(57)【要約】      （修正有）【課題】電解反応時に発生する気泡による電解電圧及び電解効率の増大を抑制した電解装置を提供する。【解決手段】電解装置は、隔壁ブロック１２と、この隔壁ブロック内に電解液を介して設けられた３以上の電極とを具える。そして、前記３以上の電極の少なくとも１つが陰極１３又は陽極１４として機能する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性の隔壁ブロックと、この隔壁ブロックに形成された孔部において電解液を介して設けられた３以上の電極とを具え、
前記３以上の電極の少なくとも１つが陰極又は陽極として機能することを特徴とする、電解装置。
【請求項２】
前記電極間の電解電圧を測定するための電圧測定器を具えることを特徴とする、請求項１に記載の電解装置。
【請求項３】
前記３以上の電極間の電解電圧に応じて、前記３以上の電極の極性を変化させるための極性制御器を具えることを特徴とする、請求項２に記載の電解装置。
【請求項４】
前記極性制御器は、前記３以上の電極間の前記電解電圧が小さくなるようにして、前記３以上の電極の、少なくとも１つの極性を変化させることを特徴とする、請求項３に記載の電解装置。
【請求項５】
前記３以上の電極の少なくとも１つは中空状電極であって、この中空状電極の外表面は親水化されており、内表面は疎水化されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の電解装置。
【請求項６】
前記電解液を補充するための電解液補充機構を具えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の電解装置。
【請求項７】
前記３以上の電極の少なくとも１つは多孔質電極であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の電解装置。
【請求項８】
前記隔壁ブロックは、陽極又は陰極として機能することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電における発電量は、太陽光や風力に依存することから、発電量が大きくなって電力系統の需要を上回った場合には、発電量が小さくなって電力系統の需要を下回る場合に備えて、貯蔵しておくことが好ましい。
【０００３】
このような電力貯蔵システムとしては、小規模から大規模の発電設備に対応可能であり、かつ立地条件を選ばないことから、アルカリ水を用いた電解装置が好ましく用いられ、今後さらなる重要の増加が見込まれる。上記電解装置は、上述のように供給電力が電力系統の需要を上回る場合に、水の電気分解(水の電解)を行って電力を水素として貯蔵し、電力が不足している場合に、貯蔵した水素を用いた発電によって電力系統の需要に対する不足分を補償する。
【０００４】
電解装置に要求される特性としては、電気分解が行われる陰極及び陽極間の電解電圧が低く、また、水を電解する際に理論的に算出される理論電解電圧を電解電圧で除した電解効率が高いことが挙げられる。
【０００５】
電解液の電気抵抗が温度の上昇に伴って低下することから、電解反応を高温で行い、電解液の電気抵抗の低下に基づいて電解電圧を低下させ電解効率を高める試みがなされている。しかしながら、このような高温で電解反応を行うには、高温の電解液による腐食に耐え得るような電極が必要となる。特許文献１には、前述のような電極として、ニッケル又はニッケル合金からなるメッシュ状の導電性線材が開示されている。
【０００６】
また、電解液の電気抵抗を低下させる別の試みとして、特許文献２には、隔膜の両面に陽極物質及び陰極物質を密着させた電解槽を用いることで電極間隔を短くし、これによって電解液の電気抵抗を低減させる試みがなされている
【０００７】
しかしながら、いずれの方法においても、電解反応時には気泡が生じ、電解液中の気泡密度が増大してその見かけ密度が低下し、電解液の実質的な電気抵抗が増大してしまうことにより、電解電圧が増大し電解効率が低下してしまうという課題があった。また、上記気泡は電極表面に付着して、電極の有効面積を減少させてしまい、これに起因して上記電解電圧及び電解効率を増大させてしまうという課題も生じていた。さらに、上記気泡は隔膜の表面にも付着してしまい、電極間の実質的な電気抵抗を増大させてしまうことから、上記同様に電解電圧を増大させ電解効率を低下させてしまうという課題も生じていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１４９９３２号
【特許文献２】特開２００９−２４２９２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、電解反応時に発生する気泡による電解電圧及び電解効率の増大を抑制した電解装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、電気絶縁性の隔壁ブロックと、この隔壁ブロックに形成された孔部において電解液を介して設けられた３以上の電極とを具え、前記３以上の電極の少なくとも１つが陰極又は陽極として機能することを特徴とする、電解装置に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電解反応時に発生する気泡による電解電圧及び電解効率の増大を抑制した電解装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態における電解装置の平面図である。
【図２】図１に示す電解装置をＩ−Ｉ線に沿って切った場合の断面図である。
【図３】第２の実施形態における電解装置の平面図である。
【図４】第３の実施形態における電解装置の平面図である。
【図５】第４の実施形態における電解装置の平面図である。
【図６】第５の実施形態における電解装置の平面図である。
【図７】第６の実施形態における電解装置の平面図である。
【図８】第７の実施形態における電解装置の平面図である。
【図９】図８に示す電解装置をＩＩ−ＩＩ’線に沿って切った場合の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における電解装置の平面図であり、図２は、図１に示す電解装置をＩ−Ｉ’線に沿って切った場合の断面図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、本実施形態における電解装置１０は、電解槽１１内に隔壁ブロック１２が配置（充填）され、隔壁ブロック１２には４つの孔１２Ａが隔壁ブロック１２を厚さ方向に貫通するとともに、任意の２つが対を成して互いに対向するようにして形成されている。また、これら４つの孔１２Ａ内には、陰極１３及び陽極１４が２個ずつ電解液１５を介して隔壁ブロック１２から離隔するようにして配置されている。また、陰極１３及び陽極１４間には電源１７が接続されている。
【００１６】
なお、本実施形態では、陰極１３及び陽極１４が互いに隣接するように交互に配置されているが、配置構成はこれに限らず、例えば２つの陰極１３が対を成し、２つの陽極１４が対を成して、これら一対の陰極１３及び一対の陽極１４同士が互いに対向するように配置することもできる。
【００１７】
電解槽１１は、ＳＵＳ（ステンレス鋼）やテフロン（登録商標）などの耐食性に優れた材料から構成することができる。隔壁ブロック１２は、陰極１３及び陽極１４を電気的に隔離し、電解液１５を保持する必要があることから、絶縁性であって緻密な材料から構成することが要求される。例えば、汎用のセラミック材料や高分子材料から構成することができる。また、陰極１３及び陽極１４は、白金、ルテニウム、金、銀、銅、ニッケル、チタン、コバルト、SUS、マンガン、亜鉛、カーボン、酸化イリジウム等の汎用の電極材から構成することができる。
【００１８】
なお、陰極１３及び陽極１４は、多孔質であることが好ましい。この場合に、電極の有効面積が増大するので、以下に示すような電解反応を高効率で生ぜしめることができる。多孔質の電極は、汎用の方法によって形成することができる。なお、カーボンから電極を構成する場合は、特にミクロポーラスカーボンを用いることによって多孔質電極とすることができる。
【００１９】
電解液１５は、酸性水溶液、アルカリ水溶液のいずれをも用いることができるが、材料の腐食、本実施形態では特に陰極１３及び陽極１４の腐食の観点から、アルカリ水溶液を用いることが好ましい。このようなアルカリ水溶液としては、例えば水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムを２５質量％〜４０質量％添加したものを用いることができる。
【００２０】
次に、図１及び図２に示す電解装置１０を用いた電解反応について説明する。
陰極１３及び陽極１４間に電源１７から所定の電圧が印加されると、陰極１３及び陽極１４ではそれぞれ以下のような電解反応に基づいて、水素及び酸素が発生する。
陰極：２Ｈ２Ｏ+２ｅ−→Ｈ２      +２ＯＨ−（１）
陽極：２ＯＨ− → １/２Ｏ２+Ｈ２Ｏ+２ｅ− （２）
【００２１】
発生した水素及び酸素は電解槽１１外に排気され、必要に応じて貯留される。特に、本実施形態の電解装置を電力貯蔵システムとして用いる場合は、生成した水素を貯蔵し、電力が不足している場合に、貯蔵した水素を用いた発電によって電力系統の需要に対する不足分を補償する。
【００２２】
一方、上記電解反応時には気泡が生じ、従来構成の電解装置においては、電解液の見かけ密度が低下し、電解液の実質的な電気抵抗が増大してしまうことにより、電解装置の電解電圧が増大し電解効率が低下してしまうという問題があった。また、上記気泡は電極表面に付着して、電極の有効面積を減少させてしまい、これに起因して上記電解電圧を増大させ電解効率を低下させてしまうという問題も生じていた。さらに、上記気泡は隔膜の表面にも付着してしまい、電極間の実質的な電気抵抗を増大させてしまうことから、上記同様に電解電圧を増大させ電解効率を低下させてしまうという問題も生じていた。
【００２３】
しかしながら、本実施形態の電解装置１０においては、隔壁ブロック１２内に、２つの陰極１３及び２つの陽極１４を配置している。したがって、上述した電解反応はこれら４つの電極間、すなわち複数の方向で生じることになるので、電解反応によって生じる気泡の発生も分散するようになる。このため、電極表面に気泡が集中してその有効面積を大きく減少させてしまうということがない。同様に、陰極１３及び陽極１４を電気的に絶縁した状態で支持している隔壁ブロック１２の孔１２Ａの内壁面に気泡が集中して、陰極１３及び陽極１４間の実質的な電気抵抗を大きく増大させてしまうことがない。
【００２４】
また、上述のように気泡の発生が分散することから、陰極１３及び陽極１４毎に配備した電解液１５においても、電解液１５内に発生する気泡密度が減少し、電解液１５の実質的な電気抵抗を大きく増大させてしまうということがない。したがって、電解装置１０の電解電圧が増大し電解効率が低下してしまうのを抑制することができる。
【００２５】
なお、上述した内容から明らかなように、従来の電解装置においては、基本的に単一の陰極と単一の陽極とを隔膜によって隔ててなる電極構成を基本構成としていたので、電解反応が上記陰極と上記陽極との間でのみ発生し、電解反応に伴って発生する気泡が分散されることなく、上記陰極と上記陽極との間に集中し、これによって気泡が電極表面に多量に付着して、電極の有効面積を減少させてしまう等により、電解電圧を増大させ電解効率を低下せしめていたことが分かる。
【００２６】
本実施形態においては、隔壁ブロック１２に４つの孔１２Ａを形成し、合計４つの電極を設けるようにしているが、電極の数が少なくとも３つあれば、上述した本実施形態の作用効果を奏することができる。但し、電極の数が多いほど上述した本実施形態の作用効果が顕著となり、特に本実施形態のように、電極の数を４以上とすることにより前記作用効果が顕著となる。
【００２７】
一方、隔壁ブロック１２に配設すべき電極の数の上限は特に限定されるものではない。
【００２８】
（第２の実施形態）
図３は、本実施形態における電解装置の平面図である。第１の実施形態では、隔壁ブロック１２に合計４つの孔１２Ａを形成し、これら４つの孔１２Ａ内に２つの陰極１３及び２つの陽極１４を、陰極１３と陽極１４とが互いに隣接するように交互に配置した。
【００２９】
これに対して、本実施形態の電解装置２０では、隔壁ブロック１２において合計５つの孔１２Ａを形成し、中心に位置する孔１２Ａを４つの孔１２Ａが取り囲むようにして形成している。そして、中心に位置する孔１２Ａに陰極１３を配置し、その周囲の４つの孔１２Ａに陽極１４を配置するようにしている。
【００３０】
この場合においても、電解反応は、隔壁ブロック１２の中心に位置する陰極１３と、その周囲に位置する４つの陽極１４との間で生じるようになるので、これにともなって、発生する気泡も上述した電解反応の方向に分散するようになる。したがって、第１の実施形態と同様に、電極表面に気泡が集中してその有効面積を大きく減少させてしまうということがない。同様に、陰極１３及び陽極１４を電気的に絶縁した状態で支持している隔壁ブロック１２の孔１２Ａの内壁面に気泡が集中して、陰極１３及び陽極１４間の実質的な電気抵抗を大きく増大させてしまうことがない。
【００３１】
また、上述のように気泡の発生が分散することから、陰極１３及び陽極１４毎に配備した電解液１５においても、電解液１５内に発生する気泡密度が減少し、電解液１５の実質的な電気抵抗を大きく増大させてしまうということがない。したがって、電解装置２０の電解電圧が増大し電解効率が低下してしまうのを抑制することができる。
【００３２】
なお、本実施形態では、隔壁ブロック１２の中心に陰極１３を配置させているが、陰極１３と陽極１４との配置を逆転させた場合においても、上記同様の作用効果を得ることができる。
【００３３】
さらに、本実施形態では、陰極１３の数を１としているが、２以上として、隔壁ブロック１２の中心に配置した陰極１３に対する残りを、この陰極１３を取り囲むようにして配置することもできる。すなわち、４つの陽極１４の１以上を陰極１３に置き換えることもできる。この場合も、上記同様の作用効果を得ることができる。
【００３４】
（第３の実施形態）
図４は、本実施形態における電解装置の平面図である。本実施形態は、第２の実施形態の変形例に相当するものである。第２の実施形態では、陰極１３及び陽極１４の断面を円形、すなわち陰極１３及び陽極１４を円柱状としたが、本実施形態では、陰極１３及び陽極１４の断面を六角形状としている。
【００３５】
本実施形態に示すように、陰極１３及び陽極１４の断面形状を変化させた場合においても、上述のように、電解反応は複数の方向で生じ、これに伴って気泡の発生も分散することから、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３６】
さらに、本実施形態では、陰極１３及び陽極１４の断面形状を六角形状としているので、電極間距離が最短となる面積が増大する。したがって、本実施形態では、電極間における電気抵抗をさらに低減することができるので、第１の実施形態及び第２の実施形態の場合に比較して、本実施形態における電解装置３０の電解電圧が増大し、電解効率が低下するのを抑制することができる。
【００３７】
なお、本実施形態では、陰極１３及び陽極１４の断面形状を六角形状としたが、これに限らず任意の多角形とすることができる。また、第２の実施形態同様に、陰極１３と陽極１４との配置を逆転させたり、陽極１４の一部を陰極１３で置き換えたりすることもできる。
【００３８】
（第４の実施形態）
図５は、本実施形態における電解装置の平面図である。本実施形態の電解装置４０では、第１の実施形態に示す電解装置１０と同様にして配置した陰極１３及び陽極１４に対して、電圧測定器４７を接続するとともに、これと並列に極性制御器４８を接続している。
【００３９】
本実施形態では、電圧測定器４７によって陰極１３及び陽極１４間の電解電圧を常時モニタリングすることができるので、測定に係る陰極１３及び陽極１４間の電解電圧が高い場合において、極性制御器４８で両者の極性を反転させ、これら電極の表面積比を最適化し、反応抵抗を減少させることにより、上記電解電圧を低下させ、さらには電解効率を向上することができる。
【００４０】
なお、本実施形態の陰極１３及び陽極１４の配置は、第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態の同様の作用、すなわち、電解反応が複数の方向で生じ、これに伴って気泡の発生も分散することから、電極表面に気泡が集中してその有効面積を大きく減少させてしまうこと等を抑制することができ、このような作用に基づく電解装置４０の電解電圧の増大を抑制し、電解効率の低下を抑制するという効果を得ることができる。
【００４１】
（第５の実施形態）
図６は、本実施形態における電解装置の平面図である。本実施形態の電解装置５０では、第１の実施形態と同様の陰極及び陽極の配置構成において、陰極５３及び陽極５４を中空状電極とし、これら中空状電極の外表面を親水化し、内表面を疎水化するようにしている。この場合、上記中空状電極の中空部で気泡が発生した場合においても、気泡は疎水性であり、また中空状電極の内表面も疎水性であるので、気泡は中空部内に留まることなく、中空部から外方へ速やかに排出されるようになる。したがって、気泡が電極表面に付着するのを抑制することができる。
【００４２】
したがって、第１の実施形態の作用の内、特に電極表面に気泡が集中してその有効面積を大きく減少させてしまうことをより効果的に抑制することができ、このような作用に基づいて電解装置５０の電解電圧及び電解効率の増大をより効果的に抑制することができる。
【００４３】
なお、電極の外表面や内面を親水化または疎水化するには、例えば酸素プラズマ処理を行ったり、エッジングなどを施すことによって表面に凹凸を付けることにより実現できる。
【００４４】
（第６の実施形態）
図７は、本実施形態における電解装置の平面図である。本実施形態の電解装置６０では、第１の実施形態に示す電解装置１０と同様にして配置した陰極１３及び陽極１４に対して、電解液タンク６７を接続するとともに、これと直列にポンプ６８を接続している。なお、電解液タンク６７及びポンプ６８は電解液補充機構を構成する。
【００４５】
本実施形態では、電解液タンク６７及びポンプ６８からなる電解液補充機構によって、電解装置６０の電解液１５を補充するようにしている。したがって、電解反応によって電解液１５中に発生した気泡は、補充された電解液によって気泡径の成長を抑制させることができ、さらには図示しない配管を介して電解装置６０の外部に排出することができる。このため、本実施形態では、電解電圧を増大させ電解効率を低下させる原因となる気泡が電解槽に滞留する量、時間を低減させることができる。
【００４６】
換言すれば、本実施形態の陰極１３及び陽極１４の配置が、第１の実施形態と同様であることによる、第１の実施形態の同様の作用、すなわち、電解反応が複数の方向で生じ、これに伴って気泡の発生も分散することから、電極表面に気泡が集中してその有効面積を大きく減少させてしまうこと等を抑制することができることに加えて、気泡の存在自体を低減させるという作用を有するので、これら作用の相乗効果に基づいて電解装置６０の電解電圧が増大し電解効率の低下を相当程度抑制できるという効果を奏することができる。
【００４７】
なお、上記電解液補充機構によれば、電解反応で消費された電解液を適宜補充することができる。
【００４８】
また、隔壁ブロック１２の孔１２Ａに入れる電解液１５は１種類だけではなく、複数の種類の電解液１５や濃度の異なる電解液１５を別々の孔１２Ａにいれてもよい。例えば、親水性の隔膜と、陰極１３が配置されている陰極室に油性溶液を、陽極１４が配置されている陽極室に還元する電解質成分及び水性溶液を入れることにより、還元を行いながら還元された生成物を水性電解液から油性電解液に抽出することができる。抽出と還元を同時に行うことにより、従来は電解と抽出を別々の装置で処理していたものを一つの装置で処理できるため、装置を小型化することが出来る。
【００４９】
（第７の実施形態）
図８は、本実施形態における電解装置の平面図であり、図９は、図８に示す電解装置のＩＩ−ＩＩ’線に沿って切った場合の断面図である。
【００５０】
本実施形態の電解装置７０では、隔壁ブロック１２に形成した合計４つの孔１２Ａの総てに陽極１４を配置し、隔壁ブロック５３自体を陰極としている。なお、この場合は、陽極１４及び陰極７３を隔離するための隔膜７４が、これらの間に充填された電解液１５中に配置されている。
【００５１】
この場合においても、電解反応は、隔壁ブロック１２位置する陽極１４と、その周囲に位置する隔壁ブロックとしての陰極７３との間で生じるようになるので、これにともなって、発生する気泡も上述した電解反応の方向に分散するようになる。したがって、第１の実施形態と同様に、電極表面に気泡が集中してその有効面積を大きく減少させてしまうということがない。同様に、陽極１４及び陰極７３を隔離している隔膜５４に気泡が集中して、陽極１４及び陰極７３間の実質的な電気抵抗を大きく増大させてしまうことがない。
【００５２】
また、上述のように気泡の発生が分散することから、陽極１４毎に配備した電解液１５においても、電解液１５内に発生する気泡密度が減少し、電解液１５の実質的な電気抵抗を大きく増大させてしまうということがない。したがって、電解装置７０の電解電圧が増大し電解効率が大きく低下してしまうのを抑制することができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、隔壁ブロック７３を陰極として作用させているが、陰極と陽極とを逆転させて、隔壁ブロック７３を陽極とした場合においても、上記同様の作用効果を得ることができる。
【００５４】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０  電解装置
１１  電解槽
１２  隔壁ブロック
１３  陰極
１４  陽極
１５  電解液
１７  電源
４７  電圧測定器
４８  極性制御器
５３  中空状電極（陰極）
５４  中空状電極（陽極）
６７  電解液タンク
６８  ポンプ
７３  隔壁ブロック（陰極）
７４  隔膜
【図１】
2012057220.tif 000003
【図２】
2012057220.tif 000004
【図３】
2012057220.tif 000005
【図４】
2012057220.tif 000006
【図５】
2012057220.tif 000007
【図６】
2012057220.tif 000008
【図７】
2012057220.tif 000009
【図８】
2012057220.tif 000010
【図９】
2012057220.tif 000011