(57)【要約】【課題】純度を高めた水素ガスを製造可能な電解槽及び水素製造装置を提供する。【解決手段】電解槽は、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、表面の大部分が陽極側気相に接する陽極電極と、前記陰極側セル内に設けられ、表面の大部分が陰極側気相に接する陰極電極と、を備える。本実施形態に係る水素製造装置は、電解液を保持する電解液タンクと、電解液タンクから陽極電極と陰極電極の間に電解液を供給するポンプと、を備える。【選択図】図１
2020147843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、表面の大部分が陽極側気相に接する陽極電極と、
前記陰極側セル内に設けられ、表面の大部分が陰極側気相に接する陰極電極と、
を備え、
前記陽極電極と前記陰極電極の間に電解液が供給される、
電解槽。
【請求項２】
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、
を備え、
前記陽極側セルには陽極側気相が満たされ、
前記陰極側セルには陰極側気相が満たされ、
前記陽極側セルと前記陰極側セルの間に電解液が供給される、
電解槽。
【請求項３】
陽極側セルと陰極側セルを区画する隔膜と、
第１の陽極表面、第２の陽極表面、および、前記第１の陽極表面の端部と前記第２の陽極表面の端部との間に形成される陽極端面を備える板状体であり、前記陽極側セルに前記第１の陽極表面が前記隔膜に隣接して設けられる陽極電極と、
第１の陰極表面、第２の陰極表面、および、前記第１の陰極表面の端部と前記第２の陰極表面の端部との間に形成される陰極端面を備える板状体であり、前記陰極側セルに前記第１の陰極表面が前記隔膜に隣接して設けられる陰極電極と、
前記陽極電極に設けられ、一端が前記第１の陽極表面に開口し他端が前記第２の陽極表面に開口する第１の陽極孔と、
前記陰極電極に設けられ、一端が前記第１の陰極表面に開口し他端が前記第２の陰極表面に開口する第１の陰極孔と、
を備える電解槽。
【請求項４】
前記陽極電極に設けられ、一端が前記第１の陽極表面に開口し他端が前記陽極端面に開口する第２の陽極孔と、
をさらに備える請求項３に記載の電解槽。
【請求項５】
前記陰極電極に設けられ、一端が前記第１の陰極表面に開口し他端が前記陰極端面に開口する第２の陰極孔と、
をさらに備える請求項３に記載の電解槽。
【請求項６】
前記隔膜は、前記陽極電極と前記陰極電極の間に位置し、
前記隔膜は、絶縁性の多孔質材料によって形成され、
前記陽極電極と前記陰極電極の間に供給される前記電解液は、前記陽極電極と前記陰極電極の間で、前記隔膜の孔を介して移動可能である、
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項７】
前記電解液は、アルカリ性の水溶液であり、
前記電解液は、用いる水酸化カリウムの質量パーセント濃度が５％（ｗ／ｗ）以上である、
請求項１ないし６いずれか一項に記載の電解槽。
【請求項８】
前記陽極電極及び前記陰極電極の少なくともいずれかは、ジャイロイド構造またはラティス構造を有する、
請求項１ないし７いずれか一項に記載の電解槽。
【請求項９】
隔膜によって陽極側セルと陰極側セルに区画され、前記陽極側セル内に陽極電極が設けられ、前記陰極側セル内に陰極電極が設けられた請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電解槽と、
前記電解液を保持する電解液タンクと、
前記電解液タンクから前記陽極電極と前記陰極電極の間に前記電解液を供給するポンプと、
を備えた、水素製造装置。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の電解槽と、
前記隔膜に接触する電解液を保持する電解液タンクと、
前記電解液タンクから電解液を供給するポンプと、
を備える水素製造装置。
【請求項１１】
前記電解槽から前記電解液を排出する配管と、
前記陽極側セルから酸素ガスを排出する配管と、
前記陰極側セルから水素ガスを排出する配管と、
を備えた、請求項９または１０に記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、電解槽及び水素製造装置に関する。
【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】
本実施形態の目的は、純度を高めた水素ガスを製造可能な、電解槽及び水素製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本実施形態に係る電解槽は、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、表面の大部分が陽極側気相に接する陽極電極と、前記陰極側セル内に設けられ、表面の大部分が陰極側気相に接する陰極電極と、を備える。本実施形態に係る水素製造装置は、電解液を保持する電解液タンクと、電解液タンクから陽極電極と陰極電極の間に電解液を供給するポンプと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係る水素製造装置の構成ブロック図である。
【図２】本実施形態における陽極電極の一例を示す平面図である。
【図３】本実施形態における陰極電極の一例を示す平面図である。
【図４】本実施形態に係る水素製造装置の電極部分の構成を示す斜視図である。
【図５】本実施形態に係る水素製造装置の電解槽の構成と動作原理を示す断面図である。
【図６】本実施形態に係る水素製造装置の電解槽の別の例の構成と動作原理を示す断面図である。
【図７】比較例に係る水素製造装置の構成ブロック図である。
【図８】本実施形態の変形例に係る水素製造装置の構成ブロック図である。
【図９】本実施形態の変形例に係る水素製造装置の電解槽の構成と動作原理を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（構成）
【０００８】
本実施形態について説明する。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る水素製造装置１００の構成ブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る水素製造装置１００においては、電解槽１０、筐体１１、隔膜１２、陽極側セル１３、陰極側セル１４、陽極電極１５、陰極電極１６、陽極側気相１７、陰極側気相１８、電解液１９、整流器１０１、電解液タンク１０２、酸素ガス洗浄塔１０３、水素ガス洗浄塔１０４、圧縮器１０５、水素貯蔵タンク１０６、制御部１０７、配管１１１〜１１９、ポンプ１２１、１２２が設けられている。また、本実施形態では、電解液１９として、例えばアルカリ性の電解液１９を用いる。本実施形態の水素製造装置１００において電解液１９にアルカリ性水溶液を用いる場合、用いる水酸化カリウムは質量パーセント濃度が５％（ｗ／ｗ）以上のものを用いるのが好ましい。さらに好ましくは、水酸化カリウムは質量パーセント濃度が２０％（ｗ／ｗ）以上４０％（ｗ／ｗ）以下のものを用いることである。但し、アルカリ性水溶液は、水酸化カリウム水溶液に限定せず、水酸化ナトリウム水溶液や次亜塩素酸ナトリウム水溶液など、強アルカリ性を呈するものを用いることができる。本実施形態の水素製造装置１００における電解液１９は、上述の条件の場合、電気伝導度が高くなり電気分解の効率が高くなる。
【００１０】
電解槽１０には筐体１１が設けられており、筐体１１内には隔膜１２が設けられている。筐体１１の内部は、隔膜１２によって、陽極側セル１３と陰極側セル１４に区画されている。隔膜１２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１２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】
隔膜１２の孔は、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程度の大きさとして、１００μｍ以上である。好ましくは、隔膜１２の孔の大きさは５００μｍから１０００μｍ程度である。
【００１２】
陽極側セル１３内には陽極電極１５が設けられており、陰極側セル１４内には陰極電極１６が設けられている。陽極電極１５及び陰極電極１６は隔膜１２に隣接しており、陽極電極１５と陰極電極１６が隔膜１２を挟んでいる。
【００１３】
陽極電極１５は、第１の陽極表面１５ｂと、第１の陽極表面１５ｂの裏面となる第２の陽極表面１５ｃを両面として板状を呈する板状体である。陽極電極１５は、第１の陽極表面１５ｂが隔膜１２に隣接するように配置される。第１の陽極表面１５ｂの端部と第２の陽極表面１５ｃの端部との間には陽極端面１５ｄが形成される。なお、陽極端面１５ｄは、平面のほか曲面としても構わない。
【００１４】
また、陽極電極１５は、陽極開口部１５ａを備える。陽極開口部１５ａは陽極電極１５の第１の陽極表面１５ｂ及び第２の陽極表面１５ｃに好ましくは複数（多数）設けられている。第１の陽極孔１５ｅは、陽極開口部１５ａの少なくとも一部を構成し、一端が第１の陽極表面１５ｂに開口し、他端は第２の陽極表面１５ｃに開口する。
【００１５】
同様に、陰極電極１６は、第１の陰極表面１６ｂと、第１の陰極表面１６ｂの裏面となる第２の陰極表面１６ｃを両面として板状を呈する板状体である。陰極電極１６は、第１の陰極電極１６ｂが隔膜１２に隣接するように配置される。第１の陰極表面１６ｂの端部と第２の陰極表面１６ｃの端部との間には陰極端面１６ｄが形成される。陽極端面１５ｄと同様、陰極端面１６ｄについても平面の他曲面としても構わない。
【００１６】
また、陰極電極１６は、陰極開口部１６ａを備える。陰極開口部１６ａは陰極電極１６の第１の陰極表面１６ｂ及び第２の陰極表面１６ｃに好ましくは複数（多数）設けられている。第１の陰極孔１６ｅは、陰極開口部１６ａの少なくとも一部を構成し、一端が第１の陰極表面１６ｂに開口し、他端は第２の陰極表面１６ｃに開口する。
【００１７】
陽極側セル１３内、及び陰極側セル１４内には、電解液１９はごく少量しか存在しておらず、陽極側セル１３、及び陰極側セル１４は、陽極側気相１７、陰極側気相１８で満たされている。
【００１８】
陽極側セル１３内、及び陰極側セル１４内に存在するごく少量の電解液１９は、陽極電極１５、陰極電極１６の間から表面張力により陽極電極１５の陽極開口部１５ａ、陰極電極１６の陰極開口部１６ａに染み出すことによるものである。すなわち、陽極側セル１３内、及び陰極側セル１４内の存在する電解液１９は、陽極電極１５、陰極電極１６の間に存在する電解液１９と比べて少ない。本実施形態に係る水素製造装置１００では、陽極側セル１３内、及び陰極側セル１４内に、意図して、電解液１９を注入しない。この状態を、陽極側セル１３内、及び陰極側セル１４内は、陽極側気相１７、陰極側気相１８で「満たされている」、と定義する。
【００１９】
例えば、陽極側セル１３は陽極側気相１７で満たされ、陰極側セル１４は陰極側気相１８で満たされる。このため、陽極電極１５における第２の陽極表面１５ｃ（すなわち、隔膜１２に隣接していない側の表面）の大部分は陽極側気相１７に隣接し、陰極電極１６における第２の陰極表面１６ｃ（すなわち、隔膜１２に隣接していない側の表面）の大部分は陰極側気相１８に隣接している。
【００２０】
陽極側セル１３内、及び陰極側セル１４内の存在する電解液１９は、陽極電極１５、陰極電極１６の間に存在する電解液１９と比べて少ない。本実施形態に係る水素製造装置１００では、陽極側セル１３内、及び陰極側セル１４内に、意図して、電解液１９を注入しない。この状態を、陽極電極１５の第２の陽極表面１５ｃ（すなわち、隔膜１２に隣接していない側の表面）の「大部分」が陽極側気相１７に隣接している、と定義する。
【００２１】
同様に、この状態を、陰極電極１６の第２の陰極表面１６ｃ（すなわち、隔膜１２に隣接していない側の表面）の「大部分」が陰極側気相１８に隣接している、と定義する。
【００２２】
ここで、陽極電極１５の「表面」とは、第１の陽極表面１５ｂ及び第２の陽極表面１６ｃの少なくともいずれかを含む。同様に、陰極電極１６の「表面」とは、第１の陰極表面１６ｂ及び第２の陰極表面１６ｃの少なくともいずれかを含む。例えば、板状体である陽極電極１５または陰極電極１６が直方体となる場合、直方体の面のうち最も面積の大きい二つの面の少なくともいずれかは「表面」を構成する。また、陽極開口部１５ａ及び陰極開口部１６ａのうち、電解液１９の流路壁を構成する壁面も「表面」の一部を構成する。
【００２３】
図２は、本実施形態における陽極電極１５の一例を示す平面図である。図３は、本実施形態における陰極電極１６の一例を示す平面図である。図２に示すように、陽極電極１５には多数の陽極開口部１５ａが形成されている。第１の陽極孔１５ｅは、陽極開口部１５ａの少なくとも一部を構成し、第１の陽極表面１５ｂと第２の陽極表面１５ｃの間を貫通するように形成されている。すなわち、本実施形態の図２に示した例では、第１の陽極孔１５ｅは、一端が第１の陽極表面１５ｂに開口し、他端は第２の陽極表面１５ｃに開口するように設けられている。陽極電極１５は、陽極開口部１５ａが多数設けられることでメッシュ状の形状を有するように構成される。
【００２４】
同様に、図３に示すように、陰極電極１６の形状も、陽極電極１５と同様なメッシュ状であり、陰極電極１６には陰極孔としての多数の陰極開口部１６ａが形成されている。第１の陰極孔１６ｅは、陰極開口部１６ａの少なくとも一部を構成し、第１の陰極表面１６ｂと第２の陰極表面１６ｃの間を貫通するように形成されている。すなわち、本実施形態の図３に示した例では、第１の陰極孔１６ｅは、一端が第１の陰極表面１６ｂに開口し、他端は第２の陰極表面１６ｃに開口するように設けられている。
【００２５】
なお、陽極電極１５の形状は、多数の陽極開口部１５ａの少なくとも一部である第１の陽極孔１５ｅ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。
【００２６】
同様に、陰極電極１６の形状は、多数の陰極開口部１６ａの少なくとも一部である陰極孔１６ｅ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。
【００２７】
図４は、本実施形態に係る水素製造装置の電極部分の構成を示す斜視図である。図４に示すように、隔膜１２は、陽極電極１５と陰極電極１６の間に介在する。陽極電極１５は、第１の陽極表面１５ｂで隔膜１２と接し、陰極電極１６は、第１の陰極表面１６ｂで隔膜１２と接する。
【００２８】
水素製造装置１００には、整流器１０１が設けられている。整流器１０１は水素製造装置１００の外部から電力が供給されて、陽極電極１５と陰極電極１６の間に直流電力を印加する。
【００２９】
水素製造装置１００には、電解液タンク１０２が設けられている。
【００３０】
陽極電極１５に開口する陽極開口部１５ａの少なくとも一部である第１の陽極孔１５ｅの一部と電解液タンク１０２との間には、配管１１１が接続されている。配管１１１の途中には、ポンプ１２１が介在している。
【００３１】
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。
【００３２】
また、本実施形態において陽極電極１５の陽極開口部１５ａの少なくとも一部である第１の陽極孔１５ｅの一部と電解液タンク１０２との間には、配管１１１が接続され、配管１１１の途中にはポンプ１２１が介在しているが、陰極電極１６の陰極開口部１６ａの少なくとも一部である第１の陰極孔１６ｅの一部と電解液タンク１０２との間に、配管１１２（図示せず）が接続され、配管１１２の途中にはポンプ１２２（図示せず）が介在していてもよい。もしくは、配管１１１、１１２とポンプ１２１、１２２の全てを備えていてもよい。
【００３３】
本実施形態において陽極電極１５の陽極開口部１５ａの第２の陽極表面１５ｃ側の開口の一部と電解液タンク１０２との間には、配管１１１が接続され、配管１１１の途中にはポンプ１２１が介在する。これにより、配管１１１を介して電解液１９を注入する流路と、電解液１９の電気分解により発生する酸素ガスを排出する流路が異なる構成となっている。このような構成の例として、ジャイロイド構造またはラティス構造を有する電極を陽極電極１５として用いてもよい。電解液タンク１０２は、陽極電極１５の陽極開口部１５ａの一部から配管１１１、ポンプ１２１を介して電解液１９を注入する。陽極電極１５、陰極電極１６の間には隔膜１２が存在し、隔膜１２の孔を介して陽極電極１５と陰極電極１６は電気的に接続している。
【００３４】
なお、本明細書において「電気的に接続」とは、内部間が電解液１９を介して水分子及びイオンが流通可能なように電力が印加されていることをいう。
【００３５】
陽極電極１５の陽極開口部１５ａの一部から電解液１９が注入され、陽極電極１５と陰極電極１６が、共に電解液１９に接触する。
【００３６】
水素製造装置１００には、酸素ガス洗浄塔１０３、水素ガス洗浄塔１０４、圧縮器１０５、及び、配管１１１〜１１９が設けられている。電解液タンク１０２内には、電解液１９が保持されている。電解液タンク１０２と陽極電極１５の陽極開口部１５ａの一部との間には、配管１１１が接続されている。配管１１１の途中には、ポンプ１２１が介在している。電解液タンク１０２は電解槽１０よりも下方に配置されている。陽極側セル１３の下部、例えば底面と電解液タンク１０２の上部との間には、配管１１３が接続されている。陰極側セル１４の下部、例えば底面と電解液タンク１０２の上部との間には、配管１１４が接続されている。配管１１３、１１４の途中には、ポンプが介在していてもよい。ポンプが作動することにより、陽極側セル１３、陰極側セル１４の下部に溜まった電解液１９が、配管１１３、１１４を介して電解液タンク１０２に排出される。但し、電解液１９を電解液タンク１０２から陽極側セル１３、陰極側セル１４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１９は、陽極側セル１３、陰極側セル１４と電解液タンク１０２との間を循環はせず、陽極電極１５、陰極電極１６からしみ出す電解液１９を除けば、陽極側セル１３、陰極側セル１４から電解液タンク１０２に一方的に移動するのみである。配管１１５は、陽極側セル１３の上部と酸素ガス洗浄塔１０３の下部との間に接続されている。配管１１６は酸素ガス洗浄塔１０３の上部から水素製造装置１００の外部に引き出されている。水素製造装置１００の外部には、水素貯蔵タンク１０６が設けられている。配管１１７は陰極側セル１４の上部と水素ガス洗浄塔１０４の下部との間に接続されており、配管１１８は水素ガス洗浄塔１０４の上部と圧縮器１０５との間に接続されており、配管１１９は圧縮器１０５と外部の水素貯蔵タンク１０６との間に接続されている。
【００３７】
図５は、本実施形態に係る水素製造装置１００が備える電解槽１０の構成と動作原理を示す断面図であり、筐体１１、隔膜１２、陽極側セル１３、陰極側セル１４、陽極電極１５、陰極電極１６、陽極側気相１７、陰極側気相１８、電解液１９、配管１１１、ポンプ１２１が設けられている。
【００３８】
図５においても、陽極電極１５は陽極孔としての陽極開口部１５ａを備える。陽極孔である陽極開口部１５ａは陽極電極１５に好ましくは複数（多数）設けられており、一端が第１の陽極表面１５ｂに開口し、他端は第２の陽極表面１５ｃに開口する。
【００３９】
同様に、陰極孔である陰極開口部１６ａは陰極電極１６に好ましくは複数（多数）設けられており、一端が第１の陰極表面１６ｂに開口し、他端は第２の陰極表面１６ｃに開口する。
【００４０】
配管１１１は、一端が電解液タンク１０２に接続され、他端は陽極電極１５の第２の陽極表面１５ｃ側の陽極開口部１５ａの一部に接続される。陽極電極１５の第２の陽極表面１５ｃ側の、配管１１１と接続されない陽極開口部１５ａは、陽極側セル１３に開口する。配管１１１の途中には、ポンプ１２１が介在している。
【００４１】
図６は、図５に示した本実施形態に係る水素製造装置１００が備える電解槽１０の別の例の構成とその動作原理を示す断面図であり、図５に示す電解槽１０と同様に、筐体１１、多孔質膜である隔膜１２、陽極側セル１３、陰極側セル１４、陽極電極１５、陰極電極１６、陽極側気相１７、陰極側気相１８、電解液１９、配管１１１、ポンプ１２１が設けられている。
【００４２】
図６に示す電解槽１０の別の例の構成は、図５に示す電解槽１０の構成と異なり、陽極開口部１５ａと陰極開口部１６ａは、隔膜を介して互いに重ならないように構成される。例えば、陽極電極１５の第２の陽極表面１５ｃが陰極電極１６の陰極開口部１６ａと隔膜１２を介して重なるように隣接する。同様に、例えば、陰極電極１６の第２の陰極表面１６ｃが陽極電極１５の陽極開口部１５ａと隔膜１２を介して重なるように隣接する。すなわち、図６の紙面の上下方向に紙面に垂直な平面内において、陽極電極１５の第２の陽極表面１５ｃに対応する位置に陰極電極１６の陰極開口部１６ａが位置し、陰極電極１６の第２の陰極表面１６ｃに対応する位置に陽極電極１５の陽極開口部１５ａが位置するように配置される。換言すると、陽極電極１５と陰極電極１６は、図６の紙面の上下方向に紙面に垂直な平面（すなわち、隔膜１２に平行な投影平面）において、陽極開口部１５ａの位置と陰極開口部１６ａの位置が互いにずらされて配置される。
【００４３】
（作用）
【００４４】
次に、本実施形態に係る水素製造装置１００の動作について説明する。
【００４５】
図１に示すように、電解液タンク１０２内に、電解液１９を注入する。陽極側セル１３内、陰極側セル１４内には電解液１９を注入せず、それぞれ陽極側気相１７、陰極側気相１８としておく。電解液１９は、配管１１１を通り、第２の陽極表面１５ｃに開口する陽極開口部１５ａの少なくとも一部である第１の陽極孔１５ｅに注入される。
【００４６】
図５、図６に示した本実施形態に係る水素製造装置１００が備える電解槽１０において、第１の陽極孔１５ｅに注入された電解液１９は、陽極電極１５と陰極電極１６の間にある隔膜１２を介して陰極電極１６まで達し、陽極電極１５と陰極電極１６が共に電解液１９に接触する。
【００４７】
陽極電極１５の表面の第２の陽極表面１５ｃに開口する陽極開口部１５ａの一部と電解液タンク１０２との間には、配管１１１が接続されている。配管１１１の途中には、ポンプ１２１が介在している。
【００４８】
また電解液１９は、電解液タンク１０２より配管１１１を介して陽極電極１５の表面のうちの第２の陽極表面１５ｃに開口する陽極開口部１５ａの少なくとも一部である第１の陽極孔１５ｅの一部に供給される。発生した酸素ガスは第１の陽極孔１５ｅから排出される。しかし、発生した酸素ガスが第１の陽極孔１５ｅに停滞し液詰まりを起こす恐れがある。電解液１９を第１の陽極孔１５ｅから注入する場合、発生した酸素ガスが第１の陽極孔１５ｅに停滞しないよう注入する電解液１９の流速をある一定の値以上にすることで、流路が整流化し液詰まりが起こりにくくなり電気分解の効率が高くなる。その際、電解液１９を注入する陽極電極１５の陽極開口部１５ａと、陰極電極１６の陰極開口部１６ａの隔膜１２を介して重なっている面積が大きいと、陰極電極１６の陰極開口部１６ａから陰極側気相１８に染み出す電解液１９の量が多くなる。
【００４９】
図５、図６に示した本実施形態に係る水素製造装置１００が備える電解槽１０の別の例において、陽極電極１５の第２の陽極表面１５ｃに開口する陽極開口部１５ａの少なくとも一部である第１の陽極孔１５ｅから注入された電解液１９は、陽極電極１５と陰極電極１６の間にある隔膜１２を介して陰極電極１６まで達し、陽極電極１５と陰極電極１６が共に電解液１９に接触する。
【００５０】
図６に示す電解槽１０の別の例は、図５に示す電解槽１０と異なり、陽極開口部１５ａと陰極開口部１６ａは、隔膜を介して互いに重ならないように構成されている。第１の陽極孔１５ｅに電解液１９を注入する際、陰極電極１６の陰極開口部１６ａから陰極側気相１８に染み出す電解液１９の量が少なくなる。
【００５１】
このとき、図５、図６に示すように、電解液１９は、隔膜１２の孔、及び、陽極電極１５の陽極開口部１５ａを介して、陽極電極１５と気相との界面付近までしみ出す。同様に、電解液は、隔膜１２の孔、及び、陰極電極１６の陰極開口部１６ａを介して、陰極電極１６と気相との界面付近までしみ出す。これにより、陽極電極１５と陰極電極１６が、共に電解液１９に接触する。
【００５２】
この状態で、図１に示すように、外部から整流器１０１に電力を供給すると、整流器１０１が陽極電極１５と陰極電極１６の間に直流電力を供給する。これにより、電解液１９における陽極電極１５と陰極電極１６の間で、以下の反応が生じる。
陽極側：２ＯＨ−  →  （１／２）Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
陰極側：２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２＋２ＯＨ−
【００５３】
この結果、水が電気分解されて、陽極側セル１３においては、水（Ｈ２Ｏ）と酸素ガス（Ｏ２）が発生し、陰極側セル１４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１５の陽極開口部１５ａを介して、そのまま陽極側気相１７中に拡散し、陽極側セル１３の上部に移動する。発生した水素ガスは、陰極電極１６の陰極開口部１６ａを介して、そのまま陰極側気相１８中に拡散し、陰極側セル１４の上部に移動する。
【００５４】
酸素ガス洗浄塔１０３及び水素ガス洗浄塔１０４内には、洗浄液、例えば、純水を注入する。陽極側セル１３において発生した酸素ガスは、配管１１５を介して酸素ガス洗浄塔１０３内に引き込まれ、洗浄液と接触することにより電解液１９が更に除去された後、配管１１６を介して水素製造装置１００の外部に排出される。
【００５５】
一方、陰極側セル１４においては発生した水素ガスは、配管１１７を介して水素ガス洗浄塔１０４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１１８を介して圧縮器１０５に供給される。圧縮器１０５は水素ガスを圧縮し、配管１１９を介して水素貯蔵タンク１０６に供給する。水素貯蔵タンク１０６は、水素ガスを貯蔵する。
【００５６】
電気分解過程において、電解液１９が陽極電極１５の陽極開口部１５ａからしみ出し、陽極電極１５の第２の陽極表面１５ｃを伝わって落下し、陽極側セル１３の底部に溜まることがある。陽極側セル１３の底部に溜まった電解液１９は、配管１１３を介して、電解液タンク１０２に落下する。同様に、電解液１９が陰極電極１６の陰極開口部１６ａからしみ出し、陰極電極１６の第２の陰極表面１６ｃを伝わって落下し、陰極側セル１４の底部に溜まることがある。陰極側セル１４の底部に溜まった電解液１９は、配管１１４を介して、電解液タンク１０２に落下する。なお、電解液タンク１０２を電解槽１０の下方に配置できない場合には、配管１１３及び配管１１４の途中にポンプを設けて、電解液１９を強制的に移動させてもよい。
【００５７】
本実施形態において、水の電気分解を行うと水が消費され電解液１９が濃縮されるため、電解液１９中の水酸化カリウム水溶液の濃度が上がり、電気分解の効率が下がる恐れがある。陽極電極１５の陽極開口部１５ａ、及び陰極電極１６の陰極開口部１６ａから染み出す電解液１９は、電解液タンク１０２に存在する電解液１９よりも水酸化カリウム水溶液の濃度が高いものとなる。そこで電解液タンク１０２に電解液１９の濃度を一定に保つよう調整する機能を付け、電解液タンク１０２において、配管１１３、１１４から回収する電解液１９を電解液タンク１０２の電解液１９と共に、水酸化カリウム水溶液の濃度を調整してもよい。
【００５８】
（効果）
【００５９】
本実施形態においては、電解液１９を注入する流路と、電解液１９の電気分解により発生した酸素ガスを排出する流路が異なっているため、電解液１９中に酸素が混入することを抑制できる。また、仮に、少量の酸素が電解液１９中に混入したとしても、陰極側セル１４が電解液１９から切り離されているため、電解液１９中の酸素が水素ガス中に混入することを抑制できる。この結果、純度を高めた水素ガスを得ることができる。
【００６０】
（比較例）
【００６１】
次に、比較例について説明する。
【００６２】
図７は、本比較例に係る水素製造装置の構成ブロック図である。
【００６３】
図７に示すように、本比較例に係る水素製造装置５００においては、筐体５１、隔膜５２、陽極側セル５３、陰極側セル５４、陽極電極５５、陰極電極５６、電解液５９、整流器５０１、電解液タンク５０２、酸素ガス洗浄塔５０３、水素ガス洗浄塔５０４、圧縮器５０５、水素貯蔵タンク５０６、配管５１１、５１２、５１５、５１５ａ、５１５ｂ、５１６、５１７、５１７ａ、５１７ｂ、５１８、５１９、ポンプ５２１、５２２が設けられている。
【００６４】
本比較例に係る水素製造装置５００の筐体５１、隔膜５２、陽極電極５５、陰極電極５６、電解液５９、整流器５０１、電解液タンク５０２、酸素ガス洗浄塔５０３、水素ガス洗浄塔５０４、圧縮器５０５、水素貯蔵タンク５０６、配管５１６、５１７、５１８、５１９については、本実施形態の水素製造装置１００の筐体１１、隔膜１２、陽極電極１５、陰極電極１６、電解液１９、整流器１０１、電解液タンク１０２、酸素ガス洗浄塔１０３、水素ガス洗浄塔１０４、圧縮器１０５、水素貯蔵タンク１０６、配管１１６、１１７、１１８、１１９と同様である。本実施形態に係る水素製造装置１００と異なる点は、本比較例の水素製造装置５００が、陽極側セル５３、陰極側セル５４、陽極側電解液タンク５０２ａ、陰極側電解液タンク５０２ｂ、配管５１１、５１２、５１５、５１５ａ、５１５ｂ、５１７ａ、５１７ｂ、ポンプ５２１、５２２を有し、陽極側セル５３、陰極側セル５４が電解液５９で満たされていることである。図７に示した例は、陽極側セル５３および陰極側セル５４の全体が電解液５９で満たされている例であるが、陽極側セル５３、陰極側セル５４の全てが電解液５９で満たされていなくてもよく、陽極側セル５３、陰極側セル５４の全てが電解液５９で満たされない場合、陽極側セル５３、陰極側セル５４には気相が存在する。
【００６５】
陽極側セル５３と電解液タンク５０２との間には、配管５１１が接続されている。配管５１１の途中には、ポンプ５２１が介在している。陰極側セル５４と電解液タンク５０２との間には、配管５１２が接続されている。配管５１２の途中には、ポンプ５２２が介在している。
【００６６】
本比較例に係る水素製造装置５００と区別するため、本実施形態に係る水素製造装置１００における、陽極側セル１３は陽極側気相１７で満たされ、陰極側セル１４の容積は陰極側気相１８で満たされるものとする。
【００６７】
陽極側セル５３において発生した酸素ガスと電解液５９が、配管５１５を介して陽極側電解液タンク５０２ａに引き込まれる。電解液５９は、陽極側電解液タンク５０２ａから配管５１５ａを介して電解液タンク５０２に引き込まれる。酸素ガスは陽極側電解液タンク５０２ａから配管５１７ｂを介して酸素ガス洗浄塔５０３内に引き込まれる。
【００６８】
陰極側セル５４において発生した水素ガスと電解液５９が、配管５１５を介して陰極側電解液タンク５０２ｂに引き込まれる。電解液５９は、陰極側電解液タンク５０２ｂから配管５１７ａを介して電解液タンク５０２に引き込まれる。水素ガスは陰極側電解液タンク５０２ｂから配管５１７ｂを介して水素ガス洗浄塔５０４内に引き込まれる。
【００６９】
電解槽５０においては、隔膜５２によって陽極側セル５３と陰極側セル５４とが区画されており、陽極側セル５３及び陰極側セル５４の双方に電解液５９が保持されている。そして、陽極側セル５３及び陰極側セル５４から同じ電解液タンク５０２に電解液５９が落下し、この電解液タンク５０２から陽極側セル５３及び陰極側セル５４に電解液５９が供給される。すなわち、陽極側セル５３に対して電解液５９を循環させる流路と、陰極側セル５４に対して電解液５９を循環させる流路が、１つの電解液タンク５０２を共有している。
【００７０】
このため、陽極側セル５３において電解液５９中に混入した酸素ガスが、電解液タンク５０２を介して、陰極側セル５４に流入する。この結果、陰極側セル５４において生成される水素ガスに酸素ガスが混入し、水素ガスの純度が低下する。
【００７１】
なお、電解液５９の循環流量を小さくすれば、酸素ガスの流入量も抑制できるが、そうすると、陰極電極５６に付着した水素ガスの気泡を陰極電極５６から引き剥がす効果が低減し、水素の製造効率が低下する。このため、電解槽に投入する電流密度を高くしても、それに見合った量の水素を生成できなくなる。本実施形態においては、電解液１９を注入する流路と、電解液１９の電気分解により発生した酸素ガスを排出する流路が異なっているため、電解液１９中に酸素が混入することを抑制できる。
【００７２】
これに対して、図１に示した本実施形態によれば、電解液１９を注入する流路と、電解液１９の電気分解により発生した酸素ガスを排出する流路が異なっているため、電解液５９の循環流量を大きくしても、高純度の水素ガスを生成することができる。これにより、図７の比較例として示した電解槽５０に比べ、電解槽１０に投入する電流密度を高くしても、効率よく水素を生成することができる。
【００７３】
例えば、本実施形態に係る水素製造装置１００は、再生可能エネルギーを利用した発電施設、例えば、風力発電施設又は太陽光発電施設に隣接して設置してもよい。再生可能エネルギーは、化石燃料とは異なり、持続可能であり、一般的には発電時に二酸化炭素を生成することもないため、将来のエネルギー源として注目されている。しかしながら、再生可能エネルギーを利用した発電は、発電量に時間的なばらつきがあることが多い。例えば、風力発電施設であれば風に依存して発電量がばらつき、太陽光発電施設であれば日射量に依存して発電量がばらつく。
【００７４】
そこで、再生可能エネルギーにより発電された電力を、水素製造装置に投入して水素を製造し、この水素を水素貯蔵タンク１０６に貯蔵しておき、必要に応じて回収し、燃料電池により電力に変換する。これにより、発電時と使用時を一致させる必要がなくなり、再生可能エネルギーを効率よく利用することができる。そして、上述の如く、水素製造装置において電解液の循環流量を大きくしておけば、発電量が一時的に大きくなったとき、例えば、強い風が吹いたときや日射が強くなったときに、発電された大電流を効率的に利用して水素を製造することができる。このように、再生可能エネルギーを利用した発電施設に本実施形態に係る水素製造装置１００を組み合わせたシステムを構築すれば、再生可能エネルギーを効率よく回収することができる。
【００７５】
再生可能エネルギーを利用した発電において、発電量に時間的なばらつきや低下が生じた場合、水素ガスの生成純度が低下する虞がある。本実施形態では、このような場合に、従来よりも水素ガスの製造に要する消費電力量を抑え、水素ガスの生成純度の低下を抑えることが可能となる。
【００７６】
（変形例）
【００７７】
図８は、本実施形態の変形例に係る水素製造装置の構成ブロック図であり、図９は、この変形例に係る水素製造装置１００の電解槽１０の構成と動作原理を示す断面図である。
【００７８】
この変形例は、図１、図５及び図６で示した第１実施形態の構成に加え、陽極電極１５が、陽極開口部１５ａの別の一部としての第２の陽極孔１５ｆをさらに備えている。なお、図８で示した構成では陽極電極１５が陽極開口部１５ａの一部として第２の陽極孔１５ｆを備える例を示しているが、陽極電極１５の第２の陽極孔１５ｆの代わりに、陰極電極１６が陰極開口部１６ａの別の一部としての第２の陰極孔１６ｆをさらに備えるように構成してもよく、また陽極電極１５が陽極開口部１５ａの一部としての第２の陽極孔１５ｆを備え、陰極電極１６が陰極開口部１６ａの一部として図示しない第２の陰極孔を備えるように構成してもよい。
【００７９】
図８において、第２の陽極孔１５ｆは、陽極開口部１５ａの別の一部を構成し、一端が第１の陽極表面１５ｂに開口し、他端が陽極端面１５ｄに開口する。
【００８０】
すなわち、陽極電極１５は、陽極開口部１５ａの少なくとも一部である、第１の陽極孔１５ｅ及び第２の陽極孔１５ｆを備える。第１の陽極孔１５ｅ及び第２の陽極孔１５ｆは、それぞれは陽極電極１５に好ましくは複数（多数）設けられている。
【００８１】
第２の陽極孔１５ｆの陽極端面１５ｄへの陽極開口部１５ａと電解液タンク１０２との間には、配管１１１が接続されている。配管１１１の途中には、ポンプ１２１が介在している。すなわち、陽極電極１５に設けられた陽極開口部１５ａのうち、第２の陽極孔１５ｆは電解液タンク１０２から配管１１１を介して供給される電解液１９を多孔質体である隔膜１２に向けて供給する供給配管を構成し、第１の陽極孔１５ｅは陽極電極１５と陰極電極１６の間の隔膜１２に供給されて電気分解された電解液１９から発生した酸素を一部の電解液１９を随伴して排出させる排出配管を構成する。
【００８２】
図９に示すように、電解液１９は、電解液タンク１０２より配管１１１を介して陽極端面１５ｄに開口する陽極開口部１５ａの少なくとも一部である第２の陽極孔１５ｆに供給される。第２の陽極孔１５ｆから注入された電解液１９は、陽極電極１５と陰極電極１６の間にある隔膜１２を介して陰極電極１６まで達し、陽極電極１５と陰極電極１６が共に電解液１９に接触し、電気分解が可能となる。電気分解により発生した酸素ガスは、第２の陽極表面１５ｃに開口する陽極開口部１５ａの少なくとも一部である第１の陽極孔１５ｅから排出される。発生した水素ガスは、第２の陰極表面１６ｃに開口する第１の陰極開口部１６ａの少なくとも一部である第１の陰極孔１６ｅから排出される。
【００８３】
陽極開口部１５ａの少なくとも一部である電解液１９を注入する第２の陽極孔１５ｆと、酸素ガスを排出する第１の陽極孔１５ｅの流路が異なるため、電解液１９と酸素ガスは直接交わりにくくなる。電解液１９を注入する第２の陽極孔１６ｆに、発生した酸素ガスが流入しにくい、流路を整流化することができる。
【００８４】
結果、電解液１９を注入する流路の液詰まりが発生しにくくなり、陽極電極１５と陰極電極１６の間にある隔膜１２に効率良く電解液１９を供給することができる。電解液１９が酸素ガスの流路と切り離されているため、電解液１９中に酸素が混入することを抑制でき、純度を高めた水素ガスを得ることができる。その結果、本実施形態においては、電解液の純度を高めた水素ガスを得ることができる。
【００８５】
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。
【符号の説明】
【００８６】
１１、５１・・・筐体
１２、５２・・・隔膜
１２ａ・・・隔膜孔
１３、５３・・・陽極側セル
１４、５４・・・陰極側セル
１５、５５・・・陽極電極
１５ａ・・・陽極開口部
１５ｂ・・・第１の陽極表面
１５ｃ・・・第２の陽極表面
１５ｄ・・・陽極端面
１５ｅ・・・第１の陽極孔
１５ｆ・・・第２の陽極孔
１６、５６・・・陰極電極
１６ａ・・・陰極開口部
１６ｂ・・・第１の陰極表面
１６ｃ・・・第２の陰極表面
１６ｄ・・・陰極端面
１６ｅ・・・第１の陰極孔
１６ｆ・・・第２の陰極孔
１７・・・陽極側気相
１８・・・陰極側気相
１９、５９・・・電解液
１０１、５０１・・・整流器
１０２、５０２・・・電解液タンク
５０２ａ・・・陽極側電解液タンク
５０２ｂ・・・陰極側電解液タンク
１０３、５０３・・・酸素ガス洗浄塔
１０４、５０４・・・水素ガス洗浄塔
１０５、５０５・・・圧縮器
１０６、５０６・・・水素貯蔵タンク
１１１〜１１９、５１１、５１２、５１５〜５１９、５１５ａ、５１５ｂ、５１７ａ、５１７ｂ・・・配管
１２１、１２２、５２１、５２２・・・ポンプ
１０、５０・・・電解槽
１００、５００・・・水素製造装置
【図１】
2020147843.tif 000003
【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】
2020147843.tif 000009
【図８】
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【図９】
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