特許 7183437 水素及び酸素生成のための電気分解装置

(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】

(24)【登録日】2022-11-25

(45)【発行日】2022-12-05

(54)【発明の名称】水素及び酸素生成のための電気分解装置

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20221128BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20221128BHJP

   C25B 9/21 20210101ALI20221128BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20221128BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20221128BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20221128BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

C25B1/04

C25B9/21

C25B9/23

C25B13/02 301

C25B15/08 304

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021545701

(86)(22)【出願日】2019-09-16

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-03-30

(86)【国際出願番号】 KR2019011905

(87)【国際公開番号】W WO2020184796

(87)【国際公開日】2020-09-17

【審査請求日】2021-08-04

(31)【優先権主張番号】10-2019-0027310

(32)【優先日】2019-03-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】516357351

【氏名又は名称】テックウィン カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＴＥＣＨＷＩＮ Ｃｏ．， ＬＴＤ

【住所又は居所原語表記】（Ｓｏｎｇｊｅｏｎｇ－ｄｏｎｇ） ６０， Ｊｉｋｊｉ－ｄａｅｒｏ ４７４ｂｅｏｎ－ｇｉｌ， Ｈｅｕｎｇｄｅｏｋ－ｇｕ， Ｃｈｅｏｎｇｊｕ－ｓｉ， Ｃｈｕｎｇｃｈｅｏｎｇｂｕｋ－ｄｏ， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】100121382

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 託嗣

(72)【発明者】

【氏名】ジョン，ブン イク

(72)【発明者】

【氏名】キム，ジョン シク

(72)【発明者】

【氏名】シン，ヒョン ス

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－００３０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１１７４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１７３７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１５－００１００８９（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １／０４，９／００，９／２１，９／２３，

１３／０２，１５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解槽の陽極部に設置される陽極と、
前記電解槽の陰極部に設置される陰極と、
前記電解槽を陽極部と陰極部に区画する隔膜と、
前記陽極部に電解質としてアルカリ溶液を供給するアルカリ溶液供給部と、
前記陰極部に電解質として酸性溶液を供給する酸性溶液供給部と、
前記陽極部及び前記陰極部のそれぞれから発生した電気分解水を排出する第１及び第２排出部と、を含み、
前記陽極部では、アルカリ溶液の水酸化物イオンが電極反応を介して酸素を生成し、前記陰極部では、酸性溶液の水素イオンが電極反応を介して水素を生成するのであり、
電気分解の際に全反応で必要とする理論的標準電位は０．４０１Ｖであることを特徴とする、水素及び酸素生成のための電気分解装置。

【請求項2】

前記隔膜は、陽イオン及び陰イオンのそれぞれを透過することができる多孔質隔膜を含むことを特徴とする、請求項１に記載の水素及び酸素生成のための電気分解装置。

【請求項3】

前記多孔質隔膜には水分解触媒が設置されることを特徴とする、請求項２に記載の水素及び酸素生成のための電気分解装置。

【請求項4】

前記隔膜は、イオンを選択的に透過する特性を持つ陽イオン交換膜と陰イオン交換膜の中から選択されたいずれか一つのイオン交換膜を含むことを特徴とする、請求項１に記載の水素及び酸素生成のための電気分解装置。

【請求項5】

前記イオン交換膜の一側面には水分解触媒層が設置されることを特徴とする、請求項４に記載の水素及び酸素生成のための電気分解装置。

【請求項6】

前記隔膜は、
前記陽極と対向するように前記陽極部の側に配置される陰イオン交換膜と、
前記陰極と対向するように前記陰極部の側に配置され、前記陰イオン交換膜と隣接して設置される陽イオン交換膜と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の水素及び酸素生成のための電気分解装置。

【請求項7】

前記隔膜は、前記陽イオン交換膜と前記陰イオン交換膜との間に設置される水分解触媒層をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の水素及び酸素生成のための電気分解装置。

【請求項8】

前記水分解触媒層は、水を吸収することが可能な吸水剤をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の水素及び酸素生成のための電気分解装置。

【請求項9】

前記隔膜は、前記陽イオン交換膜、前記陰イオン交換膜及び前記水分解触媒層が一体に形成された両性イオン交換膜を含むことを特徴とする、請求項７又は８に記載の水素及び酸素生成のための電気分解装置。

【請求項10】

前記電解槽で電気分解に使用された後に排出される電気分解水を再生して、前記陽極部と前記陰極部にて、それぞれ電解反応により消耗された水酸化物イオンと水素イオンを補うことができる電解質再生手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の水素及び酸素生成のための電気分解装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気分解装置に係り、より詳細には、電解質を電気分解して水素と酸素を発生する電気分解装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、電気分解方式によって水素と酸素を発生させる水電解装置は、代表的に、アルカリ水電解（ＡＥＬ）と高分子電解質膜水電解（ＰＥＭＥＬ）に区分される。

【0003】

図１は従来のアルカリ水電解を説明するための概略構成図である。図１を参照すると、アルカリ水電解（ＡＥＬ）は、電解質としてアルカリ溶液を使用し、多孔質の隔膜１０を用いて電気分解を行う。このとき、陽極（酸化極２０）では、アルカリ溶液の水酸化イオン（ＯＨ^－）が酸化して酸素（Ｏ_２）を生成する反応が起こり、この時の理論的標準電位は０．４０１Ｖである。

【0004】

また、陰極（還元極３０）では、水（Ｈ_２Ｏ）分解反応が起こって水素（Ｈ_２）と水酸化物イオン（ＯＨ^－）を生成する。この時の理論的標準電位は－０．８２８Ｖである。よって、全反応は、水（Ｈ_２Ｏ）が分解されながら水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）を生成し、この時の水電解全体の理論的標準電位は１．２２９Ｖとなる。そして、隔膜１０を介しては、相互間のドナン（Ｄｏｎｎａｎ）平衡によってイオンの濃度を合わせるために、陽イオンと陰イオンが、それぞれ陰極部と陽極部に移動してイオンバランスを維持する。

【0005】

図１のアルカリ水電解についての電解反応式と理論的な標準電位差は、次の反応式１の通りである。

【0006】

［反応式１］
陽極反応：４ＯＨ^－→Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－、Ｅ_０＝０．４０１Ｖ
陰極反応：４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－→２Ｈ_２＋４ＯＨ^－、Ｅ_０＝－０．８２８Ｖ
全反応：２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２、Ｅ_０＝１．２２９Ｖ

【0007】

図２は、従来の高分子電解質膜水電解を説明するための概略構成図である。図２を参照すると、高分子電解質膜水電解装置は、電解質として酸性溶液、隔膜として陽イオン交換膜１０’をそれぞれ用いて電気分解を行う。このとき、陽極２０では、水（Ｈ_２Ｏ）分解を介して酸素（Ｏ_２）と水素イオン（Ｈ^＋）を生成するのであり、この時の理論的標準電位は１．２２９Ｖである。陰極３０では、水素イオン（Ｈ^＋）が反応して水素（Ｈ_２）を生成するのであり、この時の理論的標準電位は０．００Ｖである。したがって、全反応は、アルカリ水電解と同様に、水（Ｈ_２Ｏ）が分解されながら水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）を生成し、アルカリ水電解と同じ理論的標準電位である１．２２９Ｖで電位差を発生する。この時、隔膜である陽イオン交換膜１０’の選択的イオン透過特性によって、陽極部の陽イオンのみが陰極部に移動して、全体的なイオンバランスを維持する。

【0008】

図２の高分子電解質膜水電解についての電解反応式及び理論的な標準電位差は、次の反応式２の通りである。

【0009】

［反応式２］
陽極反応：２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－、Ｅ_０＝１．２２９Ｖ
陰極反応：４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２、Ｅ_０＝－０．００Ｖ
全反応：２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２、Ｅ_０＝１．２２９Ｖ

【0010】

一方、上述した従来の電気分解装置は、単位水電解での電気分解のために１．２２９Ｖの電圧が必要となるので、単位水電解の数を増加させると、それに比例して電力消費量が増加するので、これによる費用を無視することは難しい。

【0011】

したがって、電力消費量を削減することができるように改善された電気分解装置の開発が切実に求められている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電力消費量を削減することができるように改善された電気分解装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記の目的を達成するための本発明の水素及び酸素生成のための電気分解装置は、電解槽の陽極部に設置される陽極と、前記電解槽の陰極部に設置される陰極と、前記電解槽を陽極部と陰極部に区画する隔膜と、前記陽極部に電解質としてアルカリ溶液を供給するアルカリ溶液供給部と、前記陰極部に電解質として酸性溶液を供給する酸性溶液供給部と、前記陽極部及び前記陰極部のそれぞれから発生した電気分解水を排出する第１及び第２排出部と、を含み、
前記陽極部では、アルカリ溶液の水酸化物イオンが電極反応を介して酸素を生成し、前記陰極部では、酸性溶液の水素イオンが電極反応を介して水素を生成することを特徴とする。

【0014】

これにより、電力消費量を大幅に削減することができる電気分解装置を提供することができる。

【0015】

ここで、前記隔膜は、陽イオン及び陰イオンのそれぞれを透過させることができる多孔質隔膜を含むことが好ましい。

【0016】

これにより、隔膜を介して、陽極部の陽イオンが陰極部へと透過され、陰極部の陰イオンは陽極部へと透過されることで、イオン平衡を維持するようにすることができる。

【0017】

また、前記多孔質隔膜には、水分解触媒が内在されることが良い。

【0018】

これにより、水分解を介して、水酸化イオンと水素イオンをそれぞれ陽極部と陰極部に提供することで、イオン平衡が、より効果的に行われるようにすることができる。

【0019】

また、前記隔膜は、イオンを選択的に透過する、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜の中から選択された、いずれか一つのイオン交換膜を含むことが良い。

【0020】

これにより、陽イオン交換膜を使用する場合には、陽イオンに対する選択的透過特性を用いて、陰極部の陰イオンは透過されないようにするとともに、陽極部の陽イオンが陰極部へと透過されることにより陰極部で塩を形成して、イオン平衡を成り立たせるようにすることができる。

【0021】

また、陰イオン交換膜を使用する場合には、陰イオンに対する選択的透過特性を用いて、陽極部の陽イオンは透過されないようにするとともに、陰極部の陰イオンが陽極部へと透過されることにより陽極部で塩を形成して、イオン平衡を成り立たせるようにすることができる。

【0022】

また、前記イオン交換膜の一側面には、水分解触媒層が設置されることが好ましい。

【0023】

ここで、水分解触媒層は、陽イオン交換膜の場合には陽極部と接した側面に位置し、陰イオン交換膜の場合には陰極部と接した側面に位置することが良い。

【0024】

これにより、水分解触媒層により発生する水酸化物イオンと水素イオンによって、溶液上の水素イオンと水酸化物イオンの消耗を減らすことで、より好ましくイオン平衡を成り立たせるようにすることができる。

【0025】

また、前記隔膜は、前記陽極と対向するように前記陽極部の側に配置される陰イオン交換膜と、前記陰極と対向するように前記陰極部の側に配置され、前記陰イオン交換膜と隣接して設置される陽イオン交換膜と、を含むことが良い。

【0026】

また、前記隔膜は、前記陽イオン交換膜と前記陰イオン交換膜との間に設置される水分解触媒層をさらに含むことが良い。

【0027】

これにより、陽極部及び陰極部のそれぞれにおいて電解質の変化がなくなるので、塩を別途分離又は処理することなく継続的に使用することができる。

【0028】

また、前記水分解触媒層は、水を吸収することが可能な吸水剤をさらに含むことが良い。これにより、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜との間で水を効果的に吸収して水分解効率を高めることができる。

【0029】

また、前記隔膜は、前記陽イオン交換膜、前記陰イオン交換膜及び前記水分解触媒層が一体に形成された両性イオン交換膜を含むことが良い。

【0030】

これにより、隔膜の製造、設置及び維持管理が容易であるという利点がある。

【0031】

また、前記電解槽にて電気分解に使用された後に排出される電気分解水を再生して、前記陽極部と前記陰極部でそれぞれ電解反応により消耗された水酸化物イオンと水素イオンを補うことができる電解質再生手段をさらに含むことが好ましい。

【0032】

これにより、電解反応中に消耗される電解質を再生して、継続的な電解反応が行われるようにすることができる。

【発明の効果】

【0033】

本発明の電気分解装置によれば、陽極部へアルカリ溶液を供給し、陰極部へ酸性溶液を供給して、それぞれ陽極反応及び陰極反応を介して水素と酸素を生成することができ、電極反応時の全体標準電位を著しく下げて、電力消費量を削減することができる。

【0034】

特に、隔膜の種類を多様に適用し、隔膜に触媒層を選択的に設置することにより、陽極部と陰極部のイオン平衡が維持されるようにしながら、酸素と水素を生成することができる。

【0035】

また、電解反応により生成された塩は、別途の処理過程を介してアルカリ溶液と酸性溶液に変換して電解質として再利用できるように供給することができるという利点がある。

【0036】

また、隔膜として両性イオン交換膜を使用する場合には、電解質からの塩の生成を抑制して、塩の処理及び分離の過程なしに、使用された電解水を再利用することができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】従来のアルカリ水電解装置を説明するための概略構成図である。

【図2】従来の高分子電解質膜水電解装置を説明するための概略構成図である。

【図3】本発明の第１実施例に係る電気分解装置を示す概略構成図である。

【図4】本発明の第２実施例に係る電気分解装置を示す概略構成図である。

【図5】本発明の第３実施例に係る電気分解装置を示す概略構成図である。

【図6】本発明の第４実施例に係る電気分解装置を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下、添付図面を参照して、本発明の電気分解装置を詳細に説明する。

【0039】

図３を参照すると、本発明の第１実施例に係る電気分解装置１００は、電解槽として、(1)陽極１１１が設置される陽極部１１０、(2)陰極１２１が設置される陰極部１２０、(3)陽極部１１０と陰極部１２０を区画する隔膜１３０、(4)前記陽極部１１０に電解質としてアルカリ溶液を供給するためのアルカリ溶液供給部１４１、(5)前記陰極部１２０に電解質として酸性溶液を供給するための酸性溶液供給部１４３、並びに、(6)前記陽極部１１０及び前記陰極部１２０のそれぞれから生成された電気分解水を排出するための第１及び第２排出部１５１、１５３を備える電解槽を含む。

【0040】

具体的には、電気分解装置１００は、装置本体、つまり電解槽１０１の内部が、隔膜１３０によって陽極部１１０と陰極部１２０に区画される。陽極部１１０内には陽極１１１が設置され、陰極部１２０には陰極１２１が設置される。

【0041】

前記隔膜１３０は、多孔質隔膜１３１であることが好ましく、さらに好ましくは、隔膜１３０には、水の分解が行われ得る触媒層１３３が内在されて設置される。

【0042】

また、前記触媒層１３３は、図面上において、多孔質隔膜１３１の一部分にのみ備えられたものと示しているが、これは、図面の説明の便宜のためのもので、好ましくは、多孔質隔膜１３１の全領域において触媒層１３３が内在するように構成することが良い。

【0043】

前記陽極部１１０には、電解質としてアルカリ溶液を供給するためのアルカリ溶液供給部１４１が連結され、前記陰極部１２０には、電解質として酸性溶液を供給するための酸性溶液供給部１４３が連結される。そして、陽極部１１０及び陰極部１２０のそれぞれには、電気分解によって生成された塩を排出するための第１及び第２排出部１５１、１５３が連結される。

【0044】

前記構成を有する本発明の第１実施例に係る電気分解装置１００は、陽極部１１０では、下記反応式３のような陽極反応が行われることにより、酸素（Ｏ_２）を生成する。この時、陽極反応時の理論的標準電位は０．４０１Ｖとなる。

【0045】

［反応式３］
４ＯＨ^－→Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－、Ｅ_０＝０．４０１Ｖ

【0046】

また、陰極部１２０には、陰極反応が下記反応式４のように行われ、水素が生成される。そして、陰極反応時の理論的標準電位は０．００Ｖとなる。

【0047】

［反応式４］
４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２、Ｅ_０＝０．００Ｖ

【0048】

そして、全反応は下記反応式５のとおりであり、全反応時の標準電位は０．４０１Ｖとなる。

【0049】

［反応式５］
２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２、Ｅ_０＝０．４０１Ｖ

【0050】

また、前記陽極部１１０の陽イオンは、隔膜１３０を介して陰極部１２０に移動し、陰極部１２０の陰イオンは、隔膜１３０を介して陽極部１１０に移動することにより、全体的にイオンの平衡が成り立つようになる。

【0051】

そして、前記隔膜１３０に内在した触媒層１３３は、多孔質隔膜１３１にて水を分解して水酸化イオン（ＯＨ^－）と水素イオン（Ｈ^＋）を生成する。生成された水酸化イオン（ＯＨ^－）は陽極部１１０、水素イオン（Ｈ^＋）は陰極部１２０にそれぞれ移動することにより、イオン平衡を維持することができる。

【0052】

そして、前記陽極部１１０及び陰極部１２０にて電気分解によって生成された塩は、第１及び第２排出部１５１、１５３を介して外部に排出される。ここで、第１及び第２排出部１５１、１５３のそれぞれは、塩の使用先に供給されて使用できる。また、生成された塩は、電解槽１０１の外部に設置される別途の電解質再生手段１６０を介して、酸とアルカリ溶液に転換された後、前記アルカリ溶液供給部１４１及び酸性溶液供給部１４３のそれぞれに供給されて再利用されるようにすることもできる。

【0053】

この時、電解質再生手段１６０は、電気分解の後にイオンの平衡を取るようにするために、生成された塩を、さらに酸とアルカリ溶液に再生させる手段であって、イオン吸着方式、電気分解方式、電気透析方式、水分解電気透析方式、化学的反応又は触媒反応の方式などの多様な方式を用いることができ、本発明では、これらの方式のいずれかに限定されず、塩を酸とアルカリに転換することができる工程、すなわち手段であれば、適用が可能である。

【0054】

上述したように、本発明の第１実施例によれば、陽極部１１０にはアルカリ溶液を供給し、陰極部１２０には酸性溶液を供給するようにして、電気分解を介して酸素と水素を生成することができる。ここで、電気分解の際に全反応で必要とする理論的標準電位は０．４０１Ｖであって、従来技術に比べて著しく下げることができる。したがって、電気分解による消費電力を削減することができるため、経済的に使用することができる。また、陽極部１１０と陰極部１２０のイオン平衡を維持して安定した電気分解反応が連続して行われるようにすることができる。

【実施例】

【0055】

図４を参照すると、本発明の第２実施例に係る電気分解装置１００’は、(1)電解槽１０１内の陽極部１１０に設置される陽極１１１と、(2)陰極部１２０に設置される陰極１２１と、(3)陽極部１１０と陰極部１２０を区分する隔膜１３０’と、(4)前記陽極部１１０に電解質としてアルカリ溶液を供給するためのアルカリ溶液供給部１４１と、(5)前記陰極部１２０に電解質として酸性溶液を供給するための酸性溶液供給部１４３と、(6)前記陽極部１１０及び陰極部１２０のそれぞれで生成された電気分解水を排出するための第１及び第２排出部１５１’、１５３と、を備える。

【0056】

前記陽極１１１及び陰極１２１のそれぞれにおける陽極反応及び陰極反応は、先立って図３を介して説明した第１実施例の場合と同様である。

【0057】

前記隔膜１３０’は、陽イオン交換膜１３２を含む。このような陽イオン交換膜１３２は、陽極部１１０の陽イオンを陰極部１２０へと透過させるとともに、陰極部１２０の陰イオンが陽極部１１０へと透過することを遮断する。したがって、陽極部１１０から隔膜１３０’を透過して陰極部１２０に移動した陽イオンは、陰極部１２０の陰イオンと反応して塩を生成することにより、イオン平衡を維持することができる。

【0058】

このように陰極部１２０で生成された塩は、未反応の残留酸性溶液と共に、第２排出部１５３を介して塩の使用先又は電解質再生手段１６０に供給される。

【0059】

前記第１排出部１５１’は、陽極部１１０での電気分解後の反応残留アルカリ溶液を含む水溶液（Ｈ_２Ｏ）を排出する。

【0060】

また、前記陽イオン交換膜１３２の一側面には触媒層１３３が設置されることが好ましい。このとき、触媒層１３３は、陽イオン交換膜１３２の陽極部側の側面に設置されることが好ましい。触媒層１３３では、水分解触媒の触媒反応を介して水が分解されて、水酸化イオン（ＯＨ^－）と水素イオン（Ｈ^＋）を生成する。生成された水素イオン（Ｈ^＋）は、陽イオン交換膜を介して陰極部１２０に移動して、陰極１２１反応によって消耗された水素イオン（Ｈ^＋）を補う。水酸化イオン（ＯＨ^－）は、陽イオン交換膜を透過せずに陽極部１１０に残留することで、陽極部１１０の陽極１１１反応により消耗される水酸化イオン（ＯＨ^－）を補う。これに伴い、電解反応とイオン平衡のために移動するイオンで形成される陰極部１２０の塩の生成量が下がるか、或いは生成されなくなって、溶液状態をより健全に維持させることができる。

【0061】

ここで、前記触媒層１３３は、図面上において、陽イオン交換膜１３２の一側面に一部だけを示しているが、これは、図面の説明の便宜のためのものに過ぎず、実際の実施では、陽イオン交換膜１３２の一側面の領域全体に触媒層１３３が設置されるように構成することが好ましい。

【0062】

そして、前記陽極部１１０には、電解質としてアルカリ溶液を供給するためのアルカリ溶液供給部１４１が連結され、前記陰極部１２０には、電解質として酸性溶液を供給するための酸性溶液供給部１４５が連結される。

【0063】

また、前記陰極部１２０で生成されて第２排出部１５３を介して排出された塩溶液は、別途、又は第１排出部１５１’の電気分解水と一緒に、電解槽の外部の電解質再生手段１６０を介して、酸とアルカリ溶液に再生産して電解槽へ再供給されるように構成できる。

【0064】

前記構成を有する本発明の第２実施例に係る電気分解装置１００’の場合にも、陽極反応時の理論的標準電位は０．４０１Ｖであり、陰極反応時の標準電位は０．００Ｖである。したがって、全体反応時の標準電位は０．４０１Ｖであって、従来技術に比べて電力使用量を大幅に減らすことができる。

【0065】

図５を参照すると、本発明の第３実施例に係る電気分解装置１００”は、(1)電解槽１０１内の陽極部１１０に設置される陽極１１１と、(2)陰極部１２０に設置される陰極１２１と、(3)陽極部１１０と陰極部１２０を区分する隔膜１３０”と、(4)前記陽極部１１０に電解質としてアルカリ溶液を供給するためのアルカリ溶液供給部１４１と、(5)前記陰極部１２０に電解質として酸性溶液を供給するための酸性溶液供給部１４３と、(6)前記陽極部１１０及び前記陰極部１２０のそれぞれで生成された塩と電気分解水を排出するための第１及び第２排出部１５１、１５３’と、を備える。

【0066】

ここで、前記隔膜１３０”は、陰イオン交換膜１３４を含む。陰イオン交換膜１３４は、陰極部１２０で生成された陰イオンを陽極部１１０へと透過させるとともに、陽極部１１０の陽イオンが陰極部１２０へと透過することを遮断する。よって、陽極部１１０では、陰極部１２０から移動した陰イオンが陽イオンと反応して塩を生成する。

【0067】

前記陰イオン交換膜１３４の一側面には、触媒層１３３がさらに構成されることが好ましい。実施例に係る前記触媒層１３３は、陰イオン交換膜１３４の陰極部１２０の側面に設置され、水を分解して水酸化イオン（ＯＨ^－）と水素イオン（Ｈ^＋）を生成する。陰極部１２０で触媒層１３３によって生成された水酸化イオン（ＯＨ^－）は、陰イオン交換膜１３４を介して陽極部１１０に移動し、図４の説明のように、電解反応から消耗される水素イオン（Ｈ^＋）と水酸化イオン（ＯＨ^－）を補うことにより、電解質溶液の健全性をより一層高めることができる。

【0068】

前記第１排出部１５１は、陽極部１１０で生成された塩を使用先へ排出するように連結され、第２排出部１５３’は、陰極部１２０で生成された電気分解水（Ｈ_２Ｏ）を外部へ排出するように連結される。

【0069】

また、前記陽極部１１０で生成されて第１排出部１５１を介して排出された塩溶液は、別途、又は第２排出部１５３’の電気分解水と一緒に、電解槽の外部の電解質再生手段１６０を介して、酸とアルカリ溶液に再生産されて電解槽へ再供給されるように構成することが好ましい。

【0070】

図５に示すように、電気分解装置１００”の場合にも、全体的な反応での標準電位が０．４０１Ｖであって、従来技術に比べて電力使用量を大幅に減らすことができる。

【0071】

図６を参照すると、本発明の第４実施例に係る電気分解装置２００は、電解槽２０１内の陽極部１１０に設置される陽極１１１と、陰極部１２０に設置される陰極１２１と、陽極部１１０と陰極部１２０を区分する隔膜２３０と、前記陽極部１１０に電解質としてアルカリ溶液を供給するためのアルカリ溶液供給部１４１と、前記陰極部１２０に電解質として酸性溶液を供給するための酸性溶液供給部１４３と、前記陽極部１１０及び陰極部１２０のそれぞれで使用された電解水を排出するための第１及び第２排出部１５１”、１５３”と、を備える。

【0072】

ここで、前記隔膜２３０は、陰極部１２０側に設置される陽イオン交換膜２３２と、陽極部１１０側に設置される陰イオン交換膜２３４と、を備える。好ましくは、隔膜２３０は、陽イオン交換膜２３２と陰イオン交換膜２３４との間には触媒層２３３が設置される。

【0073】

前記構成によれば、陽極部１１０では、前述した陽極反応が同一に行われ、陰極部１２０でも陰極反応が同一に行われる。このような電極反応によりイオン平衡が崩れるのであるが、崩れたイオン平衡を合わせるために、陽極部１１０の陽イオンは陰極部へ移動しようとし、陰極部１２０の陰イオンは陽極部１１０へ移動しようとする。ところが、それぞれのイオン交換膜２３２、２３４の選択的透過特性のために移動できなくなる。

【0074】

その代わりに、各イオン交換膜２３２、２４３の間に位置した水が、水素イオン（Ｈ^＋）と水酸化イオン（ＯＨ^－）に水分解されることで、水酸化イオン（ＯＨ^－）は陽極部１１０に透過されて移動し、水素イオン（Ｈ^＋）は陰極部１２０に透過されて移動することにより、イオン平衡を合わせることができる。

【0075】

ここで、好ましくは、陽イオン交換膜２３２と陰イオン交換膜２３４との間に触媒層２３３が挿入されて設置されることがよい。このような触媒層２３３には、外部の水を吸収することができる吸水剤を含むことがさらに好ましい。

【0076】

前記吸水剤は、水（Ｈ_２Ｏ）との親和力が大きい物質であって、キトサン（Ｃｈｉｔｏｓａｎ）、ポリ(アクリルアミド)（ｐｏｌｙ(ａｃｒｙｌａｍｉｄｅ), ＰＡＭ）、ポリ(エチレンオキシド)（ｐｏｌｙ(ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ), ＰＥＯ）、ポリ(ビニルアルコール)（ｐｏｌｙ(ｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ), ＰＶＡ）、ポリ(ビニルピロリドン)（ｐｏｌｙ(ｖｉｎｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ), ＰＮＶＰ）、及びポリ(ヒドロキシエチルアクリレート)（ｐｏｌｙ(ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ ａｃｒｙｌａｔｅ), ＰＨＥＡ）などといった親水性高分子物質、シリカゲル、エアロゲルなどといった無機系親水性物質、親水性化学物質などの、自身の形態は維持しながら水（Ｈ_２Ｏ）に対する吸収性の高い物質を、使用することができる。したがって、触媒層２３３は、水を吸収して、より効果的に水分解反応が起こるようにし、水酸化イオン（ＯＨ^－）と水素イオン（Ｈ^＋）が生成されるようにすることで、陽極部１１０と陰極部１２０とのイオン平衡を、効果的に成り立たせるようにすることができる。

【0077】

ここで、前記第１乃至第４実施例で説明した触媒層１３３、２３３は、Ｆｅ及びＣｒから選択される少なくとも一つについての水酸化物又は酸化物、並びに、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｎｉなどの物質群よりなる酸化物又は水酸化物などで形成されうる。

【0078】

また、さらに好ましくは、隔膜２３０は、陽イオン交換膜２３２と陰イオン交換膜２３４を基本構成とするが、内部の触媒層２３３が陽イオン交換膜２３２と陰イオン交換膜２３４との間に介在されて一体型に形成された、いわゆる両性イオン交換膜からなることがよい。この場合、設置作業が容易であり、サイズを減らしてコンパクトに製作することができる。

【0079】

また、両性イオン膜で一体型に製作して設置すると、電極反応時に隔膜にかかる抵抗を減らすことができるのであり、従来の水電解方式と同一であるように電解質の変化がなくなって、別途の塩を分離又は処理せずに、継続的に使用することができるという利点がある。

【0080】

前記構成を有する第４実施例に係る電気分解装置２００は、陽極部１１０と陰極部１２０のそれぞれにて、前述のような陽極反応と陰極反応がそれぞれ行われ、全反応で０．４０１Ｖの標準電位を持つようになって電力消費量を削減することができる。

【0081】

そして、陽極部１１０へは、アルカリ溶液供給部１４１を介してアルカリ溶液が電解質として供給され、陰極部１２０へは、酸性溶液供給部１４３を介して酸性溶液が電解質として供給される。陽極部１１０と陰極部１２０のそれぞれでは、流入した電解質の変化なしにそのまま維持されることにより、塩を別途処理するか或いは分離する必要がなくなる。陽極部１１０で電気分解に使用されたアルカリ溶液は、第１排出部１５１”を介して排出され、アルカリ溶液供給部１４１へと再循環されて再利用できる。また、陰極部１２０で電気分解に使用された酸性溶液は、第２排出部１５３”を介して排出され、酸性溶液供給部１４３へと再循環されて再利用できる。

【0082】

このとき、第１排出部１５１”と第２排出部１５３”から排出される電気分解水は、電解槽の外部の電解質再生手段１６０を介して、一部失われるおそれのある酸とアルカリ溶液をさらに生成して、電解槽へと再供給されるように構成することができる。

【0083】

このように、塩を分離及び処理する必要がなくなって装置を簡素化及び小型化することができる。特に、電解質から塩を分離するか或いは別途処理する必要がないので、そのまま再利用することができて費用を削減することができるという利点がある。

【0084】

また、図５及び図６では示していないが、図３及び図４を介して説明した電解質再生手段１６０を適用し、酸とアルカリ溶液に再生産して電解槽へ再供給されるように構成することができるものと理解されるべきである。

【0085】

以上、本発明の特定の実施例について説明及び図示されたが、本発明は、記載された実施例に限定されるものではなく、本発明の思想及び範囲を逸脱することなく、様々に修正及び変形することができることは、当該技術分野における通常の知識を有する者に自明であろう。したがって、それらの修正例又は変形例は、本発明の技術思想や観点から、個別的に理解されてはならないのであり、変形した実施例は、本発明の特許請求の範囲に属するというべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】