(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極を収容する陽極室と、陰極を収容する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜とよりなる電解ユニットを複数重ねた電解槽により、水溶液からなる電解液を電気分解して前記陰極より水素ガスを発生させる電解方法において、
前記電解槽と、
前記電解槽の底面より下方に接続された供給マニホールドと、
前記電解槽の前記陽極室及び前記陰極室の底部に設けた供給ノズルと、
該供給ノズルと前記供給マニホールド間に接続された供給チューブと、
前記電解槽の上部に接続された排出マニホールドと、
前記電解槽の前記陽極室及び前記陰極室の上部に設けた排出ノズルと、
該排出ノズルと前記排出マニホールド間に接続された排出チューブと、
前記電解液を前記陽極室及び前記陰極室に循環するため、前記供給マニホールドの下方の位置に設置された循環タンクと、
前記電解液を循環、駆動する駆動機器と、
前記循環タンク内に電解液を供給する供給タンクと、
前記排出マニホールドに接続した陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置と、
前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置により前記電解液と生成ガスとに気液分離し、気液分離した前記生成ガスを排出するガス排出ラインと、
前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置により分離した前記電解液を前記循環タンクに循環する循環ラインとよりなる電解装置を用い、
前記水溶液からなる電解液を電気分解して、前記陰極より水素ガスを発生させ、前記陽極より陽極ガスを発生させるとともに、気液分離した前記電解液を前記循環ラインにより循環タンクに循環しながら電解を継続するとともに、電解運転停止時又は終了時に、前記供給マニホールドを前記電解液の回収用のマニホールドとして使用し、前記電解槽内の全ての電解液を、前記供給ノズルより前記供給チューブ、前記供給マニホールドを介して前記循環タンク内に自重により回収することを特徴とする電解方法。
【請求項２】
前記電解槽、前記循環タンク、前記供給タンク、前記駆動機器、前記供給マニホールド、前記排出マニホールド、前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置、前記ガス排出ライン及び前記循環ラインの全てが定められた空間内に収納されていることを特徴とする請求項１に記載の電解方法。
【請求項３】
前記定められた空間が、コンテナ、パッケージユニット又はスキッドマウント、トラック積載ユニット、輸送コンテナ、又は定置式省スペースシステムの少なくとも何れか１つであることを特徴とする請求項２に記載の電解方法。
【請求項４】
前記電解槽がアルカリ水溶液を電解液とするアルカリ水電解槽よりなり、前記循環タンクに前記アルカリ水溶液よりなる電解液を供給し、前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置により気液分離した前記生成ガスをガス排出ラインより排出し、気液分離した電解液を前記電解槽の前記陽極室及び前記陰極室の両電解室に循環しながら電解を継続するとともに、前記供給タンク内に純水を供給し、該供給タンク内より、電解で消失する水の量に相当する純水を前記循環タンクに供給し、前記電解液のアルカリ濃度を初期濃度に維持しながら電解を継続することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解方法。
【請求項５】
前記電解槽が食塩水よりなる電解液を電解する食塩電解槽よりなり、前記循環タンクが陽極液循環タンクと陰極液循環タンクとよりなり、前記供給マニホールドが陽極液供給マニホールドと陰極液供給マニホールドよりなり、前記排出マニホールドが陽極液排出マニホールドと陰極液排出マニホールドよりなり、前記供給タンクが、陽極液供給タンクと純水供給タンクとよりなり、前記食塩水よりなる電解液を前記陽極液供給タンクに供給し、前記陽極液供給タンクに供給した前記食塩水よりなる電解液を前記陽極液循環タンク内に供給し、前記食塩水よりなる電解液を、前記陽極液供給マニホールドより供給チューブを介して前記電解ユニットの前記各陽極室の下部に供給し、前記各陽極室の上部より前記各陽極室の内部の陽極液と生成ガスとを前記陽極液排出マニホールドより排出チューブを介してオーバーフローさせて排出し、前記陽極側気液分離装置により気液分離した前記生成ガスをガス排出ラインより排出し、前記陽極側気液分離装置により分離した前記陽極液を前記陽極液循環タンクに供給し、これを該陽極液循環タンク内において、前記した陽極液供給タンクに供給された前記食塩水よりなる電解液と混合した後、前記各陽極室に循環するとともに、純水を前記純水供給タンクに供給し、前記純水供給タンクに供給した純水を前記陰極液循環タンク内に供給し、前記純水を前記陰極液供給マニホールドより供給チューブを介して前記電解ユニットの前記各陰極室の下部に供給し、前記各陰極室の上部より前記各陰極室の内部の陰極液と生成ガスとを前記陰極液排出マニホールドより排出し、前記陰極側気液分離装置により分離した前記陰極液を前記陰極液循環タンクに供給し、これを該陰極液循環タンク内において、前記した陰極液供給タンクに供給された前記純水と混合した後、前記各陰極室に循環し、電解運転停止時又は終了時に前記電解槽内の全ての陽極液及び陰極液をそれぞれ自重により前記陽極液循環タンク及び陰極液循環タンク内に回収することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解方法。
【請求項６】
前記陽極側気液分離装置に陽極側水封装置を接続するとともに、前記陰極側気液分離装置に陰極側水封装置を接続し、前記陽極側水封装置の水面の高さと前記陰極側水封装置の水面の高さを調整することにより前記陽極室の室内の圧力と前記陰極室の室内の圧力を調節し、前記陽極室内に発生する生成ガスが前記陰極室内に発生する生成ガスに混入する比率及び／又は前記陰極室内に発生する生成ガスが前記陽極室内に発生する生成ガスに混入する比率を制御したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電解方法。
【請求項７】
前記隔膜が中性隔膜である請求項１に記載の電解方法。
【請求項８】
前記隔膜が陽イオン交換膜である請求項１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、水溶液からなる電解液及び又は純水を電気分解して陰極より水素ガスを発生させる電解システム及び電解システムを使用した電解方法に関するものである。
本発明は、特に、固体高分子型（以下「ＳＰＥ型」という。）水電解槽、アルカリ水電解槽又は食塩電解槽、その他ハロゲン化物電解槽を用い、アルカリ水溶液又はハロゲン化アルカリ水溶液からなる電解液又は純水を電気分解して陰極より水素ガスを発生させる電解システム及び電解システムを使用する電解方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素は、貯蔵、輸送に適し、環境負荷が小さい二次エネルギーであるため、水素をエネルギーキャリアに用いた水素エネルギーシステムに関心が集まっている。現在、水素は主に化石燃料の水蒸気改質などにより製造されているが、地球温暖化や化石燃料枯渇問題の観点から、再生可能エネルギーを動力源に用いた水素製造の為の電解システムの重要性が増してきている。
この電解システムとしては、ＳＰＥ型水電解槽を用いた電解システム、アルカリ水電解型電解槽を用いた電解システム及び食塩電解槽などのハロゲン化物電解槽を用いた電解システム等がある。
【０００３】
ＳＰＥ型水電解槽を用いた電解システムにおいては、通常、純水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜を用いたＳＰＥ型水電解槽が用いられている。該ＳＰＥ型水電解槽は、ＳＰＥの両面には、陽極触媒層及び陰極触媒層が設けられて膜電極接合体が構成されるとともに、前記膜電極接合体の両側には、給電体を配設して単位セルが構成されている（特許文献１）。
そこで、複数の単位セルが積層された電解スタックには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴って電解スタックから排出される。ＳＰＥ水電解には、次のような利点が期待できる。
【０００４】
１）純水を直接分解できる。つまり、アルカリ水溶液電解法では欠かすことのできない電解質の溶解、中和及び電解質の除去が不要で、試料水の滅容倍率が原理的に無制限である。
２）膜に直接接触する面はプロトン（Ｈ+）の移動であり、気泡によって電極全面がおおわれることがないので大電流で電解でき、電解時間を短縮できる。
３）水素ガスと酸素ガスがＳＰＥ膜の両側に分離されて発生する。一般にＳＰＥ型水電解では、プロトン（Ｈ+）を透過するカチオン交換膜が利用される。従い、陽極、陰極から発生するガスの分離はイオン交換膜による分離で、ガスの純度は、イオン交換膜に対するガス拡散係数に依存する。イオン交換膜は隔膜と異なり膜に機械的な細孔が貫通しているというわけではなく、更に膜面は電極触媒でコーティングが施される。従い、ガスの拡散は抑えられる為比較的高純度のガスが得られるので、ガスの処理が容易である。
然るに、ＳＰＥ水電解により水素を製造する場合、小規模水素の製造には適用できても大規模処理には適していない。利用される電解液が純水であるため、電解液に電流が流れないため構成要素の固体高分子膜を２０〜３０Ｋｇ／ｃｍ2相当の面圧で陽極、陰極で強くかしめる必要がある。従って、電解槽の各部材が高強度であることが求められ、１ｍ2以上の大型反応面積を確保することは経済性や操作性を考慮すると現実的ではなく、大容量の原料水の水素の製造法には、適していない。
一方、大規模な水素製造を水電解で行う場合、貴金属やダイヤモンド電極等を用いるＳＰＥ型水電解よりも、ニッケル等の鉄軽金属などの安価な材料を用いるアルカリ水電解が適しているといわれている。
【０００５】
アルカリ水電解槽を用いた電解システムにおいては、アルカリ水電解用酸素発生陽極として、高濃度アルカリ水溶液中で安定なニッケル系材料が使用され、安定な動力源を用いたアルカリ水電解ではＮｉ系電極は十年以上の寿命を持つことが報告されている。両極における電極反応は以下のとおりである。
陽極反応：２ＯＨ-  →  Ｈ2Ｏ  ＋  １／２  Ｏ2  ＋  ２ｅ-      （１）
陰極反応：２Ｈ2Ｏ  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2  ＋  ２ＯＨ-            （２）
高濃度アルカリ水溶液は、温度が高くなるほど電導度が高くなるが、腐食性も高くなるので、操業温度の上限は８０〜９０℃程度に抑制されている。高温、高濃度アルカリ水溶液に耐える電解槽構成材料や各種配管材料の開発、低抵抗隔膜、および表面積を拡大し触媒を付与した電極の開発により、電解性能は、電流密度０．３〜０．４Ａ／ｃｍ2において１．７〜１．９Ｖ（電解効率７８〜８７％）程度まで向上している。
しかし、再生可能エネルギーを動力源では、激しい起動停止や、負荷変動などの過酷な条件によるＮｉ陽極性能の劣化が問題とされている。この理由として、そもそもニッケルは、アルカリ水溶液中では２価の水酸化物として安定であり、また、ニッケル金属の酸化反応が酸素発生反応電位付近で進行することが熱力学的に知られており、以下のようなニッケル酸化物の生成反応が進行すると推定される。
【０００６】
Ｎｉ  ＋  ２ＯＨ-  →  Ｎｉ（ＯＨ）2＋２ｅ-                          （３）
電位の増加に従って、３価、４価へと酸化される。反応式として、
Ｎｉ（ＯＨ）2  ＋  ＯＨ-  →  ＮｉＯＯＨ  ＋  Ｈ2Ｏ  ＋  ｅ-        （４）
ＮｉＯＯＨ  ＋  ＯＨ-  →  ＮｉＯ2  ＋  Ｈ2Ｏ  ＋  ｅ-              （５）
【０００７】
ニッケル酸化物生成反応およびその還元反応は金属表面にて進行するため、その上に形成した電極触媒の脱離を促進する。電解を行うための電力が供給されなくなると、電解が停止し、ニッケル陽極は酸素発生電位（１．２３Ｖ  ｖｓ．  ＲＨＥ）より低い電極電位に維持される。対極である水素発生陰極（０．００Ｖ  ｖｓ．  ＲＨＥ）より高い電位に維持され、セル内にはこれらの化学種による起電力が発生している。陽極電位は電池反応が進行することで低い電位に維持され、すなわち、（３）、（４）、（５）式に従い酸化物の還元反応が促進される。このような電池反応は、大きいセルを組み立てた場合、共通する配管を介してリークするため、このような電流の防止技術は常に留意すべき事項である。その１つとして、停止時に微小な電流を流し続ける対策があるが、そのためには特別な電源制御が必要となり、また、酸素、水素を常に発生させることになるため、管理上手間である。逆電流状態を意図的に避けるために、停止直後に液を抜くことでこのような電池反応を防止することは可能であるが、再生エネルギーのような出力変動の大きい電力での稼動を想定した場合、適切な処置とはいえない。
ニッケル系電池ではこのような酸化物、水酸化物を活物質として利用しているが、アルカリ水電解では、このようなニッケル材料の活性を抑制することが好ましい。
【０００８】
従来、アルカリ水電解に使用される酸素発生用陽極の触媒層として、白金族金属、白金族金属酸化物、バルブ金属酸化物、鉄族酸化物、ランタニド族金属酸化物のうち、少なくとも１つ以上の成分などが利用されている。その他の陽極触媒としては、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅなどニッケルをベースにした合金系、表面積を拡大したニッケル、ラネーニッケル、セラミック材料としてスピネル系のＣｏ3Ｏ4、ＮｉＣｏ2Ｏ4、ペロブスカイト系のＬａＣｏＯ3、ＬａＮｉＯ3などの導電性酸化物、貴金属酸化物、ランタニド族金属と貴金属からなる酸化物も知られている。
アルカリ水電解に使用される酸素発生用陽極としては、ニッケル自体は耐性がある為、実機には活用されているが、酸素発生過電圧は３５０ｍＶ程度で比較的高い。その為、酸素過電圧が小さい活性陽極コーティングが求められる。例えば、硫黄を含んだニッケルめっき電極は水電解用陽極として利用されている。
【０００９】
また、高濃度アルカリ水溶液を使用するアルカリ水電解に使用する酸素発生用陽極として、予めニッケル基体表面に、リチウム含有ニッケル酸化物層を形成した陽極が知られている（特許文献２）。
【００１０】
食塩電解槽などのハロゲン化物電解槽を用いた電解システムにおいては、アルカリ水溶液での水素発生陰極が逆電流条件下において、酸化反応によりニッケル基体が劣化することを防止するために、貴金属、貴金属酸化物よりなる陰極触媒とニッケル基体の間にニッケル酸化物を主成分とする中間層を形成することが開示されているが（特許文献３）、特許文献３においては、ニッケル酸化物を主成分とする中間層を形成するため、基体を３５０℃〜５５０℃という比較的低温で焼成しており、このような中間層は、触媒層の安定化のための中間層であり、電極の触媒層として使用することはできないとともに、まして、高濃度アルカリ水溶液を使用するアルカリ水電解に使用する酸素発生用陽極、特に出力変動の激しい電力下での効果については、電極の触媒層としてどのような作用効果をもたらすか到底想像することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−３８２８９号公報
【特許文献２】英国特許第８６４４５７号
【特許文献３】特開２０００−２３９８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の電解システムにおいては、何れの型の電解槽を使用する場合においても、次のような問題点を有している。
（１）電解により大量の水を処理し、大量の水素を製造する場合、連続運転を行う必要があるが、連続運転を停止した時、次の２つの危険がある。
イ．爆発を起こす恐れ
ロ．電極及び電解槽の腐食を起こす恐れ
爆発は、防食整流器で通電して、電極の腐食を防止する処置をしているときに、水素の爆発限界に至り爆発を起こすものである。
これは、通常の電解であれば大過剰のガスが電極で発生しているために、膜を介してクロスオーバーしてくるガス拡散による水素の透過量が相対的に少なく無視できるが、微弱電流での運転時こそ、クロスオーバーするガス拡散の水素ガス量が無視できず適切な系内ガスパージや置換を施さないと水素ガスの爆発領域に至るためである。
然るに、運転停止時に電解槽内の液を排出することが必要な場合が多々生じるが、従来方法においては、ポンプで電解槽内（セル内）の電解液を排出しなければならず、プロセス設計が困難であって、コンパクトなシステムを構築できないのが現状であった。
電解槽内の電解液が、自然に排出できず、電解槽の内部で電解液が部分的に保留される状況が作られと、その液溜まりの箇所に電極が浸る形となり、そこでは、電極に各種貴金属コーティングを施したものは、ガルバニック電池反応による局部電池反応が起こりＮｉ基材の腐食が起こることになる。実際の腐食反応は、反応速度に依存しその腐食状況は色々なケースがある。
（２）水素を大量に製造しようとした場合、電解システムが大がかりとなり、設備が大きくなり、限られたスペース、例えば、コンテナ、パッケージユニット又はスキッドマウント内に収納することができず、平常時においても電解システムの設置が困難であった。
（３）水素は、貯蔵、輸送に適し、環境負荷が小さい二次エネルギーであるが、電解システムをコンパクトに設計し、運転する現地のスペースに合わせ容易に設置できるコンセプトを導入することが水素社会実現に向けての課題の一つでもある。水素製造装置として大規模プラント、中小規模プラントとそれぞれ別個のプラント設計が要求されるが、特に小規模のプラントでは、装置システムの輸送性も重要になる。緊急時のエネルギー供給システムとして容易にシステム一式を搬送することも考慮する必要がある。
【００１３】
本発明は、上記のような問題点を解消し、電解システムに使用する電解槽の運転停止時において、電解槽の底部に液溜まりができることを可能な限り無くし、自然排出により、電解槽内の電解液、電解生成物、水等をすべて排出できるプロセス設計をおこなうことができ、電極、電解槽の腐食を防止し、且つコンパクトな構造とし、平常時及び災害時の何れの場合においても、狭い空間に設置することができるとともに、容易に運搬、移動することができる運搬、移動可能な又は定置式でも省スペースの電解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】
【００１４】
本発明における第１の解決手段は、上記の目的を達成するため、陽極を収容する陽極室と、陰極を収容する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜とよりなる電解ユニットを複数重ねた電解槽により、水溶液からなる電解液及び又は純水を電気分解して前記陰極より水素ガスを発生させる電解システムにおいて、
前記電解システムの上段に収納された前記電解槽と、
前記電解液及び又は純水を前記陽極室及び前記陰極室に循環するため、前記電解システムの下段に収納された循環タンクと、
前記電解液及び又は水を循環、駆動する駆動機器と、
前記循環タンク内に電解液及び又は水を供給する供給タンクと、
前記電解槽の下部又は前記電解槽の下方に接続された供給マニホールドと、
前記電解槽の前記陽極室及び前記陰極室の底部に設けた供給ノズルと、
該供給ノズルと前記供給マニホールド間に接続された供給チューブと、
前記電解槽の上部に接続された排出マニホールドと、
前記電解槽の前記陽極室及び前記陰極室の上部に設けた排出ノズルと、
該排出ノズルと前記排出マニホールド間に接続された排出チューブと、
前記排出マニホールドに接続した陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置と、
前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置により前記電解液及び又は水と生成ガスとに気液分離し、気液分離した前記生成ガスを排出するガス排出ラインと、
前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置により分離した前記電解液及び又は水を前記循環タンクに循環する循環ラインとよりなり、
前記陰極より水素ガスを発生させるとともに、気液分離した前記電解液及び又は水を前記循環ラインにより循環タンクに循環しながら電解を継続するとともに、電解運転停止時又は終了時に前記電解槽内の全ての電解液及び又は水を、前記供給ノズルより前記供給チューブ、前記供給マニホールドを介して前記循環タンク内に自重により回収するすることを特徴とする電解システムを提供することにある。
【００１５】
本発明における第２の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記電解槽、前記循環タンク、前記供給タンク、前記駆動機器、前記供給マニホールド、前記排出マニホールド、前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置、前記ガス排出ライン及び前記循環ラインの全てが定められた空間内に収納されたことを特徴とする電解システムを提供することにある。
【００１６】
本発明における第３の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記定められた空間が、コンテナ、パッケージユニット又はスキッドマウント、トラック積載ユニット、輸送コンテナ、又は定置式省スペースシステムの少なくとも何れか１つであることを特徴とする電解システムを提供することにある。
【００１７】
本発明における第４の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記電解槽がＳＰＥ型水電解槽よりなり、前記供給タンク内に純水を供給し、前記純水を前記電解槽の前記陽極室及び前記陰極室の両電解室に供給し、前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置により気液分離した前記生成ガスをガス排出ラインより排出し、気液分離した前記電解液又は水を前記循環ラインにより循環タンクに循環しながら電解を継続することを特徴とする電解システムを提供することにある。
【００１８】
本発明における第５の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記電解槽がアルカリ水溶液を電解液とするアルカリ水電解槽よりなり、前記循環タンクに前記アルカリ水溶液よりなる電解液を供給し、前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置により気液分離した前記生成ガスをガス排出ラインより排出し、気液分離した電解液を前記電解槽の前記陽極室及び前記陰極室の両電解室に循環しながら電解を継続するとともに、前記供給タンク内に純水を供給し、該供給タンク内より、電解で消失する水の量に相当する純水を前記循環タンクに供給し、前記電解液のアルカリ濃度を初期濃度に維持しながら電解を継続することを特徴とする電解システムを提供することにある。
【００１９】
本発明における第６の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記電解槽が食塩水を電解液とする食塩電解槽よりなり、前記循環タンクが陽極液循環タンクと陰極液循環タンクとよりなり、前記供給マニホールドが陽極液供給マニホールドと陰極液供給マニホールドよりなり、前記排出マニホールドが陽極液排出マニホールドと陰極液排出マニホールドよりなり、食塩水よりなる電解液を前記供給タンクに供給し、前記供給タンクに供給した食塩水よりなる電解液を前記陽極液循環タンク内に供給され、前記食塩水よりなる陽極液を、前記陽極液供給マニホールドより供給チューブを介して前記電解ユニットの前記各陽極室の下部に供給され、前記陰極液循環タンク内に貯蔵した水及び陰極生成物を、前記陰極液供給マニホールドより供給チューブを介して前記電解ユニットの前記各陰極室の下部に供給され、前記各陽極室の上部より前記各陽極室の内部の陽極液と生成ガスとを前記陽極液排出マニホールドより排出チューブを介してオーバーフローさせて排出し、前記各陰極室の上部より前記各陰極室の内部の陰極液と生成ガスとを前記陰極液排出マニホールドより排出し、前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置により気液分離した前記生成ガスをガス排出ラインより排出し、前記陽極側気液分離装置により分離した前記陽極液を陽極液循環ラインにより前記陽極液循環タンクに循環し、前記陰極側気液分離装置により分離した前記陰極液を陰極液循環ラインにより前記陰極液循環タンクに循環し、電解運転停止時又は終了時に前記電解槽内の全ての陽極液及び陰極液をそれぞれ自重により前記陽極液循環タンク及び陰極液循環タンク内に回収することを特徴とする電解システムを提供することにある。
【００２０】
本発明における第７の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記陽極側気液分離装置に陽極側水封装置を接続するとともに、前記陰極側気液分離装置に陰極側水封装置を接続し、前記陽極側水封装置の水面の高さと前記陰極側水封装置の水面の高さを調整することにより前記陽極室の室内の圧力と前記陰極室の室内の圧力を調節し、前記陽極室内に発生する生成ガスが前記陰極室内に発生する生成ガスに混入する比率及び／又は前記陰極室内に発生する生成ガスが前記陽極室内に発生する生成ガスに混入する比率を制御した電解システムを提供することにある。
【００２１】
本発明における第８の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記隔膜が中性隔膜である電解システムを提供することにある。
【００２２】
本発明における第９の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記隔膜が陽イオン交換膜である電解システムを提供することにある。
【００２３】
本発明における第１０の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記電解システムを用い、前記供給タンクより前記電解液及び又は純水を前記循環タンク内に供給し、前記循環タンク内の前記電解液及び又は純水を前記供給マニホールドより前記供給チューブを介して前記電解槽の底部に設けた前記供給ノズルより前記電解槽の内部に供給し、前記電解槽内の電解液及び又は純水を前記電解槽の上部に設けた前記排出ノズルよりオーバーフローさせて前記排出チューブを介して前記排出マニホールドに排出し、前記排出マニホールド内の前記電解液と生成ガスとを前記陽極側気液分離装置及び陰極側気液分離装置により前記電解液及び又は水と生成ガスとに気液分離し、気液分離した前記生成ガスをガス排出ラインより排出し、前記陰極より水素ガスを発生させるとともに、気液分離した前記電解液及び又は純水を前記循環ラインにより循環タンクに循環しながら電解を継続し、電解運転停止時又は終了時に前記電解槽内の全ての前記電解液を、前記供給ノズルより前記供給チューブ、前記マニホールドを介して前記循環タンク内に自重により回収することを特徴とする電解方法を提供することにある。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、電解システムに使用する電解槽の運転停止時において、電解槽の底部に液溜まりができることを可能な限り無くし、自然排出により、電解槽内の電解液、電解生成物、水等をすべて排出できるプロセス設計をおこなうことができ、電極、電解槽の腐食を防止し、且つコンパクトな構造とし、平常時及び災害時の何れの場合においても、狭い空間に設置することができるとともに、容易に運搬、移動することができる運搬、移動可能な電解システムを得ることができるとともに、水素を狭い空間内で効率で気に製造することができる。
更に、本発明によれば、陽極ガスおよび陰極ガスを気液分離装置にて分離したのち、各々のガスを水封したのち排気するとき、陰極側のガス圧を陽極側のガス圧より高く又は低くすることにより、陽極室内で発生する酸素ガスの陰極室への移行比率を制御出来るプロセスである。従って、本発明によれば、酸素ガスと水素ガスの混合比率を制御し、電解プロセスを爆発限界以内にコントロールし、爆発の危険を低減するとともに、高純度の水素ガス及び高純度の酸素ガスを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の電解システムに使用する電解槽と循環タンクの配置図の１例を示す正面図。
【図２】従来の電解システムに使用する電解槽と循環タンクの配置図の他の１例を示す正面図。
【図３】本発明による電解システムに使用する電解槽と循環タンクの配置図の１例を示す正面図。
【図４】本発明による電解システムに使用する電解槽としてアルカリ水電解槽を使用した場合の１例を示すフロー図。
【図５】本発明による電解システムに使用する電解槽として食塩電解槽を使用した場合の１例を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の態様を図面とともに説明する。
水を電気分解して水素と酸素を発生させる電解システムは、図１〜３に示すように、電解液又は水を循環タンク１よりポンプ２により供給マニホールド３、供給チューブ４を介して電解槽５に連続的に供給し、電解液を排出チューブ６、排出マニホールド７より排出し、循環タンク１に循環しながら電解を継続している。（電解液の供給・排出プロセスは陽極側・陰極側全く同じである。従い、図面では片側のプロセスを代表して提示し説明している）
電解を終了又は電解槽５の運転を停止するときには、短期間に再スタートを予定する場合や電解液を循環させて待機する場合を除いて、電解槽５内の電解液をすべて循環タンク１に回収している。
本発明者は、電解を終了又は電解槽５の運転を停止するときには、電解槽５内の電解液をすべて循環タンク１に回収するとき、電解槽内の電解液の全てを、容易に、自然流下のみの手段により、循環タンク１に排出できる方法を検討した結果、次の２点が最も重要な要件であること見出したものである。
（１）電解システムの上段に電解槽５を設け、電解システムの下段に電解液を電解槽５に供給、循環する循環タンク１を設け、該循環タンク１を電解液の回収タンクとして併用すること。
（２）電解液を循環タンク１から電解槽５に供給する供給マニホールド３を電解槽５の底面より下方に位置するよう設置し、該供給マニホールド３を電解液回収用のマニホールドとして併用すること。
【００２７】
図１は、従来の電解システムに使用する電解槽５と循環タンク１の配置図の１例を示す正面図であって、循環タンク１及び電解槽５を同じ高さに設置され、供給マニホールド３が電解槽５の中段に設けられ、排出マニホールド７が電解槽５の上部に設けられたものであり、電解槽５の運転を停止し、電解槽５内の電解液を回収する場合、電解槽５の中段に設けられた供給マニホールド３より電解槽５内の電解液を、ポンプを用いて循環タンク１に回収している。
然るに、図１に示す方法では、電解槽５が循環タンク１と同じ高さに設けられているだけでなく、電解液を回収するために使用する供給マニホールド３が電解槽５の中段に設置されているので、電解槽５内の電解液を回収する場合、自然流下によっては、回収できず、ポンプを使用する必要があるとともに、ポンプを使用しても電解槽の底部に溜まった電解液をすべて回収することは、不可能であった。
しかも、循環タンク１と電解槽５とが同一平面に横並びに設けられているため、設置面積が広くなり、コンテナ等の限られた空間に収納することが困難であり、移動も難しかった。
【００２８】
図２は、従来の電解システムに使用する電解槽５と循環タンク１の配置図の他の１例を示す正面図であって、電解液の回収に併用する供給マニホールド３を電解槽５の底面より下方に設置されたものだが、電解槽５と循環タンク１が同じ高さに設けられているので、電解液を自然流下によって回収することはできず、電解液排出の為にポンプを作動させる必要があるが、電解槽５内の電解液の一部が電解槽５の底部に残留することを防ぐことができないとともに、図１の配置と同様の問題点を有していた。
【００２９】
図３は、本発明による電解システムの１例を示したものであり、電解槽５と循環タンク１及び供給マニホールド３と排出マニホールド７の配置図の１例を示したものである。図３に示す電解システムによれば、
（１）電解槽５は、電解システムの上段に設けられ、電解システムの下段に電解液を電解槽５に供給、循環する循環タンク１が設けられ、該循環タンク１が電解液の回収用のタンクとして併用されるとともに、
（２）電解液を循環タンク１から電解槽５に供給する供給マニホールド３が電解槽５の底面より下方に位置するよう設置され、該供給マニホールド３を電解液の回収用のマニホールドとして併用されるプロセス設計となっている。
従って、図３に示す本発明による電解システムによれば、電解を終了又は電解槽５の運転を停止したとき、電解槽５内の全ての電解液は、ポンプを使用することなく、自重により、容易に循環タンク１に回収することができる。
【００３０】
電解システムに使用する電解槽としては、アルカリ水電解槽、食塩電解槽、水電解槽等があり、アルカリ水電解槽においては、電解液として高濃度アルカリ水溶液が使用され、食塩電解槽においては、高濃度食塩水が使用され、水電解槽においては、純水が使用される。
【００３１】
また、電解槽内には、陽極及び陰極が収納されており、これらの陽極及び陰極は、その性能を向上させるため、活性コーティングが施されている。この活性コーティングは、陽極及び又は陰極の基材の金属（チタン、ニッケル、鉄等）とは、異なり一般に、白金、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、銀等の貴金属が採用されている。
電解槽から電解液が完全に排出されないようなプロセスになっていると、少量電解液が電解槽の下部に溜まり、その個所で電気化学的局部電池反応（ガルバニック電池反応）を起こすことになる。例えば、ニッケルと白金とでは、３００ｍＶ〜４００ｍＶの電気化学的電位が異なり、その差が腐食の駆動力となる。
一方、腐食速度は、その電解液の状況（温度、ｐＨ、濃度など）で大きく影響を受ける。いずれにしても、電解液に浸るような箇所が発生すれば腐食現象が起こることになる。
従って、電解槽５内の電解液をすべて循環タンク１に排出するとき、電解槽５内の底部に、電解液が残留する場合、前記純水、高濃度アルカリ水溶液、高濃度食塩水又は酸化性物質の溶解した水よりなる電解液が電解槽内の陽極、陰極その他の部品、電解槽を構成する電解室の構成材料が腐食する恐れがある。
【００３２】
然るに、本発明による電解システムによれば、電解を終了又は電解槽５の運転を停止するときには、電解槽５内の電解液をすべて循環タンク１に回収され、電解槽５の底部には、電解液が残留しないので、電解槽５内に収納される陽極、陰極の基材、電解槽５の材質等の腐食を防止することができる。
更に、本発明によれば、電解システムをコンパクトな構造とし、平常時及び災害時の何れの場合においても、狭い空間に設置することができるとともに、容易に運搬、移動することができる運搬、移動可能な電解システムを得ることができる。
【００３３】
本発明の電解システムに使用する電解槽としては、アルカリ水電解槽、ＳＰＥ型水電解槽、食塩電解槽等を用いることができる。先ず、本発明の電解システムに使用する電解槽としてアルカリ水電解槽を用いた場合について説明する。
【００３４】
図４は、本発明の電解システムに使用する電解槽としてアルカリ水電解槽１０を用いる場合の電解プロセスの１実施態様を示すフロー図を示したものである。
図４において、１０は、アルカリ水電解槽であり、このアルカリ水電解槽１０は、陽極を収容する陽極室１１と、陰極を収容する陰極室１２と、前記陽極室１１と前記陰極室１２とを区画する隔膜１３より構成されている。１は、循環タンク、１５は、供給ポンプ、１６は、純水１７を循環タンク１に供給するための供給タンクであり、供給タンク１６内の純水は、供給ポンプ１５により、循環タンク１に供給される。循環タンク１には、高濃度アルカリ水溶液よりなる電解液２２が供給され、この電解液２２は、循環ライン２４により循環タンク１より電解槽１０に、供給されるとともに、純水１７も循環タンク１に供給され、所望のアルカリ濃度を維持しつつ連続電解が行われる。
循環タンク１内の電解液２２及び純水１７は、循環ポンプ１８ａ、熱交換器１９ａを介して循環ライン２４により、アルカリ水電解槽１０の陽極室１１に供給されるとともに、循環ポンプ１８ｂ、熱交換器１８ｂを介して循環ライン２４により、アルカリ水電解槽１０の陰極室１２に供給される。
電解液２２は、陽極室１１及び陰極室１２内において電解され、電解液は、電解濃縮され、電解濃縮液が生成されるとともに、陽極室１１においては、酸素ガスが生成され、気液分離装置２０ａにより、生成した酸素ガスと電解液とに気液分離され、分離された電解液は、循環ライン２４により、循環タンク１に循環される。陽極側気液分離装置２０ａにて気液分離された酸素ガスは、陽極側水封装置２１ａを経て排気される。
同時に、陰極室１２内においては、水素ガスが生成され、陰極側気液分離装置２０ｂにより、生成した水素ガスと電解液とに気液分離され、分離された電解液は、循環ライン２４により、循環タンク１に循環される。陰極側気液分離装置２０ｂにて気液分離された水素ガスは、ガス排出ライン２３により、陰極側水封装置２１ｂを経て排気される。尚、前記両電解室内のアルカリ濃度をコントロールすると共に、電解条件を一定に維持しながら電解を継続するため供給タンク１６より電解で消失する水に相当する量の純水１７を循環タンク１に供給される。
電解で消失する水の相当分の純水を連続的に供給することで、初期調整したアルカリ濃度の電解液を維持することができる。
【００３５】
（アルカリ水電解の条件）
本発明におけるアルカリ水電解においては、電解液として、所定のアルカリ濃度の高濃度アルカリ水電解液が使用されるが、電解液としては、苛性カリ又は苛性ソーダ等の苛性アルカリが好ましく、その濃度としては、１．５〜４０質量％が好ましい。特に、電力消費量を抑えることを鑑みれば電気電導度が高い領域である１５〜４０質量％が好ましい。しかし、電解に係るコスト、腐食性、粘性、操作性を考慮すると、２０〜３０質量％とすることが更に好ましい。
【００３６】
（水封システム）
更に、本発明においては、前記各気液分離装置２０ａ、２０ｂによって、発生ガスを分離した前記電解液を、前記陽極室１１と前記陰極室１２との両電解室に循環供給することにより、前記両電解室内のアルカリ濃度をコントロールすると共に、電解で消失する水の相当量を純水１７として、供給タンク１６より、循環タンク１を経由して、前記陽極室１１と前記陰極室１２との両電解室に供給し、電解条件を一定に維持しながら電解を継続し、前記原料水中の重水を濃縮するものである。
濃度一定にコントロールする為には、循環タンク１に純水１７を連続的に水消耗した相当量を供給することである。
一方、アルカリ濃度を放置し、漸次高濃度になるがままとし、アルカリ水電解濃度の限界４０質量％まで維持し、電解液の減容化を確認することができる。また、斯かる状態に対し、原料水を供給開始し最終濃度４０質量％をその後維持することも可能である。
いずれにしても、本発明で提案する循環システムでは、いずれの手法も運転可能であり、融通性のあるものとなっている。
更に、本発明においては、前記陰極側水封装置２１ｂの水面の高さと前記陽極側水封装置２１ａの水面の高さを調整することにより、前記陰極室１２の室内の圧力と前記陽極室１１の室内の圧力を調節し、前記陽極室１１内に発生する酸素ガスが前記陰極室１２内に発生する水素ガスに混入する比率を制御している。
陽極ガス（酸素ガス）および陰極ガス（水素ガス）を陽極側気液分離装置２０ａ、陰極側気液分離装置２０ｂにて分離したのち、各々のガスを陽極側水封装置２１ａ、陰極側水封装置２１ｂにて水封したのち排気するとき、陰極側水封装置２１ｂの水面の高さを陽極側水封装置２１ａの水面の高さより高くすると、陰極側のガス圧が陽極側のガス圧より高くなり、陽極室１１内で発生する酸素ガスの陰極室１２への移行を低減することができ、水素ガスの純度を向上することができる。一方、逆に、酸素ガスの純度を向上したい場合には、陽極側水封装置２１ａの水面の高さを陰極側水封装置２１ｂの水面の高さより高くすると、陽極側のガス圧が陰極側のガス圧より高くなり、陰極室１２で発生する水素ガスの陽極室１１への移行を低減することができ、酸素ガスの純度を向上することができる。
【００３７】
（アルカリ水電解槽）
アルカリ水電解槽１０としては、隔膜１３の両側に陽極を収納した陽極室１１及び陰極を収納した陰極室１２を設けた２室型電解ユニットを複数段スタック上に並べた電解槽が用いられるが、陽極及び陰極は、隔膜１３に密着したゼロギャップ型電解槽、隔膜１３から若干だけ離して設けたファイナイト型電解槽、又は、隔膜１３とは離間して設けた離間型電解槽を用いることができる。運転電密にも拠るが運転中の膜の位置変動や振幅防止のため並びに膜隔膜１３を損傷させないために、陽極室、陰極室の運転差圧を付けることが好ましく、５０〜５００ｍｍＨ2Ｏの差圧を設けることができ、この差圧により、更に前記陽極室１１内に発生する生成ガス（酸素ガス）が前記陰極室１２内に発生する生成ガス（水素ガス）に混入する比率を制御することができる。
また、隔膜１３として中性隔膜を使用する場合、使用する隔膜の孔径を小さくするか、表面を特殊加工した隔膜を使用することにより、陽極室内で発生する生成ガス（酸素ガス）の陰極室への移行を、又は陰極室内で発生する生成ガス（水素ガス）の陽極室への移行を低減することも可能となる。
【００３８】
（隔膜）
前記隔膜１３としては、中性隔膜並びにフッ素型若しくは炭化水素型の食塩電解用陽イオン交換膜及び燃料電池用陽イオン交換膜を使用することができる。陽イオン交換膜を使用した場合、水素中酸素濃度が、０．０７％のとき、酸素中水素濃度は、０．１３％程度となる。
一方、前記隔膜１３としては、特殊加工した中性隔膜を使用した場合、水素中酸素濃度が０．０６〜０．０９％のとき、酸素中水素濃度は、０．０５〜０．０８％となる。
【００３９】
（陽極及び陰極）
陽極及び陰極としては、アルカリ水電解に耐えうる材料で且つ陽極過電圧、陰極過電圧が小さいものを選択する必要がある。従来では、陽極は鉄又は鉄にＮｉメッキを施したものが用いられている。また、陰極では、Ｎｉ基材そのままかＮｉ基材に活性陰極をコーティングしたものが用いられている。ここでも陽極、陰極共にニッケルエクスパンドメッシュ、多孔質ニッケルエクスパンドメッシュ、鉄よりなる基体の表面に貴金属又はその酸化物被覆を有する金属電極等を使用できる。
次に、本発明の電解システムに使用する電解槽としてＳＰＥ型水電解槽を用いる場合について説明する。
【００４０】
ＳＰＥ型水電解槽においては、図４に示したアルカリ水電解槽を用いた電解システムにおけるアルカリ水電解槽１０の代わりに、ＳＰＥ型水電解槽が用いられる。ＳＰＥ型水電解槽は、ＳＰＥとして、陽イオン交換膜が用いられ、その両面には、陽極触媒層及び陰極触媒層が設けられて膜電極接合体が構成されるとともに、前記膜電極接合体の両側には、給電体を配設して単位セルが構成される。
本発明におけるＳＰＥ型水電解槽を用いた電解においては、循環タンク１には、純水が供給タンク１６より供給され、循環タンク１内の純水が陽極触媒層側の陽極室１１及び陰極触媒層側の陰極室１２に、循環タンク１より供給され、アルカリ水電解槽を用いた電解システムと同様にして、電解が継続される。ＳＰＥ型水電解槽を用いた電解においては、アルカリ水溶液の代わりに、純水が使用され、一切の電解質は用いられない。
電解液２２は、陽極室１１及び陰極室１２内において電解され、陽極室１１においては、酸素ガスが生成され、気液分離装置２０ａにより、生成した酸素ガスと電解液とに気液分離され、分離された電解液は、循環ライン２４により、循環タンク１に循環される。陽極側気液分離装置２０ａにて気液分離された酸素ガスは、陽極側水封装置２１ａを経て排気される。
同時に、陰極室１２内においては、水素ガスが生成され、陰極側気液分離装置２０ｂにより、生成した水素ガスと電解液とに気液分離され、分離された電解液は、循環ライン２４により、循環タンク１に循環される。陰極側気液分離装置２０ｂにて気液分離された水素ガスは、ガス排出ライン２３により、陰極側水封装置２１ｂを経て排気される。
尚、陽極室、陰極室の運転差圧を付けることが好ましく、５０〜５００ｍｍＨ2Ｏの差圧を設けることができ、この差圧により、更に前記陽極室１１内に発生する生成ガス（酸素ガス）が前記陰極室１２内に発生する生成ガス（水素ガス）に混入する比率を制御することができる。
【００４１】
次に、本発明の電解システムに使用する電解槽として食塩電解槽その他ハロゲン化物電解槽を用いる場合について説明する。
【００４２】
本発明における食塩電解槽を用いる場合においては、図５に示したイオン交換膜型食塩電解槽が用いられる。このイオン交換膜型食塩電解槽２５を用いた電解システムにおいては、前記循環タンク１が陽極液循環タンク１ａと陰極液循環タンク１ｂとよりなり、前記供給タンク１６が陽極液供給タンク１６ａと純水供給タンク１６ｂとよりなり、前記供給マニホールド３が陽極液供給マニホールドと陰極液供給マニホールドよりなり、前記排出マニホールド７が陽極液排出マニホールドと陰極液排出マニホールドよりなっている。
食塩水よりなる電解液２６は、前記陽極液供給タンク１６ａに供給し、前記陽極液供給タンク１６ａに供給した食塩水よりなる電解液２６を前記陽極液循環タンク１ａ内に供給し、前記食塩水よりなる陽極液２６を、前記陽極液供給マニホールドより供給チューブ４を介して前記電解ユニットの前記各陽極室１１の下部に供給する。
一方、純水１７を純水供給タンク１６ｂに供給し、前記純水供給タンク１６ｂに供給した純水１７及び陰極液を前記陽陰極液循環タンク１ｂ内に供給し、前記陰極液供給マニホールドより供給チューブ４を介し前記電解ユニットの前記各陰極室１２の下部に供給される。
前記各陽極室１１の上部より前記各陽極室１１の内部の陽極液と生成ガスである塩素ガスとを前記陽極液排出マニホールドより排出チューブ６を介してオーバーフローさせて排出し、前記各陰極室１２の上部より前記各陰極室１２の内部の陰極液と生成ガスである水素ガスとを前記陰極液排出マニホールドより排出し、前記陽極側気液分離装置２０ａにより分離した前記陽極液を循環ライン２４により前記陽極液循環タンク１ａに循環し、前記陰極側気液分離装置２０ｂにより分離した前記陰極液を循環ライン２４により前記陰極液循環タンク１ｂに循環し、電解運転停止時又は終了時に前記電解槽内の全ての陽極液及び陰極液をそれぞれ自重により前記陽極液循環タンク１ａ及び陰極液循環タンク１ｂ内に回収している。
尚、陽極室、陰極室の運転差圧を付けることが好ましく、５０〜５００ｍｍＨ2Ｏの差圧を設けることができ、この差圧により、更に前記陽極室１１内に発生する生成ガス（塩素ガス）が前記陰極室１２内に発生する生成ガス（水素ガス）に混入する比率を制御することができる。
尚、食塩電解槽の食塩の代わりに、フッ素、臭素、要素等のハロゲン化物を用いたハロゲン化物電解槽を用いても同様な電解システムを行うことができる。
【００４３】
本発明による電解システムにおいては、前記電解槽２５、前記循環タンク１（ａ，ｂ）、前記供給タンク１６（ａ，ｂ）、前記ポンプ１５等の駆動機器、前記供給マニホールド４、前記排出マニホールド７、前記陽極側気液分離装置２０ａ及び陰極側気液分離装置２０ｂ、前記ガス排出ライン２３及び前記循環ライン２４の全てが定められた空間内に収納されている。
【００４４】
前記定められた空間としては、コンテナ、パッケージユニット又はスキッドマウント、トラック積載ユニット、輸送コンテナ、又は定置式省スペースシステム等が使用される。
【実施例】
【００４５】
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。
【００４６】
＜実施例１＞
図３に示すように、縦１．５ｍ×横１．０ｍ×高さ１．７ｍの大きさの電解槽５（１０エレメントからなる電解槽）を縦２ｍ×横６ｍ×高さ２ｍの大きさのコンテナ（図示せず）内に設け上段のコンテナとし、下段のコンテナに電解液を電解槽５に供給、循環するため、縦１．３ｍ×横１．３ｍ×高さ１．２ｍの大きさの循環タンク１を設け、該循環タンク１を電解液の回収用のタンクとして併用した。更に、電解液を循環タンク１から電解槽５に供給する供給マニホールド３を電解槽５の底面より２０ｍｍ下方に位置するよう設置し、該供給マニホールド３を電解液の回収用のマニホールドとして併用した。
電解槽としては、図４に示すアルカリ水電解槽を使用した。
電解面積９６ｄｍ2の電解槽で試験を実施した。陽極室（容量１８Ｌ×１０）、陰極室（容量１８Ｌ×１０）共にＮｉ製で、陽極はエクスパンドメッシュ、（厚さ０．８×ＳＷ３．７×ＬＷ８．０）に活性陽極コーティングを施している。陰極は、ファインメッシュ、（厚さ０．１５×ＳＷ２．０×ＬＷ１．０）を使用し、貴金属系の活性陰極コーティングを施してある。
隔膜として、親水処理を施したポリプロピレン系１００μｍフィルムを使用し、これを両極間に挟み、ゼロギャップの状態で組み立てている。
試験プロセスは、図４に示す通りであるが、電解温度は電解セル底部に設置されたヒーターでコントロールしている。電解液の循環方法は、アルカリ水電解槽１０の下部に設置してある循環タンク１（電解液容量２．５Ｌ）から循環ポンプ１８ａ、１８ｂで電解液を陽極室１１及び陰極室１２に流量３．９Ｌ／分〜５．８Ｌ／分で電解液供給ノズルより供給している。電解槽１０の上部のノズルから排出されるそれぞれの気液流体は、気液分離器２０ａ、２０ｂを介し、液体は循環タンク１に戻され、ガス体は系外に放出される。運転条件としては、４０Ａ／ｄｍ2、１０質量％ＫＯＨ、電解温度、７５〜８５℃。セル系内の圧力は、陽極室、陰極室それぞれ排出される酸素ガス並びに水素ガスを水封することで所定の条件を定めている。運転時に隔膜の振動を防止するために、陽極室、陰極室間の差圧は５０〜１００ｍｍＨ2Ｏに保持した。
一方、製造される水素ガス純度又は酸素ガス純度のどちらを期待するかで、それぞれの水封システムの液高さをコントロールすることが出来るが、本実施例では、水素純度を高めることを目的とし陰極加圧の状態で差圧５０ｍｍＨ2Ｏとした。
水が分解した相当量の原料水を連続的に循環タンクに純水を供給した。
５日間毎日６時間の運転稼働をする形で、毎朝電解液を電解槽に循環タンクから供給し、運転を開始し、夜間は運転を止め電解液の排出し循環タンクに回収する形の間欠繰り返し運転を行った。
斯かる作動でも、初期に用意したアルカリ（ここでは苛性カリＫＯＨ）が消耗することはなく所望の濃度の運転はでき、電解で分解した水を系内に添加することで、連続運転が可能であった。使用するアルカリは、苛性ソーダＮａＯＨを用いても全く同じことであり、苛性カリＫＯＨに限定するものではない。
電解を終了又は電解槽５の運転を停止したとき、電解槽５内の電解液は、自重により自然流下し、ポンプなどを使用することなく、すべて循環タンク１に回収された。
しかも、電解槽５の底部には、電解液が残留しないので、電解槽５内に収納される陽極、陰極の基材、電解槽５の材質等の腐食は、起こらなかった。また、脈流現象がほとんど見られなかった。
更に、本電解システムは、コンパクトな構造となり、平常時及び災害時の何れの場合においても、狭い空間に設置することができるとともに、容易に運搬、移動することができた。
運転を実施した時の電解槽の性能は、以下の通りであった。
試験結果：１．８２Ｖ，水素純度９９．９２％  ４０Ａ／ｄｍ2
ガス純度、運転電圧ともに良好であった。
電解槽５として、アルカリ水電解槽に代え、食塩電解槽、水電解槽を使用した結果、上記と同様な結果が得られた。
【００４７】
＜比較例１＞
図４に示す電解槽を使用し、図１に示すように、循環タンク１及び電解槽５を同じ高さに設置し、供給マニホールド３を電解槽５の中段に設け、排出マニホールド７を電解槽５の上部に設けて連続電解を行い、電解槽の運転を停止し、電解槽５内の電解液を回収した。
その結果、電解槽５が循環タンク１と同じ高さに設けられているだけでなく、電解液を回収するために使用する供給マニホールド３が電解槽５の中段に設置されているので、電解槽５内の電解液を回収する場合、自然流下によっては、回収できなかった。
そのため、電解液の排出を、ポンプを作動したり、エジェクターで吸引させる操作を行ったが、それでも、完全に電解槽から電解液を完全に排出できず、電解槽底部に、液溜りができ、その結果、陽極及び陰極の活性コーテイングが腐食して、使用できなくなった。
【００４８】
＜比較例２＞
図４に示す電解槽を使用し、図２に示すように、循環タンク１及び電解槽５を同じ高さに設置するとともに、電解液の回収に併用する供給マニホールド３を電解槽５の底面より下方に設置して電解を行った。
その結果、電解槽５と循環タンク１が同じ高さに設けられているので、電解液を自然流下によって回収することはできず、ポンプで排出しても電解槽５内の電解液の一部が電解槽５の底部に残留することを防ぐことができなかった。
【００４９】
以上は、アルカリ水電解槽を使用した場合の電解システムについて説明したが、ＳＰＥ型水電解槽を使用した場合も食塩電解槽又はその他のハロゲン化アルカリ電解槽を使用した場合においても、上記アルカリ水電解槽を使用した場合と同様な結果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、電解システムに使用する電解槽の運転停止時において、電解槽の底部に液溜まりができることを可能な限り無くし、自然排出により、電解槽内の電解液、電解生成物、水等をすべて排出できるプロセス設計をおこなうことができ、電極、電解槽の腐食を防止し、且つコンパクトな構造とし、平常時及び災害時の何れの場合においても、狭い空間に設置することができるとともに、容易に運搬、移動することができる運搬、移動可能な電解システムを得ることができ、その広範な利用が期待される。
【符号の説明】
【００５１】
１：循環タンク
１ａ：陽極液循環タンク
１ｂ：陰極液循環タンク
２：ポンプ
３：供給マニホールド
４：供給チューブ
５：電解槽
６：排出チューブ
７：排出マニホールド
１０：アルカリ水電解槽
１１：陽極室
１２：陰極室
１３：隔膜
１５：供給ポンプ
１６：供給タンク
１６ａ：陽極液供給タンク
１６ｂ：純水供給タンク
１７：純水
１８ａ：循環ポンプ
１８ｂ：循環ポンプ
１９ａ：熱交換器
１９ｂ：熱交換器
２０ａ：陽極側気液分離装置
２０ｂ：陰極側気液分離装置
２１ａ：陽極側水封装置
２１ｂ：陰極側水封装置
２２：電解液
２３：ガス排出ライン
２４：循環ライン
２５：食塩電解槽
２６：食塩よりなる電解液
【図１】
0006450636.tif 000002
【図２】
0006450636.tif 000003
【図３】
0006450636.tif 000004
【図４】
0006450636.tif 000005
【図５】
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