(57)【要約】【課題】簡単な構成で、高純度な水素を回収することができ、電解液のミストの飛散を防止する水素捕集装置及び水素回収システムを提供する。【解決手段】水素捕集装置１は、陰極１１において発生した水素を排出、回収する水素排出手段５と接続されている。水素排出手段５は水素を貯留する水素貯留手段６に接続されている。ここで、水素捕集装置１、水素排出手段５及び水素貯留手段６が水素回収システムＳを構成する。水素捕集装置１は、陰極１１を収容し、電解液Ｄ２を貯留可能に構成された筺体１０を備えている。本体部１０ａは、陰極１１を収容し、電解液Ｄ２を貯留可能に構成されている。本体部１０ａには、陰極１１と対向する位置に窓部１０ｃが開口形成されており、窓部１０ｃを覆い、筐体１０の内部と電解槽４とを隔離するようにイオン交換膜１２が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理材を陽極として電解槽内の電解液に浸漬して皮膜形成を行う陽極酸化処理において陰極から発生する水素を回収する水素捕集装置であって、
陰極を収容し、電解液を貯留可能に構成され、前記電解槽の電解液に浸漬されて配置される筺体を備え、
前記筺体は、
前記電解槽に対して開口形成された窓部と、
前記窓部を覆って前記電解槽と前記筺体内部とを隔離するように設けられるプロトン透過性を有するイオン交換膜と、
前記発生した水素を前記筐体の内部から排出する水素排出手段と連通する水素取出口と、を備えたことを特徴とする水素捕集装置。
【請求項２】
前記陽極酸化処理は、被処理材としてアルミニウム製品を用い、電解液として硫酸水溶液を用いたものであることを特徴とする請求項１に記載の水素捕集装置。
【請求項３】
前記イオン交換膜は、前記陽極酸化処理において定電流密度での電解時における電解電圧の上昇が０．５Ｖ以下となるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の水素捕集装置。
【請求項４】
前記イオン交換膜は、前記陰極の表面積に対し１０％以上の面積を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の水素捕集装置。
【請求項５】
前記筐体は、
縦方向に開口部を備え、当該開口部において連結可能に構成された複数の筐体ユニットと、
連結された前記筐体ユニットの最下部の開口部を閉塞する下蓋部材と、
陰極に電力を供給するための陰極端子と発生した水素を取り出す水素取出口とが設けられ、連結された前記筐体ユニットの最上部の開口部を閉塞する上蓋部材と、を備え、
各筐体ユニットには、前記イオン交換膜で覆われる前記窓部がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の水素捕集装置。
【請求項６】
前記陰極は、管状であって、陰極の内外で前記筐体内に充填された電解液が管状の内外間を流通可能な開口部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の水素捕集装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の水素捕集装置を備え、
水素排出手段と、
水素排出手段により水素捕集装置から排出された水素を貯留する水素貯留手段と、
を備えたことを特徴とする水素回収システム。
【請求項８】
前記水素捕集装置により回収される水素を陽圧に保持する圧力調整手段を備えたことを特徴とする請求項７に記載の水素回収システム。
【請求項９】
水素ガス中からミストを除去するミストを回収するミスト回収手段を備えたことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の水素回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理材を陽極として電解槽内の電解液に浸漬して皮膜形成を行う陽極酸化処理において陰極から発生する水素を回収する水素捕集装置及び水素回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アルミニウム製の部材等の被処理材を陽極として、電解槽内の電解液（硫酸等）に浸漬し、電位をかけることにより皮膜形成を行う陽極酸化処理が行われている。
【０００３】
このとき、陰極からは水素が発生するが、この水素はダクト等により排気され、有効利用されることはなかった。水素を大気放出した場合、建屋内で水素ガスの局所濃度の上昇による爆発の危険性があった。
また、水素発生に伴い、電解液がミストとして飛散し、健康上影響を及ぼしたり、建屋や機器の腐食・損傷を生じたりして、作業環境を劣化させるおそれがあった。
【０００４】
このような水素を有効利用すべく回収するために、例えば、特許文献１には、陽極酸化処理設備の酸化処理槽内に、カソード極を包むように配置した密閉構造の素焼きの筒体からなる隔膜体を設け、この隔膜体の上部に設けられた水素回収口から水素ガスを捕集する陽極酸化処理設備が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２４８２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の陽極酸化処理設備では、陰極における水素発生に伴い、隔膜体内の電解液の水素イオン濃度が低下するため、新たな電解液を循環供給する電解液循環供給槽が必要であり、従来の陽極酸化処理設備に対し、新たな付帯設備が必要となる。また、電解液の循環供給により、隔膜体内への大気の混入やミストの増加等が生じて、回収する水素の純度が低下するおそれがあった。
【０００７】
そこで、本発明では、簡単な構成で、高純度な水素を回収することができる水素捕集装置及び水素回収システムを提供することを目的とする。また、ミストの飛散を防止する水素捕集装置及び水素回収システム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】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、被処理材を陽極として電解槽内の電解液に浸漬して皮膜形成を行う陽極酸化処理において陰極から発生する水素を回収する水素捕集装置であって、陰極を収容し、電解液を貯留可能に構成され、前記電解槽の電解液に浸漬されて配置される筺体を備え、前記筺体は、前記電解槽に対して開口形成された窓部と、
前記窓部を覆って前記電解槽と前記筺体内部とを隔離するように設けられるプロトン透過性を有するイオン交換膜と、前記発生した水素を前記筐体の内部から排出する水素排出手段と連通する水素取出口と、を備えた、という技術的手段を用いる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の水素捕集装置において、前記陽極酸化処理は、被処理材としてアルミニウム製品を用い、電解液として硫酸水溶液を用いたものである、という技術的手段を用いる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の水素捕集装置において、前記イオン交換膜は、前記陽極酸化処理において定電流密度での電解時における電解電圧の上昇が０．５Ｖ以下となるように構成されている、という技術的手段を用いる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、請求項２または請求項３に記載の水素捕集装置において、前記イオン交換膜は、前記陰極の表面積に対し１０％以上の面積を有する、という技術的手段を用いる。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の水素捕集装置において、前記筐体は、縦方向に開口部を備え、当該開口部において連結可能に構成された複数の筐体ユニットと、連結された前記筐体ユニットの最下部の開口部を閉塞する下蓋部材と、陰極に電力を供給するための陰極端子と発生した水素を取り出す水素取出口とが設けられ、連結された前記筐体ユニットの最上部の開口部を閉塞する上蓋部材と、を備え、各筐体ユニットには、前記イオン交換膜で覆われる前記窓部がそれぞれ設けられている、という技術的手段を用いる。
【００１３】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の水素捕集装置において、前記陰極は、管状であって、陰極の内外で前記筐体内に充填された電解液が管状の内外間を流通可能な開口部が形成されている、という技術的手段を用いる。
【００１４】
請求項７に記載の発明では、水素回収システムが、請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の水素捕集装置を備え、水素排出手段と、水素排出手段により水素捕集装置から排出された水素を貯留する水素貯留手段と、を備えた、という技術的手段を用いる。
【００１５】
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の水素回収システムにおいて、前記水素捕集装置により回収される水素を陽圧に保持する圧力調整手段を備えた、という技術的手段を用いる。
【００１６】
請求項９に記載の発明では、請求項７または請求項８に記載の水素回収システムにおいて、水素ガス中からミストを除去するミストを回収するミスト回収手段を備えた、という技術的手段を用いる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、簡単な構成の装置により、陰極で発生する水素を外部から遮断された状態で筐体内部で捕集し、大気の混入等がない高純度な状態で、効率的に回収することができる。また、水素発生に随伴する電解液ミストの大気放出を防止することができるため、作業環境が格段に改善されるのみならず、ミスト飛散による建屋や機器の腐食・損傷を排除することがきる。
【００１８】
本発明は、請求項２に記載の発明のようなアルミニウム製品の陽極酸化処理に好適に用いることができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、陽極酸化処理において定電流密度での電解時における電解電圧の上昇を従来の陽極酸化処理条件と同様に取り扱うことができる程度に抑えることができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、定電流密度での電解時における電解電圧の上昇を、従来の陽極酸化処理条件と同様に取り扱う程度に抑えることができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、複数の筐体ユニットを連結して水素捕集装置を構成することができる。これにより、大面積のイオン交換膜を用意しなくても、水素捕集装置の大型化、長尺化を容易に行うことができる。また、水素捕集装置の寸法の自由度を高くすることができるので、各種の寸法の電解浴への適用が可能である。更に、筐体ユニットやイオン交換膜の破損等による保守も、破損ユニットのみの交換で済む利点がある。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、電解液を陰極の内外で流通させることができる。これにより、陰極の内外での電解液のプロトン濃度を均一にすることができ、陰極の外面及び内面を電極として有効に作用させることができる。その結果、陰極として有効に作用する表面積を増大させることができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明のように、水素捕集装置に水素排出装置及び水素貯留手段を組み合わせることにより、陽極酸化処理装置において発生する水素を高純度で効率的に回収して利用する水素回収システムを構築することができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明によれば、水素回収が簡略な設備で円滑にできるように、適正な設定圧力で水素を送出することができる。また、外部からの大気の混入を避けることができるので、水素の純度を向上させることができる。
【００２５】
請求項７に記載の発明によれば、ミスト回収手段により水素ガス中から確実にミストを除去し、純度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】水素回収システムの構成を模式的に説明図である。
【図２】水素捕集装置の構成を示す斜視説明図である。
【図３】水素捕集装置の構成を示す断面説明図である。（図２の幅方向中央部における断面）
【図４】小型電解セルを用いた実験装置の構成を模式的に示す説明図である。
【図５】定電流電解時の電解電圧の時間変化をイオン交換膜の有無で比較して示した説明図である。
【図６】水素回収量の時間変化をイオン交換膜の有無で比較して示した説明図である。
【図７】陰極面積に対するイオン交換膜の面積比（対陰極面積比）と電解電圧との関係を示した説明図である。
【図８】水素捕集装置の第２実施形態を示す説明図である。図８（Ａ）は水素捕集装置の構成を示す斜視説明図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（第１実施形態）
本発明に係る水素捕集装置及び水素回収システムについて、図を参照して説明する。
【００２８】
図１には、水素捕集装置１を備えた水素回収システムＳを模式的に示す。本実施形態では、陽極酸化処理設備として、被処理材であるアルミニウム製品Ｗの表面に酸化皮膜を形成するアルマイト処理を行う陽極酸化処理設備Ｙについて説明する。
【００２９】
陽極酸化処理設備Ｙは、陰極１１を内蔵した水素捕集装置１と、電解液Ｄ１中に懸架する陽極２と、陰極１１及び陽極２と接続され、電力を負荷する電源装置３と、電解液Ｄ１を貯留する電解槽４と、を備えている。また、水素捕集装置１は、陰極１１において発生した水素を排出、回収する水素排出手段５と接続されている。水素排出手段５は水素を貯留する例えば高圧ボンベのような水素貯留手段６に接続されている。ここで、水素捕集装置１、水素排出手段５及び水素貯留手段６が水素回収システムＳを構成する。
【００３０】
図２、図３に示すように、水素捕集装置１は、陰極１１を収容し、電解液Ｄ２を貯留可能に構成された筺体１０を備えている。
【００３１】
筐体１０は、本体部１０ａと、本体部１０ａの上部の開口部を閉じ、筐体１０の内部に閉空間を形成するための蓋部１０ｂと、を備えている。
【００３２】
本体部１０ａは、陰極１１を収容し、電解液Ｄ２を貯留可能に構成されている。本体部１０ａには、陰極１１と対向する位置に窓部１０ｃが開口形成されており、窓部１０ｃを覆い、筐体１０の内部と電解槽４とを隔離するようにイオン交換膜１２が設けられている。
【００３３】
蓋部１０ｂには、陰極１１において発生した水素を筐体１０の内部から排出する水素排出手段５と連通する水素取出口１０ｄと、陰極１１を電源装置３と接続し、本体部１０ａ内に懸架するための陰極端子１０ｅと、筐体１０の内部に不活性ガスを導入するガス導入口１０ｆと、が設けられている。
【００３４】
筐体１０は、電解液Ｄ１により腐食等が生じないように、ポリ塩化ビニル等の樹脂材料で形成されている。
【００３５】
イオン交換膜１２としては、プロトン透過性を有するイオン交換膜を用いる。例えば、強酸性イオン交換樹脂であるＮａｆｉｏｎ（登録商標）を用いることができる。
Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）は、炭素-フッ素からなる疎水性テフロン骨格（「テフロン」は登録商標）とスルホ基を持つパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボン材料であり、高いイオン導電性と機械的特性を有するとともに、強酸性条件下において高い耐性を有するため、好適に用いることができる。
【００３６】
水素捕集装置１による水素回収は、陽極酸化処理装置Ｓによるアルミニウム製品Ｗの陽極酸化処理に伴って行われる。
【００３７】
まず、筐体１０内に陰極１１及びイオン交換膜１２が浸るまで電解液Ｄ２を貯留させる。
【００３８】
次に、イオン交換膜１２が電解液Ｄ１に浸漬されるように筐体１０を電解槽４に配置する。このとき、筐体１０内の上方には大気が残存しているため、ガス導入口１０ｆより不活性ガス等を導入し、大気と置換しておくことが好ましい。
【００３９】
続いて、前処理が行われたアルミニウム製品Ｗが陽極２となるように懸架し、電解液Ｄ１に浸漬されるように電解槽４内に配置する。
【００４０】
続いて、電源装置３により、陽極２と陰極１１との間に電圧を印加して、陽極酸化処理を行う。処理条件は、例えば、以下の通りである。
【００４１】
・電解液Ｄ１：硫酸１５％水溶液
・制御電圧：１４Ｖ
・膜厚（μｍ）＝０．３×電流密度（Ａ／ｄｍ２）×時間（分）
【００４２】
本実施形態では、電解液Ｄ１と電解液Ｄ２とは同一の電解液を用いる。なお、陽極酸化処理を阻害せず、水素が十分に発生するならば、電解液Ｄ２は電解液Ｄ１と異なるものとすることができる。
【００４３】
これにより、陽極２であるアルミニウム製品Ｗが陽極酸化され、表面に酸化皮膜（アルマイト）が形成される。そして、陰極１１からは水素が発生する。
【００４４】
発生した水素は水素取出口１０ｄを介して、水素排出手段５により筐体１０の内部から排出回収される。また、水素貯留手段６に貯留することができる。
【００４５】
ここで、水素の発生に伴い、電解液Ｄ２中の水素イオン濃度が低下し、電解液Ｄ１との間に水素イオン濃度差が生じる。ここで、イオン交換膜１２はプロトン透過性を有しているため、水素イオンがイオン交換膜１２を通して電解液Ｄ１から筐体１０内部の電解液Ｄ２中に移動する。このように、筐体１０内の電解液Ｄ２に十分な量の水素イオンが供給されるため、電解液を供給するための付帯設備は必要ない。
【００４６】
イオン交換膜を含む強酸性イオン交換樹脂は、水素陽イオンと競争して各種の陽イオンを樹脂内の取り込む性質がある。イオンの電荷が大きいほど、イオン半径が大きいほどこの樹脂内に強く保持されるため、アルミニウムイオンは強くイオン交換樹脂に結合する。
【００４７】
アルミニウム製品の陽極酸化においては、均一な厚みのアルマイト層生成や生成したアルマイトの染色性などの点から電解液中のアルミニウムイオンの存在は重要であり、その濃度は、JＩＳ  Ｈ８６０１：１９９９に規定されている。このため、通常は高濃度のアルミニウムイオン共存下でのアルミニウムの陽極酸化が行われている。
【００４８】
このような高濃度のアルミニウムイオンが共存した硫酸溶液中で強酸性イオン交換膜を使用した場合、アルミニウムイオンがイオン交換膜に取り込まれプロトン伝導を阻害する可能性がある。例えば、K. Uosaki et al., J. Electroanal. Chem. 1990, 287, 163.には、大きな金属錯体としてＲｕ（ＩＩ）錯体をＮａｆｉｏｎ膜に取り込んだ場合の伝導性について調べ、Ｒｕ（ＩＩ）錯体を取り込むことにより伝導性は３桁低下した結果が開示されている。
【００４９】
他の金属イオン等を取り込んだイオン交換樹脂の再生は酸水溶液で処理することにより行われる。しかし、酸溶液にアルミニウムイオンが高濃度で共存すると、イオン交換膜内ではプロトン化体とアルミニウムイオン配位体間の平衡となり、プロトン伝導に対する膜抵抗が増大する可能性がある。
【００５０】
出願人らは鋭意研究の結果、高濃度のアルミニウムイオンを含む硫酸水溶液（例えば１５ｗｔ％）を用いた場合においても、アルミニウムイオンの膜への取り込みによるプロトン伝導を大きく損なうことなくプロトン伝導が可能であることを見出し、本発明に至った。
【００５１】
イオン交換膜１２への要求特性は、まず、等価質量［スルホ基（-SO3H）1モル当たりの乾燥質量(g)］が小さく、スルホ基の相対量が全重量に対して大きく、プロトン伝導性が高いことが挙げられる。また、力学的強度が装置水素内圧に対して十分大きいことが必要であり、繊維強化膜が好ましい。更に、空気の拡散混入及び水素の拡散散逸の防止のために、ガス遮断性が良好であることが要求される。
【００５２】
また、イオン交換膜による電解電位の上昇を抑えるには、
・イオン伝導性の高い膜を使用する。
・膜厚を薄くする。
・等価質量の小さい膜を使用する。
ことが必要である。
【００５３】
一般に陰極面積は陽極酸化するアルミニウム材料表面積の１／２以上とされている(JＩＳ  Ｈ８６０１：１９９９)。陰極の全面積に対してイオン交換膜１２の面積が小さいと、イオン交換膜１２における抵抗が増大するため、定電流密度での電解時における電解電圧が上昇してしまう。このため、イオン交換膜１２の面積は、陰極１１の面積に対して、１０％以上であることが好ましい。例えば、イオン交換膜（伝導度０．１Ｓ／ｃｍ、厚さ１５０μｍ）使用による電解電圧上昇を、従来の陽極酸化処理条件と同様に取り扱うことができる目安として０．５Ｖ 以下とするには、イオン交換膜１２の面積は陰極１１の面積の１５％以上とすることが好ましい。ここで、イオン伝導度が大きい膜や膜厚が薄い場合には、上記より陰極１１との面積比が小さい場合でも同等の電圧上昇に抑えることができる。
【００５４】
イオン交換膜１２としては、上述の特性を充足していれば、各種材料を採用することができる。
【００５５】
水素捕集装置１によれば、陰極１１で発生する水素は、外部から遮断された密閉構造の筐体１０内部で捕集され、大気の混入等がない高純度な状態で、効率的に回収することができ、エネルギー源として有効利用が図れる。電解により発生する水素はＰｔ等に対する触媒毒のＣＯを含まない。これにより、簡単な精製系のみで燃料電池用の仕様を満たすよう高純度水素として利用が可能となる。
【００５６】
水素ガスを大気放出すると、建屋内で水素ガスの局所濃度の上昇による爆発の危険性が伴うが、閉鎖系として回収することによりその危険性を排除することができる。
【００５７】
水素発生に随伴する電解液ミストの大気放出を防止することができるため、作業環境が格段に改善されるのみならず、ミスト飛散による建屋や機器の腐食・損傷を排除することがきる。
【００５８】
上述の実施形態では、イオン交換膜１２は筐体１０の陽極２に対向する面に設けられているが、これに限定されるものではなく、例えば、陰極１１を挟んだ反対側にも設けたり、各種配置形態を採用することができる。
【００５９】
また、上述の実施形態では、筐体１０は略直方体形状に形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、円筒形状など、各種形状を採用することができる。
【００６０】
水素排出手段５は、ポンプ等の排気手段を用いて水素を回収するように構成することができる。また、水素ガスを高圧に圧縮してボンベ等に貯留可能に構成することができる。
【００６１】
また、水素排出手段５は、筐体１０内の水素の圧力が陽圧になるように圧力を調整する圧力調整手段５ａを備える構成を採用することができる。これによれば、水素回収が簡略な設備で円滑にできるように、適正な設定圧力で水素を送出することができる。また、水素の圧力を陽圧にすることにより、外部からの大気の混入を避けることができるので、水素の純度を向上させることができる。
【００６２】
水素排出手段５は、排出した水素から、バブリング、焼結フィルタ、吸着剤等によりミストを回収するミスト回収手段５ｂを備える構成を採用することもできる。これによれば、水素ガス中から確実にミストを除去し、純度を向上させることができる。
【００６３】
ここで、圧力調整手段５ａ、ミスト回収手段５ｂは、水素捕集装置１が備える構成を採用することもできる。
【００６４】
（実施形態の効果）
本発明の水素捕集装置１及び水素回収システムＳによれば、陰極１１で発生する水素は、外部から遮断された密閉構造の筐体１０内部で捕集され、大気の混入等がない高純度な状態で、効率的に回収することができ、エネルギー源として有効利用が図れる。電解により発生する水素はＰｔ等に対する触媒毒のＣＯを含まない。これにより、簡単な精製系のみで燃料電池用の仕様を満たすよう高純度水素として利用が可能となる。
【００６５】
水素捕集装置１は、大きな付帯設備を伴わない簡単な構造であるため、従来設備へ容易に適用することができる。
【００６６】
水素発生に随伴する電解液ミストの大気放出を防止することができるため、作業環境が格段に改善されるのみならず、ミスト飛散による建屋や機器の腐食・損傷を排除することがきる。
【００６７】
なお、本発明は陽極酸化処理に伴い発生する水素を効率よく回収することができる陽極酸化処理工程であれば、上述した発明の実施形態に限定されない。例えば、マグネシウムの陽極酸化処理にも適用することができる。
【実施例】
【００６８】
本発明の効果を検証するために、図４に示す小型ガラス電解セルを備えた実験装置を用いて以下の実験を行った。
【００６９】
実験装置１００は、陰極槽１０１、イオン交換膜１０２を介して接続された陽極槽１０３、陰極１０４と陽極であるアルミ板１０５に電力を供給する電源１０６、陰極槽１０１からガスを回収するガス配管１０７、発生ガス量を計測するガスビュレット１０８、陰極槽内を不活性ガス置換するためのガス導入口１０９などを備えている。
【００７０】
試験条件は以下の通りである。イオン交換膜の有無による差異も検討した。
・陰極：ＰｔコーティングされたＴｉ電極（表面積１１４．１ｃｍ２）
・被処理材：幅１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ×厚さ１．５ｍｍのアルミニウム角板（Ａ１１００）  
・イオン交換膜：Ｎａｆｉｏｎ３２４、膜面積：４７．２ｃｍ２（イオン交換膜厚：約１７５μｍ）
・電解液：硫酸水溶液（全硫酸イオン濃度２１７ｇ／Ｌ、遊離硫酸濃度１６３ｇ／Ｌ、 アルミイオン濃度９．８ｇ／Ｌ）
・電流（定電流電解）：０−２．０Ａ、昇電流速度０．０６Ａ／ｓｅｃ
・電解電圧：１５．４−１９．２Ｖ
・電解液温度：２０±０．５℃
【００７１】
上記条件でアルミ板１０５の陽極酸化処理を行い、以下の測定項目について評価した。
・発生ガス量：ガスビュレット１０８により計測
・発生した水素ガスの純度：ガス配管１０７に設けられたサンプル採取ポートより採取したガスをガスクロマトグラフィーにより分析  
・電解電圧
【００７２】
図５に定電流密度での電解時における電解電圧の時間変化を示す。イオン交換膜がある場合には、イオン交換膜がない場合に比べ、印加電圧が上昇したが、上昇した電圧は、最大でも０．３ Ｖ程度とわずかであった。また、イオン交換膜がある場合においても、電解時間の経過に伴う電位上昇は認められず、アルミニウムイオンがイオン交換膜に取り込まれることによるプロトン伝導の阻害は認められなかった。
【００７３】
図６に収集ガス量の時間変化を示す。イオン交換膜がある場合には、イオン交換膜がない場合に比べ、収集ガス体積は大幅に増大した。イオン交換膜がない場合には、水素は電解液中を散逸し、陽極槽側に逃げたものと考えられる。また、イオン交換膜がある場合の水素回収効率は、電力量から算出した理論量に対し９８．５％が得られた。
【００７４】
また、ガスクロマトグラフィーによる分析の結果、陰極槽１０１にて発生する水素は、大気混入を０．０２％以下に抑えて高純度で回収することができたことが確認された。
【００７５】
イオン交換膜の一部をマスキングして陰極面積との比（対陰極面積比）を変えて、イオン交換膜の面積による電解電圧の変化を調べた。結果を図７に示す。対陰極面積比が５０％程度では電解電圧の上昇は認められなかった。対陰極面積比を５０％以下に減少させると電解電圧が上昇し始めるが、対陰極面積比が１０％以上であれば、電解電圧の上昇を１Ｖ以内に抑制することができる。更に、電解電圧の上昇を０．５Ｖ以下に抑制するには、対陰極面積比が１５％以上であればよいことがわかった。
【００７６】
以上より、本発明の構成によれば、発生水素への大気混入と電解電圧上昇を抑制して、高純度で水素が回収できることが確認された。
【００７７】
（第２実施形態）
本発明に係る水素捕集装置の第２実施形態について、図８を参照して説明する。
【００７８】
水素捕集装置２０は、陰極３０を収容し、連結可能に構成された複数の筐体ユニット２１と、連結された筐体ユニットの最下部の開口部を閉塞する下蓋部材２２と、連結された筐体ユニット２１の最上部の開口部を閉塞する上蓋部材２３と、イオン交換膜４０と、を備えている。本実施形態では、２つの筐体ユニット２１Ａ、２１Ｂを備えた水素捕集装置２０について説明する。また、図８（Ａ）では、構成要素の説明のため、組み立て前の構造を示しているが、実際の水素捕集装置２０では、上蓋部材２３、筐体ユニット２１Ａ、ユニット接続部材２４、筐体ユニット２１Ｂ、下蓋部材２２がこの順に接続され、筐体ユニット２１の内部に閉空間が形成される。
【００７９】
筐体ユニット２１は、上下に開口部２１ｂを有する円管形状に形成された本体２１ａに、開口形成された複数の窓部２１ｃを備えた構成である。本実施形態では、窓部２１ｃは、矩形状に形成されており、周方向に３箇所ずつ、長手方向に３箇所ずつの計９箇所に設けられている。
【００８０】
各窓部２１ｃは、イオン交換膜４０が筐体ユニット２１の内側に接着などの固定手段により密着するように固定されて、イオン交換膜４０により覆われる。これにより、筐体ユニット２１の内部と電解槽（図示せず）とが隔離される。ここで、水素捕集装置２０は、筐体ユニット２１内が陽圧となるように運転することが好ましいため、イオン交換膜４０は筐体ユニット２１の内側に配置することが好ましい。
【００８１】
ここで、窓部２１ｃは、イオン交換膜４０の強度や必要な面積などが確保されれば、形状、数、配置などを任意に設定することができる。
【００８２】
下蓋部材２２は、連結された筐体ユニット２１（２１Ｂ）の最下部の開口部２１ｂを閉塞する部材である。
【００８３】
本実施形態では、下蓋部材２２は、筐体ユニット２１（２１Ｂ）の最下部の開口部２１ｂを覆うようなキャップ状に形成された本体部２２ａと、本体部２２ａの内部から立設され、陰極３０を保持する保持部２２ｂと、を備えている。ここで、下蓋部材２２は陰極３０と電気的に絶縁されている。
【００８４】
上蓋部材２３は、連結された筐体ユニット２１（２１Ａ）の最上部の開口部２１ｂを閉塞する部材である。本実施形態では、上蓋部材２３は円板状に形成されており、筐体ユニット２１（２１Ａ）の上端部に設けられたフランジ２１ｄを介して筐体ユニット２１（２１Ａ）に固定される。
【００８５】
上蓋部材２３には、陰極３０を電源装置（図示せず）と接続し、筐体ユニット２１Ａ内に配置するための陰極端子５０と、陰極３０において発生した水素を筐体ユニット２１の内部から排出する水素排出手段（図示せず）と連通する水素取出口５１と、が設けられている。
【００８６】
ここで、上蓋部材２３には、筐体ユニット２１（２１Ａ）の内部に不活性ガスを導入するガス導入口を設けることもできる。
【００８７】
ユニット接続部材２４は、筐体ユニット２１同士を、開口部２１ｂにおいて、内外を遮断して連結するための部材である。本実施形態では、ユニット接続部材２４は、リング状に形成されており、ねじ込みや嵌め合いなど公知の構造で筐体ユニット２１同士を連結可能に構成されている。
【００８８】
陰極３０は、円管状に形成されており、筐体ユニット２１Ａ、２１Ｂを接続したときの長さに対応して設定されている。
【００８９】
陰極３０には、陰極３０の内外で筐体ユニット２１内に充填された電解液が流通可能な開口部３０ａが複数箇所に形成されている。開口部３０ａの形状、数、配置などは電解液の流通が有効に作用するように任意に設定することができる。以下、陰極３０の外面及び内面の表面積の総和を「有効表面積」という。
【００９０】
イオン交換膜４０は、材質、要求特性など、イオン交換膜１２と同様の構成である。
【００９１】
陰極３０の有効表面積及び陰極３０の有効表面積に対するイオン交換膜４０の面積は、第１実施形態で示した関係を充足することが好ましい。
【００９２】
水素捕集装置２０による水素回収は、第１実施形態と同様に、筐体ユニット２１内に陰極３０及びイオン交換膜４０が浸るまで電解液を貯留させ、イオン交換膜４０が電解液に浸漬されるように筐体ユニット２１を電解槽に配置し、陽極酸化処理により発生した水素を回収して行う。
【００９３】
（変更例）
上記実施形態では、水素捕集装置２０は、２つの筐体ユニット２１Ａ、２１Ｂを接続して構成したが、これに限定されるものではなく、３つ以上の筐体ユニット２１を接続して構成することもできる。
【００９４】
陰極３０は、開口部３０ａを備えない構成を採用することもできる。この場合、電極として有効に作用する表面積は低下するが、開口部３０ａにおける電位集中による腐食がないため寿命が伸びる。
【００９５】
陰極３０は、円筒形状に限定されるものではなく、例えば、板状、棒状など各種形状を採用することもできる。
【００９６】
陰極３０は、筐体ユニット２１Ａ、２１Ｂの長さに対応して２本の陰極を用意し、接続して用いても良い。ここで、各陰極の接続は、電気的に十分な接続が実現できれば接続方法は任意である。例えば、ねじ込みや嵌め合いなど公知の構造で接続してもよいし、一方の陰極に他方の陰極を載置するのでもよい。
【００９７】
筐体ユニット２１は円筒形状に形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、略直方体形状など、各種形状を採用することができる。
【００９８】
上記実施形態では、筐体ユニット２１をユニット接続部材２４により連結したが、筐体ユニット２１にねじ込みや嵌め合いなど公知の構造により互いに連結可能な接続部を設け、ユニット接続部材２４を用いずに筐体ユニット２１を連結する構成を採用することもできる。
【００９９】
上蓋部材２３は、筐体ユニット２１（２１Ａ）の最上部の開口部２１ｂを閉塞可能であれば、形状などは任意である。また、上蓋部材２３は、筐体ユニット２１（２１Ａ）と一体的に形成することもできる。
【０１００】
下蓋部材２２は、筐体ユニット２１（２１Ｂ）の最下部の開口部２１ｂを閉塞可能であれば、形状などは任意である。例えば、電解槽の底部に固定可能なフランジ状に形成することもできる。また、下蓋部材２２は、筐体ユニット２１（２１Ｂ）と一体的に形成することもできる。
【０１０１】
イオン交換膜４０は、筐体ユニット２１の外側から巻きつける構成を採用することもできる。
【０１０２】
（第２実施形態の効果）
第２実施形態の水素捕集装置２０及び水素捕集装置２０を備えた水素回収システムによれば、第１実施形態の効果に加えて以下の効果を奏することができる。
【０１０３】
複数の筐体ユニット２１を連結して水素捕集装置２０を構成することができるので、大面積のイオン交換膜４０を用意しなくても、水素捕集装置２０の大型化、長尺化を容易に行うことができる。また、水素捕集装置２０の寸法の自由度を高くすることができるので、各種の寸法の電解浴への適用が可能である。更に、筐体ユニット２１やイオン交換膜４０の破損等による保守も、破損ユニットのみの交換で済む利点がある。
【０１０４】
筐体ユニット２１及び陰極３０は円筒形状であるため、構造強度が高く、大型化、長尺化しても強度を保つことができる。また、筐体ユニット２１は円筒形状であるため、イオン交換膜４０に負荷される圧力は等方的となり、イオン交換膜４０の損傷が生じにくい。そのため、イオン交換膜４０が電解液に接する面積を大きくすることができる。陰極３０は円筒形状であるため、水素捕集装置２０を大型化することなく、陰極面積を増大することができる。これにより、効率的な水素回収が可能となる。
【０１０５】
陰極３０が開口部３０ａを備えているので、電解液を陰極の内外で流通させることができる。開口部を有しない円筒状の陰極を用いた場合、電解液が陰極の内外で流通しにくく、内側でプロトン濃度が低下し、その結果、外側の電極しか作用しなくなり、水素発生効率が低下してしまう。開口部３０ａを設けることにより、陰極３０の内外の電解液の状態を均一にすることができプロトン濃度が均一となるため、電解電圧が上昇することを防ぐことができる。また、陰極３０の外面及び内面を電極として有効に作用させることができ、陰極３０の有効表面積を増大させることができる。
【符号の説明】
【０１０６】
１…水素捕集装置
２…陽極
３…電源装置
４…電解槽
５…水素排出手段
５ａ…圧力調整手段
５ｂ…ミスト回収手段
６…水素貯留手段
１０…筐体
１０ａ…本体部
１０ｂ…蓋部
１０ｃ…窓部
１０ｄ…水素取出口
１０ｅ…陰極端子
１０ｆ…ガス導入口
１１…陰極
１２…イオン交換膜
２０…水素捕集装置
２１…筐体ユニット
２１ａ…本体
２１ｂ…開口部
２１ｃ…窓部
２２…下蓋部材
２３…上蓋部材
２４…ユニット接続部材
３０…陰極
３０ａ…開口部
４０…イオン交換膜
５０…陰極端子
５１…水素取出口
１００…実験装置
１０１…陰極槽
１０２…イオン交換膜
１０３…陽極槽
１０４…陰極
１０５…アルミ板
１０６…電源
１０７…ガス配管
１０８…ガスビュレット
１０９…ガス導入口
Ｄ１…電解液
Ｄ２…電解液
Ｓ…水素回収システム
Ｙ…陽極酸化処理設備
Ｗ…アルミニウム製品
【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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【図８】
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