(57)【要約】【課題】純度を高めた水素ガスを製造可能な水素製造装置及び隔膜を提供する。【解決手段】水素製造装置は、電解液を保持する筐体と、前記筐体の内部を陽極側セルと陰極側セルに区画する隔膜と、前記陽極側セル内に設けられた陽極電極と、前記陰極側セル内に設けられた陰極電極と、を備える。前記隔膜の下部における前記電解液の透液性は、前記隔膜の上部における前記電解液の透液性よりも低い。【選択図】図１
2020045512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液を保持する筐体と、
前記筐体の内部を陽極側セルと陰極側セルに区画する隔膜と、
前記陽極側セル内に設けられた陽極電極と、
前記陰極側セル内に設けられた陰極電極と、
を備え、
前記隔膜の下部における前記電解液の透液性は、前記隔膜の上部における前記電解液の透液性よりも低い水素製造装置。
【請求項２】
前記隔膜には複数の孔が形成されており、
前記隔膜の下部における前記孔の径は、前記隔膜の上部における前記孔の径よりも小さい請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記隔膜の下部は前記隔膜の上部よりも厚い請求項１記載の水素製造装置。
【請求項４】
電解液を保持する筐体と、
前記筐体の内部を陽極側セルと陰極側セルに区画する隔膜と、
前記陽極側セル内に設けられた陽極電極と、
前記陰極側セル内に設けられた陰極電極と、
を備え、
前記陽極側セルの下部における前記電解液の流路は、前記陽極側セルの上部における前記電解液の流路よりも狭い水素製造装置。
【請求項５】
前記陽極側セルの形状が逆四角錐台形である請求項４記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記陽極電極の表面の半分以上が前記電解液に接し、前記陰極電極の表面の半分以上が気相に接する請求項１〜５のいずれか１つに記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記陽極側セルの容積の半分以上には前記電解液が保持され、前記陰極側セルの容積の半分以上には気相が存在する請求項１〜６のいずれか１つに記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記陰極側セルの容積は前記陽極側セルの容積よりも小さい請求項１〜７のいずれか１つに記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記陽極側セルとの間で前記電解液を循環させる陽極側電解液タンクと、
前記陽極側電解液タンクから前記陽極側セルに前記電解液を供給するポンプと、
をさらに備え、
前記陰極側セルに前記電解液を供給するポンプは設けられていない請求項１〜８のいずれか１つに記載の水素製造装置。
【請求項１０】
水の電気分解に用いる隔膜であって、
第１部分と、
第２部分と、
を備え、
前記第１部分における透液性が前記第２部分における透液性よりも低い隔膜。
【請求項１１】
前記隔膜には複数の孔が形成されており、
前記第１部分における前記孔の径は、前記第２部分における前記孔の径よりも小さい請求項１０記載の隔膜。
【請求項１２】
前記第１部分は前記第２部分よりも厚い請求項１０記載の隔膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、水素製造装置及び隔膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解液を用いて水を電気分解することにより、水素ガスを製造できる。水素ガスの製造装置においては、純度を高めた水素ガスを製造することが要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１９３４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態の目的は、純度を高めた水素ガスを製造可能な水素製造装置及び隔膜を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る水素製造装置は、電解液を保持する筐体と、前記筐体の内部を陽極側セルと陰極側セルに区画する隔膜と、前記陽極側セル内に設けられた陽極電極と、前記陰極側セル内に設けられた陰極電極と、を備える。前記隔膜の下部における前記電解液の透液性は、前記隔膜の上部における前記電解液の透液性よりも低い。
【０００６】
実施形態に係る水素製造装置は、電解液を保持する筐体と、前記筐体の内部を陽極側セルと陰極側セルに区画する隔膜と、前記陽極側セル内に設けられた陽極電極と、前記陰極側セル内に設けられた陰極電極と、を備える。前記陽極側セルの下部における前記電解液の流路は、前記陽極側セルの上部における前記電解液の流路よりも狭い。
【０００７】
実施形態に係る隔膜は、水の電気分解に用いる隔膜である。前記隔膜は、第１部分と、第２部分と、を備える。前記第１部分における透液性が前記第２部分における透液性よりも低い。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る水素製造装置を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は第１の実施形態に係る隔膜を示す断面図であり、（ｂ）は縦軸に位置をとり横軸に圧力をとって隔膜に印加される電解液の圧力分布を示すグラフ図であり、（ｃ）は縦軸に位置をとり横軸に孔径をとって孔径の位置依存性を示すグラフ図であり、（ｄ）は縦軸に位置をとり横軸に透液量をとって透液量の位置依存性を示すグラフ図であり、（ｅ）は縦軸に位置をとり横軸に水素ガスの不純物濃度をとって水素ガスの不純物濃度の生成位置に対する依存性を示すグラフ図である。
【図３】第１の実施形態に係る水素製造装置の隔膜近傍を示す断面図である。
【図４】第２の実施形態に係る水素製造装置の電解槽を示す図である。
【図５】第３の実施形態に係る水素製造装置の電解槽を示す図である。
【図６】第４の実施形態に係る水素製造装置の電解槽を示す図である。
【図７】（ａ）は第４の実施形態における陽極側セルを示す図であり、（ｂ）は縦軸に位置をとり横軸に流速をとって電解液の流速分布を示すグラフ図であり、（ｃ）は縦軸に位置をとり横軸に圧力をとって隔膜に印加される電解液の圧力分布を示すグラフ図であり、（ｄ）は縦軸に位置をとり横軸に透液量をとって透液量の位置依存性を示すグラフ図であり、（ｅ）は縦軸に位置をとり横軸に水素ガスの不純物濃度をとって水素ガスの不純物濃度の生成位置に対する依存性を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る水素製造装置を示すブロック図である。
図２（ａ）は本実施形態に係る隔膜を示す断面図であり、（ｂ）は縦軸に位置をとり横軸に圧力をとって隔膜に印加される電解液の圧力分布を示すグラフ図であり、（ｃ）は縦軸に位置をとり横軸に孔径をとって孔径の位置依存性を示すグラフ図であり、（ｄ）は縦軸に位置をとり横軸に透液量をとって透液量の位置依存性を示すグラフ図であり、（ｅ）は縦軸に位置をとり横軸に水素ガスの不純物濃度をとって水素ガスの不純物濃度の生成位置に対する依存性を示すグラフ図である。
図２（ｂ）〜（ｅ）の縦軸に示す位置は、図２（ａ）の断面図における位置と対応している。
図３は、本実施形態に係る水素製造装置の隔膜近傍を示す断面図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態に係る水素製造装置１においては、電解槽１０が設けられている。また、本実施形態では、電解液として、例えばアルカリ性の電解液１００を用いる。但し、電解液は中性であってもよく、酸性であってもよい。電解槽１０には筐体１６が設けられており、筐体１６内には隔膜１１Ａが設けられている。筐体１６の内部は、隔膜１１Ａによって、陽極側セル１２と陰極側セル１３に区画されている。隔膜１１Ａは、例えば、樹脂材料からなる多孔質膜であり、水分子及びイオンは通過させるが、大きな気泡は通過させない膜である。隔膜１１Ａは絶縁性の多孔質材料によって形成されていればよく、例えば、セラミックス材料によって形成されていてもよい。
【００１１】
陰極側セル１３の厚さ、すなわち、陽極側セル１２及び陰極側セル１３の配列方向における長さは、陽極側セル１２の厚さよりも短い。このため、陰極側セル１３の容積は、陽極側セル１２の容積よりも小さい。陽極側セル１２内には陽極電極１４が設けられており、陰極側セル１３内には陰極電極１５が設けられている。陽極電極１４及び陰極電極１５は隔膜１１Ａに接しており、隔膜１１Ａを挟んでいる。
【００１２】
陽極側セル１２内には、アルカリ性の電解液１００、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液が保持されている。一方、陰極側セル１３内には、電解液１００はごく少量しか存在しておらず、陰極側セル１３の大部分は気相１０１が占めている。例えば、陽極側セル１２の容積の半分以上には電解液１００が存在し、陰極側セル１３の容積の半分以上には気相１０１が存在する。このため、陽極電極１４における隔膜１１に接していない側の表面の大部分、少なくとも半分以上は電解液１００に接し、陰極電極１５における隔膜１１Ａに接していない側の表面の大部分、少なくとも半分以上は気相１０１に接している。
【００１３】
陰極電極１５の形状は例えばメッシュ状であり、多数の開口部１５ａ（図３参照）が形成されている。陽極電極１４の形状も、陰極電極１５と同様なメッシュ状であり、多数の開口部１４ａ（図３参照）が形成されている。なお、陰極電極１５及び陽極電極１４の形状は、多数の開口部が形成された形状であればよく、メッシュ状には限定されない。
【００１４】
図２（ａ）に示すように、隔膜１１Ａの孔７１は、電解槽１０の上部に位置する部分ほど大きく、下部に位置する部分ほど小さくなっている。このため、隔膜１１Ａにおける電解槽１０の上部に位置する部分ほど透液性が高く、下部に位置する部分ほど透液性が低い。なお、本明細書において、「透液性」とは、隔膜１１Ａを水平方向に沿って設置した状態で、隔膜１１Ａの両側の圧力差、電解液１００の組成及び温度等の諸条件が一定であるときの透液量をいう。「透液量」とは、単位面積の隔膜１１Ａを通過する液体の量をいう。図２（ａ）は模式的な図であり、孔７１は実際よりも大きくかつ少なく描かれている。
【００１５】
孔７１の径にはバラツキがあるが、隔膜１１Ａにおける電解槽１０の下部に位置する部分の孔７１の平均直径は、隔膜１１Ａにおける電解槽１０の上部に位置する部分の孔７１の平均直径よりも小さい。例えば、隔膜１１Ａを上下方向に沿って同じ長さの３つの部分に分けて、一番上に配置される部分（上部）と一番下に配置される部分（下部）をそれぞれ顕微鏡で観察したときに、下部における１０個の孔７１の平均直径は、上部における１０個の孔７１の平均直径よりも小さい。孔７１の直径は、例えば、顕微鏡画像において孔７１の外接円を描画し、この外接円の直径とすることができる。
【００１６】
以下、水素製造装置１における電解槽１０以外の部分について説明する。
図１に示すように、水素製造装置１には、整流器１９が設けられている。整流器１９は水素製造装置１の外部から電力が供給されて、陽極電極１４と陰極電極１５の間に直流電力を印加する。
【００１７】
水素製造装置１には、陽極側電解液タンク２１が設けられている。陽極側セル１２の上部と陽極側電解液タンク２１の上部との間には、配管２２が接続されている。なお、本明細書において「接続」とは、内部間を流体が流通可能なように機械的に連結されていることをいう。陽極側電解液タンク２１の下部と陽極側セル１２の下部との間には、配管２３が接続されている。配管２３の途中には、ポンプ２４が介在している。陽極側セル１２、配管２２、陽極側電解液タンク２１、配管２３及びポンプ２４により、ループ状の流路２５が形成されている。ポンプ２４が作動することにより、電解液１００は流路２５に沿って循環する。
【００１８】
水素製造装置１には、陰極側電解液タンク２６が設けられている。陰極側セル１３の下部、例えば、底面と陰極側電解液タンク２６の上部との間には、配管２７が接続されている。配管２７の途中には、ポンプ２８が介在している。ポンプ２８が作動することにより、陰極側セル１３の下部に溜まった電解液１００が、配管２７を介して陰極側電解液タンク２６に排出される。但し、水素製造装置１には、電解液１００を陰極側電解液タンク２６から陰極側セル１３に移動させるポンプは設けられていない。このため、電解液１００は、陰極側セル１３と陰極側電解液タンク２６との間を循環はせず、陰極電極１５の開口部１５ａからしみ出す電解液１００を除けば、陰極側セル１３から陰極側電解液タンク２６に一方的に移動するのみである。
【００１９】
図１に示すように、水素製造装置１には、酸素ガス洗浄塔３１、水素ガス洗浄塔３２、圧縮器３３、及び、配管３５〜４０が設けられている。水素製造装置１の外部には、水素貯蔵タンク１２０が設けられている。配管３５は陽極側電解液タンク２１の上部と酸素ガス洗浄塔３１の下部との間に接続されており、配管３６は酸素ガス洗浄塔３１の上部から水素製造装置１の外部に引き出されている。配管３７は陰極側セル１３の上部と水素ガス洗浄塔３２の下部との間に接続されており、配管３８は水素ガス洗浄塔３２の上部と圧縮器３３との間に接続されており、配管３９は圧縮器３３と外部の水素貯蔵タンク１２０との間に接続されている。配管４０は、陽極側電解液タンク２１と陰極側電解液タンク２６との間に接続されている。配管２７、ポンプ２８、陰極側電解液タンク２６及び配管４０は、陰極側セル１３の底部から陽極側電解液タンク２１に電解液１００を移動させる手段である。
【００２０】
次に、本実施形態に係る水素製造装置の動作について説明する。
図１に示すように、電解槽１０の陽極側セル１２、及び、陽極側電解液タンク２１内に、電解液１００を注入する。一方、陰極側セル１３内には電解液１００を注入せず、気相１０１としておく。電解液１００はアルカリ性水溶液であり、例えば、水酸化カリウム水溶液である。また、酸素ガス洗浄塔３１及び水素ガス洗浄塔３２内には、洗浄液、例えば、純水を注入する。ポンプ２４が作動することにより、流路２５に沿って、（陽極側電解液タンク２１→配管２３→陽極側セル１２→配管２２→陽極側電解液タンク２１）の順に、電解液１００が循環する。
【００２１】
このとき、図３に示すように、陽極側セル１２内に充填された電解液１００が、陽極電極１４の開口部１４ａ、隔膜１１Ａの孔７１、及び、陰極電極１５の開口部１５ａを介して、陰極電極１５と気相１０１との界面付近までしみ出し、電解液１００の表面張力により、開口部１５ａの出口付近で停止する。このため、陽極電極１４と陰極電極１５が、共に電解液１００に接触する。
【００２２】
この状態で、図１に示すように、外部から整流器１９に電力を供給すると、整流器１９が陽極電極１４と陰極電極１５の間に直流電力を供給する。これにより、電解液１００における陽極電極１４と陰極電極１５の間で、以下の反応が生じる。
【００２３】
陽極側：２ＯＨ−  →  （１／２）Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
陰極側：２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２＋２ＯＨ−
【００２４】
この結果、水が電気分解されて、陽極側セル１２においては、水（Ｈ２Ｏ）と酸素ガス（Ｏ２）が発生し、陰極側セル１３においては、水が消費されて水素ガス（Ｈ２）が発生する。発生した酸素ガスは、陽極電極１４の開口部１４ａ付近に小さな気泡として付着するが、循環する電解液１００によって陽極電極１４から引き剥がされて、陽極側セル１２の上部に移動する。一方、発生した水素ガスは、陰極電極１５の開口部１５ａを介して、そのまま気相１０１中に拡散し、陰極側セル１３の上部に移動する。
【００２５】
陽極側セル１２において発生した酸素ガスは、電解液１００と共に配管２２を介して陽極側電解液タンク２１に流入し、陽極側電解液タンク２１内において電解液１００から分離される。分離された酸素ガスは、配管３５を介して酸素ガス洗浄塔３１内に引き込まれ、洗浄液と接触することにより電解液１００が更に除去された後、配管３６を介して水素製造装置１の外部に排出される。
【００２６】
一方、陰極側セル１３においては発生した水素ガスは、配管３７を介して水素ガス洗浄塔３２内に引き込まれ、洗浄液と接触することにより不純物が除去された後、配管３８を介して圧縮器３３に供給される。圧縮器３３は水素ガスを圧縮し、配管３９を介して水素貯蔵タンク１２０に供給する。水素貯蔵タンク１２０は、水素ガスを貯蔵する。
【００２７】
また、上述の電気分解過程において、少量の電解液１００が陰極電極１５の開口部１５ａからしみ出し、陰極電極１５の表面を伝わって落下し、陰極側セル１３の底部に溜まることがある。この場合は、ポンプ２８を作動させることにより、配管２７を介して、電解液１００を陰極側電解液タンク２６内に移動させる。陰極側電解液タンク２６内に保持された電解液１００は、配管４０を介して、陽極側電解液タンク２１に戻される。
【００２８】
このようにして、水素製造装置１においては、電解液１００中の水が電気分解されて水素ガス及び酸素ガスが生成される。このうち、水素ガスは水素貯蔵タンク１２０に貯蔵されて、適宜回収され、利用される。
【００２９】
しかしながら、図２（ｂ）に示すように、電解槽１０内における電解液１００の圧力（水圧）は、重力の作用により、下部ほど高くなる。このため、仮に、図２（ｃ）に破線で示すように、隔膜１１Ａの孔７１の径が均一であると、図２（ｄ）に破線で示すように、隔膜１１Ａの孔７１を通過する電解液１００の透液量は、電解槽１０の下部ほど多くなる。電解液１００には陽極側セル１２において発生した酸素が含まれているため、電解液１００が陰極側セル１３内に流入すると、電解液１００と共に酸素も陰極側セル１３内に流入する。この結果、図２（ｅ）に破線で示すように、電解槽１０の下部で生成される水素ガスほど、不純物濃度が高くなってしまう。水素ガスの不純物の大部分は酸素ガスである。
【００３０】
そこで、本実施形態においては、図２（ａ）及び（ｃ）に示すように、隔膜１１Ａにおける電解槽１０の下部に配置される部分ほど、孔７１の直径を小さくしている。孔７１の直径が小さいほど、隔膜１１Ａの透液性は低い。これにより、電解槽１０の下部ほど水圧が高くなることと、電解槽１０の下部ほど透液性が低くなることが相殺されて、図２（ｄ）に実線で示すように、隔膜１１Ａの透液量は略均一になる。この結果、図２（ｅ）に実線で示すように、生成された水素ガスの不純物濃度は、電解槽１０中の位置に関して略均一になる。
【００３１】
次に、本実施形態の効果について説明する。
図１に示すように、電解槽１０の陽極側セル１２においては、水の電気分解によって発生した酸素が、電解液１００中に混入する。電解液１００中に混入した酸素の大部分は、陽極側電解液タンク２１内において電解液１００から分離されるが、一部は電解液１００に溶解した状態、又は、ナノバブルの状態で、電解液１００中に残留する。仮に、このようにして酸素が残留した電解液１００が、陰極側セル１３内に混入すると、この酸素が水素ガス中に混入し、水素ガスの純度が低下する。
【００３２】
しかしながら、本実施形態に係る水素製造装置１においては、上述の如く、陰極側セル１３は流路２５から切り離されており、電解液１００自体が陰極側セル１３に漏出することがほとんどない。このため、電解液１００内の酸素が水素ガス中に混入することもほとんどなく、純度を高めた水素ガスを得ることができる。
【００３３】
また、水素製造装置１においては、図２（ａ）及び（ｃ）に示すように、隔膜１１Ａにおける電解槽１０の下部に配置される部分ほど、孔７１の直径を小さくして、透液性を低くしている。このため、図２（ｅ）に実線で示すように、生成された水素ガスの不純物濃度が電解槽１０中の位置に関して略均一になる。これにより、水素ガスの純度をより一層高めることができる。
【００３４】
なお、隔膜１１Ａ全体において孔７１の直径を均一に小さくして、透液性を均一に低下させることも考えられる。しかしながら、この場合は、電解槽１０の上部においては電解液１００の圧力が低いため、透液量が過度に少なくなってしまう。このため、陰極電極１５の開口部１５ａ内において、電気分解により消費される水に対して、陽極側セル１２から陽極電極１４の開口部１４ａ及び隔膜１１Ａの孔７１を介して開口部１５ａ内に供給される電解液１００が不足する場合があり、開口部１５ａ内に電解液１００が確実に充填されなくなる。この結果、電気分解の効率が低下してしまう。
【００３５】
更に、本実施形態によれば、陰極側電解液タンク２６における気液分離が不要となるため、水素製造装置１の構成を簡略化できる。そして、気液分離が不要な分だけ、水素ガスの製造に要する消費電力量を抑えることが可能となる。また、同じ電力供給量であれば、従来よりも水素ガスの製造量を多くすることが可能となる。更に、陰極側セル１３内に所定量の電解液１００を保持する必要がないため、陰極側セル１３の容積を陽極側セル１２の容積よりも小さくできる。これにより、水素製造装置１の小型化が可能となる。この結果、水素製造装置１の設備コスト、運搬コスト及び設置コストを低減できる。又は、水素製造装置１のサイズを維持したまま、陽極側セル１２及び陰極側セル１３の対の数を増加させることができるため、製造できる水素量が増加する。
【００３６】
なお、本実施形態においては、孔７１の孔径を位置に応じて連続的に変化させる例を示したが、これには限定されず、孔７１の直径は段階的に変化させてもよい。例えば、隔膜１１Ａを上部と下部の２つの部分に分けて、下部の孔径を上部の孔径よりも小さくしてもよく、又は、隔膜１１Ａを上部、中部、下部の３つの部分に分けて、中部の孔径を上部の孔径よりも小さくし、下部の孔径を中部の孔径よりも小さくしてもよい。隔膜１１Ａをいくつの部分に分けるかは、電解槽１０の大きさ及び隔膜１１Ａの作製コストを考慮して、決定することができる。
【００３７】
また、本実施形態においては、隔膜１１Ａの位置に応じて孔７１の孔径を異ならせることにより、隔膜１１Ａの透液性を異ならせる例を示したが、透液性を異ならせる方法は、これには限定されない。例えば、孔径は一定とし、隔膜１１Ａに選択的に表面処理を施すことにより、隔膜１１Ａの透液性を異ならせてもよい。又は、孔径は一定とし、隔膜１１Ａの下部ほど孔７１の密度、すなわち、単位面積当たりの数を少なくすることにより、透液性を低くしてもよい。又は、これらの方法を組み合わせてもよい。
【００３８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図４は、本実施形態に係る水素製造装置の電解槽を示す図である。
【００３９】
図４に示すように、本実施形態に係る水素製造装置２においては、電解槽１０内に隔膜１１Ｂが設けられている。隔膜１１Ｂは、下部７４が上部７５よりも厚い。例えば、隔膜１１Ｂの上部７５は１枚の膜からなり、下部７４は２枚の膜が積層されている。一方、隔膜１１Ｂにおいては、孔７１（図３参照）の直径は略均一である。
【００４０】
本実施形態においても、隔膜１１Ｂの下部７４における透液性を上部７５における透液性よりも低くすることができる。これにより、隔膜１１Ｂの透液量を電解槽１０内の位置に関して略均一にすることができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００４１】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図５は、本実施形態に係る水素製造装置の電解槽を示す図である。
【００４２】
図５に示すように、本実施形態に係る水素製造装置３においては、陽極電極１４Ｃの厚さが不均一になっており、陽極電極１４Ｃの下部７６は上部７７よりも厚い。例えば、陽極電極１４Ｃの上部７７は１枚のメッシュ板からなり、下部７６は２枚のメッシュ板が積層されている。一方、水素製造装置３の隔膜１１Ｃの厚さは均一である。また、隔膜１１Ｃにおいては、孔７１（図３参照）の直径は略均一である。
【００４３】
本実施形態においては、陽極電極１４Ｃの下部７６の透液性が上部７７の透液性よりも低い。隔膜１１Ｃの透液性は均一である。これによっても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００４４】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。
図６は、本実施形態に係る水素製造装置の電解槽を示す図である。
図７（ａ）は本実施形態における陽極側セルを示す図であり、（ｂ）は縦軸に位置をとり横軸に流速をとって電解液の流速分布を示すグラフ図であり、（ｃ）は縦軸に位置をとり横軸に圧力をとって隔膜に印加される電解液の圧力分布を示すグラフ図であり、（ｄ）は縦軸に位置をとり横軸に透液量をとって透液量の位置依存性を示すグラフ図であり、（ｅ）は縦軸に位置をとり横軸に水素ガスの不純物濃度をとって水素ガスの不純物濃度の生成位置に対する依存性を示すグラフ図である。
図７（ｂ）〜（ｅ）の縦軸に示す位置は、図７（ａ）の図における位置と対応している。
【００４５】
図６に示すように、本実施形態に係る水素製造装置４においては、電解槽１０の陽極側セル１２Ｄの形状が逆四角錐台形となっており、陽極側セル１２Ｄの厚さ、すなわち、陽極側セル１２Ｄから陰極側セル１３に向かう方向の長さが、下部ほど短くなっている。一方、陽極側セル１２Ｄの幅、すなわち、図６の紙面に垂直な方向における長さは一定である。この結果、陽極側セル１２においては、下部ほど電解液１００の流路が狭くなっている。このような形状の陽極側セル１２は、筐体１６の形状を逆四角錐台形とすることによって実現してもよく、筐体１６の形状は通常の直方体形とし、陽極側セル１２内に電解液１００の流通を妨げる障害物を配置することによって実現してもよい。
【００４６】
水素製造装置４においては、隔膜１１Ｃの厚さは均一である。また、隔膜１１Ｃにおいては、孔７１（図３参照）の孔径は電解槽１０の位置に関して一定である。また、隔膜１１Ｃにおいては、孔７１（図３参照）の直径は略均一である。
【００４７】
次に、本実施形態に係る水素製造装置の動作について説明する。
図６及び図７（ａ）に示すように、水素製造装置４の陽極側セル１２Ｄにおいては、下部ほど電解液１００の流路が狭くなっている。これにより、図７（ｂ）に示すように、陽極側セル１２Ｄの下部ほど電解液１００の流速が高くなる。ベルヌーイの法則により、流速が高いほど圧力は低くなる。このため、図７（ｃ）に示すように、陽極側セル１２Ｄにおいては、電解液１００の圧力が略均一になる。この結果、図７（ｄ）に示すように、透液量が略均一になり、図７（ｅ）に示すように、水素ガスの不純物濃度が略均一になる。
【００４８】
このように、本実施形態によれば、陽極側セル１２Ｄの下部ほど流路を狭くすることにより、重力の作用と流速による作用が相殺されて、陽極側セル１２内において電解液１００の圧力が略均一になる。この結果、電解槽１０の下部における電解液１００の過剰な浸透と、上部における電解液の透液量１００の不足の双方を回避し、純度が高い水素ガスを製造することができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００４９】
以上説明した実施形態によれば、純度を高めた水素ガスを製造可能な水素製造装置及び隔膜を実現することができる。
【００５０】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の実施形態は、相互に組み合わせて実施することもできる。
【符号の説明】
【００５１】
１、２、３、４：水素製造装置
１０：電解槽
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ：隔膜
１２、１２Ｄ：陽極側セル
１３：陰極側セル
１４、１４Ｃ：陽極電極
１４ａ：開口部
１５：陰極電極
１５ａ：開口部
１６：筐体
１９：整流器
２１：陽極側電解液タンク
２２、２３：配管
２４：ポンプ
２５：流路
２６：陰極側電解液タンク
２７：配管
２８：ポンプ
３１：酸素ガス洗浄塔
３２：水素ガス洗浄塔
３３：圧縮器
３５〜４０：配管
７１：孔
７４：下部
７５：上部
７６：下部
７７：上部
１００：電解液
１０１：気相
１２０：水素貯蔵タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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