素ガス及び水素ガスの濃度計を用いて、酸素ガス及び水素ガスの濃度を測定しながら、水電解を行うことが一般的である。

【0011】

酸素及び水素ガスの濃度測定のためには、酸素及び水素ガス濃度計にガスを供給するため、システム系内の微量な体積変化が生じる。従来、一定運転電流密度で運転する場合は、微量な体積変化が生じても、圧力調整に問題は生じなかったが、再生可能エネルギーのような変動電源を用いると、微量な体積変化でも圧力制御に問題が生じる。特に、低電流密度で電解を行う場合、システム系内の体積変化により、運転圧が低下する問題が生じ、陽極室側と陰極室側との差圧のバランスが崩れ、隔膜の破れや、隔膜を介したガスの透過などによるガス純度低下などの問題が生じる為、安定運転が困難だった。
そこで、本発明は、安定的に陽極側と陰極側との圧力状態を安定に維持できるアルカリ水電解システムを提供することを第一の課題とする。

【0012】

また、従来のアルカリ水電解システム及びアルカリ水電解方法では、太陽光や風力等の変動電源下において、低電流密度時のガス純度の悪化や、高電流密度時の電解システム内での温度上昇及びこれによる隔膜の劣化といった課題があった。
そこで、本発明は、低電流密度時にも高いガス純度を得ることが可能であり、また、高電流密度時にも電解システム内での温度上昇を抑制し、隔膜の劣化を抑制することが可能なアルカリ水電解システム及びアルカリ水電解方法を提供することを第二の課題とする。

【0013】

さらに、従来のアルカリ水電解システムでは、太陽光や風力等の変動電源下において電解停止時に陽極及び陰極に逆電流が流れ、陽極及び陰極が劣化するおそれがあった。
そこで、本発明は、変動電源下における陽極及び陰極の劣化を抑制することが可能なアルカリ水電解システムを提供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】

【0014】

本発明の要旨は以下の通りである。
［１］
電解槽に接続された水素ガスラインと酸素ガスラインとを有する水電解システムであって、
前記水素ガスライン及び前記酸素ガスラインの少なくとも一方に、ガス濃度計、圧力計、及び圧力制御弁が設けられており、
電解槽に備えられた陰極室と、該陰極室と水素導入管により電解液通過方向の上流側で接続された、前記陰極室に導入する水素ガスを貯留する水素タンクとを、さらに備え、
前記陰極室に電解液を配液する配液管をさらに備え、該配液管が前記水素導入管を兼ねる
ことを特徴とする、水電解システム。
［２］
電解槽に接続された水素ガスラインと酸素ガスラインとを有するアルカリ水電解システムであって、
前記水素ガスライン及び前記酸素ガスラインの少なくとも一方に、ガス濃度計、圧力計、及び圧力制御弁が設けられており、
電解槽に備えられた陰極室と、該陰極室と水素導入管により電解液通過方向の上流側で接続された、前記陰極室に導入する水素ガスを貯留する水素タンクとを、さらに備え、
前記陰極室に電解液を配液する配液管をさらに備え、該配液管が前記水素導入管を兼ねる
ことを特徴とする、アルカリ水電解システム。
［３］
さらに、前記圧力制御弁の開度を自動で調整する機構を有する、［１］又は［２］に記載の水電解システム。
［４］
前記ガス濃度計が、前記圧力制御弁と並列に配置され、且つ、前記ガス濃度計のラインに、圧力及び／又は流量を制御可能な機構が設けられている、［１］又は［２］に記載の水電解システム。
［５］
前記ガス濃度計が、前記圧力制御弁の上流側に配置されている、［１］又は［２］に記載の水電解システム。
［６］
前記ガス濃度計が、前記圧力制御弁の下流側に配置されている、［１］又は［２］に記載の水電解システム。
［７］
［１］〜［６］のいずれかに記載のアルカリ水電解システムを変動電源で用いることを特徴とする、水電解システム。
［８］
［７］に記載のアルカリ水電解システムを用い、電解停止時に前記圧力制御弁が全閉となるように制御することを特徴とする、水電解方法。
［９］
請求項１に記載の水電解システムを用いて、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、
前記システムは、電解槽に接続された水素ガスラインと酸素ガスラインとを有し、
前記水素ガスライン及び前記酸素ガスラインの少なくとも一方に、ガス濃度計、圧力計、及び圧力制御弁が設けられ、
前記水素ガスラインの圧力計及び前記酸素ガスラインの圧力計の圧力データを元に、前記圧力制御弁を制御し、
前記水素ガスラインの圧力と前記酸素ガスラインの圧力との差を調整する
ことを特徴とする、水素製造方法。
［１０］
前記電解槽に備えられた電極室をさらに備え、前記電極室に印加される電流密度に応じて電解液の循環流量を制御する制御部をさらに備え、
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備える、
［１］に記載の水電解システム。
［１１］
前記制御部が、前記電解液を循環させるための送液ポンプに取り付けられたインバーター、前記電極室に電解液を配液する配液管に取り付けられた自動制御弁から選ばれる少なくとも一つである、［１０］に記載の水電解システム。
［１２］
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、［１０］又は［１１］に記載の水電解システム。
［１３］
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、［１０］〜［１２］のいずれかに記載の水電解システム。
［１４］
前記電極室で陽極室と陰極室とを隔離する隔膜がポリスルホンを含む、［１０］〜［１３］のいずれかに記載の水電解システム。
［１５］
［１０］〜［１４］のいずれかに記載の水電解システムを用いて、前記電極室に印加される電流密度に応じて前記電解液の循環流量を制御し、
前記水素分離タンクから吐出された前記電解液と、前記酸素分離タンクから吐出された前記電解液とを、前記合流管で混合し、前記電極室に導入する、
ことを特徴とする、水電解方法。
［１６］
前記電流密度が小さいほど前記循環流量を小さくする、［１５］に記載の水電解方法。
［１７］
変動電源を使用する、［１５］又は［１６］に記載の水電解方法。
［１８］
前記陰極室と水素導出管により電解液通過方向の下流側で接続された、前記陰極室で発生する水素ガスを貯留する水素タンクをさらに備え、該水素タンクが前記陰極室に導入する水素ガスを貯留する水素タンクを兼ねる、［１］又は［２］に記載の水電解システム。
［１９］
前記陰極室に含まれる陰極が白金族元素を含む、［１］〜［７］、［１０］〜［１４］、［１８］のいずれかに記載の水電解システム。
［２０］
前記水素導入管が制御弁を有する、［１］〜［７］、［１０］〜［１４］、［１８］、［１９］のいずれかに記載の水電解システム。
［２１］
［１］〜［７］、［１０］〜［１４］、［１８］〜［２０］のいずれかに記載の水電解システムを用いて、電解停止時に前記水素導入管を介した前記陰極室への水素ガスの導入を行うことを特徴とする、水電解方法。
［２２］
電解停止時に電流の低下を自動検出し、該電流の低下の後に前記水素ガスの導入を開始する、［２１］に記載の水電解方法。
［２３］
前記水素ガスを０．０００００１〜１ｍ^３／ｍ^２／時間で導入する、［２１］又は［２２］に記載の水電解方法。
［２４］
陽極室を備える電解槽と、前記陽極室と酸素導入管により電解液通過方向の上流側で接続された、前記陽極室に導入する酸素ガスを貯留する酸素タンクと、を備えることを特徴とする、［１］に記載の水電解システム。
［２５］
前記陽極室に電解液を配液する配液管をさらに備え、該配液管が前記酸素導入管を兼ねる、［２４］に記載の水電解システム。
［２６］
前記陽極室と酸素導出管により電解液通過方向の下流側で接続された、前記陽極室で発生する酸素ガスを貯留する酸素タンクをさらに備え、該酸素タンクが前記陽極室に導入する酸素ガスを貯留する酸素タンクを兼ねる、請求項２４又は２５に記載の水電解システム。
［２７］
前記陽極室に含まれる陽極が白金族元素を含む、［２４］〜［２６］のいずれかに記載の水電解システム。
［２８］
前記酸素導入管が制御弁を有する、［２４］〜［２７］のいずれかに記載の水電解システム。
［２９］
［２４］〜［２８］のいずれかに記載の水電解システムを用いて、電解停止時に前記酸素導入管を介した前記陽極室への酸素ガスの導入を行うことを特徴とする、水電解方法。
［３０］
電解停止時に電流の低下を自動検出し、該電流の低下の後に前記酸素ガスの導入を開始する、［２９］に記載の水電解方法。
［３１］
前記酸素ガスを０．０００００１〜１ｍ^３／ｍ^２／時間で導入する、［２９］又は［３０］に記載の水電解方法。
［３２］
変動電源を使用する、［２１］〜［２３］、［２９］〜［３１］のいずれかに記載の水電解方法。

【発明の効果】

【0015】

本発明の第一の実施形態によれば、安定的に陽極室側と陰極室側との圧力状態を安定に維持できるアルカリ水電解システムを提供することが可能となる。
本発明の第二の実施形態によれば、低電流密度時にも高いガス純度を得ることが可能であり、また、高電流密度時にも電解システム内での温度上昇を抑制し、隔膜の劣化を抑制することが可能なアルカリ水電解システム及びアルカリ水電解方法を提供することができる。
本発明の第三の実施形態によれば、太陽光や風力等の変動電源下において電解停止時に生じ得る陽極及び陰極の劣化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本実施形態のアルカリ水電解システムの一例の概要を示す図である。

【図2】本実施形態のアルカリ水電解システムの一例の概要を部分的に示す図である。

【図3】本実施形態のアルカリ水電解システムの別の例の概要を部分的に示す図である。

【図4】本実施形態のアルカリ水電解システムの更なる例の概要を部分的に示す図である。

【図5】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示す側面図である。

【図6】本実施形態の内部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの一例の電解室、ヘッダー、導管について示す斜視図である。

【図7】本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの一例の電解室、ヘッダー、導管について示す斜視図である。

【図8】本実施形態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9】本実施形態の外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10】本実施形態のアルカリ水電解システムの概要を示す図である。

【図11】本実施形態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】

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

（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、電解槽５０に接続された水素ガスラインと酸素ガスラインとを有するものである。

【0021】

そして、本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、水素ガスライン及び酸素ガスラインの少なくとも一方に、ガス濃度計、圧力計、及び圧力制御弁が設けられている。

【0022】

また、本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、さらに、圧力制御弁の開度を自動で調整する機構を有する。
さらに、本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、ガス濃度計が、圧力制御弁と並列に配置され、且つ、ガス濃度計のラインに、圧力及び／又は流量を制御可能な機構が設けられている。
さらに、本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、ガス濃度計が、圧力制御弁の上流側に配置されている。
さらに、本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、ガス濃度計が圧力制御弁の下流側に配置されている。

【0023】

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。

【0024】

本実施形態のアルカリ水電解システム７０によれば、陽極室側と陰極室側との圧力状態を安定化することができる。具体的には、本実施形態のアルカリ水電解システム７０によれば、太陽光や風力等の変動電源の環境下での水電解において、電解停止時の圧力の低下を抑制し、陽極室側と陰極室との差圧のバランスが崩れ、隔膜の破れや、隔膜を介したガスの透過などによるガス純度低下を抑制することができる。

【0025】

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。

【0026】

（（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。

【0027】

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。

【0028】

図５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。

【0029】

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５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。

【0030】

（（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５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。

【0031】

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６〜図９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６〜図９参照）。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。

【0032】

本実施形態では、図５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５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５参照）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。

【0033】

図５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。

【0034】

また、本実施形態における複極式電解槽５０では、図６〜図９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。

【0035】

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。

【0036】

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６〜図９参照）。

【0037】

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。

【0038】

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６〜図９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。

【0039】

図６に、本実施形態の内部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの一例の電解室、ヘッダー、導管について斜視図で示す。
図７に、本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの一例の電解室、ヘッダー、導管について斜視図で示す。
図８に、本実施形態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９に、本実施形態の外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。

【0040】

さらに、図６、図８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。

【0041】

通常、図６、図８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６、図８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。

【0042】

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６、図８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。

【0043】

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８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。

【0044】

図７、図９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。

【0045】

通常、図７、図９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。

【0046】

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７、図９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）。

【0047】

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。

【0048】

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７、図９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。

【0049】

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６〜図９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。

【0050】

なお、図６〜図９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。

【0051】

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９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）。

【0052】

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。

【0053】

本実施形態のアルカリ水電解システム７０の電解槽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。
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。

【0054】

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。

【0055】

−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。

【0056】

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６〜図９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。

【0057】

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。

【0058】

−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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

陽極２ａの触媒層は、酸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、ニッケルめっきや、ニッケルとコバルト、ニッケルと鉄等の合金めっき、ＬａＮｉＯ_３やＬａＣｏＯ_３、ＮｉＣｏ２Ｏ_４等のニッケルやコバルトを含む複合酸化物、酸化イリジウム等の白金族元素の化合物、グラフェン等の炭素材料等が挙げられる。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子等の有機物が含まれていてもよい。

【0067】

陰極２ｃの触媒層は、水素発生能が高く、耐久性が良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、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用いて、触媒層を形成できる。

【0068】

触媒層の厚みは、厚すぎると電気抵抗が増加し過電圧を上昇させる場合があり、逆に薄すぎると長期間の電解や電解の停止により触媒層が溶解もしくは脱落することで電極２が劣化し、過電圧が上昇する場合がある。
これらの理由から、触媒層の厚みは、０．２μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上３００μｍ以下である。
なお、触媒層の厚みは、例えば電子顕微鏡にて電極２の断面を観察することにより測定できる。

【0069】

基材上に触媒層を形成させる方法としては、めっき法、プラズマ溶射法等の溶射法、基材上に前駆体層溶液を塗布した後に熱を加える熱分解法、触媒物質をバインダー成分と混合して基材に固定化する方法、及び、スパッタリング法等の真空成膜法といった手法が挙げられる。

【0070】

−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。

【0071】

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。

【0072】

−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。

【0073】

−−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。

【0074】

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。
高分子多孔膜の製法例としては、相転換法（ミクロ相分離法）、抽出法、延伸法、湿式ゲル延伸法等が挙げられる。相転換法（ミクロ相分離法）とは、高分子材料を良溶媒に溶解して得られた溶液により製膜し、これを貧溶媒中で相分離させることで多孔質化する方法（非溶媒誘起相分離法）である。抽出法とは、高分子材料に炭酸カルシウム等の無機粉体を混練して製膜した後に、該無機粉体を溶解抽出して多孔質化する方法である。延伸法とは、所定の結晶構造を有する高分子材料のフィルムを所定の条件で延伸して開孔させる方法である。湿式ゲル延伸法とは、高分子材料を流動パラフィン等の有機溶剤で膨潤させてゲル状シートとし、これを所定の条件で延伸したのち有機溶剤を抽出除去する方法である。
無機多孔膜の製法例としては、焼結法等が挙げられる。焼結法は、プレスや押出しによって得られた成形物を焼き、微細孔を残したまま一体化させる方法である。
不織布の製法例としては、スパンボンド法、電界紡糸（エレクトロスピニング）法等が挙げられる。スパンボンド法とは、溶融したペレットから紡糸された糸を熱ロールで圧着し、シート状に一体化させる方法である。電界紡糸（エレクトロスピニング）法とは、溶融ポリマーの入ったシリンジとコレクター間に高電圧を印加しながら射出することで、細く伸長した繊維をコレクター上に集積させる方法である。

【0075】

多孔膜は、高分子材料と親水性無機粒子とを含むことが好ましく、親水性無機粒子が存在することによって多孔膜に親水性を付与することができる。

【0076】

−−−高分子材料−−−
高分子材料としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリビニリデンフロライド、ポリカーボネート、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、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロスルホン酸、パーフルオロカルボン酸、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等が挙げられる。これらの中でも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレン、であることが好ましく、ポリスルホンであることがより好ましい。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0077】

高分子材料として、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンを用いることで、高温、高濃度のアルカリ溶液に対する耐性が一層向上する。
また、例えば、非溶媒誘起相分離法等の方法を用いることで、隔膜４を一層簡便に製膜することができる。特にポリスルホンであれば、孔径を一層精度よく制御することができる。

【0078】

ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンは架橋処理が施されていてもよい。かかる架橋処理が施されたポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンの重量平均分子量は、標準ポリスチレン換算の重量平均分子量として、４万以上１５万以下であることが好ましい。架橋処理の方法は、特に限定されないが、電子線やγ線等の放射線照射による架橋や架橋剤による熱架橋等が挙げられる。なお、標準ポリスチレン換算の重量平均分子量はＧＰＣで測定することができる。

【0079】

−−−親水性無機粒子−−−
多孔膜は、高いイオン透過性及び高いガス遮断性を発現するために親水性無機粒子を含有していることが好ましい。親水性無機粒子は多孔膜の表面に付着していても良いし、一部が多孔膜を構成する高分子材料に埋没していても良い。また親水性無機粒子が多孔膜の空隙部に内包されると、多孔膜から脱離しにくくなり、多孔膜の性能を長時間維持できる。

【0080】

親水性無機粒子としては、例えば、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物又は水酸化物；周期律表第ＩＶ族元素の酸化物；周期律表第ＩＶ族元素の窒化物、及び周期律表第ＩＶ族元素の炭化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の無機物が挙げられる。これらの中でも、化学的安定性の観点から、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物、周期律表第ＩＶ族元素の酸化物がより好ましく、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物が更に好ましく、酸化ジルコニウムがより更に好ましい。

【0081】

−−多孔性支持体−−
隔膜４として多孔膜を用いる場合、多孔膜は多孔性支持体と共に用いてよい。好ましくは、多孔膜が多孔性支持体を内在した構造であり、より好ましくは、多孔性支持体の両面に多孔膜を積層した構造である。また、多孔性支持体の両面に対称に多孔膜を積層した構造であってもよい。

【0082】

隔膜４の強度を一層向上する目的で、多孔性支持体を含むことができる。例えば、機械的なストレスによる、隔膜４の切れや破れや伸び等といった不具合を防止できる。また、多孔性支持体の両面に多孔膜が積層されている構造では、多孔性支持体の片面に傷や穴（ピンホール等）が生じた場合でも、多孔性支持体の他方に積層された多孔膜によりガス遮断性を担保することができる。多孔性支持体の両面に、対称に多孔膜が積層される構造では、膜のカール等を効果的に防止でき、運搬時や膜設置時等における取り扱い性が一層向上する。

【0083】

多孔性支持体の材質は、特に限定されないが、隔膜４における電解液のイオン透過性を実質的に低減させない材質であることが好ましい。多孔性支持体の材質は、特に限定されないが、例えば、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素系樹脂、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等が挙げられる。これらの中でも、ポリフェニレンサルファイドを含むことが好ましい。ポリフェニレンサルファイドを用いることで、高温、高濃度のアルカリ溶液に対しても優れた耐性を示し、また、水の電気分解時に陽極２ａから発生する活性酸素に対しても化学的に優れた安定性を示す。さらに、織布や不織布等のような様々に形態に加工し易いので、使用目的や使用環境に即して好適に調節することができる。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0084】

−−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。

【0085】

（（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。

【0086】

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。

【0087】

より具体的には、整流板６（リブ６）の先端に集電体２ｒを取り付け、その集電体２ｒの上面側、つまり、隔壁１側とは反対となる側に導電性弾性体２ｅを取り付け、さらに、その上面側、つまり、導電性弾性体２ｅに隣接して隔膜４側となる部分に電極２を重ねた少なくとも３層構造を構成することが挙げられる。集電体２ｒと導電性弾性体２ｅとによって弾性体が構成される。

【0088】

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。

【0089】

−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。

【0090】

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。このような集電体２ｒのリブ６への固定は、スポット溶接、レーザー溶接等の手段で固定される。

【0091】

−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。

【0092】

ゼロギャップ構造Ｚを実現するための電極２は、導電性弾性体２ｅとスポット溶接、金属或いはプラスチック製のピンによる固定、或いは導電性弾性体２ｅの弾力性による押しつけ圧等が好ましい固定法である。

【0093】

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の形状も重要であり、平面的な電極形状とすることが望ましい。

【0094】

また、上記電極２の厚みとしては、通常０．７ｍｍ〜３ｍｍ程度が好ましい。この厚みがあまり薄すぎると、陽極室５ａと陰極室５ｃの圧力差や、押しつけ圧力により電極２に変形が生じ、例えば電極２端部が落ち込み、極間距離が広がり電圧が高くなる場合がある。

【0095】

−電極室−
本実施形態における複極式電解槽５０では、図６〜図９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。

【0096】

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。

【0097】

−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。

【0098】

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。

【0099】

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。

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

整流板６（陽極整流板６ａ、陰極整流板６ｃ）の長さは、隔壁１のサイズに応じて、適宜に定められてよい。
整流板６の高さは、隔壁１から各フランジ部までの距離、ガスケット７の厚さ、電極２（陽極２ａ、陰極２ｃ）の厚さ、陽極２ａと陰極２ｃとの間の距離等に応じて、適宜に定められてよい。
また、整流板６の厚みは、コストや製作性、強度等も考慮して、０．５ｍｍ〜５ｍｍとしてよく、１ｍｍ〜２ｍｍのものが用いやすいが、特に限定されない。

【0103】

電極２や集電体２ｒの整流板６への取り付けは、通常スポット溶接で行われるが、その他のレーザー溶接等による方法でもよく、更にはワイヤーやひも状の部材を用い、結びつけて密着させる方法でもよい。整流板６は、陽極２ａ又は陰極２ｃと同様に、スポット溶接、レーザー溶接等の手段で隔壁１に固定されている。

【0104】

−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。

【0105】

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。

【0106】

また、ガスケット７の何れか一方の面から突出する突出部を設けることが好ましい。このような突出部を設けることにより、スタック時に突出部が局所的に押圧され、突出部に対応する位置においてスリット部に収容された隔膜４がガスケット７により押圧される。したがって、ガスケット７では、隔膜４をより強固に保持することができ、電解液やガスが漏れることをより防止しやすくなる。

【0107】

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。

【0108】

ガスケット７は、補強材が埋設されていてもよい。これにより、スタック時に枠体に挟まれて押圧されたときに、ガスケット７が潰れることを抑制でき、破損を防止し易くできる。
このような補強材は公知の金属材料、樹脂材料及び炭素材料等が使用でき、具体的には、ニッケル、ステンレス等の金属、ナイロン、ポリプロピレン、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ等の樹脂、カーボン粒子や炭素繊維等の炭素材料が挙げられる。
補強材の形状としては、織布、不織布、短繊維、多孔膜等の形状のものが好適である。さらに、ガスケット７の表面に保護層が設けられていてもよい。これにより、ガスケット７とエレメント間の密着性を向上させることや、ガスケット７の耐アルカリ性を向上させることもできる。このような保護層の材質としても、ガスケット７の材質の中から選択できる。

【0109】

ガスケット７を複極式エレメント６０に取り付ける際に、接着剤を使用してもよい。ガスケット７の片面に接着剤を塗布し、エレメントの片側の外枠３に貼り付けることができる。なお、接着剤を乾燥させた後、複極式エレメント６０の電極面に水をかけ、電極２を湿らせておくことが好ましい。隔膜４を保持できるように、隔膜４の縁部を収容するスリット部を設けたガスケット７の場合は、隔膜４を保持した状態で貼り付けてもよいし、貼り付けた後に隔膜４を保持させてもよい。

【0110】

−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。

【0111】

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。

【0112】

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。

【0113】

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。

【0114】

−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。

【0115】

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。

【0116】

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。

【0117】

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。

【0118】

−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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【0121】

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。

【0122】

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。

【0123】

（アルカリ水電解システム）
図１に、本実施形態のアルカリ水電解システムの一例の概要を示す。
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。

【0124】

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。

【0125】

本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、電極室５を有する電解槽５０を備え、電極室５に印可される電流密度に応じて電解液の循環流量を制御する制御部９１を備えている。

【0126】

そして、制御部９１が、電極室５に電解液を配液する配液管２０ｉ（２０ａｉ，２０ｃｉ）に取り付けられたインバーターから選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。制御部９１としては、上記以外に、ポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御装置としてもよい。

【0127】

本実施形態では、電流密度が小さいほど循環流量を少なくすることが好ましい。また、電流密度が大きいほど循環流量を多くすることが好ましい。これにより、ガス純度の低下及び運転温度の過昇温を抑制する事が出来、再生可能エネルギーのように、変動が激しい電源下でも、水電解システムの安定的な運転が可能である。
循環流量の電流密度に対する割合としては、１×１０^６ｍ^５／Ｃ〜１×１０^９ｍ^５／Ｃにすることが好ましい。

【0128】

また、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、変動が激しい電源下でも、人為的操作なしに、ガス純度の低下を効率的に低減することができる。

【0129】

また、アルカリ水電解システム７０は、陰極室を備える電解槽と、該陰極室と水素導入管により電解液通過方向の上流側で接続された、前記陰極室に導入する水素ガスを貯留する水素タンクと、を備えることが好ましい。

【0130】

本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、図１に示す一例のように、電解槽５０に水素分離タンク７２ｈと連通するように接続された水素ガスライン１００ｈと、電解槽５０に酸素分離タンク７２ｏと連通するように接続された酸素ガスライン１００ｏとを有するものである。

【0131】

そして、一例のアルカリ水電解システム７０には、図１に示すような配置で、水素ガスライン１００ｈ及び酸素ガスライン１００ｏの少なくとも一方に、ガス濃度計（酸素濃度計（酸素ガス中水素濃度計）Ｏ_２Ｉ、水素濃度計（水素ガス中酸素濃度計）Ｈ_２Ｉ）、圧力計ＰＩ、温度計ＴＩ、水素ガスライン１００ｈに直列に設けられる圧力制御弁ＰＶ１、酸素ガスライン１００ｏに直列に設けられる圧力制御弁ＰＶ２、圧力制御弁（バルブ）８０〜８７が設けられている。

【0132】

図１の一例では、酸素分離タンク７２ｏから出て、ラインに対して直列に接続されたミストセパレーター９０及び圧力制御弁ＰＶ２を経由してシールポット９２に至るラインが設けられている。ここで、この例では、酸素分離タンク７２ｏから出て、ラインに対して並列に接続された酸素濃度計（酸素ガス中水素濃度計）Ｏ_２Ｉを経由してシールポット９２に至るバイパスも設けられている。そして、図１に示すように、上記ラインとバイパスとはガス冷却器９１を経由する形で接続されている。
同様に、図１の一例では、水素分離タンク７２ｈから出て、ラインに対して直列に接続されたミストセパレーター９０及び圧力制御弁ＰＶ１を経由してシールポット９２に至るラインが設けられている。ここで、この例では、水素分離タンク７２ｈから出て、ラインに対して並列に接続された水素濃度計（水素ガス中酸素濃度計）Ｈ_２Ｉを経由してシールポット９２に至るバイパスも設けられている。そして、図１に示すように、上記ラインとバイパスとはガス冷却器９１を経由する形で接続されている。

【0133】

また、本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、さらに、圧力制御弁８０〜８７の開度を調整する機構（図示せず）を有しても良い。かかる構成によれば、水素ガスライン１００ｈの圧力と酸素ガスライン１００ｏの圧力との差圧をより正確に一定に保つことが可能になる。

【0134】

図１に示す一例のアルカリ水電解システム７０では、ガス濃度計が圧力制御弁と並列なライン配置をとれるようにすることで、濃度計の上流側と下流側とに生じている圧力差を利用してガス濃度を測定することが可能となるため、ガス濃度計のために使用するポンプが不要となるというメリットがある。

【0135】

また、図１に示す一例のアルカリ水電解システム７０では、酸素濃度計（酸素ガス中水素濃度計）Ｏ_２Ｉが、酸素ガスライン１００ｏに直列に設けられる圧力制御弁ＰＶ２と並列に配置され、且つ、酸素濃度計Ｏ_２Ｉのラインに、圧力及び／又は流量を制御可能な機構（図示せず）が設けられている。
一例のアルカリ水電解システム７０では、水素濃度計（水素ガス中酸素濃度計）Ｈ_２Ｉが、水素ガスライン１００ｈに直列に設けられる圧力制御弁ＰＶ１と並列に配置され、且つ、水素濃度計Ｈ_２Ｉのラインに、圧力及び／又は流量を制御可能な機構（図示せず）が設けられている。
ここで、上記のガス濃度計ラインの流量等を制御可能な機構は、手動のものであっても自動のものであってもよい。

【0136】

図２に、本実施形態のアルカリ水電解システムの一例の概要を部分的に示す。なお、図２では、システムの酸素ガスライン１００ｏ側のみについて示している。
以下では、図１に示す一例のアルカリ水電解システム７０と同様の要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図２に示すアルカリ水電解システム７０では、ガス濃度計（図２では、特に、酸素濃度計Ｏ_２Ｉ）が、圧力制御弁（図２では、特に、圧力制御弁ＰＶ２）と並列に配置されている。より具体的には、酸素濃度計Ｏ_２Ｉは、取込側が酸素分離タンク７２ｏと圧力制御弁ＰＶ２との間に、排出側が圧力制御弁ＰＶ２とシールポット９２との間に、配置されている。
この例の場合、上述のガス濃度計のために使用するポンプが不要となるというメリットを得ることができる。

【0137】

図３に、本実施形態のアルカリ水電解システムの別の例の概要を部分的に示す。なお、図３では、システムの酸素ガスライン１００ｏ側のみについて示している。
以下では、図１に示す一例のアルカリ水電解システム７０と同様の要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図３に示すアルカリ水電解システム７０では、ガス濃度計（図３では、特に、酸素濃度計Ｏ_２Ｉ）が、圧力制御弁（図２では、特に、圧力制御弁ＰＶ２）の上流側に配置されている。より具体的には、酸素濃度計Ｏ_２Ｉは、酸素分離タンク７２ｏと圧力制御弁ＰＶ２との間に配置されている。この例の場合、ポンプ等を用いて酸素濃度計Ｏ_２Ｉにガスをフローさせることが好ましい。

【0138】

図３に示す別の例のアルカリ水電解システム７０では、電解槽５０と圧力制御弁との間にガス濃度計を配置するので、常時濃度を測定することが可能であり、圧力低下も防ぐことができる。

【0139】

図４に、本実施形態のアルカリ水電解システムの更なる例の概要を部分的に示す。なお、図４では、システムの酸素ガスライン１００ｏ側のみについて示している。
以下では、図１に示す一例のアルカリ水電解システム７０と同様の要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図４に示す本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、ガス濃度計（図４では、特に、酸素濃度計Ｏ_２Ｉ）が、圧力制御弁（図４では、特に、圧力制御弁ＰＶ２）の下流側に配置されている。より具体的には、酸素濃度計Ｏ_２Ｉは、圧力制御弁ＰＶ２とシールポット９２の間に配置されている。この例の場合、ポンプ等を用いて酸素濃度計Ｏ_２Ｉにガスをフローさせることが好ましい。

【0140】

以下、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。

【0141】

−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。

【0142】

−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。
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。

【0143】

アルカリ水電解システムの気液分離タンク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。

【0144】

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。

【0145】

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。最悪の場合、爆鳴気を形成してしまう危険性がある。

【0146】

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。

【0147】

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。

【0148】

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。

【0149】

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。

【0150】

気液分離タンク７２への流入口は、気液分離性を向上させる上で、電解液面よりも上面に位置することが好ましいが、これに限定されるものではない。
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。

【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、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】

本実施形態のアルカリ水電解方法は、電解停止時に圧力制御弁が全閉となるように制御するものとしてよい。
かかる方法によれば、電解停止時の圧力の漏れや、電解液温度低下によるガス圧力の低下や、陽極室側と陰極室側との差圧の増大を防ぎ、ガス純度の低下を抑制することが可能となる。

【0156】

ここで、電解停止時とは、通電させる電流が０（ゼロ）になった時点、及び当該時点から３０秒後までの間をいい、当該時点から１０秒後までの間とすることが好ましい。

【0157】

本実施形態では、水素ガスラインの圧力計及び酸素ガスラインの圧力計の圧力データを得て、かかる圧力データに基づいて圧力制御弁を制御することにより、電解停止中における水素ガスラインの圧力と酸素ガスラインの圧力との差を調整してよい。
電解停止中における水素ガスラインの圧力と酸素ガスラインの圧力との差（陰極室側圧力−陽極室側圧力）としては、−１０〜１０ｋＰａであることが好ましく、−５〜５ｋＰａであることがより好ましい。

【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内にある電解液の温度が８０℃〜１３０℃であることが好ましい。
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等の電解装置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。

【0161】

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、０．０５ｋＡ／ｍ^２〜２０ｋＡ／ｍ^２であることが好ましく、４ｋＡ／ｍ^２〜２０ｋＡ／ｍ^２であることがさらに好ましく、６ｋＡ／ｍ^２〜１５ｋＡ／ｍ^２であることが特に好ましい。
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。

【0162】

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。

【0163】

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。

【0164】

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。

【0165】

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。

【0166】

（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。

【0167】

本実施形態では、システムは、電解槽に接続された水素ガスラインと酸素ガスラインとを有していてよい。
また、システムには、水素ガスライン及び酸素ガスラインの少なくとも一方に、ガス濃度計、圧力計、及び圧力制御弁が設けられていてよい。

【0168】

ここで、本実施形態では、水素ガスラインの圧力計及び酸素ガスラインの圧力計の圧力データを得て、かかる圧力データに基づいて圧力制御弁を制御することにより、電解停止中における水素ガスラインの圧力と酸素ガスラインの圧力との差を調整してよい。

【0169】

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。

【0170】

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。
下記第二の実施形態は、上記第一の実施形態や下記第三の実施形態と適宜組み合わせられてもよい。

【0171】

図１０に、本実施形態のアルカリ水電解システムの概要を示す。

【0172】

（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、電極室５を有する電解槽５０を備え、電極室５に印加される電流密度に応じて電解液の循環流量を制御する制御部９１を備えている。

【0173】

また、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をさらに備える。

【0174】

そして、制御部９１が、電極室５に電解液を配液する配液管２０ｉ（２０ａｉ、２０ｃｉ）に取り付けられた自動制御弁（図示せず）、電解液を循環させるための送液ポンプに取り付けられたインバーター（図示せず）から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。
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ることが好ましい。
さらに、電極室５で陽極室５ａと陰極室５ｃとを隔離する隔膜４がポリスルホンを含むことが好ましい。

【0175】

本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、例えば、図１０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。

【0176】

（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。

【0177】

本実施形態のアルカリ水電解方法は、電極室５に印加される電流密度に応じて電解液の循環流量を制御し、ここで、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に導入するものである。

【0178】

本実施形態では、電流密度が小さいほど循環流量を小さくすることが好ましい。また、電流密度が大きいほど循環流量を大きくすることが好ましい。
循環流量の電流密度に対する割合としては、１×１０^６ｍ^５／Ｃ〜１×１０^９ｍ^５／Ｃとすることが好ましい。

【0179】

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。

【0180】

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。

【0181】

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。
下記第三の実施形態は、上記第一の実施形態や上記第二の実施形態と適宜組み合わせられてもよい。

【0182】

図１１に、本実施形態のアルカリ水電解システムの概要を示す。

【0183】

（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、第一の態様では、陰極室５ｃを備える電解槽５０と、陰極室５ｃと水素導入管８４ｈにより電解液通過方向Ｄ１の上流側で接続された、陰極室５ｃに導入する水素ガスを貯留する水素タンク８１ｈ’と、を備えるアルカリ水電解システムである。

【0184】

そして、第一の態様では、陰極室５ｃに電解液を配液する配液管（２０Ｏｃｉ）をさらに備え、該配液管（２０Ｏｃｉ）が水素導入管８４ｈを兼ねることが好ましい。
また、陰極室５ｃと水素導出管８５ｈにより電解液通過方向Ｄ１の下流側で接続された、陰極室５ｃで発生する水素ガスを貯留する水素タンク８１ｈをさらに備え、該水素タンク８１ｈが陰極室５ｃに導入する水素ガスを貯留する水素タンク８１ｈ’を兼ねることが好ましい。
ここで、水素導入管８４ｈが制御弁（図示せず）を有することが好ましい。

【0185】

本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、第二の態様では、陽極室５ａを備える電解槽と、陽極室５ａと酸素導入管８４ｏにより電解液通過方向Ｄ１の上流側で接続された、陽極室５ａに導入する酸素ガスを貯留する酸素タンク８１ｏ’と、を備えるアルカリ水電解システムである。

【0186】

そして、第二の態様では、陽極室５ａに電解液を配液する配液管（２０Ｏａｉ）をさらに備え、該配液管（２０Ｏａｉ）が酸素導入管８４ｏを兼ねることが好ましい。
また、陽極室５ａと酸素導出管８５ｏにより電解液通過方向Ｄ１の下流側で接続された、陽極室５ａで発生する酸素ガスを貯留する酸素タンク８１ｏをさらに備え、該酸素タンク８１ｏが陽極室５ａに導入する酸素ガスを貯留する酸素タンク８１ｏ’を兼ねることが好ましい。
ここで、酸素導入管８４ｏが制御弁（図示せず）を有することが好ましい。

【0187】

本実施形態では、図１１に示すように、アルカリ水電解システム７０は、上述の第一の態様及び第二の態様を共に備えることも好ましい。

【0188】

本実施形態のアルカリ水電解システムは、例えば、図１１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。

【0189】

（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。

【0190】

本実施形態のアルカリ水電解方法の第一の態様は、本実施形態のアルカリ水電解システム７０を用いて、電解停止時に水素導入管８４ｈを介した陰極室５ｃへの水素ガスの導入を行うものである。

【0191】

また、第一の態様では、電解停止時に電流の低下を自動検出し、電流の低下の後に水素ガスの導入を開始することが好ましい。自動検出には、例えば、ホール素子方式等の非接触型の電流センサーやシャント抵抗を用いてよい。

【0192】

さらに、第一の態様では、水素ガスを０．０００００１〜１ｍ^３／ｍ^２／時間で導入することが好ましく、０．０００１〜０．５ｍ^３／ｍ^２／時間で導入することがさらに好ましい。

【0193】

本実施形態のアルカリ水電解方法の第二の態様は、本実施形態のアルカリ水電解システム７０を用いて、電解停止時に酸素導入管８４ｏを介した陽極室５ａへの酸素ガスの導入を行うものである。

【0194】

また、第二の態様では、電解停止時に電流の低下を自動検出し、電流の低下の後に酸素ガスの導入を開始することが好ましい。自動検出には、例えば、ホール素子方式等の非接触型の電流センサーやシャント抵抗を用いてよい。

【0195】

さらに、第二の態様では、酸素ガスを０．０００００１〜１ｍ^３／ｍ^２／時間で導入することが好ましく、０．０００１〜０．５ｍ^３／ｍ^２／時間で導入することがさらに好ましい。

【0196】

本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、上述の第一の態様と第二の態様とを併せて備えていてもよい。

【0197】

以上、図面を参照して、本発明の実施形態の水電解システム、水電解方法、水素製造方法について例示説明したが、本発明の水電解システム、水電解方法、水素製造方法は、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】

【0198】

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。

【0199】

以下、参考例Ａ及び比較例Ａについて記載する。

【0200】

複極式エレメント及びそれを用いたアルカリ水電解用電解装置は、下記のとおり作製した。

【0201】

−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。

【0202】

−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。

【0203】

−陰極−
導電性基材として、直径０．１５ｍｍのニッケルの細線を４０メッシュの目開き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。

【0204】

−隔膜−
酸化ジルコニウム（「ＥＰ酸化ジルコニウム」、第一稀元素化学工業社製）とＮ−メチル−２−ピロリドン（和光純薬工業社製）を、粒径０．５ｍｍのＳＵＳボールが入ったボールミルポットに投入した。これらを回転数７０ｒｐｍで３時間攪拌して、分散させて混合物を得た。得られた混合物を、ステンレス製のざる（網目３０メッシュ）により濾過し、混合物からボールを分離した。ボールを分離した混合物にポリスルホン（「ユーデル」（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）を加え、スリーワンモータを用いて１２時間攪拌して溶解させ、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

【0205】

この塗工液を、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、糸径１５０μｍ）の両表面に対して、コンマコータを用いて塗工厚みが各面１５０μｍとなるよう塗工した。塗工後直ちに、塗工液を塗工した基材を、３０℃の純水／イソプロパノール混合液（和光純薬工業社製、純水／イソプロパノール＝５０／５０（ｖ／ｖ））を溜めた凝固浴の蒸気下へ晒した。その後直ちに、塗工液を塗工した基材を、凝固浴中へ浸漬した。そして、ポリスルホンを凝固させることで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。

【0206】

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、５２ｃｍ角（縦５２ｃｍ×横５２ｃｍ）に調整し、隔膜サンプルＡとした。

【0207】

−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Ａ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。

【0208】

−複極式電解槽、複極式エレメント−
複極式エレメントを９個使用し、図５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９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^２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。
この参考例Ａにおいては、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していた。

【0209】

−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。

【0210】

−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６、図８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６、図８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５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。
この参考例Ａ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。

【0211】

複極式電解槽は下記のとおりの手順で作製した。

【0212】

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、陰極サンプル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。陽極サンプル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。

【0213】

複極式エレメントに取り付けた電極（陽極及び陰極）の面積は、０．２５ｍ^２に調整した。また、複極式エレメントの厚さは、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。

【0214】

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。

【0215】

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。

【0216】

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枚の隔膜サンプルＡを１枚ずつ挟み込んだ。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、隔膜サンプル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、内部ヘッダー型の複極式電解槽とした。

【0217】

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、図１に示すようなアルカリ水電解用電解装置を作製した。
気液分離タンク７２によって分離された水素、酸素はミストセパレーター９０を通してシールポット９２に向けて放出される。途中に、圧力計（ＰＩ）、温度計（ＴＩ）、および圧力制御弁ＰＶを設けた。
酸素ガス中水素濃度計（Ｈ_２Ｉ）、水素ガス中酸素濃度計（Ｏ_２Ｉ）は、それぞれ理研計器社製ＳＤ−Ｄ５８型、ＳＤ−１ＤＯＸ型を用いた。これらの濃度計は、吸引ポンプ（図示せず）によって濃度計センサー部に測定ガスを送気して分析を行った。ガス濃度計は、バルブ８０〜８３、８４〜８７を介して気液分離タンク７２とシールポット９２との間に並列に接続した。また、Ｈ_２Ｉ、Ｏ_２Ｉの上流側には、ミスト除去を目的として、ガス冷却器であるボルテックスクーラー９１を設置した。

【0218】

アルカリ水電解用電解装置を用いたアルカリ水電解方法を、下記の条件で実施した。

【0219】

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、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。

【0220】

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（登録商標）ライニング内面処理を施した、２０Ａの配管を用いた。

【0221】

気液分離タンクは、高さ１４００ｍｍ、容積１ｍ^３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。

【0222】

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、０．１ｋＡ／ｍ^２と１０ｋＡ／ｍ^２なるように電流を流した。参考例Ａ１においては、電極の面積は５００ｍｍ×５００ｍｍであるため、整流器から複極式電解槽に、０．１ｋＡ／ｍ^２のときは２５Ａ、１０ｋＡ／ｍ^２のときは、２５００Ａを通電した。

【0223】

（参考例Ａ１）
電解槽内の圧力は、陰極側、陽極側をそれぞれ圧力計ＰＩ１、ＰＩ２で測定し、陰極室側（水素側）圧力が５０ｋＰａ、陽極室側（酸素側）圧力が４９ｋＰａとなるとように調整しながら、８ｋＡ／ｍ^２で装置が安定した状況になるまで通電を行った。安定した時点で圧力調整は、それぞれ圧力計の下流に設置した圧力制御弁ＰＶ１、ＰＶ２により行った。Ｈ_２Ｉは、バルブ８０、８２を開、８１、８３を閉とし、Ｏ_２Ｉはバルブ８４、８６を開、８５、８７を閉としてガス濃度の測定を行った。模式的には図２のように配置されていた。
装置の安定後、電流を徐々に低下させ、０Ａとし、通電を停止した。
通電停止の時点から、バルブ８０、８２、８４、８６を閉じ、１５分間隔で３０秒間のタイミングでバルブ８０、８２、８４、８６を開き、Ｈ_２Ｉ、Ｏ_２Ｉへガスを通じた。この動作を６０分間行った。この時、圧力調整弁は陰極室側を自動で５０ｋＰａを維持するように設定し、陽極室側は陰極室側より１ｋＰａ低い圧力を自動で維持するように設定した。
６０分後の陰極室側圧力は３５ｋＰａ、陽極室側内圧は３４ｋＰａ、保持後の陰極室側気液分離タンクの液温は８０℃であった。

【0224】

（比較例Ａ１）
参考例Ａ１と同様に２０００Ａの電流値で装置が安定状態になるまで通電を行った。
装置の安定後、電流を徐々に低下させ、０Ａとし、通電を停止した。
通電停止以降も、バルブ８０、８２、８４、８６を開いたまま、Ｈ_２Ｉ、Ｏ_２Ｉへガスを通じさせた。この動作を６０分間行った。この時、圧力調整弁は陰極室側を自動で５０ｋＰａを維持するように設定し、陽極室側は陰極室側より１ｋＰａ低い圧力を自動で維持するように設定した。
６０分後の陰極室側圧力は２ｋＰａ、陽極室側内圧は１ｋＰａ、保持後の陰極室側気液分離タンクの液温は８１℃であった。この時、圧力調整弁は、陰極室側、陽極室側ともに開度０％の状態であった。
この後、さらにこの状態を３０分継続したところ、陰極室側気液分離タンクの液温が７５℃となり、陽極室側の内圧が−１ｋＰａとなった。

【0225】

（参考例Ａ２）
ヘッダー構造を外部ヘッダー型にした以外は、参考例Ａ１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解システムを製作した。

【0226】

−ヘッダー、導管−
図７、図９に示すように、この参考例Ａ２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７、図９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７、図９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。
この参考例Ａ２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。

【0227】

電解槽内の圧力は、陰極側、陽極側をそれぞれ圧力計ＰＩ１、ＰＩ２で測定し、陰極室側圧力が５０ｋＰａ、陽極室側圧力が４９ｋＰａとなるとように調整しながら、８ｋＡ／ｍ^２で装置が安定した状況になるまで通電を行った。圧力調整は、それぞれ圧力計の下流に設置した圧力制御弁ＰＶ１、ＰＶ２により行った。Ｈ_２Ｉは、バルブ８０、８２を開、８１、８３を閉とし、Ｏ_２Ｉはバルブ８４、８６を開、８５、８７を閉としてガス濃度の測定を行った。模式的には図２のように配置されていた。
装置の安定後、電流を徐々に低下させ、０Ａとし、通電を停止した。
通電停止の時点から、バルブ８０、８２、８４、８６を閉じ、１５分間隔で３０秒間のタイミングでバルブ８０、８２、８４、８６を開き、Ｈ_２Ｉ、Ｏ_２Ｉへガスを通じた。この動作を３０分間行った。この時、圧力調整弁は陰極室側を自動で５０ｋＰａを維持するように設定し、陽極室側は陰極室側より１ｋＰａ低い圧力を自動で維持するように設定した。
３０分後の陰極室側圧力は４０ｋＰａ、陽極室側内圧は３９ｋＰａ、保持後の陰極室側気液分離タンクの液温は８４℃であった。

【0228】

（参考試験例Ａ１）
参考例Ａ２と同様に複極式電解槽を製作した。

【0229】

電解槽内の圧力は、陰極側、陽極側をそれぞれ圧力計ＰＩ１、ＰＩ２で測定し、陰極室側圧力が５０ｋＰａ、陽極室側圧力が４９ｋＰａとなるとように調整しながら、８ｋＡ／ｍ^２で装置が安定した状況になるまで通電を行った。圧力調整は、それぞれ圧力計の下流に設置した圧力制御弁ＰＶ１、ＰＶ２により行った。Ｈ_２Ｉは、バルブ８０、８２を開、８１、８３を閉とし、Ｏ_２Ｉはバルブ８４、８６を開、８５、８７を閉としてガス濃度の測定を行った。
装置の安定後、電流を徐々に低下させ、０Ａとし、通電を停止した。
通電停止以降も、バルブ８０、８２、８４、８６を開いた状態を維持し、Ｈ_２Ｉ、Ｏ_２Ｉへガスを通じた。この動作を３０分間行った。この時、圧力調整弁は陰極室側を自動で５０ｋＰａを維持するように設定し、陽極室側は陰極室側より１ｋＰａ低い圧力を自動で維持するように設定した。
３０分後の陰極室側圧力は５ｋＰａ、陽極室側内圧は４ｋＰａ、保持後の陰極室側気液分離タンクの液温は８３℃であった。この時、陰極室側、陽極室側の調整弁は共に開度０％であった。

【0230】

（参考例Ａ３）
陰極室側圧力が３０ｋＰａ、陽極室側圧力が２９ｋＰａとしたこと以外は参考例Ａ２と同様にして、安定運転後、通電を停止を行った。詳細な条件を表１に示す。３０分後の陰極室側の圧力は１８ｋＰａ、陽極室側の圧力は１７ｋＰａ、陰極室側の気液分離タンクの液温は８３℃であった。

【0231】

（比較例Ａ２）
通電停止以降のガス濃度計へのラインのバルブ８０、８２、８４、８６を常時開とした以外は、参考例Ａ３と同様に安定通電、通電停止を行った。詳細な条件を表１に示す。３０分後の内圧は陰極室側、陽極室側とも０ｋＰａ、陰極室側気液分離タンクの液温は８４℃であった。

【0232】

（参考例Ａ４）
参考例Ａ１と同様の複極式電解槽を使用し、ガス濃度計へのバルブを、陽極室側８０、８３を開、８１、８２を閉、陰極室側８４、８７を開、８５、８６を閉とし、通電停止後も、このバルブ状態を維持したこと以外は、参考例Ａ１と同様にして、安定通電、通電停止を行った。詳細な条件を表１に示す。模式的には図３のように配置されていた。６０分後、陰極室側の圧力は４３ｋＰａ、陽極室側の圧力は４２ｋＰａ、陰極室側気液分離タンクの液温は７９℃であった。

【0233】

（参考例Ａ５）
安定通電時の陰極室側圧力を３０ｋＰａ、陽極室側圧力を２９ｋＰａとしたこと以外は、参考例Ａ４と同様にして、安定通電、通電停止を行った。詳細な条件を表１に示す。６０分後、陰極室側の圧力は２０ｋＰａ、陽極室側の圧力は１９ｋＰａ、陰極室側気液分離タンクの液温は８０℃であった。

【0234】

（参考例Ａ６）
安定通電時の陰極室側圧力を３０ｋＰａ、陽極室側圧力を２９ｋＰａとしたこと以外は、参考例Ａ４と同様にして、安定通電、通電停止を行った。詳細な条件を表１に示す。３０分後、陰極室側の圧力は２４ｋＰａ、陽極室側の圧力は２３ｋＰａ、陰極室側気液分離タンクの液温は８２℃であった。

【0235】

（参考例Ａ７）
参考例Ａ２と同様の複極式電解槽を使用し、ガス濃度計へのバルブを、陽極室側８１、８２を開、８０、８３を閉、陰極室側８５、８６を開、８４、８７を閉とし、通電停止後も、このバルブ状態を維持し、１５分に１回３０秒間圧力制御弁を開にする操作を追加すること以外は、参考例Ａ１と同様にして、安定通電、通電停止を行った。模式的には図４のように配置されていた。６０分後、陰極室側の圧力は３５ｋＰａ、陽極室側の圧力は３４ｋＰａ、陰極室側気液分離タンクの液温は８３℃であった。

【0236】

（参考例Ａ８）
保持時間を３０分間としたこと以外は、参考例Ａ７と同様にして、安定通電、通電停止を行った。詳細な条件を表１に示す。３０分後、陰極室側の圧力は４４ｋＰａ、陽極室側の圧力は４３ｋＰａ、陰極室側気液分離タンクの液温は８５℃であった。

【0237】

（参考例Ａ９）
安定通電時の陰極室側圧力を３０ｋＰａ、陽極室側圧力を２９ｋＰａとしたこと以外は、参考例Ａ７と同様にして、安定通電、通電停止を行った。詳細な条件を表１に示す。３０分後、陰極室側の圧力は１８ｋＰａ、陽極室側の圧力は１７ｋＰａ、陰極室側気液分離タンクの液温は８４℃であった。

【0238】

（参考例Ａ１０）
参考例Ａ１と同様の複極式電解槽を使用し、表１に示す条件をさらに採用し、後述の参考例Ｂ及び参考例Ｃにおける評価と同様の評価に供した。

【0239】

（参考例Ａ１１）
参考例Ａ１と同様の複極式電解槽を使用し、表１に示す条件をさらに採用し、後述の参考例Ｂ及び参考例Ｃにおける評価と同様の評価に供した。

【0240】

【表1-1】

【表1-2】

【0241】

以下、参考例Ｂについて記載する。

【0242】

（参考例Ｂ１）
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。

【0243】

−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。

【0244】

−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。

【0245】

−陰極−
導電性基材として、直径０．１５ｍｍのニッケルの細線を４０メッシュの目開き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。

【0246】

−隔膜−
酸化ジルコニウム（「ＥＰ酸化ジルコニウム」、第一稀元素化学工業社製）とＮ−メチル−２−ピロリドン（和光純薬工業社製）を、粒径０．５ｍｍのＳＵＳボールが入った容量のボールミルポットに投入した。これらを回転数７０ｒｐｍで３時間攪拌して、分散させて混合物を得た。得られた混合物を、ステンレス製のざる（網目３０メッシュ）により濾過し、混合物からボールを分離した。ボールを分離した混合物にポリスルホン（「ユーデル」（登録商標）（以下同様）、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）を加え、スリーワンモータを用いて１２時間攪拌して溶解させ、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

【0247】

この塗工液を、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、糸径１５０μｍ）の両表面に対して、コンマコータを用いて塗工厚みが各面１５０μｍとなるよう塗工した。塗工後直ちに、塗工液を塗工した基材を、３０℃の純水／イソプロパノール混合液（和光純薬工業社製、純水／イソプロパノール＝５０／５０（ｖ／ｖ））を溜めた凝固浴の蒸気下へ晒した。その後直ちに、塗工液を塗工した基材を、凝固浴中へ浸漬した。そして、ポリスルホンを凝固させることで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。

【0248】

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、５２ｃｍ角（縦５２ｃｍ×横５２ｃｍ）に調整し、隔膜サンプルＡとした。

【0249】

−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Ａ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。陰極としては前述のものを用い、導電性弾性体として、線径０．１５ｍｍのニッケル製ワイヤー４本を用いて織物として更に波高さ５ｍｍになるように波付け加工したものを使用した。

【0250】

−複極式電解槽、複極式エレメント−
複極式エレメントを９個使用し、図１０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９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^２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。
この参考例Ｂにおいては、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していた。

【0251】

−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。

【0252】

−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６、図８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６、図８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７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。
この参考例Ｂ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。

【0253】

参考例Ｂ１の複極式電解槽は下記のとおりの手順で作製した。

【0254】

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、陰極サンプル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。陽極サンプル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。

【0255】

複極式エレメントに取り付けた電極（陽極及び陰極）の面積は、０．２５ｍ^２に調整した。また、複極式エレメントの厚さは、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。

【0256】

複極式電解槽の電解液供給ヘッダー構造は、内部ヘッダー式を各々用いた。

【0257】

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。

【0258】

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。

【0259】

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枚の隔膜サンプルＡを１枚ずつ挟み込んだ。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、隔膜サンプル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、内部ヘッダー型の複極式電解槽とした。

【0260】

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、図１０に示すようなアルカリ水電解システムを作製した。

【0261】

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。

【0262】

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、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。

【0263】

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（登録商標）ライニング内面処理を施した、２０Ａの配管を用いた。

【0264】

気液分離タンクは、高さ１４００ｍｍ、容積１ｍ^３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。

【0265】

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、０．１ｋＡ／ｍ^２と１０ｋＡ／ｍ^２なるように電流を流した。参考例Ｂ１においては、電極の面積は５００ｍｍ×５００ｍｍであるため、整流器から複極式電解槽に、０．１ｋＡ／ｍ^２のときは２５Ａ、１０ｋＡ／ｍ^２のときは、２５００Ａを通電した。

【0266】

電解槽内の圧力は、圧力計で測定し、陰極室側圧力が５０ｋＰａ、陽極室側圧力が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。

【0267】

（電解槽の入口側の流量自動制御）
送液ポンプにインバーターを取付け、電流計８１で電流値を測定し、測定結果を元に、インバーターによって、流量が０．１ｋＡ／ｍ^２のとき０．７Ｌ／ｍｉｎに、１０ｋＡ／ｍ^２のとき７Ｌ／ｍｉｎになるように周波数を調整した。

【0268】

（参考例Ｂ２）
ヘッダー構造を外部ヘッダー型にした以外は、参考例Ｂ１と同様に複極式電解槽及びアルカリ水電解システムを製作した。

【0269】

−ヘッダー、導管−
外部ヘッダー１０Ｏ型の複極式エレメント６０を採用した。
図７、図９に示すように、この参考例Ｂ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７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７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７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。
この参考例Ｂ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。

【0270】

（参考例Ｂ３）
参考例Ｂ１と同様に複極式電解槽を製作した。電解槽入口側で流量自動制御を行わなかった点以外は、参考例Ｂ１と同様にアルカリ水電解システムを製作した。
送液ポンプにインバーターを取付け、流量を７Ｌ／ｍｉｎになるように周波数を調整した。

【0271】

（参考例Ｂ４）
参考例Ｂ１と同様に複極式電解槽を製作した。電解槽入口側で流量自動制御を行わなかった点以外は、参考例Ｂ１と同様にアルカリ水電解システムを製作した。
送液ポンプにインバーターを取付け、流量を０．７Ｌ／ｍｉｎになるように周波数を調整した。

【0272】

（参考例Ｂ５）
参考例Ｂ２と同様に複極式電解槽を製作した。電解槽入口側で流量自動制御を行わなかった点以外は、参考例Ｂ２と同様にアルカリ水電解システムを製作した。
送液ポンプにインバーターを取付け、流量を７Ｌ／ｍｉｎになるように周波数を調整した。

【0273】

（参考例Ｂ５）
参考例Ｂ２と同様に複極式電解槽を製作した。電解槽入口側で流量自動制御を行わなかった点以外は、参考例Ｂ２と同様にアルカリ水電解システムを製作した。
送液ポンプにインバーターを取付け、流量を０．７Ｌ／ｍｉｎになるように周波数を調整した。

【0274】

参考例Ｂ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。

【0275】

（ガス純度測定）
電流密度０．１ｋＡ／ｍ^２で通電を開始して１００時間後において、得られた酸素中の水素濃度（Ｈ_２／Ｏ_２）を測定し、酸素の純度（％）を算出した。また、電流密度１０ｋＡ／ｍ^２で通電を開始して１００時間後においても、得られた酸素中の水素濃度（Ｈ_２／Ｏ_２）を測定し、酸素の純度（％）を算出した。

【0276】

（電解槽出口側の温度測定）
温度計８３で、陽極側及び陰極側の電解槽出口側の温度を各々測定し、電解槽出口側温度（℃）の相加平均値を求めた。

【0277】

参考例Ｂについての評価結果を表２に示す。

【0278】

【表2】

【0279】

参考例Ｂ１は、いずれの電流密度においても電解槽出口側の温度は許容範囲の９０℃以下だった。また、ガス純度もいずれの電流密度においても許容範囲の１％以下だった。

【0280】

参考例Ｂ２は、いずれの電流密度においても電解槽出口側の温度は許容範囲の９０℃以下だった。また、ガス純度いずれの電流密度においても参考例Ｂ１よりも若干改善した。

【0281】

参考例Ｂ３は、いずれの電流密度においても電解槽出口側の温度は許容範囲の９０℃以下だった。０．１ｋＡ／ｍ^２で電解時に、ガス純度が許容範囲の１％を超えた。

【0282】

参考例Ｂ４は、１０ｋＡ／ｍ^２で電解時に電解槽出口側の温度が許容範囲の９０℃を越えた。ガス純度はいずれの電流密度においても許容範囲の１％以下だった。

【0283】

参考例Ｂ５は、いずれの電流密度においても電解槽出口側の温度は許容範囲９０℃以下だった。また、０．１ｋＡ／ｍ^２で電解時にガス純度が許容範囲の１％を越えた。

【0284】

参考例Ｂ６は、１０ｋＡ／ｍ^２で電解時に電解槽出口側の温度は許容範囲９０℃以下だった。また、ガス純度はいずれの電流密度においても許容範囲の１％以下だった。

【0285】

以下、参考例Ｃについて記載する。

【0286】

（参考例Ｃ１）
複極式エレメント及びそれを用いた電解槽並びに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。

【0287】

−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。

【0288】

−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。

【0289】

−陰極−
導電性基材として、直径０．１５ｍｍのニッケルの細線を４０メッシュの目開きで編んだ平織メッシュ基材を用いた。重量平均粒径１００μｍ以下のアルミナ粉を用いてブラストし、次に、６Ｎの塩酸中にて室温で５分間酸処理した後、水洗、乾燥した。
次に、硝酸パラジウム溶液（田中貴金属製、パラジウム濃度：１００ｇ／Ｌ）とジニトロジアンミン白金硝酸溶液（田中貴金属製、白金濃度：１００ｇ／Ｌ）とを、パラジウムと白金のモル比が１：１となるように混合し、第一塗布液を調製した。

【0290】

塗布ロールの最下部に上記第一塗布液を入れたバットを設置し、ＥＰＤＭ製の塗布ロールに塗布液をしみこませ、その上部にロールと塗布液とが常に接するようにロールを設置し、さらにその上にＰＶＣ製のローラーを設置して、該導電性基材に塗布液を塗布した（ロール法）。塗布液が乾燥する前に手早く、２つのＥＰＤＭ製スポンジロールの間にこの導電性基材を通過させて、導電性基材のメッシュの交点に溜まる塗布液を吸い取って除いた。その後、５０℃で１０分間乾燥させて塗布膜を形成した後、マッフル炉を用いて５００℃で１０分間の加熱焼成を行って該塗布膜を熱分解させた。このロール塗布、乾燥及び熱分解のサイクルを２回繰り返し、第一層を形成させた。

【0291】

次に、塩化イリジウム酸溶液（田中貴金属製、イリジウム濃度：１００ｇ／Ｌ）とジニトロジアンミン白金硝酸溶液（田中貴金属製、白金濃度：１００ｇ／Ｌ）を、イリジウムと白金とのモル比が０．７３：０．２７となるように混合し、第二塗布液を調製した。第一層と同様にロール法にて第二塗布液を上記第一層が形成された基材上へ、塗布、乾燥及び熱分解を行った。乾燥温度は、５０℃、熱分解温度は５００℃で２回繰り返し、第二層を形成させた。さらに、空気雰囲気中５００℃で１時間の後加熱を行い、陰極Ａを作製した。

【0292】

−隔膜−
酸化ジルコニウム（「ＥＰ酸化ジルコニウム」、第一稀元素化学工業社製）とＮ−メチル−２−ピロリドン（和光純薬工業社製）を、粒径０．５ｍｍのＳＵＳボールが入った容量ボールミルポットに投入した。これらを回転数７０ｒｐｍで３時間攪拌して、分散させて混合物を得た。得られた混合物を、ステンレス製のざる（網目３０メッシュ）により濾過し、混合物からボールを分離した。ボールを分離した混合物にポリスルホン（「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）を加え、スリーワンモータを用いて１２時間攪拌して溶解させ、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

【0293】

この塗工液を、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、糸径１５０μｍ）の両表面に対して、コンマコータを用いて塗工厚みが各面１５０μｍとなるよう塗工した。塗工後直ちに、塗工液を塗工した基材を、３０℃の純水／イソプロパノール混合液（和光純薬工業社製、純水／イソプロパノール＝５０／５０（ｖ／ｖ））を溜めた凝固浴の蒸気下へ晒した。その後直ちに、塗工液を塗工した基材を、凝固浴中へ浸漬した。そして、ポリスルホンを凝固させることで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。

【0294】

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、５２ｃｍ角（縦５２ｃｍ×横５２ｃｍ）に調整し、隔膜サンプルＡとした。

【0295】

−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Ａ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。陰極としては前述のものを用い、導電性弾性体として、線径０．１５ｍｍのニッケル製ワイヤー４本を用いて織物として更に波高さ５ｍｍになるように波付け加工したものを使用した。

【0296】

−複極式電解槽、複極式エレメント−
複極式エレメントを９個使用し、図５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９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^２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。
この参考例Ｃにおいては、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していた。

【0297】

−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。

【0298】

−ヘッダー、導管−
図９に示すように、この参考例Ｃ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９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９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９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。
この参考例Ｃ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。

【0299】

参考例Ｃ１の複極式電解槽は下記のとおりの手順で作製した。

【0300】

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、陰極サンプル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。陽極サンプル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。

【0301】

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。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。

【0302】

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。

【0303】

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。

【0304】

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枚の隔膜サンプルＡを１枚ずつ挟み込んだ。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、隔膜サンプル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、外部ヘッダー型の複極式電解槽とした。

【0305】

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、図１１に示すようなアルカリ水電解システムを作製した。

【0306】

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。

【0307】

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、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。

【0308】

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（登録商標）ライニング内面処理を施した、２０Ａの配管を用いた。

【0309】

気液分離タンクは、高さ１４００ｍｍ、容積１ｍ^３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。

【0310】

電解槽内の圧力は、圧力計で測定し、陰極室側圧力が５０ｋＰａ、陽極室側圧力が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。

【0311】

（参考例Ｃ２）
参考例Ｃ１と同様にアルカリ水電解システムを製作した。水素導入口８５から、陰極側に水素ガスの流量が１ｍ^３／ｍ^２／時間になるように制御弁８３を調整して、水素ガスを１２時間導入し続けた。

【0312】

（参考例Ｃ３）
陰極Ａを、切断加工により、縦１２００ｃｍ×横２４００ｃｍ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、縦１２００ｃｍ×横２４００ｃｍ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、縦１２０２ｃｍ×横２４０２ｃｍに調整し、隔膜サンプルＡとした。
それ以外は、参考例Ｃ１と同様にアルカリ水電解システムを製作した。

【0313】

（参考例Ｃ４）
参考例Ｃ４と同様にアルカリ水電解システムを製作した。水素導入口８５から、陰極側に水素ガスの流量が１ｍ^３／ｍ^２／Ｈｒになるように制御弁８３を調整して、水素ガスを１２時間導入し続けた。

【0314】

（参考例Ｃ５）
参考例Ｃ１と同様にアルカリ水電解システムを製作した。水素導入入口８５から、陰極側に水素を導入せずに、１２時間放置した。

【0315】

（参考例Ｃ６）
参考例Ｃ１と同様にアルカリ水電解システムを製作した。水素導入口８５から、陰極側に水素ガスの流量が０．００００００９ｍ^３／ｍ^２／Ｈｒになるように制御弁８３を調整して、水素ガスを１２時間導入し続けた。

【0316】

（参考例Ｃ７）
参考例Ｃ１と同様にアルカリ水電解システムを製作した。水素導入口８５から、陰極側に水素ガスの流量が１．１ｍ^３／ｍ^２／Ｈｒになるように制御弁８３を調整して、水素ガスを１２時間導入し続けた。

【0317】

（参考例Ｃ８）
参考例Ｃ４と同様にアルカリ水電解システムを製作した。水素導入口８５から、陰極側に水素を導入せずに、１２時間放置した。

【0318】

（参考例Ｃ９）
参考例Ｃ４と同様にアルカリ水電解システムを製作した。水素導入口８５から、陰極側に水素ガスの流量が０．００００００９ｍ^３／ｍ^２／Ｈｒになるように制御弁８３を調整して、水素ガスを１２時間導入し続けた。

【0319】

（参考例Ｃ１０）
参考例Ｃ４と同様にアルカリ水電解システムを製作した。水素導入口８５から、陰極側に水素ガスの流量が１．１ｍ^３／ｍ^２／Ｈｒになるように制御弁８３を調整して、水素ガスを１２時間導入し続けた。

【0320】

参考例Ｃ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。

【0321】

（電解試験１）
電流密度１０ｋＡ／ｍ^２で通電を開始して１２時間後において、電解セルのセル電圧を測定し、相加平均値を求めた。その後、電解を停止した。水素導入口８５から、陰極側に水素ガスの流量が０．０００００１ｍ^３／ｍ^２／時間になるように制御弁８３を調整して、水素ガスを１２時間導入し続けた。水素導入量は、ガス流量計８４で測定した。前記の通電及び停止の一連の操作をＳＤ操作と定義し、ＳＤ操作を合計２０００回繰り返した。
参考例Ｃについての電解試験１の結果を表３に示す。

【0322】

【表3】

【0323】

参考例Ｃ１、参考例Ｃ３は、ＳＤ操作回数が増加しても、セル電圧の上昇量は数１０ｍＶ程度で許容範囲だった。総水素導入量はほぼ０％であり、電解により発生した水素の利用率が比較的低かった。

【0324】

参考例Ｃ２、参考例Ｃ４は、ＳＤ操作に対する耐久性が、参考例Ｃ１、参考例Ｃ３よりも高かった。総水素導入量は、３９．８％であり、電解により発生した水素を過剰に利用する必要はなかった。

【0325】

参考例Ｃ５、参考例Ｃ６、参考例Ｃ８、参考例Ｃ９は、ＳＤ操作回数の増加に伴い、セル電圧が上昇し、ＳＤ操作回数２０００回時点で、２Ｖを越えた。

【0326】

参考例Ｃ７、参考例Ｃ１０は、ＳＤ操作回数が増加しても、セル電圧の上昇量は数１０ｍＶ程度で許容範囲だった。総水素導入量は、４０％以上であり、電解により発生した水素の利用率が比較的高くなった。

【産業上の利用可能性】

【0327】

本発明によれば、太陽光や風力等の変動電源の環境下での水電解において、電解停止時の圧力の漏れや、電解液温度低下によるガス圧力の低下や、陽極室側と陰極室側との差圧の増大を防ぐことが可能となる。

【符号の説明】

【0328】

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 複極式電解槽
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
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
８０ 圧力制御弁（バルブ）
８１ 圧力制御弁（バルブ）
８２ 圧力制御弁（バルブ）
８３ 圧力制御弁（バルブ）
８４ 圧力制御弁（バルブ）
８５ 圧力制御弁（バルブ）
８６ 圧力制御弁（バルブ）
８７ 圧力制御弁（バルブ）
９０ ミストセパレーター
９１ ガス冷却器
９２ シールポット
１００ｈ 水素ガスライン
１００ｏ 酸素ガスライン
Ｄ１ 隔壁に沿う所与の方向（電解液通過方向）
Ｈ_２Ｉ 酸素ガス中水素濃度計（酸素濃度計）
Ｏ_２Ｉ 水素ガス中酸素濃度計（水素濃度計）
ＰＩ 圧力計
ＰＩ１ 圧力計
ＰＩ２ 圧力計
ＴＩ 温度計
ＰＶ 圧力制御弁
ＰＶ１ 圧力制御弁
ＰＶ２ 圧力制御弁
Ｚ ゼロギャップ構造

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】