(57)【要約】  少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有するアルカリ水電解システムであり、ガスと電解液との混合物を電解槽から気液分離タンクに流入させるための流入口が、気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている、ことを特徴とする、水電解システム、水電解方法、水素製造方法。
2018182005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有する水電解システムであり、
ガスと電解液との混合物を前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させるための流入口が、前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている、
ことを特徴とする、水電解システム。
【請求項２】
少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有するアルカリ水電解システムであり、
ガスと電解液との混合物を前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させるための流入口が、前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている、
ことを特徴とする、アルカリ水電解システム。
【請求項３】
前記流入口に取り付けられる配管は、前記気液分離タンクの内壁に沿って設置されている、請求項１又は２に記載の水電解システム。
【請求項４】
前記電解槽と前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが独立しており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び／又は前記電解槽の外枠外の下部及び／又は上部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項５】
前記電解槽と前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが一体化されており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び／又は前記電解槽の外枠内の下部及び／又は上部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項６】
前記気液分離タンクの内面に樹脂ライニング層を有しており、
前記樹脂ライニング層の厚みが０．５〜４．０ｍｍである、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項７】
前記樹脂ライニング槽の厚みの標準偏差が１．０ｍｍ以下である、請求項６に記載の水電解システム。
【請求項８】
前記樹脂ライニング層がフッ素系樹脂である、請求項６又は７に記載の水電解システム。
【請求項９】
前記フッ素系樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）からなる群から選択される少なくとも１種類である、請求項８に記載の水電解システム。
【請求項１０】
前記樹脂ライニング層が２層以上である、請求項６〜９のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項１１】
前記気液分離タンクの外面が保温材で覆われている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項１２】
前記電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンクと、前記電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンクとに接続された合流管をさらに有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の水電解システムを、電流密度８ｋＡ／ｍ２以上で継時的に電流密度が変動する電源下で、且つ、電解温度８０℃以上で使用することを特徴とする、水電解方法。
【請求項１４】
アルカリを含有する水を電解槽を有するシステムにより水電解し、水素を製造する水素製造方法において、
ガスと電解液との混合物を前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置で前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させる、
ことを特徴とする、水素製造方法。
【請求項１５】
前記気液分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記気液分離タンクへ電解液を送る電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をｈ（単位：ｍ）、
前記電解槽の電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置と前記気液分離タンクの電解液液面との鉛直方向の距離をＨ（単位：ｍ）とした時に、以下の関係を満たし、
０．０１×Ｈ≦ｈ≦０．５×Ｈ
前記電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置が、前記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向上側にあり、前記電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置が、前記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向下側にある、
請求項１に記載の水電解システム。
【請求項１６】
前記複極式電解槽と前記気液分離タンクとが離れて設けられている、請求項１５に記載の水電解システム。
【請求項１７】
前記気液分離タンクが、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
前記酸素分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記酸素分離タンクへ電解液を送る陽極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をｈａと、
前記水素分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記水素分離タンクへ電解液を送る陰極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をｈｃとが、
以下の関係を満たす、請求項１５又は１６に記載の水電解システム。
ｈａ≦ｈｃ
【請求項１８】
前記気液分離タンクが、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
前記酸素分離タンク及び前記水素分離タンクから吐出された電解液が混合されて、前記電解槽に送られる、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項１９】
経時的に電流密度が変動する電力源を更に含む、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項２０】
前記電解槽と、前記電解槽に前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが一体化されており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び／又は前記電解槽の外枠内の下部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項２１】
前記電解槽が、陽極室と陰極室とを有し、
前記陽極室と前記陰極室とを隔離する隔膜がポリスルホン系隔膜である、請求項１５〜２０のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項２２】
少なくとも水封器、水補給器をさらに有する水電解システムであり、
前記水封器は、前記気液分離タンクの下流且つ前記水補給器の上流に接続されている
請求項１に記載の水電解システム。
【請求項２３】
前記水電解システムの全体の水量を調節する機構をさらに有する、請求項２２に記載の水電解システム。
【請求項２４】
前記気液分離タンクは、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
前記水素分離タンクと前記酸素分離タンクとに接続された合流管をさらに備える、
請求項２２又は２３に記載の水電解システム。
【請求項２５】
前記水封器は、酸素分離タンクの下流及び水素分離タンクの下流の少なくとも一方に接続されている、請求項２２〜２４のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項２６】
前記水封器の下流に接続されたバッファータンクをさらに有する、請求項２２〜２５のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項２７】
前記水封器の下流に接続された水素ガス及び／又は酸素ガスを系外に排出する配管をさらに有し、
前記配管に、フレームアレスターを有する、
請求項２２〜２６のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項２８】
前記配管に、前記フレームアレスターのミスト凝縮液を前記水封器に戻す機構をさらに有する、請求項２２〜２７のいずれか一項に記載の水電解システム。
【請求項２９】
前記フレームアレスターが、その気体通過方向を水平方向又は鉛直方向下向きとして、設けられている、請求項２７又は２８に記載の水電解システム。
【請求項３０】
請求項２２〜２９のいずれか一項に記載の水電解システムを用いて、
前記水補給器より水を前記水封器を経由して供給する
ことを特徴とする、水電解方法。
【請求項３１】
前記酸素分離タンクから吐出された電解液と、前記水素分離タンクから吐出された電解液とを、前記合流管で混合し、前記電解槽に導入する、請求項３０に記載の水電解方法。
【請求項３２】
前記水封器から排出された水を前記バッファータンクを経由して前記電解槽に供給する、請求項３０又は３１に記載の水電解方法。
【請求項３３】
前記フレームアレスターに凝縮するミストを前記水封器に戻す、請求項３０〜３２のいずれか一項に記載の水電解方法。
【請求項３４】
少なくとも、電解槽、気液分離タンク、水補給器を有する水電解システムであり、
水素ガス及び／又は酸素ガスを系外に排出する配管をさらに有し、
前記配管に、フレームアレスターを有する
ことを特徴とする、請求項１に記載の水電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解システム、水電解方法、水素の製造方法に関する。
【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、他の水電解システム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、アルカリ水電解用システム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、ポンプを用いて電解液を循環させるアルカリ水電解システムが知られている（特許文献１参照）。【０００９】
アルカリ水電解システムにおいて継続的に安定した稼働を確保するためには安全性、信頼性の高いガスの供給環境を構築することは重要である。そのための手段として、水封器はシステム外の大気とシステム内を水で遮断するため、特に信頼性の高いガスの効率的供給環境を提供し得るものとして一般に用いられている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１３−０２８８２２号公報
【特許文献２】特開２０１４−２２３５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
アルカリ水電解で採用するシステムには、気液分離用タンクや電極液タンクをはじめ、貯蔵タンクは必須の構成であるにも関わらず、十分な検討がなされているとは言えず、用いる電解液の種類によってはタンクの劣化等を引き起こしてしまう課題が生じている。【００１２】
アルカリ水電解システムは、安定した性能を持続的に維持することが当然に望まれている。そのためには電解液を貯蔵するタンク、気液分離を行うタンク等のタンク類が劣化等を起こすことなく、且つ、気液分離タンクであれば気液分離性を最大限に発揮できるような構成が望まれる。【００１３】
そこで、本発明は、アルカリ水電解システムの気液分離タンクにおける気液分離性を顕著に向上させることを第一の課題とする。【００１４】
また、電解液を循環させるためにポンプを用いると、ポンプの動力源として電力を使用するために電力効率が低下し、又／及びポンプによる電解液の循環量が一定であると、変動電源下の低電流密度時に、ガス純度が悪化することがあった。【００１５】
従って、本発明の第二の課題は、電力効率が低下しにくく、低電流密度条件においてガス純度に優れるアルカリ水電解システムを提供することにある。【００１６】
しかしながら、水封器は常に一定の水を充填している必要があることから、水封器の為の製水設備と水量の管理が必要となる。このため、アルカリ水電解槽中の循環液量やアルカリ濃度の管理を個別に実施するためには、アルカリ水電解システム全体として複雑な管理が必要となり、設備の負荷も非常に大きくなってしまうことが問題となってきた。水封器を電気分解に利用することは知られているが、電気分解システム全体の効率を考慮した検討はなされていない。【００１７】
また、フレームアレスターに凝縮して溜まるミスト成分がガス配管を閉塞させ、酸素側と水素側の差圧が制御できなくなる、または、水封器内の圧力が高くなり水封器内の液面高さが低下し、水封レベルが低下する課題があり、前記凝縮水を系外に排出する作業が必要であった。このため、前記と同様に循環液量やアルカリ濃度の管理が複雑になる課題を有していた。【００１８】
そこで、本発明は、水封器を利用してアルカリ水電解システム全体を効率化することを第三の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明らは、気液分離タンクへの電解液及びガスの流入態様に着目し、上記課題の解決に向けた検討を行った結果、以下に記載する解決手段によって、気液分離タンクの気液分離性能を向上せしめた。【００２０】
本発明の要旨は以下の通りである。
［１］
少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有する水電解システムであり、
ガスと電解液との混合物を前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させるための流入口が、前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている、
ことを特徴とする、水電解システム。
［２］
少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有するアルカリ水電解システムであり、
ガスと電解液との混合物を前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させるための流入口が、前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている、
ことを特徴とする、アルカリ水電解システム。
［３］
前記流入口に取り付けられる配管は、前記気液分離タンクの内壁に沿って設置されている、［１］又は［２］に記載の水電解システム。
［４］
前記電解槽と前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが独立しており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び／又は前記電解槽の外枠外の下部及び／又は上部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、［１］〜［３］のいずれかに記載の水電解システム。
［５］
前記電解槽と前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが一体化されており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び／又は前記電解槽の外枠内の下部及び／又は上部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、［１］〜［４］のいずれかに記載の水電解システム。
［６］
前記気液分離タンクの内面に樹脂ライニング層を有しており、
前記樹脂ライニング層の厚みが０．５〜４．０ｍｍである、
［１］〜［５］のいずれかに記載の水電解システム。
［７］
前記樹脂ライニング槽の厚みの標準偏差が１．０ｍｍ以下である、［６］に記載の水電解システム。
［８］
前記樹脂ライニング層がフッ素系樹脂である、［６］又は［７］に記載の水電解システム。
［９］
前記フッ素系樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）からなる群から選択される少なくとも１種類である、［８］に記載の水電解システム。
［１０］
前記樹脂ライニング層が２層以上である、［６］〜［９］のいずれかに記載の水電解システム。
［１１］
前記気液分離タンクの外面が保温材で覆われている、［１］〜［１０］のいずれかに記載の水電解システム。
［１２］
前記電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンクと、前記電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンクとに接続された合流管をさらに有する、［１］〜［１０］のいずれかに記載の水電解システム。
［１３］
［１］〜［１２］のいずれかに記載の水電解システムを、電流密度８ｋＡ／ｍ２以上で継時的に電流密度が変動する電源下で、且つ、電解温度８０℃以上で使用することを特徴とする、水電解方法。
［１４］
アルカリを含有する水を電解槽を有するシステムにより水電解し、水素を製造する水素製造方法において、
ガスと電解液との混合物を前記気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置で前記電解槽から前記気液分離タンクに流入させる、
ことを特徴とする、水素製造方法。
［１５］
前記気液分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記気液分離タンクへ電解液を送る電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をｈ（単位：ｍ）、
前記電解槽の電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置と前記気液分離タンクの電解液液面との鉛直方向の距離をＨ（単位：ｍ）とした時に、以下の関係を満たし、
０．０１×Ｈ≦ｈ≦０．５×Ｈ
前記電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置が、前記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向上側にあり、前記電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置が、前記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向下側にある、
［１］に記載の水電解システム。
［１６］
前記複極式電解槽と前記気液分離タンクとが離れて設けられている、［１５］に記載の水電解システム。
［１７］
前記気液分離タンクが、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
前記酸素分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記酸素分離タンクへ電解液を送る陽極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をｈａと、
前記水素分離タンクの電解液液面と、前記電解槽から前記水素分離タンクへ電解液を送る陰極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をｈｃとが、
以下の関係を満たす、［１５］又は［１６］に記載の水電解システム。
ｈａ≦ｈｃ
［１８］
前記気液分離タンクが、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
前記酸素分離タンク及び前記水素分離タンクから吐出された電解液が混合されて、前記電解槽に送られる、［１５］〜［１７］のいずれかに記載の水電解システム。
［１９］
経時的に電流密度が変動する電力源を更に含む、［１５］〜［１８］のいずれかに記載の水電解システム。
［２０］
前記電解槽と、前記電解槽に前記電解液を配液又は集液する管であるヘッダーとが一体化されており、前記ヘッダーが、前記電解槽の隔壁内及び／又は前記電解槽の外枠内の下部に設けられ、且つ、前記隔壁に垂直な方向に延在するように設けられている、［１５］〜［１９］のいずれかに記載の水電解システム。
［２１］
前記電解槽が、陽極室と陰極室とを有し、
前記陽極室と前記陰極室とを隔離する隔膜がポリスルホン系隔膜である、［１５］〜［２０］のいずれかに記載の水電解システム。
［２２］
少なくとも水封器、水補給器をさらに有する水電解システムであり、
前記水封器は、前記気液分離タンクの下流且つ前記水補給器の上流に接続されている
［１］に記載の水電解システム。
［２３］
前記水電解システムの全体の水量を調節する機構をさらに有する、［２２］に記載の水電解システム。
［２４］
前記気液分離タンクは、酸素分離タンクと水素分離タンクとを含み、
前記水素分離タンクと前記酸素分離タンクとに接続された合流管をさらに備える、
［２２］又は［２３］に記載の水電解システム。
［２５］
前記水封器は、酸素分離タンクの下流及び水素分離タンクの下流の少なくとも一方に接続されている、［２２］〜［２４］のいずれかに記載の水電解システム。
［２６］
前記水封器の下流に接続されたバッファータンクをさらに有する、［２２］〜［２５］のいずれかに記載の水電解システム。
［２７］
前記水封器の下流に接続された水素ガス及び／又は酸素ガスを系外に排出する配管をさらに有し、
前記配管に、フレームアレスターを有する、
［２２］〜［２６］のいずれかに記載の水電解システム。
［２８］
前記配管に、前記フレームアレスターのミスト凝縮液を前記水封器に戻す機構をさらに有する、［２２］〜［２７］のいずれかに記載の水電解システム。
［２９］
前記フレームアレスターが、その気体通過方向を水平方向又は鉛直方向下向きとして、設けられている、［２７］又は［２８］に記載の水電解システム。
［３０］
［２２］〜［２９］のいずれかに記載の水電解システムを用いて、
前記水補給器より水を前記水封器を経由して供給する
ことを特徴とする、水電解方法。
［３１］
前記酸素分離タンクから吐出された電解液と、前記水素分離タンクから吐出された電解液とを、前記合流管で混合し、前記電解槽に導入する、［３０］に記載の水電解方法。
［３２］
前記水封器から排出された水を前記バッファータンクを経由して前記電解槽に供給する、［３０］又は［３１］に記載の水電解方法。
［３３］
前記フレームアレスターに凝縮するミストを前記水封器に戻す、［３０］〜［３２］のいずれかに記載の水電解方法。
［３４］
少なくとも、電解槽、気液分離タンク、水補給器を有する水電解システムであり、
水素ガス及び／又は酸素ガスを系外に排出する配管をさらに有し、
前記配管に、フレームアレスターを有する
ことを特徴とする、［１］に記載の水電解システム。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の第一の実施形態によれば、アルカリ水電解システムの気液分離タンクにおいて気液分離性を顕著に向上させることができる。
本発明の第二の実施形態のアルカリ水電解システムは、上記構成を有するため、電力効率が低下しにくく、低電流条件において、ガス純度に優れる。
本発明の第三の実施形態によれば、水封器を利用してアルカリ水電解システム全体を効率化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す図である。
【図２】本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの電解槽の一例の全体について示す側面図である。
【図３】本実施形態の一例の円筒形状のアルカリ水電解システムの気液分離タンクについて示す図である。（Ａ）は、気液分離タンクの軸方向に沿う面による断面図である；（ｉ）は、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、（ｉｉ）は、本発明の比較例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、（ｉｉｉ）は、角度δについての説明図である。（Ｂ）は、気液分離タンクの軸方向に垂直な面による断面図である；（ｉ）は、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、（ｉｉ）は、本発明の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、（ｉｉｉ）は、角度θについての説明図である。
【図４】本実施形態の一例の内部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽の例を示す平面図である。
【図５】図４に示す内部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を図４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ある。
【図６】本実施形態の一例の外部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を示す平面図である。
【図７】図６に示す外部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を図６の線Ｂ−Ｂに沿う面により切断したときの断面の一部を示す図ある。
【図８】本実施形態のアルカリ水電解システムの一例を示す概略図である。
【図９】本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
以下、本発明の第一の課題を解決するための第一の実施形態について記載する。
【００２４】
図１に、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す。
【００２５】
（アルカリ水電解システム）
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、少なくとも電解槽５０と気液分離タンク７２とを有するアルカリ水電解システム７０であり、ガスと電解液との混合物を電解槽５０から気液分離タンク７２に流入させるための流入口７２ｉが、気液分離タンク７２内の電解液の液面よりも高い位置に設置されている。
【００２６】
ここで、本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、流入口７２ｉに取り付けられる配管７２ｉｎは、気液分離タンク７２の内壁に沿って設置されている。
【００２７】
後述のとおり、本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、内部ヘッダー１０Ｉ型を採用しても外部ヘッダー１０Ｏ型を採用してもよい。
具体的には、本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、電解槽５０と電解液を配液又は集液する管であるヘッダー１０とが独立しており、ヘッダー１０が、電解槽５０の隔壁１内及び／又は電解槽５０の外枠３外の下部及び／又は上部に設けられ、且つ、隔壁１に垂直な方向に延在するように設けられていてもよい。
また、電解槽５０と電解液を配液又は集液する管であるヘッダー１０とが一体化されており、ヘッダー１０が、電解槽５０の隔壁１内及び／又は電解槽５０の外枠３内の下部及び／又は上部に設けられ、且つ、隔壁１に垂直な方向に延在するように設けられていてもよい。
【００２８】
一方、本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、気液分離タンク７２の内面に樹脂ライニング層（図示せず）を有している。
【００２９】
ここで、本実施形態では、樹脂ライニング層の厚みが０．５〜４．０ｍｍであることが好ましい。また、樹脂ライニング槽の厚みの標準偏差が１．０ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、樹脂ライニング層がフッ素系樹脂であることが好ましい。フッ素系樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）からなる群から選択される少なくとも１種類であることが好ましい。
【００３０】
本実施形態では、樹脂ライニング層が２層以上であることが好ましい。
【００３１】
本実施形態では、気液分離タンク７２の外面が保温材（図示せず）で覆われていることが好ましい。
【００３２】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０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とに接続された合流管をさらに有する。
【００３３】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０によれば、気液分離タンク７２において気液分離性を顕著に向上させることができる。
【００３４】
初めに、本実施形態のアルカリ水電解システム７０の構成要素について説明する。
【００３５】
（（電解槽））
本実施形態のアルカリ水電解システム７０における電解槽５０は、特に限定されることなく、単極式としても複極式としてもよいが、工業的に、複極式の電解槽が好ましい。
【００３６】
複極式は、多数のセル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。
【００３７】
図２に、本実施形態のアルカリ水電解システムの電解槽の一例の全体についての側面図を示す。
【００３８】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０の複極式電解槽５０は、図２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である。
【００３９】
（（複極式エレメント））
一例のアルカリ水電解システム７０の複極式電解槽５０に用いられる複極式エレメント６０は、図２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。
【００４０】
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４〜図７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（図４〜図７参照）。そして、本明細書では、上記鉛直方向を電解液通過方向とも称する。
【００４１】
本実施形態では、図２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２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２参照）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。
【００４２】
図２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。
【００４３】
また、本実施形態における複極式電解槽５０では、図４〜図７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。
【００４４】
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。
【００４５】
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から導出する電解液を導出する陽極電解液出口５ａｏ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から導出する電解液を導出する陰極電解液出口５ｃｏとが設けられる（図４〜図７参照）。
【００４６】
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。
【００４７】
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１０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とを備えている。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７に示す複極式電解槽５０に取り付けられるヘッダー１０の配設態様として、代表的には、内部ヘッダー１０Ｉ型と外部ヘッダー１０Ｏ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。
【００４８】
図４に、本実施形態の一例の内部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽の例を平面図で示す。
図５に、図４に示す内部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を図４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６に、本実施形態の一例の外部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を平面図で示す。
図７に、図６に示す外部ヘッダー型のアルカリ水電解システムの電解槽を図６の線Ｂ−Ｂに沿う面により切断したときの断面の一部を示す。
【００４９】
さらに、図４、図５に示す一例では、ヘッダー１０に、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１０Ｉａｉに連通する陽極用配液管２０Ｉａｉと、陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉに連通する陰極用配液管２０Ｉｃｉとを備えており、また、同様に、外枠３のうちの上方に、陽極出口ヘッダー１０Ｉａｏに連通する陽極用集液管２０Ｉａｏと、陰極出口ヘッダー１０Ｉｃｏに連通する陰極用集液管２０Ｉｃｏとを備えている。
【００５０】
通常、図４、図５に示すように、陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉ、陽極出口ヘッダー１０Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１０Ｉｃｏ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、各電極室５にそれぞれ複数設けられてもよい。
また、通常、図４、図５に示すように、陽極用配液管２０Ｉａｉは、陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉの全てを連通し、陰極用配液管２０Ｉｃｉは、陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉの全てを連通し、陽極用集液管２０Ｉａｏは、陽極出口ヘッダー１０Ｉａｏの全てを連通し、陰極用集液管２０Ｉｃｏは、陰極出口ヘッダー１０Ｉｃｏの全てを連通してよい。
【００５１】
本実施形態では、ヘッダー１０の延在方向は、特に限定されないが、図４、図５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、入口ヘッダー（陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉ）及び出口ヘッダー（陽極出口ヘッダー１０Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１０Ｉｃｏ）は、ぞれぞれ、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１に対して平行に延びることが好ましく、ヘッダー１０のいずれもが、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１に対して平行に延びることがさらに好ましい。
なお、ここで、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１に対して平行に延びるとは、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１と厳密な意味で同じ方向に延びることを意味するものではなく、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１に対して、例えば、１０°以下の範囲で、傾斜する方向に延びる場合も含むことを意味する。なお、上記傾斜角度は、５°以下であることが好ましく、２°以下であることがより好ましい。
【００５２】
本実施形態では、導管２０の延在方向は、特に限定されないが、図４、図５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２０Ｉａｉ、陰極用配液管２０Ｉｃｉ）及び集液管（陽極用集液管２０Ｉａｏ、陰極用集液管２０Ｉｃｏ）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。
なお、ここで、隔壁１に垂直な方向に延びるとは、隔壁１に厳密な意味で垂直な方向に延びることを意味するものではなく、隔壁１に垂直な方向に対して、例えば、隔壁１に沿う方向にみて４５°以下の範囲で、傾斜する方向に延びる場合も含むことを意味する。なお、上記傾斜角度は、３０°以下であることが好ましく、１５°以下であることがより好ましい。
【００５３】
図６、図７に示す一例では、ヘッダー１０に、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に連通する陽極用集液管２０Ｏａｏと、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏに連通する陰極用集液管２０Ｏｃｏとを備えている。
【００５４】
通常、図６、図７に示すように、陽極入口ヘッダー１０Ｏａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｏｃｉ、陽極出口ヘッダー１０Ｏａｏ、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ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、各電極室５にそれぞれ複数設けられてもよい。
また、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。
【００５５】
本実施形態では、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６、図７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、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、側方）。
【００５６】
本実施形態では、ヘッダー１０の延在方向は、特に限定されない。
【００５７】
本実施形態では、導管２０の延在方向は、特に限定されないが、図６、図７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。
【００５８】
本実施形態では、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４〜図７に示すように隔壁１の平面視形状が長方形である場合、長方形の中心に関して対称となるように設けられることが好ましい。
【００５９】
なお、図４〜図７に図示した例では、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。しかしながら、本発明において、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。
【００６０】
本実施形態では、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４〜図７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、上方）。
【００６１】
なお、本実施形態のアルカリ水電解システム７０の複極式電解槽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を備えていてもよい。
【００６２】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０の電解槽５０は、特に限定されず、５０〜５００の複極式エレメント６０を有することが好ましく、７０〜３００の複極式エレメント６０を有することがさらに好ましく、１００〜２００の複極式エレメント６０を有することが特に好ましい。
対数が減ると、リーク電流によるガス純度の影響は緩和される一方で、対数が増加すると、電解液を各電解セル６５に均一に分配することが困難になる。下限未満の場合や上限超の場合には、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を可能にする効果、及び、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を可能にする効果の並立が困難になる。
また、複極式エレメント６０の数（対数）が増え過ぎると、電解槽５０の製作が困難になるおそれがあり、製作精度が悪い複極式エレメント６０を多数スタックした場合には、シール面圧が不均一になりやすく、電解液の漏れやガス漏洩が生じやすい。
【００６３】
以下、本実施形態のアルカリ水電解システム７０の複極式電解槽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。
【００６４】
−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。
隔壁１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。
【００６５】
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４〜図７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。そして、本明細書では、上記鉛直方向を電解液通過方向とも称する。
【００６６】
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。
【００６７】
−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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
陽極２ａの触媒層は、酸素発生能が高く、耐久性が良いものが好ましく、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、例えばパラジウム、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、タングステン、鉄、モリブデン、銀、銅、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、ランタノイド等の金属単体や、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やグラフェン等の炭素材料等としてを用いて、触媒層を形成できる。
【００７６】
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。具体的には、ラネーニッケルや、ニッケルとアルミニウム、或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、及び、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。
【００７７】
−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。
【００７８】
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。
【００７９】
−隔膜−
本実施形態のアルカリ水電解システム７０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。
【００８０】
−−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。
【００８１】
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成することができる。
【００８２】
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。
【００８３】
−−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。
【００８４】
（（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。
【００８５】
また弾性体を介して支持した電極２の対となるもう一方の電極２の剛性を強くすることで、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２については、隔膜４を押しつけると変形する柔軟な構造とすることで、電解セル６５の製作精度上の公差や電極２の変形等による凹凸を吸収してゼロギャップを保つことができる。
【００８６】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０の複極式電解槽５０では、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。
【００８７】
−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。
【００８８】
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。
【００８９】
−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。
【００９０】
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。
【００９１】
−電極室−
本実施形態における複極式電解槽５０では、図４〜図７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。
【００９２】
本実施形態においては、複極式電解槽のヘッダー１０の配設態様としては、内部ヘッダー１０Ｉ型及び外部ヘッダー１０Ｏ型を採用できるところ、例えば、図示の例の場合、陽極２ａ及び陰極２ｃ自身が占める空間も電極室５の内部にある空間であるものとしてよい。また、特に、気液分離ボックスが設けられている場合、気液分離ボックスが占める空間も電極室５の内部にある空間であるものとしてよい。
【００９３】
−整流板−
本実施形態のアルカリ水電解システム７０の複極式電解槽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システム７０の複極式電解槽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。
【００９４】
なお、前述の一例のアルカリ水電解システム７０の複極式電解槽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。
【００９５】
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。
【００９６】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０の複極式電解槽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。
【００９７】
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。
【００９８】
−ガスケット−
本実施形態のアルカリ水電解システム７０の複極式電解槽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。
【００９９】
ガスケット７の一般的な構造としては、エレメントの枠体に接する面に合わせて、電極面をくり抜いた四角形状又は環状である。このようなガスケット２枚で隔膜４を挟み込む形でエレメント間に隔膜４をスタックさせることができる。さらに、ガスケット７は、隔膜４を保持できるように、隔膜４を収容することが可能なスリット部を備え、収容された隔壁１がガスケット７両表面に露出することを可能にする開口部を備えることも好ましい。これにより、ガスケット７は、隔膜４の縁部をスリット部内に収容し、隔膜４の縁部の端面を覆う構造がとれる。したがって、隔膜４の端面から電解液やガスが漏れることをより確実に防止できる。
【０１００】
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。
【０１０１】
−ヘッダー−
アルカリ水電解システム７０の複極式電解槽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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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１０Ｉ型及び外部ヘッダー１０Ｏ型が代表的である。
【０１０５】
−内部ヘッダー−
内部ヘッダー１０Ｉ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）とが一体化されている形式をいう。
【０１０６】
内部ヘッダー１０Ｉ型複極式電解槽５０では、より具体的には、陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉ及び陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉ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１０Ｉａｏ及び陰極出口ヘッダー１０Ｉｃｏ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。
【０１０７】
内部ヘッダー１０Ｉ型複極式電解槽５０が内在的に有する、陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉと、陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉと、陽極出口ヘッダー１０Ｉａｏと、陰極出口ヘッダー１０Ｉｃｏを総称して、内部ヘッダー１０Ｉと呼ぶ。
【０１０８】
内部ヘッダー１０Ｉ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の一部に、陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉと陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉとを備えており、また、同様に、隔壁１の端縁にある外枠３のうちの上方に位置する部分の一部に、陽極出口ヘッダー１０Ｉａｏと陰極出口ヘッダー１０Ｉｃｏとを備えている。
【０１０９】
−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。
【０１１０】
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と、各電解セル６５が、ホースで接続される。
【０１１１】
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と、陰極出口ヘッダー１０Ｏｃｏ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。
【０１１２】
なお、内部ヘッダー１０Ｉ型及び外部ヘッダー１０Ｏ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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
（アルカリ水電解システム）
図１に、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す。
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、例えば、図１に示すように、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（水素分離タンク７２ｈ、酸素分離タンク７２ｏ）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。
【０１１５】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０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。
【０１１６】
以下、本実施形態のアルカリ水電解システム７０について、気液分離タンク７２の詳細と共に、詳述する。
【０１１７】
−気液分離タンク−
本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、複数のタンクが用いられる。具体的には、気液分離タンク７２、電極液を溜めるタンクが主な使用タンクとして挙げられるが、本システムにて使用する液体を貯蔵できる容器であれば、特に限定されない。
気液分離タンク７２は、アルアリ水電解システム７０の中では、アルカリ水電解終了後の陽極２ａ側及び陰極２ｃ側の電解液中に含まれるガスを分離するために重要な役割を果たす。
【０１１８】
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。
【０１１９】
アルカリ水電解システム７０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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０の気液分離タンク７２の形状としては、特に限定されることなく、軸方向に垂直な面による断面での輪郭線が曲線（例えば、円や楕円）となる立体形状としてよく、具体的には円筒形状としてよい。
【０１２４】
図３に、本実施形態の一例の円筒形状のアルカリ水電解システムの気液分離タンクについて示す。
【０１２５】
図３（Ａ）に、気液分離タンクの軸方向に沿う面による断面図を示す；（ｉ）は、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、（ｉｉ）は、本発明の比較例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、（ｉｉｉ）は、角度δについての説明図である。
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、図３（Ａ）（ｉ）に示すように、ガスと電解液との混合物を電解槽５０から気液分離タンク７２に流入させるための流入口７２ｉが、気液分離タンク７２内の電解液の液面７２ｓよりも高い位置に設置されている。
かかる構成によれば、ガスと電解液との混合物が流入口７２ｉから電解液の液面７２ｓに至るまでにおいてガス抜きの時間を確保することができ、気液分離タンク７２において気液分離性を顕著に向上させることができる。
この点、本実施形態の比較例のアルカリ水電解システムでは、図３（Ａ）（ｉｉ）に示すように、流入口７２ｉが、気液分離タンク７２内の電解液の液面７２ｓよりも低い位置に設置されている、すなわち、ガスと電解液との混合物が電解液中に流入するが、この構成では気液分離性が十分とはならない場合がある。
【０１２６】
ここで、上述のとおり、気液分離タンク７２の底面から流入口７２ｉの設置位置までの長さｈｉは、気液分離タンク７２の底面から電解液の液面７２ｓまでの長さｈｓよりも大きくなっている。
気液分離タンク７２の底面から電解液の液面７２ｓまでの長さｈｓは、気液分気液分離タンク７２の高さをＨとして、０．１〜０．９Ｈであることが好ましく、０．３〜０．７Ｈであることがさらに好ましい（図３（Ａ）参照）。
また、気液分離タンク７２の底面から流入口７２ｉの設置位置までの長さｈｉは、気液分気液分離タンク７２の高さをＨとして、０．１１〜０．９１Ｈであることが好ましく、０．３１〜０．７１Ｈであることがさらに好ましい（図３（Ａ）参照）。
さらに、本実施形態では、ｈｓが０．３〜０．７Ｈであり、且つ、ｈｉが０．４〜０．８Ｈであることが最も好ましい。
【０１２７】
詳細には、図３（Ａ）（ｉ）に示す態様では、気液分離タンクの軸方向に沿う面による断面において、流入口７２ｉの延在方向が、電解液の液面７２ｓに対してなす角度δは０〜９０°であってよい（図３（Ａ）（ｉ）では、０°）。
【０１２８】
なお、水素分離タンク７２ｈにおける流入口７２ｉｈと、酸素分離タンク７２ｏにおける流入口７２ｉｏとは、配設態様を同じものとしてもよく異なるものとしてもよい。上述の気液分離タンク７２の構成は、水素分離タンク７２ｈと酸素分離タンク７２ｏとにおいて独立に定められてよい。
【０１２９】
図３（Ｂ）に、気液分離タンクの軸方向に垂直な面による断面図を示す；（ｉ）は、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、（ｉｉ）は、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの気液分離タンクに関する図であり、（ｉｉｉ）は、角度θについての説明図である。
【０１３０】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、図３（Ｂ）（ｉ）に示すように、流入口７２ｉに取り付けられる配管７２ｉｎは、その延在方向が気液分離タンク７２の内壁に対して垂直となるように、設置されてよい。
一方で、本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、図３（Ｂ）（ｉｉ）に示すように、流入口７２ｉに取り付けられる配管７２ｉｎは、気液分離タンク７２の内壁に沿って、設置されていることが好ましい。
【０１３１】
詳細には、図３（Ｂ）（ｉ）及び（ｉｉ）に示す態様では、気液分離タンク７２の軸方向に垂直な面による断面において、流入口７２ｉの延在方向が、軸を示す点Ａと流入口７２ｉとを結ぶ仮想線（図中、二点鎖線）に対してなす角度θは０〜９０°であってよい（図３（Ｂ）（ｉ）では、０°、（ｉｉ）では、９０°）。この角度θとして、好ましくは６０〜９０°であり、さらに好ましくは９０°である。なお、角度θは、流入口７２ｉの延在方向と上述の仮想線に対してなす角度のうち小さい方の角度をいうものとする。
【０１３２】
より具体的には、気液分離タンク７２の軸方向に垂直な面による断面において、流入口７２ｉに取り付けられる配管７２ｉｎのタンク径方向外側の内壁が、気液分離タンク７２の内壁の一接線上に位置することが好ましい。このような構造とすることで気液分離性がより向上する。
【０１３３】
本実施形態では、図３（Ｂ）（ｉｉ）に示す態様が、より具体的には、配管７２ｉｎのタンク径方向外側の内壁が気液分離タンクの内壁の一接線上に位置する態様が、好ましい。
かかる態様によれば、気液分離タンク７２に、タンクに貯められている電解液の液面７２ｓよりも上側から、ガスと混合状態となった電解液を、旋回流で流入させることができ、気液分離時間を長く取れることにより、酸素分離タンク７２ｏにおける酸素中水素濃度及び水素分離タンク７２ｈにおける水素中酸素濃度を低減することができる。
【０１３４】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、前述の外部ヘッダー１０Ｏ型であっても、前述の内部ヘッダー１０Ｉ型であってもよく、特に限定されないが、内部ヘッダー１０Ｉ型であることが好ましい。
内部ヘッダー１０Ｉ型は、設置フットプリントの制約がある場合に好適に採用されるが、一方で、ガス純度が悪化する傾向があったところ、内部ヘッダー１０Ｉ型のアルカリ水電解システム７０においても良好なガス純度を得ることが可能となる。そのため、気液分離性の向上の効果を有利に得ることができる。
【０１３５】
また、図１に示すように、本実施形態のアルカリ水電解システム７０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とに接続された合流管９０をさらに有する。
合流管９０により両タンクから吐出された電解液が混合される一液循環のシステムではガス純度の低下が生じやすいことから、本実施形態のアルカリ水電解システム７０における気液分離性の向上の効果を有利に得ることができる。
合流管９０の配設態様は、水素分離タンク７２ｈから排出される電解液と酸素分離タンク７２ｏから排出される電解液とが合流できる限り、特に限定されない。
【０１３６】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、気液分離タンク７２の材料としては、ニッケル、ＳＵＳ等の耐アルカリ性金属等が挙げられる。
【０１３７】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、気液分離タンク７２の内面に、１層又は２層以上の樹脂ライニング層（図示せず）を有していることが好ましい。
【０１３８】
樹脂ライニング層の材料としては、フッ素系樹脂が好ましく、フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等が挙げられる。
フッ素系樹脂を選択することで、特に、本発明のアルカリ水電解に用いる電極液に対する耐久性を向上させることができる。
【０１３９】
樹脂ライニング層の厚みは、０．５〜４．０ｍｍであることが好ましく、１．０〜２．０ｍｍであることがさらに好ましい。０．５ｍｍよりも薄い場合、ガスや電解液によるタンク内面の劣化が生じやすく、４．０ｍｍよりも厚い場合、高温及びアルカリにより残留応力が開放され、変形や剥離を引き起こしてしまう可能性がある。上記範囲の厚みを採用することにより、気液分離タンク７２の耐久性が向上する。
【０１４０】
また、樹脂ライニング層の厚みの標準偏差は、１．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。厚みのバラつきを制御することで耐久性の向上を達成することが可能となる。
厚みのバラつきを制御は、ライニング層を形成する前に行うタンクの表面のブラストの条件を調整することにより行うことができる。
【０１４１】
本実施形態では、樹脂ライニング層は、通常用いられる手法で製造することができる。
本実施形態では、樹脂ライニング層を形成するにあたり、前もって、気液分離タンク７２の内面に、脱脂処理、砂等を用いたブラスト処理、プライマー処理を、１つ又は複数施してもよい。
樹脂ライニング層の形成は、例えば、回転焼成、紛体塗装による塗布、液体塗布、吹付等により行ってよい。
【０１４２】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、気液分離タンク７２の内面に樹脂ライニング層を有している場合には、気液分離タンク７２の外面が保温材で覆われていることが好ましい。タンク７２の内面の劣化は特に高温条件下において顕著になることから、保温材が使用される際には、前述のガスや電解液によるタンクの７２内面の劣化を抑制する効果を有利に得ることが可能になる。
保温材としては、通常の断熱材としてよく、ガラスウール、発泡材等が挙げられる。
【０１４３】
以下、気液分離タンク７２についてさらに詳述する。
【０１４４】
気液分離タンク７２では、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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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５０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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
以下、本実施形態のアルカリ水電解システム７０の他の構成要素について説明する。
【０１５０】
−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。
【０１５１】
−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。
【０１５２】
−その他−
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、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を備えてよい。
【０１５３】
また、本実施形態のアルカリ水電解システム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。
【０１５４】
（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システム７０を用いて、実施することができる。
【０１５５】
本実施形態では、本実施形態のアルカリ水電解システム７０を、電流密度０〜２０ｋＡ／ｍ２で継時的に電流密度が変動する電源下で、且つ、電解温度が０〜１２０℃で問題なく使用することができる。
【０１５６】
一方で、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は、４０℃以上であることが好ましく、８０℃以上であることがさらに好ましく、また、１１０℃以下であることが好ましく、９５℃以下であることがさらに好ましい。
上記温度範囲とすれば、高い電解効率を維持しながら、アルカリ水電解シスレム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。
【０１５７】
さらに、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、１ｋＡ／ｍ２以上であることが好ましく、８ｋＡ／ｍ２以上であることがさらに好ましく、また、１５ｋＡ／ｍ２以下であることが好ましく、１０ｋＡ／ｍ２以下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。
【０１５８】
以下に、本実施形態のアルカリ水電解方法の好適な条件を記載する。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
本実施形態では、前述のアルカリ水電解システム７０の構成要素を用いて、例えば、図１に示すような構成のアルカリ水電解システム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。
【０１６２】
また、本実施形態では、電解槽５０への電力供給の停止時に、送液ポンプ７１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。
【０１６３】
本実施形態のアルカリ水電解方法は、太陽光や風力等の変動電源を使用することによって、上述の効果が顕著になる。
上記のような、変動電源を用いた場合、具体的には、アルカリ水電解システム７０に低電流密度から高電流密度までがランダムに印可されることとなり、特に低電流密度時に酸素中水素濃度が悪化することとなるところ、本実施形態のアルカリ水電解方法を採用すれば、酸素中水素濃度の悪化を抑制することが可能となる。
【０１６４】
（水素製造方法）
本実施形態の水素製造方法は、アルカリを含有する水を電解槽により水電解し、水素を製造するものであり、本実施形態の水電解システム、本実施形態の水電解方法を用いて実施されてよい。
【０１６５】
本実施形態では、水電解システムは、少なくとも電解槽と気液分離タンクとを有していてよい。
また、システムでは、ガスと電解液との混合物を電解槽から気液分離タンクに流入させるための流入口が、気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置に設置されていてよい。
【０１６６】
ここで、本実施形態では、ガスと電解液との混合物を気液分離タンク内の電解液の液面よりも高い位置で電解槽から気液分離タンクに流入させてよい。
【０１６７】
本実施形態の水電解システムの詳細、本実施形態の水電解方法の詳細は、前述のとおりである。
【０１６８】
以下、本発明の第二の課題を解決するための第二の実施形態について記載する。
【０１６９】
［アルカリ水電解システム］
本発明のアルカリ水電解システムは、複極式電解槽と気液分離タンクと少なくとも有する、電解液が循環するアルカリ水電解システムであって、上記気液分離タンクの電解液液面と、上記複極式電解槽から上記気液分離タンクへ電解液を送る電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離をｈ（単位：ｍ）、上記複極式電解槽の電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置と上記気液分離タンクの電解液液面との鉛直方向の距離をＨ（単位：ｍ）とした時に、以下の関係を満たし、
０．０１×Ｈ≦ｈ≦０．５×Ｈ
上記電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置が、上記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向上側にあり、上記電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置が、上記気液分離タンクの電解液液面より鉛直方向下側にある。
本実施形態のアルカリ水電解システムによれば、電解液が循環しやすくなるため、アルカリ水電解に用いるエネルギーを抑制することができる。また、電力源として変動電源を用いた場合でも、低電密条件下においてガス純度が悪化しにくく、高電密条件下において、電解液の温度が上がりにくく、隔膜が劣化しにくい。
【０１７０】
図１に、本実施形態のアルカリ水電解システムの概要を示す。
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、複極式電解槽５０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とを有する。気液分離タンク７２は、主に電解液と水素とを分離する水素分離タンク７２ｈ（陰極側気液分離タンク）、主に電解液と酸素とを分離する酸素分離タンク７２Ｏ（陽極側気液分離タンク）とを含むことが好ましい。
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、さらに、経時的に電流密度が変動する電力源等の電力源、電解液を循環させるための送液ポンプ７１、電解により消費した水を補給するための水補給器等を有していてもよい。
【０１７１】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、気液分離タンク７２と複極式電解槽５０とが配管により接続されていることが好ましい。
ここで、電解液が循環する本実施形態のアルカリ水電解システム７０において、複極式電解槽５０から気液分離タンク７２に、水素及び／又は酸素を含む電解液を戻す配管を電解液戻し配管８１（陽極電解液戻し配管８１ａ、陰極電解液戻し配管８１ｃ）、気液分離タンク７２から複極式電解槽５０に気液分離後の電解液を送る配管を電解液送り配管８２（陽極電解液戻し配管８２ａ、陰極電解液戻し配管８２ｃ）、と称する場合がある。陽極電解液戻し配管８２ａと、陰極電解液戻し配管８２ｃとは、途中で合流していてもよい。
また、電解液戻し配管８１と複極式電解槽５０との接続部（例えば、電解液戻し配管８１と複極式電解槽５０の電解液集液管との接続部）を電解液集液管出口５０ｏ、電解液戻し配管８１と気液分離タンク７２との接続部を流入口７２ｉと称する場合がある。
また、電解液送り配管８２と気液分離タンク７２との接続部を流出口７２ｅ、電解液送り配管８２と複極式電解槽５０との接続部（例えば、電解液送り配管８２と複極式電解槽５０の電解液配液管との接続部）を電解液配液管入口５０ｉと称する場合がある。
【０１７２】
図８に、複極式電解槽５０と気液分離タンク７２とを示した、本実施形態のアルカリ水電解システムの模式図を示す。
本実施形態のアルカリ水電解システムは、気液分離タンク及び複極式電解槽の電解液の状態（例えば、密度、気泡割合等）との関係で、気液分離タンクの電解液液面７２ｓ、気液分離タンクの流入口７２ｉ、複極式電解槽の電解液配液管入口５０ｉ等の鉛直方向の位置を設定することにより、電解液を循環させる際のポンプ動力を低減又はなくすことができるために電力効率に一層優れ、低電流密度条件においてガス純度が一層悪化しにくく、高電流密度条件において電解液の温度上昇による隔膜の劣化を一層抑制できる点に着目した発明である。
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、気液分離タンク７２の電解液液面７２ｓと、上記複極式電解槽５０から上記気液分離タンク７２へ電解液を送る電解液戻し配管８１の鉛直方向に最も高い位置８１ｈとの鉛直方向の距離をｈ（単位：ｍ）、上記複極式電解槽５０の電解液配液管入口５０ｉの鉛直方向に最も低い位置５０ｉｌと上記気液分離タンクの電解液液面７２ｓとの鉛直方向の距離をＨ（単位：ｍ）とした時に、
０．０１×Ｈ≦ｈ≦０．５×Ｈ
の関係を満たす。
上記ｈが０．０１×Ｈ未満であると、気液分離が悪化し、ガス純度が著しく低下する。上記ｈは、電解液の循環が一層安定し、ガス純度が一層向上する観点から、０．０１×Ｈ超であることが好ましく、０．０２×Ｈ以上であることがより好ましく、更に好ましくは０．０３×Ｈ以上、更に好ましくは０．０４×Ｈ以上、更に好ましくは０．０５以上、特に好ましくは０．１×Ｈ以上である。
上記ｈは、アルカリ水電解システムの電力効率に一層優れ、低電流条件におけるガス純度が一層悪化しにくくなる観点から、０．５×Ｈ未満であることが好ましく、０．４６×Ｈ以下であることがより好ましく、更に好ましくは０．４×Ｈ以下、特に好ましくは０．３６×Ｈ以下である。
【０１７３】
上記ｈは、アルカリ水電解システムの電力効率に優れ、低電流条件におけるガス純度が悪化しにくくなる観点から、（複極式電解槽内の電解液の気泡割合Ｂ）×Ｈ以下であることが好ましく、０．９×気泡割合Ｂ×Ｈ以下であることがより好ましく、０．７×気泡割合Ｂ×Ｈ以下であることがさらに好ましい。
なお、上記気泡割合Ｂは、後述の実施例に記載の方法で測定される値をいう。
【０１７４】
気液分離タンク７２が複数ある場合、少なくとも１個の気液分離タンクが上記要件を満たすことが好ましく、全ての気液分離タンクが上記要件を満たすことがより好ましい。
【０１７５】
上記複極式電解槽５０の電解液配液管入口５０ｉの鉛直方向に最も低い位置５０ｉｌと上記気液分離タンクの電解液液面７２ｓとの鉛直方向の距離をＨとしては、電解液が一層循環しやすく、且つ、変動する入力電力に対する循環の追従性の観点から、０．５〜１０ｍであることが好ましく、１．５〜４ｍであることがより好ましい。Ｈが小さすぎると、密度差が付きにくく、循環のためのヘッド差が得られにくくなる。Ｈが大きすぎると、電解液の慣性力が大きくなり易く、変化の追従性が悪くなる。
【０１７６】
上記複極式電解槽内の電解液の気泡割合Ｂは、０．０１以上０．５以下であることが好ましく、０．０２〜０．４であることがより好ましい。上記気泡割合Ｂは、例えば、アルカリ水電解の通電量の変動範囲及び／又は変動周期、運転温度、電解液密度等により調整することができる。
【０１７７】
本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置８１ｈが、気液分離タンクの電解液液面７２ｓより鉛直方向上側にあり、電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置５０ｉｌが、上記気液分離タンクの電解液液面７２ｓより鉛直方向下側にある（図８参照）。
ここで、電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置８１ｈとは、電解液戻し配管８１の鉛直方向の最も高い位置における、配管内腔の鉛直方向の最も高い位置をいう。例えば、電解液戻し配管８１が、気液分離タンクの流入口７２ｉより鉛直方向に高い位置を通らない場合は、流入口７２ｉの内腔の鉛直方向に最も高い位置となる（図８参照）。
また、電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置５０ｉｌとは、電解液配液管入口の内腔の鉛直方向に最も低い位置をいう。
【０１７８】
本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、電解液戻し配管８１の鉛直方向に最も低い位置は、電解液集液管出口５０ｏであることが好ましい。即ち、電解液戻し配管８１は、電解液集液管出口５０ｏよりも低い位置を通らないことが好ましい。
【０１７９】
気液分離タンク７２が、酸素分離タンク７２ｏと水素分離タンク７２ｈとを含む場合、酸素分離タンク７２ｏを循環する電解液と、水素分離タンク７２ｈを循環する電解液との循環液量がそろうことで、液面レベルが管理しやすくなる、ガス純度が一層向上し、電解液温度が一層上昇しにくくなる観点から、酸素分離タンク７２ｏの電解液液面７２ｓと、複極式電解槽５０から酸素分離タンク７２ｏへ電解液を送る陽極電解液戻し配管８１ａの鉛直方向に最も高い位置８１ｈとの鉛直方向の距離をｈａ（単位：ｍ）と、水素分離タンク７２ｈの電解液液面７２ｓと、複極式電解槽５０から水素分離タンク７２ｈへ電解液を送る陰極電解液戻し配管８１ｃの鉛直方向に最も高い位置８１ｈとの鉛直方向の距離をｈｃ（単位：ｍ）とが、ｈａ≦ｈｃの関係を満たすことが好ましく、より好ましくは０．９×ｈａ≦ｈｃである。
【０１８０】
本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、ガス純度が一層向上する観点から、酸素分離タンク７２ｏ及び水素分離タンク７２ｈから、流出口７２ｅを通して吐出された電解液が、混合されて複極式電解槽５０に送られることが好ましい。即ち、陽極電解液送り配管８２ａと、陰極電解液送り配管８２ｃとは、電解液配液管入口に到達する前に、少なくとも一回合流することが好ましい（図１参照）。
【０１８１】
本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、ガス純度が一層向上する観点から、気液分離タンク７２と、複極式電解槽５０とは、一体化しておらず、離れて設けられていることが好ましい。複極式電解槽の電解槽に沿う平面と、気液分離タンクに沿う平面とがオフセットしていてもよい。気液分離タンク７２と複極式電解槽５０とは接していないことが好ましく、気液分離タンクと複極式電解槽とが０．１ｍ以上離れていることがより好ましく、０．５ｍ以上離れていることがさらに好ましい。
【０１８２】
本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、電解液戻し配管８１と電解液送り配管８２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。上記材質に、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。
【０１８３】
本実施形態のアルカリ水電解システムにおいて、電解液戻し配管８１と電解液送り配管８２の内腔の直径は、電解液の循環が安定する観点から、同じであることが好ましい。電解液の循環が一層安定する観点から、複極式電解槽の電解液配液管、電解液集液管の内腔の直径と同じであってもよい。
電解液戻し配管８１と電解液送り配管８２の長さは、電解液の循環が安定する観点から、０．５ｍ以上１０ｍ以下であることが好ましい。
【０１８４】
第二の実施形態における上記送液ポンプ７１としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
本実施形態のアルカリ水電解システムでは、Ｈとｈとが特定の関係となるように、気液分離タンクの電解液液面、電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置、及び電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置を配置することにより、送液ポンプを低出力で、又は層液ポンプを用いることなく電解液を循環させることができ、電力効率に優れる。特に、複極式電解槽内の電解液の密度と、気液分離タンク内の電解液の密度の差等を利用して、送液ポンプを用いることなく、電解液を循環させることで、一層電力効率に優れる。
【０１８５】
［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システム７０を用いて、上記気液分離タンクの電解液液面と、上記複極式電解槽から上記気液分離タンクへ電解液を送る電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離ｈ（単位：ｍ）、上記複極式電解槽の電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置と上記気液分離タンクの電解液液面との鉛直方向の距離Ｈ（単位：ｍ）、上記複極式電解槽内の電解液の密度Ｄｅ（単位：ｇ／ｃｍ３）、上記気液分離タンク内の電解液の密度Ｄｔ（単位：ｇ／ｃｍ３）が、０．０１×Ｈ≦ｈ≦０．５×Ｈを満たす行件で行うことが好ましく、０．０１×Ｈ≦ｈ≦（Ｄｅ／Ｄｔ）×Ｈを満たす条件で行うことがより好ましい。
【０１８６】
本実施形態のアルカリ水電解方法によれば、送液ポンプのポンプ動力を低減させることで電力効率が向上し、低電流密度時に得られるガスの純度に優れる。
すなわち、本実施形態によれば、変動電源を用いてアルカリ水電解を行う際に、低電流密度時のガス純度に優れ、さらに高電流密度時に電解液の温度が上昇しにくく、複極式電解槽内の隔膜が劣化しにくい。さらに、複極式電解槽内の電解液の密度、及び気液分離タンク内の電解液の密度との関係で、気液分離タンクの流入口の位置を定めて、電解液の密度差を利用して電解液を循環させるため、電解液の循環の電力を低減させることができ、電力効率が低下しにくい。また、変動電源を用いた場合でも、電力に応じて変化する電解液の密度に応じて循環量が制御されるため、安定したアルカリ水電解が可能となる。
【０１８７】
本実施形態のアルカリ水電解方法において、上記本発明の効果を高める観点から、電極室当たりの電解液の流量Ｑは、電極室５のサイズに応じて制御されるものであるが、１×１０−７ｍ３／秒〜１×１０−２ｍ３／秒であることが好ましく、１×１０−６ｍ３／秒〜１×１０−３ｍ３／秒であることがさらに好ましい。
【０１８８】
本実施形態のアルカリ水電解方法において、複極式電解槽５０内にある電解液の温度が８０℃〜１３０℃であることが好ましい。また、気液分離タンク内にある電解液の温度は、７０〜１２０℃であることが好ましく、複極式電解槽５０内にある電解液温度以下にすることがより好ましい。
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等のアルカリ水電解システム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。また、気液分離タンク温度を上記範囲にする事で、複極式電解槽５０内と気液分離タンク内にある電解液の密度差が付きやすく、電解液が循環しやすくなる。
【０１８９】
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。
また、変動電源を使用する場合、電流密度の変動周期は、１〜５０００秒であることが好ましく、５〜３０００秒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で効果が得られやすい。
【０１９０】
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。
【０１９１】
以下、本発明の第三の課題を解決するための第三の実施形態について記載する。
【０１９２】
図１に、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す。
【０１９３】
（アルカリ水電解システム）
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、少なくとも、電解槽５０、気液分離タンク７２、水封器９１、水補給器７３を有するアルカリ水電解システムである。
ここで、水封器９１は、気液分離タンク７２の下流且つ水補給器７３の上流に接続されている。
【０１９４】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、一例では、アルカリ水電解システム７０の全体の水量を調節する機構（図示せず）をさらに有する。
【０１９５】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、気液分離タンク７２は、酸素分離タンク７２ｏと水素分離タンク７２ｈとを含み、そして、酸素分離タンク７２ｏと水素分離タンク７２ｈとに接続された合流管９０をさらに備える。
【０１９６】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、水封器９１は、酸素分離タンク７２ｏの下流及び水素分離タンク７２ｈの下流の少なくとも一方に接続されている。
【０１９７】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、水封器９１の下流に接続されたバッファータンク９２をさらに有する。
【０１９８】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、水封器９１の下流に接続された水素ガス及び／または酸素ガスを系外に排出する配管９３をさらに有する。
そして、配管に、フレームアレスター９４を有し、また、フレームアレスター９４のミスト凝集液（フレームアレスター９４に凝縮するミスト）を水封器９１に戻す機構を有する。
【０１９９】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、フレームアレスター９４が、その気体通過方向を水平方向又は鉛直方向下向きとして、設けられている。
【０２００】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、少なくとも、電解槽５０、気液分離タンク７２、水補給器７３を有するアルカリ水電解システム７０としてもよい。
ここで、アルカリ水電解システム７０は、水素ガス及び／又は酸素ガスを系外に排出する配管９３をさらに有するものとしてよく、配管９３に、フレームアレスター９４を有するものとしてよい。
【０２０１】
本実施形態のアルカリ水電解システムによれば、水封器を利用してアルカリ水電解システム７０全体を効率化することができ、アルカリ水電解システム７０の安全性、信頼性の高いガスの効率的な供給を可能とする環境を達成することができる。
【０２０２】
（アルカリ水電解システム）
図１に、本実施形態の一例のアルカリ水電解システムの概要を示す。
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、例えば、図１に示すように、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（水素分離タンク７２ｈ、酸素分離タンク７２ｏ）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。
【０２０３】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０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。
【０２０４】
以下、本実施形態のアルカリ水電解システム７０について詳述する。
【０２０５】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、少なくとも、電解槽５０、気液分離タンク７２、水封器９１、水補給器７３を有する。
【０２０６】
本実施形態では、水補給器７３よりシステム７０に供給される水は、水封器９１を経由して供給されることを特徴とする。
【０２０７】
なお、水補給器７３は、純水製造及び供給装置としてよい。
【０２０８】
本実施形態で使用する水封器９１は、容器内に水が充填されたものであり、アルカリ水電解で生成した水素又は酸素を接触させた後回収すると同時に外部とは充填された水によってアルカリ水電解システム７０内とは遮断されている。かかる構造のため、外部からの予期されない物質のコンタミネーションや、水素ガスへの酸素の混入を防止することが可能であるため、アルカリ水電解システム７０の安全性が高くなり、且つ信頼性の高いガスを継続的に供給することが可能となる。
【０２０９】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０によれば、スクラバーという装置を別個に設けなくても、水封器９１中のシール水に発生ガスをくぐらせることによって、スクラバー効果を得ることができる。
さらに、本実施形態のアルカリ水電解システム７０によれば、そのアルカリ性を帯びた水を回収し電解液として再利用することによって、外部から供給する水の量が削減できること、アルカリ性となった水の処理が不要になること、システムの構造が簡単になることにより、ランニングコスト、メンテコスト、イニシャルコストが削減すること、といったメリットが得られる。
【０２１０】
ここで、水封器は、気液分離タンク７２の下流且つ水補給器７３の上流に接続されている。
本実施形態では、水封器９１内の水を気液分離タンク７２の下流に供給することを特徴としている（図１参照）。
このような構成とすることで、アルカリが混入する可能性が高い水封器中の水をアルカリ水が循環しているアルカリ水電解システム７０に利用して、効率的なシステムの稼働が可能となる。
また、水封器９１への水の供給装置をアルカリ水電解システム７０への水の水補給器７３と兼ねた上で、水封器９１からの水のアルカリ水電解システム７０への供給位置を、水補給器７３から直接アルカリ水電解システム７０へ水を供給する位置と同じように、気液分離タンク７２の下流としている。これにより、これまで廃棄しており利用していなかった水封器９１内の水を有効に再利用することが可能になるとともに、常に水封器９１を同じ条件で稼働させることが可能となるので信頼性も向上させることが可能になる。
【０２１１】
本実施形態では、水封器９１は、酸素分離タンク７２ｏ及び水素分離タンク７２ｈのいずれにも利用することが可能であり、いずれか一方にだけ利用することも可能である（図１では、酸素側及び水素側での利用を図示）。信頼性の高いガスの供給の点からは、水封器は、酸素分離タンク７２ｏ及び水素分離タンク７２ｈの双方に利用することが望ましい。
なお、酸素側及び水素側の双方に水封器を利用する場合、水補給器７３は同一のものを使用してもよく、それぞれ異なるものを設置しても構わない。
【０２１２】
本実施形態では、アルカリ水電解システム７０は、システム全体の水量を調節する機構を有していても構わない。
水封器９１にシステム全体の水量調節機能を設けてもよい。水封器９１と水補給器７３を一体の設備とみなして、システム全体の水量調節機能を設けても構わない。
また、システムの系内はアルカリ性であるため、水封器９１は、水量調節機能の他に、ｐＨをコントロールするための機能を併せ持っていてもよい。
【０２１３】
また、本実施形態のアルカリ水電解システム７０では、水封器９１に液面計９５を設けても構わない。
【０２１４】
本実施形態では、気液分離タンク７２は、酸素分離タンク７２ｏと水素分離タンク７２ｈとの二つを含んでよく、酸素分離タンク７２ｏと水素分離タンク７２ｈとに接続された合流管９０をさらに備えてよい。
そして、当該二つの気液分離タンク７２ｏ、７２ｈから吐出された電解液が混合して電解槽５０に流入する、所謂一液混合型であってもよい。
合流管９０の配設態様は、水素分離タンク７２ｈから排出される電解液と酸素分離タンク７２ｏから排出される電解液とが合流できる限り、特に限定されない。
【０２１５】
さらに、本実施形態では、水封器の下流にバッファータンク９２を設け、一旦、製造した水を当該バッファータンク９２に貯めてから水を供給することも可能である（図示せず）。このように常に水を一定量保有することで安定した供給が可能となり、信頼性が向上する。
【０２１６】
水封器９１から電解液循環ラインへ導入する水量は、気液分離タンク７２の液面の上限と下限とを定め管理することができる。
例えば、下限位置に到達した際に水を供給し、上限位置に到達した時点で供給を停止すればよい。また、電解電流密度に応じて、供給する水量を調整することも可能である。本実施形態では、水量調整方法を限定するものではない。補給水の制御は、水補給器７３から水封器９１への水供給量で行うことができる。また、貯水タンクを介して、貯水タンクからの供給で行うこともでき、その際、水補給器７３から水封器９１への供給を定量供給としてもよいし、水封器９１の液面で制御することもできる。
【０２１７】
さらに、本実施形態では、アルカリ水電解システム７０は水の電解により発生した水素ガス及び／又は酸素ガスを系外に排出するための配管９３をさらに有する。
【０２１８】
ここで、上記配管９３に、フレームアレスター９４を利用することが、安全性が高める観点から、好ましい。
本実施形態では、フレームアレスター９４は、逆火防止機能を有していればよいが、ガス流路閉塞防止機能を有することが好ましい。
ガス流路閉塞防止機能は、ガスに含まれるミストがフレームアレスター９４内に貯まることにより、ガスの出口流路が閉塞し、酸素側と水素側の差圧が制御できなくなる、又は、水封器９１内の圧力が高まることにより、水封器９１内の液面レベルが低下する、という問題を解決するために、有用な機構である。
例えば、電解システム７０内の圧力を、調圧弁で５〜１００ｋＰａ程度に制御している場合は、フレームアレスター９４が閉塞した初期段階において、電解システム７０内の圧力は所定の圧力で制御されるが、水封器９１内の圧力が高まるため、水封器９１内の液面レベルが低下し、水封機能の低下を招く。
一方、電解システム７０内の圧力を水封器９１に導入する水の水封高さで１〜５ｋＰａ程度に制御する場合は、フレームアレスター９４が閉塞した際、水素／酸素ガス配管の閉塞度合が大きい方から系内の圧力が高くなるため、差圧が大きく変化する傾向になる。
【０２１９】
本実施形態では、前述の配管９３に、フレームアレスター９４に凝縮するミストを水封器に戻す機構を有することが好ましい。
上記機構としては、具体的には、フレームアレスター９４表面上のミスト凝集水を移動させ、ガス流路を確保するために、フレームアレスター９４表面上のミスト凝集水を蒸発させるもの、ミストに不活性のガスを吹き付けミスト凝集水を移動させるもの、単純にフレームアレスター９４に傾斜を付け、フレームアレスター９４表面上のミスト凝集水を移動させるもの、フレームアレスター９４の設置角度を鉛直上向きに対して水平または上方から下方へ取り付けることで、フレームアレスター９４内の気体通過方向を、水平、または上方から下方に流す構造とするものがある。
【０２２０】
本実施形態では、酸素側と水素側との差圧の制御、水封器９１内の液面レベルの低下の抑制の観点から、フレームアレスター９４が、その気体通過方向を水平方向又は鉛直方向下向きとして、設けられていることが好ましい。
【０２２１】
本実施形態のアルカリ水電解システム７０は、少なくとも、電解槽５０、気液分離タンク７２、水補給器７３を有するものとしてもよい。
ここで、アルカリ水電解システム７０は、水素ガス及び／又は酸素ガスを系外に排出する配管９３をさらに有するものとしてよく、配管９３に、フレームアレスター９４を有するものとしてよい。
この際、フレームアレスター９４が前述の機構と同様に、凝縮するミストを気液分離タンク７２等に戻す機構を有していてもよい。
【０２２２】
以下、第三の実施形態のアルカリ水電解システム７０の構成要素について説明する。
【０２２３】
−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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
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。
【０２２６】
−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。
【０２２７】
また、本実施形態のアルカリ水電解システム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。
【０２２８】
（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システム７０を用いて、実施することができる。
【０２２９】
本実施形態のアルカリ水電解方法は、水補給器７３より水を水封器９１を経由して供給するものである。
かかる方法によれば、従来は廃棄していた水封用の水を電解液用の水に活用することができ、電解液量や電解液濃度を管理・制御することが容易になり、また、アルカリ性の排水処理量を削減することができる。
【０２３０】
ここで、本実施形態のアルカリ水電解方法では、水素分離タンク７２ｈから吐出された電解液と、酸素分離タンク７２ｏから吐出された電解液とを、合流管９０で混合し、電極室５に導入することが好ましい。
【０２３１】
また、本実施形態のアルカリ水電解方法では、水封器９１から排出された水をバッファータンク９２を経由して電解槽に供給することが好ましい。
【０２３２】
さらに、本実施形態のアルカリ水電解方法では、フレームアレスター９４に凝縮するミストを水封器９１に戻すことが好ましい。
かかる方法によれば、フレームアレスター９４に凝縮して溜まるミスト成分による、ガス配管９３の閉塞を抑制することができ、酸素側と水素側との差圧の制御が容易になる。
【０２３３】
本実施形態では、前述のアルカリ水電解システム７０の構成要素を用いて、例えば、図１に示すような構成のアルカリ水電解システム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。
【０２３４】
また、本実施形態では、電解槽５０への電力供給の停止時に、送液ポンプ７１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。
【０２３５】
本実施形態のアルカリ水電解方法は、太陽光や風力等の変動電源を使用することによって、上述の効果が顕著になる。
【０２３６】
本実施形態では、前述の第一の実施形態、前述の第二の実施形態、前述の第三の実施形態は、適宜組み合わせて用いられてよい。
【実施例】
【０２３７】
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。【０２３８】
以下、実施例Ａ、実施例Ｂ、比較例Ａ、比較例Ｂについて記載する。【０２３９】
（実施例Ａ１及び比較例Ａ１）
複極式エレメント及びそれを用いたアルカリ水電解システムは、下記のとおり作製した。【０２４０】
−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。【０２４１】
−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。【０２４２】
−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。【０２４３】
−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。
この多孔膜を隔膜Ａとした。【０２４４】
陰極Ａを、切断加工により、５０ｃｍ角（縦５０ｃｍ×横５０ｃｍ）に調整し、陰極サンプルＡとした。
陽極Ａを、切断加工により、５０ｃｍ角（縦５０ｃｍ×横５０ｃｍ）に調整し、陽極サンプルＡとした。
隔膜Ａを、切断加工により、５２．５ｃｍ角（縦５２．５ｃｍ×横５２．５ｃｍ）に調整し、隔膜サンプルＡとした。【０２４５】
−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Ａと陽極サンプルＡ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Ａ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。
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Ａとしては、前述のものを用いた。【０２４６】
−複極式電解槽、複極式エレメント−
複極式エレメントを４９個使用し、図２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４９組配置し、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５０室ある５０対の直列接続構造を有していた。【０２４７】
−ガスケット−
ガスケットとして、ＥＰＤＭゴムを材質とし、１００％変形時の弾性率が４．０ＭＰａであり、厚みが４．０ｍｍであるものを用いた。このガスケットは、平面視での開口部の寸法がアクリル製のセル枠の電極室の寸法であり、ここで、開口部の内壁の厚み方向中央部分に、隔膜を挿入することでこれを保持するための、厚み０．４ｍｍのスリット構造を有していた。【０２４８】
−ヘッダー、導管−
内部ヘッダー１０Ｉ型の複極式エレメント６０を採用した。
そして、図４、図５に示すように、ヘッダー１０（陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉ、陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉ、陽極出口ヘッダー１０Ｉａｏ、陰極出口ヘッダー１０Ｉｃｏ）のいずれもが、複極式エレメント６０の隔壁１の側方の２辺に対して平行に延びるように（隔壁１の上方の辺及び下方の辺に対して直交して延びるように）、配置した。
また、図４、図５に示すように、導管２０（陽極用配液管２０Ｉａｉ、陰極用配液管２０Ｉｃｉ、陽極用集液管２０Ｉａｏ、陰極用集液管２０Ｉｃｏ）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。
こうして、内部ヘッダー１０Ｉ型の電解槽を作製した。
陰極入口ヘッダー１０Ｉｃｉを介して陰極室５ｃへ、陰極室５ｃから陰極出口ヘッダー１０Ｉｃｏを介して、電解液を流した。また、陽極入口ヘッダー１０Ｉａｉを介して陽極室５ａへ、陽極室５ａから陽極出口ヘッダー１０Ｉｃｏを介して、電解液を流した。
図４に示すように、陰極電解液入口５ｃｉは平面視で長方形の外枠の下辺の一方端側に、陰極電解液出口５ｃｏは平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、陰極電解液入口５ｃｉと陰極電解液出口５ｃｏとを、平面視で長方形の電解室５において電極室５の電極室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。
この実施例の複極式電解槽５０では、陽極室５ａや陰極室５ｃの電解液入口５ｉ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の電解液出口５ｏ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。
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、電解により酸素ガスが発生するため、前述した、陰極出口ヘッダー１０Ｉｃｏでは、電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口ヘッダー１０Ｉｃｏでは、電解液と酸素ガスとの混相流となった。【０２４９】
−気液分離タンク-
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。
実施例Ａ１は、ｈｉがｈｓよりも大きく、δ＝６０°、θ＝０°のものとした。
比較例Ａ１は、ｈｉがｈｓよりも小さく、δ＝０°、θ＝０°のものとした。
そして、後述の実施例Ｂ１と同様に、気液分離タンクに樹脂ライニング層を設ける処理を行った。表１に詳細を示す。【０２５０】
送液ポンプ、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、図１に示すようなアルカリ水電解システムを作製した。【０２５１】
アルカリ水電解システムを用いたアルカリ水電解方法を、下記の条件で実施した。【０２５２】
電解液として、３０％ＫＯＨ水溶液を用いた。
整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、１０ｋＡ／ｍ２となるように通電をした。
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１ａ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。【０２５３】
通電開始後の槽内圧力は、圧力計で測定し、陰極（水素ガス）側圧力が５０ｋＰａ、陽極（酸素ガス）側圧力が４９ｋＰａとなるとように、調整した。圧力調整は、圧力計下流に設置した制御弁により行った。【０２５４】
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）にテフロンライニング内面処理を施した、２０Ａの配管を用いた。【０２５５】
（電解試験）
整流器から電解槽に対して、電流密度が１０ｋＡ／ｍ２となるように連続で通電し、水電解を行った。それぞれの条件において、１００時間ずつ運転し、８０時間経過時に評価を行った。【０２５６】
各例において、水電解により得られた水素中の酸素濃度（％）の値をガスクロマトグラフィーにより測定した。この場合、水素中に酸素濃度が少ない方が、水素の純度が上がることとなるため、より良質な水素を得たことになる。
その結果を表１に記す。【０２５７】
（実施例Ａ２、実施例Ａ３、比較例Ａ２）
複極式エレメント及びそれを用いたアルカリ水電解システムは、下記のとおり作製した。【０２５８】
−隔壁、外枠、整流板−
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が一体化されたニッケル製の部材を用いた。隔壁の平面視でのサイズは、縦５００ｍｍ×横５００ｍｍとし、厚みは２ｍｍとした。
隔壁の陽極室側に、高さ２５ｍｍ、厚み１．５ｍｍのニッケル製の陽極側整流板（陽極側リブ）を４枚、隔壁の陰極室側に、高さ２５ｍｍ、厚み１．５ｍｍのニッケル製の陰極側整流板（陰極側リブ）を４枚、溶接により、９５ｍｍの間隔（外枠−整流板距離は９５．５ｍｍ）で、取り付けた。
整流板には、隔壁に溶接された側に、半径１０ｍｍの半円形状の穴を、整流板の延在方向について等間隔に、１２か所設けた。【０２５９】
−陽極、陰極、隔膜、ガスケット−
実施例１において使用した陽極、陰極、隔膜、ガスケットと同様のものを使用した。
陽極及び陰極の平面視でのサイズは、５００ｍｍ×５００ｍｍとした。【０２６０】
−複極式電解槽、複極式エレメント−
複極式エレメントを５個使用し、図２に示すように、一方の端側で、ファストヘッド、絶縁板、陽極ターミナルエレメントを配置し、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５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、陰極ターミナルエレメント、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８本のタイロッドを使用し、各タイロッドをトルクレンチにより締め付けトルク５９Ｎｍ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。
ゼロギャップ型の複極式エレメントは、隔壁に垂直な方向にみて、縦５４０ｍｍ×横６２０ｍｍの長方形の形状を有していた。【０２６１】
−電解室−
電極室の隔壁に垂直な方向の長さ（電極室の深さ）は、陽極室で２５ｍｍであり、陰極室で２５ｍｍであった。【０２６２】
−ゼロギャップ構造−
前述のとおり、複極式電解槽を組み立てることによって、図２に示すような、陰極と陽極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」の組み合わせを用い、ゼロギャップ構造の詳細は、実施例１と同様とした。【０２６３】
−ヘッダー（外部ヘッダー）−
この実施例の複極式電解槽５０では、図６、図７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）が設けられている。
更に、この電解槽５０では、これらの導管２０から電解室５に電解液を通過させるホース（陽極入口側ホース１０Ｏａｉ、陽極出口側ホース１０Ｏａｏ、陰極入口側ホース１０Ｏｃｉ、陰極出口側ホース１０Ｏｃｏ）を、外部から取り付けた。
なお、各ホース（１０Ｏａｉ、１０Ｏａｏ、１０Ｏｃｉ、１０Ｏｃｏ）には、それぞれ熱電対を設置し、電極室を通過する前後での電解液の温度差を測定した。
こうして、外部ヘッダー型の電解槽を作製した。
陰極入口側ホース１０Ｏｃｉを介して陰極室５ｃへ、陰極室５ｃから陰極出口側ホース１０Ｏｃｏを介して、電解液を流した。
また、陽極入口側ホース１０Ｏａｉを介して陽極室５ａへ、陽極室５ａから陽極出口側ホース１０Ｏａｏを介して、電解液を流した。
図６、図７に示すように、入口側ホースは平面視で長方形の外枠の下辺の一方端側に、出口側ホースは平面視で長方形の外枠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、入口側ホースと出口側ホースとを、平面視で長方形の電解室において電極室の電極室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。
この実施例の複極式電解槽では、陽極室５ａや陰極室５ｃの入口側ホースから、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の出口側ホースから、電解液と生成ガスとが、電解槽外へ流出する構造とした。
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、電解により酸素ガスが発生するため、前述した、陰極出口側ホース１０Ｏｃｏでは、電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口側ホース１０Ｏａｏでは、電解液と酸素ガスとの混相流となった。【０２６４】
整流器としては、（株）三社電機製作所社製のＫＣＡ２Ｆ７−１５−２５００ＣＬ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、アルカリ水電解システムを作製した（図１参照）。【０２６５】
−気液分離タンク-【０２６６】
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。
実施例Ａ２は、ｈｉがｈｓよりも大きく、δ＝６０°、θ＝０°のものとした。
比較例Ａ２は、ｈｉがｈｓよりも小さく、δ＝０°、θ＝０°のものとした。
実施例Ａ３は、ｈｉがｈｓよりも大きく、δ＝７０°、θ＝９０°のものとした。
そして、後述の実施例Ｂ１と同様に、気液分離タンクに樹脂ライニング層を設ける処理を行った。表１に詳細を示す。【０２６７】
複極式電解槽を用いたアルカリ水電解を下記の条件で実施した。【０２６８】
電解液として、３０％ＫＯＨ水溶液を用いた。
整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、１０ｋＡ／ｍ２となるように通電をした。
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。【０２６９】
通電開始後の槽内圧力は、圧力計で測定し、陰極（水素ガス）側圧力が５０ｋＰａ、陽極（酸素ガス）側圧力が４９ｋＰａとなるとように、調整した。圧力調整は、圧力計下流に設置した制御弁により行った。【０２７０】
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）にテフロンライニング内面処理を施した、２０Ａの配管を用いた。【０２７１】
（電解試験）
整流器から電解槽に対して、電流密度が１０ｋＡ／ｍ２となるように連続で通電し、水電解を行った。それぞれの条件において、１００時間ずつ運転し、８０時間経過時に評価を行った。【０２７２】
各例において、水電解により得られた水素中の酸素濃度の値をガスクロマトグラフィーにより測定した。この場合、水素中に酸素濃度（％）が少ない方が、水素の純度が上がることとなるため、より良質な水素を得たことになる。
その結果を表１に記す。【０２７３】
【表１】
2018182005.tif 000003
【０２７４】
（実施例Ｂ１）
特に下記の条件とした以外はアルカリ水電解システムの全体構成を実施例Ａ１と同様とした。【０２７５】
複極式電解槽は、各電解質の電極面積が２．７ｍ２であり、陰極室及び陽極室がそれぞれ４室ある４対の直列接続構造を有するものとした。【０２７６】
ＳＳ４００の鋼製タンクの表面を脱脂処理し、その後砂でブラスト処理し表面をあらし、回転焼成にてＥＴＦＥで１層目（厚さ１ｍｍ）を塗布した。その後、同様に回転焼成にてＥＴＦＥで２層目（厚さ１ｍｍ）を塗布した。
このタンクをアルカリ水電解の気液分離タンク（水素分離タンク、酸素分離タンク）に使用した。
タンクの容積は、水素分離タンク及び酸素分離タンク共に２ｍ３であった。
アルカリ水電解システムの詳細な条件を表１に示す。【０２７７】
電解液には、３０％水酸化カリウムを用いた。
整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、電流密度６ｋＡ／ｍ２となるように通電をした。
循環流量を１ｍ３／ｈｒとした。
電解液の温度は最高９５℃とした。【０２７８】
この条件で累積７０００時間運転したところ、ライニング層が剥がれることなく、且つ水電解にて２５Ｎｍ３／ｈｒの水素を得ることができた。【０２７９】
（実施例Ｂ２）
特に下記の条件とした以外はアルカリ水電解システムの全体構成を実施例Ａ１と同様とした。【０２８０】
複極式電解槽は、各電解質の電極面積が２．７ｍ２であり、陰極室及び陽極室がそれぞれ４室ある４対の直列接続構造を有するものとした。【０２８１】
ＳＳ４００の鋼製タンクの表面を脱脂処理し、その後砂でブラスト処理し表面をあらした、紛体塗装方式によりＥＴＦＥで１層目（厚さ１ｍｍ）を塗布した。その後、同様に紛体塗装方式にてＥＴＦＥで２層目（厚さ１ｍｍ）を塗布した。
このタンクをアルカリ水電解の気液分離タンク（水素分離タンク、酸素分離タンク）に使用した。
タンクの容積は、水素分離タンク及び酸素分離タンク共に２ｍ３であった。
アルカリ水電解システムの詳細な条件を表１に示す。【０２８２】
電解液には、３０％水酸化カリウムを用いた。
整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、電流密度６ｋＡ／ｍ２となるように通電をした。
循環流量を１ｍ３／ｈｒとした。
電解液の温度は最高９５℃とした。【０２８３】
この条件で累積７０００時間運転したところ、ライニング層が剥がれることなく、且つ水電解にて２５Ｎｍ３／ｈｒの水素を得ることができた。【０２８４】
（実施例Ｂ３）
特に下記の条件とした以外はアルカリ水電解システムの全体構成を実施例Ａ１と同様とした。【０２８５】
複極式電解槽は、各電解質の電極面積が０．２５ｍ２であり、陰極室及び陽極室がそれぞれ４室ある４対の直列接続構造を有するものとした。【０２８６】
ＳＳ４００の鋼製タンクの表面を脱脂処理し、その後砂でブラスト処理し表面を荒らした。プライマーには、ＥＴＦＥの共重合体を塗布し、その上にＰＦＡを主材として１層（厚さ２ｍｍ）塗布した。
このタンクをアルカリ水電解の気液分離タンク（水素分離タンク、酸素分離タンク）に使用した。
タンクの容積は、水素分離タンク及び酸素分離タンク共に０．３ｍ３であった。
アルカリ水電解システムの詳細な条件を表１に示す。【０２８７】
電解液には、３０％水酸化カリウムを用いた。
整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、電流密度１０ｋＡ／ｍ２となるように通電をした。
循環流量を０．１ｍ３／ｈｒとした。
電解液の温度は最高８０℃とした。【０２８８】
この条件で累積２０００時間運転したところ、ライニング層が剥がれることなく、かつ水電解にて４．２Ｎｍ３／ｈｒの水素を得ることができた。【０２８９】
（実施例Ｂ４）
特に下記の条件とした以外はアルカリ水電解システムの全体構成を実施例Ａ１と同様とした。【０２９０】
複極式電解槽は、各電解質の電極面積が０．２５ｍ２であり、陰極室及び陽極室がそれぞれ４０室ある４０対の直列接続構造を有するものとした。【０２９１】
ＳＳ４００の鋼製タンクの表面を脱脂処理し、その後砂でブラスト処理し表面を荒らした。プライマーには、ＥＴＦＥの共重合体を塗布し、その上にＥＴＦＥ主材として１層（厚さ２ｍｍ）塗布した。
このタンクをアルカリ水電解の気液分離タンク（水素分離タンク、酸素分離タンク）に使用した。
タンクの容積は、水素分離タンク及び酸素分離タンク共に０．５ｍ３であった。
アルカリ水電解システムの詳細な条件を表１に示す。【０２９２】
電解液には、３０％水酸化カリウムを用いた。
整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、電流密度６ｋＡ／ｍ２となるように通電をした。
循環流量を１ｍ３／ｈｒとした。
電解液の温度は最高７０℃とした。【０２９３】
この条件で累積１０００時間運転したところ、ライニング層が剥がれることなく、且つ水電解にて１６Ｎｍ３／ｈｒの水素を得ることができた。【０２９４】
（実施例Ｂ５）
特に下記の条件とした以外はアルカリ水電解システムの全体構成を実施例Ａ２と同様とした。【０２９５】
複極式電解槽は、各電解質の電極面積が０．２５ｍ２であり、陰極室及び陽極室がそれぞれ１０室ある１０対の直列接続構造を有するものとした。【０２９６】
ＳＳ４００の鋼製タンクの表面を脱脂処理し、その後砂でブラスト処理し表面を荒らした。プライマーには、ＥＴＦＥの共重合体を塗布し、その上にＥＴＦＥを主材として１層（厚さ２ｍｍ）塗布した。
このタンクをアルカリ水電解の気液分離タンク（水素分離タンク、酸素分離タンク）に使用した。
タンクの容積は、水素分離タンク及び酸素分離タンク共に０．５ｍ３であった。
アルカリ水電解システムの詳細な条件を表１に示す。【０２９７】
電解液には、３０％水酸化カリウムを用いた。
整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、電流密度１０ｋＡ／ｍ２となるように通電をした。
循環流量を０．２ｍ３／ｈｒとした。
電解液の温度は最高９５℃とした。【０２９８】
この条件で累積２０００時間運転したところ、ライニング層が剥がれることなく、且つ水電解にて１０Ｎｍ３／ｈｒの水素を得ることができた。【０２９９】
【表２】
2018182005.tif 000004
【０３００】
以下、実施例Ｃ及び比較例Ｃについて記載する。【０３０１】
（実施例Ｃ１）
複極式エレメントを下記の通りに作製した。なお、電解装置を作製する際に使用する一部のものについても記載する。【０３０２】
隔壁、外枠、陽極、陰極、隔膜、ゼロギャップ構造等は、特に断りのない限り、それぞれ実施例Ａ１で使用したもと同様のものを使用した。【０３０３】
−ヘッダー、導管−
内部ヘッダー１０Ｉ型の複極式エレメント６０を採用した。
そして、図４、図５に示すように、ヘッダー１０（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）のいずれもが、複極式エレメント６０の隔壁１の側方の２辺に対して平行に延びるように（隔壁１の上方の辺及び下方の辺に対して直交して延びるように）、配置した。
また、図４、図５に示すように、導管２０（陽極用配液管２０ａｉ、陰極用配液管２０ｃｉ、陽極用集液管２０ａｏ、陰極用集液管２０ｃｏ）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。
こうして、内部ヘッダー１０Ｉ型の電解槽を作製した。
陰極入口ヘッダー０Ｉｃｉを介して陰極室５ｃへ、陰極室５ｃから陰極出口ヘッダー１０ｃｏを介して、電解液を流した。また、陽極入口ヘッダー１０ａｉを介して陽極室５ａへ、陽極室５ａから陽極出口ヘッダー１０ｃｏを介して、電解液を流した。
図４に示すように、陰極電解液入口５ｃｉは平面視で長方形の外枠の下辺の一方端側に、陰極電解液出口５ｃｏは平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、陰極電解液入口５ｃｉと陰極電解液出口５ｃｏとを、平面視で長方形の電解室５において電極室５の電極室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。
この実施例の複極式電解槽５０では、陽極室５ａや陰極室５ｃの電解液入口５ｉ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の電解液出口５ｏ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。
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、電解により酸素ガスが発生するため、前述した、陰極出口ヘッダー１０ｃｏでは、電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口ヘッダー１０ｃｏでは、電解液と酸素ガスとの混相流となった。【０３０４】
実施例Ｃ１の複極式電解槽は下記のとおりの手順で作製した。【０３０５】
陰極Ａを複極式フレームの陰極面に取付け、陽極Ａを複極式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Ａを陰極ターミナル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Ａを陽極ターミナル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。【０３０６】
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、０．２５ｍ２に調整した。
外枠の下方に設けられた、導管（配液管、集液管）の流路の断面積Ｓ２は、０．０００９ｍ２に調整した。
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）の流路の断面積Ｓ３は、０．００００１６ｍ２に調整した。【０３０７】
また、複極式エレメントの厚さｄは、０．０３３ｍに調整した。また、陰極ターミナルエレメント、陽極ターミナルエレメントの厚みを、０．０１２５ｍに調整した。【０３０８】
上記複極式エレメントを９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。【０３０９】
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。【０３１０】
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Ａを１枚挟み込んだ。９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、８枚隔膜Ａを１枚ずつ挟み込み、陰極と陽極とが隔膜に押しつけられたゼロギャップ構造を形成した。更に、９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Ａ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Ｃ１の複極式電解槽とした。【０３１１】
送液ポンプ、気液分離タンク等は、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、図１に示すようなアルカリ水電解システムを作製した。なお、陽極電解液戻し配管中に陽極温度計を、陰極電解液戻し配管中に陰極温度計を設け、各配管中の電解液濃度を測定した。また、電解液送り配管の陽極及び陰極の電解液配液管入口手前（流量計より下流側）に圧力計を設け、電解液配液管入口の電解液の圧力を測定した。【０３１２】
アルカリ水電解システムを用いたアルカリ水電解方法を、下記の条件で実施した。【０３１３】
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、陽極電解液戻し配管、酸素分離タンク（陽極用気液分離タンク）、陽極電解液送り配管、陽極室の循環を、また、陰極室、陰極電解液戻し配管、水素分離タンク（陰極用気液分離タンク）、陰極電解液送り配管、陰極室の循環を、行った。送液ポンプは、電解槽へ通電開始前に止め、送液ポンプを用いずに電解液を循環させた。【０３１４】
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）にテフロンライニング内面処理を施した、２０Ａの配管を用いた。【０３１５】
気液分離タンクは、実施例Ａ２で使用したものと同様のもを用意した。【０３１６】
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、変動範囲０〜１０ｋＡ／ｍ２、変動周期３０秒の正弦波状に変動させた電流を流した。実施例Ｃ１においては、電極の面積は５００ｍｍ×５００ｍｍであるため、０〜２．５ｋＡを通電した。【０３１７】
電解槽内の圧力は、気液分離タンクのガス流出路下流に設けた圧力計７８で測定し、陰極側圧力が５０ｋＰａ、陽極側圧力が５０ｋＰａ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７８の下流に設置した圧力制御弁８０により行った。【０３１８】
複極式電解槽の電解液配液管入口の鉛直方向に最も低い位置と気液分離タンクの電解液液面との鉛直方向の距離Ｈは２ｍ、酸素分離タンクの電解液液面と、複極式電解槽から酸素分離タンクへ電解液を送る陽極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離ｈａは０．９ｍ、水素分離タンクの電解液液面と、複極式電解槽から水素分離タンクへ電解液を送る陰極電解液戻し配管の鉛直方向に最も高い位置との鉛直方向の距離ｈｃは０．９ｍ、にそれぞれ調整した。
酸素分離タンク、水素分離タンクが、複極式電解槽と接している一体型のアルカリ水電解システムとした。【０３１９】
そして、実施例Ｃ１におけるアルカリ水電解について、下記の通りに評価した。【０３２０】
（電解液温度）
陽極電解液戻し配管に設けた陽極温度計及び陰極電解液戻し配管に設けた陰極温度計により、通電開始１００時間後の複極式電解槽の電解液集液管出口から送られる電解液の温度（℃）を測定した。
結果を表３に示す。【０３２１】
（陰極及び陽極の電解液配液管入口の電解液圧力差の振幅）
通電開始１００時間後の、陽極側の電解液配液管入口に流れる陽極電解液圧力（ｋＰａ）、及び陰極側の電解液配液管入口に流れる陰極電解液圧力（ｋＰａ）を測定し、陽極電解液圧力と陰極電解液圧力との差の振幅を測定した。
陽極電解液圧力と陰極電解液圧力との差の振幅が小さいほど、隔膜を介したガスの混合が少なくなり、隔膜や電極へのダメージを低減できるため、好ましい。【０３２２】
（回収ガスの純度）
通電開始１００時間後の、酸素分離タンクから回収された酸素ガス中の酸素ガス及び水素ガスの濃度を測定し、回収された酸素ガス全量に対する水素ガスの含有率（水素ガスの濃度／（酸素ガスの濃度＋水素ガスの濃度）×１００）を算出した。また、水素分離タンクから回収された水素ガス中の水素ガス及び酸素ガスの濃度を測定し、回収された水素ガス全量に対する酸素ガスの含有率（酸素ガスの濃度／（水素ガスの濃度＋酸素ガスの濃度）×１００）を算出した。
ガスの濃度は、図１に示すように、圧力制御弁８０の下流に設けた、Ｈ２／Ｏ２濃度計７５、７６により測定した。
他のガスの含有割合が小さいほど、得られるガスの純度が優れていると判断した。【０３２３】
（複極式電解槽内の電解液の気泡割合、Ｂ）
本実施例Ｃ、比較例Ｃと同じ寸法の透明の電解槽及び配管ラインを用意し、一定電密で、１時間電解後に、電解を停止し、停止の前後の電解液の体積変化により、電解液中の気泡の体積割合（気泡の体積／（液体の体積＋気泡の体積））を測定した。６ｋＡ／ｍ２のとき、１０％程度、１０ｋＡ／ｍ２のとき、１５％程度だった。【０３２４】
（実施例Ｃ２）
酸素分離タンクと複極式電解槽、及び水素分離タンクと複極式電解槽を、それぞれ１．０ｍ離し、約２ｍの電解液戻し配管、電解液送り配管で接続したこと以外は、実施例Ｃ１と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
測定結果を表３に示す。【０３２５】
（実施例Ｃ３）
ｈａ及びｈｃを０．５ｍとしたこと以外は、実施例Ｃ２と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
測定結果を表３に示す。【０３２６】
（実施例Ｃ４）
ｈａ及びｈｃを０．１ｍとしたこと以外は、実施例Ｃ２と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
測定結果を表３に示す。【０３２７】
（実施例Ｃ５）
ｈａを０．７ｍ、ｈｃを０．９ｍとしたこと以外は、実施例Ｃ２と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
測定結果を表３に示す。【０３２８】
（実施例Ｃ６）
ｈａを０．９ｍ、ｈｃを０．７ｍとしたこと以外は、実施例Ｃ２と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
測定結果を表３に示す。【０３２９】
（比較例Ｃ１）
ｈａ及びｈｃを１．１ｍとしたこと以外は、実施例Ｃ２と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
測定結果を表３に示す。【０３３０】
（比較例Ｃ２）
ｈａ及びｈｃを０．０１ｍとしたこと以外は、実施例Ｃ２と同様にしてアルカリ水電解システムを作製した。
測定結果を表３に示す。【０３３１】
【表３】
2018182005.tif 000005
【０３３２】
実施例Ｃ１のアルカリ水電解システムは、電解液集液管出口の電解液温度が、陽極、陰極共に９０℃以下で、許容範囲であり、低く抑えることができた。また、ガス純度も低かった。
実施例Ｃ２〜Ｃ６は、電解液集液管出口の電解液温度が、陽極、陰極共に９０℃以下で、許容範囲であり、低く抑えることができた。また、ガス純度は実施例Ｃ１よりも大幅に改善した。
実施例Ｃ６は、陰極及び陽極の電解液配液管入口の循環液圧力差の振幅が大幅に改善した。
一方、比較例Ｃ１は電解液集液管出口の電解液温度が高く、比較例Ｃ２はガス純度が高かった。【０３３３】
以下、実施例Ｄ及び比較例Ｄについて記載する。【０３３４】
（実施例Ｄ１）
アルカリ水電解用複極式セル及びそれを用いたアルカリ水電解システムは、下記のとおり作製した。【０３３５】
隔壁、外枠、陽極、陰極、隔膜、ゼロギャップ構造、ガスケット等は、特に断りのない限り、それぞれ実施例Ａ１で使用したもと同様のものを使用した。【０３３６】
−複極式電解槽、複極式エレメント−
複極式エレメントを５個使用し、図２に示すように、一方の端側で、ファストヘッド、絶縁板、陽極ターミナルエレメントを配置し、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５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、陰極ターミナルエレメント、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８本のタイロッドを使用し、各タイロッドをトルクレンチにより締め付けトルク５９Ｎｍ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。【０３３７】
−電解室−
電極室の隔壁に垂直な方向の長さ（電極室の深さ）は、陽極室で２５ｍｍであり、陰極室で２５ｍｍであった。【０３３８】
−ヘッダー（外部ヘッダー）−
この実施例の複極式電解槽５０では、図６、図７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）が設けられている。
更に、この電解槽５０では、これらの導管２０から電解室５に電解液を通過させるホース（陽極入口側ホース１０Ｏａｉ、陽極出口側ホース１０Ｏａｏ、陰極入口側ホース１０Ｏｃｉ、陰極出口側ホース１０Ｏｃｏ）を、外部から取り付けた。
なお、各ホース（１０Ｏａｉ、１０Ｏａｏ、１０Ｏｃｉ、１０Ｏｃｏ）には、それぞれ熱電対を設置し、電極室を通過する前後での電解液の温度差を測定した。
こうして、外部ヘッダー型の電解槽を作製した。
陰極入口側ホース１０Ｏｃｉを介して陰極室５ｃへ、陰極室５ｃから陰極出口側ホース１０Ｏｃｏを介して、電解液を流した。
また、陽極入口側ホース１０Ｏａｉを介して陽極室５ａへ、陽極室５ａから陽極出口側ホース１０Ｏａｏを介して、電解液を流した。
図６、図７に示すように、入口側ホースは平面視で長方形の外枠の下辺の一方端側に、出口側ホースは平面視で長方形の外枠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、入口側ホースと出口側ホースとを、平面視で長方形の電解室において電極室の電極室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。
この実施例の複極式電解槽では、陽極室５ａや陰極室５ｃの入口側ホースから、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の出口側ホースから、電解液と生成ガスとが、電解槽外へ流出する構造とした。
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、電解により酸素ガスが発生するため、前述した、陰極出口側ホース１０Ｏｃｏでは、電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口側ホース１０Ｏａｏでは、電解液と酸素ガスとの混相流となった。【０３３９】
実施例Ｄ１のアルカリ水電解システムの全体構造は図１に示すようなものとした。【０３４０】
整流器としては、（株）三社電機製作所社製のＫＣＡ２Ｆ７−１５−２５００ＣＬ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。
また、酸素濃度計、水素濃度計の上流側には、ミスト除去を目的として、ボルテックスクーラー（図示せず）を設置した。
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、アルカリ水電解システムを作製した（図１参照）。【０３４１】
水供給器としては、純水製造装置であるオルガノ（株）社製のＰＲＯ−０１００を用いた。
水封器としては、内径φ４００ｍｍ×高さ６００ｍｍのＳＵＳ製円筒容器を用い、水封高さが４５０ｍｍとなるように円筒容器にオーバーフローノズルを取り付けた。円筒容器の上蓋には、ガスを導入するための配管とガスを排出するための配管とを接続し、ガスを導入するための配管は水封部まで延伸させた。また、水封器内の液面レベルを目視で確認できるように、液面計を取り付けた。
フレームアレスターとしては、クリンプ・リボン式フレームアレスター（金子産業（株）製のＦＡＲ−１５０）を用いた。
バッファータンクとしては、内径φ６００ｍｍ×高さ６００ｍｍのＳＵＳ製円筒容器を用いた。【０３４２】
気液分離タンクによって分離された水素及び酸素は前述した円筒容器の上蓋に接続された配管を通じて、水封器に向けて放出された。
水封器より出たガスは、フレームアレスターを通過し、系外に排出された。
水補給器より、水封器に水が供給され、オーバーフローした水は、バッファータンクに溜められた。そして、水はバッファータンクから水供給ポンプにより電解液として電解槽に供給された。
バッファータンクから電解液循環ラインへの水供給量は、水素側気液分離タンクの液面レベルで制御し、液面レベル４３％で供給ポンプ停止、液面レベル４０％で供給ポンプ稼働とした。
水補給器から水封器への水補給量は、バッファータンクの液面レベルで制御し、液面レベル６０％で補給ポンプ停止、液面レベル５０％で補給ポンプ稼働とした。
フレームアレスターは、水封器のガスライン下流側（系外にガスが排出さされるライン）に水平方向に取り付けた。フレームアレスターでは、ガスに随伴されるミスト成分が凝縮し、凝縮した成分の一部が水やアルカリ水となってガスライン下流側に流れた。この凝縮水とガスとを分岐させ、凝縮水を水封器に戻すラインが設けられた。この凝縮水戻しラインは、途中に液溜り部を有し、流れてきた凝縮水がオーバーフローして水封器に戻り、ガスの流れは遮断できるようにした。【０３４３】
アルカリ水電解システムを用いたアルカリ水電解方法を、下記の条件で実施した。【０３４４】
電解液として、３０％ＫＯＨ水溶液を用いた。
整流器から複極式電解槽に対して、複極式電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、１０ｋＡ／ｍ２となるように通電をした。
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１ａ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。【０３４５】
通電開始後の槽内圧力は、圧力計で測定し、陰極（水素ガス）側圧力が５０ｋＰａ、陽極（酸素ガス）側圧力が４９ｋＰａとなるとように、調整した。圧力調整は、圧力計下流に設置した制御弁８０により行った。【０３４６】
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）にテフロンライニング内面処理を施した、２０Ａの配管を用いた。【０３４７】
気液分離タンクは、実施例Ａ２で使用したものと同様のものを用意した。
気液分離タンクの液量は、それぞれ設計容積の４５％とした。【０３４８】
（電解試験１）
整流器から電解槽に対して、電流密度が１０ｋＡ／ｍ２となるように連続で通電し、水電解を行った。運転は１０００時間行い、開始時、５００時間後、９５０時間後における、循環電解液濃度、水素分離タンク液面レベル、水素側水封器液面レベル、酸素側水封器液面レベル、水素側・酸素側水封器液面レベルの差圧を測定した。結果を表４に示す。【０３４９】
（電解試験２）
実施例Ｄ、比較例Ｄにおける電解システムについて、実施例Ａ及び実施例Ｂにおける電解試験と同様に、電解試験を行った。結果を表４に示す。【０３５０】
【表４】
2018182005.tif 000006
【０３５１】
電解液濃度、液面レベル共に安定しており、排水・排アルカリを出すことなく、電解により消費した水を供給しながら、システム中の水量を管理することができた。また、酸素側・水素側水封器液面レベルの差圧も安定しており、さらには、フレームアレスターの凝縮水等によるガスラインの詰りを防止し、水素側・酸素側水封器液面レベルも保つことができた。
また、水素中酸素濃度を常時測定し、０．０５％以下に維持されていることが確認できた。【０３５２】
（実施例Ｄ２）
フレームアレスターを、水封器のガスライン下流側（系外にガスが排出さされるライン）に鉛直方向で、ガスの流れを下方から上方に流れるように、取り付けた。フレームアレスター内に貯まった凝縮水は、ガスライン上流の下方に貯まり戻り出るため、凝縮水戻しラインは設けなかった。
上記以外は、実施例Ｄ１と同様に水電解を行った。
そして、実施例Ｄ１と同様に電解試験１及び電解試験２により評価した。結果を表５に示す。【０３５３】
【表５】
2018182005.tif 000007
【０３５４】
その結果、実施例Ｄ１同様、電解液濃度、液面レベル共に安定しており、排水・排アルカリを出すことなく、電解により消費した水を供給しながら、システム中の水量を管理することができた。また、酸素側・水素側水封器液面レベルの差圧も１ｋＰａを維持することができた。一方、水素側水封器液面レベルについては、５００〜９５０時間後の間、約８００時間後に、水素側のガス配管に凝縮水による詰りが発生し、水素側水封器液面レベルが２５０ｍｍまで低下した。
また、水素中酸素濃度を常時測定し、０．０５％以下に維持されていることが確認できた。【０３５５】
（実施例Ｄ３）
水素側／酸素側気液分離タンクと水素側／酸素側水封器との間に設けた圧力制御弁８０をそれぞれ全開とし、圧力調整をせず、運転を行った以外は、実施例Ｄ２と同様に行った。結果を表６に示す。【０３５６】
【表６】
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【０３５７】
その結果、実施例Ｄ１及び実施例Ｄ２同様、電解液濃度、液面レベル共に安定しており、排水・排アルカリを出すことなく、電解により消費した水を供給しながら、システム中の水量を管理することができた。一方、水素側液面レベル及び電解システム内差圧については、５００〜９５０時間の間、約８００時間後に、水素側のガス配管に凝縮水による詰まりが発生し、水素側水封器液面レベルが２５０ｍｍまで低下し、系内差圧は電解初期においては０ｋＰａであったが、９５０時間後は、水素側圧力が２ｋＰａ高くなった。
また、水素中酸素濃度を常時測定し、０．０５％以下に維持されていることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【０３５８】
本発明によれば、アルカリ水電解システムの気液分離タンクにおいて気液分離性を顕著に向上させることができる。
【符号の説明】
【０３５９】
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        電解液出口
５ａｉ      陽極電解液入口
５ａｏ      陽極電解液出口
５ｃｉ      陰極電解液入口
５ｃｏ      陰極電解液出口
６          整流板（リブ）
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
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
１０Ｉ      内部ヘッダー
１０Ｉａｉ  陽極入口ヘッダー
１０Ｉａｏ  陽極出口ヘッダー
１０Ｉｃｉ  陰極入口ヘッダー
１０Ｉｃｏ  陰極出口ヘッダー
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）
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）
２０        導管
２０ａｉ    陽極用配液管
２０ａｏ    陽極用集液管
２０ｃｉ    陰極用配液管
２０ｃｏ    陰極用集液管
２０Ｉａｉ  陽極用配液管
２０Ｉａｏ  陽極用集液管
２０Ｉｃｉ  陰極用配液管
２０Ｉｃｏ  陰極用集液管
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
５０        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        アルカリ水電解システム
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
７２ｉ      流入口
７２ｅ      流出口
７２ｓ      電解液の液面
７２ｉｎ    流入口に取り付けられる配管
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        電解液戻し配管
８１ａ      陽極電解液戻し配管
８１ｃ      陰極電解液戻し配管
８２        電解液送り配管
８２ａ      陽極電解液送り配管
８２ｃ      陰極電解液送り配管
９０        合流管
Ａ          軸を示す点
Ｄ１        隔壁に沿う所与の方向（電解液通過方向）
Ｈ          気液分離タンクの高さ
Ｚ          ゼロギャップ構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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