(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極及び陰極を含む複数のエレメントが、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触してゼロギャップ構造が形成されている複極式電解セルであって、
前記ゼロギャップ構造において、式（１）によって定義される前記陽極の発熱係数Ｈａ［Ｋ／ｓｅｃ］と、式（２）によって定義される前記陰極の発熱係数Ｈｃ［Ｋ／ｓｅｃ］との差ΔＨ（｜Ｈａ−Ｈｃ｜）が０．１８〜１０．１１Ｋ／ｓｅｃであり、
前記隔膜の線膨張係数が０．５×１０−５［１／Ｋ］以上２．０×１０−５［１／Ｋ］以下である、
ことを特徴とする、複極式電解セル。
（１）  Ｈａ＝（Ｉ×ηａ）÷（Ｃａ×Ｄａ）
（２）  Ｈｃ＝（Ｉ×ηｃ）÷（Ｃｃ×Ｄｃ）
Ｉ：電流密度（６［ｋＡ／ｍ２］）
ηａ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陽極過電圧［ｍＶ］
ηｃ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陰極過電圧［ｍＶ］
Ｃａ：陽極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｃｃ：陰極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｄａ：陽極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
Ｄｃ：陰極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
【請求項２】
陽極及び陰極を含む複数のエレメントが、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触してゼロギャップ構造が形成されているアルカリ水電解用複極式電解セルであって、
前記ゼロギャップ構造において、式（１）によって定義される前記陽極の発熱係数Ｈａ［Ｋ／ｓｅｃ］と、式（２）によって定義される前記陰極の発熱係数Ｈｃ［Ｋ／ｓｅｃ］との差ΔＨ（｜Ｈａ−Ｈｃ｜）が０．１８〜１０．１１Ｋ／ｓｅｃであり、
前記隔膜の線膨張係数が０．５×１０−５［１／Ｋ］以上２．０×１０−５［１／Ｋ］以下である、
ことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解セル。
（１）  Ｈａ＝（Ｉ×ηａ）÷（Ｃａ×Ｄａ）
（２）  Ｈｃ＝（Ｉ×ηｃ）÷（Ｃｃ×Ｄｃ）
Ｉ：電流密度（６［ｋＡ／ｍ２］）
ηａ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陽極過電圧［ｍＶ］
ηｃ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陰極過電圧［ｍＶ］
Ｃａ：陽極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｃｃ：陰極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｄａ：陽極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
Ｄｃ：陰極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
【請求項３】
前記発熱係数Ｈａが２．０Ｋ／ｓｅｃ以下である、請求項１又は２に記載の複極式電解セル。
【請求項４】
前記発熱係数Ｈｃが５．０Ｋ／ｓｅｃ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複極式電解セル。
【請求項５】
前記発熱係数Ｈａと前記発熱係数Ｈｃとの和ΣＨ（Ｈａ＋Ｈｃ）が０．５Ｋ／ｓｅｃ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複極式電解セル。
【請求項６】
前記陽極及び前記陰極の少なくとも一方が金属の多孔体を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複極式電解セル。
【請求項７】
前記陽極過電圧ηａが前記陰極過電圧ηｃよりも大きい、請求項１〜６のいずれか１項に記載の複極式電解セル。
【請求項８】
前記陰極が孔を有し、開口率が４０％以上７０％以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の複極式電解セル。
【請求項９】
前記陰極の表面が、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＰｔからなる群から選択される少なくとも１つの白金族元素を含む層で被覆されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の極式電解セル。
【請求項１０】
前記陽極が孔を有し、開口率が３０％以上７０％以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の複極式電解セル。
【請求項１１】
前記隔膜が、厚さ６０μｍ以上６００μｍ以下の多孔膜である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の複極式電解セル。
【請求項１２】
前記隔膜の熱伝導率が０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、請求項１１に記載の複極式電解セル。
【請求項１３】
前記隔膜が高分子材料を含む多孔膜であり、前記高分子材料が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド及びポリテトラフルオロエチレンからなる群から選ばれる材料である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の複極式電解セル。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の複極式電解セルを含むことを特徴とする、複極式電解槽。
【請求項１５】
アルカリを含有する水を、電解セルを有する電解槽により水電解し、水素を製造する水素製造方法において、
前記電解セルが、陽極及び陰極が、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触した構造の電解セルであって、
前記構造において、式（１）によって定義される前記陽極の発熱係数Ｈａ［Ｋ／ｓｅｃ］と、式（２）によって定義される前記陰極の発熱係数Ｈｃ［Ｋ／ｓｅｃ］との差ΔＨ（｜Ｈａ−Ｈｃ｜）が０．１８〜１０．１１Ｋ／ｓｅｃであり、
前記隔膜の線膨張係数が０．５×１０−５［１／Ｋ］以上２．０×１０−５［１／Ｋ］以下である、
ことを特徴とする、水素製造方法。
（１）  Ｈａ＝（Ｉ×ηａ）÷（Ｃａ×Ｄａ）
（２）  Ｈｃ＝（Ｉ×ηｃ）÷（Ｃｃ×Ｄｃ）
Ｉ：電流密度（６［ｋＡ／ｍ２］）
ηａ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陽極過電圧［ｍＶ］
ηｃ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陰極過電圧［ｍＶ］
Ｃａ：陽極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｃｃ：陰極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｄａ：陽極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
Ｄｃ：陰極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複極式電解セル、複極式電解槽、水素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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が、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り、アルカリ水電解用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、特許文献１、２に記載のゼロギャップ構造を有する装置は、再生可能エネルギー等の変動電源下等で運転する場合、隔膜に亀裂や裂けが生じる場合があった。【００１１】
そこで、本発明は、再生可能エネルギー等の変動電源下で運転する場合でも、隔膜に亀裂や裂けが生じにくいアルカリ水電解用複極式電解セル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】
【００１２】
本発明者らは種々検討を重ね、上記の隔膜の亀裂や裂けが発生するメカニズムを突き止めた。変動電源を用いた場合、電解セルへの給電量の変化により過電圧や抵抗等により発熱量が比例して変化するが、通電に伴う陽極と陰極との発熱の差及び熱容量の差によって隔膜の一部に応力集中が生じためであった。
これを解決する方法を提供するのが本発明の主旨であり、下記の通りである。
［１］
陽極及び陰極を含む複数のエレメントが、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触してゼロギャップ構造が形成されている複極式電解セルであって、
前記ゼロギャップ構造において、式（１）によって定義される前記陽極の発熱係数Ｈａ［Ｋ／ｓｅｃ］と、式（２）によって定義される前記陰極の発熱係数Ｈｃ［Ｋ／ｓｅｃ］との差ΔＨ（｜Ｈａ−Ｈｃ｜）が０．１８〜１０．１１Ｋ／ｓｅｃであり、
前記隔膜の線膨張係数が０．５×１０−５［１／Ｋ］以上２．０×１０−５［１／Ｋ］以下である、
ことを特徴とする、複極式電解セル。
（１）  Ｈａ＝（Ｉ×ηａ）÷（Ｃａ×Ｄａ）
（２）  Ｈｃ＝（Ｉ×ηｃ）÷（Ｃｃ×Ｄｃ）
Ｉ：電流密度（６［ｋＡ／ｍ２］）
ηａ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陽極過電圧［ｍＶ］
ηｃ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陰極過電圧［ｍＶ］
Ｃａ：陽極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｃｃ：陰極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｄａ：陽極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
Ｄｃ：陰極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
【００１３】
［２］
陽極及び陰極を含む複数のエレメントが、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触してゼロギャップ構造が形成されているアルカリ水電解用複極式電解セルであって、
前記ゼロギャップ構造において、式（１）によって定義される前記陽極の発熱係数Ｈａ［Ｋ／ｓｅｃ］と、式（２）によって定義される前記陰極の発熱係数Ｈｃ［Ｋ／ｓｅｃ］との差ΔＨ（｜Ｈａ−Ｈｃ｜）が０．１８〜１０．１１Ｋ／ｓｅｃであり、
前記隔膜の線膨張係数が０．５×１０−５［１／Ｋ］以上２．０×１０−５［１／Ｋ］以下である、
ことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解セル。
（１）  Ｈａ＝（Ｉ×ηａ）÷（Ｃａ×Ｄａ）
（２）  Ｈｃ＝（Ｉ×ηｃ）÷（Ｃｃ×Ｄｃ）
Ｉ：電流密度（６［ｋＡ／ｍ２］）
ηａ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陽極過電圧［ｍＶ］
ηｃ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陰極過電圧［ｍＶ］
Ｃａ：陽極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｃｃ：陰極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｄａ：陽極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
Ｄｃ：陰極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
【００１４】
［３］
前記発熱係数Ｈａが２．０Ｋ／ｓｅｃ以下である、［１］又は［２］の複極式電解セル。【００１５】
［４］
前記発熱係数Ｈｃが５．０Ｋ／ｓｅｃ以下である、［１］〜［３］のいずれかに記載の複極式電解セル。【００１６】
［５］
前記発熱係数Ｈａと前記発熱係数Ｈｃとの和ΣＨ（Ｈａ＋Ｈｃ）が０．５Ｋ／ｓｅｃ以上である、［１］〜［４］のいずれかに記載の複極式電解セル。【００１７】
［６］
前記陽極及び前記陰極の少なくとも一方が金属の多孔体を含む、［１］〜［５］のいずれかに記載の複極式電解セル。【００１８】
［７］
前記陽極過電圧ηａが前記陰極過電圧ηｃよりも大きい、［１］〜［６］のいずれかに記載の複極式電解セル。【００１９】
［８］
前記陰極が孔を有し、開口率が４０％以上７０％以下である、［１］〜［７］のいずれかに記載の複極式電解セル。【００２０】
［９］
前記陰極の表面が、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＰｔからなる群から選択される少なくとも１つの白金族元素を含む層で被覆されている、［１］〜［８］のいずれかに記載の複極式電解セル。【００２１】
［１０］
前記陽極が孔を有し、開口率が３０％以上７０％以下である、［１］〜［９］のいずれかに記載の複極式電解セル。【００２２】
［１１］
前記隔膜が、厚さ６０μｍ以上６００μｍ以下の多孔膜である、［１］〜［１０］のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解セル。【００２３】
［１２］
前記隔膜の熱伝導率が０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、［１１］に記載の複極式電解セル。
［１３］
前記隔膜が高分子材料を含む多孔膜であり、前記高分子材料が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド及びポリテトラフルオロエチレンからなる群から選ばれる材料である、［１］〜［１２］のいずれかに記載の複極式電解セル。
【００２４】
［１３］
［１］〜［１２］のいずれかに記載の複極式電解セルを含むことを特徴とする、複極式電解槽。【００２５】
［１４］
アルカリを含有する水を、電解セルを有する電解槽により水電解し、水素を製造する水素製造方法において、
前記電解セルが、陽極及び陰極が、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触した構造の電解セルであって、
前記構造において、式（１）によって定義される前記陽極の発熱係数Ｈａ［Ｋ／ｓｅｃ］と、式（２）によって定義される前記陰極の発熱係数Ｈｃ［Ｋ／ｓｅｃ］との差ΔＨ（｜Ｈａ−Ｈｃ｜）が０．１８〜１０．１１Ｋ／ｓｅｃであり、
前記隔膜の線膨張係数が０．５×１０−５［１／Ｋ］以上２．０×１０−５［１／Ｋ］以下である、
ことを特徴とする、水素製造方法。
（１）  Ｈａ＝（Ｉ×ηａ）÷（Ｃａ×Ｄａ）
（２）  Ｈｃ＝（Ｉ×ηｃ）÷（Ｃｃ×Ｄｃ）
Ｉ：電流密度（６［ｋＡ／ｍ２］）
ηａ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陽極過電圧［ｍＶ］
ηｃ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陰極過電圧［ｍＶ］
Ｃａ：陽極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｃｃ：陰極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｄａ：陽極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
Ｄｃ：陰極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
前記電解セルは、［１］〜［１２］のいずれかに記載の複極式電解セルであってもよく、前記電解槽は［１３］に記載の複極式電解槽であってもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のアルカリ水電解用複極式電解セルは、上記構成を有するため、再生可能エネルギー等の変動電源下で運転する場合でも、隔膜に亀裂や裂けが生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルを含む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セルを含む複極式電解槽の、図１の破線四角枠の部分の電解セル内部の断面を示す図である。
【図３】本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルを構成する外部ヘッダー型の複極式エレメントの例を示す平面図である。
【図４】実施例、比較例で用いた電解装置の概要を示す図である。
【図５】電解試験で用いた複極式電解槽の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
（アルカリ水電解用電解槽）
図１に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルを含む複極式電解槽の一例の全体についての側面図を示す。
図２に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルを含む複極式電解槽の一例のゼロギャップ構造の図（図１に示す破線四角枠の部分の断面図）を示す。
本実施形態の複極式電解槽５０は、図１、２に示すように、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であることが好ましい。
【００３０】
また、本実施形態の複極式電解槽５０は、隔膜４が陽極２ａ及び陰極２ｃと接触してゼロギャップ構造Ｚが形成されている（図２参照）。
【００３１】
本実施形態の複極式電解槽は、単極式であっても、複極式であってもよく、隔膜を介して複極式エレメントがスタックされたアルカリ水電解用複極式電解槽であることが好ましい。
単極式とは、１又は複数のエレメントを直接電源に接続する方法であり、並列に並べた各エレメントの陽極に隔膜を挟んで陰極ターミナルエレメントを設け、陰極に隔膜を挟んで陽極ターミナルエレメントを設け、各ターミナルエレメントに電源をつなぐ並列回路である。
複極式とは、多数の複極式エレメントを電源に接続する方法の１つであり、片面が陽極、片面が陰極となる複数の複極式エレメント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、定電流、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。
【００３２】
（（エレメント））
上記エレメントとしては、単極式電解槽に用いられるエレメントと、複極式電解槽に用いられる複極式エレメント等が挙げられる。中でも、複極式エレメントが好ましい。
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、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。
上記エレメントは、陽極２ａ、陰極集電体２ｒ、導電性弾性体２ｅ、陰極２ｃをこの順に含み、さらに、隔壁１、リブ６、外枠３、逆電吸収体、陽極集電体等を備えていてもよい。
【００３３】
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。陽極ガスケット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。陽極ガスケット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５１ｒで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、陽極側からでも陰極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。
【００３４】
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、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。
【００３５】
本実施形態の複極式電解槽５０では、図２に示すとおり、隔膜４が陽極２ａ及び陰極２ｃと接触してゼロギャップ構造Ｚが形成されている。
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】
本発明のアルカリ水電解用複極式電解セルは、陽極及び陰極を含む複数のエレメントが、隔膜を挟んで重ね合わされ、前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触してゼロギャップ構造が形成されており、前記ゼロギャップ構造において、式（１）によって定義される前記陽極の発熱係数Ｈａ［Ｋ／ｓｅｃ］と、式（２）によって定義される前記陰極の発熱係数Ｈｃ［Ｋ／ｓｅｃ］との差ΔＨ（｜Ｈａ−Ｈｃ｜）が１２Ｋ／ｓｅｃ以下であり、前記隔膜の線膨張係数が０．５×１０−５［１／Ｋ］以上５．０×１０−５［１／Ｋ］以下である。
（１）  Ｈａ＝（Ｉ×ηａ）÷（Ｃａ×Ｄａ）
（２）  Ｈｃ＝（Ｉ×ηｃ）÷（Ｃｃ×Ｄｃ）
Ｉ：電流密度（６［ｋＡ／ｍ２］）
ηａ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陽極過電圧［ｍＶ］
ηｃ：電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の陰極過電圧［ｍＶ］
Ｃａ：陽極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｃｃ：陰極の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｄａ：陽極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
Ｄｃ：陰極の面密度［ｋｇ／ｍ２］
なお、過電圧、比熱、面密度、熱膨張係数は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
【００３７】
従来のゼロギャップ型電解セルは、高電流密度運転や変動電源での運転において、通電に伴う陽極と陰極の発熱の差および熱容量の差によって、隔膜の陽極側と陰極側の間に温度勾配が生じることがあった。隔膜は温度上昇に従い熱膨張するが、膜の裏表で温度に差があるため、隔膜の熱膨張が不均一となって反りが発生し、たわもうとする応力が働く。しかし、ゼロギャップ構造では、膜は押し付けられているため、電極と隔膜との接触部分の一部（特に、電極端部と隔膜との接触部分）に局所的に応力集中が起こる。これが長時間通電／不安定通電に伴う隔膜の裂け、破け、しわの原因となる。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル６５では、上記ΔＨ及び上記線膨張係数を上記範囲とすることにより、陽極２ａと陰極２ｃの通電に伴う自己発熱の差を小さくし、隔膜４の反りを、隔膜４が裂けたり破けたりしない範囲に抑えることが可能となる。これにより、陰極室５ｃと陽極室５ａとの分離の崩壊を抑制し、水素ガスと酸素ガスとの隔離を保つことができる。また、長時間の通電や入力電源の不安定な通電を行っても、隔膜４に亀裂を生じることなく、高いガスの生成純度を保ったまま電気化学反応を継続することができる。
上記ΔＨは、ゼロギャップ構造Ｚにおいて隔膜４の陽極側と陰極側に生じる温度勾配を一層小さくできる観点から、８．０Ｋ／ｓｅｃ以下であることが好ましく、より好ましくは５．０Ｋ／ｓｅｃ以下である。
上記隔膜の線膨張係数は、２．０×１０−５［１／Ｋ］以下であることが好ましい。
上記ΔＨ、上記線膨張係数の範囲は、本発明の効果を好適に得るうえで、それぞれ個別に選択されてもよい。
【００３８】
上記発熱係数Ｈａは２．０Ｋ／ｓｅｃ以下であることが好ましい。これにより、陽極の温度上昇を高すぎない範囲に抑えることができる。上記Ｈａは、より好ましくは１．０Ｋ／ｓｅｃ以下であり、また、０．５Ｋ／ｓｅｃ以上であることが好ましい。
【００３９】
上記発熱係数Ｈｃは５．０Ｋ／ｓｅｃ以下であることが好ましい。これにより、陰極の温度上昇を高すぎない範囲に抑えることができる。上記Ｈｃは、より好ましくは３．０Ｋ／ｓｅｃ以下であり、また、０．５Ｋ／ｓｅｃ以上であることが好ましい。
上記Ｈａ、上記Ｈｃの範囲は、本発明の効果を好適に得るうえで、それぞれ個別に選択されてもよい。
【００４０】
上記発熱係数Ｈａと上記発熱係数Ｈｃとの和ΣＨ（Ｈａ＋Ｈｃ）が０．５Ｋ／ｓｅｃ以上であることが好ましい。これにより、通電時の発熱で８０〜９０℃程度の温度とすることができ、セル過電圧を低くすることができる。上記和ΣＨは、より好ましくは１．０Ｋ／ｓｅｃ以上、更に好ましくは２．０Ｋ／ｓｅｃ以上であり、また、８．０Ｋ／ｓｅｃ以下であることが好ましい。
【００４１】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルの厚さｄは、１０ｍｍ〜１００ｍｍであることが好ましく、１５ｍｍ〜５０ｍｍであることがさらに好ましい。
上記電解セル６５の厚さｄとは、隣接する２つの複極式エレメント６０間の互いの隔壁１間における部分の厚さ、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間における部分の厚さであり、それぞれ、隣接する２つの複極式エレメント６０の隔壁１同士の間の隔壁１に垂直な方向についての距離、及び、隣接する複極式エレメント６０の隔壁１とターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁１に垂直な方向についての距離をいう。上記厚さｄは、複極式電解槽全体において一定でない場合には、その平均としてもよい。
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１４］の形態等）において、上記ΔＨ、上記隔膜の線膨張係数、上記発熱係数Ｈａ、上記発熱係数Ｈｃ、上記和ΣＨ、上記厚さｄ、の範囲は、上述のいずれかの数値範囲としてよい。
【００４２】
アルカリ水電解において、隔膜４と、陽極２ａや陰極２ｃとの間に隙間がある場合、この部分には電解液の他に電解で発生した大量の気泡が滞留することで、電気抵抗が非常に高くなる。電解セル６５における大幅な電解電圧の低減を図るためには、陽極２ａと陰極２ｃの間隔（以下、「極間距離」ともいう。）をできるだけ小さくして、陽極２ａと陰極２ｃの間に存在する電解液や気泡の影響をなくすことが効果的である。
【００４３】
そこで、電極全面にわたり、陽極２ａと隔膜４とが互いに接触し、且つ、陰極２ｃと隔膜４とが互いに接触している状態、又は、電極全面にわたり、極間距離が隔膜４の厚みとほぼ同じとなる距離で、陽極２ａと隔膜４との間及び陰極２ｃと隔膜４との間に隙間のほとんど無い状態、に保つことのできる、ゼロギャップ構造が採用される。
【００４４】
極間距離を小さくするための手段は、既にいくつか提案されており、例えば、陽極２ａと陰極２ｃを完全に平滑に加工して、隔膜４を挟むように押し付ける方法や、電極２と隔壁１との間にバネ等の弾性体（特に導電性弾性体２ｅ）を配置し、この弾性体で電極を支持する方法、電極２と隔壁１との間に上記弾性体（特に導電性弾性体２ｅ）と集電体（特に陰極集電体２ｃ）とを配置し、集電体で弾性体をささえる方法等が挙げられる。図２に示す例では、導電性弾性体２ｅを用いる方法が採用されている。
【００４５】
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。
【００４６】
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、陽極室に電解液を導入する陽極電解液入口と、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とが設けられ、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とが設けられる。
【００４７】
なお、図１〜図３に示した例では、長方形形状の隔壁１と長方形形状の隔膜４とが平行に配置され、また、隔壁１の端縁に設けられが直方体形状の外枠３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。
【００４８】
複極式電解槽５０には、通常、電解液を配液又は集液する管であるヘッダー管が取り付けられ、隔壁１の端縁にある外枠３のうちの下方に、陽極室５ａに電解液を入れる陽極入口ヘッダー１０ａｉと、陰極室５ｃに電解液を入れる陰極入口ヘッダー１０ｃｉとを備えており、また、同様に、隔壁１の端縁にある外枠３のうちの上方に、陽極室５ａから電極液を出す陽極出口ヘッダー１０ａｏと、陰極室５ｃから電解液を出す陰極出口ヘッダー１０ｃｏとを備えている。
なお、図１〜図２に示す複極式電解槽５０に取り付けられるヘッダー管の配設態様として、代表的には、内部ヘッダー型と外部ヘッダー型とがあるが、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。
【００４９】
本実施形態の複極式電解槽５０では、陽極入口ヘッダー１０ａｉで配液された電解液が、陽極電解液入口を通って陽極室５ａに導入され、陽極室５ａを通過し、陽極電解液出口５ａｏを通って陽極室５ａから導出され、陽極出口ヘッダー１０ａｏで集液されることが好ましい。
【００５０】
以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル、複極式電解槽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−
上記隔壁１は、陰極２ｃと陽極２ａとの間であって、陽極２ａと陰極集電体２ｒとの間及び／又は陰極２ｃと陽極集電体２ｒとの間に設けられることが好ましい。
本実施形態における隔壁の形状は、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。
一実施形態において、隔壁と外枠とを溶接その他の方法で接合することで一体化してもよく、例えば、隔壁に、隔壁の平面に対して垂直な方向に張り出したフランジ部（陽極側に張り出した陽極フランジ部、陰極側に張り出した陰極フランジ部）を設け、フランジ部を外枠の一部としてもよい。
【００５２】
隔壁のサイズとしては、特に限定されることはなく、電極室のサイズに応じて適宜設計されてよい。
【００５３】
上記隔壁の厚みは、陽極リブと陰極リブが隔壁に溶接などで接合されて一体構造になっている場合は、陽極リブや陰極リブにより補強されるので、厚くする必要はない。通常は、０．５〜２ｍｍの厚みで十分である。０．５ｍｍより薄いと陽極リブや陰極リブと隔壁との溶接も困難になる上、製作上もハンドリングがし難くなる欠点があり、また２ｍｍより厚い場合は、製作コストが高くなり電解ユニットも重くなるため好ましくない。
【００５４】
隔壁の材料としては、電力の均一な供給を実現する観点から、高い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。
【００５５】
−電極−
本実施形態の複極式電解槽のアルカリ水電解による水素製造においては公知の電極が適用可能であるが、ゼロギャップ構造において上記ΔＨが１２Ｋ／ｓｅｃ以下となるように材料を選択することが好ましい。
【００５６】
上記陽極及び上記陰極は金属の多孔体を用いることが好ましい。これは、電極の表面積を高めることができ電解槽の水素等の生産性を向上できるからである。
【００５７】
多孔体の例としては、平織メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル、金属発泡体等が挙げられる。
【００５８】
平織メッシュを用いる場合、寸法は特に制限されないが、電解表面積増加によるガス発生量の増加と、電解により発生するガスの電極表面からの効率的な除去を両立させるために、線径は０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、ピッチは２０メッシュ以上６０メッシュ以下、開口率は３０％以上７０％以下が好ましい。より好ましくは、線径は０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下、ピッチは３０メッシュ以上５０メッシュ以下、開口率は４０％以上６０％以下である。
【００５９】
パンチングメタルを用いる場合、寸法は特に制限されないが、電解表面積増加によるガス発生量の増加と、電解により発生するガスの電極表面からの効率的な除去を両立させるため、また、機械的強度の観点から、孔径は２ｍｍ以上８ｍｍ以下、ピッチは２ｍｍ以上１０ｍｍ以下、開口率は２０％以上８０％以下、厚みは０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。
【００６０】
エキスパンドメタルを用いる場合、寸法は特に制限されないが、電解表面積増加によるガス発生量の増加と、電解により発生するガスの電極表面からの効率的な除去を両立させるため、また、機械的強度の観点から、メッシュの短目方向の中心間距離（ＳＷ）は２ｍｍ以上５ｍｍ以下、メッシュの長目方向の中心間距離（ＬＷ）は３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、厚みは０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下、開口率は２０％以上８０％以下が好ましい。より好ましくは、ＳＷは３ｍｍ以上４ｍｍ以下、ＬＷは４ｍｍ以上６ｍｍ以下、厚みは０．８ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、開口率は４０％以上６０％以下である。
【００６１】
上記陰極は孔を有し、開口率が４０％以上７０％以下であることが好ましい。開口率を小さくすると陰極の面密度が大きくなって陰極発熱係数Ｈｃを低減できる反面、陰極で発生したガスが陰極表面から除去されにくくなり、ガスが陰極や隔膜近傍に滞留することによって電解有効面積の減少してしまう。開口率を上記範囲とすることで、陰極発熱係数Ｈｃの増加を抑制しつつ、電解により発生するガスを陰極表面から効率的に除去することが可能となる。上記陰極の開口率は、より好ましくは５０％以上６０％以下である。
なお、電極の開口率は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
【００６２】
上記陽極は孔を有し、開口率が３０％以上７０％以下であることが好ましい。開口率を小さくすると陽極の面密度が大きくなって陽極発熱係数Ｈａを低減できる反面、陽極で発生したガスが陽極表面から除去されにくくなり、ガスが陽極や隔膜近傍に滞留することによって電解有効面積の減少してしまう。開口率を上記範囲とすることで、陽極発熱係数Ｈａの増加を抑制しつつ、電解により発生するガスを陽極表面から効率的に除去することが可能となる。上記陽極の開口率は、より好ましくは４０％以上６５％以下、更に好ましくは５０％以上６０％以下である。
上記陰極の開口率、上記陽極の開口率の範囲は、本発明の効果を好適に得るうえで、それぞれ個別に選択されてもよい。
【００６３】
金属発泡体を用いる場合、寸法は特に制限されないが、電解表面積増加によるガス発生量の増加と、電解により発生するガスの電極表面からの効率的な除去を両立させるため、また、機械的強度の観点から、気孔率は８０％以上９５％以下、厚みは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下が好ましい。
【００６４】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルにおける電極は、基材そのものとしてもよく、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものとしてもよいが、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものが好ましい。
【００６５】
基材の材料は、特に制限されないが、使用環境への耐性から、軟鋼、ステンレス、ニッケル、ニッケル基合金が好ましい。
【００６６】
上記陰極の表面は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＰｔからなる群から選択される少なくとも１つの白金族元素を含む層で被覆されていることが好ましい。これにより、陰極の過電圧が一層低くなり、発熱係数Ｈｃを低減することができる。上記陰極の表面の層に含まれる上記白金族元素としては、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔがより好ましい。
【００６７】
陽極の触媒層は、酸素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、あるいはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。具体的には、ニッケルめっきや、ニッケルとコバルト、ニッケルと鉄等の合金めっき、ＬａＮｉＯ３やＬａＣｏＯ３、ＮｉＣｏ２Ｏ４等のニッケルやコバルトを含む複合酸化物、酸化イリジウム等の白金族元素の化合物、グラフェン等の炭素材料等が挙げられる。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子等の有機物が含まれていてもよい。
【００６８】
陰極の触媒層は、水素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素（例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム等）等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、あるいはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。具体的には、ラネーニッケルや、ニッケルとアルミニウム、あるいはニッケルと錫等の複数の材料の組み合わせからなるラネー合金、ニッケル化合物やコバルト化合物を原料として、プラズマ溶射法により作製した多孔被膜、ニッケルと、コバルト、鉄、モリブデン、銀、銅等から選ばれる元素との合金や複合化合物、水素発生能が高い白金やルテニウム等の白金族元素の金属や酸化物、および、それら白金族元素の金属や酸化物と、イリジウムやパラジウム等の他の白金族元素の化合物やランタンやセリウム等の希土類金属の化合物との混合物、グラフェン等の炭素材料等が挙げられる。高い触媒活性や耐久性を実現するために、上記の材料を複数積層してもよく、触媒層中に複数混在させてもよい。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子材料等の有機物が含まれていてもよい。
【００６９】
触媒層の厚みは、厚すぎると電気抵抗が増加し過電圧を上昇させる場合があり、逆に薄すぎると長期間の電解や電解の停止により触媒層が溶解もしくは脱落することで電極が劣化し、過電圧が上昇する場合がある。
これらの理由から、触媒層の厚みは、０．２μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上３００μｍ以下である。
なお、触媒層の厚みは、例えば電子顕微鏡にて電極の断面を観察することにより測定できる。
【００７０】
基材上に触媒層を形成させる方法としては、めっき法、プラズマ溶射法等の溶射法、基材上に前駆体層溶液を塗布した後に熱を加える熱分解法、触媒物質をバインダー成分と混合して基材に固定化する方法、および、スパッタリング法等の真空成膜法といった手法が挙げられる。
【００７１】
前駆体形成工程は、例えば金属元素を含む液を基材表面に塗布し、乾燥する手法が挙げられる。
金属元素としては、パラジウム、イリジウム、白金、金、ルテニウム、ロジウム、セリウム、ニッケル、コバルト、鉄、モリブデン、銀、銅、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、ランタノイド等が挙げられる。塗布液中での金属の形態は特に制限はなく、金属や金属化合物の微粒子でもよく、溶解してイオン化されていてもよい。微粒子状態の場合、均質な前駆体層を形成するために、液中で分散されている状態が好ましい。そのため粒径は１００ｎｍ以下であることが好ましい。イオン化されている場合、金属塩としては、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物等のハロゲン化物塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩等の無機化合物塩、酢酸塩に代表される有機化合物塩等が例示できる。これらの中で、塩化物、硝酸塩は原料を工業的に入手できるために好ましく用いられる。さらに、硝酸塩は分解後に残留するアニオン成分による基材の劣化が小さく、保存安定性の良好な電極を得ることができるため、より好ましい。
【００７２】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルにおいては、電極の比表面積は０．００１ｍ２／ｇ以上１ｍ２／ｇ以下が好ましく、より好ましくは、０．００５ｍ２／ｇ以上０．１ｍ２／ｇ以下である。電極の比表面積（基材を含む電極全体の比表面積）が小さいと、単位面積当たりの反応活性点が少なくなるので、低い過電圧が得られない場合がある。一方、水電解用電極の比表面積が大き過ぎると触媒層の機械的強度が低下し、耐久性が低下する場合がある。
なお、比表面積は例えばＢＥＴ法を用いて測定することができる。測定試料を専用セルに入れ、加熱真空排気を行うことにより前処理を行い、細孔表面への吸着物を予め取り除く。その後、−１９６℃で測定サンプルへのガス吸着の吸脱着等温線を測定する。得られた吸脱着等温線をＢＥＴ法で解析することにより、測定サンプルの比表面積を求めることができる。
【００７３】
電極表面で電解に使用される面積は、電極と電解液との界面で形成される電気二重層の容量を測定することで、疑似的に求めることができる。
なお、二重層容量は例えば電気化学インピーダンス法により測定することができる。交流インピーダンス測定により得られた実部と虚部をプロットしたＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットに対して、等価回路フィッティングにより解析することで、二重層容量を算出する。
【００７４】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルにおいては、電極の被膜抵抗は２Ω・ｃｍ２以下が好ましく、より好ましくは０．５Ω・ｃｍ２以下である。電極の被膜抵抗が高すぎると、高いエネルギー効率を得るために電流密度が高い条件で電解する際に過電圧が上昇する。
なお、被膜抵抗は例えば電気化学インピーダンス法により測定することができる。交流インピーダンス測定により得られた実部と虚部をプロットしたＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットに対して、等価回路フィッティングにより解析することで、被膜抵抗を算出する。
【００７５】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１４］の形態等）において、上記陽極の比熱Ｃａは、１００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上１０００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以下であることが好ましく、より好ましくは３００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上８００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以下である。陽極の比熱を上記範囲とすることにより、隔膜の陽極側の温度が高くなりにくくなる。
なお、電極の比熱は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
【００７６】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１４］の形態等）において、上記陰極の比熱Ｃｃは、１００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上１０００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以下であることが好ましく、より好ましくは３００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上８００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以下である。陰極の比熱を上記範囲とすることにより、隔膜の陰極側の温度が高くなりにくくなる。
【００７７】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１４］の形態等）において、上記陽極の面密度Ｄａは、２．５ｋｇ／ｍ２以上７．０ｋｇ／ｍ２以下であることが好ましく、より好ましくは３．５ｋｇ／ｍ２以上５．５ｋｇ／ｍ２以下である。陽極の面密度を上記範囲とすることにより、陽極発熱係数を低減する効果と、陽極表面で発生したガスの効率的な除去とを両立することができる。
なお、電極の面密度は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
【００７８】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１４］の形態等）において、上記陰極の面密度Ｄｃは、０．３０ｋｇ／ｍ２以上０．７０ｋｇ／ｍ２以下であることが好ましく、より好ましくは０．４５ｋｇ／ｍ２以上０．５５ｋｇ／ｍ２以下である。陰極の面密度を上記範囲とすることにより、陰極発熱係数を低減する効果と、陰極表面で発生したガスの効率的な除去とを両立することができる。
【００７９】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１４］の形態等）において、電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の上記陽極の過電圧ηａは、４００ｍＶ以下であることが好ましく、より好ましくは３００ｍＶ以下である。陽極の過電圧が上記範囲であると、陽極の発熱係数が小さくなり、隔膜に亀裂や裂けが一層生じにくくなる。また陽極の過電圧が小さいとセル電圧が小さくなり、より効率的なエネルギーで電解を行うことが可能となる。
陽極の酸素過電圧は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
【００８０】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１４］の形態等）において、電流密度６ｋＡ／ｍ２の時の上記陰極の過電圧ηｃは、４００ｍＶ以下であることが好ましく、より好ましくは１５０ｍＶ以下である。陰極の過電圧が上記範囲であると、陰極の発熱係数が小さくなり、隔膜に亀裂や裂けが一層生じにくくなる。また陰極の過電圧が小さいとセル電圧が小さくなり、より効率的なエネルギーで電解を行うことが可能となる。
陰極の水素過電圧は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
上記Ｃａ、上記Ｃｃ、上記Ｄａ、上記Ｄｃ、上記ηａ、上記ηｃの範囲は、本発明の効果を好適に得るうえで、それぞれ個別に選択されてもよい。
【００８１】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１４］の形態等）において、上記陽極過電圧ηａが上記陰極過電圧ηｃよりも大きいことが好ましい。これにより、発熱係数の差を小さくできる
上記ηａと上記ηｃとの差（ηａ−ηｃ）は、３００ｍＶ以下であることが好ましく、より好ましくは１５０ｍＶ以下である。ηａとηｃとの差が上記範囲であることにより、陽極と陰極とで過電圧により発生する熱の差が少なくなり、隔膜に亀裂や裂けが一層生じにくくなる。
【００８２】
電極のサイズとしては、特に限定されることなく、電極室のサイズに合わせて定められてよく、縦：０．４ｍ〜４．０ｍ、横：０．４ｍ〜６．０ｍ、厚さ：０．１ｍｍ〜３ｍｍとしてよい。
【００８３】
−外枠−
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルにおける外枠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が、隔壁１の平面に対して垂直な方向に沿う内面を隔壁１の外延に亘って備える形状としてよい。
外枠の形状としては、特に限定されることなく、隔壁の平面視形状に合わせて適宜定められてよい。
外枠の寸法としては、特に限定されることなく、電極室の外寸に応じて設計されてよい。
一実施形態において、隔壁と外枠とを溶接その他の方法で接合することで一体化してもよく、例えば、隔壁に、隔壁の平面に対して垂直な方向に張り出したフランジ部（陽極側に張り出した陽極フランジ部、陰極側に張り出した陰極フランジ部）を設け、フランジ部を外枠の一部としてもよい。
【００８４】
外枠の材料としては、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。
【００８５】
−隔膜−
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル６５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が使用される。このイオン透過性の隔膜は、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。
【００８６】
多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有するものであるが、高分子多孔膜、無機多孔膜、織布、不織布等が挙げられる。これらは公知の技術により作製することができる。
高分子多孔膜の製法例としては、相転換法（ミクロ相分離法）、抽出法、延伸法、湿式ゲル延伸法等が挙げられる。相転換法（ミクロ相分離法）とは、高分子材料を良溶媒に溶解して得られた溶液により製膜し、これを貧溶媒中で相分離させることで多孔質化する方法（非溶媒誘起相分離法）である。抽出法とは、高分子材料に炭酸カルシウム等の無機粉体を混練して製膜した後に、該無機粉体を溶解抽出して多孔質化する方法である。延伸法とは、所定の結晶構造を有する高分子材料のフィルムを所定の条件で延伸して開孔させる方法である。湿式ゲル延伸法とは、高分子材料を流動パラフィン等の有機溶剤で膨潤させてゲル状シートとし、これを所定の条件で延伸したのち有機溶剤を抽出除去する方法である。
無機多孔膜の製法例としては、焼結法等が挙げられる。焼結法は、プレスや押出しによって得られた成形物を焼き、微細孔を残したまま一体化させる方法である。
不織布の製法例としては、スパンボンド法、電界紡糸（エレクトロスピニング）法等が挙げられる。スパンボンド法とは、溶融したペレットから紡糸された糸を熱ロールで圧着し、シート状に一体化させる方法である。電界紡糸（エレクトロスピニング）法とは、溶融ポリマーの入ったシリンジとコレクター間に高電圧を印加しながら射出することで、細く伸長した繊維をコレクター上に集積させる方法である。    
【００８７】
多孔膜は、高分子材料と親水性無機粒子とを含むことが好ましく、親水性無機粒子が存在することによって多孔膜に親水性を付与することができる。
【００８８】
−−−高分子材料−−−
高分子材料としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリビニリデンフロライド、ポリカーボネート、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロスルホン酸、パーフルオロカルボン酸、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等が挙げられる。これらの中でも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレン、であることが好ましく、ポリスルホンであることがより好ましい。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。    
【００８９】
高分子材料として、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンを用いることで、高温、高濃度のアルカリ溶液に対する耐性が一層向上する。
また、例えば、非溶媒誘起相分離法等の方法を用いることで、隔膜を一層簡便に製膜することができる。特にポリスルホンであれば、孔径を一層精度よく制御することができる。    
【００９０】
ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンは架橋処理が施されていてもよい。かかる架橋処理が施されたポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンの重量平均分子量は、標準ポリスチレン換算の重量平均分子量として、４万以上１５万以下であることが好ましい。架橋処理の方法は、特に限定されないが、電子線やγ線等の放射線照射による架橋や架橋剤による熱架橋等が挙げられる。なお、標準ポリスチレン換算の重量平均分子量はＧＰＣで測定することができる。    
【００９１】
上記隔膜は、厚さ６０μｍ以上６００μｍ以下の多孔膜であることが好ましい。多孔膜の厚さが６０μｍ以上であると、隔膜が破れにくくなる。また、６００μｍ以下であると、過電圧が高くなりすぎず、低過電圧とすることができる。上記隔膜の厚さは、より好ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下、更に好ましくは３００μｍ以上５００μｍ以下である。
【００９２】
上記隔膜の熱伝導率が０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上３．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。熱伝導率が０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることにより、隔膜の裏表の温度勾配が低減して、隔膜の反りを抑制できる。また、３．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であると、隔膜の材料として適切な樹脂を選択することができる。上記隔膜の熱伝導率は、より好ましくは０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、更に好ましくは０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。
なお、隔膜の熱伝導率は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
【００９３】
＜隔膜の製造方法＞
隔膜の製造方法として、湿式相分離法の例を記載する。
この方法は、高分子樹脂と、溶媒と、親水性無機粒子を含有する溶液を調製する工程、溶液を基材に塗工し、基材上に塗膜を形成する工程、塗膜の基材とは反対側の表面を、この高分子樹脂の貧溶媒の蒸気を含む気体に晒す工程、基材上の塗膜を、この高分子樹脂の貧溶媒を含む凝固浴に浸漬させ、多孔膜を形成する工程を含むことが好ましい。    
【００９４】
本実施形態の作用効果が得られる範囲であれば、上記各工程はこの順に行うことに限定されるものではなく、必要に応じて同時に行ってもよいし、連続的に行ってもよい。    
【００９５】
溶媒は、高分子樹脂を溶解する性質を有するものであり、使用する高分子樹脂について高い溶解性を有する良溶媒であることが好ましい。この溶媒は、使用する高分子樹脂の種類等に応じて適宜選択することができる。かかる溶媒としては、特に限定されないが、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ、Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホオキシド等が挙げられる。これらの溶媒は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの中で、種々の樹脂に対する溶解性、不揮発性、及び溶媒の管理の容易性等の観点から、Ｎ−メチル−２−ピロリドンがより好ましい。    
【００９６】
貧溶媒は、高分子樹脂を実質的に溶解しない溶媒であり、全く溶かさない非溶媒であることが好ましい。貧溶媒は、使用する高分子樹脂の種類に応じて適宜選択することができる。貧溶媒としては、特に限定されないが、例えば、水、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール、イソブチルアルコール等が挙げられる。    
【００９７】
多孔膜の表面孔径を制御するには、例えば、溶液を基材に塗工し、基材上に塗膜を形成する工程と、基材上の塗膜を、高分子樹脂の貧溶媒を含む凝固浴に浸漬させ、多孔膜を形成する工程との間に、塗膜の基材とは反対側の表面を、高分子樹脂の貧溶媒の蒸気を含む気体に晒す工程を行うことが好ましい。    
【００９８】
−−イオン交換膜−−
イオン交換膜としては、カチオンを選択的に透過させるカチオン交換膜とアニオンを選択的に透過させるアニオン交換膜があり、いずれの交換膜でも使用することができる。
イオン交換膜の材質としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、含フッ素系樹脂やポリスチレン・ジビニルベンゼン共重合体の変性樹脂が好適に使用できる。特に耐熱性及び耐薬品性等に優れる点で、含フッ素系イオン交換膜が好ましい。
【００９９】
含フッ素系イオン交換膜としては、電解時に発生するイオンを選択的に透過する機能を有し、かつイオン交換基を有する含フッ素系重合体を含むもの等が挙げられる。ここでいうイオン交換基を有する含フッ素系重合体とは、イオン交換基、又は、加水分解によりイオン交換基となり得るイオン交換基前駆体、を有する含フッ素系重合体をいう。例えば、フッ素化炭化水素の主鎖を有し、加水分解等によりイオン交換基に変換可能な官能基をペンダント側鎖として有し、かつ溶融加工が可能な重合体等が挙げられる。
【０１００】
（（ゼロギャップ構造））
ゼロギャップ型電解セル６５では、極間距離を小さくする手段として、電極２と隔壁１との間に弾性体２ｅであるバネを配置し、このバネで電極を支持する形態をとることが好ましい。例えば、第１の例では、隔壁１に導電性の材料で製作されたバネを取り付け、このバネに電極２を取り付けてよい。また、第２の例では、隔壁１に取り付けた電極リブ６にバネを取り付け、そのバネに電極２を取り付けてよい。なお、このような弾性体を用いた形態を採用する場合には、電極が隔膜に接する圧力が不均一にならないように、バネの強度、バネの数、形状等必要に応じて適宜調節する必要がある。
【０１０１】
また弾性体を介して支持した電極の対となるもう一方の電極の剛性を強くすること（例えば、陽極の剛性を陰極の剛性よりも強くすること）で、押しつけても変形の少ない構造としている。―方で、弾性体を介して支持した電極については、隔膜を押しつけると変形する柔軟な構造とすることで、電解槽の製作精度上の公差や電極の変形等による凹凸を吸収してゼロギャップ構造を保つことができる。
【０１０２】
より具体的には、隔壁と電気的に接触しているリブ（整流板）の先端に集電体を取り付け、その集電体の上面側、つまり、隔壁側とは反対となる側に導電性弾性体を取り付け、さらに、その上面側、つまり、導電性弾性体に隣接して隔膜側となる部分に電極を重ねた少なくとも３層構造を構成することが挙げられる。集電体と導電性弾性体とによって弾性体が構成される。
【０１０３】
上記ゼロギャップ構造Ｚとしては、陽極ターミナルエレメント５１ａとエレメントとの間、エレメント間、エレメントと陰極ターミナルエレメント５１ｃとの間に形成されるギャップ構造が挙げられる。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル６５では、図２に示すように、陰極２ｃと隔壁１との間に、導電性弾性体２ｅ及び陰極集電体２ｒが、導電性弾性体２ｅが陰極２ｃと陰極集電体２ｒとに挟まれるように、設けられていることが好ましい。また、陰極集電体２ｒは、陰極のリブ６と接していることが好ましい。
【０１０４】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル６５のゼロギャップ構造Ｚは、図２に示すように、隔壁１の陽極２ａ側に陽極リブ６及び陽極２ａがこの順に重ねられ、隔壁１の陰極２ｃ側に陰極リブ６、陰極集電体２ｒ、導電性弾性体２ｅ及び陰極２ｃがこの順に重ねられた複極式エレメント６０が、隔膜４を挟んで重ね合わせられた、隔膜４が陽極２ａ及び陰極２ｃと接触する構造であることが好ましい。
【０１０５】
−集電体−
集電体としては、例えば、陰極集電体、陽極集電体が挙げられる。
集電体は、その上に積層される導電性弾性体や電極へ電気を伝えるとともに、それらから受ける荷重を支え、電極から発生するガスを隔壁側に支障なく通過させる役割がある。従って、この集電体の形状は、エキスパンドメタルや打ち抜き多孔板等が好ましい。この場合の集電体の開口率は、電極から発生した水素ガスを支障なく隔壁側に抜き出せる範囲であることが好ましい。しかし、あまり開口率が大きいと強度が低下する、或いは導電性弾性体への導電性が低下する等の問題が生ずる場合があり、小さすぎるとガス抜けが悪くなる場合がある。
【０１０６】
集電体の材質は、導電性と耐アルカリ性の面からニッケル、ニッケル合金、ステンレススチール、軟鋼等が利用できるが、耐蝕性の面からニッケル或いは軟鋼やステンレススチール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。このような集電体のリブへの固定は、スポット溶接、レーザー溶接等の手段で固定される。
【０１０７】
−導電性弾性体−
導電性弾性体は、集電体と電極の間にあって集電体及び電極と接しており、電気を電極に伝えること、電極から発生したガスの拡散を阻害しないことが必須要件である。ガスの拡散が阻害されることにより、電気的抵抗が増加し、また電解に使用される電極面積が低下することで、電解効率が低下するためである。そして最も重要な役割は、隔膜を損傷させない程度の適切な圧力を電極に均等に加えることで、隔膜と電極とを密着させることである。
【０１０８】
導電性弾性体としては、ワイヤーにより構成される弾性体等の通常公知のものが使用でき、例えば、線径０．０５〜０．５ｍｍ程度のニッケル製ワイヤーを織ったものを波付け加工したクッションマットが、ゼロギャップ構造を維持しやすいため、好ましい。
材質は限定されるものではないが、導電性、耐アルカリ性の面からニッケル、ニッケル合金又はステンレススチール又は軟鋼にニッケルメッキを施したものが好ましい。
またこのような導電性弾性体の厚みは、通常１ｍｍ〜２０ｍｍ程度のものが使用できる。
【０１０９】
導電性弾性体の柔軟性は、公知の範囲のものが使用できる。例えば、５０％圧縮変形時の反発力が３０〜３００ｇ／ｃｍ２の弾性を有するものが使用できる。このような導電性弾性体は、導電性プレートからなる集電体の上に重ねて使用する。この取り付け方法も通常公知の方法、例えばスポット溶接で適宜固定するか或いは樹脂製のピンや金属製のワイヤー等が使用できる。
なお、５０％圧縮変形時の反発力は、ＪＩＳ  Ｋ６４００に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製の品番：ＡＧＳ−１ｋＮＸの卓上形精密万能試験機を、常温、大気圧で、圧縮試験モードの条件下で用いてよい。
導電性弾性体の上に、直接電極を重ねても良い。或いは別の導電性シートを介して電極を重ねても良い。
【０１１０】
導電性弾性体の導電性としては、例えば、テスター、デジタルマルチメーター等により測定される電気抵抗率が１×１０−５〜１×１０−９Ωｍであってもよい。
【０１１１】
ゼロギャップ構造を実現するための電極は、導電性弾性体とスポット溶接、金属或いはプラスチック製のピンによる固定、或いは導電性弾性体の弾力性による押しつけ圧等が好ましい固定法である。
【０１１２】
また、上記電極の厚みとしては、通常０．７ｍｍ〜３ｍｍ程度が好ましい。この厚みがあまり薄すぎると、陽極室と陰極室の圧力差や、押しつけ圧力により電極に変形が生じ、例えば電極端部が落ち込み、極間距離が広がり電圧が高くなる場合がある。
【０１１３】
−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。ここで、隔壁１を挟んで陽極側の電極室５が陽極室５ａ、陰極側の電極室５が陰極室５ｃである。
【０１１４】
本実施形態においては、複極式電解槽のヘッダー管の配設態様としては、内部ヘッダー型及び外部ヘッダー型（図３）を採用できるところ、例えば、図３に示す例の場合、陽極及び陰極自身が占める空間も電極室の内部にある空間であるものとしてよい。また、特に、図３に示す例の場合、気液分離ボックスが設けられているが、気液分離ボックスが占める空間も電極室の内部にある空間であるものとしてよい。
【０１１５】
−リブ−
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル６５では、リブ６が電極２と物理的に接続されていることが好ましい。かかる構成によれば、リブ６が電極２の支持体となり、ゼロギャップ構造Ｚを維持しやすい。
ここで、リブに、電極が設けられていてもよく、リブに、集電体、導電性弾性体、電極がこの順に設けられていてもよい。
前述の一例のアルカリ水電解用複極式電解セルでは、陰極室において、陰極リブ−陰極集電体−導電性弾性体−陰極の順に重ね合わせられた構造が採用され、陽極室において、陽極リブ−陽極の順に重ね合わせられた構造が採用されている。
【０１１６】
なお、前述の一例のアルカリ水電解用複極式電解セルでは、陰極室において上記「陰極リブ−陰極集電体−導電性弾性体−陰極」の構造が採用され、陽極室において上記「陽極リブ−陽極」の構造が採用されているが、本発明ではこれに限定されることなく、陽極室においても「陽極リブ−陽極集電体−導電性弾性体−陽極」構造が採用されてもよい。
【０１１７】
詳細には、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルでは、図２〜３に示すように、隔壁１にリブ６（陽極リブ、陰極リブ）が取り付けられていることが好ましい。
【０１１８】
リブ（陽極リブ、陰極リブ）には、陽極又は陰極を支える役割だけでなく、電流を隔壁から陽極又は陰極へ伝える役割を備えることが好ましい。
【０１１９】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルでは、リブの少なくとも一部が導電性を備えことが好ましく、リブ全体が導電性を備えことがさらに好ましい。かかる構成によれば、電極たわみによるセル電圧の上昇を抑制することができる。
【０１２０】
リブの材料としては、耐久性と強度がある材料であれば特に制限はないが、導電性の金属が用いられることが多い。例えば、ニッケルメッキを施した軟鋼、ステンレススチール、ニッケル等が利用できる。リブの材料は、特に隔壁と同じ材料であることが好ましく、特にニッケルであることが最も好ましい。
【０１２１】
−ガスケット−
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル６５では、図２に示すように、隔壁１を縁取る外枠３同士の間に、隔膜４と共にガスケット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との間、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。
【０１２２】
ガスケットの材質としては、特に制限されるものではなく、絶縁性を有する公知のゴム材料や樹脂材料等を選択することができる。
ゴム材料や樹脂材料としては、具体的には、天然ゴム（ＮＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、シリコーンゴム（ＳＲ）、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＴ）、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＲ）、イソブチレン−イソプレンゴム（ＩＩＲ）、ウレタンゴム（ＵＲ）、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂材料や、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアセタール等の樹脂材料を用いることができる。これらの中でも、弾性率や耐アルカリ性の観点でエチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＲ）が特に好適である。
【０１２３】
ガスケットは、補強材が埋設されていてもよい。これにより、スタック時に枠体に挟まれて押圧されたときに、ガスケットが潰れることを抑制でき、破損を防止し易くできる。
このような補強材は公知の金属材料、樹脂材料及び炭素材料等が使用でき、具体的には、ニッケル、ステンレス等の金属、ナイロン、ポリプロピレン、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ等の樹脂、カーボン粒子や炭素繊維等の炭素材料が挙げられる。
【０１２４】
ガスケットの厚みは、特に制限されるものではなく、ガスケットの材質や弾性率、セル面積に応じて設計される。好ましい厚みの範囲としては、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、１．０ｍｍ以上５ｍｍ以下がより好ましい。また、前記の突出部を設ける際の突出部の高さも、特に制限されるものではないが、十分な押し圧を発現するために、０．５ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。
【０１２５】
ガスケットの弾性率は、特に制限されるものではなく、電極の材質やセル面積に応じて設計される。好ましい弾性率の範囲としては、１００％変形時の引張応力で、０．２０〜２０ＭＰａの範囲が好ましく、シーリング特性やスタック時のセル強度の観点から、１．０〜１０ＭＰａの範囲がより好ましい。
なお、引張応力は、ＪＩＳ  Ｋ６２５１に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製のオートグラフＡＧを用いてもよい。
【０１２６】
ガスケットをエレメントに取り付ける際に、接着剤を使用してもよい。ガスケットの片面に接着剤を塗布し、エレメントの片側の外枠に貼り付けることができる。なお、接着剤を乾燥させた後、エレメントの電極面に水をかけ、電極を湿らせておくことが好ましい。隔膜を保持できるように、隔膜の縁部を収容するスリット部を設けたガスケットの場合は、隔膜を保持した状態で貼り付けてもよいし、貼り付けた後に隔膜を保持させてもよい。
【０１２７】
−ヘッダー−
アルカリ水電解用電解槽は、電解セル毎に、陰極室、陽極室を有することが好ましい。電解槽で、電気分解反応を連続的に行うためには、各電解セルの陰極室と陽極室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。
【０１２８】
電解セルは、複数の電解セルに共通するヘッダー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、陰極用配液管は陰極入口ヘッダー、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー、陰極用集液管は陰極出口ヘッダーと呼ばれる。エレメントはホース等を通じて各電解液配液管及び各電解液集液管と繋がっている。
【０１２９】
ヘッダー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。
【０１３０】
本実施形態において、電極室の範囲は、隔壁の外端に設けられる外枠の詳細構造により、変動するところ、外枠の詳細構造は、外枠に取り付けられるヘッダー（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。複極式電解セルのヘッダーの配設態様としては、内部ヘッダー型及び外部ヘッダー型が代表的である。
【０１３１】
−内部ヘッダー−
内部ヘッダー型とは、複極式電解槽とヘッダー（電解液を配液又は集液する管）とが一体化されている形式をいう。
【０１３２】
内部ヘッダー型複極式電解槽では、より具体的には、陽極入口ヘッダー１０ａｉ及び陰極入口ヘッダー１０ｃｉが、隔壁１内及び／又は外枠３内の下部に設けられ、且つ、隔壁１に垂直な方向に延在するように設けられ、また、陽極出口ヘッダー１０ａｏ及び陰極出口ヘッダー１０ｃｏが、隔壁１内及び／又は外枠３内の上部に設けられ、且つ、隔壁１に垂直な方向に延在するように設けられる。
【０１３３】
内部ヘッダー型複極式電解槽が内在的に有する、陽極入口ヘッダーと、陰極入口ヘッダーと、陽極出口ヘッダーと、陰極出口ヘッダーを総称して、内部ヘッダー１０ｉと呼ぶ。
【０１３４】
内部ヘッダー型の例として、隔壁の端縁にある外枠のうちの下方に位置する部分の一部に、陽極入口ヘッダーと陰極入口ヘッダーとを備えており、また、同様に、隔壁の端縁にある外枠のうちの上方に位置する部分の一部に、陽極出口ヘッダーと陰極出口ヘッダーとを備えている。なお、外枠と、陽極室又は陰極室とは、電解液を通す電解液入口又は電解液出口でつながっている。
【０１３５】
−外部ヘッダー−
外部ヘッダー型とは、複極式電解槽とヘッダー（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。
【０１３６】
外部ヘッダー型複極式電解槽は、陽極入口ヘッダーと、陰極入口ヘッダーとが、電解槽の通電面に対し、垂直方向に、電解槽と並走する形で、独立して設けられる。この陽極入口ヘッダー、及び陰極入口ヘッダーと、各エレメントが、ホースで接続される。
【０１３７】
外部ヘッダー型複極式電解槽に外在的に接続される、陽極入口ヘッダーと、陰極入口ヘッダーと、陽極出口ヘッダーと、陰極出口ヘッダーを総称して、外部ヘッダーと呼ぶ。
図３に示す外部ヘッダー型の例では、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１０ａｉ及び陰極入口ヘッダー１０ｃｉ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１０ａｏ及び陰極出口ヘッダー１０ｃｏに接続されている。
【０１３８】
なお、内部ヘッダー型及び外部ヘッダー型の複極式電解槽において、その内部に電解によって発生した気体と、電解液を分離する気液分離ボックスを有してもよい。気液分離ボックスの取付位置は、特に限定されないが、陽極室と陽極出口ヘッダーとの間や、陰極室と陰極出口ヘッダーの間に取付けられてもよい。
【０１３９】
気液分離ボックスの表面は、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材質のコーティング材料で、被覆されていても良い。コーティング材料の材質は、電解槽内部での漏洩電流回路の電気抵抗を大きくする目的で、絶縁性のものを採用してもよい。コーティング材料の材質に、ＥＰＤＭ、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＦＡ、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等を採用してもよい。
【０１４０】
（（電解液））
本実施形態の複極式電解槽内においては、陰極を取り付けた陰極室枠と、陽極を取り付けた陽極室枠とが、隔壁を介して配置されている。つまり、陽極室と陰極室とは隔壁によって区分されている。電解液は、この陽極室及び陰極室に供給される。
電解液としては、水電解に一般に使用されるものを使用することができる。例えば、水酸化カリウム水溶液や水酸化ナトリウム水溶液などが挙げられる。また、電解質濃度は１Ｎ以上１２Ｎ以下が好ましく、６Ｎ以上１０Ｎ以下がより好ましい。
【０１４１】
（（アルカリ水電解方法））
次に、本実施形態の複極式電解槽を用いたアルカリ水電解による水素の製造方法について説明する。
本実施形態においては、前述のような陽極及び陰極を備え、電解液が循環した複極式電解槽に電流を印加して水電解を行うことにより、陰極で水素を製造する。このとき、電源として、例えば変動電源を用いることができる。変動電源とは、系統電力等の、安定して出力される電源と異なり、再生可能エネルギー発電所由来の数秒乃至数分単位で出力が変動する電源のことである。再生可能エネルギー発電の方法は特に限定されないが、例えば、太陽光発電や風力発電が挙げられる。
例えば、複極式電解槽を利用した電解の場合、電解液中のカチオン性電解質は、エレメントの陽極室から、隔膜を通過して、隣接するエレメントの陰極室へ移動し、アニオン性電解質はエレメントの陰極室から隔膜を通過して、隣接するエレメントの陽極室へ移動する。よって、電解中の電流は、エレメントが直列に連結された方向に沿って、流れることになる。つまり、電流は、隔膜を介して、一方のエレメントの陽極室から、隣接するエレメントの陰極室に向かって流れる。電解に伴い、陽極室内で酸素ガスが生成し、陰極室内で水素ガスが生成する。
【０１４２】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル６５は、複極式電解槽５０、アルカリ水電解用電解装置７０等に用いることができる。上記アルカリ水電解用電解装置７０としては、例えば、本実施形態の複極式電解槽５０と、電解液を循環させるための送液ポンプ７１と、電解液と水素及び／又は酸素とを分離する気液分離タンク７２と電解により消費した水を補給するための水補給器と、を有する装置等が挙げられる。
上記アルカリ水電解用電解装置は、さらに、整流器７４、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等を備えてよい。
【０１４３】
上記アルカリ水電解用電解装置を用いたアルカリ水電解方法において、電解セルに与える電流密度としては、４ｋＡ／ｍ２〜２０ｋＡ／ｍ２であることが好ましく、６ｋＡ／ｍ２〜１５ｋＡ／ｍ２であることがさらに好ましい。
特に、変動電源を使用する場合には、電流密度の上限を上記範囲にすることが好ましい。
【０１４４】
以上、図面を参照して、本発明の実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル、複極式電解槽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セル、複極式電解槽は、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】
【０１４５】
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。【０１４６】
（実施例１）
アルカリ水電解用電解セル、複極式電解槽を下記の通りに作製した。【０１４７】
−隔壁、外枠−
複極式エレメントとして、陽極と陰極とを区画する隔壁と、隔壁を取り囲む外枠と、を備えたものを用いた。隔壁及び複極式エレメントのフレーム等の電解液に接液する部材の材料は、全てニッケルとした。【０１４８】
−陽極−
粒径が０．２〜２μｍである酸化ニッケル粉末１００質量部、アラビアゴム２．２５質量部、カルボキシルメチルセルロース０．７質量部、ラウリル硫酸ナトリウム０．００１質量部、及び水１００質量部を混合・攪拌して、懸濁液を調製した。噴霧乾燥造粒機を用いて、懸濁液から、粒径が５〜５０μｍである造粒物を調製した。
上記造粒物をプラズマ溶射法によって導電性基材の両面に吹き付けた。導電性基材としては、あらかじめブラスト処理を施したニッケルエキスパンド基材を用いた。基材の厚みは１ｍｍ、開口率は５４％であった。導電性基材の表面を被覆する触媒層の前駆体の厚みは、２４０μｍに調整した。導電性基材の裏面を被覆する触媒層の前駆体の厚みは、１６０μｍに調整した。この電極を、石英管中に設置した。この石英管を、管状炉内に差し込んで、石英管内を２００℃に加熱し、石英管内へ水素気流を２時間供給し続けることにより、触媒層の前駆体を還元した。以上の工程により、導電性基材と、導電性基材を被覆する触媒層と、を備える厚さ１．５ｍｍの陽極を得た。【０１４９】
−陰極−
導電性基材として、直径０．１５ｍｍのニッケルの細線を４０メッシュの目開きで編んだ平織メッシュ基材を用いた。
硝酸パラジウム溶液（田中貴金属製、パラジウム濃度：１００ｇ／Ｌ）とジニトロジアンミン白金硝酸溶液（田中貴金属製、白金濃度：１００ｇ／Ｌ）とを、パラジウムと白金のモル比が１：１となるように混合し、塗布液を調製した。
前記導電性基材に前記塗布液をディップ法にて塗布し、５００℃で１０分間の加熱焼成を行った。この塗布及び焼成のサイクルを２回繰り返し、パラジウムと白金を含有する触媒層を形成させ陰極を得た。【０１５０】
−導電性弾性体−
導電性弾性体は、線径０．１５ｍｍのニッケル製ワイヤーを織ったものを、波高さ５ｍｍになるように波付け加工したものを使用した。厚みは５ｍｍであり、５０％圧縮変形時の反発力は１５０ｇ／ｃｍ２、目開きは５メッシュ程度であった。【０１５１】
−隔膜−
酸化ジルコニウム（商品名「ＥＰ酸化ジルコニウム」、第一稀元素化学工業社製）とＮ−メチル−２−ピロリドン（和光純薬工業社製）とを、粒径０．５ｍｍのＳＵＳボールが入ったボールミルポットに投入した。これらを回転数７０ｒｐｍで２５℃雰囲気下において３時間攪拌して、分散させて混合物を得た。得られた混合物を、ステンレス製のざる（網目３０メッシュ）により濾過し、混合物からボールを分離した。ボールを分離した混合物にポリスルホン（「ユーデル」（登録商標）、ソルベイアドバンストポリマーズ社製）及びポリビニルピロリドン（重量平均分子量（Ｍｗ）９０００００、和光純薬工業社製）を加え、スリーワンモータを用いて６０℃で１２時間攪拌して溶解させ、以下の成分組成の塗工液を得た。
ポリスルホン                ：１５質量部
ポリビニルピロリドン        ：６質量部
Ｎ−メチル−２−ピロリドン  ：７０質量部
酸化ジルコニウム            ：４５質量部
上記塗工液を、基材であるポリフェニレンサルファイドメッシュ（くればぁ社製、膜厚２８０μｍ、目開き３５８μｍ、繊維径１５０μｍ）の両表面に対して、コンマコータを用いて塗工厚みが各面１５０μｍとなるよう塗工した。塗工後直ちに、塗工液を塗工した基材を、３０℃の純水／イソプロパノール混合液（和光純薬工業社製、純水／イソプロパノール＝５０／５０（ｖ／ｖ））を溜めた凝固浴の蒸気下へ２分間晒した。その後直ちに、塗工液を塗工した基材を、凝固浴中へ４分間浸漬した。そして、ポリスルホンを凝固させることで基材表面に塗膜を形成させた。その後、純水で塗膜を十分洗浄して多孔膜を得た。
この多孔膜の平均孔径は９０℃の透水平均孔径で０．３μｍであった。厚みは５８０μｍであった。気孔率は４３％であった。ＺｒＯ２のモード径は５．０μｍであった。多孔膜の平均孔径に対する無機粒子のモード径の比（モード径／平均孔径）は２．６であった。【０１５２】
−ガスケット−
ガスケットは、厚み４．０ｍｍ、幅１８ｍｍの内寸５０４ｍｍ角の四角形状のもので、内側に平面視で電極室と同じ寸法の開口部を有し、隔膜を挿入することで保持するためのスリット構造を有するものを使用した。スリット構造は、開口部の内壁の厚み方向の中央部分に、隔壁を挿入することでこれを保持するための、０．４ｍｍの隙間を設けた構造とした。このガスケットは、ＥＰＤＭゴムを材質とし、１００％変形時の引張応力が４．０ＭＰａであった。【０１５３】
−ゼロギャップ型複極式エレメント−
外部ヘッダー型のゼロギャップ型セルユニット６０は、５４０ｍｍ×６２０ｍｍの長方形とし、陽極２ａおよび陰極２ｃの通電面の面積は５００ｍｍ×５００ｍｍとした。ゼロギャップ型複極式エレメント６０の陰極側は、陰極２ｃ、導電性弾性体２ｅ、陰極集電体２ｒが積層され、陰極リブ６を介して隔壁１と接続され、電解液が流れる陰極室５ｃがある。また、陽極側は、陽極２ａが陽極リブ６を介して隔壁１と接続され、電解液が流れる陽極室５ａがある（図２）。
陽極室５ａの深さ（陽極室深さ、図２における隔壁と陽極との距離）は２５ｍｍ、陰極室５ｃの深さ（陰極室深さ、図２における隔壁と陰極集電体との距離）２５ｍｍとし、材質はニッケルとした。高さ２５ｍｍ、厚み１．５ｍｍのニッケル製の陽極リブ６と、高さ２５ｍｍ、厚み１．５ｍｍのニッケル製の陰極リブ６を溶接により取り付けたニッケル製の隔壁１の厚みは２ｍｍとした。
陰極集電体２ｒとして、集電体として、あらかじめブラスト処理を施したニッケルエクスパンド基材を用いた。基材の厚みは１ｍｍで、開口率は５４％であった。導電性弾性体２ｅを、陰極集電体２ｒ上にスポット溶接して固定した。このゼロギャップ型複極式エレメントを、隔膜を保持したガスケットを介してスタックさせることで、陽極２ａと陰極２ｃとが隔膜４に押し付けられたゼロギャップ構造Ｚを形成することができる。【０１５４】
（実施例２）
以下の陰極を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−陰極−
塗布液を硝酸パラジウム溶液（田中貴金属製、パラジウム濃度：１００ｇ／Ｌ）とした以外は実施例１の陰極と同様にして作製した。【０１５５】
（実施例３）
以下の陽極を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−陽極−
ブラスト処理を施したニッケルエクスパンド基材を使用した。基材の厚みは１ｍｍであった。【０１５６】
（実施例４）
陰極として実施例２の陰極を、陽極として実施例３の陽極を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。【０１５７】
（実施例５）
以下の陽極、陰極を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてゼロギャップ型セルユニットを製造した。
−陽極−
導電性基材を厚さ１．０ｍｍ、開口率２８％のニッケルエクスパンド基材としたこと以外は、実施例１の陽極と同様の方法で陽極を作製した。
−陰極−
導電性基材を厚さ１．０ｍｍ、開口率２８％のニッケルエクスパンド基材としたこと以外は、実施例１の陰極と同様の方法で陰極を作製した。【０１５８】
（比較例１）
以下の陰極を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−陰極−
直径０．１５ｍｍのニッケルの細線を４０メッシュの目開きで編んだ平織メッシュ基材に、重量平均粒径１００μｍ以下のアルミナ粉を用いてブラストし、次に、６Ｎの塩酸中にて室温で５分間酸処理した後、水洗、乾燥して、陰極を作製した。【０１５９】
（比較例２）
以下の陽極、及び比較例１と同様の陰極を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−陽極−
２８％アンモニア水５質量部を水２００質量部に加えたのち、塩化ロジウム１％水溶液２０質量部を加えて浸漬液を調製した。この浸漬液を５０℃に加温し、実施例１の陽極を浸漬して含浸させた。電極を浸漬液から引き揚げたのち、６０℃で風乾させて、ロジウムが表面修飾した溶射還元Ｎｉ陽極を得た。ロジウムの塗付量は約１０ｇ／ｍ２であった。【０１６０】
（比較例３）
以下の隔膜を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−隔膜−
ポリエチレン粉末ＳＨ８１０（旭化成株式会社製）、ＵＨ９５０（旭化成株式会社製）、ＺｒＯ２粒子、可塑剤流動パラフィン（スモイルＰ−３５０Ｐ（商標）、松村石油研究所製）、酸化防止剤としてのペンタエリスリチル−テトラキス−［３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート］、滑剤としてのステアリン酸カルシウムを配合し、東洋精機製作所社製プラストミルを用いて加熱混合（混練）した。加熱混合は、プラストミルの温度を２００℃、回転数を５０ｒｐｍに設定して１０分間行った。溶融した混合物をプラストミルから取り出して、得られた以下の組成の溶液を冷却し、得られた固化物を、ポリイミドフィルムを介して金属板の間に挟み、２００℃に設定した熱プレス機を用い１０ＭＰａで圧縮し、厚さ１０ｍｍのシートを作製した。得られたシートに対して、１２０℃で縦方向に７倍、横方向に７倍に同時二軸延伸を行った。得られた延伸シートを、ステンレスの枠でその四方を固定した状態で、塩化メチレンに浸漬して可塑剤を除去した後、室温で乾燥して塩化メチレンを除去して得た微多孔膜を隔膜とした。
ＳＨ８１０                ：２９質量部
ＵＨ９５０                ：２０質量部
ＺｒＯ２粒子              ：５１質量部
スモイルＰ−３５０Ｐ      ：１５０質量部
ペンタエリスリチル−テトラキス−［３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート］  ：０．２質量部
ステアリン酸カルシウム    ：０．４質量部【０１６１】
（比較例４）
以下の隔膜を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−隔膜−
フッ素系イオン交換樹脂前駆体として、一般式ＣＦ２＝ＣＦ−Ｏ（ＣＦ２ＣＦＣＦ３Ｏ）−（ＣＦ２）２−ＳＯ２Ｆで表されるフッ化ビニル化合物と、一般式ＣＦ２＝ＣＦ２で表されるフッ化オレフィンとの二元共重合体（ＥＷ：９５０、ＭＩ：２０）を、Ｔダイ法により厚さ３２μｍに成膜し、前駆体膜とした。得られた前駆体膜を９５℃に加温した加水分解浴（ＤＭＳＯ：ＫＯＨ：水＝５：３０：６５）に１時間浸漬し、金属塩型のイオン交換基を有するフッ素系イオン交換膜を得た。これをよく水洗した後、６５℃に加温した２Ｎの塩酸浴に１５分間浸漬し、酸型のイオン交換基を有するフッ素系イオン交換膜を得た。これをよく水洗した後、膜を乾燥した。当該乾燥膜を拘束から外して得られたフッ素系イオン交換膜を隔膜とした。【０１６２】
［評価］
（陽極の過電圧ηａ）
陽極を２ｃｍ×２ｃｍに切り出し、ＰＴＦＥで被覆したニッケル製の棒にニッケル製のネジで固定した。対極には白金メッシュを使用し、８０℃、３２ｗｔ％水酸化ナトリウム水溶液中で、電流密度０．６Ａ／ｃｍ２で電解し、酸素過電圧を測定した。酸素過電圧は、液抵抗によるオーム損の影響を排除するために、ルギン管を使用する三電極法によって測定した。ルギン管の先端と陽極との間隔は、常に１ｍｍに固定した。酸素過電圧の測定装置としては、ソーラートロン社製のポテンショガルバノスタット「１４７０Ｅシステム」を用いた。三電極法用の参照極としては、銀−塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）を用いた。三電極法を使用しても排除しきれないオーム損を交流インピーダンス法で測定し、オーム損の測定値に基づき前記酸素過電圧を補正した。オーム損の測定には、ソーラートロン社製の周波数特性分析器「１２５５Ｂ」を使用した。
なお、式（１）中のＩは、陽極の過電圧の測定時の電流密度６ｋＡ／ｍ２とした。【０１６３】
（陰極の過電圧ηｃ）
陰極を２ｃｍ×２ｃｍに切り出し、ＰＴＦＥで被覆したニッケル製の棒にニッケル製のネジで固定した。対極には白金メッシュを使用し、８０℃、３２ｗｔ％水酸化ナトリウム水溶液中で、電流密度０．６Ａ／ｃｍ２で電解し、水素過電圧を測定した。水素過電圧は、液抵抗によるオーム損の影響を排除するために、ルギン管を使用する三電極法によって測定した。ルギン管の先端と陰極との間隔は、常に１ｍｍに固定した。水素過電圧の測定装置としては、ソーラートロン社製のポテンショガルバノスタット「１４７０Ｅシステム」を用いた。三電極法用の参照極としては、銀−塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）を用いた。三電極法を使用しても排除しきれないオーム損を交流インピーダンス法で測定し、オーム損の測定値に基づき前記水素過電圧を補正した。オーム損の測定には、ソーラートロン社製の周波数特性分析器「１２５５Ｂ」を使用した。
なお、式（２）中のＩは、陰極の過電圧の測定時の電流密度６ｋＡ／ｍ２とした。【０１６４】
（電極の比熱Ｃａ、Ｃｃ）
電極を２０ｍｇほど切り出し、示差走査熱量計ＤＳＣ８２３０（株式会社リガク社製）を用いて、比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）を測定した。【０１６５】
（電極の面密度Ｄａ、Ｄｃ）
８ｃｍ×１７ｃｍの大きさの電極を切り出し、電子天秤ＰＧ５０３−Ｓ（Ｍｅｔｔｌｅｒ  Ｔｏｌｅｄｏ社製）を用いて重量を測定し、電極の面密度（ｋｇ／ｍ２）を算出した。【０１６６】
（電極の開口率）
エキスパンドメタルを基材とした電極を５ｍｍ×５ｍｍ程度の大きさに切り出し、卓上顕微鏡Ｍｉｎｉｓｃｏｐｅ  ＴＭ３０００（株式会社日立ハイテクノロジーズ社製）を用いて、短目方向中心間距離ＳＷ、長目方向中心間距離ＬＷ、ボンド長さＢ、開口部の単目方向長さＳＷＯ、開口部の長目方向長さＬＷＯを測量した。これらの値を用いて、下記式に従って、開口率を算出した。
開口率＝ＳＷＯ×（ＬＷＯ＋Ｂ）×１００／（ＳＷ×ＬＷ）
また、平織メッシュを基材とした電極は、同様にＴＭ３０００を用いて目開きＡ、線径ｄを測量し、下記式に従って開口率（％）を算出した。
開口率＝（Ａ／（Ａ＋ｄ））２×１００
電極の開口率の算出方法は、エキスパンドメタルを基材とした電極と、平織メッシュを基材とした電極とで異なる。なお、エキスパンドメタル、平織メッシュ以外を基材とした電極の開口率は、電極を所定の大きさ（例えば５ｍｍ×５ｍｍ程度）に切り出し、水平に静置した該電極の中央部の鉛直方向上側から光を投射し、鉛直方向下側に電極を投影させ、光が透過した部分の総面積及び電極の投影面積（影と透過光との面積の合計）を測定して、以下の式に従って算出することができる。
開口率＝（光が透過した部分の総面積）／（電極の投影面積）×１００【０１６７】
（隔膜の線膨張係数）
隔膜を長さ１５ｍｍ、幅１０ｍｍに裁断し、株式会社島津製作所製、熱機械分析装置ＴＭＡ−６０で２７℃から１００℃までの熱膨張を測定して、線膨張係数（Ｋ／ｓｅｃ）を算出した。【０１６８】
（隔膜の熱伝導率）
各隔膜を厚さ１ｍｍ〜１．５ｍｍになるように数枚重ねたサンプルを用意し、カトーテック株式会社製ＫＥＳ―Ｆ７サーモラボＩＩ精密迅速熱物性装置を使用して熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）を測定した。【０１６９】
（電解試験）
図５に示す順にスタックした複極式電解槽を作製した。
実施例１の陽極を用いた陽極ターミナルセルユニット５１ａ、実施例１の隔膜、実施例１のゼロギャップ型複極式エレメント３組が実施例１の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、実施例１の隔膜、実施例１の陰極と実施例２の陽極とを備える複極式エレメント、実施例２の隔膜、実施例２のゼロギャップ型複極式エレメント２組が実施例２の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、実施例２の隔膜、実施例２の陰極と実施例３の陽極とを備える複極式エレメント、実施例３の隔膜、実施例３のゼロギャップ型複極式エレメント２組が実施例３の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、実施例３の隔膜、実施例３の陰極と実施例４の陽極とを備える複極式エレメント、実施例４の隔膜、実施例４のゼロギャップ型複極式エレメント２組が実施例４の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、実施例４の隔膜、実施例４の陰極と実施例５の陽極とを備える複極式エレメント、実施例５の隔膜、実施例５のゼロギャップ型複極式エレメント２組が実施例５の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、実施例５の隔膜、実施例５の陰極と比較例１の陽極とを備える複極式エレメント、比較例１の隔膜、比較例１のゼロギャップ型複極式エレメント２組が比較例１の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、比較例１の隔膜、比較例１の陰極と比較例２の陽極とを備える複極式エレメント、比較例２の隔膜、比較例２のゼロギャップ型複極式エレメント２組が比較例２の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、比較例２の隔膜、比較例２の陰極と比較例３の陽極とを備える複極式エレメント、比較例３の隔膜、比較例３のゼロギャップ型複極式エレメント２組が比較例３の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、比較例３の隔膜、比較例３の陰極と比較例４の陽極とを備える複極式エレメント、比較例４の隔膜、比較例４のゼロギャップ型複極式エレメント２組が比較例４の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、比較例４の隔膜、比較例４の陰極と実施例１の陽極とを備える複極式エレメント、実施例１の隔膜、実施例１の陰極を用いた陰極ターミナルセル５１ｃの順にスタックした。
実施例１の隔膜が実施例１の陽極及び実施例１の陰極に接触した電解セル１０１（ゼロギャップ構造）３個、実施例２の隔膜が実施例２の陽極及び実施例２の陰極に接触した電解セル１０２（ゼロギャップ構造）３個、実施例３の隔膜が実施例３の陽極及び実施例３の陰極に接触した電解セル１０３（ゼロギャップ構造）３個、実施例４の隔膜が実施例４の陽極及び実施例４の陰極に接触した電解セル１０４（ゼロギャップ構造）３個、実施例５の隔膜が実施例５の陽極及び実施例５の陰極に接触した電解セル１０５（ゼロギャップ構造）３個、比較例１の隔膜が比較例１の陽極及び比較例１の陰極に接触した電解セル１０６（ゼロギャップ構造）３個、比較例２の隔膜が比較例２の陽極及び比較例２の陰極に接触した電解セル１０７（ゼロギャップ構造）３個、比較例３の隔膜が比較例３の陽極及び比較例３の陰極に接触した電解セル１０８（ゼロギャップ構造）３個、比較例４の隔膜が比較例４の陽極及び比較例４の陰極に接触した電解セル１０９（ゼロギャップ構造）３個、を含む、図５に示す複極式電解槽を用いて、電解装置を作製した。
電解装置は、複極式電解槽５０と、電解液を循環させるための送液ポンプ７１と、電解液と水素及び／又は酸素とを分離する気液分離タンク７２とを備え、気液分離タンク７２及び複極式電解槽５０には３０％ＫＯＨ水溶液である電解液が封入されており、送液ポンプ７１により、複極式電解槽５０の陽極室５ａ、陽極用の気液分離タンク７２、陽極室５ａを循環し、また、複極式電解槽５０の陰極室５ｃ、陰極用の気液分離タンク７２、陰極室５ｃを循環している。温度は９０℃に調整した。
なお、上記電解装置は、気液分離タンク７２で分離した気体が圧力計７８、圧力制御弁８０、酸素濃度計７５又は水素濃度計７６、を通して回収される。また、整流器７４により電力は制御可能である。また、循環する電解液の流路には、流量計７７、熱交換器７９が備えられている。また、図４中の矢印は、循環液（電解液）及び気体が流れる方向を示している。
循環流路は電解液接液部には、ＳＧＰ炭素鋼配管にテフロン（登録商標）ライニング内面処理を施し、２０Ａの配管を用いた。気液分離タンク７２は、高さ１４００ｍｍ、容積１ｍ３のものを用いた。
気液分離タンク７２は、高さ１４００ｍｍ、容積１ｍ３のものを使用した。
各気液分離タンク７２の液量は、設計容積の５０％程度とした。
外部ヘッダー式電解槽では、図３のように、複極式エレメントの筐体となる電解枠に、電解液が流通するための外部配管（陽極入口ヘッダー１０ａｉ、陰極入口ヘッダー１０ｃｉ、陽極出口ヘッダー１０ａｏ、陰極出口ヘッダー１０ｃｏ）が４か所設けられている。これらの各外部配管は、外部ホースで電解槽の各電極室と接続されている。
これらの配管構造を外部ヘッダー構造と呼ぶ。外部ヘッダー配管は、陰極側外部ヘッダー配管と陽極側外部ヘッダー配管とに分かれている。
そのため、各エレメント内では、陰極入口ヘッダー１０ｃｉから外部ホースを介して陰極室５ｃに電解液が入り、陰極室５ｃから外部ホースを介して陰極出口ヘッダー１０ｃｏへと電解液が流れる（図３の実線矢印方向）。陽極側も同様に、陽極入口ヘッダー１０ａｉから外部ホースを介して陽極室５ａに電解液が入り、陽極室５ａから外部ホースを介して陽極出口ヘッダー１０ａｏへと電解液が流れる（図３の点線矢印方向）。外部ヘッダーの入ヘッダーは電解枠下側に、出ヘッダーは電解枠上側にあるため、電解液は、下から上へ流れる。また、電極面に対して、略垂直方向に上昇していく。各セルの外部ホースにはそれぞれ熱電対が設置されており、エレメントを通過する前後での温度差を測定できる。
本例においては、陽極室５ａ、陰極室５ｃが各２９室あるため、２９室それぞれに入口ヘッダーから出口ヘッダーに向かって電解液が流れる構造となっている。
陰極室５ｃでは、電解により水素ガスが発生し、陽極室５ａでは酸素ガスが発生するため、陰極出口ヘッダー１０ｃｏでは、電解液と水素ガスの混相流となり、陽極出口ヘッダー１０ａｏでは、電解液と酸素ガスの混相流となる。
なお、図３中の矢印は、エレメント内の電解液が流れる方向を示している。
整流器７４から、複極式電解槽５０に対して、陰極及び陽極の面積に対して、下記電解試験１又は電解試験２の条件で通電した。通電開始後の槽内圧力を圧力計７８で測定し、陰極側圧力が５０ｋＰａ、酸素側圧力が４９ｋＰａとなるとように調整した。圧力調整は、圧力計７８の下流に制御弁８０を設置し、これにより行った。
なお、上記電解装置は、気液分離タンク７２で分離した気体が圧力計７８、圧力制御弁８０、酸素濃度計７５又は水素濃度計７６、を通して回収される。また、整流器７４により電力は制御可能である。また、循環する電解液の流路には、流量計７７、熱交換器７９が備えられている。
なお、整流器としては、メーカー：高砂製作所製、型番：７５Ｖ−１０００Ａを３台並列に接続したものを用いた。
酸素濃度計としては、アドバンストインストゥルメンツ社製のＧＰＲ−２５００を用いた。 
水素濃度計としては、理研計器（株）社製のＳＤ−Ｄ５８・ＡＣを用いた。 
圧力計としては、横河電機（株）社製のＥＪＡ−１１８Ｗを用いた。 
送液ポンプ、気液分離タンク、水補給器等は、いずれも当該技術分野において通常使用されるものを用いて、アルカリ水電解用電解装置を作製した。
−電解試験１−
上記電解装置を用いて、電流密度が６ｋＡ／ｍ２となるように連続で５００時間通電し、水電解を行った。５００時間後、各エレメントへ出入りする前後の電解液の温度差を測定し、同一実施例又は比較例の陰極、隔膜、陽極からなる電解セル３個の平均値（℃）を算出した。また、５００時間後の各電解セルの電圧を測定し、３個の電解セルの平均値（Ｖ）を算出した。そして電解槽を解枠し、各隔膜に破れが生じているか、状態を観察した。
これらの結果を表１に記載した。
−電解試験２−
上記電解装置を用いて、最大電流密度６ｋＡ／ｍ２、最小電流密度０．６ｋＡ／ｍ２、１周期１２００秒のサイン波となるように変動電流を通電し、水電解を連続５００時間行った。通電後の電解槽を解枠し、各隔膜に破れが生じているか、状態を観察した。その結果を表１に示した。【０１７０】
実施例及び比較例における評価結果を表１に示す。【０１７１】
【表１】
0006782796.tif 000002
【０１７２】
表１に示すように、実施例の電解セルでは隔膜の破れがなかった。なお、比較例の隔膜の破れは何れも、電極の端部と隔膜との接点において発生していた。
また、実施例１の電解セルは、平均セル電圧が最も低く、セル電圧の上昇が最も起こりにくかった。また、実施例２〜５は平均セル電圧が低かった。実施例５の電解セルは、電解により生じた熱による電解液の温度上昇が最も低かった。
【産業上の利用可能性】
【０１７３】
本発明によれば、ゼロギャップ構造を有するアルカリ水電解用複極式電解セルにおいて、再生可能エネルギー等の変動電源下で運転する場合でも、隔膜の一部に応力集中が生じにくく、隔膜に亀裂や裂けが生じにくい。そのため、再生エネルギー等の電源を用いた効率的な運転が可能である。
【符号の説明】
【０１７４】
１        隔壁
２        電極
２ａ      陽極
２ｃ      陰極
２ｅ      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
６        リブ
７        ガスケット
１０      ヘッダー
１０ｏ    外部ヘッダー
１０ａｉ  陽極入口ヘッダー
１０ａｏ  陽極出口ヘッダー
１０ｃｉ  陰極入口ヘッダー
１０ｃｏ  陰極出口ヘッダー
５０      複極式電解槽
５１ｇ    ファストヘッド、ルーズヘッド
５１ｉ    絶縁板
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
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      送液ポンプ
７２      気液分離タンク
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
Ｚ        ゼロギャップ構造
【図１】
0006782796.tif 000003
【図２】
0006782796.tif 000004
【図３】
0006782796.tif 000005
【図４】
0006782796.tif 000006
【図５】
0006782796.tif 000007