(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極を収容し陽極ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜と、電解液を前記陽極室から排出するとともに前記陽極室に戻す陽極側循環ラインと、を備える電解装置であって、
前記陽極側循環ラインが、前記電解液と前記陽極ガスとを前記陽極室から排出する陽極側排出ラインと、前記陽極側排出ラインから排出された前記電解液から前記陽極ガスを分離する陽極側気液分離手段と、前記陽極側気液分離手段により分離された前記電解液を前記陽極側気液分離手段から排出して前記陽極室に戻す陽極側供給ラインと、よりなり、更に、
前記陽極側供給ラインの途中経路に前記電解液を収納する循環タンクと前記循環タンク内の電解液を循環する循環ポンプと、を備え、
前記循環タンク及び／又は前記循環ポンプの上部空間に形成された、前記電解液に溶存した水素ガスが気相として存在する気相領域に、前記陽極側気液分離手段によって前記陽極側排出ラインから排出される前記電解液から分離された前記陽極ガスを送給するための陽極ガス送給ラインが接続され、前記陽極ガス送給ラインにより前記陽極側気液分離手段で分離された前記陽極ガスの少なくとも一部を前記気相領域に送給し、
前記気相領域中の前記水素ガス濃度が爆発限界下限値未満であることを特徴とする電解装置。
【請求項２】
前記陽極ガスが酸素ガスであることを特徴とする請求項１に記載の電解装置。
【請求項３】
前記電解液がアルカリ水溶液であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電解装置。
【請求項４】
前記電解液が純水又は非精製水であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電解装置。
【請求項５】
陽極側の前記電解液が塩化物水溶液であり、陰極側の電解液がアルカリ水溶液であることを特徴とする請求項１に記載の電解装置。
【請求項６】
前記電解液と前記水素ガスとを前記陰極室から排出する陰極側排出ラインと、前記陰極側排出ラインから排出された前記電解液から前記水素ガスを分離する陰極側気液分離手段と、前記陰極側気液分離手段により分離された前記電解液を前記陰極側気液分離手段から排出して前記陰極室に戻す陰極側供給ラインとよりなる陰極側循環ラインとを更に有し、
前記陰極側供給ラインの途中経路に、前記陽極側供給ラインに接続された前記循環タンクが接続され、前記循環タンク内において、前記陽極側供給ラインから送給された前記電解液と前記陰極側供給ラインから送給された前記電解液とが混合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電解装置。
【請求項７】
前記陽極ガス送給ラインが、前記循環タンク内の上部に形成される前記気相領域に接続することを特徴とする請求項６に記載の電解装置。
【請求項８】
前記気相領域中の前記水素ガス濃度が４容積％未満であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の電解装置。
【請求項９】
陽極を収容し陽極ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜と、電解液を前記陽極室から排出するとともに前記陽極室に戻す陽極側循環ラインとを備える電解装置を用いて、前記電解液を電解する電解方法であって、
前記陽極室から前記電解液を前記陽極ガスとともに排出し、前記電解液から前記陽極ガスを分離し、前記陽極ガスを分離した後の前記電解液を前記陽極室に戻す工程と、
分離された前記陽極ガスの少なくとも一部を、前記電解液に溶存した水素ガスが気相として存在する気相領域に送給し、送給した陽極ガスにより前記気相領域中の前記水素ガス濃度を爆発限界下限値未満に希釈することを特徴とする電解方法。
【請求項１０】
前記陽極ガスが酸素ガスであることを特徴とする請求項９に記載の電解方法。
【請求項１１】
前記電解液がアルカリ水溶液であることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の電解方法。
【請求項１２】
前記電解液が純水又は非精製水であることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の電解方法。
【請求項１３】
陽極側の前記電解液が塩化物水溶液であり、陰極側の前記電解液がアルカリ水溶液であることを特徴とする請求項９に記載の電解方法。
【請求項１４】
前記陰極室から前記電解液を前記水素ガスとともに排出し、前記電解液から前記水素ガスを分離し、前記水素ガスを分離した後の溶存水素ガスを含む前記電解液を陰極側供給ラインで前記陰極室に戻す工程と、
前記陽極側供給ライン及び前記陰極側供給ラインの途中経路に設置される前記電解液を収納する循環タンクにおいて、前記陽極ガスを分離した後の前記電解液と前記水素ガスを分離した後の前記電解液とを混合する工程とを更に備え、
前記循環タンク及び／又は前記循環タンク内の電解液を循環する循環ポンプの上部空間に前記気相領域が形成される請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載の電解方法。
【請求項１５】
前記気相領域に、前記分離された陽極ガスの少なくとも一部を直接送給することを特徴とする請求項１４に記載の電解方法。
【請求項１６】
前記気相領域中の前記水素ガス濃度を４容量％未満に希釈することを特徴とする請求項９乃至請求項１５のいずれか１項に記載の電解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解により水素ガスが発生する電解装置及び電解方法に関し、特にアルカリ水電解装置及び該装置を用いる電解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルカリ水電解、純水電解、非精製水の電解、食塩電解、塩化物水溶液、臭化物水溶液、塩酸水溶液、硫酸水溶液電解等では、電解により水素ガスが発生する。
水素ガスを発生する電解装置及び電解方法の一例として、特許文献１に記載されるアルカリ水電解装置及びアルカリ水電解方法がある。特許文献１の電解装置及び電解方法では、陽極室及び陰極室で生成する気液混合流体よりなる陽極液及び陰極液を共通の循環タンクに回収し、該循環タンク内において混合した後、陽極室と陰極室との両電解室に循環供給する。循環タンクで陽極液及び陰極液を混合することにより、両電解室内に供給する電解液の濃度を同じ濃度にするとともに、常に一定濃度に維持しながら連続電解を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０２９９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水素ガスが発生する電解装置及び電解方法において、水素ガスが、酸素ガス、塩素ガス、臭素ガス等と混合する場合がある。
例えば上記アルカリ水電解装置及びプロセスでは、陽極室及び陰極室で生成した陽極液及び陰極液は、気液分離された後に循環タンクに搬送される。この気液分離後の陽極液及び陰極液には酸素ガス及び水素ガスが溶解している。電解液中のガスの溶解量は、気相の水素分圧や温度によって変化する。電解液中の溶存ガスが飽和溶解量を超えると、循環タンクの上部等、電解液の循環ライン中で気体として存在することになる。気体化した水素ガスは本来微量であるが、循環タンクの上部や逆Ｕ字状の配管など密閉空間では水素ガスが漸次蓄積され、水素の爆発限界に達する可能性が全くないとは言い切れない。
【０００５】
このように水素ガスが蓄積される気相領域が形成される場合には、その気相領域に窒素ガス等の不活性ガスや空気などを連続的に供給することで、気相領域中の水素濃度を希釈し、低減させて、水素爆発の危険性を確実に防止することが考えられる。
【０００６】
然しながら、不活性ガスを使用する場合は、不活性ガスの費用が発生するため運転コストが増加する。空気を利用する場合は、空気中に存在するＣＯ2が問題となる。アルカリ水電解の場合には、空気中のＣＯ2と電解液中の陽イオン（Ｎａ+、Ｋ+など）とが反応し、炭酸塩が生成する。長期運転により、炭酸塩が配管等の中に析出する。このため、配管が閉塞し、電解プロセスが継続できなくなる恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、上記のような水素を発生する電解プロセスにおいて、微量のガスが電解液の循環ラインに漸次蓄積されて水素の爆発限界に達する可能性を解消することのできる電解装置及び電解方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明の第１の態様は、陽極を収容し陽極ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜と、電解液を前記陽極室から排出するとともに前記陽極室に戻す陽極側循環ラインと、を備える電解装置であって、前記陽極側循環ラインが、前記電解液から前記陽極ガスを分離する陽極側気液分離手段と、前記陽極室と前記陽極側気液分離手段とを接続し、前記電解液と前記陽極ガスとを前記陽極室から排出して前記陽極側気液分離手段に送給する陽極側排出ラインと、前記陽極室と前記陽極側気液分離手段とを接続し、前記電解液を前記陽極側気液分離手段から排出して前記陽極室に送給する陽極側供給ラインと、を備え、溶存した前記水素ガスが気相として存在し、前記水素ガスと前記陽極ガスとが混合する気相領域と前記陽極側気液分離手段とを接続する陽極ガス送給ラインを有し、前記陽極ガス送給ラインが前記陽極ガスの少なくとも一部を前記気相領域に送給し、前記気相領域中の前記水素ガス濃度が爆発限界下限値未満であることを特徴とする。
より具体的には、従来の電解装置に、溶存した水素ガスに由来する水素ガスが気相として存在し得る気相領域に、前記陽極ガスを送給して水素ガスを陽極ガスで希釈して、気相領域における水素ガス濃度を低減させるための、気相領域と陽極側気液分離手段とを接続する陽極ガス送給ラインが設けられていることを特徴とする。
【０００９】
第１の態様において、前記気相領域中の前記水素ガス濃度は４容積％未満である。
【００１０】
第１の態様において、水電解の場合は前記陽極ガスが酸素ガスである。
【００１１】
第１の態様において、前記電解液から前記水素ガスを分離する陰極側気液分離手段と、前記陰極室と前記陰極側気液分離手段とを接続し、前記電解液と前記水素ガスとを前記陰極室から排出して前記陰極側気液分離手段に送給する陰極側排出ラインと、前記陰極室と前記陰極側気液分離手段とを接続し、溶存水素ガスを含む前記電解液を前記陰極側気液分離手段から排出して前記陰極室に送給する陰極側供給ラインとを有する陰極側循環ラインと、前記陽極側供給ライン及び前記陰極側供給ラインの途中経路に、前記陽極側供給ラインから送給された前記電解液と前記陰極側供給ラインから送給された前記電解液とを混合する循環タンクと、を更に備え、前記混合する循環タンク内に前記気相領域が形成され、前記陽極ガス送給ラインが前記循環タンクの前記気相領域に接続されていてもよい。
この場合、前記陽極ガス送給ラインが、前記循環タンク内の上部に形成される前記気相領域に接続することが好ましい。
【００１２】
第１の態様において、前記電解液がアルカリ水溶液であっても良い。
第１の態様において、前記電解液が純水又は非精製水であっても良い。
第１の態様において、陽極側の前記電解液が塩化物水溶液であり、陰極側の前記電解液がアルカリ溶液であっても良い。
【００１３】
本発明の第２の態様は、陽極を収容し陽極ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜と、電解液を前記陽極室から排出するとともに前記陽極室に戻す陽極側循環ラインとを備える電解装置を用いて、前記電解液を電解する電解方法であって、前記陽極室から前記電解液を前記陽極ガスとともに排出し、前記電解液から前記陽極ガスを分離し、前記陽極ガスを分離した後の前記電解液を前記陽極室に戻す工程と、分離された前記陽極ガスの少なくとも一部を、溶存した前記水素ガスが気相として存在し、前記水素ガスと前記陽極ガスとが混合する気相領域に送給し、前記陽極ガスにより前記気相領域中の前記水素ガス濃度を爆発限界下限値未満に希釈することを特徴とする。
【００１４】
第２の態様において、前記気相領域中の前記水素ガス濃度を４容量％未満に希釈する。
【００１５】
第２の態様において、前記電解液がアルカリ水溶液であっても良い。
【００１６】
第２の態様において、前記陰極室から前記電解液を前記水素ガスとともに排出し、前記電解液から前記水素ガスを分離し、前記水素ガスを分離した後の溶存水素ガスを含む前記電解液を前記陰極室に戻す工程と、前記陽極側循環ライン及び前記陰極側循環ラインの途中経路に設置される循環タンクにおいて前記陽極ガスを分離した後の前記電解液と前記水素ガスを分離した後の前記電解液とを混合する工程とを更に備え、前記循環タンク内に前記気相領域が形成されていてもよい。
この場合、前記気相領域に前記陽極ガスを直接送給することが好ましい。
【００１７】
第２の態様において、水電解の場合は前記陽極ガスが酸素ガスである。
第２の態様において、前記電解液が純水又は非精製水であっても良い。
第２の態様において、陽極側の前記電解液が塩化物水溶液であり、陰極側の前記電解液がアルカリ溶液であっても良い。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電解プロセスで発生する酸素ガス等の陽極ガスを用いるという簡便な手段によって水素爆発の危険性を未然に確実に防止することができる。即ち、密閉プロセスの系内で水素ガスが気相として存在する部分に、陽極で発生した陽極ガスの全量又は一部を導入し、気相中の水素濃度を希釈し、常時確実に安全な領域の濃度とさせることによって、プロセスに支障をきたすことなく、プロセスの安全性をより高めた状態にして運転することができる。本発明によれば、気相領域中の水素ガス希釈に空気や不活性ガス等を用いる必要がないため、運転コストを削減することができる。また、空気や不活性ガスを供給するための付属の装置が不要であり設備費を大幅に低く抑えることができる。
【００１９】
特にアルカリ水電解においては、陽極液及び陰極液が混合する循環タンクの上部等に水素ガスが気相として存在するので、陽極ガス（酸素ガス）の全量又は一部を該循環タンクに供給することにより、気相領域中の水素ガスを希釈することができる。この結果アルカリ水電解プロセスを安全に運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電解装置を示すフロー図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電解装置の他の例を示すフロー図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る電解装置を示すフロー図。
【図４】本発明の第２実施形態に係る電解装置の他の例を示すフロー図。
【図５】本発明の第３実施形態に係る電解装置を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る電解装置の１例を示すフロー図である。
図１の電解装置（アルカリ水電解装置）１において、２は、陽極を収容し陽極ガスを発生する陽極室、３は、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室、４は、陽極室２と陰極室３とを区画する隔膜、５は、陽極室２、陰極室３、隔膜４よりなる電解槽（アルカリ水電解槽）である。陽極室２及び陰極室３内は電解液を収容する。アルカリ水電解装置の場合、電解液はアルカリ水溶液（例えばアルカリ金属水酸化物の水溶液、具体的にＫＯＨ水溶液又はＮａＯＨ水溶液）である。陽極ガスは酸素ガスである。アルカリ水電解装置の場合、隔膜は陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、高分子多孔層と不織布からなる複合膜などである。
【００２２】
電解装置１は、電解液を陽極室２から排出するとともに陽極室２に戻す陽極側循環ラインと、電解液を陰極室３から排出するとともに陰極室３に戻す陰極側循環ラインとを備えている。
【００２３】
陽極側循環ラインは、陽極側気液分離手段６と、陽極側排出ライン７と、陽極側供給ライン８とを備えている。陽極側排出ライン７は、電解槽５の陽極室２と陽極側気液分離手段６とを連結する流路である。陽極側排出ライン７は、陽極室２で発生した陽極ガスとともに電解液を、陽極室２から陽極側気液分離手段６に供給する。陽極側気液分離手段６は具体的に、気液分離装置、Ｔ字管などである。陽極側供給ライン８は、陽極側気液分離手段６と陽極室１とを連結する流路である。陽極側供給ライン８に循環ポンプ１３が設置される。
【００２４】
陰極側循環ラインは、陰極側気液分離手段９と、陰極側排出ライン１０と、陰極側供給ライン１１とを備えている。陰極側排出ライン１０は、電解槽５の陰極室３と陰極側気液分離手段９とを連結する流路である。陰極側気液分離手段９は具体的に、気液分離装置、Ｔ字管などである。陰極側供給ライン１１は、陰極側気液分離手段９と陰極室３とを連結する流路である。陰極側供給ライン１１に循環ポンプ１４が設置される。
【００２５】
陰極側気液分離手段９は配管１５を介して水封装置１６に接続する。水封装置１６は内部に水を収容する。配管１５の先端は水封装置１６内の水に浸漬している。
【００２６】
電解装置１において、陽極側供給ライン８及び陰極側供給ライン１１の途中経路に、密閉容器である循環タンク１２が設けられている。循環タンク１２は陽極側供給ライン８及び陰極側供給ライン１１で共通する。循環タンク１２内には電解液が貯留されており、電解液の上方（循環タンク１２の上部）は気相領域２１である。循環タンク１２の頂部にガス排出配管２２が設置される。なお、気相領域は、逆Ｕ字管など凸形状で上部に密閉空間となる部位にも形成され得る。
【００２７】
図１では、循環タンク１２から陽極室２及び陰極室３に向かうラインはそれぞれ別系統とし、各系統に循環ポンプ１３，１４が設置されている例が示されているが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、循環ポンプを１台とすることができる。この場合、循環ポンプに接続する陽極側供給ライン及び陰極側供給ラインは共通する１つのラインとし、循環ポンプの下流側で陽極室に向かうラインと陰極室に向かうラインとに分岐する構成となる。
【００２８】
水供給タンク１８は、配管１７を介して循環タンク１２に接続する。水供給タンク１８は内部に水を収容する。配管１７にポンプ１９が設置される。
【００２９】
電解装置１において、陽極側気液分離手段６と循環タンク１２との間に陽極ガス送給ライン２０が設置される。図１において、陽極ガス送給ライン２０は、接続箇所は循環タンク１２内に収容される電解液の液面よりも上方位置に接続する。但し、本実施形態はこれに限定されず、陽極ガス送給ライン２０の接続位置は循環タンク１２内の電解液の液面より下方であっても良い。
【００３０】
図２は第１実施形態に係る電解装置の別の例のフロー図である。図２において、ガス排出配管２２は水封装置２３に接続する。水封装置２３は内部に水を収容する。ガス排出配管２２の先端は水封装置２３内の水に浸漬している。
【００３１】
第１実施形態に係る電解装置１，１’を用いて、アルカリ水電解を行う方法を以下で説明する。
陽極室２内において、電解により陽極ガス（酸素ガス）が生成する。陽極室２内の電解液は、発生した酸素ガスを伴って陽極側排出ライン７を通じて陽極室２から排出されて、陽極側気液分離手段６に搬送される。
【００３２】
陽極側気液分離手段６は、陽極室２から搬送された電解液と陽極ガスとを分離する。分離された陽極ガスは、陽極ガス送給ライン２０を通じて陽極側気液分離手段６から排出される。一方、分離後の電解液は陽極ガス供給ライン８を通じて陽極側気液分離手段６から排出される。電解液は陽極側供給ライン８を通じて循環タンク１２に搬送される。
【００３３】
陰極室３内において、電解により水素ガスが生成する。陰極室３内の電解液は、発生した水素ガスを伴って陰極側排出ライン１０を通じて陰極室３から排出されて、陰極側気液分離手段９に搬送される。
【００３４】
陰極側気液分離手段９は、陰極室３から搬送された電解液と水素ガスとを分離する。分離された水素ガスは、配管１５を通じて陰極側気液分離手段９から水封装置１６に搬送され、水封装置１６を通過したのち電解装置１から排出される。排出された水素ガスは、排気されるか、有価物として回収される。
一方、分離後の電解液は陰極ガス供給ライン１１を通じて陰極側気液分離手段９から排出される。電解液は陰極側供給ライン１１を通じて循環タンク１２に搬送される。
【００３５】
循環タンク１２に搬送された陽極側の電解液及び陰極側の電解液は、循環タンク１２内で混合されて貯留される。循環ポンプ１３の起動により、循環タンク１２内の電解液が陽極側供給ライン８を通じて陽極室２に循環される。循環ポンプ１４の起動により、循環タンク１２内の電解液が陰極側供給ライン１１を通じて陰極室３に循環される。循環タンク１２内で電解液が混合されることにより、陽極室２及び陰極室３に循環供給される電解液の濃度は略均一として、連続電解が行われる。
【００３６】
また、循環タンク１２内の電解液の濃度（電解質の濃度）は常に一定に保持される。具体的に、循環タンク１２内の電解液濃度が低くなった場合には、ポンプ１９が起動し、水供給タンク１８内の水が配管１７を通じて循環タンク１２に供給される。
【００３７】
ここで、陽極側気液分離手段６により酸素ガスが分離された後の電解液中に、酸素ガスが溶解している。また、陰極側気液分離手段９により水素ガスが分離された後の電解液中に、水素ガスが溶解している。従って、循環タンク１２に搬送される電解液は溶存酸素ガス及び溶存水素ガスを含んでいる。プロセスの運転条件により飽和溶解量を超えると、陽極側供給ライン８及び陰極側供給ライン１１内で溶存酸素ガス及び溶存水素ガスが気体となる。この気体（酸素ガス及び水素ガス）は、循環タンク１２の上部の気相領域２１に蓄積される。
【００３８】
陽極ガス送給ライン２０は、陽極側気液分離手段６で分離された酸素ガスの全量を循環タンク１２に搬送する。搬送された酸素ガスは気相領域２１に搬送され、電解液から生成した酸素ガス及び水素ガスと混合し、気相領域２１に蓄積される。
【００３９】
気相領域２１に蓄積された酸素ガス及び水素ガスは、ガス排出配管２２を通じて循環タンク１２から排出される。図１の電解装置１の場合、排出された酸素ガス及び水素ガスは系外に放出される。図２の電解装置１’の場合、排出された酸素ガス及び水素ガスは水封装置２３に搬送される。水封装置２３は、酸素ガス及び水素ガスから水分を除去したのち、酸素ガス及び水素ガスを電解装置１’の系外に排出する。
【００４０】
電解液から気相領域２１中に放出される酸素ガス及び水素ガスは微量であり、本来的には、気相領域内の水素ガス濃度が爆発限界下限値を超えるような高濃度になることはないと考えられる。本発明は、連続電解した場合等に少ないながらも生じる危険性を憂慮し、より安全性を高めるための工夫である。上記したように、気相領域２１中に放出される水素ガスは微量であるのに対し、陽極ガス送給ライン２０から気相領域２１に送給される酸素ガス量は多量である。気相領域２１内で水素ガスが希釈されて水素ガス濃度が確実に爆発限界下限値未満になることにより、水素爆発の危険性が未然に防止される。酸素ガス及び水素ガスの混合系では、爆発限界下限値は４容量％である。従って、本実施形態の電解装置１（１’）において、気相領域２１内での水素ガス濃度が４容量％未満である。
【００４１】
上記第１実施形態の電解装置（アルカリ水電解装置）１，１’及び電解方法では、気相領域内の水素ガス濃度が爆発限界下限値未満（具体的に４容量％未満）よりも大幅に希釈されたものになるため、水素爆発の危険性を未然に確実に防止でき、より安全に連続して電解処理を実施することができる。
本実施形態の電解装置では、水素ガスが蓄積される気相領域に、装置内で発生した陽極ガス（酸素ガス）を送給して水素ガスを希釈するため、空気や不活性ガスを循環タンクに供給する設備が不要である。このため、設備費や運転コストを削減することが可能となる。
【００４２】
＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る電解装置の１例を示すフロー図である。
図３の電解装置（アルカリ水電解装置）１０１において、図１と同じ構成には同じ符号を付す。
【００４３】
電解装置１０１は、陽極ガス送給ライン２０の途中位置に、陽極ガス放出ライン１０２が接続する。陽極ガス送給ライン２０と陽極ガス放出ライン１０２との分岐位置に流量調整手段が設置される。流量調整手段として例えば、陽極ガス放出ライン１０２に流量調整弁（不図示）が設置される。
【００４４】
図４は第２実施形態に係る電解装置の別の例のフロー図である。図４の電解装置１０１’において、ガス排出配管２２は水封装置２３に接続する。水封装置２３は内部に水を収容する。ガス排出配管２２の先端は水封装置２３内の水に浸漬している。
陽極ガス放出ライン１０２は水封装置２３に接続する。陽極ガス放出ライン１０２の先端は、水封装置２３内の水に浸漬している。
【００４５】
第２実施形態に係る電解装置１０１，１０１’を用いて、アルカリ水電解を行う方法を以下で説明する。第２実施形態は、循環タンク１２への陽極ガスの搬送過程が第１実施形態と異なる。
陽極側気液分離手段６から排出されて陽極ガス送給ライン２０を流通する陽極ガス（酸素ガス）は、上記分岐点において陽極ガス送給ライン２０と陽極ガス放出ライン１０２とに分配される。酸素ガスの一部は陽極ガス送給ライン２０を通じて循環タンク１２に供給される。そして、循環タンク１２内で電解液から生成する酸素ガス及び水素ガスと混合する。これにより、気相領域２１内の水素ガス濃度が爆発限界下限値未満（具体的に４容量％未満）により確実に維持される。陽極ガス送給ライン２０から循環タンク１２への陽極ガス送給量は、気相領域２１内の水素ガス濃度に応じて適切に制御する。
【００４６】
図３の電解装置１０１の場合、残りの酸素ガスは陽極ガス放出ライン１０２を通じて系外に放出される。図４の電解装置１０１’の場合、残りの酸素ガスは陽極ガス放出ライン１０２を通じて水封装置２３に搬送され、水分が除去される。その後、陽極ガス放出ライン１０２からの酸素ガスは、循環タンク１２から排出された酸素ガス及び水素ガスとともに系外に排出される。
【００４７】
第２実施形態の電解装置（アルカリ水電解装置）１０１，１０１’及び電解方法においても、気相領域内の水素ガス濃度が爆発限界下限値未満（具体的に４容量％未満）よりも大幅に希釈されたものになるため、水素爆発の危険性を未然に確実に防止でき、より安全に連続して電解処理を実施することができる。また、装置内で発生した陽極ガス（酸素ガス）を気相領域での水素ガスの希釈に利用するため、設備費や運転コストを削減することが可能となる。
【００４８】
第１実施形態及び第２実施形態では、循環タンクで陽極側及び陰極側の電解液を混合した後陽極室及び陰極室に循環させる電解装置及び電解方法について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、循環タンクを設けることなく、陽極側供給ライン及び陰極側供給ラインで電解液が混合する電解装置及び電解方法や、水素が隔膜を通じて陽極側に移動可能であり、陽極側供給ライン及び陰極側供給ラインが個別に電解液を循環させる電解装置及び電解方法にも適用することができる。
【００４９】
＜第３実施形態＞
第３実施形態として、塩化物水溶液を電解する電解装置及びこれを用いた電解方法を説明する。図５は第３実施形態に係る電解装置の１例を示すフロー図である。
図５の電解装置２０１において、２０２は、陽極を収容し陽極ガスを発生する陽極室、２０３は、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室、２０４は、陽極室２０２と陰極室２０３とを区画する隔膜、２０５は、陽極室２０２、陰極室２０３、隔膜２０４よりなる電解槽である。陽極室２０２及び陰極室２０３は電解液を収容する。陽極側の電解液はＮａＣｌ、ＫＣｌなどの塩化物水溶液、陰極側の電解液はＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液などのアルカリ水溶液である。例えば食塩電解装置の場合、陽極側の電解液はＮａＣｌ水溶液であり、陰極側の電解液はＮａＯＨ水溶液である。
陽極ガスは塩素ガスである。食塩電解装置の場合、隔膜２０４はイオン交換膜（陽イオン交換膜）である。
【００５０】
電解装置２０１は、電解液を陽極室２０２から排出するとともに陽極室２０２に戻す陽極側循環ラインと、電解液を陰極室２０３から排出するとともに陰極室２０３に戻す陰極側循環ラインとを備えている。
【００５１】
陽極側循環ラインは、陽極側気液分離手段２０６と、陽極側排出ライン２０７と、陽極側供給ライン２０８とを備えている。陽極側排出ライン２０７は、電解槽２０５の陽極室２０２と陽極側気液分離手段２０６とを連結する流路である。陽極側排出ライン２０７は、陽極室２０２で発生した陽極ガスとともに電解液を、陽極室２０２から陽極側気液分離手段２０６に供給する。陽極側気液分離手段２０６は具体的に、気液分離装置、Ｔ字管などである。陽極側供給ライン２０８は、陽極側気液分離手段２０６と陽極室２０２とを連結する流路である。陽極側供給ライン２０８に循環タンク２１２ａ及び循環ポンプ２１３が設置される。
【００５２】
電解装置２０１において、陽極側気液分離手段２０６の上部に陽極ガス送給ライン２２０が接続する。陽極ガス送給ライン２２０は、循環ポンプ２１３に接続する。陽極ガス送給ライン２２０の途中位置に、第１の陽極ガス放出ライン２１５が接続する。陽極ガス送給ライン２２０と第１の陽極ガス放出ライン２１５との分岐位置に流量調整手段が設置される。流量調整手段として例えば、陽極ガス放出ライン２１５に流量調整弁（不図示）が設置される。
【００５３】
循環ポンプ２１３と第１の陽極ガス放出ライン２１５をと連結する第２の陽極ガス放出ライン２１６が設置される。
【００５４】
循環タンク２１２ａの上部に第３の陽極ガス放出ライン２１７が接続する。図５において、第３の陽極ガス放出ライン２１７は陽極ガス送給ライン２２０に接続する。ただし、第３の陽極ガス放出ライン２１７は、第１の陽極ガス放出ライン２１５に接続しても良い。
【００５５】
陰極側循環ラインは、陰極側気液分離手段２０９と、陰極側排出ライン２１０と、陰極側供給ライン２１１とを備えている。陰極側排出ライン２１０は、電解槽２０５の陰極室２０３と陰極側気液分離手段２０９とを連結する流路である。陰極側気液分離手段２０９は具体的に、気液分離装置、Ｔ字管などである。陰極側供給ライン２１１は、陰極側気液分離手段２０９と陰極室２０３とを連結する流路である。陰極側供給ライン２１１に循環タンク２１２ｂ及び循環ポンプ２１４が設置される。
陰極側気液分離手段２０９の上部に、水素ガス放出ライン２１８が接続する。
【００５６】
第３実施形態に係る電解装置２０１を用いて電解を行う方法を、食塩電解を例に挙げて以下で説明する。
陽極室２０２内において、電解液（ＮａＣｌ水溶液）が電解されることにより、陽極ガス（塩素ガス）及びＮａ+が生成する。Ｎａ+は隔膜（イオン交換膜）２０４を通過し陰極室２０３内に移動する。
【００５７】
陰極室２０３内において、電解液（ＮａＯＨ水溶液）が電解されることにより水素ガス及びＯＨ-が生成する。ＯＨ-と陽極室２０２から移動したＮａ+とが反応し、陰極室２０３内で苛性ソーダ（ＮａＯＨ）が生成する。
陰極室２０３内での電解により発生する水素ガスの一部は、隔膜（イオン交換膜）２０４を通過し陽極室２０２内に移動する。この水素ガス量は微量であるため、陽極側の電解液中に溶解している。
【００５８】
陰極室２０３内の電解液は、水素ガスを伴って陰極側排出ライン２１０を通じて陰極室２０３から排出されて、陰極側気液分離手段２０９に搬送される。
陰極側気液分離手段２０９は、陰極室２０３から搬送された電解液と水素ガスとを分離する。分離された水素ガスは、陰極ガス放出ライン２１８を通じて電解装置２０１の系外に排出される。
分離後の電解液は、陰極側供給ライン２１１を通じて陰極側気液分離手段２０９から排出され、循環タンク２１２ｂに搬送される。
【００５９】
循環タンク２１２ｂは陰極側気液分離手段２０９から搬送された電解液を貯留する。循環ポンプ２１４の起動により電解液が循環タンク２１２ｂから排出され、陰極側供給ライン２１１を通じて陰極室２０３に供給される。電解液の一部は、陰極側供給ライン２１１から分岐する配管を通じて電解装置２０１の系外に排出される。この排出された電解液から苛性ソーダが回収される。
【００６０】
陽極室２０２内の電解液は、塩素ガスを伴って陽極側排出ライン２０７を通じて陽極室２０２から排出されて、陽極側気液分離手段２０６に搬送される。
【００６１】
陽極側気液分離手段２０６は、陽極室２０２から搬送された電解液と塩素ガスとを分離する。分離された陽極ガスは陽極ガス送給ライン２２０を通じて陽極側気液分離手段２０６から排出される。
分離後の電解液は、陽極側供給ライン２０８を通じて陽極側気液分離手段２０６から排出され、循環タンク２１２ａに搬送される。
【００６２】
循環タンク２１２ａは陽極側気液分離手段２０６から搬送された電解液を貯留する。循環タンク２１２ａ内の電解液中には溶存塩素ガスが含まれる。循環タンク２１２ａ内の電解液のｐＨが調整されることにより、電解液から塩素ガスが放出される。放出された塩素ガスは、循環タンク２１２ａの上部から排出される。図５において、塩素ガスは第３の陽極ガス放出ライン２１７を通じて陽極ガス送給ライン２２０に搬送される。
【００６３】
循環ポンプ２１３の起動により電解液が循環タンク２１２ａから排出され、陽極側供給ライン２０８を通じて陽極室２０２に供給される。
【００６４】
以上の工程により連続電解が行われる。連続電解により、陽極側では電解液中に溶存水素ガスが残留し濃度が増大していくことになる。飽和溶解量を超えると、陽極側循環ライン内で溶存水素ガスが気体となり、水素ガスが放出される。例えば、陽極側気液分離手段２０６と循環ポンプ２１３との間で水素ガスが生成する場合、循環ポンプ２１３内で水素ガスが蓄積される。すなわち、循環ポンプ２１３内に気相領域が形成されることになる。
【００６５】
第３実施形態では、陽極ガス送給ライン２２０が陽極側気液分離手段２０６で分離された塩素ガスの全量または一部を循環ポンプ２１３に搬送する。第１の陽極ガス放出ライン２１５の流量調整弁を閉鎖すれば、塩素ガスの全量が循環ポンプ２１３に搬送される。流量調整弁を解放すれば、塩素ガスの一部が循環ポンプ２１３に搬送される。なお、第１の陽極ガス放出ライン２１５を通過する塩素ガスは電解装置２０１の系外に排出され、有価物として回収される。
【００６６】
陽極ガス送給ライン２２０を通じて循環ポンプ２１３に搬送された塩素ガスは、循環ポンプ２１３内の気相領域で水素ガスと混合する。その後、塩素ガスは、微量の水素ガスを伴いながら循環ポンプ２１３から排出され、第２の陽極ガス放出ライン２１６及び第１の陽極ガス放出ライン２１５を通じて電解装置２０１の系外に放出される。
【００６７】
電解液から放出される水素ガスは微量である。一方、陽極ガス送給ライン２２０から送給される塩素ガス量は放出される水素ガスよりも多量である。このため、気相領域内で水素ガスが希釈され、水素ガス濃度が爆発限界下限値未満よりも大幅に希釈された状態になる。これにより、水素爆発の危険性がより確実に防止される。塩素ガス及び水素ガスの混合系では、爆発限界下限値は５．５容量％である。従って、理論的には、本実施形態の場合は気相領域内での水素ガス濃度を５．５容量％未満とすればよい。しかし、水素爆発の危険性をより確実に防止する目的で、この場合も、他の実施形態と同様に、気相領域内での水素ガス濃度を４容量％未満であるとして対応することが望まれる。
【００６８】
なお、上述したに循環タンク２１２ａ内でも電解液とガスとが分離されることから、循環タンク２１２ａは気液分離手段（陽極側気液分離手段）の役割も果たしている。このことから、図５の代替構成として、第３の陽極ガス放出ライン２１７の途中位置と循環ポンプ２１３とを連結する陽極ガス送給ラインを設けても良い。あるいは、第３の陽極ガス放出ラインを設けずに、循環タンク２１２ａの上部と循環ポンプ２１３とを連結する陽極ガス送給ラインを設けても良い。これらの代替構成の場合、循環タンク２１２ａ内で電解液から分離された塩素ガスの全量または一部が、循環ポンプ２１３に形成される気相領域に送給される。
【００６９】
以上のように、第３実施形態の電解装置及び電解方法によっても、水素爆発の危険性が確実に防止され、より安全に連続して電解処理を実施することができる。
また、本実施形態の電解装置では、水素ガスが蓄積される気相領域に、装置内で発生した塩素ガスを送給して水素ガスを希釈する。空気や不活性ガスなどの不純物を系内に導入する必要がないので、回収する塩素ガスを高純度とすることができる。
【００７０】
本発明の技術思想は、アルカリ水電解及び塩化物水溶液の電解の他、純水電解、非精製水の電解、臭化物水溶液電解、塩酸水溶液電解、硫酸水溶液電解等、水素ガスを発生する他の電解にも適用することができる。陽極ガスとしては、各電解において陽極に発生するガスが使用され、酸素ガスや塩素ガスの他、臭素ガス等のハロゲンガスなどがある。
【実施例】
【００７１】
次に、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７２】
図１に示す装置を使用して、アルカリ水電解を実施した。
水分解反応は、
Ｈ2Ｏ→１／２Ｏ2＋Ｈ2
であり、アルカリ水電解プロセスでは、酸素は、水素の１／２の発生量である。
【００７３】
［電解条件］
水素ガス発生量１００Ｎｍ3／ｈとし、電解温度６０℃、ＣＤ＝５ｋＡ／ｍ2で電解した。
電解液として、２５質量％ＫＯＨを使用した。
定常的には、当該電密で稼働するものの、運転停止したり６ｋＡ／ｍ2への高電密運転を行ったり、稼働状況は適宜変化する。運転中のゲージガス圧およびガス発生量は、
Ｈ2ガス：＋５６０ｍｍＨ2Ｏ、１００Ｎｍ3／ｈ
Ｏ2ガス：＋２６０ｍｍＨ2Ｏ、５０Ｎｍ3／ｈ
とした。
陰極側循環液量は、１２．５ｍ3／ｈで行った。
【００７４】
循環タンク１２内での気相部圧力を大気圧の０ｍｍＨ2Ｏとし、溶存水素が全量気相部へ放出されるときに循環タンクの気相部における水素ガス濃度が最大となる。但し、当然この数値は水素発生量１００Ｎｍ3／ｈを想定した数値であり、当該数値は装置の規模、運転条件等により変動する。
但し、水素や他のガスの爆発限界値は変わることはない。従って、安全を考慮して、密閉空間に溜まる水素は適切にパージ又は置換することが好ましい。
【００７５】
［ＫＯＨ中の溶存水素ガス濃度］
日本化学会編「改訂３版化学便覧基礎編II」より、３０℃、濃度５ｍｏｌ／ｄｍ３のＫＯＨ溶液のＢｕｎｓｅｎ吸収係数αは、０．３７×１０-2である。これより飽和溶存水素濃度を算出すると、
飽和溶存水素濃度（３０℃）＝ガス密度［ｇ／ｃｍ３］×α＝０．３３ｍｇ／Ｌ
となる。
【００７６】
［６０℃、５６０ｍｍＨ2Ｏでの溶存水素濃度］
ＫＯＨ溶液の濃度５ｍｏｌ／ｄｍ3は約２３ｗｔ％であり、２５ｗｔ％の飽和溶存水素濃度（０．３３ｍｇ／Ｌ）よりわずかに小さい値となる。また、上記化学便覧IIによると、６０℃の水への飽和水素濃度は、３０℃を基準とした場合の９７．６％となる。水への飽和溶存水素濃度と同様に、温度に対してＫＯＨ溶液の飽和溶存水素濃度が減少すると、２５ｗｔ％、６０℃のＫＯＨ溶液中の飽和溶存水素濃度は０．３３ｍｇ／Ｌと考えてよい。
また、溶存水素濃度がヘンリーの法則に従うとして、運転圧力における飽和溶存水素濃度は、
０．３３ｍｇ／Ｌ×９７．６／１００×（１０３３２＋５６０）／１０３３２＝０．３４ｍｇ／Ｌ
となる。
【００７７】
［循環タンクで気散する最大水素ガス量］
水素飽和ＫＯＨを循環タンクに１２．５ｍ3／ｈで供給した場合、気相中に放出されうる最大の水素ガス流量は、
１２．５ｍ3／ｈ×０．３４ｍｇ／Ｌ＝４．２５ｇ／ｈ＝４７．６ＮＬ／ｈ＝０．０４７６Ｎｍ3／ｈ
となる。（水素分子２ｇ、標準状態を２２．４Ｌとした。）
【００７８】
［４％−水素の爆発限界下限値（ＬＥＬ）とする希釈ガス量］
水素の爆発限界下限値となる希釈ガス量は、
４７．６／０．０４−４７．６ＮＬ／ｈ＝１．１４Ｎｍ3／ｈ
となる。水素の爆発限界下限値以下に水素濃度を維持するには、希釈ガス量を１．１４Ｎｍ3／ｈより大きくする必要がある。陽極で発生する流量５０Ｎｍ3／ｈの酸素ガスで水素ガスを希釈すると、０．１％となる。
【００７９】
以下、水素発生量１００Ｎｍ3／ｈのプロセスを説明する。条件は以下のとおりである。
電解槽：反応面積１．１３ｍ2、４４エレメント、１エレメントの概略内容積４０〜５０Ｌ（陽極室＋陰極室）
電解槽全体の容積：１．８ｍ3〜２．２ｍ3
循環タンク容積：約１．１ｍ3。
【００８０】
プロセスにおける循環タンクでは、上部が気相ゾーンとなる。液相：気相＝５０：５０を想定すると、約５００Ｌが循環タンクの気相ゾーンとなり、上部気相ゾーンに安全確保のために置換用のガスを供給し、系内の水素ガスを追い出す考えとなる。
【００８１】
４７．６ＮＬ／ｈの水素ガスが循環タンク（気相５００Ｌ）内で発生する可能性があると想定すると、現実的ではないが、５００Ｌ×０．０４＝２０Ｌ以上の水素ガスが系内に満たされると爆発限界４％に達する。即ち、２０×６０／４７．６＝２５分で爆発限界に達することになる。
従って、電解反応で５０Ｎｍ3／ｈの酸素が発生するが、４７．９ＮＬ／ｈの水素ガスの濃度が４容積％未満になるように酸素を供給すれば、爆発しないことになる。
４容積％になる水素を含めた全体の体積は、
４７．６ＮＬ／ｈ／０．０４＝１１９０ＮＬ／ｈ
となり、この量には、水素の量も含まれるので、必要酸素量は、１１９０ＮＬ／ｈ−４７．６ＮＬ／ｈ＝１１４２．４ＮＬ／ｈ＝１．１４Ｎｍ3／ｈとなる。
即ち、１．１４Ｎｍ3／ｈより大きい酸素を供給することにより、プロセスの系で水素ガス濃度を４容積％未満に維持でき安全である。
【００８２】
今回の一例である水素１０００Ｎｍ3／ｈ、酸素５０Ｎｍ3／ｈを発生するプロセスで、陽極で発生する酸素の全量からその全量の２．２％相当量（１．１Ｎｍ3／ｈ）を循環タンクの気相部へ供給することで安全に運転できることが判明した。
電解プロセスの大小に関係なく、基本的に稀釈すべき溶存水素からの量は、自己で発生する酸素で充分希釈が賄える量であり、どの容量の電解装置に対しても、同様である。
【符号の説明】
【００８３】
１，１’，１０１，１０１’，２０１：電解装置
２，２０２：陽極室
３，２０３：陰極室
４，２０４：隔膜
５，２０５：電解槽
６，２０６：陽極側気液分離手段
７，２０７：陽極側排出ライン
８，２０８：陽極側供給ライン
９，２０９：陰極側気液分離手段
１０，２１０：陰極側排出ライン
１１，２１１：陰極側供給ライン
１２，２１２ａ，２１２ｂ：循環タンク
１３，１４，２１３，２１４：循環ポンプ
１５，１７：配管
１６，２３：水封装置
１８：水供給タンク
１９：ポンプ
２０，２２０：陽極ガス送給ライン
２１：気相領域
２２：ガス排出配管
１０２：陽極ガス放出ライン
２１５：第１の陽極ガス放出ライン
２１６：第２の陽極ガス放出ライン
２１７：第３の陽極ガス放出ライン
２１８：水素ガス放出ライン
【図１】
0006588768.tif 000002
【図２】
0006588768.tif 000003
【図３】
0006588768.tif 000004
【図４】
0006588768.tif 000005
【図５】
0006588768.tif 000006