(57)【要約】【課題】ニッケル電極で行う水電解用について、安全かつ安価に過電圧を低下させ、電解性能を確保する。【解決手段】電極ユニット１に対して電解液を導入して水を電気分解するにあたって、上記電極ユニット１内に存在させる陰極を、少なくともその表面をニッケルから構成し、上記電解液に鉄粉を投入して上記陰極の表面に付着させた状態で上記電気分解を行う。  ステンレス電極よりも電気分解効率が向上し、電気分解に消費する電力を削減することが可能となった。表面がニッケルの電極を用いることにより、ステンレス電極で問題となっていたスラッジの発生を抑制でき、電極セルを含めた装置のメンテナンス周期を延長できる。この方法は、電解液に対して鉄粉を直接投入するだけで極めて簡便である。また、ニッケル板で電極を作製すればよく、電極の生産性が高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極ユニットに対して電解液を導入して水を電気分解するにあたって、
上記電極ユニット内に存在させる陰極を、少なくともその表面をニッケルから構成し、
上記陰極の表面に鉄粉を付着させた状態で上記電気分解を行う
ことを特徴とする水の電気分解方法。
【請求項２】
上記電解液に鉄粉を投入することにより、上記陰極の表面に鉄粉を付着させる
請求項１記載の水の電気分解方法。
【請求項３】
上記電解液を、上記電極ユニットと電解液タンクに循環させる
請求項１または２記載の水の電気分解方法。
【請求項４】
上記電解液がアルカリ水である
請求項１〜３のいずれか一項に記載の水の電気分解方法。
【請求項５】
電解液が導入されて水を電気分解するための電極ユニットと、
上記電極ユニット内に存在し、少なくともその表面がニッケルからなる陰極と、
上記電気分解にあたって、上記陰極の表面に付着している鉄粉とを備えた
ことを特徴とする水の電気分解装置。
【請求項６】
陰極は少なくともその表面がニッケルからなり、
水の電気分解にあたって、電解液に投入された鉄粉が上記陰極の表面に付着している
ことを特徴とする電極ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の電気分解によって酸素ガスと水素ガスを発生させる水の電気分解方法および装置ならびにそれらに用いる電極ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水を電気分解してガスを発生させる技術は古くから知られている。近年では、水の電気分解で水素ガスを発生させ、その水素ガスを貯蔵や移送してエネルギー源にすることが検討されている。これにより、風力発電や太陽光発電等、季節や天候によって出力が変動しやすい再生可能エネルギーを貯蔵して利用することが期待されている。
【０００３】
水を電気分解する手法は一般に、アルカリ水電解方式と固体高分子形水電解、高温水電解に大別される。このなかでも特にアルカリ水電解は、使用する材料が低コストであり、厳しいコスト効率が求められる工業用途において有用視されている。
【０００４】
〔特許文献１〕
このようなアルカリ水電解による酸素ガスと水素ガスの発生方法を用いた各種の装置が実用化されている。
特許文献１（特開２００３‐１２９０７２）は、そのような装置の一例を示すものである。特許文献１には、酸素ガスと水素ガスとの混合ガスを発生させ、この混合ガスを溶断やロウ付け用等の燃焼ガスとして利用することが記載されている。
【０００５】
特許文献１には、つぎの記載がある。
［００１５］
［発明の実施の形態］
以下、図面に基づき本願発明の実施の形態について説明する。図１に、本願発明の実施に適したガス生成装置１００を示す。このガス生成装置１００は、電源１０に接続されることにて水を電気分解することが可能な電解セル１と、電解セル１に接続されたガス生成室２と、生成室２内に、他から液化石油ガスを導入することが可能な導入管３と、製造した燃焼ガスｋを生成室２から外部へ導出させる導出管４と、マスフローメーター（図示しない。）と、マスフローコントローラ５とを備える。
［００１６］
電源１０にて、水が蓄えられ或いは他より水が供給された上記の電解セル１へ、電解電圧を加えることにより、当該水を水素と酸素に分解し、ガス生成室２に水素と酸素の混合ガスｋ１を生成する。即ち、上記電解により、第１の可燃性ガスである水素ガスと、支燃性ガスである酸素ガスとの、混合ガスｋ１を得る。―以下略―
［００１７］
上記混合ガスｋ１の生成中、生成室２内には、導出管４にて、液化石油ガスｋ２が第２の可燃性ガスとして導入される。―中略―このようにして生成した、溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスｋは、導出管４から取り出す、或いは直接溶断トーチ（図示しない。）に供給することができる。
【０００６】
〔特許文献２〕
特許文献２は、上述したようなアルカリ水電解の装置に用いることができる電解セルに関するものである。
【０００７】
アルカリ水電解で用いられる電極材料としては、アルカリ水溶液に耐性があって安価な金属材料としてステンレス鋼材が、工業用途で広く用いられている。
【０００８】
特許文献２には、つぎの記載がある。
［００１２］
図１〜図３は本発明の電解セルの一実施の形態を示している。これらの図において、１は電解セルで、２は左右に多数（この実施の形態では、５０枚）並列される電極板であり、図４〜図６に示すように、円板状に形成された金属製（例えば、ステンレス製）の基板１１と、この基板１１の左右両側面１１ａ，１１ｂの外周部に形成された絶縁性ゴム（例えば、ＥＰＤＭゴム）製の被覆層（環状被覆層）１２と、この被覆層１２の一側面部（この実施の形態では、左側面部）の内周縁部近傍から一体的に突設された１本の弾性凸部（環状凸部）１３とを備えており、上記被覆層１２，弾性凸部１３が、上記基板１１の左右両側面１１ａ，１１ｂの外周部に加硫接着成形されて一体的に接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１２９０７２号公報
【特許文献２】特開２００６−４５６５７号公報
【特許文献３】特開昭５９−２０５４９０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｈ．Ｅ．Ｇ．Ｒｏｍｍａｌ  ａｎｄ  Ｐ．Ｊ．Ｍｏｒａｎ「Ｔｉｍｅ−Ｄｅｐｅｎｔ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｌｏｓｓｅｓ  ａｔ  Ｎｉｃｋｅｌ  Ｃａｔｈｏｄｅｓ ｉｎ  Ａｌｋａｌｉｎｅ  Ｗａｔｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｖｏｌ．１３２，Ｎｏ．２、ｐ．３２５〜３２９（１９８５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
〔ステンレス電極の問題〕
しかしながら、上記のような電気分解の電極材料としてステンレス鋼材を使用すると、陽極面の腐食が激しく、スラッジが多量に発生する。スラッジを放置すると、装置内の配管に詰まりを生じる原因となりやすい。したがって、電極セルを含めた装置を周期的にメンテナンスしてスラッジを除去する必要がある。
【００１２】
〔ニッケル電極の問題〕
そこで、電極材料として純ニッケルを用いることが検討される。
ところが、純ニッケルを用いたアルカリ水電解用の電極は、連続した電気分解によって過電圧が上昇し、電解性能が低下するという問題がある（上記の非特許文献１）。つまり、電流密度を同一とした電気分解時の電極間の電圧が、ステンレス鋼材の電極よりも高くなる。ステンレス電極よりニッケル電極の方が電気分解性能が悪化するのである。この過電圧の上昇は、ニッケルに水素が吸蔵されることによると考えられている。
【００１３】
〔特許文献３〕
特許文献３（特開昭５９−２０５４９０）は、ブライン（塩水：ＮａＣｌ水溶液）の電気分解において、電極板として純ニッケルを用いることが開示されている。特許文献３は、フェライトイオンを含む水性溶液（水酸化ナトリウム水溶液）を添加し、陰極面に鉄を析出させることにより、陰極の過電圧を低下させることが開示されている。
【００１４】
特許文献３には、つぎの記載がある。
［公報第３頁右下欄第８行〜第４頁左上欄第２行］
更に特定的には、本発明によれば、陽極室、該陽極室中に位置する陽極、陰極室、該陰極室中に位置する陰極、及び該陽極室と陰極室との間のカチオン交換膜より成り、該陽極室はブライン水性溶液を含有し、該陰極室は苛性アルカリ水性溶液を含有する、クロロアルカリ電解槽の陰極から鉄‐活性化陰極をつくる方法であつて、
（ａ）該陰極室中にフエライトイオンを含む水性溶液を導入し、そして、
（ｂ）該陰極の表面上に鉄より成る析出物が形成されるまで該溶液と該陰極との間に電流を通す、
ことからなる方法が提供される。
［公報第４頁右上欄第１１行〜第１６行］
本発明は各種多様の形成及び形状の陰極に適用しうる。それらの例にはニツケル、ステンレス鋼、軟鋼及びニツケルメツキまたはラネーニツケルの如きニツケル表面を有する軟鋼から成り、シート、ロツドまたはエクスパンテツドメタルの形状にあるものが包含される。
［公報第５頁右上欄第１４行〜左下欄第６行］
本発明において使用に適するフエライト溶液はナトリウムもしくはカリウムフエライトの濃厚苛性アルカリ液中の溶液であり、苛性アルカリ濃度は例えば水酸化ナトリウム４０〜５０重量％または水酸化カリウム４０〜５２重量％である。最も適当には、溶液は水性溶液である。かような溶液は公知法により濃厚苛性アルカリ溶液を鉄粒子と共に加熱することによつてつくることができる。反応しなかつた鉄粒子はろ過または遠心分離により容易に除去される。
【００１５】
〔特許文献３の問題〕
しかしながら、上記特許文献３に記載された技術では、フェライトイオンを含んだ水酸化ナトリウム水溶液の調整が危険である。記載された方法では、５０％の水酸化ナトリウム水溶液４００ｍｌに鉄粉８ｇを加え、１４２℃で１６時間加熱する。それで鉄が溶解する量はわずか２ｇと少ない［公報第６頁左下欄第１３行〜第１７行］。このように、高濃度アルカリを高温にする工程は危険性が高く、工業用途での採用が困難である。また、一度に添加できる鉄の量も限られている。
【００１６】
〔目的〕
本発明は、このような事情に鑑み、つぎの目的をもってなされたものである。
ニッケル電極で行う水電解用について、安全かつ安価に過電圧を低下させ、電解性能を確保する水の電気分解方法および装置ならびにそれらに用いる電極ユニットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１記載の水の電気分解方法は、上記目的を達成するため、つぎの構成を採用した。
電極ユニットに対して電解液を導入して水を電気分解するにあたって、
上記電極ユニット内に存在させる陰極を、少なくともその表面をニッケルから構成し、
上記陰極の表面に鉄粉を付着させた状態で上記電気分解を行う。
【００１８】
請求項２記載の水の電気分解方法は、請求項１記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記電解液に鉄粉を投入して電気分解することにより、上記陰極の表面に鉄粉を付着させる。
【００１９】
請求項３記載の水の電気分解方法は、請求項１または２記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記電解液を、上記電極ユニットと電解液タンクに循環させる。
【００２０】
請求項４記載の水の電気分解方法は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記電解液がアルカリ水である。
【００２１】
請求項５記載の水の電気分解装置は、上記目的を達成するため、つぎの構成を採用した。
電解液が導入されて水を電気分解するための電極ユニットと、
上記電極ユニット内に存在し、少なくともその表面がニッケルからなる陰極と、
上記電気分解にあたって、上記陰極の表面に付着している鉄粉とを備えた。
【００２２】
請求項６記載の電極ユニットは、上記目的を達成するため、つぎの構成を採用した。
陰極は少なくともその表面がニッケルからなり、
水の電気分解にあたって、電解液に投入された鉄粉が上記陰極の表面に付着している。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１記載の水の電気分解方法は、少なくともその表面がニッケルから構成された陰極の表面に、鉄粉を付着させた状態で電気分解を行う。
これにより、ステンレス電極よりも電気分解効率が向上し、電気分解に消費する電力を削減することが可能となった。その理由は、陰極の表面に鉄粉を付着させることにより、電気分解の過電圧が減少し、電解効率が向上した。ニッケルよりも鉄のほうが水素過電圧が低いため、陰極表面を鉄粉が覆うことによって過電圧が低下したと考えられる。水素発生面である陰極の表面を鉄粉が覆うことで、ニッケルが水素吸蔵することによる電解性能低下を阻害し、高い電解性能を保ったものと考えられる。また、陰極の表面に鉄粉が付着することにより、陰極の表面に凹凸が形成され、表面積が増加したためと考えられる。表面がニッケルの電極を用いることにより、ステンレス電極で問題となっていたスラッジの発生を抑制でき、電極セルを含めた装置のメンテナンス周期を延長できる。また、ニッケル板で電極を作製すればよく、電極の生産性が高い。
【００２４】
請求項２記載の水の電気分解方法は、電解液に対して鉄粉を直接投入して電気分解するだけで上記陰極の表面に鉄粉を付着させるため、極めて簡便である。
【００２５】
請求項３記載の水の電気分解方法は、上記電解液を、上記電極ユニットと電解液タンクに循環させる。このため、電解液の循環に伴って投入した鉄粉も循環する。このとき、鉄粉は、電解液とともに循環しながら陰極の表面に近接して付着する。このため、陰極の電解液が触れる表面の全域にわたって鉄粉が付着する。したがって、電気分解性能が向上する効果を確実に得ることができる。
【００２６】
請求項４記載の水の電気分解方法は、上記電解液がアルカリ水である。
ステンレス電極での水電解に比べ、ニッケル電極でアルカリ水の電解を行うと、電流密度を同一とした電気分解時の電極間の電圧が高くなり、電気分解性能が低下する。本発明では、陰極の表面に鉄粉を付着させることにより、電気分解効率を向上させ、電気分解に消費する電力を削減することが可能となる。
【００２７】
請求項５記載の水の電気分解装置は、水の電気分解にあたって、少なくともその表面がニッケルからなる陰極の表面に鉄粉が付着している。
これにより、ステンレス電極よりも電気分解効率が向上し、電気分解に消費する電力を削減することが可能となった。その理由は、陰極の表面に鉄粉を付着させることにより、電気分解の過電圧が減少し、電解効率が向上した。ニッケルよりも鉄のほうが水素過電圧が低いため、陰極表面を鉄粉が覆うことによって過電圧が低下したと考えられる。水素発生面である陰極の表面を鉄粉が覆うことで、ニッケルが水素吸蔵することによる電解性能低下を阻害し、高い電解性能を保ったものと考えられる。また、陰極の表面に鉄粉が付着することにより、陰極の表面に凹凸が形成され、表面積が増加したためと考えられる。表面がニッケルの電極を用いることにより、ステンレス電極で問題となっていたスラッジの発生を抑制でき、電極セルを含めた装置のメンテナンス周期を延長できる。また、ニッケル板で電極を作製すればよく、電極の生産性が高い。
【００２８】
請求項６記載の電極ユニットでは、水の電気分解にあたって、少なくともその表面がニッケルからなる陰極の表面に鉄粉が付着している。
これにより、ステンレス電極よりも電気分解効率が向上し、電気分解に消費する電力を削減することが可能となった。その理由は、陰極の表面に鉄粉を付着させることにより、電気分解の過電圧が減少し、電解効率が向上した。ニッケルよりも鉄のほうが水素過電圧が低いため、陰極表面を鉄粉が覆うことによって過電圧が低下したと考えられる。水素発生面である陰極の表面を鉄粉が覆うことで、ニッケルが水素吸蔵することによる電解性能低下を阻害し、高い電解性能を保ったものと考えられる。また、陰極の表面に鉄粉が付着することにより、陰極の表面に凹凸が形成され、表面積が増加したためと考えられる。表面がニッケルの電極を用いることにより、ステンレス電極で問題となっていたスラッジの発生を抑制でき、電極セルを含めた装置のメンテナンス周期を延長できる。また、ニッケル板で電極を作製すればよく、電極の生産性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を適用した一実施形態である水の電気分解装置を示す図である。
【図２】本発明を適用した一実施形態である電極ユニットを示す図である。
【図３】鉄粉の添加量を変化させて電極間電圧を測定した結果を示す図である。
【図４】鉄粉の種類に応じて電極間電圧を測定した結果を示す図である
【図５】電気分解時間に応じた電極間電圧の変動を測定した図である。
【図６】本実施形態の電極ユニットにおける陰極の表面拡大写真である。
【図７】本実施形態に用いた鉄粉の拡大写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００３１】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の一実施形態を示す。この実施形態は、本発明を適用した水の電気分解方法を実現する装置であり、本発明を適用した水の電気分解装置の一例である。
この装置は、本発明の方法および装置を、酸水素ガスの発生装置に適用した例である。この酸水素ガスの発生装置は、水を電気分解して得られた酸水素ガスに液化石油ガス（ＬＰＧ）を添加し、鋼の溶断やロウ付けに適した燃焼ガスを生成するものである。
【００３２】
本実施形態の電気分解装置は、アルカリ電解液の接液部金属配管や電極板材料として純ニッケルを用いている。そして、電気分解装置の電解液に直接鉄粉を投入して電気分解し、陰極の表面に鉄粉を付着させた電極を用いる。
【００３３】
〔全体構造〕
本実施形態の電気分解装置は、電極ユニット１と、電解液タンク２と、循環ユニット４と、気液分離器３とを備えている。
【００３４】
上記電極ユニット１は、電解液が導入されて水を電気分解する。
上記電極ユニット１内には、少なくともその表面がニッケルからなる陽極および陰極が存在している。そして、上記水の電気分解にあたって、上記陰極の表面に付着している鉄粉を備えている。上記電極ユニット１の構造の詳細は後述する。
上記電極ユニット１には、給電用に設けられた一対の端子１６に直流電圧を印加する直流電源１Ｃと、両端子１６間の電圧を測定する電圧プローブ１Ａと、両端子１６に接続する給電ケーブルに流れる電流を測定する電流計１Ｂが接続されている。
【００３５】
上記電解液タンク２は、電解液と製品ガスを貯留する。
上記電解液タンク２は、全容量のうち例えば半分程度まで電解液が貯留され、液面より上部にガス貯留空間２Ｂを確保している。上記電解液タンク２には、ＬＰＧを導入するＬＰＧ導入路６と、電解液の一部となる水を導入する水導入路７が接続されている。また、上記電解液タンク２には、陰極の表面に付着させる鉄粉を導入する鉄粉導入口２Ａが設けられている。上記鉄粉導入口２Ａは、電解液の一部となる電解質を投入する電解質投入口としても機能する。
【００３６】
上記電解液は、アルカリ水を用いることが好ましい。
具体的には、上記電解液として、電解質として水酸化カリウム，水酸化ナトリウム，炭酸カリウムなどを用い、これを水に溶解した液を使用することができる。例えば、２０〜３０％の水酸化ナトリウム水溶液を７０〜９０℃に加熱した電解液を用いることができる。
【００３７】
上記鉄粉は、上記陰極の表面に付着させる。
具体的には、上記鉄粉を上記電解液に投入して電気分解することにより、上記電極ユニット１のユニット内に形成される陰極の表面に付着させる。
【００３８】
上記循環ユニット４は、上記電解液を、上記電極ユニット１と電解液タンク２に循環させる。
上記循環ユニット４は、電解液導入路４Ｂと、電解液導出路４Ｃと、循環ポンプ４Ａとを含んで構成される。
上記電解液導入路４Ｂは、電解液タンク２から取り出した電解液を電極ユニット１に導入する。上記電解液導出路４Ｃは、電極ユニット１から導出した電解液を電解液タンク２に戻す。上記循環ポンプ４Ａは、この例では電解液導入路４Ｂに設けられて、上記電極ユニット１内および、電解液タンク２内ならびに、電極ユニット１と電解液タンク２の間で、電解液を循環させる。
【００３９】
上記気液分離器３は、製品ガスから液体を分離する。
具体的には、上記気液分離器３は、上記電解液タンク２のガス貯留空間２Ｂから取り出したガスを一時的に貯留し、ミスト状に存在する液体を重力によって分離する。
上記気液分離器３には、取出路３Ａ、還流路３Ｂ、製品ガス路５が接続されている。
上記取出路３Ａは、上記電解液タンク２のガス貯留空間２Ｂからガスを取り出して気液分離器３に導入する。上記還流路３Ｂは、重力によって分離されて気液分離器３の底部に溜まる液体を電解液タンク２に還流させる。上記製品ガス路５は、気液分離器３において液体が分離された製品ガスを上部空間から取り出して、製品ガスの使用設備などに移送する。
【００４０】
〔電極ユニットの詳細〕
図２は、上記電極ユニット１の詳細を説明する図である。この電極ユニット１は、本発明の電極ユニットが適用された一実施形態である。
【００４１】
この電極ユニット１は、複数の電極板１１と複数のスペーサ１２が交互に配置され、両端部を第１フランジ１３Ａと第２フランジ１３Ｂで挟まれて構成されている。
【００４２】
上記電極板１１はこの例では円板状であり、図示の下側と上側にそれぞれ、電解液とガスを流通させる第１流通穴１５Ａおよび第２流通穴１５Ｂが設けられている。
【００４３】
上記各電極板１１は、一定の間隔を隔て、第１流通穴１５Ａと第２流通穴１５Ｂの位置を合致させるように同心状に配置されている。
【００４４】
上記電極板１１のうち、第１フランジ１３Ａ側に配置された電極板１１Ｍにはマイナス端子１６Ａが設けられている。上記マイナス端子１６Ａは、第１フランジ１３Ａに設けられた貫通穴１３Ｃを通って外側に突出している。第１フランジ１３Ａの貫通穴１３Ｃとマイナス端子１６Ａのあいだは気密と液密を保つシールが施されている。
上記電極板１１のうち、第２フランジ１３Ｂ側に配置された電極板１１Ｐにはプラス端子１６Ｂが設けられている。上記プラス端子１６Ｂは、第２フランジ１３Ｂに設けられた貫通穴１３Ｄを通って外側に突出している。第２フランジ１３Ｂの貫通穴１３Ｄとプラス端子１６Ｂのあいだは気密と液密を保つシールが施されている。
【００４５】
上記マイナス端子１６Ａには上記直流電源１Ｃからマイナスの電荷が給電され、上記プラス端子１６Ｂには上記直流電源１Ｃからプラスの電荷が給電される。
【００４６】
上記電極板１１は、少なくともその表面がニッケルからなるものである。この例ではニッケル板から構成されている。また、陰極となる電極板１１の表面をブラスト処理や薬液処理で荒らし、表面粗さを大きくすることもできる。電極板１１の表面粗さを大きくすることにより、電極板１１の表面に対する鉄粉の付着性を向上させることができる。
【００４７】
上記スペーサ１２は、真ん中に電極板１１の電極面を露出させるための開口１２Ａを有するドーナツ状の環状板から形成されている。上記開口１２Ａの内径は、上記電極板１１の外形よりも少し小さい寸法に設定されている。上記スペーサ１２には、図における上側と下側に、締め付け用のロッド１７を挿通させる挿通穴１２Ｂが形成されている。上記締め付け用のロッド１７は、第１フランジ１３Ａと第２フランジ１３Ｂをボルトナットなどにより締め付けるためのものである。
【００４８】
上記各スペーサ１２は、一定の間隔を隔て、ふたつの挿通穴１２Ｂの位置を合致させるように同心状に配置されている。
【００４９】
上記電極板１１と上記スペーサ１２は、一定の間隔を隔て、交互に配置されている。このとき、各スペーサの開口１２Ａと各電極板１１とが同心状となるように配置される。その状態で、各電極板１１の外側の周辺部と、各スペーサの開口１２Ａの内側の周辺部との間に、オーバーラップする環状の領域が形成される。各オーバーラップする領域に、環状パッキン１４が挟まれることにより、気密と液密が確保される。
【００５０】
マイナス端子１６Ａが設けられた電極板１１Ｍと第１フランジ１３Ａとの間も、環状パッキン１４が挟まれることにより、気密と液密が確保される。
プラス端子１６Ｂが設けられた電極板１１Ｐと第２フランジ１３Ｂとの間も、環状パッキン１４が挟まれることにより、気密と液密が確保される。
【００５１】
この状態で、上記各環状パッキン１４よりも内側に形成される空間に、電解液が満たされる。通電により電気分解が行われると、上記空間内には、電気分解で発生したガスと電解液が混じったもので満たされることになる。
【００５２】
上記第１のフランジ１３Ａには、各電極板１１に形成された第１流通穴１５Ａに対応する箇所に電解液導入口１８Ａが形成されている。同様に、上記第１のフランジ１３Ａには、各電極板１１に形成された第２流通穴１５Ｂに対応する箇所に電解液導出口１８Ｂが形成されている。
上記電解液導入口１８Ａは、上述した循環ユニット４の電解液導入路４Ｂが接続される。上記電解液導出口１８Ｂは、上述した循環ユニット４の電解液導出路４Ｃが接続される。
【００５３】
上記電解液導入口１８Ａから電極ユニット１に導入された電解液は、第１流通穴１５Ａを通って各電極板１１の間を図示の下から上に向かって流れる。その電解液は、第２流通穴１５Ｂを通って電解液導出口１８Ｂから導出される。このあいだに、通電による電気分解が行われるので、上記電解液導入口１８Ａからは電解液が導入され、電解液導出口１８Ｂからは電気分解によって発生した酸水素ガスと電解液の混合物が導出されることになる。
【００５４】
上述した構造の電極ユニット１では、マイナス端子１６Ａが直流電源のマイナス側に接続され、プラス端子１６Ｂが直流電源のプラス側に接続されることにより給電が行われる。この給電により、電解液中の水が電気分解される。
【００５５】
つまり、マイナス端子１６Ａにマイナスの電位が印加されると、マイナス端子１６Ａつきの電極板１１Ｍがマイナス電位となり、その表面１１ＭＳが本発明の陰極として機能する。
一方、プラス端子１６Ｂにプラスの電位が印加されると、プラス端子１６Ｂつきの電極板１１Ｐがプラス電位となり、その表面１１ＰＳが本発明の陽極として機能する。
【００５６】
そうすると、マイナス端子１６Ａつきの電極板１１Ｍと対面する電極板１１では、上述した陰極として機能する表面１１ＭＳと対面する面がプラス電位となり、本発明の陽極として機能する。
同様に、プラス端子１６Ｂつきの電極板１１Ｐと対面する電極板１１では、上述した陽極として機能する表面１１ＰＳと対面する面がマイナス電位となり、本発明の陰極として機能する。
【００５７】
同様にして、各電極板１１は、マイナス端子１６Ａ側を向く面が本発明の陽極として機能し、プラス端子１６Ｂ側を向く面が本発明の陰極として機能する。つまり、各電極板１１に挟まれて電解液で満たされた領域が、分極された状態になる。
【００５８】
上記各電極板１１の間を電解液が通過するときに、その電解液は陽極と陰極に挟まれた領域を通過することとなり、電解液中の水が電気分解される。
【００５９】
〔鉄粉〕
上述した水の電気分解にあたって、電解液に投入された鉄粉が上記陰極の表面に付着している。
【００６０】
上記鉄粉には、カルボニル鉄粉、水アトマイズ鉄粉、ガスアトマイズ鉄粉、ミルスケール還元鉄粉、鉱石還元鉄粉、粉砕電解鉄粉、直接電解鉄粉など、各種の鉄粉を用いることができる。
【００６１】
上記鉄粉は、工業用途において純鉄粉として流通しているものを用いることができる。たとえば純度９９重量％以上の鉄粉を用いることができる。また、合金元素として炭素を含んだ鋼粉や、炭素とそれ以外の合金元素も含んだ合金鋼粉を用いることもできる。
【００６２】
上記鉄粉の粒径は、循環ユニット４によって電解液を循環させるときに、少なくとも一部が電解液とともに循環する程度の粒度であれば使用することができる。循環ユニット４によって電解液と一緒に循環すればよいので、電極ユニット１や配管の構造、循環ポンプの圧送能力などに応じて適宜の粒径の鉄粉を使用することができる。例えば１００μｍ以下の平均粒径や、１０μｍ以下の平均粒径を示す鉄粉を用いることができる。投入した鉄粉のすべてが電解液と一緒に循環する粒径の鉄粉が好ましい。しかし、必ずしも投入した鉄粉のすべてが循環しなくてもよい。たとえ一部の粗大な鉄粉が沈殿したとしても、残部の細かい鉄粉が循環する程度の粒径であれば用いることができる。
【００６３】
上記鉄粉の投入量は、循環ユニット４によって電解液と一緒に循環する鉄粉がゼロでなければよい。好ましくは電極板１１の有効表面積１ｃｍ２あたり０．８ｍｇを超える量である。これだけの投入量とすることにより、電極間電圧をステンレス電極と同等以下まで低下させることができる。ここで、電極板１１の有効表面積は、上記電極ユニット１において、循環する電解液と接する電極板１１の表面積である。
【００６４】
〔方法〕
本実施形態の方法は、電極ユニット１に対して電解液を導入して水を電気分解する。この電気分解にあたって、まず上記電極ユニット１内に存在させる陽極と陰極を、少なくともその表面をニッケルから構成する。そして、上記陰極の表面に鉄粉を付着させた状態で上記電気分解を行う。
【００６５】
上記電解液に鉄粉を投入して電気分解することにより、上記陰極の表面に鉄粉を付着させる。このとき、上記電解液を、上記電極ユニット１と電解液タンク２に循環させる。上記電解液はアルカリ水とするのが好ましい。詳細は上述した装置の説明で述べたとおりである。
【００６６】
〔実施形態の効果〕
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
【００６７】
本実施形態は、少なくともその表面がニッケルから構成された陰極の表面に、鉄粉を付着させた状態で電気分解を行う。
これにより、ステンレス電極よりも電気分解効率が向上し、電気分解に消費する電力を削減することが可能となった。その理由は、陰極の表面に鉄粉を付着させることにより、電気分解の過電圧が減少し、電解効率が向上した。ニッケルよりも鉄のほうが水素過電圧が低いため、陰極表面を鉄粉が覆うことによって過電圧が低下したと考えられる。水素発生面である陰極の表面を鉄粉が覆うことで、ニッケルが水素吸蔵することによる電解性能低下を阻害し、高い電解性能を保ったものと考えられる。また、陰極の表面に鉄粉が付着することにより、陰極の表面に凹凸が形成され、表面積が増加したためと考えられる。表面がニッケルの電極を用いることにより、ステンレス電極で問題となっていたスラッジの発生を抑制でき、電極セルを含めた装置のメンテナンス周期を延長できる。この方法は、電解液に対して鉄粉を直接投入して電気分解するだけで極めて簡便である。また、ニッケル板で電極を作製すればよく、電極の生産性が高い。
【００６８】
本実施形態は、上記電解液がアルカリ水である。
ステンレス電極での水電解に比べ、ニッケル電極でアルカリ水の電解を行うと、電流密度を同一とした電気分解時の電極間の電圧が高くなり、電気分解性能が低下する。本発明では、陰極の表面に鉄粉を付着させることにより、電気分解効率を向上させ、電気分解に消費する電力を削減することが可能となる。
【００６９】
本実施形態は、上記電解液を、上記電極ユニットと電解液タンクに循環させる。このため、電解液の循環に伴って投入した鉄粉も循環する。この状態で電気分解することにより、鉄粉は、電解液とともに循環しながら陰極の表面に近接して付着する。このため、陰極の電解液が触れる表面の全域にわたって鉄粉が付着する。したがって、電気分解性能が向上する効果を確実に得ることができる。
【実施例】
【００７０】
つぎに実施例について説明する。
図１に示す電気分解装置を使用して水の電気分解を行った。電極ユニット１は図２に示したものである。
【００７１】
電極ユニット１は、ニッケル製で円盤状の電極板１１が平行かつ等間隔に並ぶ構造となっている。両端に給電用のマイナス端子１６Ａとプラス端子１６Ｂが存在する。両端のマイナス端子１６Ａとプラス端子１６Ｂから電圧を印加すると、内部の電極板１１の片面が陽極として働き、反対の片面が陰極として働く。そして電解液中の水が電気分解され、陽極の表面において酸素ガスが発生し、陰極の表面において水素ガスが発生する。
【００７２】
この実施例では、上記電極板１１は、表面に対する鉄粉の付着性を向上させるため、酸性薬液やブラストで表面を荒らす処理を採用した。
具体的には、電極板１１を１０％硝酸水溶液に３０分間浸漬する薬液処理を施した。電極板１１は、所定間隔で並べ、１５Ｌの１０％硝酸水溶液に３０分間浸漬した。引き上げたのち流水で洗浄した。洗浄は、流水のｐＨが６以上になるまで続けた。洗浄後に電極ユニット１に組み込んで使用に供した。
【００７３】
上記電気分解装置で水の電気分解をするときに、電解液タンク２の鉄粉導入口２Ａから電解液タンク２に鉄粉を一度に直接投入する。循環ポンプ４Ａで電解液と鉄粉を循環させながら電気分解を行う。すると、電極板１１の陰極の表面に鉄粉が付着していき、陽極の表面はニッケルで形成され、陰極の表面は鉄で形成される。
〔電気分解の共通条件〕
電極板  ：純ニッケル
電解液  ：２０％ＫＯＨ
電流密度：０．５Ａ／ｃｍ２
【００７４】
〔電極間電圧の測定〕
上記の共通条件のもと、鉄粉の添加量などを変化させ、電極間電圧を測定した。
【００７５】
〔測定方法〕
電圧プローブ１Ａと電流計１Ｂ（日置電機社製クランプオンＡＣ／ＤＣセンサＣＴ９６９２）を接続し、上記電圧プローブ１Ａと上記電流計１Ｂを、図示しないデータロガー（キーエンス社製ＮＲ−６００シリーズ）に接続した。
循環ポンプ４Ａで電解液を循環させながら定電流制御で両端子１６に直流電圧を印加して電気分解を行った。
電気分解を開始すると同時にデータロガーで電圧と電流を１００秒ごとに記録した。
電解液の温度が７０℃程度で安定し、電解性能が最も高い時点の端子１６にかかる電圧値を採用した。
採用した電圧値を電極間の数で除し、電極１層間にかかる電圧を割り出し、電極間電圧とした。
【００７６】
〔鉄粉の添加量〕
図３は、鉄粉の添加量を変化させた際に、同一の電流密度（０．５Ａ／ｃｍ２）を流すために必要となる電極間電圧の変化を測定した結果である。鉄粉の添加量は、電極面積に対しての添加量を示している。鉄粉は、和光純薬製鉄粉（平均粒径６μｍ、純度９９．０％）を使用した。鉄粉の秤量は、アズワン株式会社製電子天秤（ＩＢＸー４００）を使用した。
【００７７】
図３における鉄粉０ｇのプロットでは電極間電圧が２．５４Ｖであり、ステンレス鋼材の２．２１Ｖよりも大きい。つまり、純ニッケル製の電極において鉄粉を投入しないで行う電気分解では、ステンレス鋼材を使用するより同一電流密度での電気分解時の電極間電圧が上昇し、電気分解性能が悪化していることがわかる。
【００７８】
鉄粉の添加量が０．８ｍｇ／ｃｍ２を超えると、電極間電圧は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）の電極を使用したときよりも減少している。鉄粉の添加量が１．６ｍｇ／ｃｍ２であれば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）の電極に比べてかなり電極間電圧が減少した。ここで、ステンレス鋼材（ＳＵＳ３１６）の電極を使用したときの電極間電圧は２．２１Ｖである。
【００７９】
同一の電流密度（０．５Ａ／ｃｍ２）を流すために必要となる電圧が低下した。つまり、電気分解に必要な過電圧が減少しており、電極の電気分解性能が向上している。水の電気分解では、同一の電流であればガス発生量が同一である。そのため、同じ電流を流すために必要な電圧が低下すれば、それだけ低いエネルギーで同じガス量を発生できることになる。
【００８０】
表１は、ステンレス鋼材を電極に使用した際の電気分解消費電力を１００としたときの、各鉄粉添加量での消費電力を比較したものである。鉄粉の添加量が０．８ｍｇ／ｃｍ２を超えると、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）の電極を使用したときよりも電極間電圧が減少し、電気分解の性能が向上することがわかる。鉄粉添加量１．６ｍｇ／ｃｍ２以上、５．７ｍｇ／ｃｍ２以上では、さらに電極間電圧が低下し、電気分解の消費電力がさらに削減できる。この実施例では、鉄粉の添加量５．７ｍｇ／ｃｍ２での結果が最もよかった。
【００８１】
【表１】
2017122255.tif 000003
【００８２】
〔鉄粉の種類〕
図４は、電気分解の際に投入する鉄粉の種類を変えた場合の電極間電圧を測定した結果を示す。
表２は使用した鉄粉の詳細である。
【００８３】
【表２】
2017122255.tif 000004
【００８４】
試料１および試料２の結果が、試料３よりも低い電極間電圧を示している。試料１の平均粒径は６μｍ、試料２の平均粒径は６〜７μｍ、試料３の平均粒径は４５μｍである。つまり、平均粒径が６μｍ〜７μｍ程度の比較的小さい鉄粉を使用することによって、同一電流密度（０．５Ａ／ｃｍ２）を流すために必要となる電極間電圧がより低くなった。
【００８５】
なお、試料２（ＢＡＳＦ社製鉄粉）の粒度分布は、１０％径が２．８〜３．５μｍ、５０％径が６．０〜７．０μｍ、９０％径が１１〜２４μｍである。ここで、１０％径とは、頻度の累積が１０％になる粒子径を示す。５０％径、９０％径も同様である。
【００８６】
〔電気分解時間〕
図５は、電気分解時間が３００時間に達するまでの電極間電圧をプロットした結果である。本実施形態の長期的な性能安定性を確認したものである。
【００８７】
鉄粉は、ＢＡＳＦ社製ＣＳグレード（平均粒径６〜７μｍ、純度９９．５％）を使用し、添加量は５．７ｍｇ／ｃｍ２で行った。
電圧プローブ１Ａと電流計１Ｂは、それぞれ上述したキーエンス社製ＯＰ−３５４０９および日置電機社製クランプオンＡＣ／ＤＣセンサＣＴ９６９２を使用した。データロガーは、グラフテック社製ＧＬ９００を使用した。
【００８８】
循環ポンプ４Ａで電解液を循環させながら定電流制御で両端子１６に直流電圧を印加して電気分解を行った。２３．５時間連続して電気分解を行い、３０分停止するサイクルを繰り返し、１０分ごとに電圧と電流を断続的に測定した。各測定点での電圧値を電極間の数で除し、電極１層間にかかる電圧を割り出し、電極間電圧とした。
【００８９】
電気分解３００時間に達しても、電極間電圧はステンレス鋼材を用いた場合よりも低く、長時間にわたって安定して高い電気分解効率を維持している。
【００９０】
〔表面写真〕
図６は、本実施形態の電極ユニットにおける陰極の表面拡大写真である。
図７は、本実施形態に用いた鉄粉の拡大写真である。
これらによれば、本実施形態の電極ユニットの陰極の表面には、析出物に混じって鉄粉が付着していることが明瞭にわかる。
【００９１】
〔変形例〕
以上は本発明の特に好ましい実施形態について説明したが、本発明は図示した実施形態に限定する趣旨ではなく、各種の態様に変形して実施することができ、本発明は各種の変形例を包含する趣旨である。
たとえば、陽極はニッケルを用いたものでなくてもよい。また、陰極は、少なくとも表面がニッケルから構成されていれば、ニッケル以外の金属を母材とするものでも本発明の対象となる。
【符号の説明】
【００９２】
１  ：電極ユニット
１Ａ：電圧プローブ
１Ｂ：電流計
１Ｃ：直流電源
２  ：電解液タンク
２Ａ：鉄粉導入口
２Ｂ：ガス貯留空間
３  ：気液分離器
３Ａ：取出路
３Ｂ：還流路
４  ：循環ユニット
４Ａ：循環ポンプ
４Ｂ：電解液導入路
４Ｃ：電解液導出路
５  ：製品ガス路
６  ：ＬＰＧ導入路
７  ：水導入路
１１  ：電極板
１１Ｍ：電極板（マイナス端子つき）
１１ＭＳ：表面（陰極）
１１Ｐ：電極板（プラス端子つき）
１１ＰＳ：表面（陽極）
１２  ：スペーサ
１２Ａ：開口
１２Ｂ：挿通穴
１３Ａ：第１フランジ
１３Ｂ：第２フランジ
１３Ｃ：貫通穴
１３Ｄ：貫通穴
１４  ：環状パッキン
１５Ａ：第１流通穴
１５Ｂ：第２流通穴
１６  ：端子
１６Ａ：マイナス端子
１６Ｂ：プラス端子
１７  ：ロッド
１８Ａ：電解液導入口
１８Ｂ：電解液導出口
【図１】
2017122255.tif 000005
【図２】
2017122255.tif 000006
【図３】
2017122255.tif 000007
【図４】
2017122255.tif 000008
【図５】
2017122255.tif 000009
【図６】
2017122255.tif 000010
【図７】
2017122255.tif 000011