(57)【要約】  本発明の目的は、気液分離性と電解セル全体の厚みを薄くすることとを同時に達成できるアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメントを提供することにある。本発明のアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメントは、陽極と陰極とを含む電極と、前記陰極と前記陽極とを隔離する隔壁と、前記電極で発生したガスを含む電解液を排出する吐出口とを備え、前記陽極又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域において、前記吐出口を複数個有する、ことを特徴とする。
2018182004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極と陰極とを含む電極と、前記陰極と前記陽極とを隔離する隔壁と、前記電極で発生したガスを含む電解液を排出する吐出口とを備え、
前記陽極又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域において、前記吐出口を複数個有する、ことを特徴とする外部ヘッダー型複極式エレメント。
【請求項２】
陽極と陰極とを含む電極と、前記陰極と前記陽極とを隔離する隔壁と、前記電極で発生したガスを含む電解液を排出する吐出口とを備え、
前記陽極又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域において、前記吐出口を複数個有する、ことを特徴とするアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメント。
【請求項３】
前記領域において、複数の前記吐出口が、鉛直方向に異なる位置に設けられている、請求項１又は２に記載の複極式エレメント。
【請求項４】
前記陽極と前記隔壁とで挟まれた領域Ａ、及び前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域Ｂ、のそれぞれにおいて、前記吐出口が２個設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の複極式エレメント。
【請求項５】
前記陽極と前記隔壁とで挟まれた領域Ａ、及び／又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域Ｂにおいて、複数個の前記吐出口が鉛直方向に異なる位置に設けられ、鉛直方向に最も高い位置の吐出口が、鉛直方向に最も低い位置の吐出口から排出するガス量よりも多くのガスを排出する吐出口である、請求項１から４のいずれか一項に記載の複極式エレメント。
【請求項６】
前記領域において、前記吐出口の数が２個であり、
前記ガスが鉛直方向に高い位置の吐出口から排出される、請求項３に記載の複極式エレメント。
【請求項７】
前記領域において、複数の前記吐出口が、鉛直方向に異なる位置に設けられ、
前記吐出口の傾きが、鉛直方向に最も高い位置の吐出口では、水平方向に対して鉛直方向に０°以上９０°以下であり、鉛直方向に最も低い位置の吐出口では、水平方向に対して鉛直方向に−９０°以上−１０°以下である、請求項１から６のいずれか一項に記載の複極式エレメント。
【請求項８】
前記複極式エレメントの厚みが１５ｍｍ以上４０ｍｍ以下である、請求項１から７のいずれか一項に記載の複極式エレメント。
【請求項９】
前記吐出口の断面積が、１．２５×１０−５ｍ２以上である、請求項１から８のいずれか一項に記載の複極式エレメント。
【請求項１０】
前記吐出口の内径Ｄ（ｍｍ）と前記複極式エレメントの厚みＴ（ｍｍ）とが、０．１≦Ｄ／Ｔ≦０．９の関係を満たす、請求項１から９のいずれか一項に記載の複極式エレメント。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の外部ヘッダー型複極式エレメントを含む、ことを特徴とする外部ヘッダー型複極式電解槽。
【請求項１２】
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
前記吐出口における前記ホースの傾きが、鉛直方向に最も高い位置の吐出口では、水平方向に対して鉛直方向に０°以上９０°未満であり、鉛直方向に最も低い位置の吐出口では、水平方向に対して鉛直方向に−９０°超−１０°以下である、請求項１１に記載の複極式電解槽。
【請求項１３】
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
前記電解液集液管が、前記吐出口より鉛直方向下側に設けられている、請求項１１又は１２に記載の複極式電解槽。
【請求項１４】
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
鉛直方向に最も高い位置の吐出口から延びるホースが前記電解液集液管の断面中心より鉛直方向上側で前記電解液集液管に接続され、
鉛直方向に最も低い位置の吐出口から延びるホースが前記電解液集液管の断面中心より鉛直方向下側で前記電解液集液管に接続される、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の複極式電解槽。
【請求項１５】
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
前記ホースが、前記電解液の流れが停止した後に、前記ホース内にガス層が形成される機構を備える、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の複極式電解槽。
【請求項１６】
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
前記ホースの電気抵抗率が１ＭΩ・ｃｍ以上である、請求項１１から１５のいずれか一項に記載の複極式電解槽。
【請求項１７】
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
前記ホースが、外部からホース内部を視認可能なホースである、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の複極式電解槽。
【請求項１８】
アルカリを含有する水を、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、
前記電解槽は少なくとも複極式エレメントを有し、
前記複極式エレメントは、陽極と陰極とを含む電極と、前記陰極と前記陽極とを隔離する隔壁と、前記電極で発生したガスを含む電解液を排出する吐出口とを備え、前記陽極又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域において、前記吐出口を複数個有する、外部ヘッダー型複極式エレメントである、
ことを特徴とする水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部ヘッダー型複極式エレメント、外部ヘッダー型複極式電解槽、及び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高純度の水素を得る技術の開発に対する期待は高い。【０００６】
水の電気分解の方法としては、固体高分子型水電解法、高温水蒸気電解法、アルカリ水電解法等がある。この中で、数十年以上前から工業化されていること、大規模に実施することができること、他の水電解装置に比べると安価であること等から、アルカリ水電解は特に有力なものの一つとされている。【０００７】
アルカリ水電解で採用するシステムにおいて電解セルから吐出される生成ガスと電解液は従来同一の一つの吐出口から取り出されていた（特許文献１参照）。しかしながら、気液分離性の向上に対する要求が高まっているのはもちろんであるが、それに加えて電解セルのコンパクト化に対する要求も生じてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１５８７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、気液分離性と電解セル全体の厚みを薄くすることとを同時に達成できるアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者らが鋭意検討した結果、電極で発生するガスと電解液とを排出するための吐出口を複数配置することで、気液分離性と電解セル全体の厚みを薄くすることとを同時に達成できるアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメントが得られることを見出し、本発明を完成した。【００１１】
すなわち、本発明は、以下の通りである。
［１］
陽極と陰極とを含む電極と、前記陰極と前記陽極とを隔離する隔壁と、前記電極で発生したガスを含む電解液を排出する吐出口とを備え、
前記陽極又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域において、前記吐出口を複数個有する、ことを特徴とする外部ヘッダー型複極式エレメント。【００１２】
［２］
陽極と陰極とを含む電極と、前記陰極と前記陽極とを隔離する隔壁と、前記電極で発生したガスを含む電解液を排出する吐出口とを備え、
前記陽極又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域において、前記吐出口を複数個有する、ことを特徴とするアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメント。【００１３】
［３］
前記領域において、複数の前記吐出口が、鉛直方向に異なる位置に設けられている、［１］又は［２］に記載の複極式エレメント。【００１４】
［４］
前記陽極と前記隔壁とで挟まれた領域Ａ、及び前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域Ｂ、のそれぞれにおいて、前記吐出口が２個設けられている、［１］から［３］のいずれかに記載の複極式エレメント。【００１５】
［５］
前記陽極と前記隔壁とで挟まれた領域Ａ、及び／又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域Ｂにおいて、複数個の前記吐出口が鉛直方向に異なる位置に設けられ、
鉛直方向に最も高い位置の吐出口が、鉛直方向に最も低い位置の吐出口から排出するガス量よりも多くのガスを排出する吐出口である、［１］から［４］のいずれかに記載の複極式エレメント。【００１６】
［６］
前記領域において、前記吐出口の数が２個であり、
前記ガスが鉛直方向に高い位置の吐出口から排出される、［３］に記載の複極式エレメント。【００１７】
［７］
前記領域において、複数の前記吐出口が、鉛直方向に異なる位置に設けられ、
前記吐出口の傾きが、鉛直方向に最も高い位置の吐出口では、水平方向に対して鉛直方向に０°以上９０°以下であり、鉛直方向に最も低い位置の吐出口では、水平方向に対して鉛直方向に−９０°以上−１０°以下である、［１］から［６］のいずれかに記載の複極式エレメント。【００１８】
［８］
前記複極式エレメントの厚みが１５ｍｍ以上４０ｍｍ以下である、［１］から［７］のいずれかに記載の複極式エレメント。【００１９】
［９］
前記吐出口の断面積が、１．２５×１０−５ｍ２以上である、［１］から［８］のいずれかに記載の複極式エレメント。【００２０】
［１０］
前記吐出口の内径Ｄ（ｍｍ）と前記複極式エレメントの厚みＴ（ｍｍ）とが、０．１≦Ｄ／Ｔ≦０．９の関係を満たす、［１］から［９］のいずれかに記載の複極式エレメント。【００２１】
［１１］
［１］〜［１０］のいずれかに記載の外部ヘッダー型複極式エレメントを含む、ことを特徴とする外部ヘッダー型複極式電解槽。【００２２】
［１２］
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
前記吐出口における前記ホースの傾きが、鉛直方向に最も高い位置の吐出口では、水平方向に対して鉛直方向に０°以上９０°未満であり、鉛直方向に最も低い位置の吐出口では、水平方向に対して鉛直方向に−９０°超−１０°以下である、［１１］に記載の複極式電解槽。【００２３】
［１３］
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
前記電解液集液管が、前記吐出口より鉛直方向下側に設けられている、［１１］又は［１２］に記載の複極式電解槽。【００２４】
［１４］
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
鉛直方向に最も高い位置の吐出口から延びるホースが前記電解液集液管の断面中心より鉛直方向上側で前記電解液集液管に接続され、
鉛直方向に最も低い位置の吐出口から延びるホースが前記電解液集液管の断面中心より鉛直方向下側で前記電解液集液管に接続される、［１１］から［１３］のいずれかに記載の複極式電解槽。【００２５】
［１５］
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
前記ホースが、前記電解液の流れが停止した後に、前記ホース内にガス層が形成される機構を備える、［１１］から［１４］のいずれかに記載の複極式電解槽。【００２６】
［１６］
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
前記ホースの電気抵抗率が１ＭΩ・ｃｍ以上である、［１１］から［１５］のいずれかに記載の複極式電解槽。【００２７】
［１７］
前記吐出口と電解液集液管とがホースを通じて繋がっており、
前記ホースが、外部からホース内部を視認可能なホースである、［１１］から［１６］のいずれかに記載の複極式電解槽。【００２８】
［１８］
アルカリを含有する水を、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、
前記電解槽は少なくとも複極式エレメントを有し、
前記複極式エレメントは、陽極と陰極とを含む電極と、前記陰極と前記陽極とを隔離する隔壁と、前記電極で発生したガスを含む電解液を排出する吐出口とを備え、前記陽極又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域において、前記吐出口を複数個有する、外部ヘッダー型複極式エレメントである、
ことを特徴とする水素製造方法。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、気液分離性と電解セル全体の厚みを薄くすることとを同時に達成できるアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態のアルカリ水電解用外部ヘッダー型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】図１の破線四角枠の部分の電解セル内部のゼロギャップ構造部分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外部ヘッダー型複極式電解槽の一例の一部の、複極式エレメント、ヘッダー（ホース）、導管について示す斜視図である。
【図４】本実施形態のアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式電解槽の一例の一部における電解液の流れを示す斜視図である。
【図５】本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の一部を示す側面図である。
【図６】図５の線Ａ−Ａに沿う面により切断したときの断面の一部を示す図である。
【図７】本実施形態のアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式電解槽における、導管とヘッダー（ホース）との接続の一例を示す図である。
【図８】本実施形態の電解装置の概要を示す図である。
【図９】本実施形態のアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式電解槽における、電解液出口（吐出口）、ヘッダー（ホース）、導管の接続の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
以下、本実施形態の複極式エレメント、本実施形態の複極式エレメントを含む複極式電解槽、及び水素製造方法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。
【００３３】
図１に、本実施形態のアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式電解槽の一例の全体についての側面図を示す。
図３に、本実施形態のアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式電解槽の一例の一部の、複極式エレメント、ヘッダー（ホース）、導管についての斜視図を示す。
図４に、本実施形態のアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式電解槽の一例の一部における電解液の流れについての斜視図を示す。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０は、図１に示すとおり、陽極２ａと、陰極２ｃと、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１と、隔壁１を縁取る外枠３とを備える複数の複極式エレメント６０が隔膜４を挟んで重ね合わせられている複極式電解槽５０であってよい。
【００３４】
（複極式電解槽）
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２ａ、片面が陰極２ｃとなる複数の複極式エレメント６０を同じ向きに並べて直列に接続し、両端のみを電源に接続する方法である。
複極式電解槽５０は、電源の電流を小さくできるという特徴を持ち、電解によりガス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。
【００３５】
（（複極式エレメント））
一例のアルカリ水電解用複極式電解槽５０に用いられる複極式エレメント６０は、図６に示すように、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１を備え、隔壁１を縁取る外枠３を備えている。より具体的には、隔壁１は導電性を有し、外枠３は隔壁１の外縁に沿って隔壁１を取り囲むように設けられている。
【００３６】
なお、本実施形態では、複極式エレメント６０は、通常、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が、鉛直方向となるように、使用してよく、具体的には、図２〜６に示すように隔壁１の平面視形状が長方形である場合、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が、向かい合う２組の辺のうちの１組の辺の方向と同じ方向となるように、使用してよい。
【００３７】
本実施形態のアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメント６０（本明細書において、単に「複極式エレメント」と称する場合がある。）は、陽極２ａと陰極２ｃとを含む電極２と、前記陰極２ｃと前記陽極２ａとを隔離する隔壁１と、前記電極２で発生したガスを含む電解液を排出する吐出口５ｏ（電解液出口）とを備え、前記陽極又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域において、前記吐出口を複数個有する。
上記領域としては、上記陽極と上記隔壁とで挟まれた領域６０ａ（本明細書において「領域Ａ」と称する場合がある）と、上記陰極と上記隔壁とで挟まれた領域６０ｂ（本明細書において「領域Ｂ」と称する場合がある）とが挙げられる（図６）。
【００３８】
従来、電極で発生したガスを含む電解液が、複極式エレメントから排出される際、ガスが吐出口近傍にたまり、電解液の流れが滞ることがあった。特に、複極式エレメントが薄くなると、吐出口近傍にガスが一層溜まり易くなるため、従来は複極式エレメントを薄くすることが困難であった。
本実施形態の複極式エレメントによれば、領域Ａ及び領域Ｂに吐出口が複数設けられているため、吐出口近傍にガスが溜まりにくくなり、複数の吐出口でガスと電解液とを分離して、効率よく電解液を循環させることができる。さらに、長期連続運転をした場合でも隔膜の温度が高くなりにくい。特に、複極式エレメントを薄くした場合に、この効果が一層顕著となる。
【００３９】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）の上記複極式エレメントにおいて、各領域に設けられた複数の吐出口は、鉛直方向に同じ位置に設けられていてもよいし、鉛直方向に異なる位置に設けられていてもよいが、電極で発生したガスと電解液とが、吐出口で分離されやすくなり、電解液が一層効率よく循環する観点から、少なくとも１個の吐出口が他の吐出口より鉛直方向に高い位置に設けられていることが好ましく、全ての吐出口が鉛直方向に異なる位置に設けられていることがより好ましい。
上記領域Ａと上記領域Ｂとで、複数の各吐出口が設けられている位置は、鉛直方向に同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００４０】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、鉛直方向に異なる位置に設けられている吐出口は、吐出口での気液分離性が一層向上する観点から、鉛直方向に最も高い位置の吐出口の鉛直方向下端が、鉛直方向に最も低い位置の吐出口の鉛直方向上端より鉛直方向上側にあることが好ましく、鉛直方向に最も高い位置の吐出口の鉛直方向下端と鉛直方向に最も低い位置の吐出口の鉛直方向上端との距離が１０ｍｍ以上であることがより好ましい。
【００４１】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）の上記複極式エレメントにおいて、各領域に設けられる吐出口の数は、２個以上であり、電解液の吐出量に応じて３個以上（例えば、３個）にすることもできる。中でも、吐出口の数は、製作容易性の観点から、２個であることが最も好ましい。
吐出口の数は、上記領域Ａと上記領域Ｂとで、異なっていてもよいし同じであってもよいが、複極式エレメントの製作のしやすさの観点から、上記領域Ａ及び上記領域Ｂともに、２個以上の同じ数の吐出口が設けられていることが好ましく、２個の吐出口が設けられていることがより好ましい。
【００４２】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）の上記複極式エレメントにおいて、電極で発生した上記ガスは、鉛直方向に最も高い位置の吐出口から排出されることが好ましい。例えば、上記領域に吐出口が２個設けられている場合、上記ガスは、鉛直方向に高い位置の吐出口から排出されることが好ましい。
中でも、電極で発生した上記ガスは、鉛直方向に最も高い位置の吐出口のみから排出され、鉛直方向に最も低い位置の吐出口からは電解液のみが排出されることが好ましい。例えば、上記領域に吐出口が２個設けられている場合、鉛直方向に上側に位置する吐出口からは上記ガスのみが排出され、鉛直方向に下側に位置する吐出口からは上記電解液のみが排出されることが好ましい。
【００４３】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、上記吐出口の断面積は、吐出口でガスと電解液との気液分離性が一層向上し、循環する電解液の流速を十分確保できることとなり、長期連続運転をした場合でも隔膜の温度が高くなりにくい観点から、１．２５×１０−５ｍ２以上であることが好ましく、より好ましくは２．８３×１０−５ｍ２以上である。また、上記吐出口の断面積は、７．８５×１０−５ｍ２以下であることが好ましく、より好ましくは５．０３×１０−５ｍ２以下である。
各領域における複数の上記吐出口は、断面積が同じであってもよいし異なっていてもよい。中でも、製造が容易である観点から、全ての吐出口の断面積が同じであることが好ましい。また、少なくとも１個の吐出口が上記を満たすことが好ましく、全ての吐出口が上記を満たすことがより好ましい。
【００４４】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、上記吐出口の形状としては、特に限定されないが、例えば、略円状、略多角形状等が挙げられる。上記吐出口の形状が略円状である場合、上記吐出口の内径は、直径４ｍｍ以上であることが好ましく、より好ましくは直径６ｍｍ以上である。また、上記吐出口の内径は、直径１６ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは直径１０ｍｍ以下、更に好ましくは直径８ｍｍ以下である。
吐出口の形状及び／又は内径は、全ての吐出口において同じであってもよいし異なっていてもよい。また、少なくとも１個の吐出口が上記を満たすことが好ましく、全ての吐出口が上記を満たすことがより好ましい。
【００４５】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、上記複極式エレメントの厚さは、電解槽を一層コンパクトにできる観点から、５０ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５０ｍｍ未満、さらに好ましくは１５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、特に好ましくは２０ｍｍ以上３５ｍｍ以下である。複極式エレメントの厚さは、例えば、吐出口の断面積等により調整することができる。
なお、複極式エレメントの厚さとは、隔壁を挟んで設けられた陽極と陰極との距離（陽極外端から陰極外端までの距離）をいう。
【００４６】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、上記複極式エレメントの、吐出口における気液分離性と、電解セル全体の厚みを薄くすること、とを一層高いレベルで実現する観点から、上記吐出口の内径Ｄ（ｍｍ）と上記複極式エレメントの厚さＴ（ｍｍ）との関係Ｄ／Ｔは、０．１以上であることが好ましく、より好ましくは０．１５以上、更に好ましくは０．２以上である。また、上記関係Ｄ／Ｔは、０．９以下であることが好ましく、より好ましくは０．４以下である。
ここで、吐出口の内径とは、吐出口の内側の二点の距離のうち最も長い距離をいう。
【００４７】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、上記複極式エレメントでは、電解液を導入する電解液入口は、各領域につき１個であることが好ましい。特に、電解液を効率よく循環させる観点から、電解液入口を１個設け、吐出口（電解液出口）を複数設けることが好ましい。
例えば、上記領域Ａにおいて、１個の陽極電解液入口５ａｉと、複数の陽極電解液出口５ａｏとが設けられ、上記領域Ｂにおいて、１個の陰極電解液入口５ｃｉと複数の陰極電解液出口５ｃｏとが設けられることが好ましい。
【００４８】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、上記複極式エレメントの、吐出口の鉛直方向に最も高い位置の吐出口の傾きθ１は、該吐出口における気液分離性が一層向上する観点から、水平方向に対して鉛直方向に０°以上９０°以下であることが好ましく、より好ましくは１０°以上９０°以下、更に好ましくは１５°以上７５°以下である。
また、本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、鉛直方向に最も低い位置の吐出口の傾きθ２は、該吐出口における気液分離性が一層向上する観点から、水平方向に対して鉛直方向に−９０°以上−１０°以下であり、より好ましくは−７５°以上−１５°以下であり、−９０°以上０°以下であってもよい。
ここで、吐出口の傾きとは、複極式エレメントの鉛直方向断面（隔壁に平行方向の面）において、吐出口の二外端を結ぶ線分であって最も長い線分を形成する二外端を結ぶ直線と、水平方向とがなす角度をいう（図９）。ここで、本明細書において、水平方向に対して鉛直方向上向きを正の角度とし、鉛直方向下向き（重力方向、地球の中心に向かう方向）を負の角度とする。また、本明細書において、水平方向とは、鉛直方向に対して垂直な面の方向をいう。
【００４９】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、上記複極式エレメントの、吐出口を設ける位置は、例えば、複極式エレメントの鉛直方向上端から電極又は隔壁の鉛直方向中心までの間に設けられることが好ましく、鉛直方向上端から電極又は隔壁の鉛直方向長さの３０％までの間に設けられることがより好ましく、鉛直方向上端から電極又は隔壁の鉛直方向長さの１５％までの間に設けられることがより好ましい。なお、吐出口は、複極式エレメントの電極が設けられている面以外の面（例えば、鉛直方向上端面、水平方向両端面等）に設けられることが好ましい。なお、吐出口を設ける位置とは、吐出口の鉛直方向中心の位置をいうものとする。
吐出口を設ける位置は、領域Ａと領域Ｂとで異なっていてもよいし同じであってもよい。また、少なくとも１個の吐出口が上記を満たすことが好ましく、全ての吐出口が上記を満たすことがより好ましい。
【００５０】
本実施形態の外部ヘッダー型複極式電解槽（本明細書において、単に「複極式電解槽」と称する場合がある。）は、上記外部ヘッダー型複極式エレメント（好ましくは、アルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメント）を含む。
本実施形態では、図１に示すとおり、複極式電解槽５０は複極式エレメント６０を必要数積層することで構成されている。
図１に示す一例では、複極式電解槽５０は、一端からファストヘッド５１ｇ、絶縁板５１ｉ、陽極ターミナルエレメント５１ａが順番に並べられ、更に、陽極側ガスケット部分７、隔膜４、陰極側ガスケット部分７、複極式エレメント６０が、この順番で並べて配置される。このとき、複極式エレメント６０は陽極ターミナルエレメント５１ａ側に陰極２ｃを向けるよう配置する。陽極側ガスケット部分７から複極式エレメント６０までは、設計生産量に必要な数だけ繰り返し配置される。陽極側ガスケット部分７から複極式エレメント６０までを必要数だけ繰り返し配置した後、再度、陽極側ガスケット部分７、隔膜４、陰極側ガスケット部分７を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント５１ｃ、絶縁板５１ｉ、ルーズヘッド５１ｇをこの順番で配置される。複極式電解槽５０は、全体をタイロッド方式５１ｒ（図１参照）や油圧シリンダー方式等の締め付け機構により締め付けることによりー体化され、複極式電解槽５０となる。
複極式電解槽５０を構成する配置は、陽極２ａ側からでも陰極２ｃ側からでも任意に選択でき、上述の順序に限定されるものではない。
【００５１】
図１に示すように、複極式電解槽５０では、複極式エレメント６０が、陽極ターミナルエレメント５１ａと陰極ターミナルエレメント５１ｃとの間に配置されている。隔膜４は、陽極ターミナルエレメント５１ａと複極式エレメント６０との間、隣接して並ぶ複極式エレメント６０同士の間、及び複極式エレメント６０と陰極ターミナルエレメント５１ｃとの間に配置されている。
【００５２】
また、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、上記陽極と上記隔壁とで挟まれた領域Ａ６０ａとは陽極室内の領域であり、上記陰極と上記隔壁とで挟まれた領域Ｂ６０ｂとは陰極室内の領域をいう。複数のエレメントが隔膜を挟んで重ね合わされている場合、陽極室及び陰極室の各電極室に、複数の上記吐出口が設けられていることが好ましい。
【００５３】
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（図１）。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。
【００５４】
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。なお、本明細書において、電解液出口５ｏは上記吐出口に相当する。より具体的には、陽極室５ａには、陽極室５ａに電解液を導入する陽極電解液入口５ａｉと、陽極室５ａから導出（排出、吐出）する電解液を導出する陽極電解液出口５ａｏ、５ａｇｏとが設けられる。同様に、陰極室５ｃには、陰極室５ｃに電解液を導入する陰極電解液入口５ｃｉと、陰極室５ｃから導出（排出、吐出）する電解液を導出する陰極電解液出口５ｃｏ、５ｃｇｏとが設けられる。
【００５５】
本実施形態では、陽極室５ａ及び陰極室５ｃにおいて、電解液を電解槽５０内部で、電極面内に均一に分配するための内部ディストリビュータを備えてもよい。また、電極室５は、電解槽５０内部での液の流れを制限する機能を備えるバッフル板を備えてもよい。さらに、陽極室５ａ及び陰極室５ｃにおいて、電解槽５０内部での電解液の濃度や温度の均一化、及び、電極２や隔膜４に付着するガスの脱泡の促進のために、カルマン渦を作るための突起物を備えてもよい。
【００５６】
そして、本実施形態における複極式電解槽５０は、外枠３の外方に、電極室５に連通するヘッダー１０を備える（図３〜５参照）。
【００５７】
図３、図４に示す一例では、複極式エレメントに、ガスや電解液を配液又は集液する管であるヘッダー１０（ホース）が取り付けられる。詳細には、ヘッダー１０は、配液管から電極室５に電解液を入れるための入口ヘッダーと、電極室５から集液管にガスや電解液を出すための出口ヘッダーとからなる。
一例では、隔壁１の端縁にある外枠３の下方に、領域Ａ（陽極室５ａの一部）に電解液を入れる陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉと、領域Ｂ（陰極室５ｃの一部）に電解液を入れる陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉとを備えており、また、同様に、隔壁１の端縁にある外枠３の上側方に、領域Ａから電極液及びガスを排出する陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ、１０Ｏａｇｏと、領域Ｂから電解液及びガスを排出する陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ、１０Ｏｃｇｏとを備えている。本実施形態の複極式エレメントは、吐出口（電解液出口）を複数有するため、複数の出口ヘッダーと接続される。
また、一例では、領域Ａ（陽極室５ａの一部）及び領域Ｂ（陰極室５ｃの一部）において、入口ヘッダーと出口ヘッダーとが、各領域の中央部（電極室５の中央部）を挟んで向かい合うように設けられている。
【００５８】
特に、この一例の複極式電解槽５０は、複極式電解槽５０とヘッダー１０とが独立している形式である外部ヘッダー１０Ｏ型複極式エレメントを採用している。
図４に、本実施形態のアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式電解槽の一例を示す。
【００５９】
さらに、図３、図４に示す一例では、ヘッダー１０に、配液又は集液されたガスや電解液を集める管である導管２０が取り付けられる。詳細には、導管２０は、入口ヘッダーに連通する配液管と、出口ヘッダーに連通する集液管とからなる。
一例では、外枠３のうちの下方に、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉに連通する陽極用配液管２０Ｏａｉと、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉに連通する陰極用配液管２０Ｏｃｉとを備えており、また、同様に、外枠３のうちの側方に、陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ、１０Ｏａｇｏに連通する陽極用集液管２０Ｏａｏと、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ、１０Ｏｃｇｏに連通する陰極用集液管２０Ｏｃｏとを備えている。
ここで、吐出口（電解液出口）が複数設けられている場合、陽極電解液出口５ａｏのうち鉛直方向に最も高い位置の吐出口を５ａｇｏ、陰極電解液出口５ｃｏのうち鉛直方向に最も高い位置の吐出口を５ｃｇｏとする場合がある。また、電解液出口５ａｏ、５ｃｏから延びる出口側ホース（出口ヘッダー）１０Ｏａｏ、１０Ｏｃｏのうち、鉛直方向に最も高い位置の吐出口５ａｇｏ、５ｃｇｏから延びる出口側ホース（出口ヘッダー）を１０Ｏａｇｏ、１０Ｏｃｇｏとする場合がある。
上記鉛直方向に最も高い位置の吐出口５ａｇｏ、５ｃｇｏが、鉛直方向に最も低い位置の吐出口から排出するガス量よりも多くのガスを排出する吐出口であることが好ましい。また、上記鉛直方向に最も高い位置の吐出口５ａｇｏ、５ｃｇｏが、鉛直方向に最も低い位置の吐出口から排出する電解液量よりも少ない電解液を排出する吐出口であることが好ましい。そうすることで、集液管内での気液分離状態が向上し、気液分離タンク内での気液分離効率を向上させることができる。中でも、最も高い位置の吐出口から排出されるガス量が、最も低い位置の吐出口から排出されるガス量の１０倍以上であることが好ましい。また、最も高い位置の吐出口から排出される電解液量が、最も低い位置の吐出口から排出される電解液量の１／１０以下であることが好ましい。ここで、上記ガス量、及び上記電解液量とは、単位時間当たりに流れるガスの総量及び電解液の総量をいうものとする。
上記鉛直方向に最も高い位置の吐出口５ａｇｏ、５ｃｇｏから延びる出口側ホース（出口ヘッダー）１０Ｏａｇｏ、１０Ｏｃｇｏからは、ガスのみが排出されることが好ましい。
【００６０】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）では、陽極室５ａ及び陰極室５ｃにおいて、入口ヘッダーと出口ヘッダーとは、水電解効率の観点から、離れた位置に設けられることが好ましく、電極室５の中央部を挟んで向かい合うように設けられることが好ましく、図３、図４に示すように隔壁１の平面視形状が長方形である場合、長方形の中心を挟んで設けられることが好ましい。
【００６１】
通常、陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ、陽極用集液管２０Ｏａｏ、陰極用集液管２０Ｏｃｏは、各電極室５に１つずつ設けられるが、本実施形態では、これに限定されず、複数の電極室５で兼用されてもよい。
【００６２】
なお、図示した例では、平面視で長方形形状の隔壁１と平面視で長方形形状の隔膜４とが平行に配置され、また、隔壁１の端縁に設けられる直方体形状の外枠の隔壁１側の内面が隔壁１に垂直となっているため、電極室５の形状が直方体となっている。しかしながら、本実施形態において、電極室５の形状は、図示の例の直方体に限定されることなく、隔壁１や隔膜４の平面視形状、外枠３の隔壁１側の内面と隔壁１とのなす角度等により、適宜変形されてよく、本発明の効果が得られる限り、いかなる形状であってもよい。
【００６３】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）では、電極室５とヘッダー１０との位置関係は、特に限定されず、図３、図４に示すように、複極式エレメント６０を隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が鉛直方向となるように使用した場合に、入口ヘッダーは、電極室５に対して下方や側方に位置し（図示では、下方）、出口ヘッダーは、電極室５に対して上方や側方に位置していてよく（図示では、上側方）、また、入口ヘッダーに連通する配液管は、電極室５に対して下方や側方に位置し（図示では、下方）、出口ヘッダーに連通する集液管は、電極室５に対して上方や側方に位置していてよい（図示では、上側方）。
【００６４】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）では、導管２０の延在方向は、特に限定されないが、図３、図４に示す一例のように、本発明の効果を得られやすくする観点から、配液管（陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ）及び集液管（陽極用集液管２０Ｏａｏ、陰極用集液管２０Ｏｃｏ）は、ぞれぞれ、隔壁１に垂直な方向に延びることが好ましく、導管２０のいずれもが、隔壁１に垂直な方向に延びることがさらに好ましい。
【００６５】
なお、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、電解室５内における気液の流れの乱れにより電解室５に生じる対流を低減して、局所的な電解液の温度の上昇を抑制するため、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１に対して平行に配置される複数の整流板６（リブ）を備えていてもよい。
【００６６】
本実施形態の複極式電解槽は、複数の上記吐出口と、上記電解液集液管とがホース（陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ、１０Ｏａｇｏ、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ、１０Ｏｃｇｏ）でつながれていることが好ましい。
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、鉛直方向に最も高い位置の吐出口における上記ホースの傾きθ３は、該吐出口における気液分離性が一層向上する観点から、水平方向に対して鉛直方向に０°以上９０°以下であってよく、１０°以上９０°未満であることが好ましく、より好ましくは１５°以上７５°以下である。また、鉛直方向に最も低い位置の吐出口における上記ホースの傾きθ４は、該吐出口における気液分離性が一層向上する観点から、水平方向に対して鉛直方向に−９０°以上０°以下であってよく、−９０°超−１０°以下であることが好ましく、より好ましくは−７５°以上−１５°以下である。
ここで、ホースの傾きとは、複極式エレメントの鉛直方向断面（隔壁に平行方向の面）において、吐出口とホースとの接続箇所における、ホースの向きと水平方向とがなす角度をいう（図９）。具体的には、ホースの電解液が流れる方向に対して垂直なホース断面の中心を結んだ線分（例えば、上記接続個所から長さ１ｍｍの線分、接続個所と接続個所から１ｍｍの位置の上記ホース断面中心とを結んだ線分）と水平方向とがなす角度をいう。
【００６７】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、上記複極式電解槽は、電解により生成したガスと電解液の分離性を向上するために、相対的に重たい電解液を下側に位置付ける観点から、上記電解液集液管が、上記吐出口より鉛直方向下側に設けられていることが好ましく、鉛直方向に最も低い位置の吐出口より鉛直方向下側に設けられていることがより好ましい。
具体的には、鉛直方向に最も低い位置の吐出口の鉛直方向中心と、電解液集液管の鉛直方向断面の鉛直方向中心との距離ｈが、１００ｍｍ以上であることが好ましく、より好ましくは２００〜１４００ｍｍ、さらに好ましくは６００〜１２００ｍｍである。
【００６８】
本実施形態（例えば、上記［１］〜［１８］の形態等）において、上記複極式電解槽は、電解により生成したガスと電解液の分離性を向上するために、相対的に軽いガスを上側に位置付ける観点から、鉛直方向に最も高い位置の吐出口から延びるホースが上記電解液集液管の鉛直方向断面の鉛直方向中心より鉛直方向上側で上記電解液集液管に接続され、鉛直方向に最も低い位置の吐出口から延びるホースが上記電解液集液管の鉛直方向断面の鉛直方向中心より鉛直方向下側で上記電解液集液管に接続されることが好ましい（図７、９）。例えば、吐出口の数が２個である場合、鉛直方向上側の吐出口から延びるホース１０Ｏａｇｏ、１０Ｏｃｇｏが、電解液集液管２０Ｏａｏ、２０ｃｏの断面中心２０ｈより鉛直方向上側に接続され、鉛直方向下側の吐出口から延びるホース１０Ｏａｏ、１０Ｏｃｏが、電解液集液管２０Ｏａｏ、２０ｃｏの断面中心２０ｈより鉛直方向下側に接続されることが好ましい（図７、９）。
【００６９】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０は、複数の複極式エレメント６０を有することが好ましい。
【００７０】
以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０の構成要素について詳細に説明する。
また、以下では、本発明の効果を高めるための好適形態についても詳述する。
【００７１】
−隔壁−
本実施形態における隔壁１の形状は、所定の厚みを有する板状の形状としてよいが、特に限定されない。
【００７２】
なお、隔壁１は、通常、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が、鉛直方向となるように、使用してよく、具体的には、図３〜５に示すように隔壁１の平面視形状が長方形である場合、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が、向かい合う２組の辺のうちの１組の辺の方向と同じ方向となるように、使用してよい。
【００７３】
隔壁１の材料としては、電力の均一な供給を実現する観点から、導電性を有する材料が好ましく、耐アルカリ性や耐熱性といった面から、ニッケル、ニッケル合金、軟鋼、ニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
【００７４】
−電極−
本実施形態のアルカリ水電解による水素製造において、エネルギー消費量の削減、具体的には電解電圧の低減は、大きな課題である。この電解電圧は電極２に大きく依存するため、両電極２の性能は重要である。
【００７５】
アルカリ水電解の電解電圧は、理論的に求められる水の電気分解に必要な電圧の他に、陽極反応（酸素発生）の過電圧、陰極反応（水素発生）の過電圧、陽極２ａと陰極２ｃとの電極２間距離による電圧とに分けられる。ここで、過電圧とは、ある電流を流す際に、理論分解電位を越えて過剰に印加する必要のある電圧のことを言い、その値は電流値に依存する。同じ電流を流すとき、過電圧が低い電極２を使用することで消費電力を少なくすることができる。
【００７６】
低い過電圧を実現するために、電極２に求められる要件としては、導電性が高いこと、酸素発生能（或いは水素発生能）が高いこと、電極２表面で電解液の濡れ性が高いこと等が挙げられる。
【００７７】
アルカリ水電解の電極２として、過電圧が低いこと以外に、再生可能エネルギーのような不安定な電流を用いても、電極２の基材及び触媒層の腐食、触媒層の脱落、電解液への溶解、隔膜４への含有物の付着等が起きにくいことが挙げられる。
【００７８】
本実施形態における電極２としては、電解に用いられる表面積を増加させるため、また、電解により発生するガスを効率的に電極２表面から除去するために、多孔体が好ましい。特に、ゼロギャップ電解槽の場合、隔膜４との接触面の裏側から発生するガスを脱泡する必要があるため、電極２の膜に接する面と反対に位置する面が、貫通していることが好ましい。
【００７９】
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。
【００８０】
本実施形態における電極２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。
【００８１】
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。
【００８２】
陽極２ａ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、或いはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。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。
【００８３】
陰極２ｃ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、或いはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。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。
【００８４】
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、及び、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。
【００８５】
−外枠−
本実施形態における外枠３の形状は、隔壁１を縁取ることができる限り特に限定されないが、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３の形状としては、特に限定されることなく、隔壁１の平面視形状に合わせて適宜定められてよい。
【００８６】
外枠３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。
【００８７】
−隔膜−
本実施形態の複極式電解槽５０において用いられる隔膜４としては、イオンを導通しつつ、発生する水素ガスと酸素ガスを隔離するために、イオン透過性の隔膜４が使用される。このイオン透過性の隔膜４は、イオン交換能を有するイオン交換膜と、電解液を浸透することができる多孔膜が使用できる。このイオン透過性の隔膜４は、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、電子電導度が小さく、強度が強いものが好ましい。
【００８８】
−−多孔膜−−
多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有し、隔膜４を電解液が透過できる構造を有する。電解液が多孔膜中に浸透することにより、イオン伝導を発現するため、孔径や気孔率、親水性といった多孔構造の制御が非常に重要となる。一方、電解液だけでなく、発生ガスを通過させないこと、すなわちガスの遮断性を有することが求められる。この観点でも多孔構造の制御が重要となる。
【００８９】
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。
【００９０】
多孔膜の厚みは、特に限定されないが、２００μｍ以上７００μｍ以下であることが好ましい。多孔膜の厚みが、２５０μｍ以上であれば、一層優れたガス遮断性が得られ、また、衝撃に対する多孔膜の強度が一層向上する。この観点より、多孔膜の厚みの下限は、３００μｍ以上であることがより好ましく、３５０μｍ以上であることが更に好ましく４００μｍ以上でることがより一層好ましい。一方で、多孔膜の厚みが、７００μｍ以下であれば、運転時に孔内に含まれる電解液の抵抗によりイオンの透過性を阻害されにくく、一層優れたイオン透過性を維持すことができる。かかる観点から、多孔膜の厚みの上限は、６００μｍ以下であることがより好ましく、５５０μｍ以下であることが更に好ましく、５００μｍ以下であることがより一層好ましい。特に、高分子樹脂が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン及びポリフェニルスルホンからなる群より選ばれる少なくとも１種を含むものである場合に、かかる効果は一層向上する。
【００９１】
−−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。
【００９２】
（（ゼロギャップ構造））
ゼロギャップ型セルにおける複極式エレメント６０では、極間距離を小さくする手段として、電極２と隔壁１との間に弾性体であるバネを配置し、このバネで電極２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２が隔膜４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。
【００９３】
本実施形態のアルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメント６０では、図２、図６に示すように、陰極２ｃ又は陽極２ａと隔壁１との間に、導電性弾性体２ｅ及び集電体２ｒが、導電性弾性体２ｅが陰極２ｃ又は陽極２ａと集電体２ｒとに挟まれるように、設けられている。
【００９４】
−集電体−
集電体２ｒは、その上に積層される導電性弾性体２ｅや電極２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２から発生するガスを隔壁１側に支障なく通過させる役割がある。従って、この集電体２ｒ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２ｒの開口率は、電極２から発生した水素ガスを支障なく隔壁１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２ｅ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。
【００９５】
集電体２ｒ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２ｒのリブ６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。
【００９６】
−導電性弾性体−
導電性弾性体２ｅは、集電体２ｒと電極２の間にあって集電体２ｒ及び電極２と接しており、電気を電極２に伝えること、電極２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２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４を損傷させない程度の適切な圧力を電極２に均等に加えることで、隔膜４と電極２とを密着させることである。
【００９７】
導電性弾性体２ｅとしては、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Ｚ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２ｅの厚みは、通常１ｍｍ〜２０ｍｍ程度のものが使用できる。
【００９８】
ゼロギャップ構造Ｚに使用できる電極２基材としては、線径が細くメッシュの小さい電極２が柔軟性も高く好ましい。このような基材材質は通常公知のものを使用できる。例えば、陰極２ｃの基材としては、ニッケル、ニッケル合金、ステンレススチール、軟鋼、或いはニッケル合金又はステンレススチール又は軟鋼上にニッケルメッキを施したものを用いることができる。これらの基材の線径は０．０５〜０．５ｍｍで、目開きが３０メッシュから８０メッシュ程度の範囲が好ましい。
【００９９】
−電極室−
本実施形態における電解セル６５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。
【０１００】
−整流板−
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、隔壁１に整流板６（陽極整流板６ａ、陰極整流板６ｃ）が取り付けられ、整流板６（リブ）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、整流板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、整流板６に、電極２が設けられていてもよく、整流板６に、集電体２ｒ、導電性弾性体２ｅ、電極２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槽５０では、陰極室５ｃにおいて、整流板６−集電体２ｒ−導電性弾性体２ｅ−電極２の順に重ね合わせられた構造が採用され、陽極室５ａにおいて、整流板６−電極２の順に重ね合わせられた構造が採用されている。
【０１０１】
なお、前述の一例のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、陰極室５ｃにおいて上記「整流板６−集電体２ｒ−導電性弾性体２ｅ−電極２」の構造が採用され、陽極室５ａにおいて上記「整流板６−電極２」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５ａにおいても「整流板６−集電体２ｒ−導電性弾性体２ｅ−電極２」構造が採用されてもよい。
【０１０２】
整流板６（陽極整流板６ａ、陰極整流板６ｃ）には、陽極２ａ又は陰極２ｃを支える役割だけでなく、電流を隔壁１から陽極２ａ又は陰極２ｃへ伝える役割を備えることが好ましい。
【０１０３】
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、整流板６の少なくとも一部が導電性を備えことが好ましく、整流板６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。
【０１０４】
整流板６の材料としては、一般的に導電性の金属が用いられる。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。
【０１０５】
隣接する陽極整流板６ａ同士の間隔、又は隣接する陰極整流板６ｃ同士の間隔は、電解圧力や陽極室５ａと陰極室５ｃの圧力差等を勘案して決められる。
【０１０６】
整流板６（陽極整流板６ａ、陰極整流板６ｃ）の長さは、隔壁１のサイズに応じて、適宜に定められてよい。
整流板６の高さは、隔壁１から各フランジ部までの距離、ガスケット７の厚さ、電極２（陽極２ａ、陰極２ｃ）の厚さ、陽極２ａと陰極２ｃとの間の距離等に応じて、適宜に定められてよい。
また、整流板６の厚みは、コストや製作性、強度等も考慮して、０．５ｍｍ〜５ｍｍとしてよく、１ｍｍ〜２ｍｍのものが用いやすいが、特に限定されない。
【０１０７】
−ガスケット−
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽５０では、隔壁１を縁取る外枠３同士の間に隔膜４を有するガスケット７が挟持されることが好ましい。
ガスケット７は、複極式エレメント６０と隔膜４の間、複極式エレメント６０間を電解液と発生ガスに対してシールするために使用され、電解液や発生ガスの電解槽外への漏れや両極室間におけるガス混合を防ぐことができる。
【０１０８】
ガスケット７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。
【０１０９】
ガスケット７のサイズは、特に制限されるものではなく、電極室５や膜の寸法に合わせて設計すればよいが、幅が１０ｍｍ〜４０ｍｍにするのがよい。
【０１１０】
ガスケット７の厚みは、特に制限されるものではなく、ガスケット７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、１．０ｍｍ〜１０ｍｍが好ましく、３．０ｍｍ〜１０ｍｍがより好ましい。
【０１１１】
ガスケット７の弾性率は、特に制限されるものではなく、電極２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、０．２０ＭＰａ〜２０ＭＰａの範囲がより好ましく、シーリング特性やスタック時のセル強度の観点から、１．０ＭＰａ〜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を用いてよい。
【０１１２】
−ヘッダー−
アルカリ水電解用複極式電解槽５０は、電解セル６５毎に、陰極室５ｃ、陽極室５ａを有する。電解槽５０で、電気分解反応を連続的に行うためには、各電解セル６５の陰極室５ｃと陽極室５ａとに電気分解によって消費される原料を十分に含んだ電解液を供給し続ける必要がある。
【０１１３】
電解セル６５は、複数の電解セル６５に共通するヘッダー１０と呼ばれる電解液の給排配管と繋がっている。一般に、陽極用配液管は陽極入口ヘッダー１０ａｉ、陰極用配液管は陰極入口ヘッダー１０ｃｉ、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー１０ａｏ、陰極用集液管は陰極出口ヘッダー１０ｃｏと呼ばれる。電解セル６５はホース等を通じて各電極用配液管及び各電極用集液管と繋がっている。
【０１１４】
ヘッダー１０の材質は特に限定されないが、使用する電解液の腐食性や、圧力や温度等の運転条件に十分耐えうるものを採用する必要がある。ヘッダー１０の材質に、鉄、ニッケル、コバルト、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＦＡ、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等を採用しても良い。
【０１１５】
本実施形態において、電極室５の範囲は、隔壁１の外端に設けられる外枠３の詳細構造により、変動するところ、外枠３の詳細構造は、外枠３に取り付けられるヘッダー１０（電解液を配液又は集液する管）の配設態様により異なることがある。複極式電解槽５０のヘッダー１０の配設態様としては、内部ヘッダー型及び外部ヘッダー１０Ｏ型が代表的である。
【０１１６】
−外部ヘッダー−
外部ヘッダー１０Ｏ型とは、複極式電解槽５０とヘッダー１０（電解液を配液又は集液する管）とが独立している形式をいう。
【０１１７】
外部ヘッダー１０Ｏ型複極式電解槽５０は、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉと、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉとが、電解セル６５の通電面に対し、垂直方向に、電解槽５０と並走する形で、独立して設けられる。この陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ及び陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉが、各電解セル６５に接続される。
【０１１８】
外部ヘッダー１０Ｏ型複極式電解槽５０に外在的に接続される、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉと、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉと、陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ、１０Ｏａｇｏと、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ、１０Ｏｃｇｏを総称して、外部ヘッダー１０Ｏと呼ぶ。
外部ヘッダー１０Ｏ型の例では、隔壁１の端縁にある外枠３のうちの下方に位置する部分に設けられたヘッダー１０用貫通孔に、管腔状部材が設置され、管腔状部材が、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ及び陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉに接続されており、また、同様に、隔壁１の端縁にある外枠３のうちの上方に位置する部分に設けられたヘッダー１０用貫通孔に、管腔状部材（例えば、ホースやチューブ等）が設置され、かかる管腔状部材が、陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ及び陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏに接続されている。
【０１１９】
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５０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５ａと陽極出口ヘッダー１０ａｏとの間や、陰極室５ｃと陰極出口ヘッダー１０ｃｏとの間に取付けられてもよい。
【０１２０】
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。
【０１２１】
（アルカリ水電解用電解装置）
図８に、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置の概要を示す。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０は、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽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７３とを有する。
【０１２２】
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０によれば、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態によれば、再生可能エネルギー等の変動電源での運転時に、電極２の逆電吸収体の機能により、大電力の長期間貯蔵及び長距離輸送を実現することが可能となり、電力供給を停止した際に生じる自己放電を低減して、電気制御システムの安定化が可能となる。本実施形態によれば、さらには、高効率での電力の貯蔵、具体的には、ポンプ動力の低減やリーク電流の低減を実現することが可能となる。
【０１２３】
以下、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０の構成要素について説明する。
【０１２４】
−送液ポンプ−
本実施形態において用いられる送液ポンプ７１としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
【０１２５】
−気液分離タンク−
本実施形態において用いられる気液分離タンク７２は、電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンク７２ｈと、電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンク７２ｏとを含む。
水素分離タンク７２ｈは陰極室５ｃに接続され、酸素分離タンク７２ｏは陽極室５ａに接続されて用いられる。
【０１２６】
アルカリ水電解システムの気液分離タンク７２は、陽極室５ａ用に用いられる酸素分離タンク７２ｏと、陰極室５ｃに用に用いられる水素分離タンク７２ｈの二つが備えられる。
【０１２７】
陽極室５ａ用の気液分離タンク７２は、陽極室５ａで発生した酸素ガスと電解液を分離し、陰極室５ｃ用の気液分離タンク７２は、陰極室５ｃで発生した水素ガスと電解液を分離する。
【０１２８】
電解セル６５から電解液と発生ガスが混合した状態で排出されたものを、気液分離タンク７２に流入させる。気液分離が適切に行われなかった場合は、陰極室５ｃと陽極室５ａの電解液が混合したときに、酸素ガス、水素ガスが混合されてしまい、ガスの純度が低下する。最悪の場合、爆鳴気を形成してしまう危険性がある。
【０１２９】
気液分離タンク７２に流入したガスと電解液は、ガスはタンク上層の気相へ、電解液はタンク下層の液相に分かれる。気液分離タンク７２内での電解液の線束と、発生したガス気泡の浮遊する速度と、気液分離タンク７２内の滞留時間によって、気液分離の度合いが決まる。
【０１３０】
ガスが分離された後の電解液は、タンク下方の流出口から流出し、電解セル６５に再び流入することで循環経路を形成する。タンク上方の排出口から排出された酸素、及び水素ガスは、いずれもアルカリミストを含んだ状態であるため、排出口の下流に、ミストセパレーターや、クーラー等の、余剰ミストを液化し気液分離タンク７２に戻すことが可能な装置を取り付けることが好ましい。
【０１３１】
気液分離タンク７２には、内部に貯留する電解液の液面高さを把握するために、液面計を備えることも可能である。
【０１３２】
また、前記気液分離タンク７２は、圧力解放弁を備えることが好ましい。これにより電解で発生するガスによる圧力の上昇を受けても、設計圧力を超えた場合、安全に圧力を下げることが可能となる。
【０１３３】
気液分離タンク７２への流入口は、気液分離性を向上させる上で、電解液面よりも上面に位置することが好ましいが、これに限定されるものではない。
循環停止時の電解槽中の液面の低下を防ぐ目的で、気液分離タンク７２内の電解液面を電解槽上面よりも高いことが好ましいが、これに限定されるものではない。
電解セル６５と気液分離タンク７２との間に遮断弁を付けることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【０１３４】
気液分離タンク７２の材料には、ニッケル等の耐アルカリ性金属が用いられる。一方、鉄等の汎用金属をタンク筐体材料として用いる場合においては、タンク内部の電解液接触面に、フッ素系樹脂等で被覆処理を施したものを用いることもあるが、本発明における気液分離タンク７２の素材を限定するものではない。
【０１３５】
気液分離タンク７２の容量は、設置容積を考慮すると、小さい方が好ましいが、容積が小さすぎると、陰極２ｃと陽極２ａの圧力差が大きくなった場合や電解電流値に変動が生じた場合、タンク内の液面が変動するため、この変動分を考慮する必要がある。
また、タンク高さも同様に、高さが低い場合は、上記変動の影響を受けやすいため、高くすることが好ましい。
【０１３６】
−水補給器−
本実施形態において用いられる水補給器７３としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
水としては、一般上水を使用してもよいが、長期間に渡る運転を考慮した場合、イオン交換水、ＲＯ水、超純水等を使用することが好ましい。
【０１３７】
−その他−
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０は、複極式電解槽５０、気液分離タンク７２、水補給器７３以外にも、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、温度計８１、８２等を備えてよい。
【０１３８】
また、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０は、さらに、電力供給の停止を検知する検知器、及び、送液ポンプを自動停止する制御器を備えることが好ましい。検知器及び制御器を備えることで、再生可能エネルギーのように、変動が激しい電力源下でも、人為的な操作なしに、自己放電の影響を効率的に低減することが可能になる。
【０１３９】
（アルカリ水電解方法）
本実施形態のアルカリ水電解方法は、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置７０を用いて、実施することができる。本実施形態のアルカリ水電解方法によれば、水素、酸素等のガスを製造することができる。
本実施形態の水素の製造方法は、アルカリを含有する水を、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、前記電解槽は少なくとも複極式エレメントを有し、前記複極式エレメントは、陽極と陰極とを含む電極と、前記陰極と前記陽極とを隔離する隔壁と、前記電極で発生したガスを含む電解液を排出する吐出口とを備え、前記陽極又は前記陰極と前記隔壁とで挟まれた領域において、前記吐出口を複数個有する、外部ヘッダー型複極式エレメントである。
方法の好適な条件を以下に記載する。
【０１４０】
本実施形態において用いられる電解液としては、アルカリ塩が溶解されたアルカリ性の水溶液としてよく、例えば、ＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液等が挙げられる。
アルカリ塩の濃度としては、２０質量％〜５０質量％が好ましく、２５質量％〜４０質量％がより好ましい。
本実施形態では、イオン導電率、動粘度、冷温化での凍結の観点から、２５質量％〜４０質量％のＫＯＨ水溶液が特に好ましい。
【０１４１】
本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル６５内にある電解液の温度が８０℃〜１３０℃であることが好ましい。
上記温度範囲とすれば、高い電解効率を維持しながら、ガスケット７、隔膜４等の電解装置７０の部材が熱により劣化することを効果的に抑制することができる。
電解液の温度は、８５℃〜１２５℃であることがさらに好ましく、９０℃〜１１５℃であることが特に好ましい。
【０１４２】
本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル６５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。
【０１４３】
本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル６５内の圧力としては、３ｋＰａ〜１０００ｋＰａであることが好ましく、３ｋＰａ〜３００ｋＰａであることがさらに好ましい。
【０１４４】
本実施形態では、前述のアルカリ水電解用電解装置７０の構成要素を用いて、例えば、図８に示すような構成のアルカリ水電解用電解装置７０を作製することができるが、これに限定されるものではない。
【０１４５】
また、本実施形態の複極式電解槽及びアルカリ水電解方法では、アルカリ水電解用複極式電解槽への電力供給の停止時に、送液ポンプを停止することで、出口ホース内の電解液の流れを停止することが好ましい。出口ホース内の電解液の流れを停止することで、電解液の自重によって電解液が出口ヘッダーに流れ落ちるため、出口ホース内に絶縁性のガス層が形成される。これにより、出口ホースの液抵抗が無限に増大するため、出口ホースにリーク電流がほぼ流れなくなる。その結果、自己放電の影響を低減することが可能になる。
本実施形態の複極式電解槽は、電解液の流れが停止した後に、ホース内にガス層が形成される機構を備えることが好ましい。上記機構としては、例えば、気液分離タンク液面を吐出口よりも低い位置に有する構造、吐出口と電解液集液管との間のホースが、鉛直方向上向きから鉛直方向下向きに変わる点を有する構造、鉛直方向下向きから鉛直方向上向きに変わる点を有する構造、電解液の流れの停止と連動してホースを閉じる弁が設けられた構造等が挙げられる。
上記ホースは絶縁性の材料からなることが重要であり、上記ホースが１ＭΩ・ｃｍ以上の電気抵抗率を有することがより好ましい。電気抵抗率は、絶縁抵抗計により測定することができ、既存のＭΩテスターを使用することができる。
さらに、上記ホースは、外部からホース内部を視認可能なホースであることが好ましい。視認可能なホースとしては、光透過性を有するホース等が挙げられる。ホース内の気液状況が確認できることで、電解中の運転状態が安定状態にあるか確認することが可能となる。例えば、電解液の循環量が多すぎる場合、気液分離性が悪化し、気体用ホース側に電解液が流出することが確認できる。また、電解電密が大きすぎる場合は、気液分離性が悪化し、液体用ホース側に発生ガスが定常、または間欠的に発生するため、これも確認することが可能となる。そのため、透明性はできるだけ高い方が好ましい。
このようなホースの材質は、アルカリ、高温、および耐圧力性があるものであり、例えば、フッ素系が好ましく、ＰＴＦＥやＰＦＡ製のホースなどがある。
上記光透過性としては、ＪＩＳ  Ｋ７３６１−１に準拠して測定した光透過率から判定することができる。視認可能な上記ホースは、上記光透過率が１０％以上であるホースであることが好ましい。
【０１４６】
以上、図面を参照して、本発明の実施形態の複極式電解槽、電解装置、アルカリ水電解方法、水素製造方法について例示説明したが、本発明の複極式電解槽、電解装置、アルカリ水電解方法。水素製造方法は、上記の例に限定されることはなく、上記実施形態には、適宜変更を加えることができる。
【実施例】
【０１４７】
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。【０１４８】
アルカリ水電解用外部ヘッダー型複極式エレメント及びそれを用いた電解装置は、下記のとおり作製した。【０１４９】
−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３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。【０１５０】
−陽極−
陽極としては、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、酸化ニッケルの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て製作した。この電極を、切断加工により、寸法を、縦１１５５ｍｍ×横２３５４ｍｍに調整した陽極とした。【０１５１】
−陰極−
導電性基材として、直径０．１５ｍｍのニッケルの細線を４０メッシュで編んだ平織メッシュ基材上に白金を担持したものを用いた。
陰極のサイズは、平面視でのサイズは１１５５ｍｍ×２３５４ｍｍとした。【０１５２】
−ゼロギャップ構造−
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、複極式電解槽を組み立てることによって、陰極サンプルと陽極サンプルとを隔膜の両側から押し付けて接触させ、ゼロギャップ構造を形成した。
陽極側では陽極サンプルのみを用い、陰極側は「陰極−導電性弾性体−集電体」の組み合わせからなる陰極サンプルを用いた。
陽極サンプルとしては、前述のものを用いた。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キスパンド基材を用いた。基材の厚みは１ｍｍであり、開口率は５４％であった。導電性弾性体として、線径０．１５ｍｍのニッケル製ワイヤー４本を用いて織物として更に波高さ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。導電性弾性体を集電体上にスポット溶接して固定した。陰極サンプルとしては、前述のものを用いた。【０１５３】
−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）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（和光純薬工業社製）、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）を用いて、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）の両表面に対して塗工した。塗工後直ちに、塗工液を塗工した基材を蒸気下へ晒し、その後、凝固浴中へ浸漬して、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。隔膜を、切断加工により、縦１１７２ｍｍ×幅２３６９ｍｍに調整し、隔膜サンプルとした。【０１５４】
−複極式電解槽、複極式エレメント−
複極式エレメントを４個使用し、図１に示すように、一方の端側で、ファストヘッド、絶縁板、陽極ターミナルユニットを配置し、さらに、陽極側ガスケット部分、隔膜、陰極側ガスケット部分、複極式エレメントをこの順に並べたものを４組配置し、さらに、陽極側ガスケット部分、隔膜、電陰極側ガスケット部分を配置し、もう一方の端側で、陰極ターミナルユニット、絶縁板、ルーズヘッドを配列し、その後、これらをファストヘッド及びルーズヘッドの両側からガスケットのシール面圧で２４５０ｋＮ／ｍ２で締め付けることでスタックし、複極式電解槽を組み立てた。
この実施例においては、陰極室及び陽極室が、それぞれ５室ある５対の直列接続構造を有していた。【０１５５】
−ガスケット−
ガスケットは、厚み４．０ｍｍ、幅１８ｍｍの内寸１１５５ｍｍ×２３５４ｍｍ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。【０１５６】
（実施例１）
−複極式エレメント−
陽極室、陰極室のリブ高さがそれぞれ７ｍｍであり、複極式エレメントの厚みが２１ｍｍとなる複極式エレメントを用いた。【０１５７】
−ヘッダー、導管−
外部ヘッダー型の複極式エレメントを採用した。
図３、４に示すように、この実施例の複極式電解槽５０では、電解槽５０の筐体の外方に、電解液を配液及び集液するための導管２０（陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ、陽極用集液管２０Ｏａｏ、陰極用集液管２０Ｏｃｏ）を設けた。更に、この電解槽５０では、これらの配液管２０ｉ（入側導管）から電極室５に電解液を通過させる入側ヘッダー１０ｉとしてのホース（陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉ）を外部から取りつけ、電極室５から集液管２０ｏ（出側導管）に電解液及び／又はガスを通過させる出側ヘッダー１０ｏ（陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ、１０Ｏａｇｏ、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ、１０Ｏｃｇｏ）を、外部から取り付けた。出側ヘッダーのうち、鉛直方向に高い位置の吐出口に接続されるヘッダー１０Ｏａｇｏ、１０Ｏｃｇｏと、鉛直方向に低い位置の吐出口に接続されるヘッダー１０Ｏａｏ、１０Ｏｃｏとを設けた。
ここで、図３、４に示すように、入口ヘッダー（陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉ）は複極式エレメント６０の鉛直方向下端側から外方に、出口ヘッダー（陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ、１０Ｏａｇｏ、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ、１０ｃｇｏ）は、複極式エレメント６０の隔壁１の側方から外方に延びるように、配置した。また、図３、４に示すように、導管２０（陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ、陽極用集液管２０Ｏａｏ、陰極用集液管２０Ｏｃｏ）のいずれもが、複極式エレメント６０の隔壁１に垂直な方向に延びるように、配置した。
また、下方に位置する電解液出口（吐出口）５ｃｏ、５ａｏの傾きθ２は−４５°に設置され、電解液出側ヘッダー１０Ｏａｏ、１０Ｏｃｏの傾きθ４は、−４５°に接続されている。一方、鉛直方向上方に位置する電解液出口（吐出口）５ｃｇｏ、５ａｇｏの傾きθ１は４５°に設置され、電解ガス出側ヘッダー１０Ｏａｇｏ、１０Ｏｃｇｏの傾きθ３は、４５°に接続されている。
図３、４に示すように、鉛直方向上方に位置する吐出口の吐出口を設ける位置は、吐出口の鉛直方向上端が複極式エレメントの鉛直方向上端から２８ｍｍの位置に、鉛直方向下方に位置する吐出口の吐出口を設ける位置は、吐出口の鉛直方向上端が複極式エレメントの鉛直方向上端から１３５ｍｍの位置になるように設けた。
さらに、電解液入側導管２０ｉ（陽極用配液管２０Ｏａｉ、陰極用配液管２０Ｏｃｉ）には、入側電解液の温度を測定する入口側温度計８１を取り付け、電解液出側導管２０ｏ（陽極用集液管２０Ｏａｏ、陰極用集液管２０Ｏｃｏ）には、出側電解液の温度を測定する出口側温度計８２をそれぞれ取り付けた（図８）。
陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉを介して陰極室５ｃへ、陰極室５ｃから陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ、１０ｃｇｏを介して、電解液を流した。また、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉを介して陽極室５ａへ、陽極室５ａから陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ、１０Ｏａｇｏを介して、電解液を流した。
図３、４に示すように、入口ホースは側面視で長方形の外枠３の下辺の一方端側に、出口ホースは側面視で長方形の外枠３の下辺の他方端側に繋がる側辺の上側に、それぞれ接続されている。ここでは、入口ホースと出口ホースとを、側面視で長方形の電極室５において電極室５の中央部を挟んで向かい合うように、設けた。電解液は、鉛直方向に対して傾斜しながら下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した（図４）。
この実施例の複極式電解槽５０では、陽極室５ａや陰極室５ｃの入口ホースから、陽極室５ａや陰極室５ｃに、電解液が流入し、陽極室５ａや陰極室５ｃの出口ホースから、電解液と生成ガスとが、電解槽５０外へ流出する構造とした。
尚、上記ホースは全て、ＰＦＡ製で半透明（白色光の透過率が約５０％）であり、ホース内の気液状況を目視することができる。また、ホースの電気抵抗率は１ＭΩ・ｃｍ以上である。【０１５８】
実施例１の複極式電解槽は下記のとおりの手順で作製した。
陰極を複極式フレームの陰極面に取付け、陽極を複極式エレメントのフレームの陽極面に取付けたものを、複極式エレメントとした。また、陰極を陰極ターミナルエレメントのフレームに取付けたものを、陰極ターミナルエレメントとした。陽極を陽極ターミナルエレメントのフレームに取付けたものを、陽極ターミナルエレメントとした。【０１５９】
複極式エレメントに取り付けた電極（陽極及び陰極）の面積Ｓ１は、２．７ｍ２に調整した。
外枠の側方に設けられた、ヘッダー（陽極入口ヘッダー、陽極出口ヘッダー、陰極入口ヘッダー、陰極出口ヘッダー）において、吐出口内径はφ６ｍｍとし、吐出口断面積は、２．８３×１０−５ｍ２に調整した。
鉛直方向下側の吐出口の鉛直方向中心と、電解液集液管の鉛直方向断面の鉛直方向中心との距離ｈは６００ｍｍとした。
また、複極式エレメントの厚みＴは、２１ｍｍに調整した。【０１６０】
上記複極式エレメントを４個用意した。また、上記陰極ターミナルエレメント、上記陽極ターミナルエレメントを、１個ずつ用意した。【０１６１】
全ての複極式エレメントと、陰極ターミナルエレメントと、陽極ターミナル電解セルエレメントの、金属フレーム部分にガスケットを貼付けた。【０１６２】
陽極ターミナルエレメントと、複極式エレメントの陰極側との間に、隔膜を１枚挟み込んだ。４個の複極式エレメントを、隣接する複極式エレメントのうちの一方の陽極側と他方の陰極側とが対向するように、直列に並べ、隣接する複極式エレメントの間に、３枚の隔膜を１枚ずつ挟み込んだ。更に、４個目の複極式エレメントの陽極側と、陰極ターミナルエレメントとの間に、隔膜を１枚挟み込んだ。これらを、ファストヘッド、絶縁板、ルーズヘッドを用いたうえで、プレス機で締付けたものを、実施例１の複極式電解槽とした。【０１６３】
電解液として、３０％ＫＯＨ水溶液を用いた。
送液ポンプにより、陽極室、酸素分離タンク（陽極用気液分離タンク）、陽極室の循環を、また、陰極室、水素分離タンク（陰極用気液分離タンク）、陰極室の循環を行った。
電解液の温度は入側温度計８１の温度を８０℃に調整した。【０１６４】
なお、循環流路として、配管の電解液に接液する部分についてＳＧＰ（配管用炭素鋼鋼管）にテフロン（登録商標）ライニング内面処理を施した、２０Ａの配管を用いた。【０１６５】
気液分離タンクは、高さ１４００ｍｍ、容積１ｍ３のものを用意した。
気液分離タンクの液量は、それぞれ設計容積の５０％程度とした。【０１６６】
整流器から複極式電解槽に、各々の陰極及び陽極の面積に対して、１０ｋＡ／ｍ２となるように電流を流した。実施例１においては、電極の面積Ｓ１は２．７ｍｍ２であるため、整流器から複極式電解槽に、２７ｋＡを通電した。【０１６７】
電解槽内の圧力は、圧力計で測定し、陰極側圧力が５０ｋＰａ、酸素側圧力が４９ｋＰａとなるとように調整しながら、電気分解を行った。圧力調整は、圧力計の下流に設置した圧力制御弁により行った。【０１６８】
そして、実施例１におけるアルカリ水電解について下記のとおり評価した。【０１６９】
（電解試験）
電流密度１０ｋＡ／ｍ２で８時間連続通電し、水電解を行った。電解槽のセル電圧Ｖを測定し、電解セルの相加平均値（Ｖ）を計算により求めた。【０１７０】
送液ポンプには、インバーターを取付け、セル内線速が０．０１５ｍ／ｓｅｃになるように周波数を調整した。
１０ｋＡ／ｍ２の高電密においても、陽極、陰極共に、気液分離性が良好で、鉛直方向上側に設けた吐出ヘッダーからガスが、鉛直方向下側に設けた吐出ヘッダーから電解液が排出された。また、出口側温度計８２により測定される出側電解液の温度は９０℃であり、隔膜の耐熱温度以下であった。【０１７１】
（実施例２）
陽極室、陰極室のリブ高さがそれぞれ１４ｍｍであり、複極式エレメントの厚みが３５ｍｍとなる複極式エレメントを用いた以外は、実施例１と同様に作製した。セル内線速は０．００７ｍ／ｓｅｃになるように周波数を調整した。
１０ｋＡ／ｍ２の高電密においても、陽極、陰極共に、気液分離性が良好で、鉛直方向上側に設けた吐出ヘッダーからガスが、鉛直方向下側に設けた吐出ヘッダーから電解液が排出された。
出側電解液の温度は９０℃であり、隔膜の耐熱温度以下であった。【０１７２】
（実施例３）
鉛直方向下側の吐出口の鉛直方向中心と、電解液集液管の鉛直方向断面の鉛直方向中心との距離ｈを３００ｍｍとした以外は実施例１と同様に作製した。セル内線速が０．０１５ｍ／ｓｅｃになるように周波数を調整した。
１０ｋＡ／ｍ２の高電密においても、陽極、陰極共に、気液分離性が良好で、鉛直方向上側に設けた吐出ヘッダーからガスが、鉛直方向下側に設けた吐出ヘッダーから電解液が吐出された。
出側電解液の温度は９０℃であり、隔膜の耐熱温度以下であった。【０１７３】
（実施例４）
鉛直方向下側の吐出口の鉛直方向中心と、電解液集液管の鉛直方向断面の鉛直方向中心との距離ｈを１２００ｍｍとした以外は実施例１と同様に作製した。セル内線速が０．０１５ｍ／ｓｅｃになるように周波数を調整した。
１０ｋＡ／ｍ２の高電密においても、陽極、陰極共に、気液分離性が良好で、鉛直方向上側に設けた吐出ヘッダーからガスが、鉛直方向下側に設けた吐出ヘッダーから電解液が吐出された。
出側電解液の温度は９０℃であり、隔膜の耐熱温度以下であった。【０１７４】
（実施例５）
外枠の側方に設けられた、ヘッダー（陽極入口ヘッダー、陽極出口ヘッダー、陰極入口ヘッダー、陰極出口ヘッダー）において、吐出口内径はφ４ｍｍとし、吐出口断面積は、１．２６×１０−５ｍ２に調整した以外は実施例１と同様に作製した。セル内線速が０．０１５ｍ／ｓｅｃになるように周波数を調整した。
１０ｋＡ／ｍ２の高電密においても、陽極、陰極共に、気液分離性が良好で、鉛直方向上側に設けた吐出ヘッダーからガスが、鉛直方向下側に設けた吐出ヘッダーから電解液が吐出された。
出側電解液の温度は９０℃であり、隔膜の耐熱温度以下であった。【０１７５】
（実施例６）
鉛直方向下側の吐出口の鉛直方向中心と、電解液集液管の鉛直方向断面の鉛直方向中心との距離ｈを１００ｍｍとした以外は実施例１と同様に作製した。セル内線速が０．０１５ｍ／ｓｅｃになるように周波数を調整した。
１０ｋＡ／ｍ２の高電密においても、陽極、陰極共に、気液分離性が良好であった。鉛直方向上側に設けた吐出ヘッダーからガスが、鉛直方向下側に設けた吐出ヘッダーからごく少量のガスが混ざったが、主に電解液が吐出された。脈動は見られなかった。
出側電解液の温度は９０℃であり、隔膜の耐熱温度以下であった。【０１７６】
（実施例７）
電解液出側吐出口５ｃｏ、５ａｏの傾きθ２が−９０°、電解液出側ヘッダー１０Ｏａｏ、１０Ｏｃｏの傾きθ４が０°の角度で接続され、電解ガス出側吐出口５ｃｇｏ、５ａｇｏの傾きθ１が９０°、電解ガス出側ヘッダー１０Ｏａｇｏ、１０Ｏｃｇｏの傾きθ３が０°の角度に接続されている以外は実施例２と同様に作製した。セル内線速が０．００７ｍ／ｓｅｃになるように周波数を調整した。
実施例２と比較して、わずかに気液分離性が悪化し、上側に設けたガス吐出口に電解液が流れこんだが電解液流れに脈動が発生することは無かった。【０１７７】
（比較例１）
鉛直方向上側の吐出口は設けなかったこと以外は実施例１と同様に作製した。セル内線速が０．０１５ｍ／ｓｅｃになるように周波数を調整した。
吐出口における気液分離性が悪化し、出口側ホース内に、電解液と電解ガスの混相流による脈動が激しく発生した。【０１７８】
（比較例２）
鉛直方向上側の吐出口は設けなかった以外は実施例２と同様に作製した。セル内線速が０．００７ｍ／ｓｅｃになるように周波数を調整した。【０１７９】
【表１】
2018182004.tif 000003
【符号の説明】
【０１８０】
１          隔壁
２          電極
２ａ        陽極
２ｃ        陰極
２ｅ        導電性弾性体
２ｒ        集電体
３          外枠
４          隔膜
５          電極室
５ａ        陽極室
５ｃ        陰極室
５ｉ        電解液入口
５ｏ        吐出口（電解液出口）
５ａｉ      陽極電解液入口
５ａｏ      陽極電解液出口
５ａｇｏ    陽極電解液入口
５ｃｉ      陰極電解液入口
５ｃｏ      陰極電解液出口
５ｃｇｏ    陰極電解液出口
６          整流板
６ａ        陽極整流板（陽極リブ）
６ｃ        陰極整流板（陰極リブ）
７          ガスケット
１０        ヘッダー
１０Ｏ      外部ヘッダー
１０Ｏａｉ  陽極入口ヘッダー（陽極入口側ホース）
１０Ｏａｏ  陽極出口ヘッダー（陽極出口側ホース）
１０Ｏａｇｏ陽極出口ヘッダー（陽極出口側ホース）
１０Ｏｃｉ  陰極入口ヘッダー（陰極入口側ホース）
１０Ｏｃｏ  陰極出口ヘッダー（陰極出口側ホース）
１０Ｏｃｇｏ陰極出口ヘッダー（陰極出口側ホース）
２０        導管
２０Ｏａｉ  陽極用配液管
２０Ｏａｏ  陽極用集液管
２０Ｏｃｉ  陰極用配液管
２０Ｏｃｏ  陰極用集液管
２０ｈ      集液管の断面中心
５０        複極式電解槽
５１ｇ      ファストヘッド、ルーズヘッド
５１ａ      陽極ターミナルエレメント
５１ｃ      陰極ターミナルエレメント
５１ｒ      タイロッド
６０        複極式エレメント
６０ａ      領域Ａ
６０ｂ      領域Ｂ
６５        電解セル
７０        電解装置
７１        送液ポンプ
７２        気液分離タンク
７２ｈ      水素分離タンク
７２ｏ      酸素分離タンク
７３        水補給器
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
８１        入口側温度計
８２        出口側温度計
Ｄ１        隔壁に沿う所与の方向
Ｚ          ゼロギャップ構造
θ１        鉛直方向に最も高い位置の吐出口の傾き
θ２        鉛直方向に最も低い位置の吐出口の傾き
θ３        鉛直方向に最も高い位置の吐出口におけるホースの傾き
θ４        鉛直方向に最も低い位置の吐出口におけるホースの傾き
ｈ          鉛直方向に最も低い位置の吐出口の鉛直方向中心と、電解液集液管の鉛直方向断面の鉛直方向中心との距離
【図１】
2018182004.tif 000004
【図２】
2018182004.tif 000005
【図３】
2018182004.tif 000006
【図４】
2018182004.tif 000007
【図５】
2018182004.tif 000008
【図６】
2018182004.tif 000009
【図７】
2018182004.tif 000010
【図８】
2018182004.tif 000011
【図９】
2018182004.tif 000012
【国際調査報告】
2018182004.tif 000013
2018182004.tif 000014
2018182004.tif 000015