▶ 有限会社スプリングの特許一覧 ▶ 株式会社文工業の特許一覧 ▶ 株式会社テックコーポレーションの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024130708
(43)【公開日】2024-09-30
(54)【発明の名称】電解槽、電解システム
(51)【国際特許分類】
C25B 9/19 20210101AFI20240920BHJP
C25B 15/00 20060101ALI20240920BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20240920BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240920BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240920BHJP
C25B 11/03 20210101ALI20240920BHJP
C25B 11/036 20210101ALI20240920BHJP
【ＦＩ】
C25B9/19
C25B15/00 303
C25B15/08 302
C25B9/00 A
C25B1/04
C25B11/03
C25B11/036
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023040572
(22)【出願日】2023-03-15
(71)【出願人】
【識別番号】504000052
【氏名又は名称】有限会社スプリング
(71)【出願人】
【識別番号】521389996
【氏名又は名称】株式会社文工業
(71)【出願人】
【識別番号】592250414
【氏名又は名称】株式会社テックコーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】100087398
【弁理士】
【氏名又は名称】水野 勝文
(74)【代理人】
【識別番号】100128783
【弁理士】
【氏名又は名称】井出 真
(74)【代理人】
【識別番号】100128473
【弁理士】
【氏名又は名称】須澤 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100160886
【弁理士】
【氏名又は名称】久松 洋輔
(72)【発明者】
【氏名】澄田 修生
(72)【発明者】
【氏名】高山 伸雄
(72)【発明者】
【氏名】多胡 宗政
【テーマコード（参考）】
4K011
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K011AA12
4K011AA17
4K011DA01
4K021AA01
4K021BA02
4K021BC06
4K021CA09
4K021DB15
4K021DB31
4K021DB36
4K021DC01
4K021DC03
(57)【要約】
【課題】本発明の目的は、電解槽、電解システムにおける水素ガスの生成効率の向上である。
【解決手段】アノード電極（１．１）と、カソード電極（２．１）と、前記アノード電極（１．１）および前記カソード電極（２．１）の間に設けられる複数の複極式電極（３）と、前記アノード電極（１．１）、前記カソード電極（２．１）、前記複極式電極（３）が設けられる電解槽フレーム（４）と、を備え、
前記複極式電極（３）には、前記電解槽フレーム（４）の空間への露出領域に対し、２％から３５％の開口率となる第１通水孔（３．１）が形成されている電解槽（１０Ｂ）。
【選択図】図１２
【解決手段】アノード電極（１．１）と、カソード電極（２．１）と、前記アノード電極（１．１）および前記カソード電極（２．１）の間に設けられる複数の複極式電極（３）と、前記アノード電極（１．１）、前記カソード電極（２．１）、前記複極式電極（３）が設けられる電解槽フレーム（４）と、を備え、
前記複極式電極（３）には、前記電解槽フレーム（４）の空間への露出領域に対し、２％から３５％の開口率となる第１通水孔（３．１）が形成されている電解槽（１０Ｂ）。
【選択図】図１２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極および前記カソード電極の間に設けられる複数の複極式電極と、前記アノード電極、前記カソード電極、前記複極式電極が設けられる電解槽フレームと、を備え、
前記複極式電極には、前記電解槽フレーム内の空間への露出領域に対し、２％から３５％の開口率となる第１通水孔が形成されている電解槽。
前記複極式電極には、前記電解槽フレーム内の空間への露出領域に対し、２％から３５％の開口率となる第１通水孔が形成されている電解槽。
【請求項2】
請求項１に記載の電解槽において、
隣り合う前記複極式電極の前記第１通水孔は、平面視でズレている電解槽。
隣り合う前記複極式電極の前記第１通水孔は、平面視でズレている電解槽。
【請求項3】
請求項１に記載の電解槽において、
前記第１通水孔には、パイプが嵌められている電解槽。
前記第１通水孔には、パイプが嵌められている電解槽。
【請求項4】
請求項３に記載の電解槽において、
前記第１通水孔は、複数あり、前記各第１通水孔に絶縁性の前記パイプが嵌められている電解槽。
前記第１通水孔は、複数あり、前記各第１通水孔に絶縁性の前記パイプが嵌められている電解槽。
【請求項5】
請求項１に記載の電解槽において、
前記複極式電極において、少なくとも前記第１通水孔の周囲に絶縁層が積層されている電解槽。
前記複極式電極において、少なくとも前記第１通水孔の周囲に絶縁層が積層されている電解槽。
【請求項6】
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の電解槽と、
前記アノード電極および前記カソード電極に電圧を印加する電源と、
前記電解槽から送られる水素ガスおよび酸素ガスを含む電解水を貯留するタンクと、
前記タンク内の水素ガスおよび酸素ガスによる圧力が設定値に至っているか否かを検出するセンサと、
前記タンク内の圧力が設定値に至ったことを前記センサが検出すると、前記電源の出力を停止させるコントローラと、を備える電解システム。
前記アノード電極および前記カソード電極に電圧を印加する電源と、
前記電解槽から送られる水素ガスおよび酸素ガスを含む電解水を貯留するタンクと、
前記タンク内の水素ガスおよび酸素ガスによる圧力が設定値に至っているか否かを検出するセンサと、
前記タンク内の圧力が設定値に至ったことを前記センサが検出すると、前記電源の出力を停止させるコントローラと、を備える電解システム。
【請求項7】
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の電解槽と、
前記電解槽にて生成される水素ガスおよび酸素ガスを、液体窒素を用いて冷却し、酸素ガスを液化させて水素ガスから分離させる分離装置と、を備える電解システム。
前記電解槽にて生成される水素ガスおよび酸素ガスを、液体窒素を用いて冷却し、酸素ガスを液化させて水素ガスから分離させる分離装置と、を備える電解システム。
【請求項8】
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の電解槽と、
冷媒として水素ガスを用いる冷凍サイクルにより、前記電解槽にて生成された水素ガスを冷却し、液化させる水素ガス液化装置と、を備える電解システム。
冷媒として水素ガスを用いる冷凍サイクルにより、前記電解槽にて生成された水素ガスを冷却し、液化させる水素ガス液化装置と、を備える電解システム。
【請求項9】
請求項８に記載の電解システムにおいて、
前記電解槽にて生成される水素ガスおよび酸素ガスを、液体窒素を用いて冷却し、酸素ガスを液化させて水素ガスから分離させる分離装置を備え、
前記水素ガス液化装置は、前記分離装置により分離された水素ガスを冷却し、液化させる電解システム。
前記電解槽にて生成される水素ガスおよび酸素ガスを、液体窒素を用いて冷却し、酸素ガスを液化させて水素ガスから分離させる分離装置を備え、
前記水素ガス液化装置は、前記分離装置により分離された水素ガスを冷却し、液化させる電解システム。
【請求項10】
請求項１に記載の電解槽において、
隣り合う前記アノード電極および前記複極式電極間、隣り合う前記カソード電極および前記複極式電極間、および隣り合う前記複極式電極間に設けられ、第２通水孔を有するイオン交換体を備える電解槽。
隣り合う前記アノード電極および前記複極式電極間、隣り合う前記カソード電極および前記複極式電極間、および隣り合う前記複極式電極間に設けられ、第２通水孔を有するイオン交換体を備える電解槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水素ガスを生成する電解槽、電解システムに関する。
【背景技術】
【0002】
電気分解は、古くから産業界で利用され、例えば、食塩水や水道水を用いたＮａＯＨおよびＣｌ２、次亜塩素酸、アルカリイオン水、オゾン水等の製造分野で利用されている。電気分解に関し、設備コストの低減、電解効率の向上、装置の耐久性向上等を図る様々な提案がなされている（例えば特許文献１、非特許文献１～６）。なお、本明細書において、「電気分解」を単に「電解」と記載する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００１－０９６２７５号公報
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】三宅淳巳、水素エネルギーシステムVol.22, No2,9(1992),
【非特許文献2】水素エネルギーシステムVol．30、No.1（2005）第114回定例研究会資料
【非特許文献3】柴田善朗、日本エネルギー経済研究所2016年、インターネット＜https://ieei.or.jp/2021/04/takeuchi210414＞
【非特許文献4】福井賢一、J. ION EXCHANGE、Vol.21 No.4 (2010) 397
【非特許文献5】田中克己、爆発現象：安全工学Vol.36,No.6 (1997),387
【非特許文献6】Yakugaku lab,インターネット＜https://yakugakulab.info/＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、二酸化炭素ガスによる世界的な温暖化現象が問題視され、温暖化現象の要因として、石油、石炭等の化石燃料を利用する火力発電所が挙げられている。このため、火力発電所の新規建設が抑制されている。化石燃料の代替案としては、再生可能エネルギーが着目されており、再生可能エネルギーの中でも、太陽光や風力エネルギー等の自然エネルギーが重要視されている。しかし、自然エネルギーの強度は常時変化するので、自然エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電方式では、安定した発電は難しい。温暖化現象の要因としては、化石燃料を利用する自動車、船舶、飛行機等の移動手段も挙げられ、これらの移動手段に対し、二酸化炭素ガスの排出抑制に繋がる大きな変化が期待されている。自然エネルギーを移動手段の駆動に直接利用することが考えられるが、自然エネルギーの強度は常時変化するので、原理的に困難である。このように、自然エネルギーを直接エネルギー源として利用することで二酸化炭素ガスの排出抑制を図ることは難しい。
【0006】
水素ガスは、自然エネルギーを変換した電気を利用して水から生成できる二次エネルギーである。水は、地球上に無尽蔵に存在する。水素ガスを酸素と反応させて燃焼させると、エネルギーと水を生成し、二酸化炭素ガスは排出しない。そのため、水素ガスの利用は、二酸化炭素ガスの排出抑制に貢献する。化石燃料の将来的な枯渇や地球環境問題の深刻化を背景に、水素ガスは、二次エネルギーにおいて、「水から生まれて水に還るＣＯ２フリーの究極の再生可能エネルギー」として最も注目されている。移動手段として、貯留する水素ガスを利用して電気エネルギーを発生させ、該電気エネルギーを走行するための動力源へ安定的に供給するものが開発されている。従って、二酸化炭素ガスの排出抑制の観点からは、自然エネルギーを利用して水素ガスを製造し、このような移動手段に供給することが望ましい。
【0007】
本発明は、電解槽、電解システムにおける水素ガスの生成効率の向上を目的とする。その背景としては、本発明により、自然エネルギーを利用した水素ガスの生成効率を向上させ、これにより二酸化炭素ガスの排出抑制に貢献することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の要旨は以下のとおりである。以下では、図面の符号を参照のために付してある。
（１）アノード電極（１．１）と、カソード電極（２．１）と、前記アノード電極（１．１）および前記カソード電極（２．１）の間に設けられる複数の複極式電極（３）と、前記アノード電極（１．１）、前記カソード電極（２．１）、前記複極式電極（３）が設けられる電解槽フレーム（４，４．１）と、を備え、
前記複極式電極（３）には、前記電解槽フレーム（４，４．１）内の空間への露出領域（Ｒ）に対し、２％から３５％の開口率となる第１通水孔（３．１，３．６）が形成されている電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）。
（２）（１）に記載の電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）において、
隣り合う前記複極式電極（３）の前記第１通水孔（３．１，３．６）は、平面視でズレている電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）。
（３）（１）に記載の電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）において、
前記第１通水孔（３．１，３．６）には、パイプ（３．３）が嵌められている電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）。
（４）（３）に記載の電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）において、
前記第１通水孔（３．１，３．６）は、複数あり、前記各第１通水孔（３．１，３．６）に絶縁性の前記パイプ（３．３）が嵌められている電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）。
（５）（１）に記載の電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）において、
前記複極式電極（３）において、少なくとも前記第１通水孔（３．１，３．６）の周囲に絶縁層（３．９）が積層されている電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）。
（６）（１）から（５）のいずれか１つに記載の電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）と、
前記アノード電極（１．１）および前記カソード電極（２．１）に電圧を印加する電源（５０）と、
前記電解槽（１０Ｇ）から送られる水素ガスおよび酸素ガスを含む電解水を貯留するタンク（１５）と、
前記タンク（１５）内の水素ガスおよび酸素ガスによる圧力が設定値に至っているか否かを検出するセンサと、
前記タンク（１５）内の圧力が設定値に至ったことを前記センサが検出すると、前記電源（１０）の出力を停止させるコントローラ（１８．２）と、を備える電解システム（１００Ｇ，１００Ｈ）。
（７）（１）から（５）のいずれか１つに記載の電解槽（１０Ｇ）と、
前記電解槽（１０Ｇ）にて生成される水素ガスおよび酸素ガスを、液体窒素を用いて冷却し、酸素ガスを液化させて水素ガスから分離させる分離装置（５１）と、を備える電解システム（１００Ｈ）。
（８）（１）から（５）のいずれか１つに記載の電解槽（１０Ｇ）と、
冷媒として水素ガスを用いる冷凍サイクルにより、前記電解槽（１０Ｇ）にて生成された水素ガスを冷却し、液化させる水素ガス液化装置（５２）と、を備える電解システム（１００Ｈ）。
（９）（８）に記載の電解システム（１００Ｈ）において、
前記電解槽にて生成される水素ガスおよび酸素ガスを、液体窒素を用いて冷却し、酸素ガスを液化させて水素ガスから分離させる分離装置（５１）を備え、
前記水素ガス液化装置（５２）は、前記分離装置（５１）により分離された水素ガスを冷却し、液化させる電解システム（１００Ｈ）。
（１０）（１）に記載の電解槽（１０Ｂ，１０Ｆ）において、
隣り合う前記アノード電極（１．１）および前記複極式電極（３）間、隣り合う前記カソード電極（２．１）および前記複極式電極（３）間、および隣り合う前記複極式電極（３）間に設けられ、第２通水孔（８．１）を有するイオン交換体（８）を備える電解槽（１０Ｂ，１０Ｆ）。
（１）アノード電極（１．１）と、カソード電極（２．１）と、前記アノード電極（１．１）および前記カソード電極（２．１）の間に設けられる複数の複極式電極（３）と、前記アノード電極（１．１）、前記カソード電極（２．１）、前記複極式電極（３）が設けられる電解槽フレーム（４，４．１）と、を備え、
前記複極式電極（３）には、前記電解槽フレーム（４，４．１）内の空間への露出領域（Ｒ）に対し、２％から３５％の開口率となる第１通水孔（３．１，３．６）が形成されている電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）。
（２）（１）に記載の電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）において、
隣り合う前記複極式電極（３）の前記第１通水孔（３．１，３．６）は、平面視でズレている電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）。
（３）（１）に記載の電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）において、
前記第１通水孔（３．１，３．６）には、パイプ（３．３）が嵌められている電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）。
（４）（３）に記載の電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）において、
前記第１通水孔（３．１，３．６）は、複数あり、前記各第１通水孔（３．１，３．６）に絶縁性の前記パイプ（３．３）が嵌められている電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）。
（５）（１）に記載の電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）において、
前記複極式電極（３）において、少なくとも前記第１通水孔（３．１，３．６）の周囲に絶縁層（３．９）が積層されている電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）。
（６）（１）から（５）のいずれか１つに記載の電解槽（１０Ａ～１０Ｇ）と、
前記アノード電極（１．１）および前記カソード電極（２．１）に電圧を印加する電源（５０）と、
前記電解槽（１０Ｇ）から送られる水素ガスおよび酸素ガスを含む電解水を貯留するタンク（１５）と、
前記タンク（１５）内の水素ガスおよび酸素ガスによる圧力が設定値に至っているか否かを検出するセンサと、
前記タンク（１５）内の圧力が設定値に至ったことを前記センサが検出すると、前記電源（１０）の出力を停止させるコントローラ（１８．２）と、を備える電解システム（１００Ｇ，１００Ｈ）。
（７）（１）から（５）のいずれか１つに記載の電解槽（１０Ｇ）と、
前記電解槽（１０Ｇ）にて生成される水素ガスおよび酸素ガスを、液体窒素を用いて冷却し、酸素ガスを液化させて水素ガスから分離させる分離装置（５１）と、を備える電解システム（１００Ｈ）。
（８）（１）から（５）のいずれか１つに記載の電解槽（１０Ｇ）と、
冷媒として水素ガスを用いる冷凍サイクルにより、前記電解槽（１０Ｇ）にて生成された水素ガスを冷却し、液化させる水素ガス液化装置（５２）と、を備える電解システム（１００Ｈ）。
（９）（８）に記載の電解システム（１００Ｈ）において、
前記電解槽にて生成される水素ガスおよび酸素ガスを、液体窒素を用いて冷却し、酸素ガスを液化させて水素ガスから分離させる分離装置（５１）を備え、
前記水素ガス液化装置（５２）は、前記分離装置（５１）により分離された水素ガスを冷却し、液化させる電解システム（１００Ｈ）。
（１０）（１）に記載の電解槽（１０Ｂ，１０Ｆ）において、
隣り合う前記アノード電極（１．１）および前記複極式電極（３）間、隣り合う前記カソード電極（２．１）および前記複極式電極（３）間、および隣り合う前記複極式電極（３）間に設けられ、第２通水孔（８．１）を有するイオン交換体（８）を備える電解槽（１０Ｂ，１０Ｆ）。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】隔膜電解方法による電解を行う電解槽を示す図である。
【図2】複極式電解方法による電解を行う複極式電解槽を示す図である。
【図3】隔膜式２極式電解槽における電流密度－電圧曲線を示す図である。
【図4】電流密度、槽電圧、エネルギー変換効率の関係を示す図である。
【図5】電極の界面における電気二重層の模式的構造を示す図である。
【図6】複極式電極の平面図を示す図である
【図8】電解槽を示す図である。
【図9】通水孔の部分の酸素ガスに対する還元反応を示す図である。
【図10】通水孔に嵌めるパイプを示す図である。
【図11】通水孔の周囲の絶縁層を示す図である。
【図12】電解槽を示す図である。
【図13】電解槽を備える電解システムを示す図である。
【図14】比較例の電解槽を備える電解システムを示す図である。
【図15】発振現象が観測される電解電圧のスペクトルを示す図である。
【図16】電解槽を備える電解システムを示す図である。
【図17】電解槽を備える電解システムを示す図である。
【図18】爆轟における圧力と体積の関係を示す図である。
【図19】電解槽を備える電解システムを示す図である 。
【図20】円形の複極式電極を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、実施形態の電解装置及び該装置を用いた水素ガスの生成方法について説明するところ、まず、その狙いについて説明する。
【0011】
水素ガスは、可燃性ガスであり、爆発を避けて安全に用いる必要がある。非特許文献１には、水素ガスと、酸素ガスまたは空気と、の混合気体の爆発性について記載されている。非特許文献１によると、電解による水素ガスの爆発を避けるためには、酸素ガス濃度を６％以下にすることが重要である。電解槽として、カソード室とアノード室とを分離することで、水素ガスと酸素ガスを安全に分離して採取できるようにしたものがある。このような電解槽として、隔膜電解方法による電解を行うものと、複極式電解方法による電解を行うものがある。
【0012】
（ａ）隔膜電解方法による電解を行う電解槽
隔膜電解方法による電解を行う図１の電解槽では、互いに密着するアノード電極１、隔膜９、およびカソード電極２が、図１の左右方向に間隔を空けて複数配置され、電解槽内を仕切る。アノード電極１、隔膜９、およびカソード電極２は、電解槽を構成する図１の左右端の電解槽フレーム４と、それらの間の電解槽フレーム４．１と、の間にパッキン５を介して設けられ、電解槽フレーム４に収容される。隔膜９は、イオン交換膜である。アノード電極１およびカソード電極２には通水孔が形成される。電解槽の図１の下部においてアノード電極１、隔膜９、およびカソード電極２の各組の両側の位置には、アノード電極１への水溶液の入口６．１およびカソード電極２への水溶液の入口６．２が交互に設けられる。電解槽の図１の上部においてアノード電極１、隔膜９、およびカソード電極２の各組の両側の位置には、アノ－ド電極１による電解水の出口７．１およびカソード電極１による電解水の７．２が交互に設けられる。１つの電解セルは、基本的に、破線で囲んで示すように、間隔を空けて対向するアノード電極１およびカソード電極２、それらの各背面にある隔膜９、それらの間にある「入口６．１および出口７．１」または「入口６．２および出口７．２」を備える。電解セルを増加させることにより、電解槽の電解容量を増大できる。
隔膜電解方法による電解を行う図１の電解槽では、互いに密着するアノード電極１、隔膜９、およびカソード電極２が、図１の左右方向に間隔を空けて複数配置され、電解槽内を仕切る。アノード電極１、隔膜９、およびカソード電極２は、電解槽を構成する図１の左右端の電解槽フレーム４と、それらの間の電解槽フレーム４．１と、の間にパッキン５を介して設けられ、電解槽フレーム４に収容される。隔膜９は、イオン交換膜である。アノード電極１およびカソード電極２には通水孔が形成される。電解槽の図１の下部においてアノード電極１、隔膜９、およびカソード電極２の各組の両側の位置には、アノード電極１への水溶液の入口６．１およびカソード電極２への水溶液の入口６．２が交互に設けられる。電解槽の図１の上部においてアノード電極１、隔膜９、およびカソード電極２の各組の両側の位置には、アノ－ド電極１による電解水の出口７．１およびカソード電極１による電解水の７．２が交互に設けられる。１つの電解セルは、基本的に、破線で囲んで示すように、間隔を空けて対向するアノード電極１およびカソード電極２、それらの各背面にある隔膜９、それらの間にある「入口６．１および出口７．１」または「入口６．２および出口７．２」を備える。電解セルを増加させることにより、電解槽の電解容量を増大できる。
【0013】
このような電解槽は、隔膜９を利用することにより電解電圧を低減できる。電解槽の部品の熱劣化を防止するために、隔膜９としてフッ素系カチオン交換膜が使用される場合が多い。非特許文献２では、電解電流の効率が９０％以上である。高温で電解を行うことで電解電圧を低減できることが報告されている。このような電解槽は、水素ガスと酸素ガスを分離して生成でき、安全性の面で優れているが、後述するように、電解効率を向上させること（低コストで大量の水素ガスを生成すること）が困難である。
【0014】
（ｂ）複極式電解方法による電解を行う電解槽
図２の電解槽は、全通電量を大幅に増やすことに適している。電解槽内の図２の左側にはアノード電極１が設けられ、図２の右側にはカソード電極２が設けられる。アノード電極１およびカソード電極２には通水孔が形成される。電極１，２の間には、間隔を空けて複数の複極式電極３０が設けられる。アノード電極１およびカソード電極２は電源に接続され、複極式電極３０は電源に接続されない。この点は、後述する複極式電極３を有する各電解槽１０Ａ～１０Ｇで同じである。電極１，２，３０の間に隔膜８が設けられる。電極１，２，３０および隔膜８は、電解槽内を仕切り、パッキン５を介して電解室フレーム４，４．１間に設けられ、電解槽フレーム４に収容される。なお、電解室フレーム４は、図２の左右端に配置される。電解室フレーム４．１は、複数あり、電解室フレーム４間に配置される。
図２の電解槽は、全通電量を大幅に増やすことに適している。電解槽内の図２の左側にはアノード電極１が設けられ、図２の右側にはカソード電極２が設けられる。アノード電極１およびカソード電極２には通水孔が形成される。電極１，２の間には、間隔を空けて複数の複極式電極３０が設けられる。アノード電極１およびカソード電極２は電源に接続され、複極式電極３０は電源に接続されない。この点は、後述する複極式電極３を有する各電解槽１０Ａ～１０Ｇで同じである。電極１，２，３０の間に隔膜８が設けられる。電極１，２，３０および隔膜８は、電解槽内を仕切り、パッキン５を介して電解室フレーム４，４．１間に設けられ、電解槽フレーム４に収容される。なお、電解室フレーム４は、図２の左右端に配置される。電解室フレーム４．１は、複数あり、電解室フレーム４間に配置される。
【0015】
複極式電極３に、液体を通過させる穴は形成されていない。電解槽の図２の下部において電極１，２，３０の両側の位置には、アノ－ド電極１またはアノード電極面への水溶液の入口６．１、およびカソ－ド電極２またはカソード電極面への水溶液の入口６．２が交互に設けられる。電解槽の図２の上部において電極１，２，３０の両側の位置には、アノ－ド電極１またはアノード電極面による電解水の出口７．１、およびカソ－ド電極２またはカソード電極面による電解水の出口７．２が交互に設けられる。電極１，２には、近接して隔膜８が設けられており、該隔膜８と電極１，２の間には、入口６．１，６．２および出口７．１，７．２は設けられない。１つの電解セルは、基本的に、破線で囲んで示すように、対向する複極式電極１，２，３０、それらの間にある隔膜８、それらの間にある「入口６．１，６．２および出口７．１，７．２」を備える。
【0016】
電解電圧がアノード電極１とカソード電極２の間に印加されると、電極１，２，３０間にて電解が行われる。複極式電極３０において、アノード電極１側の面は、水溶液を換言するカソード電極面として機能し、カソード電極２側の面は、水溶液を酸化するアノード電極面として機能する。隔膜８により、カソード電極面で生成される水素ガスとアノード電極面で生成される酸素ガスとの混合を防止できる。隔膜８が無い場合、酸素ガスが水素ガスに混合する。そのため、例えば、水素ガス分離装置によって、水素ガスに対する酸素ガスの濃度が６％以下となるまで水素ガスから酸素ガスを分離する。
【0017】
電解による水素ガスの生成の課題として、非特許文献３にも報告されているように、生産コストが挙げられる。現在の技術レベルでは、１Ｎｍ３当たりの水素ガスの生成費用は１００円を超えると言われている。しかし、水素ガスの生成をビジネスにするためには、３０円／Ｎｍ３以下にすることが必要であると言われている。生産コストを低減するためには大量の水素ガスを生成する必要があり、大量の水素ガスを生成するためには、大電流を通電する必要がある。大電流の通電には全電極面積を大きくする必要があり、これには、電極枚数を増やすことが可能な複極式電解槽が適している。
【0018】
電解による水素ガスの生成の更なる課題として、電解効率の向上が挙げられる。電解効率には、電流効率とエネルギー効率とがある。電流効率は、電解電流に対し、水素ガスの生成に使用された電気量の割合である。現在のところ、９０％以上の電流効率が実現している(非特許文献２)。従って、電解効率において注目すべきは電流効率ではなく、エネルギー効率である。エネルギー効率の向上のために、電解電流値を維持しながら電解電圧を如何に低減させるかが重要となる。
【0019】
非特許文献２の図３には、隔膜式２極式電解槽における電流密度－電圧曲線が示される。図３において、カソード電極（Ｐｔ極）の曲線は、ゼロ点から一旦立ち上がり、その後オーム損に従って直線的に上昇している。従って、電解効率を上げるためには、曲線の立ち上がり部分を利用して、還元すると、電流密度を低くして、オーム損を省くことが重要である。
【0020】
非特許文献２の図４には、電流密度、槽電圧、エネルギー変換効率の関係が示される。図４の右端のエネルギー変換効率の目盛は、下に行くほど高くなる。図４から、電流密度を下げると、電解電圧が低下し、エネルギー変換効率が向上することがわかる。従って、図４からも、電解効率の向上に電流密度の低減が重要であることが分かる。
【0021】
理論分解電圧と実際の電解電圧の差を過電圧という。過電圧を低減できれば、無駄な電解電圧を低減できたことになり、電解電圧の効率の向上に繋がる。そこで、Ｈ２Ｏ分子が電極表面でどのように反応するのかを検討する。非特許文献５の図５には、電極の界面における電気二重層の模式的構造が示される。電気二重層は、水溶液中のイオンおよび分子が、ヘルムホルツ層である電極に選択的に吸着している層と、その沖合にあり、液体内のイオンおよび水分子が電極帯電を打ち消す為にイオンが集まった拡散層と、に大別される。カソード電極の界面では陽イオンの濃度が高く、アノ－ド電極の界面では陰イオンの濃度が高い。電解電圧を低減するためには、電気二重層の電圧を低減することが重要であるところ、本出願人は、拡散層における陽、陰イオンを攪拌し、拡散層をより薄くすることが、電解電圧の低減に有効と考えた。実施形態の各電解槽１０Ａ～１０Ｇでは、以上の点が考慮されている。
【0022】
図６は、複極式電極３の平面図を示す図である。複極式電極３の形状は、アノード電極１．１およびカソード電極２．１の形状に適用できる。
複極式電極３には、縁部に沿って連結孔３．２が形成されているとともに、後述する電解槽１０Ａ～１０Ｇ（電解槽フレーム４，４．１）内への露出領域Ｒの内側に通水孔３．１（第１通水孔）が形成されている。複極式電極３は、例えば、電解槽フレーム４，４．１の縁を貫通する締結具が連結孔３．２に差し込まれ、電解槽フレーム４，４．１が締結されることで、電解槽フレーム４，４．１に組み付けられ、電解槽フレーム４，４．１に収容される。通水孔３．１は、１つでも複数であってもよい。複極式電極３の電解槽１０Ａ～１０Ｇ（電解槽フレーム４，４．１）内への露出領域Ｒに対する通水孔３．１の開口面積（複数の場合は合計の開口面積）である開口率は、２％～３５％の範囲が望ましい。
なお、図３の複極式電極３では、通水孔３．１を、強調表示するために露出領域Ｒに対して実際よりも大きく描いているが、実際の開口率は、２％～３５％の範囲となる。実施形態の電解槽１０Ａ～１０Ｇでは、通水孔３．１を通る水溶液（電解原料水）、アノ－ド電解水、カソード電解水により、複極式電極３の両面から、該両面に付着する生成ガスを剥離できる。また、実施形態では、通水孔３．１をアノ－ド電解水およびカソード電解水が通り、その混合を促進させるので、電気二重層における拡散層を薄くできる。このため、実施形態は、電解電圧を低減できる。
複極式電極３には、縁部に沿って連結孔３．２が形成されているとともに、後述する電解槽１０Ａ～１０Ｇ（電解槽フレーム４，４．１）内への露出領域Ｒの内側に通水孔３．１（第１通水孔）が形成されている。複極式電極３は、例えば、電解槽フレーム４，４．１の縁を貫通する締結具が連結孔３．２に差し込まれ、電解槽フレーム４，４．１が締結されることで、電解槽フレーム４，４．１に組み付けられ、電解槽フレーム４，４．１に収容される。通水孔３．１は、１つでも複数であってもよい。複極式電極３の電解槽１０Ａ～１０Ｇ（電解槽フレーム４，４．１）内への露出領域Ｒに対する通水孔３．１の開口面積（複数の場合は合計の開口面積）である開口率は、２％～３５％の範囲が望ましい。
なお、図３の複極式電極３では、通水孔３．１を、強調表示するために露出領域Ｒに対して実際よりも大きく描いているが、実際の開口率は、２％～３５％の範囲となる。実施形態の電解槽１０Ａ～１０Ｇでは、通水孔３．１を通る水溶液（電解原料水）、アノ－ド電解水、カソード電解水により、複極式電極３の両面から、該両面に付着する生成ガスを剥離できる。また、実施形態では、通水孔３．１をアノ－ド電解水およびカソード電解水が通り、その混合を促進させるので、電気二重層における拡散層を薄くできる。このため、実施形態は、電解電圧を低減できる。
【0023】
図７（Ａ）は複極式電極３を示し、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の隣の複極式電極３を示す。
隣り合う複極式電極３は、同一の形状で、かつ位置が異なる通水孔３．１を備えていてもよい。隣り合う複極式電極３の通水孔３．１は、複極式電極３に対して垂直な方向から見た平面視において、一部が重なっていてもよい。通水孔３．１は、図６のように同一形状のものが複数あり、かつ縦横に並び、かつ、隣り合う複極式電極３においてその全てが平面視でズレた位置にあってもよく、さらに、隣り合う複極式電極３において平面視で互いに一部が重なっていてもよい。電解槽１０Ａ～１０Ｇでは、平面視でズレた位置に通水孔３．１がある２つの複極式電極３を、アノード電極１．１およびカソード電極２．１の対向方向において交互に備えることが好ましい。
隣り合う複極式電極３は、同一の形状で、かつ位置が異なる通水孔３．１を備えていてもよい。隣り合う複極式電極３の通水孔３．１は、複極式電極３に対して垂直な方向から見た平面視において、一部が重なっていてもよい。通水孔３．１は、図６のように同一形状のものが複数あり、かつ縦横に並び、かつ、隣り合う複極式電極３においてその全てが平面視でズレた位置にあってもよく、さらに、隣り合う複極式電極３において平面視で互いに一部が重なっていてもよい。電解槽１０Ａ～１０Ｇでは、平面視でズレた位置に通水孔３．１がある２つの複極式電極３を、アノード電極１．１およびカソード電極２．１の対向方向において交互に備えることが好ましい。
【0024】
このように隣り合う複極式電極３の通水孔３．１がズレた位置にある実施形態では、アノ－ド電解水およびカソード電解水をより撹拌でき、その混合を促進できる。そのため、実施形態では、拡散層を効率的に薄くできる。複極式電極３の通水孔３．１は、隣にある複極式電極３の通水孔３．１に対してズレているのと同様に、隣にあるアノード電極１．１およびカソード電極２．１の通水孔に対してもズレていることが好ましい。
【0025】
以下、複極式電極３を備える電解槽の例を説明する。
図８は、電解槽１０Ａを示す図である。
電解槽１０Ａでは、図８の上側に位置するアノード電極１．１、下側に位置するカソード電極２．１、これらの間に位置する複数の複極式電極３が、図８の上下の二つ電解槽フレーム４の間に組み込まれ、電解槽フレーム４に収容されている。電解槽１０Ａおよび以降の電解槽１０Ｂ～１０Ｇにおいて、特に断りのない場合を除いて、電極１．１，２．１，３は、図６の複極式電極３と同様、複数の通水孔３．１が形成されたものが使用される。電極１．１，２．１は、アノード電極１．１が電解時に水溶液に溶け出さない材料が用いられ、例えば白金製である。各電極１．１，２．１，３の間にはパッキン５が設置される。複極式電極３とパッキン５のセットの数は、生成目標の水素ガスの量に合わせて決定する。電解槽１０Ａの図８の下部には、内部に水溶液を導入する入口６がある。電解槽１０Ａの図８の上部には、外部に電解水を排出する出口７がある。
図８は、電解槽１０Ａを示す図である。
電解槽１０Ａでは、図８の上側に位置するアノード電極１．１、下側に位置するカソード電極２．１、これらの間に位置する複数の複極式電極３が、図８の上下の二つ電解槽フレーム４の間に組み込まれ、電解槽フレーム４に収容されている。電解槽１０Ａおよび以降の電解槽１０Ｂ～１０Ｇにおいて、特に断りのない場合を除いて、電極１．１，２．１，３は、図６の複極式電極３と同様、複数の通水孔３．１が形成されたものが使用される。電極１．１，２．１は、アノード電極１．１が電解時に水溶液に溶け出さない材料が用いられ、例えば白金製である。各電極１．１，２．１，３の間にはパッキン５が設置される。複極式電極３とパッキン５のセットの数は、生成目標の水素ガスの量に合わせて決定する。電解槽１０Ａの図８の下部には、内部に水溶液を導入する入口６がある。電解槽１０Ａの図８の上部には、外部に電解水を排出する出口７がある。
【0026】
この種の複極式の電解槽１０Ａでは、電極１．１，２．１，３として、コスト低減のために、ステンレス鋼を利用する場合がある。この場合、電解水の電気伝導度を上げ、ｐＨをアルカリ性にする支持電解質として、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、またはＫＣＯ３塩等を含むアルカリ性水溶液を、入口６から電解槽１０Ａ内に供給してもよい。Ｎａ＋,Ｋ＋およびＬｉ＋等のアルカリイオンの支持電解質の電気伝導度を比較すると（非特許文献６）、Ｋ＋イオンが最も電気伝導度が高いので、Ｋ＋を使用することが好ましい。このようなアルカリ性水溶液を利用して電解した場合、アノード電極１．１および複極式電極３のアノード電極面では、電子移動反応として以下の式（１）の酸化反応が生じ、酸素ガスが生成される。一方、カソード電極２．１および複極式電極３のカソード電極面では、電子移動反応として以下の式（２）の還元反応が生じ、水素ガスが生成される。これにより、出口７からは、酸素ガスと水素ガスを含む電解水が排出される。
４ＯＨ－→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－ ・・・（１）
４Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→２Ｈ２＋４ＯＨ－ ・・・（２）
４ＯＨ－→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－ ・・・（１）
４Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→２Ｈ２＋４ＯＨ－ ・・・（２）
【0027】
通水孔３．１を備える複極式電極３を利用する場合、アノード電極１．１およびアノード電極面で生成された酸素ガスの一部に、図９に示すように、複極式電極３の通水孔３．１の部分でカソード電極２．１およびカソード電極面によって以下の式（３）の還元反応が生じ、ＨＯ２
－（ヒドロペルオキシドイオン）が生成される。この反応は進行し易い。ＨＯ２
－は、還元されると、以下の式（４）のように過酸化物、換言すると反応性の高い活性酸素、であるＨＯ（ヒドロキシルラジカル）を生じる。また、ＨＯ２
－が水素イオンと反応して過酸化物であるＨ２Ｏ２（過酸化水素）を生じる反応およびその逆反応が平衡状態となる（式（５））。
Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→ＨＯ２ －＋ＯＨ－ ・・・（３）
ＨＯ２ －＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→ＨＯ＋２ＯＨ－ ・・・（４）
ＨＯ２ －＋Ｈ＋⇔Ｈ２Ｏ２ ・・・（５）
そこで、図１０に示すように、実施形態では、通水孔３．１にパイプ３．３が嵌められていてもよい。パイプ３．３は、僅かに複極式電極３の両面に突出する長さでよい。パイプ３．３は、絶縁性の材料で形成されていることが好ましく、例えば絶縁性プラスチックで形成されている。パイプ３．３により、アノード電極１．１およびアノード電極面で生成された酸素ガスが、パイプ３．３（通水孔３．１）を通ってカソード電極２．１およびカソード電極面側に移動して還元されること、すなわちＨＯ２ －の生成を抑制できる。
Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→ＨＯ２ －＋ＯＨ－ ・・・（３）
ＨＯ２ －＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→ＨＯ＋２ＯＨ－ ・・・（４）
ＨＯ２ －＋Ｈ＋⇔Ｈ２Ｏ２ ・・・（５）
そこで、図１０に示すように、実施形態では、通水孔３．１にパイプ３．３が嵌められていてもよい。パイプ３．３は、僅かに複極式電極３の両面に突出する長さでよい。パイプ３．３は、絶縁性の材料で形成されていることが好ましく、例えば絶縁性プラスチックで形成されている。パイプ３．３により、アノード電極１．１およびアノード電極面で生成された酸素ガスが、パイプ３．３（通水孔３．１）を通ってカソード電極２．１およびカソード電極面側に移動して還元されること、すなわちＨＯ２ －の生成を抑制できる。
【0028】
図１１に示すように、複極式電極３のアノード電極面（図１１の上面）において、通水孔３．１の周囲に絶縁層３．９が積層されていてもよい。絶縁層３．９は、塗布された絶縁性塗料等により形成されてもよい。通水孔３．１が円形ではない場合、パイプ３．３の設置が困難である。絶縁層３．９の積層により、絶縁層３．９上で式（１）の酸化反応を抑制でき、ひいては酸素ガスの通水孔３．１内への移動を抑制できる。そのため、このような実施形態では、ＨＯ２
－の生成、ひいては過酸化物の生成を抑制できる。なお、電解槽１０Ａでは、各部を調整することで、生成される水素ガスと酸素ガスの比率を変えることが可能である。
【0029】
図１２は、電解槽１０Ｂを示す図である。
電解槽１０Ｂは、複極式電極３を備え、かつ水素ガスと酸素ガスを別けて採取可能である。電解槽１０Ｂの図１２の左側にはアノード電極１．１が設けられ、図１２の右側にはカソード電極２．１が設けられる。電極１．１，２．１の間には、間隔を空けて複数の複極式電極３が設けられる。電極１．１～３の間には、イオン交換体として隔膜８が設けられる。隔膜８は、イオン交換膜であり、耐熱性が必要な場合、フッ素系カチオン交換膜であってもよい。各隔膜８には、通水孔８．１（第２通水孔）が空いている。この通水孔８．１は、水溶液あるいは電解水が、隔膜８を通過して図１２の右側のカソード電極２．１側から図１２の左側のアノード電極１．１側へ移動することを円滑にする働きを有する。通水孔８．１は、電極１．１～３で生成される酸素ガスおよび水素ガスの混合を防ぐ機能をより発揮させるために、隔膜８の下側に設けられることが好ましい。本実施形態では、電解槽１０Ｂの下側の内壁が、通水孔８．１の下縁となっている。本実施形態および以下の実施形態において、隔膜８は、カチオン交換膜であってもよいしアニオン交換膜であってもよいし、隔膜８の替わりにイオン交換体としてイオン交換樹脂フィルタが設けられていてもよい。隔膜８は、陽（カチオン）イオンまたは陰（アニオン）イオンを透過する膜であるところ、イオン交換樹脂フィルタは、陽イオンを吸着し、吸着している他の陽イオンを放出する、または陰イオンを吸着し、吸着している他の陰イオンを放出する。イオン交換樹脂フィルタにも、隔膜８と同様の通水孔（第２通水孔）が空いている。
電解槽１０Ｂは、複極式電極３を備え、かつ水素ガスと酸素ガスを別けて採取可能である。電解槽１０Ｂの図１２の左側にはアノード電極１．１が設けられ、図１２の右側にはカソード電極２．１が設けられる。電極１．１，２．１の間には、間隔を空けて複数の複極式電極３が設けられる。電極１．１～３の間には、イオン交換体として隔膜８が設けられる。隔膜８は、イオン交換膜であり、耐熱性が必要な場合、フッ素系カチオン交換膜であってもよい。各隔膜８には、通水孔８．１（第２通水孔）が空いている。この通水孔８．１は、水溶液あるいは電解水が、隔膜８を通過して図１２の右側のカソード電極２．１側から図１２の左側のアノード電極１．１側へ移動することを円滑にする働きを有する。通水孔８．１は、電極１．１～３で生成される酸素ガスおよび水素ガスの混合を防ぐ機能をより発揮させるために、隔膜８の下側に設けられることが好ましい。本実施形態では、電解槽１０Ｂの下側の内壁が、通水孔８．１の下縁となっている。本実施形態および以下の実施形態において、隔膜８は、カチオン交換膜であってもよいしアニオン交換膜であってもよいし、隔膜８の替わりにイオン交換体としてイオン交換樹脂フィルタが設けられていてもよい。隔膜８は、陽（カチオン）イオンまたは陰（アニオン）イオンを透過する膜であるところ、イオン交換樹脂フィルタは、陽イオンを吸着し、吸着している他の陽イオンを放出する、または陰イオンを吸着し、吸着している他の陰イオンを放出する。イオン交換樹脂フィルタにも、隔膜８と同様の通水孔（第２通水孔）が空いている。
【0030】
電極１．１～３および隔膜８は、電解槽内を仕切り、パッキン５を介して電解室フレーム４に挟持され、電解室フレーム４に収容される。電解槽フレーム４の図１２の下部において、カソード電極２．１よりも外側には、電解に使用する水溶液を電解槽１０Ｂ内に供給する入口６が設けられる。電解槽フレーム４の図１２の上部において、電極１．１～３の両側の位置には、アノ－ド電極１．１およびアノード電極面による電解水の出口７．１と、カソード電極２．１およびカソード電極面による電解水の出口７．２と、が交互に設けられる。電解槽フレーム４の図１２の下部において、アノード電極１．１よりも外側には、出口７．１が設けられる。電極１．１，２．１には、近接して隔膜８が設けられており、隔膜８と電極１．１，２．１の間には、出口７．１，７．２は設けられない。
【0031】
電解電圧がアノード電極１．１とカソード電極２．１の間に印加されると、電極１．１～３間にて電解が行われる。複極式電極３において、アノード電極１．１側の面はカソード電極面として機能し、カソード電極２．１側の面はアノード電極面として機能する。隔膜８により、アノード電極面で生成される酸素ガスとカソード電極面で生成される水素ガスとの混合を抑制できる。
【0032】
電解槽１０Ｂでも、電解槽１０Ａと同様、通水孔３．１をアノ－ド電解水およびカソード電解水が通ることにより、複極式電極３の拡散層を撹拌してその厚みをより薄くでき、また、複極式電極３に付着する生成ガスを剥離でき、これにより電解電圧を低減できる。通水孔３．１にパイプ３．３を設置してもよいし、通水孔３．１の周囲に絶縁層３．９を設けてもよいことは、本電解槽１０Ｂにおいても、後述する各電解槽１０Ｃ～１０Ｇにおいても同様である。
【0033】
図１３は、電解槽１０Ｃを備える電解システム１００Ｃを示す図である。
電解槽１０Ｃは、アノード電極１．１、図１３の左右方向に対向するカソード電極２．１、電極１．１，２．１の間に間隔を空けて配置される複数枚、ここでは４枚の複極式電極３を備える。電解槽１０Ｃには隔膜は設けられていない。電極１．１，２．１，３は、電解槽１０Ｃ内を仕切る。電極１．１，２．１，３は、電解槽１０Ｃを構成する図１３の左右端の電解槽フレーム４と、それらの間の電解槽フレーム４．１と、の間にパッキンを介して設けられ、電解槽フレーム４，４．１に収容される。電極１．１～３は、複数の円形の通水孔３．１を有する図６の形状のものを使用する。露出領域Ｒは、図６の横縦方向の寸法が６ｃｍ、８ｃｍであり、面積は６×８＝４８ｃｍ２である。通水孔３．１は直径５ｍｍであり、１３０個ある。電解槽１０Ｃの図１３の下部において、電極１．１～３の両側の位置には、水溶液、ここでは電解水、の入口６が設けられる。電解槽１０Ｃの図１３の上部において、電極１．１～３の両側の位置には、電解水の出口７が設けられる。各出口７と各入口６とは、配管４１で接続され、電解水の循環経路が形成されている。出口７に接続する配管４１は、合流し、入口６の手前で分岐し、各入口６に接続する。配管４１において、出口７の後段にはタンク１５があり、タンク１５の後段には循環ポンプ１６がある。電極１．１，２．１は、電源５０に接続される。
電解槽１０Ｃは、アノード電極１．１、図１３の左右方向に対向するカソード電極２．１、電極１．１，２．１の間に間隔を空けて配置される複数枚、ここでは４枚の複極式電極３を備える。電解槽１０Ｃには隔膜は設けられていない。電極１．１，２．１，３は、電解槽１０Ｃ内を仕切る。電極１．１，２．１，３は、電解槽１０Ｃを構成する図１３の左右端の電解槽フレーム４と、それらの間の電解槽フレーム４．１と、の間にパッキンを介して設けられ、電解槽フレーム４，４．１に収容される。電極１．１～３は、複数の円形の通水孔３．１を有する図６の形状のものを使用する。露出領域Ｒは、図６の横縦方向の寸法が６ｃｍ、８ｃｍであり、面積は６×８＝４８ｃｍ２である。通水孔３．１は直径５ｍｍであり、１３０個ある。電解槽１０Ｃの図１３の下部において、電極１．１～３の両側の位置には、水溶液、ここでは電解水、の入口６が設けられる。電解槽１０Ｃの図１３の上部において、電極１．１～３の両側の位置には、電解水の出口７が設けられる。各出口７と各入口６とは、配管４１で接続され、電解水の循環経路が形成されている。出口７に接続する配管４１は、合流し、入口６の手前で分岐し、各入口６に接続する。配管４１において、出口７の後段にはタンク１５があり、タンク１５の後段には循環ポンプ１６がある。電極１．１，２．１は、電源５０に接続される。
【0034】
図１４は、比較例であり、電解槽１０Ｃ１を備える電解システム１００Ｃ１を示す図である。
電解システム１００Ｃ１における電解システム１００Ｃとの相違点は、電解システム１００Ｃ１では、電解槽１０Ｃ１内を仕切る隔膜９が各複極式電極３に接触するように設けられている点である。隔膜９は、フッ素系カチオン交換膜であり、電解水が複極式電極３の通水孔３．１を通過することを妨げる。電解システム１００Ｃ１のその他の構成は、電解システム１００Ｃと同じである。
電解システム１００Ｃ１における電解システム１００Ｃとの相違点は、電解システム１００Ｃ１では、電解槽１０Ｃ１内を仕切る隔膜９が各複極式電極３に接触するように設けられている点である。隔膜９は、フッ素系カチオン交換膜であり、電解水が複極式電極３の通水孔３．１を通過することを妨げる。電解システム１００Ｃ１のその他の構成は、電解システム１００Ｃと同じである。
【0035】
電解システム１００Ｃ，１００Ｃ１を以下の条件で駆動した際の電圧の変化等の測定結果を以下の表１に示す。１ｍｏｌ／ｌのＫ２ＣＯ３をタンク１５に注入し、循環ポンプ１６を用いて水溶液を０．５ｌ／ｍｉｎで循環させる。電源５０を用いて電解電流を３．０Ａに固定する。
【0036】
【表1】
【0037】
表１の上段に示すように、通水孔３．１を隔膜９で閉じた比較例の電解システム１００Ｃ１では、電解電流３．０Ａで電解電圧は約２１Ｖだった。前述の条件で３０分駆動し、生成された電解水を５ｃｃ採取した。電解水に０．００５ｍｏｌ／ｌの過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４）水溶液０．２ｃｃを添加したが、呈色反応は見られなかった。電解電圧のスペクトルに発振現象は観測されなかった。
【0038】
一方、表１の下段に示すように、隔膜９が無く通水孔３．１を機能させた実施形態の電解システム１００Ｃでは、電解電流３．０Ａで電解電圧は約１４Ｖと、比較例の２１Ｖから電解電圧を大幅に低減できた。３０分駆動後に採取した電解水５ｃｃに上述と同様にして過マンガン酸カリウムに対する呈色反応の有無を調べたところ、呈色反応が確認された。この呈色反応は、水素ガス、酸素ガスの発生反応に加え、前述の図９に示す様にＨＯ２
-等の過酸化物イオンが生成された可能性を示す。ＨＯ２
-等の過酸化物イオンは、アルカリ性電解水が複極式電極３の通水孔３．１を通過する際に生成されると考えられる。
【0039】
図１５に示す電解システム１００Ｃの電解電圧のスペクトルには、発振現象が観測される。この原因は、アノード電極１．１および複極式電極３のアノード電極面で生成された酸素分子の一部が、通水孔３．１を通ることで還元されて過酸化水素分子が生成されることにあると考えられる（式（３）、式（５）参照）。すなわち、アルカリ性溶液中では、酸素分子と過酸化水素分子の自由エネルギー、電位が近いことによると考えられる。この結果、電位の発振現象が現れる。電圧発振現象が現れると、電解水に接する電極１．１，２．１の自然電位が変化する。電解水中の水素ガスは自然電位をよりマイナス側にシフトさせ、過酸化水素等の過酸化物は自然電位をよりプラス側にシフトさせる。
【0040】
図１６は、電解槽１０Ｄを備える電解システム１００Ｄを示す図である。
電解槽１０Ｄは、電解槽１０Ｃと同様の構成であり、図１６の左右の電解槽フレーム４にパッキン５を介して挟持されて収容される電極１．１，２．１，３を備える。アノード電極１．１が図１６の左側に位置し、カソード電極２．１が図１６の右側に位置する。電解槽１０Ｄにおいて、カソード電極２．１の外側、換言すると図１６の右側、の上部および下部に、電解槽１０Ｄ内への水溶液の入口６がある。電解槽１０Ｄにおいて、アノード電極１．１の外側、換言すると図１６の左側、の上部および下部に、電解槽１０Ｄから外部への電解水の出口７がある。出口７に接続する配管４１は合流した後、タンク１５、循環ポンプ１６を経て分岐し、入口６に接続する。電極１．１，２．１は電源５０に接続する。
電解槽１０Ｄは、電解槽１０Ｃと同様の構成であり、図１６の左右の電解槽フレーム４にパッキン５を介して挟持されて収容される電極１．１，２．１，３を備える。アノード電極１．１が図１６の左側に位置し、カソード電極２．１が図１６の右側に位置する。電解槽１０Ｄにおいて、カソード電極２．１の外側、換言すると図１６の右側、の上部および下部に、電解槽１０Ｄ内への水溶液の入口６がある。電解槽１０Ｄにおいて、アノード電極１．１の外側、換言すると図１６の左側、の上部および下部に、電解槽１０Ｄから外部への電解水の出口７がある。出口７に接続する配管４１は合流した後、タンク１５、循環ポンプ１６を経て分岐し、入口６に接続する。電極１．１，２．１は電源５０に接続する。
【0041】
電解槽１０Ｄでも、複極式電極３の通水孔３．１により、拡散層を撹拌してその厚みを薄くできるとともに、生成ガスを複極式電極３から剥離でき、電解電圧を低減できる。
【0042】
図１７は、電解槽１０Ｅを備える電解システム１００Ｅを示す図である。
電解システム１００Ｅは、図１６の電解システム１００Ｄと同様の構成を備えるが、複極式電極３が、複極本体３．４および複極支持体３．５を備える点が電解システム１００Ｄと異なる。複極支持体３．５は、電解槽１０Ｄの複極式電極３の替わりに電解槽フレーム４に挟持されて収容されるものであり、例えばフィルターである。複極本体３．４は、通水孔３．１を備え、複極支持体３．５に貼付等により保持される。露出領域Ｒは、例えば図１７の奥方向の寸法が６ｃｍ、図１７の縦方向の寸法が８ｃｍであり、４８ｃｍ２となる。複極式電極３の開口率は、露出領域Ｒ（例えば４８ｃｍ２）に対する複極本体３．４の複数の通水孔３．１の合計の大きさ、または１つの通水孔３．１の大きさとなる。
電解システム１００Ｅは、図１６の電解システム１００Ｄと同様の構成を備えるが、複極式電極３が、複極本体３．４および複極支持体３．５を備える点が電解システム１００Ｄと異なる。複極支持体３．５は、電解槽１０Ｄの複極式電極３の替わりに電解槽フレーム４に挟持されて収容されるものであり、例えばフィルターである。複極本体３．４は、通水孔３．１を備え、複極支持体３．５に貼付等により保持される。露出領域Ｒは、例えば図１７の奥方向の寸法が６ｃｍ、図１７の縦方向の寸法が８ｃｍであり、４８ｃｍ２となる。複極式電極３の開口率は、露出領域Ｒ（例えば４８ｃｍ２）に対する複極本体３．４の複数の通水孔３．１の合計の大きさ、または１つの通水孔３．１の大きさとなる。
【0043】
電解システム１００Ｅを前述と同様の駆動条件で駆動して電解電圧の変化等を測定した。この際、複極本体３．４を、通水孔３．１の大きさが異なるものに替えるたびに駆動し、測定した。その結果を以下の表２に示す。使用した複極本体３．４は、全てステンレス鋼(ＳＵＳ３０４)製である。複極本体３．４として、直径５ｍｍの通水孔３．１が４つあるもの（複極式電極３の開口率２．６％）、５ｃｍ×６ｃｍの大きさで、かつ直径５ｍｍの通水孔３．１が図６のように縦横に複数並ぶパンチングメタル（複極式電極３の開口率３５．４％）、５ｃｍ×６ｃｍの大きさで、かつ直径２ｍｍの通水孔３．１が図６のように縦横に複数並ぶパンチングメタル（複極式電極３の開口率５０．９％）、５ｃｍ×６ｃｍの大きさで、かつ直径５ｍｍの通水孔３．１が図６のように縦横に複数並ぶパンチングメタル（複極式電極３の開口率３５．４％）、２５．４ｍｍ(１インチ）の間に矩形の通水孔３．１が７０個並ぶ平織金網である７０メッシュ（複極式電極３の開口率４５％）を使用した。複極本体３．４は、通水孔３．１が隣り合う複極本体３．４の通水孔３．１と平面視でズレるように図１７の上下方向に千鳥状に設置された。
【0044】
【表2】
【0045】
表２から、複極式電極３の開口率が大きいほど電解電圧が低下する傾向が分かる。複極式電極３として、ステンレス鋼の７０メッシュである複極本体３．４を含むものを用いると、電解電圧が約４Ｖにまで低下した。いずれも過マンガン酸カリウムに対する呈色反応が確認されるとともに、発信現象が生じ、ＨＯ２
－等の過酸化物イオン生成による反応が顕著であった。その結果として、複極式電極３の開口率が大きいほど、電極１．１，２．１間の自然電位の変化がより小さくなる。自然電位の変化は、水素分子等の酸化還元種の濃度を測定することに適している。複極本体３．４として用いるパンチングメタルは、一般的に、仕様の規格から、穴（通水孔３．１）の大きさが直系（φ）５ｍｍのもののほか、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのものが利用可能である。
【0046】
電解水中の過酸化水素等の過酸化物は、電解水中の電極１．１，２．１の自然電位をプラス側にシフトさせる。表２から、開口率が大きくなり複極式電極３の有効面積が小さくなるにつれ、自然電位の範囲が上方へシフトしており、過酸化水素等の過酸化物が増加することを示している。通水孔３．１の大きさが直系２ｍｍで開口率が５０．９％の複極式電極３を利用する場合（表２の３段目）の自然電位の範囲は－２００Ｖ～－４００Ｖであり、開口率が４５％の７０メッシュの複極式電極３を利用する場合（表２の４段目）の自然電位の範囲は－１５０Ｖ～－３００Ｖである。一方、通水孔３．１の大きさが直系５ｍｍで開口率が３５％の複極式電極３を利用する場合（表２の２段目）、直系２ｍｍの通水孔３．１のパンチングメタルの複極式電極３を利用する場合（表２の３段目）に比べ、自然電位の範囲が－３００Ｖ～－５００Ｖとマイナス側にシフトしており、電解水中の過酸化物を減少できていることがわかる。よって、電解槽１０Ｅの製造コストを考えると、安価なＳＵＳ（ステンレス）製の規格品のパンチングメタルを使用することが好ましいところ、電解水中の過酸化物を減少させるためには、複極式電極３の直系の大きなものを使用することが好ましい。そして、ＳＵＳ（ステンレス）製の規格品のパンチングメタルとしては、直径５ｍｍのものまでが市場で手に入りやすいため、複極式電極３の開口率の上限は３５％（通水孔３．１の大きさが直系５ｍｍ）が望ましいことがわかる。
【0047】
開口率が約２％の複極式電極３を利用する場合（表２の１段目）、自然電位の範囲は～－６００Ｖで過酸化水素等の過酸化物の生成を十分に抑制できていることが分かる。そして、開口率が約２％の複極式電極３を利用する場合（表２の１段目）、電圧を約１４Ｖまで低減できており（表１の１段目では２１Ｖ）、複極式電極３の開口率の下限は２％であることが望ましいことがわかる。
【0048】
次に、ＨＯ２
－等の過酸化物イオン等の副反応生成物の影響を確認するために、電解システム１００Ｅを用いて、上述の駆動条件に加え後述の条件を加えて二通りの確認試験を実施した結果を表３に示す。
【表3】
【0049】
表３の上段の試験では、支持電解質としてＫ２ＣＯ３を含む電解水を含むタンク１５に、酸素吸収材であるピロガロール（Ｃ６Ｈ６Ｏ３）を８０ｇ添加して、電解システム１００Ｅを電解電流３．０Ａで電解したところ、電解電圧は９Ｖとなり、電極１．１，２．１間の自然電位は約－８００ｍＶとなった。過マンガン酸カリウムに対する呈色反応は確認できず、また電解電圧の発振現象は生じなかった。これらの事から、表３の上段の試験では、ピロガロールにより、ＨＯ２
－等の過酸化物イオンの生成が抑制されていることが分かる。
【0050】
表３の下段の試験では、５ｍｍの長さの外径５ｍｍのポリエチレンチューブであるパイプ３．３が各通水孔３．１に嵌められた複極本体３．４を使用した。電解電圧は、８Ｖとなり、９Ｖとなった表３の上段の試験と略同じとなった。電極１．１，２．１間の自然電位は、表３の上段の試験からマイナスにシフトし、約－１０００ｍＶと低い値になった。過マンガン酸カリウムに対する呈色反応は確認できず、また、電解電圧の発振現象は非常に抑制されており、微量であった。これらの現象は、パイプ３．３がＨＯ２
－等の過酸化物イオンの生成を抑制していることを示している。
【0051】
上述のように、通水可能な複極式電極３を備える電解槽１０Ａ～１０Ｅでは、電解水に水素ガスと酸素ガスが混合される。非特許文献５の図１８に示すように、爆轟は、圧力と体積に大きく依存するため、爆轟を避けるためには、体積比を縮小し、さらに圧力が上がらないようにすることが重要である。そのため、電解槽１０Ａ～１０Ｅ及びそれらを備える電解システム１００Ｃ～１００Ｅを含む実施形態（以下の電解槽１０Ｆ，１０Ｇ、電解システム１００Ｆ～１００Ｈを含む）は、爆轟を防止する以下の構成を備える。
【0052】
実施形態は、電解により生成した水素ガスおよび酸素ガスの圧力を調整する構成を備える。具体的に、実施形態は、例えば図１９～図２３に例示されるように、生成された電解水から水素ガスおよび／または酸素ガスを抽出し、抽出したガスを貯留するガスタンク１５．１，１５．２，１５、ガスタンク１５．１，１５．２，１５内の圧力が設定値に至っているかを検出するセンサ１８．１を備える。そして、実施形態では、センサ１８．１が、ガスタンク１５．１，１５．２，１５内の圧力が設定値に至っていることを検出すると、コントローラ１８．２が電源５０の出力を停止し、ガスタンク１５．１，１５．２，１５内の圧力が低下したら、電源５０に再度出力させる。水素ガスのガスタンク１５．２および酸素ガスのガスタンク１５．１の内容積は一定容積内であってもよい。水素ガスのガスタンク１５．２と酸素ガスのガスタンク１５．１の圧力を制御するため、各ガスタンク１５．１，１５．２には、ガスを適宜排出するシステムが組み込まれる。実施形態では、電解槽１０Ａ～１０Ｇにて生成される水素ガス中の酸素ガス濃度比を低減するため、電解槽１０Ａ～１０Ｇの内部構造に関し、電解液は通水可能であるが、アノ－ド電極１．１で生成された酸素ガスと、カソード電極２．１で生成された水素ガスの大部分は、アノ－ド電極１．１およびカソード電極２．１から分離して電解槽１０Ａ～１０Ｇの外部に放出させる機構が組み込まれる。
【0053】
図１９は、電解槽１０Ｆを備える電解システム１００Ｆを示す図である。
電解システム１００Ｆは、水素ガスと酸素ガスを概ね別けて採取できる。電解槽１０Ｆは、図１２の電解槽１０Ｂと同様の構成を備え、電解セル（電解膜８、複極式電極３、出口７．１，７．２）が電解槽１０Ｂよりも１つ多い点と、電極１．１，２．１の左右が逆となる点が電解槽１０Ｂと異なる。隔膜８として、イオンの移動が可能であるイオン交換膜を設置するが、耐熱性が必要な場合、フッ素系カチオン交換膜が適している。隔膜８は、水溶液または電解水の入口６側から１９の左端の出口７．２側への移動を許容しつつ、生成された水素ガス気泡および酸素ガス気泡の通過を抑制する。そのため、隔膜８の下部には、水溶液または電解水の通過を可能にする通水孔８．１が設けられている。通水孔８．１として、直系φ約１ｃｍの図６の丸形のものが複数あってもよいし、図７（Ａ）、（Ｂ）のような単独の開口があってもよい。イオン交換体として、隔膜８よりも、イオンの移動（吸着及び放出）は可能であるが生成された水素ガス気泡および酸素ガス気泡の通過を抑制できるフッ素系のイオン交換樹脂フィルタが望ましい。電解槽１０Ｆの上部において、図１９の右側から出口７．１，７．２が交互に並ぶ。
電解システム１００Ｆは、水素ガスと酸素ガスを概ね別けて採取できる。電解槽１０Ｆは、図１２の電解槽１０Ｂと同様の構成を備え、電解セル（電解膜８、複極式電極３、出口７．１，７．２）が電解槽１０Ｂよりも１つ多い点と、電極１．１，２．１の左右が逆となる点が電解槽１０Ｂと異なる。隔膜８として、イオンの移動が可能であるイオン交換膜を設置するが、耐熱性が必要な場合、フッ素系カチオン交換膜が適している。隔膜８は、水溶液または電解水の入口６側から１９の左端の出口７．２側への移動を許容しつつ、生成された水素ガス気泡および酸素ガス気泡の通過を抑制する。そのため、隔膜８の下部には、水溶液または電解水の通過を可能にする通水孔８．１が設けられている。通水孔８．１として、直系φ約１ｃｍの図６の丸形のものが複数あってもよいし、図７（Ａ）、（Ｂ）のような単独の開口があってもよい。イオン交換体として、隔膜８よりも、イオンの移動（吸着及び放出）は可能であるが生成された水素ガス気泡および酸素ガス気泡の通過を抑制できるフッ素系のイオン交換樹脂フィルタが望ましい。電解槽１０Ｆの上部において、図１９の右側から出口７．１，７．２が交互に並ぶ。
【0054】
電解槽１０Ｆの入口６から水溶液（または原水）が電解槽１０Ｆ内に供給され、アノード電極１．１とカソード電極２．１の間に電解電圧が印加され、電解が開始する。この電解電圧により、電極１．１～３間で電解反応が生じ、アノード電極１．１、および複極式電極３のカソード電極２．１側の面であるアノード電極面で、酸素ガスを含む電解水であるアノード電解水が生成される。同様に、カソード電極２．１、および複極式電極３のアノード電極１．１側の面であるカソード電極面で、水素ガスを含む電解水であるカソード電解水が生成される。発生した水素ガスおよび酸素ガスを分離する為に、電極１．１～３間に隔膜８が設けられている。アノード電極１．１と複極式電極３との間の隔膜８は、アノード電極１．１のすぐ側に設けられている。カソード電極２．１と複極式電極３との間の隔膜８は、カソード電極２．１のすぐ側に設けられている。電解水は、図１９の入口から図１９の左端の出口７．２側に向かって電極１．１～３の通水孔３．１および隔膜８の通水孔８．１を通過しながら移動する。電解水は図１９の右側から左側に移動しつつ、その一部が、酸素ガスを含むアノード電解水として出口７．１から排出されるとともに、水素ガスを含むカソード電解水として出口７．２から排出される。
【0055】
アノ－ド電解水は、電解槽１０Ｆの出口７．１から配管４１１を介してアノ－ド電解水タンク１５．３に送られる。アノ－ド電解水タンク１５．３内のアノ－ド電解水から酸素ガスが分離機構１６．２により分離され、酸素ガスタンク１５．１に溜められる。カソード電解水は、電解槽１０Ｆの出口７．２から配管４１２を介してカソード電解水タンク１５．４に送られる。カソ－ド電解水タンク１５．４内のカソ－ド電解水から分離機構１６．３により水素ガスが分離され、水素ガスタンク１５．２に溜められる。アノ－ド電解水タンク１５．３内の電解水は、配管４１３を介してタンク１５に送られ、カソード電解水タンク１５．４内の電解水は、配管４１４を介してタンク１５に送られる。また、電解槽１０Ｆの図１９の左端下部の出口７．２から、カソード電解水が配管４１５を介してタンク１５に送られる。タンク１５内の電解水は、配管４１６、循環ポンプ１６、および電解槽１０Ｆの入口６を介して電解槽１０Ｆ内へ再度送られる。
【0056】
【表4】
【0057】
図２０は、円形の複極式電極３を示す図である。
図２０に示ように、直径１７ｃｍの円形の複極式電極３に、直径１．３ｃｍの通水孔３．６（第１通水孔）を５個開けた。複極式電極３に対する通水孔３．６の開口率は約２％となった。複極式電極３において、通水孔３．６は、中心軸に形成されるとともに、中心軸から径方向に等しい位置、かつ中心軸に対して９０°ずつズレた位置に計４つ形成される。複極式電極３において、通水孔３．６よりも径方向外側には、中心軸に対して９０°ずつずれた位置に、計４つ固定孔３．５が形成される。固定孔３．５には、複極式電極３を固定する支持体３．４（図２１）が通される。通水孔３．６は、固定孔３．５に対し、図２０の反時計回りに４５°未満の角度ズレた位置にある。
図２０に示ように、直径１７ｃｍの円形の複極式電極３に、直径１．３ｃｍの通水孔３．６（第１通水孔）を５個開けた。複極式電極３に対する通水孔３．６の開口率は約２％となった。複極式電極３において、通水孔３．６は、中心軸に形成されるとともに、中心軸から径方向に等しい位置、かつ中心軸に対して９０°ずつズレた位置に計４つ形成される。複極式電極３において、通水孔３．６よりも径方向外側には、中心軸に対して９０°ずつずれた位置に、計４つ固定孔３．５が形成される。固定孔３．５には、複極式電極３を固定する支持体３．４（図２１）が通される。通水孔３．６は、固定孔３．５に対し、図２０の反時計回りに４５°未満の角度ズレた位置にある。
【0058】
図２１は、図２０の複極式電極３に隣接する円形の複極式電極３を示す図である。
図２１の複極式電極３と図２０の複極式電極３は、軸方向に交互に配置される。この際、通水孔３．６が平面視（軸方向視）で周方向に互い違いに配置され、通水孔３．６を通過する電解水の混合をより促進し、電解電圧を低減する。例えば、図２１の複極式電極３は、図２０の複極式電極３を裏返したものである。具体的に、図２１の複極式電極３では、図２０の複極式電極３と同様に、固定孔３．５が中心軸に対して９０°ずつずれた位置に計４つ形成される。図２１の複極式電極３において、通水孔３．６は、中心軸と、中心軸に対して９０°ずつずれた位置、かつ固定孔３．５に対し、図２１の時計回りに４５°未満の角度ズレた位置に計４つある。
図２１の複極式電極３と図２０の複極式電極３は、軸方向に交互に配置される。この際、通水孔３．６が平面視（軸方向視）で周方向に互い違いに配置され、通水孔３．６を通過する電解水の混合をより促進し、電解電圧を低減する。例えば、図２１の複極式電極３は、図２０の複極式電極３を裏返したものである。具体的に、図２１の複極式電極３では、図２０の複極式電極３と同様に、固定孔３．５が中心軸に対して９０°ずつずれた位置に計４つ形成される。図２１の複極式電極３において、通水孔３．６は、中心軸と、中心軸に対して９０°ずつずれた位置、かつ固定孔３．５に対し、図２１の時計回りに４５°未満の角度ズレた位置に計４つある。
【0059】
図２２は、図２０，図２１の複極式電極３が交互に計１１１枚組み込まれた電解槽１０Ｇを備える電解システム１００Ｇを示す図である。
電解槽１０Ｇは、アノード電極１．１、アノード電極１．１と対向するカソード電極２．１、電極１．１，２．１間に配置される１１１枚の複極式電極３を備える。電極１．１，２．１は、複極式電極３と同様の通水孔３．６および固定孔３．５を備え、複極式電極３と同様の形状である。電解槽１０Ｇ内は、電極１．１，２．１の対向方向に延びる円柱状の空間である。電極１．１，２．１は、電解槽フレーム４にパッキンを介して挟持される。電極１．１～３の各固定孔３．５に支持体３．４が通されることで、複極式電極３は固定される。電極１．１～３は、電解槽フレーム４に収容され、電解槽１０Ｇ内を仕切る。電解槽フレーム４において、図２２の右側のカソード電極２．１よりも外側の上部および下部に入口６が形成され、図２２の左側のアノード電極１．１よりも外側の上部および下部に出口７が形成される。電極１．１，２．１は、直流の電源５０に印加される。両出口７に接続する配管４１は、合流してタンク１５、循環ポンプ１６を経て分岐し、入口６に接続される。入口６から電解槽１０Ｇ内に供給された電解水は、電極１．１～３間で電解された後、出口７から排出され、タンク１５に送られ、循環ポンプ１６によりタンク１５から入口６を経て電解槽１０Ｇ内に再度送られる。
電解槽１０Ｇは、アノード電極１．１、アノード電極１．１と対向するカソード電極２．１、電極１．１，２．１間に配置される１１１枚の複極式電極３を備える。電極１．１，２．１は、複極式電極３と同様の通水孔３．６および固定孔３．５を備え、複極式電極３と同様の形状である。電解槽１０Ｇ内は、電極１．１，２．１の対向方向に延びる円柱状の空間である。電極１．１，２．１は、電解槽フレーム４にパッキンを介して挟持される。電極１．１～３の各固定孔３．５に支持体３．４が通されることで、複極式電極３は固定される。電極１．１～３は、電解槽フレーム４に収容され、電解槽１０Ｇ内を仕切る。電解槽フレーム４において、図２２の右側のカソード電極２．１よりも外側の上部および下部に入口６が形成され、図２２の左側のアノード電極１．１よりも外側の上部および下部に出口７が形成される。電極１．１，２．１は、直流の電源５０に印加される。両出口７に接続する配管４１は、合流してタンク１５、循環ポンプ１６を経て分岐し、入口６に接続される。入口６から電解槽１０Ｇ内に供給された電解水は、電極１．１～３間で電解された後、出口７から排出され、タンク１５に送られ、循環ポンプ１６によりタンク１５から入口６を経て電解槽１０Ｇ内に再度送られる。
【0060】
タンク１５には、タンク１５の液面高さを検出する液面センサー１７．１と、タンク１９内の電解水を冷却する冷却コイル１９と、タンク１５内のガスの圧力が設定値に到達すると作動する圧力スイッチ１８．１（圧力センサ）および圧力調整器１８．２（コントローラ）と、が装着される。タンク１５には、電解原料水が、電解原料水タンク１５．１から供給ポンプ１６．１の駆動により供給される。電解原料水の流量は、電磁弁２０．１で調整される。電解水タンク１５に溜まったガスは、外部へ配管４２を介して排出でき、その流量は、配管４２に設けられた流量調整弁１８．３と電磁弁２０．２にて調整される。
【0061】
電解システム１００Ｇは、生成された水素ガスの爆轟反応を抑制するため、タンク１５内のガスの圧力を、大気圧１０１３ｈＰａ（１ａｔｍ）と同様、例えば大気圧から１０％高い設定値以下、に制御する。タンク１５のガスの圧力が設置値に至ると圧力スイッチ１８．１が作動し、圧力調整器１８．２によりシグナルが電源５０に送られる。すると、電源５０のリレー回路１４が作動し、電解槽１０Ｇへの電解電圧の印加が遮断される。電源５０をＯＦＦ後、一定期間経過後、またはタンク１５内の圧力が設定値以下であることを圧力スイッチ１８．１（圧力センサ）が検出することにより電源５０をＯＮするコントローラが設けられていてもよい。コントローラは、プロセッサがメモリ内のプログラムを読み込むことで作動してもよいし、ＡＳＩＣ等の専用の回路を備えていてもよい。電解電圧を定期的に遮断することは、エネルギー効率向上の面からも有意義である。すなわち、アノ－ド電極１．１とカソード電極２．１による電解電圧の印加を停止し、複極式電極３の通水孔３．１による電解水の攪拌機能を電解槽１０Ｇ内の電解水に作用させることで、複極式電極３に積層する電気二重層のうちの拡散層を効果的に薄くできる。
【0062】
【表5】
【0063】
電解システム１００Ｇでは、タンク１５内の圧力を略大気圧と同様に制御する。そのため、タンク１５から配管４２を介して排出される水素ガスおよび酸素ガスを分離してガスの状態で各々貯蔵タンクに溜める場合、または上記混合ガスをそのままガスの状態で貯蔵タンクに溜める場合、のいずれにおいても、高圧ガスとして法令で規定される１ＭＰａよりも小さい圧力で溜めることが容易である。従って、電解システム１００Ｇでは、生成ガスの貯蔵に際してその取り扱いが容易である。
【0064】
図２３は、図２２の電解槽１００Ｇにて生成した水素ガスを冷却し、輸送と応用に便利な液体水素に変化させる電解システム１００Ｈを示す。
電解システム１００Ｈでは、電解槽１０Ｇにて水素ガスと酸素ガスの混合した酸水素ガスが生成される。電解システム１００Ｈは、分離装置５１を備える。分離装置５１は、酸水素ガスを液体窒素を用いて冷却することで、酸素ガスを液化させて水素ガスから分離させる。分離装置５１は、例えば、酸水素ガス冷却用タンク２２、液体窒素タンク２１、冷却用コイル２０．１、液体酸素タンク２３を備える。
電解システム１００Ｈでは、電解槽１０Ｇにて水素ガスと酸素ガスの混合した酸水素ガスが生成される。電解システム１００Ｈは、分離装置５１を備える。分離装置５１は、酸水素ガスを液体窒素を用いて冷却することで、酸素ガスを液化させて水素ガスから分離させる。分離装置５１は、例えば、酸水素ガス冷却用タンク２２、液体窒素タンク２１、冷却用コイル２０．１、液体酸素タンク２３を備える。
【0065】
酸水素ガスは、電解槽１０Ｇから配管４２を介して酸水素ガス冷却用タンク２２に送られる。酸水素ガス冷却用タンク２２内には、液体窒素タンク２１から延びる冷却用コイル２０．１が設けられている。冷却用コイル２０．１は、液体窒素タンク２１により、液体窒素と同じ温度である液体窒素温度まで冷却されている。冷却用コイル２０．１は、酸水素ガス冷却用タンク２２内の酸水素ガス中の酸素ガスを冷却して液体酸素に変化させる。液体酸素は、酸水素ガス冷却用タンク２２から液体酸素タンク２３に送られて溜められる。なお、酸水素ガス中に窒素ガスが含まれている場合、窒素ガスも液化され、液体酸素タンク２３に送られる。酸水素ガス冷却用タンク２２内の酸水素ガスは、上述のように液体窒素温度まで冷却されることで酸素ガスが抽出され、水素ガスとなる。
【0066】
液体窒素温度の水素ガスは、酸水素ガス冷却用タンク２２から配管４３を介して水素ガスタンク２４に送られる。水素ガスタンク２４内の水素ガスは、配管４４を介して冷却用水素ガスタンク３０に送られ、水素ガス液化装置５２により液化される。水素ガス液化装置５２は、冷媒として水素ガスを用いる冷凍サイクルにより、電解槽１０Ｇにて生成された水素ガスを冷却し、液化させる。本実施形態では、水素ガス液化装置５２は、電解槽１０Ｇにて生成された酸水素ガスから分離された水素ガスを液化するが、酸水素ガスを直接液化してもよい。また、例えば図１９の電解槽１０Ｆのように、複極式電極３のカソード電解面、およびカソード電極２．１から主に水素ガスが採取される場合、電解槽１０Ｆから直接採取される該水素ガスを水素ガス液化装置５２が冷却してもよい。
【0067】
水素ガス液化装置５２の冷凍サイクルでは、水素ガスタンク２６と拡張タービン２９との間で冷媒としての水素ガスが循環する。水素ガスタンク２６から不図示の圧縮機によって圧縮された水素ガスが拡張タービン２９に送られる。なお、圧縮機は、水素ガスタンク２６の前段で、拡張タービン２９の後段にあってもよい。拡張タービン２９にて膨張することで冷却される冷凍サイクル内の水素ガスは、電解槽１０Ｇにて生成されて配管４４内を流通する水素ガスと熱交換し、該生成された水素ガスを冷却する。冷凍サイクルにおいて、該熱交換に係る、拡張タービン２９から水素ガスタンク２６へ向かう経路、熱交換を媒体する構成要素等は、冷却用水素ガスタンク３０に収容されている。配管４４を介して冷却用水素ガスタンク３０に送られ、水素ガス液化装置５２により液化した水素ガスは、液体水素タンク３１に送られて溜められる。
【0068】
本発明は、その特徴から逸脱することなく、実施形態で実施できる。実施形態、変形例、効果は単なる例示であり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。実施形態および変形例の特徴、構造は、追加でき、また代替の構成を得るために様々な方法で組み合わせることができる。
【符号の説明】
【0069】
１．１…アノード電極、２．１…カソード電極、３…複極式電極、３．１，３．６…通水孔、４，４．１…電解槽フレーム、１０Ａ～１０Ｇ…電解槽、Ｒ…露出領域。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
