(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】2024-03-13
(45)【発行日】2024-03-22
(54)【発明の名称】電解槽、電解装置、電解方法
(51)【国際特許分類】
C25B 9/00 20210101AFI20240314BHJP
C25B 9/75 20210101ALI20240314BHJP
C25B 9/77 20210101ALI20240314BHJP
【ＦＩ】
C25B9/00 A
C25B9/75
C25B9/77
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2020065044
(22)【出願日】2020-03-31
(65)【公開番号】P2021161498
(43)【公開日】2021-10-11
【審査請求日】2022-12-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000000033
【氏名又は名称】旭化成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100181272
【弁理士】
【氏名又は名称】神 紘一郎
(72)【発明者】
【氏名】大野 純
(72)【発明者】
【氏名】内野 陽介
(72)【発明者】
【氏名】藤本 則和
【審査官】瀧口 博史
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／１８２００５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／１７４２８１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／１３９６１６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０６１４８９９３（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許第０４２６３１１２（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開昭５４－１００９８２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２５Ｂ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
陽極ターミナルエレメントと陰極ターミナルエレメントとを備え、
前記陽極ターミナルエレメントと前記陰極ターミナルエレメントとの間に、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、
前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する入口ヘッダーと、前記隔壁及び／又は外枠の内方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する出口ヘッダーと、を備えることを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解槽。
【請求項2】
前記複極式エレメントの通電面の面積をＳ１、前記入口ヘッダーの流路の断面積をＳ２ｉ、前記出口ヘッダーの流路の断面積をＳ２ｏ、前記入口ヘッダーの流路の長さをＬ２ｉ、前記出口ヘッダーの流路の長さをＬ２ｏとしたときに、（（Ｓ２ｉ／Ｓ１）／Ｌ２ｉ）／（（Ｓ２ｏ／Ｓ１）／Ｌ２ｏ）が０．０００１～０．５である、請求項１に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
【請求項3】
５０～５００の複極式エレメントを有する、請求項１又は２に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
【請求項4】
前記Ｓ１が０．１～１０ｍ２である、請求項２に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
【請求項5】
電解セルの厚さｄが５～１００ｍｍである、請求項１～４のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。ここで、電解セルの厚さｄは、隣接する２つの前記複極式エレメントの隔壁同士の間の隔壁に垂直な方向についての距離、隣接する前記複極式エレメントの隔壁と前記陽極ターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁に垂直な方向についての距離、又は隣接する前記複極式エレメントの隔壁と前記陰極ターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁に垂直な方向についての距離を意味する。
【請求項6】
前記入口ヘッダーの耐圧が０．１～１０ＭＰａである、請求項１～５のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
【請求項7】
前記入口ヘッダーの少なくとも一部が可撓性素材である、請求項１～６のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
【請求項8】
前記入口ヘッダーの少なくとも一部が絶縁性である、請求項１～７のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
【請求項9】
前記入口ヘッダーと前記外枠との間に、電気的な絶縁層を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
【請求項10】
前記電気的な絶縁層の抵抗値が０．１ＭΩ以上である、請求項９に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
【請求項11】
前記出口ヘッダーが、ニッケル、樹脂、及び樹脂でコーティングされた金属からなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
【請求項12】
請求項１～１１のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽と、電解液を循環させるための送液ポンプと、
電解液と水素及び／又は酸素とを分離する気液分離タンクと、
水を補給するための水補給器と
を含むことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解装置。
【請求項13】
前記アルカリ水電解用複極式電解装置への電力供給の停止時に、電力供給の停止を検知する検知器、及び、前記送液ポンプを自動停止する制御器を更に含む、請求項１２に記載のアルカリ水電解用複極式電解装置。
【請求項14】
請求項１２又は１３に記載のアルカリ水電解用電解装置への電力供給の停止時に、前記送液ポンプを停止することを特徴とする、アルカリ水電解方法。
【請求項15】
請求項１２又は１３に記載のアルカリ水電解用電解装置への電力供給の停止時に、電解液の液面を前記出口ヘッダーの前記電極室への連通口より下方に制御することを特徴とする、アルカリ水電解方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用複極式電解装置、アルカリ水電解方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、二酸化炭素等の温室効果ガスによる地球温暖化、化石燃料の埋蔵量の減少等の問題を解決するため、再生可能エネルギーを利用した風力発電や太陽光発電等の技術が注目されている。
【0003】
再生可能エネルギーは、出力が気候条件に依存するため、その変動が非常に大きいという性質がある。そのため、再生可能エネルギーによる発電で得られた電力を一般電力系統に輸送することが常に可能とはならず、電力需給のアンバランスや電力系統の不安定化等の社会的な影響が懸念されている。
【0004】
そこで、再生可能エネルギーから発電された電力を、貯蔵及び輸送が可能な形に代えて、これを利用しようとする研究が行われている。具体的には、再生可能エネルギーから発電された電力を利用した水の電気分解（電解）により、貯蔵及び輸送が可能な水素を発生させ、水素をエネルギー源や原料として利用することが検討されている。
【0005】
水素は、石油精製、化学合成、金属精製等の場面において、工業的に広く利用されており、近年では、燃料電池車（ＦＣＶ）向けの水素ステーションやスマートコミュニティ、水素発電所等における利用の可能性も広がっている。このため、再生可能エネルギーから特に高純度の水素を得る技術の開発に対する期待は高い。
【0006】
水の電気分解の方法としては、固体高分子型水電解法、高温水蒸気電解法、アルカリ水電解法等がある。この中で、数十年以上前から工業化されていること、大規模に実施することができること、他の水電解装置に比べると安価であること等から、アルカリ水電解は特に有力なものの一つとされている。
【0007】
しかしながら、アルカリ水電解を今後エネルギーの貯蔵及び輸送のための手段として適応させるためには、前述のとおり出力の変動が大きい電力を効率的且つ安定的に利用して水電解を行うことを可能にする必要がある。そのため、アルカリ水電解用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】
例えば、アルカリ水電解用複極式電解装置において、電解液を配液又は集液する管であるヘッダー（マニホールド）の流路の長さや断面積、通電面の面積を調節することにより、装置の電気抵抗を調整し、リーク電流（逆電流）による電極の劣化を抑制して、装置の耐久性の向上を図ることが報告されている（特許文献１及び２）。
上記ヘッダーとしては、その配設態様により、代表的には、電解槽と一体化している（電解槽内部に設けられている）内部ヘッダー型と、電解槽とは独立している（電解槽の外部に設けられている）外部ヘッダー型とがある。
上記ヘッダーとしては、その配設態様により、代表的には、電解槽と一体化している（電解槽内部に設けられている）内部ヘッダー型と、電解槽とは独立している（電解槽の外部に設けられている）外部ヘッダー型とがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特開第２０１９－０１９３７９号公報
【文献】国際公開第２０１８／１３９５９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
内部ヘッダー型アルカリ水電解用複極式電解槽の場合、リーク電流が大きくなり易く、このリーク電流により、陰極側で水素ガスの他に酸素ガスも発生する、或いは、陽極側で酸素ガスの他に水素ガスも発生することで、水素ガスと酸素ガスとの混合ガスが生成され、ガス純度が悪化するという問題がある。また、水素ガスと酸素ガスとの混合ガスは、爆発性ガスであるため、安全面でも問題である。
このリーク電流を小さくする手段の一つとして、電気抵抗を大きくすることが挙げられる。電気抵抗は、ヘッダーの流路の断面積と電解セルの厚さで決まるため、電気抵抗を大きくするには、ヘッダーの流路の断面積を小さくしたり、電解セルの厚みを増やしたりするといった設計上の調整をすることが考えられる。しかしながら、内部ヘッダー型アルカリ水電解用複極式電解槽では、その構造上、これらの設計調整が困難である。
また、内部ヘッダーの配管において均一な流量配分を得るには、内部ヘッダーの配管の各電解セル入口における流体的な抵抗が大きいことが求められる。内部ヘッダーの配管には、電解液や発生したガスを流出入させるための孔（切り欠き）があり、この孔の数を増やしたり、大きさを小さくしたりすることで各電解セル入口における流体的な抵抗を上げることが可能であるが、内部ヘッダーの構造上、これらの調整は非常に狭い範囲でしか行うことができず、困難である。更に、孔が小さ過ぎると、異物等による詰まりが生じることがあるが、内部ヘッダーでは、構造上、この孔の詰まりの視認性が悪く、詰まりの解消のためには電解槽を解枠する必要がある。
このリーク電流を小さくする手段の一つとして、電気抵抗を大きくすることが挙げられる。電気抵抗は、ヘッダーの流路の断面積と電解セルの厚さで決まるため、電気抵抗を大きくするには、ヘッダーの流路の断面積を小さくしたり、電解セルの厚みを増やしたりするといった設計上の調整をすることが考えられる。しかしながら、内部ヘッダー型アルカリ水電解用複極式電解槽では、その構造上、これらの設計調整が困難である。
また、内部ヘッダーの配管において均一な流量配分を得るには、内部ヘッダーの配管の各電解セル入口における流体的な抵抗が大きいことが求められる。内部ヘッダーの配管には、電解液や発生したガスを流出入させるための孔（切り欠き）があり、この孔の数を増やしたり、大きさを小さくしたりすることで各電解セル入口における流体的な抵抗を上げることが可能であるが、内部ヘッダーの構造上、これらの調整は非常に狭い範囲でしか行うことができず、困難である。更に、孔が小さ過ぎると、異物等による詰まりが生じることがあるが、内部ヘッダーでは、構造上、この孔の詰まりの視認性が悪く、詰まりの解消のためには電解槽を解枠する必要がある。
【0011】
一方、外部ヘッダー型アルカリ水電解用複極式電解槽では、収集する発生ガスの体積を考慮して、入口ヘッダー（ホース）よりも出口ヘッダー（ホース）を太くしなければならない。しかしながら、出口ヘッダーの太径化に合わせて出口ヘッダーを接続するためのノズルを太くし過ぎると、ノズル同士の干渉が生じるという問題がある。更に、このノズル同士の干渉を解消するために電解セルを厚くしていくと、電解槽全体が肥大化するという問題も生じる。
また、出口ヘッダー（ホース）は、径が太くなるほど耐圧性が弱くなり、加圧運転に耐え得るものとするには、耐圧性を向上させるために出口ヘッダーを肉厚化する等が必要となる。
また、出口ヘッダー（ホース）は、径が太くなるほど耐圧性が弱くなり、加圧運転に耐え得るものとするには、耐圧性を向上させるために出口ヘッダーを肉厚化する等が必要となる。
【0012】
そこで、本発明は、リーク電流の発生が抑制されてガス純度の悪化が防止され、電解セルの薄型化及び加圧運転が可能なアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用複極式電解装置、及びアルカリ水電解方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
即ち、本発明は以下のとおりである。
［１］
陽極ターミナルエレメントと陰極ターミナルエレメントとを備え、
前記陽極ターミナルエレメントと前記陰極ターミナルエレメントとの間に、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、
前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する入口ヘッダーと、前記隔壁及び／又は外枠の内方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する出口ヘッダーと、を備えることを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解槽。
［２］
前記複極式エレメントの通電面の面積をＳ１、前記入口ヘッダーの流路の断面積をＳ２ｉ、前記出口ヘッダーの流路の断面積をＳ２ｏ、前記入口ヘッダーの流路の長さをＬ２ｉ、前記出口ヘッダーの流路の長さをＬ２ｏとしたときに、（（Ｓ２ｉ／Ｓ１）／Ｌ２ｉ）／（（Ｓ２ｏ／Ｓ１）／Ｌ２ｏ）が０．０００１～０．５である、［１］に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［３］
５０～５００の複極式エレメントを有する、［１］又は［２］に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［４］
前記Ｓ１が０．１～１０ｍ２である、［２］に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［５］
電解セルの厚さｄが５～１００ｍｍである、［１］～［４］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
ここで、電解セルの厚さｄは、隣接する２つの前記複極式エレメントの隔壁同士の間の隔壁に垂直な方向についての距離、隣接する前記複極式エレメントの隔壁と前記陽極ターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁に垂直な方向についての距離、又は隣接する前記複極式エレメントの隔壁と前記陰極ターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁に垂直な方向についての距離を意味する。
［６］
前記入口ヘッダーの耐圧が０．１～１０ＭＰａである、［１］～［５］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［７］
前記入口ヘッダーの少なくとも一部が可撓性素材である、［１］～［６］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［８］
前記入口ヘッダーの少なくとも一部が絶縁性である、［１］～［７］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［９］
前記入口ヘッダーと前記外枠との間に、電気的な絶縁層を有する、［１］～［８］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［１０］
前記電気的な絶縁層の抵抗値が０．１ＭΩ以上である、［９］に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［１１］
前記出口ヘッダーが、ニッケル、樹脂、及び樹脂でコーティングされた金属からなる群から選択される少なくとも１つを含む、［１］～［１０］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［１２］
［１］～［１１］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽と、
電解液を循環させるための送液ポンプと、
電解液と水素及び／又は酸素とを分離する気液分離タンクと、
水を補給するための水補給器と
を含むことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解装置。
［１３］
前記アルカリ水電解用複極式電解装置への電力供給の停止時に、電力供給の停止を検知する検知器、及び、前記送液ポンプを自動停止する制御器を更に含む、［１２］に記載のアルカリ水電解用複極式電解装置。
［１４］
［１２］又は［１３］に記載のアルカリ水電解用電解装置への電力供給の停止時に、前記送液ポンプを停止することを特徴とする、アルカリ水電解方法。
［１５］
［１２］又は［１３］に記載のアルカリ水電解用電解装置への電力供給の停止時に、電解液の液面を前記出口ヘッダーの前記電極室への連通口より下方に制御することを特徴とする、アルカリ水電解方法。
［１］
陽極ターミナルエレメントと陰極ターミナルエレメントとを備え、
前記陽極ターミナルエレメントと前記陰極ターミナルエレメントとの間に、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、
前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する入口ヘッダーと、前記隔壁及び／又は外枠の内方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する出口ヘッダーと、を備えることを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解槽。
［２］
前記複極式エレメントの通電面の面積をＳ１、前記入口ヘッダーの流路の断面積をＳ２ｉ、前記出口ヘッダーの流路の断面積をＳ２ｏ、前記入口ヘッダーの流路の長さをＬ２ｉ、前記出口ヘッダーの流路の長さをＬ２ｏとしたときに、（（Ｓ２ｉ／Ｓ１）／Ｌ２ｉ）／（（Ｓ２ｏ／Ｓ１）／Ｌ２ｏ）が０．０００１～０．５である、［１］に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［３］
５０～５００の複極式エレメントを有する、［１］又は［２］に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［４］
前記Ｓ１が０．１～１０ｍ２である、［２］に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［５］
電解セルの厚さｄが５～１００ｍｍである、［１］～［４］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
ここで、電解セルの厚さｄは、隣接する２つの前記複極式エレメントの隔壁同士の間の隔壁に垂直な方向についての距離、隣接する前記複極式エレメントの隔壁と前記陽極ターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁に垂直な方向についての距離、又は隣接する前記複極式エレメントの隔壁と前記陰極ターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁に垂直な方向についての距離を意味する。
［６］
前記入口ヘッダーの耐圧が０．１～１０ＭＰａである、［１］～［５］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［７］
前記入口ヘッダーの少なくとも一部が可撓性素材である、［１］～［６］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［８］
前記入口ヘッダーの少なくとも一部が絶縁性である、［１］～［７］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［９］
前記入口ヘッダーと前記外枠との間に、電気的な絶縁層を有する、［１］～［８］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［１０］
前記電気的な絶縁層の抵抗値が０．１ＭΩ以上である、［９］に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［１１］
前記出口ヘッダーが、ニッケル、樹脂、及び樹脂でコーティングされた金属からなる群から選択される少なくとも１つを含む、［１］～［１０］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
［１２］
［１］～［１１］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽と、
電解液を循環させるための送液ポンプと、
電解液と水素及び／又は酸素とを分離する気液分離タンクと、
水を補給するための水補給器と
を含むことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解装置。
［１３］
前記アルカリ水電解用複極式電解装置への電力供給の停止時に、電力供給の停止を検知する検知器、及び、前記送液ポンプを自動停止する制御器を更に含む、［１２］に記載のアルカリ水電解用複極式電解装置。
［１４］
［１２］又は［１３］に記載のアルカリ水電解用電解装置への電力供給の停止時に、前記送液ポンプを停止することを特徴とする、アルカリ水電解方法。
［１５］
［１２］又は［１３］に記載のアルカリ水電解用電解装置への電力供給の停止時に、電解液の液面を前記出口ヘッダーの前記電極室への連通口より下方に制御することを特徴とする、アルカリ水電解方法。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、リーク電流の発生が抑制されてガス純度の悪化が防止され、電解セルの薄型化及び加圧運転が可能なアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用複極式電解装置、及びアルカリ水電解方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の全体について示す側面図である。
【図3】本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の一部の、複極式エレメント、ヘッダー、導管について示す斜視図である。
【図4】本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例を示す平面図である。
【図6】本実施形態のアルカリ水電解用電解装置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
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。
【0017】
（アルカリ水電解用複極式電解槽）
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽は、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する入口ヘッダーと、前記外枠の内方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する出口ヘッダーと、を備えることを特徴とする。
以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の構成について、図を参照しながら説明する。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽は、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する入口ヘッダーと、前記外枠の内方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する出口ヘッダーと、を備えることを特徴とする。
以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の構成について、図を参照しながら説明する。
【0018】
図１に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の全体についての側面図を示す。
図２に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例のゼロギャップ構造の側面図を、図１に示す破線四角枠の部分について示す。
図３に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の一部の、複極式エレメント、ヘッダー、導管についての斜視図を示す。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０は、図１及び図２に示すとおり、陽極２ａと、陰極２ｃと、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１と、隔壁１を縁取る外枠３とを備える複数の複極式エレメント６０が隔膜４を挟んで重ね合わせられている複極式電解槽５０である。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、特に限定されないが、隔膜４が陽極２ａ及び陰極２ｃと接触したゼロギャップ構造Ｚが形成されていることが好ましい（図２参照）。
図２に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例のゼロギャップ構造の側面図を、図１に示す破線四角枠の部分について示す。
図３に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の一部の、複極式エレメント、ヘッダー、導管についての斜視図を示す。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０は、図１及び図２に示すとおり、陽極２ａと、陰極２ｃと、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１と、隔壁１を縁取る外枠３とを備える複数の複極式エレメント６０が隔膜４を挟んで重ね合わせられている複極式電解槽５０である。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、特に限定されないが、隔膜４が陽極２ａ及び陰極２ｃと接触したゼロギャップ構造Ｚが形成されていることが好ましい（図２参照）。
【0019】
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。
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。
【0020】
（（複極式エレメント））
一例のアルカリ水電解用複極式電解槽５０に用いられる複極式エレメント６０は、図１及び図２に示すように、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１を備え、隔壁１を縁取る外枠３を備えている。より具体的には、隔壁１は導電性を有し、外枠３は隔壁１の外縁に沿って隔壁１を取り囲むように設けられている。
一例のアルカリ水電解用複極式電解槽５０に用いられる複極式エレメント６０は、図１及び図２に示すように、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１を備え、隔壁１を縁取る外枠３を備えている。より具体的には、隔壁１は導電性を有し、外枠３は隔壁１の外縁に沿って隔壁１を取り囲むように設けられている。
【0021】
なお、本実施形態では、複極式エレメント６０は、通常、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が、鉛直方向となるように使用してよく、具体的には、図２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３～図５参照）。そして、本明細書では、上記鉛直方向を電解液通過方向とも称する。
【0022】
本実施形態では、図１に示すとおり、複極式電解槽５０は複極式エレメント６０を必要数積層（スタック）することで構成されている。
図１及び図２に示す一例では、複極式電解槽５０は、一端からファストヘッド５１ｇ、絶縁板５１ｉ、陽極ターミナルエレメント５１ａが順番に並べられ、更に、陽極側ガスケット部分７、隔膜４、陰極側ガスケット部分７、複極式エレメント６０が、この順番で並べて配置される。このとき、複極式エレメント６０は陽極ターミナルエレメント５１ａ側に陰極２ｃを向けるよう配置する。陽極側ガスケット部分７から複極式エレメント６０までは、設計生産量に必要な数だけ繰り返し配置される。陽極側ガスケット部分７から複極式エレメント６０までを必要数だけ繰り返し配置した後、再度、陽極側ガスケット部分７、隔膜４、陰極側ガスケット部分７を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント５１ｃ、絶縁板５１ｉ、ルーズヘッド５１ｇをこの順番で配置する。複極式電解槽５０は、全体をタイロッド５１ｒ（図１参照）や油圧シリンダー方式等の締め付け機構で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。
図１及び図２に示す一例では、複極式電解槽５０は、一端からファストヘッド５１ｇ、絶縁板５１ｉ、陽極ターミナルエレメント５１ａが順番に並べられ、更に、陽極側ガスケット部分７、隔膜４、陰極側ガスケット部分７、複極式エレメント６０が、この順番で並べて配置される。このとき、複極式エレメント６０は陽極ターミナルエレメント５１ａ側に陰極２ｃを向けるよう配置する。陽極側ガスケット部分７から複極式エレメント６０までは、設計生産量に必要な数だけ繰り返し配置される。陽極側ガスケット部分７から複極式エレメント６０までを必要数だけ繰り返し配置した後、再度、陽極側ガスケット部分７、隔膜４、陰極側ガスケット部分７を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント５１ｃ、絶縁板５１ｉ、ルーズヘッド５１ｇをこの順番で配置する。複極式電解槽５０は、全体をタイロッド５１ｒ（図１参照）や油圧シリンダー方式等の締め付け機構で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。
【0023】
図１に示すように、複極式電解槽５０では、複極式エレメント６０が、陽極ターミナルエレメント５１ａと陰極ターミナルエレメント５１ｃとの間に配置されている。隔膜４は、陽極ターミナルエレメント５１ａと複極式エレメント６０との間、隣接して並ぶ複極式エレメント６０同士の間、及び複極式エレメント６０と陰極ターミナルエレメント５１ｃとの間に配置されている。
【0024】
また、本実施形態における複極式電解槽５０では、図２～５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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。更に、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。
【0028】
本実施形態における複極式電解槽５０は、外枠３の外方に、電極室５に連通する入口ヘッダー１０と、隔壁１及び／又は外枠３の内方に、電極室５に連通する出口ヘッダー１１とを備える（図３参照）。
【0029】
本実施形態の複極式電解槽５０は、ガスや電解液を配液又は集液する管であるヘッダーが取り付けられる。詳細には、ヘッダーは、電極室５に電解液を入れるための入口ヘッダー１０と電極室５からガスや電解液を出すための出口ヘッダー１１とからなる。
本実施形態の複極式電解槽５０では、入口ヘッダー１０として外部ヘッダー型を採用し、出口ヘッダー１１として内部ヘッダー型を採用する。
入口ヘッダー１０を外部ヘッダー型とすることにより、内部ヘッダーを用いた場合と比較して、リーク電流経路を短縮することができ、リーク電流に起因するガス純度の悪化を低減することができる。また、電解セルの構造とは関係なく、ヘッダーの長さ及び径を調整することができるため、電気抵抗、流体抵抗の調整が容易である。また、外部ヘッダーであると、異物等の混入によりヘッダーが詰まった場合でも、外部ヘッダーを取り外すことで簡単に対処することができる。
また、出口ヘッダー１１を内部ヘッダー型とすることにより、外部ヘッダーとは異なり、ノズルを用いる必要がないため、ノズル同士が干渉するという問題が生じなくなり、その解消ための電解セルの肥大化も回避できるため、電解セルを薄型化することができる。更に、外部ヘッダーよりも耐圧性が増すため、加圧運転にも対応可能となる。
なお、外部ヘッダー型とは、ヘッダーが複極式電解槽とは独立している（電解槽の外部に設けられている）形式をいい、複極式電解槽と絶縁性部材で区切られている等、複極式電解槽と電気的に絶縁されているものとしてよい。また、内部ヘッダー型とは、ヘッダーが複極式電解槽と一体化している（電解槽内部に設けられている）形式であり、複極式電解槽と電気的に絶縁されていないものとしてよい。
図３～図５に示す一例では、隔壁１の端縁にある外枠３の下方に、陽極室５ａに電解液を入れる外部ヘッダー型の陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉと、陰極室５ｃに電解液を入れる外部ヘッダー型の陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉとを備えている。また、隔壁１の端縁にある外枠３のうちの上方に、陽極室５ａから電極液を出す内部ヘッダー型の陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏと、陰極室５ｃから電解液を出す内部ヘッダー型の陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏとを備えている。
また、図３～図５に示す一例では、陽極室５ａ及び陰極室５ｃにおいて、入口ヘッダー１０と出口ヘッダー１１とが、電極室５の中央部を挟んで向かい合うように設けられている。
本実施形態の複極式電解槽５０では、入口ヘッダー１０として外部ヘッダー型を採用し、出口ヘッダー１１として内部ヘッダー型を採用する。
入口ヘッダー１０を外部ヘッダー型とすることにより、内部ヘッダーを用いた場合と比較して、リーク電流経路を短縮することができ、リーク電流に起因するガス純度の悪化を低減することができる。また、電解セルの構造とは関係なく、ヘッダーの長さ及び径を調整することができるため、電気抵抗、流体抵抗の調整が容易である。また、外部ヘッダーであると、異物等の混入によりヘッダーが詰まった場合でも、外部ヘッダーを取り外すことで簡単に対処することができる。
また、出口ヘッダー１１を内部ヘッダー型とすることにより、外部ヘッダーとは異なり、ノズルを用いる必要がないため、ノズル同士が干渉するという問題が生じなくなり、その解消ための電解セルの肥大化も回避できるため、電解セルを薄型化することができる。更に、外部ヘッダーよりも耐圧性が増すため、加圧運転にも対応可能となる。
なお、外部ヘッダー型とは、ヘッダーが複極式電解槽とは独立している（電解槽の外部に設けられている）形式をいい、複極式電解槽と絶縁性部材で区切られている等、複極式電解槽と電気的に絶縁されているものとしてよい。また、内部ヘッダー型とは、ヘッダーが複極式電解槽と一体化している（電解槽内部に設けられている）形式であり、複極式電解槽と電気的に絶縁されていないものとしてよい。
図３～図５に示す一例では、隔壁１の端縁にある外枠３の下方に、陽極室５ａに電解液を入れる外部ヘッダー型の陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉと、陰極室５ｃに電解液を入れる外部ヘッダー型の陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉとを備えている。また、隔壁１の端縁にある外枠３のうちの上方に、陽極室５ａから電極液を出す内部ヘッダー型の陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏと、陰極室５ｃから電解液を出す内部ヘッダー型の陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏとを備えている。
また、図３～図５に示す一例では、陽極室５ａ及び陰極室５ｃにおいて、入口ヘッダー１０と出口ヘッダー１１とが、電極室５の中央部を挟んで向かい合うように設けられている。
【0030】
更に、図３及び図４に示すように、入口ヘッダー１０には、入口ヘッダー１０に配液されるガスや電解液を集める管である導管（配液管）２０が取り付けられ、入口ヘッダー１０と連通している。
図３及び図４に示す一例では、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とを備えている。
図３及び図４に示す一例では、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とを備えている。
【0031】
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１０と出口ヘッダー１１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３及び図４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。
【0032】
通常、図３及び図４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１１Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ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。
また、通常、陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ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。
【0033】
本実施形態における入口ヘッダー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。入口ヘッダー１０の材質に、鉄、ニッケル、コバルト等の金属、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＦＡ、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等の樹脂、等を採用してもよい。
また、入口ヘッダー１０の材質は、電解槽５０や導管２０等への接続や取り扱いが容易なことから、少なくとも一部が可撓性素材であることが好ましい。可撓性素材としては、例えば、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、蛇腹構造の金属（ニッケル、ステンレス）等が挙げられる。
また、本実施形態における入口ヘッダー１０の材質は、電解槽５０との電気的導通を遮断する観点から、少なくとも一部が絶縁性であることが好ましい。絶縁性素材としては、例えば、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等が挙げられる。
また、入口ヘッダー１０の材質は、電解槽５０や導管２０等への接続や取り扱いが容易なことから、少なくとも一部が可撓性素材であることが好ましい。可撓性素材としては、例えば、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、蛇腹構造の金属（ニッケル、ステンレス）等が挙げられる。
また、本実施形態における入口ヘッダー１０の材質は、電解槽５０との電気的導通を遮断する観点から、少なくとも一部が絶縁性であることが好ましい。絶縁性素材としては、例えば、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等が挙げられる。
【0034】
また、本実施形態では、入口ヘッダー１０と電解槽５０との電気的導通を遮断する観点から、入口ヘッダー１０と外枠３との間に、電気的な絶縁層を有することが好ましい。電気的な絶縁層としては、例えば、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＥＰＤＭ等を含む層が挙げられる。
上記電気的な絶縁層の抵抗値は、電解槽５０との電気的導通を遮断する観点から、０．１ＭΩ以上であることが好ましく、より好ましくは０．４ＭΩ以上、更に好ましくは１．０ＭΩ以上である。また、上記電気的な絶縁層の抵抗値は大きいほど好ましいため、上限は特に制限されるものではないが、通常１００ＭΩ以下であることが好ましい。
上記電気的な絶縁層の抵抗値は、電解槽５０との電気的導通を遮断する観点から、０．１ＭΩ以上であることが好ましく、より好ましくは０．４ＭΩ以上、更に好ましくは１．０ＭΩ以上である。また、上記電気的な絶縁層の抵抗値は大きいほど好ましいため、上限は特に制限されるものではないが、通常１００ＭΩ以下であることが好ましい。
【0035】
本実施形態における出口ヘッダー１１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。出口ヘッダー１１の材質に、鉄、ニッケル、コバルト等の金属、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＦＡ、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等の樹脂、前記樹脂でコーティングされた前記金属等を採用してもよい。中でも、耐アルカリ性の観点から、ニッケル、樹脂、及び樹脂でコーティングされた金属からなる群から選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。
【0036】
なお、図示した例では、平面視で長方形形状の隔壁１と平面視で長方形形状の隔膜４とが平行に配置され、また、隔壁１の端縁に設けられる直方体形状の外枠の隔壁１側の内面が隔壁１に垂直となっているため、電極室５の形状が直方体となっている。しかしながら、本発明において、電極室５の形状は、図示の例の直方体に限定されることなく、隔壁１や隔膜４の平面視形状、外枠３の隔壁１側の内面と隔壁１とのなす角度等により、適宜変形されてよく、本発明の効果が得られる限り、いかなる形状であってもよい。
【0037】
本実施形態では、電極室５と、入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１との位置関係は、特に限定されず、図３及び図４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１０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１１は、電極室５に対して上方に位置していてよく、また、入口ヘッダー１０に連通する配液管２０は、電極室５に対して下方や側方に位置していてよい（図示では、下方）。
【0038】
本実施形態では、入口ヘッダー１０の延在方向は、特に限定されない。
また、本実施形態では、入口ヘッダー１０に連通する配液管２０の延在方向は、特に限定されないが、図３及び図４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、導管２０（陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ）は、隔壁１に垂直な方向に延びるものがあることが好ましく、導管２０（陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ）のいずれもが、隔壁１に垂直な方向に延びることが更に好ましい。
また、本実施形態では、入口ヘッダー１０に連通する配液管２０の延在方向は、特に限定されないが、図３及び図４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、導管２０（陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ）は、隔壁１に垂直な方向に延びるものがあることが好ましく、導管２０（陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ）のいずれもが、隔壁１に垂直な方向に延びることが更に好ましい。
【0039】
本実施形態では、出口ヘッダー１１の延在方向は、特に限定されないが、本発明の効果を得られやすくする観点から、図３及び図４に示す一例のように、隔壁１に垂直な方向に延びるものがあることが好ましく、出口ヘッダー１１のいずれもが、隔壁１に垂直な方向に延びることがより好ましい。
【0040】
なお、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、電解室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（図４参照）。
整流板６の数、長さ、隔壁１とのなす角度、及び隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１に垂直な方向についての一定の間隔（ピッチ）は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよく、一定でなくてもよい。また、整流板６は、貫通孔を有していてもよく、貫通孔の数及び隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１についての一定の間隔（ピッチ）は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよく、一定でなくてもよい。
整流板６の数、長さ、隔壁１とのなす角度、及び隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１に垂直な方向についての一定の間隔（ピッチ）は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよく、一定でなくてもよい。また、整流板６は、貫通孔を有していてもよく、貫通孔の数及び隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１についての一定の間隔（ピッチ）は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよく、一定でなくてもよい。
【0041】
ときに、電解セル６５は、電解停止時に電解液供給配管によって形成される漏洩電流回路を介して自己放電反応を生じる。自己放電反応は、通電面に流れる電流の向きが、電解時と逆向きであるため、逆電流と呼ばれる。
陰極２ｃ又は陽極２ａは、逆電流が生じる過程で酸化還元されることで、活性化溶解或いは体積膨張収縮により、失活する場合がある。
陰極２ｃ又は陽極２ａは、逆電流が生じる過程で酸化還元されることで、活性化溶解或いは体積膨張収縮により、失活する場合がある。
【0042】
陰極２ｃ又は陽極２ａよりも、自らが酸化還元されることで逆電流を優先的に消費する、表面積の非常に大きな構造体は、逆電吸収体と呼ばれる。
逆電吸収体を、陰極室５ｃ内部又は陽極室５ａ内部で、陰極２ｃ又は陽極２ａと電気的に接続し、陰極２ｃ又は陽極２ａの電気化学的な電位を逆電吸収体の電位に保つことで、陰極２ｃ又は陽極２ａを保護することができる。
逆電吸収体を、陰極室５ｃ内部又は陽極室５ａ内部で、陰極２ｃ又は陽極２ａと電気的に接続し、陰極２ｃ又は陽極２ａの電気化学的な電位を逆電吸収体の電位に保つことで、陰極２ｃ又は陽極２ａを保護することができる。
【0043】
本実施形態では、陰極２ｃ又は陽極２ａが、触媒層と触媒層を支持する基材とで構成され、この触媒層や基材が、逆電吸収体の機能を備える。
【0044】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、複極式エレメント６０の通電面の面積をＳ１、入口ヘッダー１０の流路の断面積をＳ２ｉ、出口ヘッダー１１の流路の断面積をＳ２ｏ、入口ヘッダー１０の流路の長さをＬ２ｉ、出口ヘッダー１１の流路の長さをＬ２ｏとしたときに、（（Ｓ２ｉ／Ｓ１）／Ｌ２ｉ）／（（Ｓ２ｏ／Ｓ１）／Ｌ２ｏ）が、０．０００１～０．５であることが好ましく、０．０００１～０．０３であることがより好ましく、０．０００１～０．０１であることが更に好ましく、０．０００１～０．００１であることがより更に好ましい。
【0045】
上記複極式エレメント６０の通電面の面積Ｓ１とは、複極式エレメント６０の電極（陽極２ａ及び陰極２ｃ）の隔壁１に平行な面における面積をいう。なお、陽極２ａと陰極２ｃとにおいて上記面積が異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記入口ヘッダー１０の流路の断面積Ｓ２ｉとは、入口ヘッダー１０のうち電解液が通過する内部空間の断面積をいう。なお、入口ヘッダー１０の延在方向について断面積に変化がある場合には、その断面積の平均をいうものとする。また、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉにおいて上記断面積が異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記出口ヘッダー１１の流路の断面積をＳ２ｏとは、出口ヘッダー１１のうち電解液が通過する内部空間の断面積をいう。なお、出口ヘッダー１１の延在方向について断面積に変化がある場合には、その断面積の平均をいうものとする。また、陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ、陰極入口ヘッダー１１Ｉｃｏにおいて上記断面積が異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記入口ヘッダー１０の流路の長さＬ２ｉとは、入口ヘッダー１０のうち電解液が通過する内部空間の延在長さをいう。特に、入口ヘッダー１０に連通する導管（配液管）２０を備える場合には、入口ヘッダー１０の電解液入口５ｉから導管（配液管）２０との接続部分までの部分についての長さをいう。また、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉにおいて上記長さが異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記出口ヘッダー１１の流路の長さＬ２ｏとは、出口ヘッダー１１のうち電解液が通過する内部空間の延在長さをいう。また、陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏにおいて上記長さが異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記入口ヘッダー１０の流路の断面積Ｓ２ｉとは、入口ヘッダー１０のうち電解液が通過する内部空間の断面積をいう。なお、入口ヘッダー１０の延在方向について断面積に変化がある場合には、その断面積の平均をいうものとする。また、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉにおいて上記断面積が異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記出口ヘッダー１１の流路の断面積をＳ２ｏとは、出口ヘッダー１１のうち電解液が通過する内部空間の断面積をいう。なお、出口ヘッダー１１の延在方向について断面積に変化がある場合には、その断面積の平均をいうものとする。また、陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ、陰極入口ヘッダー１１Ｉｃｏにおいて上記断面積が異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記入口ヘッダー１０の流路の長さＬ２ｉとは、入口ヘッダー１０のうち電解液が通過する内部空間の延在長さをいう。特に、入口ヘッダー１０に連通する導管（配液管）２０を備える場合には、入口ヘッダー１０の電解液入口５ｉから導管（配液管）２０との接続部分までの部分についての長さをいう。また、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉにおいて上記長さが異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記出口ヘッダー１１の流路の長さＬ２ｏとは、出口ヘッダー１１のうち電解液が通過する内部空間の延在長さをいう。また、陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏにおいて上記長さが異なる場合には、その平均をいうものとする。
【0046】
（（Ｓ２ｉ／Ｓ１）／Ｌ２ｉ）／（（Ｓ２ｏ／Ｓ１）／Ｌ２ｏ）が上記範囲であると、電解中に生じるリーク電流を低減して、リーク電流に起因するガス純度の悪化を低減することが可能となる。
【0047】
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、複極式エレメント６０の通電面の面積Ｓ１が、０．１～１０ｍ２であることが好ましく、０．１５～８ｍ２であることがより好ましく、０．２～５ｍ２であることが更に好ましい。
通電面が小さすぎると、電解液供給ヘッダーも小さくなり、電解槽５０の製作が難しくなる。また、通電面が大きすぎると、シール面圧が不均一になりやすく、電解液の漏れやガス漏洩の原因になる。
通電面が小さすぎると、電解液供給ヘッダーも小さくなり、電解槽５０の製作が難しくなる。また、通電面が大きすぎると、シール面圧が不均一になりやすく、電解液の漏れやガス漏洩の原因になる。
【0048】
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、ガス純度をより高純度化させる観点、及び循環流路中に存在する固形物による流路閉塞を抑制する観点から、入口ヘッダーの流路の断面積Ｓ２ｉが、７．００×１０－７～３．１４×１０－４ｍ２であることが好ましく、１．０×１０－６～２．０×１０－４ｍ２であることがより好ましい。
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、特に限定されるものではないが、上記Ｓ２ｉの好適範囲の場合と同様の観点から、入口ヘッダーの流路の長さＬ２ｉが、０．２～１０ｍであることが好ましく、０．４～８ｍであることが更に好ましい。
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、特に限定されるものではないが、上記Ｓ２ｉの好適範囲の場合と同様の観点から、入口ヘッダーの流路の長さＬ２ｉが、０．２～１０ｍであることが好ましく、０．４～８ｍであることが更に好ましい。
【0049】
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、ガス純度をより高純度化させる観点、及び循環流路中に存在する固形物による流路閉塞を抑制する観点から、出口ヘッダーの流路の断面積Ｓ２ｏが、１．０×１０－４～１．０×１０－１ｍ２であることが好ましく、１．０×１０－３～５．０×１０－１ｍ２であることがより好ましい。
なお、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０において、出口ヘッダーは内部ヘッダーであるため、その流路の長さＬ２ｏは、電解セル６５の厚さｄや数等により定められてよい。
なお、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０において、出口ヘッダーは内部ヘッダーであるため、その流路の長さＬ２ｏは、電解セル６５の厚さｄや数等により定められてよい。
【0050】
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、電解セル６５の厚さｄが、５～１００ｍｍであることが好ましく、１０～７０ｍｍであることがより好ましく、２０～６０ｍｍであることが更に好ましい。
上記電解セル６５の厚さｄとは、隣接する２つの複極式エレメント６０間の互いの隔壁１間における部分の厚さ、及び、隣接する複極式エレメント６０とターミナルエレメント５１ａ、５１ｃとの間の互いの隔壁１間における部分の厚さであり、それぞれ、隣接する２つの複極式エレメント６０の隔壁１同士の間の隔壁１に垂直な方向についての距離、及び、隣接する複極式エレメント６０の隔壁１とターミナルエレメント５１ａ、５１ｃの隔壁１との間の隔壁１に垂直な方向についての距離をいう。上記厚さｄが複極式電解槽５０全体において一定でない場合には、その平均をいうものとしてよい。
電解セルの厚さｄが小さすぎると、電解セル６５のガス液チャンバー内のガス比率が増大しやすくなり、セル電圧が上昇しやすくなる。また、厚さｄが大きすぎると、ヘッダー１０の圧損の影響で均一分配が難しくなり、設置面積が大きくなりすぎる。
上記電解セル６５の厚さｄとは、隣接する２つの複極式エレメント６０間の互いの隔壁１間における部分の厚さ、及び、隣接する複極式エレメント６０とターミナルエレメント５１ａ、５１ｃとの間の互いの隔壁１間における部分の厚さであり、それぞれ、隣接する２つの複極式エレメント６０の隔壁１同士の間の隔壁１に垂直な方向についての距離、及び、隣接する複極式エレメント６０の隔壁１とターミナルエレメント５１ａ、５１ｃの隔壁１との間の隔壁１に垂直な方向についての距離をいう。上記厚さｄが複極式電解槽５０全体において一定でない場合には、その平均をいうものとしてよい。
電解セルの厚さｄが小さすぎると、電解セル６５のガス液チャンバー内のガス比率が増大しやすくなり、セル電圧が上昇しやすくなる。また、厚さｄが大きすぎると、ヘッダー１０の圧損の影響で均一分配が難しくなり、設置面積が大きくなりすぎる。
【0051】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０は、加圧運転に対応した耐圧性の観点から、入口ヘッダー１０の耐圧が０．１～１０ＭＰａであることが好ましく、０．３～５ＭＰａであることがより好ましく、０．３～１．５ＭＰａであることが更に好ましく、０．３～０．９ＭＰａであることがより更に好ましく、０．５～０．７ＭＰａであることが特に好ましい。
入口ヘッダー１０の耐圧は、入口ヘッダー１０の材質や厚みにより調整することができる。
なお、入口ヘッダー１０の耐圧は、耐圧試験の結果、破損や変形がないことにより確認することができ、より具体的には、後述する実施例に記載の方法によって求めることができる。
入口ヘッダー１０の耐圧は、入口ヘッダー１０の材質や厚みにより調整することができる。
なお、入口ヘッダー１０の耐圧は、耐圧試験の結果、破損や変形がないことにより確認することができ、より具体的には、後述する実施例に記載の方法によって求めることができる。
【0052】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０は、５０～５００の複極式エレメント６０を有することが好ましく、７０～３００の複極式エレメント６０を有することがより好ましく、１００～２００の複極式エレメント６０を有することが更に好ましい。
複極式エレメント６０の数（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。
また、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。
複極式エレメント６０の数（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。
また、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。
【0053】
以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０の構成要素について、詳細に説明する。
また、以下では、本発明の効果を高めるための好適形態についても詳述する。
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。
【0054】
－隔壁－
本実施形態における隔壁１の形状は、所定の厚みを有する板状の形状としてよいが、特に限定されない。
隔壁１の平面視形状としては、特に限定されることなく、矩形（正方形、長方形等）、円形（円、楕円等）としてよく、ここで、矩形は角が丸みを帯びていてもよい。
一実施形態において、隔壁１と外枠３とを溶接その他の方法で接合することで一体化してもよく、例えば、隔壁１に、隔壁１の平面に対して垂直な方向に張り出したフランジ部（陽極２ａ側に張り出した陽極フランジ部、陰極２ｃ側に張り出した陰極フランジ部）を設け、フランジ部を外枠３の一部としてもよい。
本実施形態における隔壁１の形状は、所定の厚みを有する板状の形状としてよいが、特に限定されない。
隔壁１の平面視形状としては、特に限定されることなく、矩形（正方形、長方形等）、円形（円、楕円等）としてよく、ここで、矩形は角が丸みを帯びていてもよい。
一実施形態において、隔壁１と外枠３とを溶接その他の方法で接合することで一体化してもよく、例えば、隔壁１に、隔壁１の平面に対して垂直な方向に張り出したフランジ部（陽極２ａ側に張り出した陽極フランジ部、陰極２ｃ側に張り出した陰極フランジ部）を設け、フランジ部を外枠３の一部としてもよい。
【0055】
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３及び図４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。
【0056】
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。
【0057】
－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。
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。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。
【0066】
陰極２ｃの触媒層は、水素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、或いはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子材料等の有機物が含まれていてもよい。
【0067】
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。
【0068】
－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。
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。
【0069】
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。
【0070】
－隔膜－
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０において用いられる隔膜４としては、イオンを導通しつつ、発生する水素ガスと酸素ガスを隔離するために、イオン透過性の隔膜４が使用される。このイオン透過性の隔膜４は、イオン交換能を有するイオン交換膜と、電解液を浸透することができる多孔膜が使用できる。このイオン透過性の隔膜４は、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、電子電導度が小さく、強度が強いものが好ましい。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０において用いられる隔膜４としては、イオンを導通しつつ、発生する水素ガスと酸素ガスを隔離するために、イオン透過性の隔膜４が使用される。このイオン透過性の隔膜４は、イオン交換能を有するイオン交換膜と、電解液を浸透することができる多孔膜が使用できる。このイオン透過性の隔膜４は、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、電子電導度が小さく、強度が強いものが好ましい。
【0071】
－－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。
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。
【0072】
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製することができる。
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。
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。
【0073】
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。
【0074】
－－－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。
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。
【0075】
多孔膜は、分離能、強度等適切な膜物性を得る為に、孔径を制御することが好ましい。また、アルカリ水電解に用いる場合、陽極２ａから発生する酸素ガス及び陰極２ｃから発生する水素ガスの混合を防止し、かつ電解における電圧損失を低減する観点から、多孔膜の孔径を制御することが好ましい。
多孔膜の平均孔径が大きいほど、単位面積あたりの多孔膜透過量は大きくなり、特に、電解においては多孔膜のイオン透過性が良好となり、電圧損失を低減しやすくなる傾向にある。また、多孔膜の平均孔径が大きいほど、アルカリ水との接触表面積が小さくなるので、ポリマーの劣化が抑制される傾向にある。
一方、多孔膜の平均孔径が小さいほど、多孔膜の分離精度が高くなり、電解においては多孔膜のガス遮断性が良好となる傾向にある。更に、後述する粒径の小さな親水性無機粒子を多孔膜に担持した場合、欠落せずしっかりと保持することができる。これにより、親水性無機粒子が持つ高い保持能力を付与でき、長期に亘ってその効果を維持することができる。
多孔膜の平均孔径が大きいほど、単位面積あたりの多孔膜透過量は大きくなり、特に、電解においては多孔膜のイオン透過性が良好となり、電圧損失を低減しやすくなる傾向にある。また、多孔膜の平均孔径が大きいほど、アルカリ水との接触表面積が小さくなるので、ポリマーの劣化が抑制される傾向にある。
一方、多孔膜の平均孔径が小さいほど、多孔膜の分離精度が高くなり、電解においては多孔膜のガス遮断性が良好となる傾向にある。更に、後述する粒径の小さな親水性無機粒子を多孔膜に担持した場合、欠落せずしっかりと保持することができる。これにより、親水性無機粒子が持つ高い保持能力を付与でき、長期に亘ってその効果を維持することができる。
【0076】
かかる観点から、本実施形態の多孔膜においては、平均孔径は、０．１～１．０μｍの範囲であることが好ましい。多孔膜は、孔径がこの範囲であれば、優れたガス遮断性と高いイオン透過性とを両立することができる。また、多孔膜の孔径は実際に使用する温度域において制御されることが好ましい。従って、例えば９０℃の環境下での電解用隔膜４として使用する場合は、９０℃で上記の孔径の範囲を満足させることが好ましい。また、多孔膜は、アルカリ水電解用隔膜４として、より優れたガス遮断性と高いイオン透過性とを発現できる範囲として、平均孔径が０．１～０．５μｍであることがより好ましい。
【0077】
多孔膜の平均孔径は、以下の方法で測定することができる。
多孔膜の平均孔径とは、完全性試験機（ザルトリウス・ステディム・ジャパン社製、「Ｓａｒｔｏｃｈｅｃｋ Ｊｕｎｉｏｒ ＢＰ－Ｐｌｕｓ」）を使用して以下の方法で測定した平均透水孔径をいう。まず、多孔膜を芯材も含めて所定の大きさに切り出して、これをサンプルとする。このサンプルを任意の耐圧容器にセットして、容器内を純水で満たす。次に、耐圧容器を所定温度に設定した恒温槽内で保持し、耐圧容器内部が所定温度になってから測定を開始する。測定が始まると、サンプルの上面側が窒素で加圧されていき、サンプルの下面側から純水が透過してくる際の圧力及び透過流量の数値を記録する。平均透水孔径は、圧力が１０ｋＰａから３０ｋＰａの間の圧力と透水流量との勾配を使い、以下のハーゲンポアズイユの式から求めることができる。
平均透水孔径（ｍ）＝｛３２ηＬμ０／（εＰ）｝０．５
ここで、ηは水の粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌは多孔膜の厚み（ｍ）、μ０は見かけの流速であり、μ０（ｍ／ｓ）＝流量（ｍ３／ｓ）／流路面積（ｍ２）である。また、εは空隙率、Ｐは圧力（Ｐａ）である。
多孔膜の平均孔径とは、完全性試験機（ザルトリウス・ステディム・ジャパン社製、「Ｓａｒｔｏｃｈｅｃｋ Ｊｕｎｉｏｒ ＢＰ－Ｐｌｕｓ」）を使用して以下の方法で測定した平均透水孔径をいう。まず、多孔膜を芯材も含めて所定の大きさに切り出して、これをサンプルとする。このサンプルを任意の耐圧容器にセットして、容器内を純水で満たす。次に、耐圧容器を所定温度に設定した恒温槽内で保持し、耐圧容器内部が所定温度になってから測定を開始する。測定が始まると、サンプルの上面側が窒素で加圧されていき、サンプルの下面側から純水が透過してくる際の圧力及び透過流量の数値を記録する。平均透水孔径は、圧力が１０ｋＰａから３０ｋＰａの間の圧力と透水流量との勾配を使い、以下のハーゲンポアズイユの式から求めることができる。
平均透水孔径（ｍ）＝｛３２ηＬμ０／（εＰ）｝０．５
ここで、ηは水の粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌは多孔膜の厚み（ｍ）、μ０は見かけの流速であり、μ０（ｍ／ｓ）＝流量（ｍ３／ｓ）／流路面積（ｍ２）である。また、εは空隙率、Ｐは圧力（Ｐａ）である。
【0078】
アルカリ水電解用隔膜４は、ガス遮断性、親水性の維持、気泡の付着によるイオン透過性低下の防止、更には長時間安定した電解性能（低電圧損失等）が得られるといった観点から、多孔膜の気孔率を制御することが好ましい。
ガス遮断性や低電圧損失等を高いレベルで両立させるといった観点から、多孔膜の気孔率の下限は３０％以上であることが好ましく、３５％以上であることがより好ましく、４０％以上であることが更に好ましい。また、気孔率の上限は７０％以下であることが好ましく、６５％以下であることがより好ましく、５５％以下であることが更に好ましい。多孔膜の気孔率が上記上限値以下であれば、膜内をイオンが透過しやすく、膜の電圧損失を抑制できる。
ガス遮断性や低電圧損失等を高いレベルで両立させるといった観点から、多孔膜の気孔率の下限は３０％以上であることが好ましく、３５％以上であることがより好ましく、４０％以上であることが更に好ましい。また、気孔率の上限は７０％以下であることが好ましく、６５％以下であることがより好ましく、５５％以下であることが更に好ましい。多孔膜の気孔率が上記上限値以下であれば、膜内をイオンが透過しやすく、膜の電圧損失を抑制できる。
【0079】
多孔膜の気孔率とは、アルキメデス法により求めた開気孔率をいい、以下の式により求めることができる。
気孔率Ｐ（％）＝ρ／（１＋ρ）×１００
ここで、ρ＝（Ｗ３－Ｗ１）／（Ｗ３－Ｗ２）であり、Ｗ１は多孔膜の乾燥質量（ｇ）、Ｗ２は多孔膜の水中質量（ｇ）、Ｗ３は多孔膜の飽水質量（ｇ）である。
気孔率Ｐ（％）＝ρ／（１＋ρ）×１００
ここで、ρ＝（Ｗ３－Ｗ１）／（Ｗ３－Ｗ２）であり、Ｗ１は多孔膜の乾燥質量（ｇ）、Ｗ２は多孔膜の水中質量（ｇ）、Ｗ３は多孔膜の飽水質量（ｇ）である。
【0080】
気孔率の測定方法としては、純水で洗浄した多孔膜を３ｃｍ×３ｃｍの大きさで３枚に切出して、測定サンプルとする。まず、サンプルのＷ２及びＷ３を測定する。その後、多孔膜を５０℃に設定された乾燥機で１２時間以上静置して乾燥させて、Ｗ１を測定する。そして、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の値から気孔率を求める。３枚のサンプルについて気孔率を求め、それらの算術平均値を気孔率Ｐとする。
【0081】
多孔膜の厚みは、特に限定されないが、１００～７００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００～６００μｍ、更に好ましくは２００～６００μｍである。
多孔膜の厚みが、上記下限値以上であると、突刺し等で破れにくく、電極間がショートしにくい。また、ガス遮断性が良好となる。また、上記上限値以下であると、電圧損失が増大しにくい。また、多孔膜の厚みのばらつきによる影響が少なくなる。
また、隔膜の厚みが、１００μｍ以上であると、突刺し等で破れにくく、電極間がショートしにくい。また、ガス遮断性が良好となる。６００μｍ以下であると、電圧損失が増大しにくい。また、多孔膜の厚みのばらつきによる影響が少なくなる。
多孔膜の厚みが、２５０μｍ以上であれば、一層優れたガス遮断性が得られ、また、衝撃に対する多孔膜の強度が一層向上する。この観点より、多孔膜の厚みの下限は、３００μｍ以上であることがより好ましく、３５０μｍ以上であることが更に好ましく４００μｍ以上でることがより一層好ましい。一方で、多孔膜の厚みが、７００μｍ以下であれば、運転時に孔内に含まれる電解液の抵抗によりイオンの透過性を阻害されにくく、一層優れたイオン透過性を維持すことができる。かかる観点から、多孔膜の厚みの上限は、６００μｍ以下であることがより好ましく、５５０μｍ以下であることが更に好ましく、５００μｍ以下であることがより一層好ましい。
多孔膜の厚みが、上記下限値以上であると、突刺し等で破れにくく、電極間がショートしにくい。また、ガス遮断性が良好となる。また、上記上限値以下であると、電圧損失が増大しにくい。また、多孔膜の厚みのばらつきによる影響が少なくなる。
また、隔膜の厚みが、１００μｍ以上であると、突刺し等で破れにくく、電極間がショートしにくい。また、ガス遮断性が良好となる。６００μｍ以下であると、電圧損失が増大しにくい。また、多孔膜の厚みのばらつきによる影響が少なくなる。
多孔膜の厚みが、２５０μｍ以上であれば、一層優れたガス遮断性が得られ、また、衝撃に対する多孔膜の強度が一層向上する。この観点より、多孔膜の厚みの下限は、３００μｍ以上であることがより好ましく、３５０μｍ以上であることが更に好ましく４００μｍ以上でることがより一層好ましい。一方で、多孔膜の厚みが、７００μｍ以下であれば、運転時に孔内に含まれる電解液の抵抗によりイオンの透過性を阻害されにくく、一層優れたイオン透過性を維持すことができる。かかる観点から、多孔膜の厚みの上限は、６００μｍ以下であることがより好ましく、５５０μｍ以下であることが更に好ましく、５００μｍ以下であることがより一層好ましい。
【0082】
－－－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。
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。
【0083】
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。
【0084】
親水性無機粒子の形態は、微粒子形状であることが好ましい。
【0085】
－－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。
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。
【0086】
多孔性支持体としては、例えば、メッシュ、多孔質膜、不織布、織布、不織布及びこの不織布に内在する織布とを含む複合布等が挙げられる。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。多孔性支持体のより好適な態様としては、例えば、ポリフェニレンサルファイドのモノフィラメントで構成されるメッシュ基材、又は不織布及び該不織布内に内在する織布とを含む複合布等が挙げられる。
【0087】
－－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。
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。
【0088】
含フッ素系イオン交換膜としては、電解時に発生するイオンを選択的に透過する機能を有し、かつイオン交換基を有する含フッ素系重合体を含むもの等が挙げられる。ここでいうイオン交換基を有する含フッ素系重合体とは、イオン交換基、又は、加水分解によりイオン交換基となり得るイオン交換基前駆体、を有する含フッ素系重合体をいう。例えば、フッ素化炭化水素の主鎖を有し、加水分解等によりイオン交換基に変換可能な官能基をペンダント側鎖として有し、かつ溶融加工が可能な重合体等が挙げられる。
【0089】
含フッ素系共重合体の分子量は、特に限定されないが、該前駆体を、ＡＳＴＭ：Ｄ１２３８に準拠して（測定条件：温度２７０℃、荷重２１６０ｇ）測定されたメルトフローインデックス（ＭＦＩ）の値で０．０５～５０（ｇ／１０分）であることが好ましく、０．１～３０（ｇ／１０分）であることがより好ましい。
【0090】
イオン交換膜が有するイオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基等のカチオン交換基、４級アンモニウム基等のアニオン交換基が挙げられる。
【0091】
イオン交換膜は、イオン交換基の当量質量ＥＷを調整することによって、優れたイオン交換能と親水性を付与することができる。また、より小さなクラスター（イオン交換基が水分子を配位及び／又は吸着した微小部分）を数多く有するように制御でき、耐アルカリ性やイオン選択透過性を向上する傾向にある。
この当量質量ＥＷは、イオン交換膜を塩置換し、その溶液をアルカリ又は酸溶液で逆滴定することにより測定することができる。当量質量ＥＷは、原料であるモノマーの共重合比、モノマー種の選定等により調整することができる。
イオン交換膜の当量質量ＥＷは、親水性、膜の耐水性の観点から３００以上であることが好ましく、親水性、イオン交換能の観点から１３００以下であることが好ましい。
この当量質量ＥＷは、イオン交換膜を塩置換し、その溶液をアルカリ又は酸溶液で逆滴定することにより測定することができる。当量質量ＥＷは、原料であるモノマーの共重合比、モノマー種の選定等により調整することができる。
イオン交換膜の当量質量ＥＷは、親水性、膜の耐水性の観点から３００以上であることが好ましく、親水性、イオン交換能の観点から１３００以下であることが好ましい。
【0092】
イオン交換膜の厚みは特に制限されないが、イオン透過性や強度の観点から、５～３００μｍの範囲が好ましい。
【0093】
イオン交換膜の表面の親水性を向上させる目的で、表面処理を施してもよい。具体的には、酸化ジルコニウム等の親水性無機粒子をコーティングする方法や、表面に微細な凹凸を付与する方法が挙げられる。
【0094】
イオン交換膜は、膜強度の観点から、補強材と共に用いることが好ましい。補強材としては、特に限定されず、一般的な不織布や織布、各種素材からなる多孔膜が挙げられる。この場合の多孔膜としては、特に限定されないが、延伸されて多孔化したＰＴＦＥ系膜が好ましい。
【0095】
（（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。
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。
【0096】
－電極室－
本実施形態における複極式電解槽５０では、図２に示すとおり、隔壁１と外枠３と隔膜４とにより、電解液が通過する電極室５が画成されている。
本実施形態における複極式電解槽５０では、図２に示すとおり、隔壁１と外枠３と隔膜４とにより、電解液が通過する電極室５が画成されている。
【0097】
本実施形態においては、複極式電解槽の入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１の配設態様は、それぞれ外部ヘッダー１０Ｏ型及び内部ヘッダー１０Ｉ型であるところ、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。
【0098】
－整流板－
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、隔壁１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用複極式電解槽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。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、隔壁１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用複極式電解槽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。
【0099】
なお、前述の一例のアルカリ水電解用複極式電解槽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。
【0100】
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。
【0101】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽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更に好ましい。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。
【0102】
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。
【0103】
隣接する陽極整流板６ａ同士の間隔、又は隣接する陰極整流板６ｃ同士の間隔は、電解圧力や陽極室５ａと陰極室５ｃの圧力差等を勘案して決められる。
【0104】
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、０．５～５ｍｍとしてよく、１～２ｍｍのものが用いやすいが、特に限定されない。
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、０．５～５ｍｍとしてよく、１～２ｍｍのものが用いやすいが、特に限定されない。
【0105】
－ガスケット－
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、隔壁１を縁取る外枠３同士の間に隔膜４を有するガスケット７が挟持されることが好ましい。
ガスケット７は、複極式エレメント６０と隔膜４の間、複極式エレメント６０間を電解液と発生ガスに対してシールするために使用され、電解液や発生ガスの電解槽外への漏れや両極室間におけるガス混合を防ぐことができる。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、隔壁１を縁取る外枠３同士の間に隔膜４を有するガスケット７が挟持されることが好ましい。
ガスケット７は、複極式エレメント６０と隔膜４の間、複極式エレメント６０間を電解液と発生ガスに対してシールするために使用され、電解液や発生ガスの電解槽外への漏れや両極室間におけるガス混合を防ぐことができる。
【0106】
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。更に、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、収容された隔膜４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。
【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。
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。
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。
【0109】
ガスケット７のサイズは、特に制限されるものではなく、電極室５や膜の寸法に合わせて設計すればよいが、幅が１０～４０ｍｍにするのがよい。
この場合、ガスケット７がスリット部を備える場合、スリット部のサイズはスリットの内寸が膜のサイズより縦横で０．５～５ｍｍ大きくなるようにするのがよい。
この場合、ガスケット７がスリット部を備える場合、スリット部のサイズはスリットの内寸が膜のサイズより縦横で０．５～５ｍｍ大きくなるようにするのがよい。
【0110】
ガスケット７の厚みは、特に制限されるものではなく、ガスケット７の材質や弾性率、セル面積に応じて設計される。好ましい厚みの範囲としては、１．０～１０ｍｍが好ましく、３．０～１０ｍｍがより好ましい。
また、ガスケット７がスリット部を備える場合、スリット部の開口幅としては、膜の厚みの０．５～１．０倍としてよい。
また、ガスケット７がスリット部を備える場合、スリット部の開口幅としては、膜の厚みの０．５～１．０倍としてよい。
【0111】
ガスケット７の弾性率は、特に制限されるものではなく、電極２の材質やセル面積に応じて設計される。好ましい弾性率の範囲としては、１００％変形時の引張応力で、０．２０～２０ＭＰａの範囲がより好ましく、シーリング特性やスタック時のセル強度の観点から、１．０～１０ＭＰａの範囲がより好ましい。
なお、引張応力は、ＪＩＳ Ｋ６２５１に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製のオートグラフＡＧを用いてよい。
なお、引張応力は、ＪＩＳ Ｋ６２５１に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製のオートグラフＡＧを用いてよい。
【0112】
特に、本実施形態では、ガスケット７の厚みが３．０～１０ｍｍであり、１００％変形時の引張応力で１．０～１０ＭＰａであることが、電極たわみによるセル電圧の上昇を抑制する観点、また、シーリング特性やスタック時のセル強度の観点から、好ましい。
【0113】
本実施形態においては、ガスケット７の表面を絶縁性の樹脂シート（例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂等）で覆うことが好ましい。このようにすることにより、複数のエレメント６０間では相互に絶縁された状態となるので、通電工程（電解液の電気分解が行われる工程）でそれぞれのエレメント６０に蓄積された電荷が、停止工程（電解液の電気分解が停止している工程）において他のエレメント６０に影響することを抑制することができる。
【0114】
－ヘッダー－
アルカリ水電解用複極式電解槽５０は、電解セル６５毎に、陰極室５ｃ、陽極室５ａを有する。電解槽５０で、電気分解反応を連続的に行うためには、各電解セル６５の陰極室５ｃと陽極室５ａとに電気分解によって消費される原料を十分に含んだ電解液を供給し続ける必要がある。
アルカリ水電解用複極式電解槽５０は、電解セル６５毎に、陰極室５ｃ、陽極室５ａを有する。電解槽５０で、電気分解反応を連続的に行うためには、各電解セル６５の陰極室５ｃと陽極室５ａとに電気分解によって消費される原料を十分に含んだ電解液を供給し続ける必要がある。
【0115】
電解セル６５は、複数の電解セル６５に共通する入口ヘッダー１０と呼ばれる電解液の供給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と繋がっている。
また、電解セル６５は、複数の電解セル６５に共通する出口ヘッダー１１と呼ばれる電解液の集液配管と繋がっている。一般に、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー１１ａｏ、陰極用集液管は陰極出口ヘッダー１１ｃｏと呼ばれる。
また、電解セル６５は、複数の電解セル６５に共通する出口ヘッダー１１と呼ばれる電解液の集液配管と繋がっている。一般に、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー１１ａｏ、陰極用集液管は陰極出口ヘッダー１１ｃｏと呼ばれる。
【0116】
入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１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。
【0117】
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に取り付けられる入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１の配設態様により異なることがある。
【0118】
アルカリ水電解用複極式電解槽５０では、出口ヘッダー１１が、複極式電解槽５０と一体化された内部ヘッダーであり、陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ及び陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏが、隔壁１内及び／又は外枠３内の上部に設けられる。
図３～図５に示す例では、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１１Ｉａｏと陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏとを備えている。
図３～図５に示す例では、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１１Ｉａｏと陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏとを備えている。
【0119】
また、アルカリ水電解用複極式電解槽５０では、入口ヘッダー１１が、複極式電解槽５０と独立している外部ヘッダーであり、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。
図３及び図４に示す例では、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入口ヘッダー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に接続されている。
図３及び図４に示す例では、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入口ヘッダー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に接続されている。
【0120】
－気液分離ボックス－
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１１Ｉａｏとの間や、陰極室５ｃと陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏとの間に取付けられてもよい。
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１１Ｉａｏとの間や、陰極室５ｃと陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏとの間に取付けられてもよい。
【0121】
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。
【0122】
（アルカリ水電解用電解装置）
図６に、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置の概要を示す。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０は、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽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。
図６に、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置の概要を示す。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０は、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽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。
【0123】
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０によれば、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態によれば、リーク電流の発生を抑制されてガス純度の悪化が防止され、電解セルの薄型化及び加圧運転が可能であるため、再生可能エネルギー等の変動電源下で運転する場合でも、長期にわたって高いエネルギー変換効率を維持することができる。
すなわち、本実施形態によれば、リーク電流の発生を抑制されてガス純度の悪化が防止され、電解セルの薄型化及び加圧運転が可能であるため、再生可能エネルギー等の変動電源下で運転する場合でも、長期にわたって高いエネルギー変換効率を維持することができる。
【0124】
以下、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０の構成要素について説明する。
【0125】
－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。
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。
【0126】
－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。
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。
【0127】
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。
【0128】
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。
【0129】
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。
【0130】
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。
【0131】
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。
【0132】
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。
【0133】
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。
【0134】
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。
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。
【0135】
気液分離タンク７２の材料には、ニッケル等の耐アルカリ性金属が用いられる。一方、鉄等の汎用金属をタンク筐体材料として用いる場合においては、タンク内部の電解液接触面に、フッ素系樹脂等で被覆処理を施したものを用いることもあるが、本発明における気液分離タンク７２の素材を限定するものではない。
【0136】
気液分離タンク７２の容量は、設置容積を考慮すると、小さい方が好ましいが、容積が小さすぎると、陰極２ｃと陽極２ａの圧力差が大きくなった場合や電解電流値に変動が生じた場合、タンク内の液面が変動するため、この変動分を考慮する必要がある。
また、タンク高さも同様に、高さが低い場合は、上記変動の影響を受けやすいため、高くすることが好ましい。
また、タンク高さも同様に、高さが低い場合は、上記変動の影響を受けやすいため、高くすることが好ましい。
【0137】
－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。
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。
【0138】
－その他－
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０は、複極式電解槽５０、気液分離タンク７２、水補給器７３以外にも、整流器７４、酸素濃度計７５、水素濃度計７６、流量計７７、圧力計７８、熱交換器７９、圧力制御弁８０を備えてよい。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０は、複極式電解槽５０、気液分離タンク７２、水補給器７３以外にも、整流器７４、酸素濃度計７５、水素濃度計７６、流量計７７、圧力計７８、熱交換器７９、圧力制御弁８０を備えてよい。
【0139】
また、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０は、更に、電力供給の停止時に、電力供給の停止を検知する検知器、及び、送液ポンプを自動停止する制御器を更に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。
【0140】
（アルカリ水電解方法）
本実施形態のアルカリ水電解方法は、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０を用いて、実施することができる。
方法の好適な条件を以下に記載する。
本実施形態のアルカリ水電解方法は、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０を用いて、実施することができる。
方法の好適な条件を以下に記載する。
【0141】
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、２０～５０質量％が好ましく、２５～４０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、２５～４０質量％のＫＯＨ水溶液が特に好ましい。
アルカリ塩の濃度としては、２０～５０質量％が好ましく、２５～４０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、２５～４０質量％のＫＯＨ水溶液が特に好ましい。
【0142】
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℃であることが更に好ましく、９０～１１５℃であることが特に好ましい。
上記温度範囲とすれば、高い電解効率を維持しながら、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℃であることが更に好ましく、９０～１１５℃であることが特に好ましい。
【0143】
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、０．５～２０ｋＡ／ｍ２であることが好ましく、１～１５ｋＡ／ｍ２であることが更に好ましい。
特に、変動電源を使用する場合には、電流密度の下限と上限を上記範囲にすることが好ましい。
特に、変動電源を使用する場合には、電流密度の下限と上限を上記範囲にすることが好ましい。
【0144】
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、０．１～１０ＭＰａであることが好ましく、０．３～５ＭＰａであることがより好ましく、０．３～１．５ＭＰａであることが更に好ましく、０．３～０．９ＭＰａであることがより更に好ましく、０．５～０．７ＭＰａであることが特に好ましい。
【0145】
本実施形態では、前述のアルカリ水電解用電解装置７０の構成要素を用いて、例えば、図６に示すような構成のアルカリ水電解用電解装置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。
【0146】
また、本実施形態では、アルカリ水電解用複極式電解槽への電力供給の停止時に、送液ポンプを停止することが好ましい。一つの循環経路から電解槽の陰極室と陽極室に電解液を分配する構成においては、送液ポンプを停止することで、電解液に溶存する水素と酸素の混合及び混合した水素と酸素の放出を防止することができる。これにより、運転停止中に装置内のガス純度が悪化することを抑制することが可能となる。
【0147】
以上、図面を参照して、本発明の実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用電解装置、アルカリ水電解方法について例示説明したが、本発明のアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用電解装置、アルカリ水電解方法は、上記の例に限定されることはなく、上記実施形態には、適宜変更を加えることができる。
【実施例】
【0148】
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。
【0149】
実施例及び比較例で用いた測定方法及び評価方法について、以下に説明する。
【0150】
（入口ヘッダーの耐圧）
入口ヘッダーの耐圧は、入口ヘッダーを気密状態とした上で、液体又は気体により加圧し、破損、変形、封入した液体又は気体の漏れがないことを評価することで耐圧（ＭＰａ）を確認した。
（入口リーク電流及び出口リーク電流）
入口リーク電流及び出口リーク電流は、それぞれ、電解中又は電解槽電圧が残留している間にヘッダーの一部をクランプメーターで囲い、ヘッダーに流れる電流値（Ａ）を測定することにより、得た。
構造上、クランプメーターによる測定が困難な場合は、ヘッダー内の参照極に対する電位を電解槽の積層方向（隔壁１に垂直な方向）に２点以上測定して求めたヘッダー内の電位差Ｖを、ヘッダー内の電解液の電気抵抗Ｒで除した値を、リーク電流値とした。
入口ヘッダーの耐圧は、入口ヘッダーを気密状態とした上で、液体又は気体により加圧し、破損、変形、封入した液体又は気体の漏れがないことを評価することで耐圧（ＭＰａ）を確認した。
（入口リーク電流及び出口リーク電流）
入口リーク電流及び出口リーク電流は、それぞれ、電解中又は電解槽電圧が残留している間にヘッダーの一部をクランプメーターで囲い、ヘッダーに流れる電流値（Ａ）を測定することにより、得た。
構造上、クランプメーターによる測定が困難な場合は、ヘッダー内の参照極に対する電位を電解槽の積層方向（隔壁１に垂直な方向）に２点以上測定して求めたヘッダー内の電位差Ｖを、ヘッダー内の電解液の電気抵抗Ｒで除した値を、リーク電流値とした。
【0151】
（水素中酸素濃度Ｏ２／Ｈ２）
電解により生成した水素ガスの純度の指標である水素中酸素濃度Ｏ２／Ｈ２（体積ｐｐｍ）を、生成した水素ガスの一部を採取し、ガルバニ式酸素センサー、ガスクロマトグラフ及び熱伝導度検出器（ＴＣＤ）を組み合わせた装置を用いて測定した。
電解により生成した水素ガスの純度の指標である水素中酸素濃度Ｏ２／Ｈ２（体積ｐｐｍ）を、生成した水素ガスの一部を採取し、ガルバニ式酸素センサー、ガスクロマトグラフ及び熱伝導度検出器（ＴＣＤ）を組み合わせた装置を用いて測定した。
【0152】
（酸素中水素濃度Ｈ２／Ｏ２）
電解により生成した酸素ガスの純度の指標である酸素中水素濃度Ｈ２／Ｏ２（体積ｐｐｍ）を、生成した酸素ガスの一部を採取し、接触燃焼式センサーを用いて測定した。
電解により生成した酸素ガスの純度の指標である酸素中水素濃度Ｈ２／Ｏ２（体積ｐｐｍ）を、生成した酸素ガスの一部を採取し、接触燃焼式センサーを用いて測定した。
【0153】
［実施例１、２］
電解槽として、表１に示す個数の複極式エレメント６０（１１個のゼロギャップ型電解セル６５、図２）が図１に示すように並べられた複極式電解槽５０を用いた。陽極２ａとしてはニッケル（触媒層コバルト）を用い、陰極２ｃとしてはニッケル（触媒層白金・パラジウム）を用いた。また、電解液は、水酸化カリウム水溶液とした。
ヘッダー、導管については、図３及び図４に示すように、電解槽５０の筐体の外方に、電解液を配液するための陽極用配液管２０Ｏａｉ及び陰極用配液管２０Ｏｃｉを設けた。更に、これらの導管２０から電極室５に電解液を通過させる入口ヘッダー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）を、外部から取り付けた。
ここで、図３及び図４に示すように、入口ヘッダー１０（陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉ）のいずれもが、複極式エレメント６０の隔壁１の下方から外方に延びるように、配置した。また、図３及び図４に示すように、陽極用配液管２０Ｏａｉ及び陰極用配液管２０Ｏｃｉ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。
また、図３～図５に示すように、出口ヘッダー１１（陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ）を、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３～図５に示すように、陽極用集液管２０Ｉａｏ及び陰極用集液管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。
なお、入口ヘッダー１０の材質はＰＦＡ、陽極用配液管２０Ｏａｉ、及び陰極用配液管２０Ｏｃｉ、出口ヘッダー１１、陽極用集液管２０Ｉａｏ、及び陰極用集液管２０Ｉｃｏの材質はニッケルとした。
電解槽として、表１に示す個数の複極式エレメント６０（１１個のゼロギャップ型電解セル６５、図２）が図１に示すように並べられた複極式電解槽５０を用いた。陽極２ａとしてはニッケル（触媒層コバルト）を用い、陰極２ｃとしてはニッケル（触媒層白金・パラジウム）を用いた。また、電解液は、水酸化カリウム水溶液とした。
ヘッダー、導管については、図３及び図４に示すように、電解槽５０の筐体の外方に、電解液を配液するための陽極用配液管２０Ｏａｉ及び陰極用配液管２０Ｏｃｉを設けた。更に、これらの導管２０から電極室５に電解液を通過させる入口ヘッダー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）を、外部から取り付けた。
ここで、図３及び図４に示すように、入口ヘッダー１０（陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉ）のいずれもが、複極式エレメント６０の隔壁１の下方から外方に延びるように、配置した。また、図３及び図４に示すように、陽極用配液管２０Ｏａｉ及び陰極用配液管２０Ｏｃｉ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。
また、図３～図５に示すように、出口ヘッダー１１（陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ）を、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３～図５に示すように、陽極用集液管２０Ｉａｏ及び陰極用集液管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。
なお、入口ヘッダー１０の材質はＰＦＡ、陽極用配液管２０Ｏａｉ、及び陰極用配液管２０Ｏｃｉ、出口ヘッダー１１、陽極用集液管２０Ｉａｏ、及び陰極用集液管２０Ｉｃｏの材質はニッケルとした。
【0154】
陽極室５ａ及び陰極室５ｃの入口ホースから、陽極室５ａ及び陰極室５ｃに電解液が流入し、陽極室５ａ及び陰極室５ｃの陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ及び陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏから、電解液及び生成ガスが電解槽５０外へ流出する構造とした。
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１１Ｉｃｏを介して電解槽５０外へ、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１１Ｉａｏを介して電解槽５０外へ、電解液を流した。電解液は、鉛直方向に対して下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
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、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ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１１Ｉａｏでは電解液と酸素ガスとの混相流となった。
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１１Ｉｃｏを介して電解槽５０外へ、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１１Ｉａｏを介して電解槽５０外へ、電解液を流した。電解液は、鉛直方向に対して下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
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、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ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１１Ｉａｏでは電解液と酸素ガスとの混相流となった。
【0155】
複極式エレメント６０に取り付けた電極（陽極５ａ及び陰極５ｃ）の面積Ｓ１、入口ヘッダー１０（陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉ）の流路の断面積Ｓ２ｉ、出口ヘッダー１１（陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ）の流路の断面積Ｓ２ｏ、入口ヘッダー１０の流路の長さＬ２ｉ、出口ヘッダー１１の流路の長さＬ２ｏ、電解セル６５の厚さｄは、それぞれ表１に示す値に調整した。
【0156】
図６に示すように、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。
整流器から複極式電解槽に、各々の陰極及び陽極の面積Ｓ１に対して、６ｋＡ／ｍ２となるように電流を流した。
測定結果を表１に示す。
整流器から複極式電解槽に、各々の陰極及び陽極の面積Ｓ１に対して、６ｋＡ／ｍ２となるように電流を流した。
測定結果を表１に示す。
【0157】
［比較例１、２］
入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１を、いずれも内部ヘッダー型とした以外は、実施例と同様にしてアルカリ水電解用複極式電解槽及び電解装置を作製した。
入口ヘッダー１０（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１１（陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ）を、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、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。
また、入口ヘッダー１０と出口ヘッダー１１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、陽極室５ａ及び陰極室５ｃの陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉ及び陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉから、陽極室５ａ及び陰極室５ｃに電解液が流入し、陽極室５ａ及び陰極室５ｃの陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ及び陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏから、電解液及び生成ガスが電解槽５０外へ流出する構造とした。
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１１Ｉｃｏを介して電解槽５０外へ、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１１Ｉａｏを介して電解槽５０外へ、電解液を流した。電解液は、鉛直方向に対して下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
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、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ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１１Ｉａｏでは電解液と酸素ガスとの混相流となった。
入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１を、いずれも内部ヘッダー型とした以外は、実施例と同様にしてアルカリ水電解用複極式電解槽及び電解装置を作製した。
入口ヘッダー１０（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１１（陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ）を、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、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。
また、入口ヘッダー１０と出口ヘッダー１１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、陽極室５ａ及び陰極室５ｃの陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉ及び陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉから、陽極室５ａ及び陰極室５ｃに電解液が流入し、陽極室５ａ及び陰極室５ｃの陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ及び陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏから、電解液及び生成ガスが電解槽５０外へ流出する構造とした。
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１１Ｉｃｏを介して電解槽５０外へ、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１１Ｉａｏを介して電解槽５０外へ、電解液を流した。電解液は、鉛直方向に対して下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
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、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ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１１Ｉａｏでは電解液と酸素ガスとの混相流となった。
【0158】
複極式エレメント６０に取り付けた電極（陽極５ａ及び陰極５ｃ）の面積Ｓ１、入口ヘッダー１０（陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉ）の流路の断面積Ｓ２ｉ、出口ヘッダー１１（陽極出口ヘッダー１１Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｉｃｏ）の流路の断面積Ｓ２ｏ、入口ヘッダー１０の流路の長さＬ２ｉ、出口ヘッダー１１の流路の長さＬ２ｏ、電解セル６５の厚さｄは、それぞれ表１に示す値に調整した。
測定結果を表１に示す。
測定結果を表１に示す。
【0159】
［比較例３～５］
入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１を、いずれも外部ヘッダー型とした以外は、実施例と同様にしてアルカリ水電解用複極式電解槽及び電解装置を作製した。
複極式電解槽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入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１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１１Ｏａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｏｃｏ）を、外部から取り付けた。
ここで、入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１（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１１Ｏａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｏｃｏ）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、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。
入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１を、いずれも外部ヘッダー型とした以外は、実施例と同様にしてアルカリ水電解用複極式電解槽及び電解装置を作製した。
複極式電解槽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入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１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１１Ｏａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｏｃｏ）を、外部から取り付けた。
ここで、入口ヘッダー１０及び出口ヘッダー１１（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１１Ｏａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｏｃｏ）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、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。
【0160】
また、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、陽極室５ａ及び陰極室５ｃの入口ホースから、陽極室５ａ及び陰極室５ｃに電解液が流入し、陽極室５ａ及び陰極室５ｃの出口ホースから、電解液及び生成ガスが電解槽５０外へ流出する構造とした。
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１１Ｏｃｏを介して電解槽５０外へ、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１１Ｏａｏを介して電解槽５０外へ、電解液を流した。電解液は、鉛直方向に対して下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
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、陰極出口ヘッダー１１Ｏｃｏ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１１Ｏａｏでは電解液と酸素ガスとの混相流となった。
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１１Ｏｃｏを介して電解槽５０外へ、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１１Ｏａｏを介して電解槽５０外へ、電解液を流した。電解液は、鉛直方向に対して下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
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、陰極出口ヘッダー１１Ｏｃｏ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１１Ｏａｏでは電解液と酸素ガスとの混相流となった。
【0161】
複極式エレメント６０に取り付けた電極（陽極５ａ及び陰極５ｃ）の面積Ｓ１、入口ヘッダー１０（陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉ）の流路の断面積Ｓ２ｉ、出口ヘッダー１１（陽極出口ヘッダー１１Ｏａｏ、陰極出口ヘッダー１１Ｏｃｏ）の流路の断面積Ｓ２ｏ、入口ヘッダー１０の流路の長さＬ２ｉ、出口ヘッダー１１の流路の長さＬ２ｏ、電解セル６５の厚さｄは、それぞれ表１に示す値に調整した。
測定結果を表１に示す。
測定結果を表１に示す。
【0162】
【表1】
【0163】
実施例１及び２では、入口ヘッダーが外部ヘッダーであるため、比較例１及び２と比較して、入口ヘッダーのリーク電流を大幅に抑制することができ、ガス純度が改善された。
また、実施例１及び２では、出口ヘッダーが内部ヘッダーであるため、比較例３～５と比較して、入口ヘッダーの耐圧（電解装置の耐圧）が向上した。
また、実施例１及び２では、出口ヘッダーが内部ヘッダーであるため、比較例３～５と比較して、入口ヘッダーの耐圧（電解装置の耐圧）が向上した。
【産業上の利用可能性】
【0164】
本発明のアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用複極式電解装置、及びアルカリ水電解方法によれば、リーク電流の発生を抑制し、ガス純度が良好で、電解セルの薄型化及び加圧運転が可能であるため、再生可能エネルギー等の変動電源下で運転する場合でも、幅広い出力範囲にわたる安定的な運転及び高効率的な電解が可能である。
【符号の説明】
【0165】
１ 隔壁
２ 電極
２ａ 陽極
２ｃ 陰極
２ｅ 導電性弾性体
２ｒ 集電体
３ 外枠
４ 隔膜
５ 電極室
５ａ 陽極室
５ｃ 陰極室
５ｉ 電解液入口
５ｏ 電解液出口
５ａｉ 陽極電解液入口
５ａｏ 陽極電解液出口
５ｃｉ 陰極電解液入口
５ｃｏ 陰極電解液出口
６ 整流板
６ａ 陽極整流板（陽極リブ）
６ｃ 陰極整流板（陰極リブ）
７ ガスケット
１０、１１ 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）
１１Ｉ 内部ヘッダー
１１Ｉａｉ 陽極入口ヘッダー
１１Ｉａｏ 陽極出口ヘッダー
１１Ｉｃｉ 陰極入口ヘッダー
１１Ｉｃｏ 陰極出口ヘッダー
２０ 導管
２０Ｏａｉ、２０Ｉａｉ 陽極用配液管
２０Ｏａｏ、２０Ｉａｏ 陽極用集液管
２０Ｏｃｉ、２０Ｉｃｉ 陰極用配液管
２０Ｏｃｏ、２０Ｉｃｏ 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 電解装置
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
７８ 圧力計
７９ 熱交換器
８０ 圧力制御弁
Ｄ１ 隔壁に沿う所与の方向（電解液通過方向）
Ｓ１ 複極式エレメントの通電面の面積
Ｓ２ｉ 入口ヘッダーの流路の断面積
Ｓ２ｏ 出口ヘッダーの流路の断面積
Ｌ２ｉ 入口ヘッダーの流路の長さ
Ｌ２ｏ 出口ヘッダーの流路の長さ
Ｚ ゼロギャップ構造
ｄ 電解セルの厚さ
２ 電極
２ａ 陽極
２ｃ 陰極
２ｅ 導電性弾性体
２ｒ 集電体
３ 外枠
４ 隔膜
５ 電極室
５ａ 陽極室
５ｃ 陰極室
５ｉ 電解液入口
５ｏ 電解液出口
５ａｉ 陽極電解液入口
５ａｏ 陽極電解液出口
５ｃｉ 陰極電解液入口
５ｃｏ 陰極電解液出口
６ 整流板
６ａ 陽極整流板（陽極リブ）
６ｃ 陰極整流板（陰極リブ）
７ ガスケット
１０、１１ 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）
１１Ｉ 内部ヘッダー
１１Ｉａｉ 陽極入口ヘッダー
１１Ｉａｏ 陽極出口ヘッダー
１１Ｉｃｉ 陰極入口ヘッダー
１１Ｉｃｏ 陰極出口ヘッダー
２０ 導管
２０Ｏａｉ、２０Ｉａｉ 陽極用配液管
２０Ｏａｏ、２０Ｉａｏ 陽極用集液管
２０Ｏｃｉ、２０Ｉｃｉ 陰極用配液管
２０Ｏｃｏ、２０Ｉｃｏ 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 電解装置
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
７８ 圧力計
７９ 熱交換器
８０ 圧力制御弁
Ｄ１ 隔壁に沿う所与の方向（電解液通過方向）
Ｓ１ 複極式エレメントの通電面の面積
Ｓ２ｉ 入口ヘッダーの流路の断面積
Ｓ２ｏ 出口ヘッダーの流路の断面積
Ｌ２ｉ 入口ヘッダーの流路の長さ
Ｌ２ｏ 出口ヘッダーの流路の長さ
Ｚ ゼロギャップ構造
ｄ 電解セルの厚さ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】