(57)【要約】【課題】本発明は、電解停止時に生じる逆電流により、電極が劣化して過電圧が上昇することを抑制することを目的とする。【解決手段】電極室と該電極室に連通する流路とを備え、流路に電流遮断弁が設けられていることを特徴とする、電解槽、及び電解槽の使用方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極室と該電極室に連通する流路とを備え、前記流路に電流遮断弁が設けられていることを特徴とする、電解槽。
【請求項２】
前記電流遮断弁が前記流路を遮断可能なように設けられる、請求項１に記載の電解槽。
【請求項３】
前記流路を備え前記電極室に連通するヘッダー、前記流路を備え前記ヘッダーに連通する導管からなる群から選ばれる少なくとも一つをさらに備える、請求項１又は２に記載の電解槽。
【請求項４】
前記電流遮断弁が絶縁性材料を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項５】
前記電流遮断弁が設けられている箇所に対応する前記流路の部分が絶縁性材料を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項６】
前記電流遮断弁が前記流路のうち最も断面積が小さい箇所に設けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項７】
前記電流遮断弁が手動、ガス圧力、電気エネルギーからなる群から選ばれる少なくとも一つにより駆動される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項８】
前記電流遮断弁がボール弁、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁、ダイヤフラム弁、チャッキ弁からなる群から選ばれる少なくとも一つである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の電解槽において、電解停止前又は電解停止後に前記電流遮断弁を閉じることを特徴とする、電解槽の使用方法。
【請求項１０】
電解停止後２時間以内に前記電流遮断弁を閉じる、請求項９に記載の電解槽の使用方法。
【請求項１１】
電解停止後３０秒以内に前記電流遮断弁を閉じる、請求項１０に記載の電解槽の使用方法。
【請求項１２】
電解再開後６０秒以内に前記電流遮断弁を開ける、請求項１０又は１１に記載の電解槽の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解槽及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気分解技術を産業に応用することは古くから行われており、例えば、食塩水の電気分解による苛性ソーダ・塩素の製造、次亜塩素酸の製造、アルカリイオン水、オゾン水の製造等多岐にわたっている。これまでも、設備コストの低減、電解効率の向上や装置の耐久性の向上等を目指した種々の提案がなされてきている。
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、アルカリ水電解用等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】
アルカリ水電解において電解電圧を低く抑えて、水素製造の電力原単位を改善するという課題を解決するためには、電解セルの構造として、特に、隔膜と電極との隙間を実質的に無くした構造である、ゼロギャップ構造と呼ばれる構造を採用することが有効なことはよく知られている（特許文献１、２参照）。ゼロギャップ構造では、発生するガスを電極の細孔を通して電極の隔膜側とは反対側に素早く逃がすことによって、電極間の距離を低減しつつ、電極近傍におけるガス溜まりの発生を極力抑えて、電解電圧を低く抑制している。ゼロギャップ構造は、電解電圧の抑制にきわめて有効であり、種々の電解装置に採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４５３０７４３号明細書
【特許文献２】特開昭５９−１７３２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、例えば、変動電源下での使用の場合には電解停止が頻繁に生じることから、電極をより長い期間に亘って使用できるように改良された電解セルが求められていた。
そこで、本発明は、電解停止時に生じる逆電流により、電極が劣化して過電圧が上昇することを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明者らは、従来の電解セルにおいては、電解停止時に、電極室に電解液を供給する流路により漏洩電流回路が形成されて、自己放電を生じることを見出した。かかる自己放電は、通電面に流れる電流の向きが、電解時の電流の向きと逆向きであるため、逆電流とも称される。上記逆電流が生じる過程では、電極（陰極及び陽極）が酸化還元され、活性化溶解や体積膨張収縮が生じ、電極が失活して過電圧が上昇するおそれがあることを知見した。
【００１２】
本発明の要旨は以下の通りである。
［１］
電極室と該電極室に連通する流路とを備え、前記流路に電流遮断弁が設けられていることを特徴とする、電解槽。
［２］
前記電流遮断弁が前記流路を遮断可能なように設けられる、［１］に記載の電解槽。
［３］
前記流路を備え前記電極室に連通するヘッダー、前記流路を備え前記ヘッダーに連通する導管からなる群から選ばれる少なくとも一つをさらに備える、［１］又は［２］に記載の電解槽。
［４］
前記電流遮断弁が絶縁性材料を含む、［１］〜［３］のいずれかに記載の電解槽。
［５］
前記電流遮断弁が設けられている箇所に対応する前記流路の部分が絶縁性材料を含む、［１］〜［４］のいずれかに記載の電解槽。
［６］
前記電流遮断弁が前記流路のうち最も断面積が小さい箇所に設けられる、［１］〜［５］のいずれかに記載の電解槽。
［７］
前記電流遮断弁が手動、ガス圧力、電気エネルギーからなる群から選ばれる少なくとも一つにより駆動される、［１］〜［６］のいずれかに記載の電解槽。
［８］
前記電流遮断弁がボール弁、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁、ダイヤフラム弁、チャッキ弁からなる群から選ばれる少なくとも一つである、［１］〜［７］のいずれかに記載の電解槽。
［９］
［１］〜［８］のいずれかに記載の電解槽において、電解停止前又は電解停止後に前記電流遮断弁を閉じることを特徴とする、電解槽の使用方法。
［１０］
電解停止後２時間以内に前記電流遮断弁を閉じる、［９］に記載の電解槽の使用方法。
［１１］
電解停止後３０秒以内に前記電流遮断弁を閉じる、［１０］に記載の電解槽の使用方法。
［１２］
電解再開後６０秒以内に前記電流遮断弁を開ける、［１０］又は［１１］に記載の電解槽の使用方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電解停止時に生じる逆電流により、電極が劣化して過電圧が上昇することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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２】本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の電解室、ヘッダー、導管について示す斜視図である。
【図３】本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解用複極式電解槽の例を示す平面図である。
【図４】本実施形態の外部ヘッダー型の複極式電解槽の側面図の一部を電解液の流れと共に示す断面図である。
【図５】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。
【図６】実施例１〜５及び比較例１についての電極の劣化評価の結果を示す。縦軸に電圧上昇値を示し、横軸に通電／停止の繰り返し回数を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（電解槽）
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側面図で示す。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０は、特に限定されないが、例えば、図１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としてよい。
【００１７】
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、低電流、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。
【００１８】
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電解室、ヘッダー、導管について斜視図で示す。
本実施形態における複極式電解槽５０では、電解槽５０に電解液が通過する電極室５が画成されており、特に限定されないが、例えば、図２に示すとおり、隔壁１と外枠３と隔膜４とにより、電極室５が画成されていてよい。
また、本実施形態における複極式電解槽５０は、電極室５に連通するヘッダー１０を備え、特に限定されないが、例えば、図２に示すとおり、外枠３の外方にヘッダー１０を備えていてよい。
さらに、本実施形態における複極式電解槽５０は、ヘッダー１０に配液又は集液されたガスや電解液を集める管である導管２０が取り付けられていてよい。
【００１９】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０は、図２に示すように、電極室と該電極室に連通する流路とを備え、流路に電流遮断弁が設けられていることを特徴とする。
上記構成により、電解槽５０の電解セル６５への通電が停止された場合に、電流遮断弁を閉じることによって、電極室に電解液を供給する流路により形成される漏洩電流回路を、容易に、迅速に、確実に、遮断して、逆電流の発生を可及的に防止することができる。そのため、本実施形態の電解槽５０によれば、電解停止時に生じる逆電流により電極が劣化することを抑制することができる。
【００２０】
本実施形態では、図２に示すように、電流遮断弁が流路を遮断可能なように設けられる。
ここで、「流路を遮断する」とは、上記逆電流の発生をなくす、又は最小化することをいい、具体的には、上記漏洩電流の電流密度を０．１ｍＡ／ｍ２以下にすることをいう。
【００２１】
図３に、本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解用複極式電解槽の例を平面図で示す。
本実施形態では、電解槽５０は、図２、図３に示すように、流路を備え電極室に連通するヘッダー１０、流路を備えヘッダー１０に連通する導管２０をさらに備えていてよく、電流遮断弁は、図２、図３に示すように、ヘッダー１０、導管２０に設けられていてよい。
【００２２】
本実施形態では、電流遮断弁が絶縁性材料を含むことが好ましい。
【００２３】
本実施形態では、電流遮断弁が設けられている箇所に対応するヘッダーの部分が絶縁性材料を含むことが好ましい。
絶縁性材料としては、詳細には、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、テトラフルオロエチレンプロピレンゴム（ＦＥＰＭ）、パーフロロゴム（ＦＦＫＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等が挙げられる。
【００２４】
電流遮断弁や上述のヘッダーの部分に用いられる絶縁性材料としては、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、テトラフルオロエチレンプロピレンゴム（ＦＥＰＭ）、パーフロロゴム（ＦＦＫＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が挙げられ、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）が好ましい。
【００２５】
本実施形態では、電流遮断弁がヘッダーの流路のうち最も断面積が小さい箇所に設けられることが好ましい。かかる構成によれば、弁設置にかかるコストを低減することができる。
なお、図２に示す例では、ヘッダーの流路の断面積はヘッダーの延在長さに亘って一定であり、電流遮断弁はヘッダーの延在長さに関して任意の位置に設けられている。
【００２６】
本実施形態では、電流遮断弁の駆動は、手動、ガス圧力、電気エネルギー等によりなされてよい。
【００２７】
本実施形態では、電流遮断弁としては、ボール弁、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁、ダイヤフラム弁、チャッキ弁等が挙げられ、ボール弁、ゲート弁が好ましい。
これらは、１種単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００２８】
電流遮断弁の抵抗としては、各々、好ましくは１Ω以上であり、より好ましくは１ｋΩ以上であり、さらに好ましくは１ＭΩ以上である。
電流遮断弁の抵抗率としては、各々、１０−１Ω・ｍ以上であり、好ましくは１０４Ω・ｍ以上であり、更に好ましくは、１０６Ω・ｍ以上である。
なお、抵抗及び抵抗率は、ＪＩＳ  Ｋ６９１１に準じて測定されるものとする。
【００２９】
以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０の主要構成について詳細に説明する。
【００３０】
（（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。
【００３１】
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、図３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１〜図３参照）。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。
【００３２】
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を必要数積層することで構成されている。
図１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をこの順番で配置される。複極式電解槽５０は、全体をタイロッド方式５１ｒ（図１参照）や油圧シリンダー方式等の締め付け機構により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。
【００３３】
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。
【００３４】
また、本実施形態における複極式電解槽５０では、図２、図３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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
そして、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に連通するヘッダー１０を備える（図２、図３参照）。
【００３８】
図２、図３に示す一例では、複極式電解槽５０に、ガスや電解液を配液又は集液する管であるヘッダー１０が取り付けられる。詳細には、ヘッダー１０は、電極室５に電解液を入れるための入口ヘッダーと電極室５からガスや電解液を出すための出口ヘッダーとからなる。
一例では、隔壁１の端縁にある外枠３の下方に、陽極室５ａに電解液を入れる陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉと、陰極室５ｃに電解液を入れる陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉとを備えており、また、同様に、隔壁１の端縁にある外枠３の側方に、陽極室５ａから電極液を出す陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏと、陰極室５ｃから電解液を出す陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏとを備えている。
また、一例では、陽極室５ａ及び陰極室５ｃにおいて、入口ヘッダーと出口ヘッダーとが、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。
【００３９】
特に、この一例の複極式電解槽５０は、複極式電解槽５０とヘッダー１０とが独立している形式である外部ヘッダー１０Ｏ型を採用している。
図４に、本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解用複極式電解槽の側面図の一部を電解液の流れと共に示す。
【００４０】
なお、図１〜図３に示す複極式電解槽に取り付けられるヘッダー１０の配設態様として、代表的には、内部ヘッダー１０Ｉ型と外部ヘッダー１０Ｏ型とがあるが、本発明では、いずれの型を採用してもよく、特に限定されない。
【００４１】
さらに、図２、図３に示す一例では、ヘッダー１０に、ヘッダー１０に配液又は集液されたガスや電解液を集める管である導管２０が取り付けられる。詳細には、導管２０は、入口ヘッダーに連通する配液管と出口ヘッダーに連通する集液管とからなる。
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とを備えており、また、同様に、外枠３のうちの側方に、陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏに連通する陽極用集液管２０Ｏａｏと、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏに連通する陰極用集液管２０Ｏｃｏとを備えている。
【００４２】
本実施形態では、陽極室５ａ及び陰極室５ｃにおいて、入口ヘッダーと出口ヘッダーとは、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２、図３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。
【００４３】
通常、図２、図３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１０Ｏａｏ、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ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、陽極用集液管２０Ｏａｏ、陰極用集液管２０Ｏｃｏ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。
【００４４】
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。
【００４５】
本実施形態では、ヘッダー１０の延在方向は、特に限定されない。
【００４６】
本実施形態では、導管２０の延在方向は、特に限定されないが、図２、図３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、配液管２０Ｏｉ（陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ）及び集液管２０Ｏｏ（陽極用集液管２０Ｏａｏ、陰極用集液管２０Ｏｃｏ）は、ぞれぞれ、隔壁１に垂直な方向に延びることが好ましく、導管２０のいずれもが、隔壁１に垂直な方向に延びることがさらに好ましい。
【００４７】
本実施形態では、電解槽５０における流路のどこか一箇所又は複数箇所に、１個又は複数個の電流遮断弁９０が設けられていればよく、より具体的には、ヘッダー１０Ｏの一箇所又は複数箇所に、１個又は複数個の電流遮断弁９０が設けられていてよく、導管２０Ｏの一箇所又は複数箇所に、１個又は複数個の電流遮断弁９０が設けられていてよい。
なお、図２、図３に示す例では、ヘッダー１０Ｏの複数箇所、及び導管２０Ｏの複数箇所に、複数個の電流遮断弁９０が設けられている。
【００４８】
また、本実施形態では、電解槽５０における流路のうち、入口側の流路及び／又は出口側の流路に電流遮断弁９０が設けられていてよく、ヘッダー１０Ｏのうち、入口ヘッダー１０Ｏｉ及び出口ヘッダー１０Ｏｏに電流遮断弁９０が設けられていてよく、導管２０Ｏのうち、配液管２０Ｏｉ及び集液管２０Ｏｏに電流遮断弁９０が設けられていてよく、ヘッダー２０Ｏの延在方向中央部に１個又は複数個設けられていてもよく、ヘッダー２０Ｏの隣接する配液管２０Ｏｉ同士の間に１個又は複数個設けられていてもよい。
なお、図２、図３に示す例では、ヘッダー１０Ｏのうち、入口ヘッダー１０Ｏｉ（陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ及び陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉ）に電流遮断弁９０が設けられており、出口ヘッダー１０Ｏｏ（陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ及び陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ）に電流遮断弁９０が設けられている。
【００４９】
本実施形態では、複数の電流遮断弁９０が、各電解セル６５が電気的に独立であるようにすることが可能なように、設けられることが望ましい。
【００５０】
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。
【００５１】
−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。
【００５２】
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２、図３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。
【００５３】
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。
【００５４】
−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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
陽極及び陰極の導電性基材の構造は、担体として比表面積を確保すること、及び、脱泡性を両立する観点で、メッシュ構造であることが好ましい。前記導電性基材の材質は、ニッケル鉄、バナジウム、モリブデン、銅、銀、マンガン、白金族、黒鉛及びクロム等からなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。二種以上の金属からなる合金又は、二種以上の導電性物質の混合物を導電性基材に用いてもよい。金属ニッケルを導電性基材に用いるのが好ましい。
【００５９】
−−陽極−−
陽極２ａは、導電性基材と、導電性基材を被覆する触媒層と、を備え、触媒層は多孔質体であることが好ましい。なお、触媒層は導電性基材の表面全体を被覆していることが好ましい。
【００６０】
陽極の触媒層は元素として、アルカリに対する耐久性と、酸素発生に対する活性が高い点で、ニッケルを含むことが好ましい。触媒層は、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金から選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含むことが好ましい。
【００６１】
−−陰極−−
陰極２ｃとしては、特に限定されない。Ｒｕ−Ｌａ−Ｐｔ系、Ｒｕ−Ｃｅ系、Ｐｔ−Ｃｅ系、及びＰｔ−Ｉｒ系、Ｉｒ−Ｐｔ−Ｐｄ系、Ｐｔ−Ｎｉ系からなる群から選択される少なくとも一種のＰｔ族化合物を含むことが好ましい。また、熱分解型活性陰極であることが好ましい。前記陰極の基材の構造は、担体として比表面積を確保すること、及び、脱泡性を両立する点で、メッシュ構造であることが好ましい。
【００６２】
陰極の触媒層は元素として、アルカリに対する耐久性と、水素発生に対する活性が高い点で、ニッケルを含むことが好ましい。触媒層は、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金から選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含むことが好ましい。
【００６３】
−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。
【００６４】
−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。
【００６５】
−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。
【００６６】
−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。
【００６７】
−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。
【００６８】
電解セル６５は、複数の電解セル６５に共通するヘッダー１０と呼ばれる電解液の給排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、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー１０ａｏ、陰極用集液管は陰極出口ヘッダー１０ｃｏ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及び各電極用集液管と繋がっている。
【００６９】
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。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。
【００７０】
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に取り付けられるヘッダー１０（電解液を配液又は集液する管）の配設態様により異なることがある。複極式電解槽５０のヘッダー１０の配設態様としては、内部ヘッダー１０Ｉ型及び外部ヘッダー１０Ｏ型が代表的である。
【００７１】
本実施形態では、電流遮断弁の設置が容易であることから、外部ヘッダー１０Ｏ型が好ましい。
【００７２】
−外部ヘッダー−
外部ヘッダー１０Ｏ型とは、複極式電解槽５０とヘッダー１０（電解液を配液又は集液する管）とが独立している形式をいう。
【００７３】
外部ヘッダー１０Ｏ型複極式電解槽５０は、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。
【００７４】
外部ヘッダー１０Ｏ型複極式電解槽５０に外在的に接続される、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉと、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉと、陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏと、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏを総称して、外部ヘッダー１０Ｏと呼ぶ。
外部ヘッダー１０Ｏ型の例では、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に接続されており、また、同様に、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に設けられたヘッダー１０用貫通孔に、管腔状部材（例えば、ホースやチューブ等）が設置され、かかる管腔状部材が、陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ及び陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏに接続されている。
【００７５】
（アルカリ水電解用電解装置）
図５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。
本実施形態の複極式水電解槽を、他の要素も含む電解装置にして、水素製造装置として使用することで、電解効率が高い水素製造装置が提供できる。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置は、少なくとも、本実施形態の複極式水電解槽５０、気液分離タンク７２（水素分離タンク７２ｈ、酸素分離タンク７２ｏ）、電解液循環ポンプ７１、水投入ポンプ７３、電気分解用の電力供給用の整流器７４を具備する。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０は、上記以外にも、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。
【００７６】
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５０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、再生可能エネルギー等の変動電源での運転時に、高効率での水素製造を実現することが可能となり、電力供給を停止した際に生じる自己放電を低減して、電気制御システムの安定化が可能となる。
【００７７】
（電解槽の使用方法）
本実施形態の電解槽の使用方法は、本実施形態の電解槽において、電解停止前に又は電解停止後に電流遮断弁を閉じることを特徴とする。
【００７８】
本実施形態では、電解停止前に逆電流が流れるため、電解停止前又は電解停止後速やかに電流遮断弁を閉じることが、逆電流を抑制するうえで好ましく、具体的には、電解停止後２時間以内に電流遮断弁を閉じることが好ましい。
ここで、「電解停止」とは、通電させる電流が０．１ｍＡ／ｍ２以下になった時点をいい、好適には０（ゼロ）になった時点をいう。
また、電流遮断弁を閉じるタイミングは、より好ましくは電解停止後５分以内であり、さらに好ましくは電解停止後５秒以内である。
また、電解液を循環させた状態で電流遮断弁を閉止することによって発生するウォーターハンマー現象を抑制するために、電解液の循環が停止し電解液の内部状態が定常化したタイミングで電流遮断弁を閉じることが、好ましい。
【００７９】
本実施形態では、通電を再開した後には弁を開放しないと電解液の過加熱を招くことから、電解再開後２時間以内に電流遮断弁を開けることが好ましい。
ここで、「電解再開」とは、通電させる電流が０（ゼロ）超になった時点とすることが好ましい。
また、電流遮断弁を開けるタイミングは、より好ましくは電解再開後１時間以内であり、より好ましくは３０分以内であり、更に好ましくは５秒以内である。
また、電流遮断弁を開けるタイミングは、電解再開前であってもよい。
【００８０】
本実施形態では、本発明の効果を高める観点から、電流遮断弁９０を閉じる操作は、電解槽５０に設けられた複数の電流遮断弁９０に対して同時に行われることが好ましく、電解槽５０に設けられた全ての電流遮断弁９０に対して同時に行われることがより好ましい。
【００８１】
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質量％〜５０質量％が好ましく、２５質量％〜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質量％〜４０質量％のＫＯＨ水溶液が特に好ましい。
【００８２】
本実施形態の電解槽の使用方法において、上記本発明の効果を高める観点から、電極室当たりの電解液の流量Ｑは、電極室５のサイズに応じて制御されるものであるが、１×１０−７ｍ３／秒〜１×１０−２ｍ３／秒であることが好ましく、１×１０−６ｍ３／秒〜１×１０−３ｍ３／秒であることがさらに好ましい。
電解液の動粘度νは、電解液の種類、濃度、温度によって決まるものである。
【００８３】
本実施形態の電解槽の使用方法において、本発明の効果を好適に得る観点からは、電解セル６５内にある電解液の温度が室温〜１５０℃であることが好ましく、８０℃〜１３０℃であることがさらに好ましい。
【００８４】
本実施形態の電解槽の使用方法において、電解セル６５に与える電流密度としては、通常３０ｋＡ／ｍ２以下であってよい。一定の電流密度での運転でもよく、電流密度が変動する運転でもよい。
【００８５】
本実施形態の電解槽の使用方法において、電解セル６５内の圧力としては、電解セル６５の設計圧力の範囲で実施することができる。
【００８６】
以上、図面を参照して、本実施形態の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の使用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、アルカリ水電解用複極式電解槽の使用方法は、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】
【００８７】
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。
【００８８】
（電解装置の構成）
電解装置の構成は図５に示す通りとした。
【００８９】
電解槽は、図３及び図４に示す外部ヘッダー１０Ｏ型の電解槽でセル数を１０枚とした。
電解槽に用いたヘッダーは流路の断面積が同じものとし、電解槽に用いた導管は流路の断面積が同じものとした。
【００９０】
電流遮断弁の型式は、ダイヤフラム弁又はボール弁とし、ダイヤフラム弁又はボール弁を構成する材料は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）であった。
ボール弁について、抵抗は１ＭΩ以上であり、抵抗率は１０６Ω・ｍであった。
ダイヤフラム弁について、抵抗は１ＭΩ以上であり、抵抗率は１０６Ω・ｍであった。
電流遮断弁の設置方法は後述の通りとした。
電流遮断弁は、陽極入口ヘッダー（陽極入口側ホース）１０Ｏａｉ、陽極出口ヘッダー（陽極出口側ホース）１０Ｏａｏ、陰極入口ヘッダー（陰極入口側ホース）１０Ｏｃｉ、陰極出口ヘッダー（陰極出口側ホース）１０Ｏｃｏに各ホース毎に各々１箇所に設置した（図３参照）。
また、電流遮断弁は、陽極用配液管２０Ｏａｉ、陽極用集液管２０Ｏａｏ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ、陰極用集液管２０Ｏｃｏにおいて、配液管の入口部及び中央部、集液管の出口部及び中央部に、各々１個ずつ設置した（図４参照）。
【００９１】
＜電解装置の運転＞
電解装置を２５質量％のＫＯＨ水溶液を電極室当たりの電解液の流量１×１０−３ｍ３／秒となるように図５に示す電解液循環ポンプを調節して運転を行った。また、図５の熱交換器を利用して電解液循環時の液温度を８０℃に保った。
図３の複極式エレメント６０へは、図５の整流器７４より、電流密度を８ｋＡ／ｍ２として通電して電解を行った。通電は、１２時間連続通電と１２時間通電停止とを繰り返す方法で行い、連続通電と通電停止時とは必要に応じて、設置した遮断弁を各々開（通電時）、閉（停止時）した。
【００９２】
＜実施例における電流遮断弁の条件＞
実施例で使用した電流遮断弁の種類や実際に遮断の開閉を行った場所、電流遮断弁の開閉のタイミングは、下記表１の通りである。
なお、本実施例においては、電解停止は、通電させる電流が０（ゼロ）の時点とした。
【００９３】
【表１】
2020012146.tif 000003
【００９４】
＜電極の劣化評価＞
次に、電極の劣化評価の方法について説明する。
複極式エレメント６０には、陽極及び陰極にエレメント毎に電圧測定用の端子がつけられており、通電を行う毎に通電開始１０時間後の各エレメントの電圧を測定して平均値を算出した。連続通電と通電停止とを繰り返す毎に算出した電圧は少しずつ上昇を続けた。その上昇値により、電解槽の電極（陽極及び陰極）の劣化の程度を、次の評価基準により評価した。
○：電圧上昇値３０ｍＶ未満、電極の劣化なし
×：電圧上昇値３０ｍＶ以上、電極の劣化あり
【００９５】
実施例１〜５について、繰り返し回数毎の電圧上昇値（数値の単位はｍＶ）の測定結果を下記表２に示す。
また、比較例１として、設置した全ての遮断弁の開閉を行わずに、連続通電と通電停止とを繰り返した場合の電圧上昇値の測定結果も合わせて示した。
図６に、実施例１〜５及び比較例１についての電極の劣化評価の結果を示す。縦軸に電圧上昇値を示し、横軸に通電／停止の繰り返し回数を示す。
【００９６】
【表２】
2020012146.tif 000004
【００９７】
また、表２に示した電圧上昇値について上述の評価基準に従って評価した結果を下記表３に示す。
【００９８】
【表３】
2020012146.tif 000005
【００９９】
表３に示した通り、比較例１は連続通電と通電停止との繰り返し回数が４００回を超えた時点で電極の劣化が認められる結果となった。比較例１は遮断弁を使用していないため、水電解装置の通電／停止の繰り返し運転において、電流遮断弁を開閉する効果は大きいといえる。
【０１００】
また、表３より、通電と停止の繰り返し運転を長期に亘り行うと、電流遮断弁を閉とするタイミングを２秒と早めにする方が、６０秒と遅めにするよりも、電極の劣化が少ないことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明によれば、電解停止時に生じる逆電流により、電極が劣化して過電圧が上昇することを抑制することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
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        ヘッダー
１０Ｉ      内部ヘッダー
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）
２０        導管
２０Ｏａｉ  陽極用配液管
２０Ｏａｏ  陽極用集液管
２０Ｏｃｉ  陰極用配液管
２０Ｏｃｏ  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
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
５１ｉ      絶縁板
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        電解液循環ポンプ
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        水投入ポンプ
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
９０        電流遮断弁
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
Ｓ２        ヘッダーの流路の断面積
Ｌ２        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】
2020012146.tif 000006
【図２】
2020012146.tif 000007
【図３】
2020012146.tif 000008
【図４】
2020012146.tif 000009
【図５】
2020012146.tif 000010
【図６】
2020012146.tif 000011