(57)【要約】【課題】電解効率が良好で機械的強度に優れているとともに、電極の変形がなく再利用が可能で寸法精度に優れた水電解装置に使用するための電極を提供する。【解決手段】アルカリ水電解装置の電解ユニットは、アルカリ溶液Ｗが流通する電解槽１と、水電解装置用電極２と、イオン透過性隔膜５とからなる。水電解装置用電極２は、作用電極６，７と、電極板たる複極板３，４とを、格子状に４個配置された給電体たる導電性の弾性板状部材としての板バネ８，９で接続した構造を有する。この水電解装置用電極２の作用電極６，７でイオン透過性隔膜５の両側を挟み込む。作用電極６，７は、エキスパンドメタルを使用する。また、板バネ８，９は、金属製の板材を屈折させた形状で、一方の側を下方に折返し部８Ａ，９Ａが形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン透過性隔膜を一対の電極間で挟持した構造を有するアルカリ水電解装置の電極であって、
前記電極が、イオン透過性隔膜側に位置して電解作用を発揮する多数の開口部を有する作用電極と、電極板と、これらの作用電極と電極板とを接続する給電体とからなり、
前記給電体が導電性の弾性板状部材であることを特徴とする水電解装置用電極。
【請求項２】
前記給電体が、板バネであることを特徴とする請求項１に記載の水電解装置用電極。
【請求項３】
前記作用電極が、エキスパンドメタルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の水電解装置用電極。
【請求項４】
前記作用電極、電極板及び給電体が、鉄、鉄系合金、ニッケル又はニッケル系合金製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水電解装置用電極。
【請求項５】
前記電極にニッケルメッキ、ニッケル硫黄メッキ、Ｐｔメッキ又はＰｔ系合金メッキが施されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水電解装置用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ水電解装置に使用するための電極に関し、特にイオン透過性隔膜を電極間に挟持した構造を有する水電解装置用の電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、最近のエネルギー事情を反映し、石油に代わる新しいエネルギー源として多方面から注目されている。このような水素の工業的製造方法としては、コークスや石油のガス化法や水電解法等が挙げられる。
【０００３】
前者の方法は、操作が煩雑であるとともに、非常に大規模な設備が必要となるので、イニシャルコストがかなりかかるという問題点がある。
【０００４】
一方、後者の方法は、原料として入手しやすい水を用いるものであり、電解槽内に複数の電極対を設け、これら対となる電極の間にＫＯＨ等のアルカリ電解液を流通させるとともにイオン透過性隔膜で区画して、このイオン透過性隔膜の陰極側で水素を発生させるとともに、陽極側で酸素を発生させるものであるが、電極間にイオン透過性隔膜と被電解液とが存在しているので、電気抵抗が大きく、電解効率が悪いという問題がある。しかしながら、この水電解法は、比較的小規模な設備でも水素の発生が可能であり、実用的であることから、電解効率の向上が望まれている。
【０００５】
このようなアルカリ水電解装置としては、図６に示すようにアルカリ溶液Ｗが流通する電解槽１１と、電極１２と、イオン透過性隔膜１５とからなり、電極１２は、メッシュ状の作用電極１６，１７と、複極板１３，１４とを給電体１８，１９で接続した構造を有する。そして、この電極１２のメッシュ状の作用電極１６，１７側でイオン透過性隔膜１５を挟みこんでなるものが提案されている（特許文献１）。このアルカリ水電解装置においては、給電体１８，１９を、複極板１３，１４の陽極側１３Ａ及び陰極側１４Ａのそれぞれに接続する。
【０００６】
また、メッシュ状ではなく、金属シートに１ｍｍ程度の細孔をあけた作用電極及び給電体を使用し、Ｎｉ鋲を用いてスポット溶接したアルカリ水電解装置用の電極も提案されている（非特許文献１）。
【特許文献１】特公昭６２−５０５５７号公報
【非特許文献１】EUR9221EN Comission of the European Communities，1984
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたアルカリ水電解装置では、電極１２は、イオン透過性隔膜１５の両側をメッシュ状の作用電極１６，１７間に挟みこみ、このメッシュ状の作用電極１６，１７に湾曲した給電体１８，１９を接続しているが、作用電極１６，１７はメッシュ状であるので、強度が不足し、イオン透過性隔膜１５に押し付けるとメッシュ状の作用電極１６，１７が変形しやすく、再利用が困難であるという問題点がある。
【０００８】
また、このような電極１２は作用電極１６，１７と給電体１８，１９の組合せ構造であるが、寸法公差が生じる。このため、マイナス公差であれば、メッシュ状の作用電極１６，１７がイオン透過性隔膜１５に対してゼロギャップ構造とならないため、電解効率の低下を引き起こすという問題がある。一方、プラス公差であれば、電解セルの組み立てが困難となるという問題がある。例えば、電解セルは１００個以上の電極（メッシュ状の作用電極２００枚以上）を積層することになるが、メッシュ状の作用電極１６，１７に０．１ｍｍの精度誤差があったとしても、２００枚で約２０ｍｍの誤差になり、電解セルの組み上げが困難になるのである。
【０００９】
また、非特許文献１に記載されている金属シートに細孔を空けたものは開口率が十分でない（開口率：３４．５％）ため、発生したガスが作用電極と隔膜の間に滞留する、いわゆるホットスポットと呼ばれる現象が発生し、電解効率を下げるという問題点がある。さらに電流の集中を引き起こすので、イオン透過性隔膜の早期劣化の要因となるという問題点がある。また、細孔を空けた給電体を使用した場合、電解質が横方向（流れ方向と垂直方向）へ移動しづらく、層流に近い流体となり、効率の低下の要因となるという問題点もある。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決し、電解効率が良好で機械的強度に優れているとともに、電極の変形がなく再利用が可能で寸法精度に優れた水電解装置に使用するための電極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、第１に本発明は、イオン透過性隔膜を一対の電極間で挟持した構造を有するアルカリ水電解装置の電極であって、前記電極が、イオン透過性隔膜側に位置して電解作用を発揮する多数の開口部を有する作用電極と、電極板と、これらの作用電極と電極板とを接続する給電体とからなり、前記給電体が導電性の弾性板状部材であることを特徴とする水電解装置用電極を提供する（請求項１）。
【００１２】
上記発明（請求項１）によれば、給電体を導電性の弾性板状部材とすることで、作用電極にかかる負荷を緩衝することができるため、作用電極の変形を防止することができる。また、弾性板状部材は、寸法誤差の緩衝効果も奏する。これにより、イオン透過性隔膜と、作用電極とをゼロギャップとすることができ、電解効率を良好なものとすることができる。
【００１３】
上記発明（請求項１）においては、前記給電体として板バネを用いることができる（請求項２）。
【００１４】
上記発明（請求項２）によれば、給電体として板バネを用いることで、板バネが弾性変形するため、メッシュ状の作用電極にかかる負荷を緩衝することができ、これにより、メッシュ状の作用電極の変形を防止することができる。また、板バネは、寸法誤差の緩衝効果も奏する。
【００１５】
上記発明（請求項１，２）においては、前記作用電極がエキスパンドメタルであるのが好ましい（請求項３）。
【００１６】
上記発明（請求項３）によれば、エキスパンドメタルは、多数の開口部を有しているので、表面積が大きく電解効率が良好であるだけでなく、機械的強度も大きく、厚さ方向の寸法精度に優れており、電解効率が良好で機械的強度に優れた電極を得ることができる。
【００１７】
上記発明（請求項１〜３）においては、前記作用電極、電極板及び給電体が、鉄、鉄系合金、ニッケル又はニッケル系合金製であるのが好ましい（請求項４）。
【００１８】
上記発明（請求項４）によれば、作用電極、電極板及び給電体を耐アルカリ性に優れているとともに機械的強度に優れたものとすることができる。
【００１９】
また、上記発明（請求項１〜４）においては、前記電極にニッケルメッキ、ニッケル硫黄メッキ、Ｐｔメッキ又はＰｔ系合金メッキが施されているのが好ましい（請求項５）。
【００２０】
上記発明（請求項５）によれば、電極の水素過電圧を低下させことができ、電解効率をさらに向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の水電解装置用電極によれば、給電体を導電性の板バネ等の弾性板状部材とすることで、作用電極にかかる負荷を緩衝することができるため、作用電極の変形を防止することができる。また、弾性板状部材は、寸法誤差の緩衝効果も奏する。したがって、このような構成を有する電極は、イオン透過性隔膜と、作用電極とをゼロギャップ構造にすることができ、電解効率が良好である。しかも寸法精度がよいので、これを積層することで確実かつ精確に電極セルを組み立てることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る水電解装置用電極を用いたアルカリ水電解装置の電解ユニットの一単位を示す拡大断面図である。
【００２３】
図１において、アルカリ水電解装置の電解ユニットは、アルカリ溶液Ｗが流通する電解槽１に浸漬される水電解装置用電極２とイオン透過性隔膜５とからなり、この電極２は、作用電極６，７と、電極板たる複極板３，４とを、格子状に４個配置された給電体たる導電性の弾性板状部材としての板バネ８，９で接続した構造を有する。そして、この電極２の作用電極６，７でイオン透過性隔膜５の両側を挟み込む。なお、板バネ８，９は、複極板３，４の陽極側３Ａ及び陰極側４Ａのそれぞれに接続されている。
【００２４】
上述したような電解ユニットにおいて、作用電極６，７は、透水性を有するように多数の開口部を形成した金属材料からなる。具体的には、本実施形態においては、エキスパンドメタルを使用する。このエキスパンドメタルは、開口率が３０〜９５％、特に４０〜７０％であるのが好ましい。開口率が３０％未満では、透水性が十分でない一方、９５％を超えると機械的強度が低下するため好ましくない。
【００２５】
また、板バネ８，９は、金属製の板材を図２に示すように屈折させた形状で、一方の側に下方に折返し部８Ａ，９Ａが形成されている。
【００２６】
これら複極板３，４、作用電極６，７及び板バネ８，９は、鉄、鉄系合金、ニッケル又はニッケル系合金製、特に鉄又は鉄系合金製とするのが好ましい。複極板３，４、作用電極６，７及び板バネ８，９をこれらの材料製とすることにより、耐アルカリ性に優れているとともに機械的強度に優れたものとすることができる。
【００２７】
上述したような複極板３，４、作用電極６，７及び板バネ８，９からなる水電解装置用電極２は、例えば、まず図３に示すように、複極板３（４）に４個の板バネ８（９）の平坦面で格子状に溶接等により接合する。そして、図４及び図５に示すように、板バネ８（９）の折返し部８Ａ（９Ａ）が形成された側の平坦面に作用電極６（７）を当接（接合してなくてもよい）することにより製造することができる。この溶接には、ニッケルロウ等を用いることができる。
【００２８】
また、上記複極板３，４、作用電極６，７及び板バネ８，９からなる水電解装置用電極２には、ニッケルメッキ、ニッケル硫黄メッキ、Ｐｔメッキ又はＰｔ系合金メッキが施されているのが好ましい。これにより、水電解装置用電極２の水素過電圧を低下させ、電解効率（エネルギー効率）を向上させることができる。水電解装置用電極２へのメッキの形成方法に特に制限はなく、例えば、ニッケルメッキは、硫酸ニッケルにより電解メッキを行い、ニッケル硫黄メッキは、硫酸ニッケルにチオ尿素を添加して電解メッキを行えばよい。
【００２９】
なお、イオン透過性隔膜５を形成する膜材料としては、膜を介してイオンのみを通過させ、ガスの通過や拡散がなく、アルカリ溶液中で物理的、化学的に耐久性のあるものであれば、特に制限されるものではない。
【００３０】
例えば、膜材料としては、ポリイミド薄膜に細孔を形成したものを使用することができる。このような細孔を形成したポリイミド薄膜は、アルカリ溶液中での物理的、化学的耐久性に優れており、細孔からイオンを通過させる。そして、この細孔の孔径等を調整することにより、イオン透過性隔膜５を介してガスの通過や拡散を防止することができる。なお、本明細書中においてポリイミドとは、他のモノマーを共重合した変性ポリイミド及びポリイミドを５０質量％以上含む他の樹脂とのポリマーブレンドも含むものとする。
【００３１】
このポリイミド薄膜は、膜厚（ｔ）が１０〜５００μｍ、特に２０〜３００μｍであるのが好ましい。ポリイミド薄膜の膜厚（ｔ）が１０μｍ未満では、得られるイオン透過性隔膜５の機械的強度が十分でない一方、５００μｍを超えるとイオン透過性が低下するため好ましくない。
【００３２】
また、上記ポリイミド薄膜は、親水化処理されたものであることが好ましい。親水化処理を施すことにより、膜自体が非常に良好な親水性を有することにない、さらに優れたイオン伝導率を備えることになる。
【００３３】
このような親水化処理としては、ＵＶ処理、オゾン処理、コロナ放電、プラズマ処理及び電子線処理のいずれかを単独で又は２種以上を併用することができる。
【００３４】
また、膜材料として、親水性無機材料と、ポリサルフォン、ポリプロピレン、フッ化ポリビニリデン等から選択される有機結合材料とを含むフィルム形成性混合物中に、伸張させた有機繊維布を内在させたものを用いることもできる。
【００３５】
親水性無機材料としては、フルオロアパタイト（ＦＡＰ）又はヒドロキシアパタイト（ＨＡＰ）を用いることが好ましく、これらの親水性無機材料は、粒状体を用いることが好ましい。この親水性無機材料の粒状体は、粒径５μｍ以下であることが好ましく、特に粒径１μｍ以下の微粒子であることが好ましい。したがって、この粒状体を予め乳鉢でより細かく粉砕してもよい。
【００３６】
また、有機繊維布としては、ポリプロピレンからなるメッシュ、又はエチレンとモノクロロトリフルオロエチレン等の予めハロゲン化されたエチレンとの共重合体からなるメッシュ等を用いることができる。この有機繊維布としては、織布又は不織布を用いることができ、その繊維径は１ｍｍ以下であることが好ましく、特に繊維径が０．５ｍｍ以下であることが好ましい。また、有機繊維布の織目の寸法は特に制限はないが、４ｍｍ２以下であることが好ましく、特に１ｍｍ２以下であることが好ましい。
【００３７】
また、水電解装置用電極の電解ユニットは、一方の電極２の作用電極６と他方の電極２の作用電極７との間にイオン透過性隔膜５を挟み込んで固定した構造を有する。
【００３８】
そして、このような電解ユニットを複数（例えば１００層）積層することにより電解セルを構成することができる。このとき、作用電極６及び作用電極７には大きな荷重がかかるが、透水性を付与するためにエキスパンドメタルとしているので機械的強度が十分に高くない。そこで、本実施形態においては、作用電極６（７）と、複電極３（４）との間を板バネ８（９）で接続することにより、板バネ８（９）の弾性変形により作用電極６（７）にかかる荷重を緩衝してその変形を防止することができ、水電解装置用電極２の寸法精度を高く維持することができる。しかも、板バネ８，９に折返し部８Ａ，９Ａを形成しているので、板バネ８，９が撓みすぎてかえって寸法精度を損なうことがないようになっている。
【００３９】
このような図１に示す水電解装置用電極２を用いた電解ユニットにおいては、複極板３，４に電流を流すと、板バネ８，９から作用電極６，７間に電圧が生じ、水酸化カリウム溶液Ｗの電気分解により、イオン透過性隔膜５と作用極６（陽極）との界面において、酸素（Ｏ２）が発生する。
【００４０】
そして、イオン透過性隔膜５と作用極７（陰極）との界面においては、２倍量の水素（Ｈ２）が発生する。この電解ユニットにおける電解槽１は、イオン透過性隔膜５により陰極側と陽極側とに区画されているので、陰極側で発生した水素のみを回収することで水素ガスを製造することができる。
【００４１】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例及び比較例に基づき、本発明をさら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。
【００４３】
〔実施例１〕
鉄系材料（ＳＳ）を図２に示すような形状に加工して板バネとした。この板バネの高さは、５．６ｍｍとして、たわみ代が１．５ｍｍとなるように４．１ｍｍの高さの折返し部を形成した。
【００４４】
この板バネを図３に示すように厚さ１ｍｍのＳＵＳ製の電極板（直径８０ｍｍφ）に４枚溶接により接続した。この溶接はスポット径を２ｍｍφ以上とした。
【００４５】
また、厚さ１ｍｍのＳＵＳ製の板材（直径７０ｍｍφ）を開口率が３０％となるようにエキスパンド加工して作用電極とした。この作用電極を電極板で板バネを挟みこむように側に配置して電極とした。
【００４６】
次に、このようにして得られた電極をＮｉＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（２００ｇ／Ｌ）、ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ（４０ｇ／Ｌ）、ホウ酸（３５ｇ／Ｌ）及びチオ尿素（１００ｇ／Ｌ）の浴槽に浸漬し、対極をＮｉ多孔質板（製品名：セルメット，住友電工社製）として、１．６３Ａの電流（電流密度１．３ｍＡ／ｃｍ２）を１時間通電し、黒色のイオウ修飾Ｎｉ電極を得た。
【００４７】
一対の上記電極の作用電極側でイオン透過性隔膜を挟持して、イオウ修飾Ｎｉ電極（電解ユニット）を構成した。この電解ユニットを用いて２５％ＫＯＨ溶液で、８０℃で水電解を行い、電解電圧を測定するとともに、エネルギー効率を算出したところ、電解電圧が１．７Ｖ以下で、エネルギー効率４．０（ｋＷｈ／Ｎｍ３）以下であった。
【００４８】
なお、イオン透過性隔膜としては、細孔径：０．４５μｍ、細孔密度：４×１０７ｃｍ−１となるようにアルゴンイオンを照射し、エッチング液の中に浸すことで細孔を形成したポリイミド薄膜（厚さ：１００μｍ）に対してＯ２プラズマ処理を行い、親水化処理を行ったものを使用した。
【００４９】
このイオウ修飾Ｎｉ電極の電解ユニット１００個積み重ねて電解セルを組み立てたところ、その寸法誤差は５ｍｍ以下であり、組み立てに問題はなかった。さらに、この電解セルを分解しても電極にも電極を構成する作用電極（エキスパンドメタル）にも変形等は認められなかった。
【００５０】
〔実施例２〕
実施例１において、電極のめっき浴にチオ尿素を配合せずにＮｉめっきを施した以外は同様にしてＮｉめっき電極を得た。
【００５１】
一対の上記電極の作用電極側でイオン透過性隔膜を挟持して、イオウ修飾Ｎｉ電極（電解ユニット）を構成した。この電解ユニットを用いて２５％ＫＯＨ溶液で、８０℃で水電解を行ない、電解電圧を測定するとともに、エネルギー効率を算出したところ、電解電圧が１．７Ｖ以下で、エネルギー効率４．０（ｋＷｈ／Ｎｍ３）以下であった。
【００５２】
このイオウ修飾Ｎｉ電極の電解ユニット１００個積み重ねて電解セルを組み立てたところ、その寸法誤差は５ｍｍ以下であり、組み立てに問題はなかった。さらに、この電解セルを分解しても電極にも電極を構成する作用電極（エキスパンドメタル）にも変形等は認められなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態に係る電極を用いたアルカリ水電解装置の電解ユニットの一単位を示す拡大断面図である。
【図２】同実施形態における板バネの構成を示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】同実施形態に係る電極における複極板に板バネを接合した状態を示す平面図である。
【図４】同実施形態に係る電極の構造を示す平面図である。
【図５】同実施形態に係る電極の構造を示す側面図である。
【図６】従来の電極を用いたアルカリ水電解装置の電解ユニットの一単位を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
２…水電解装置用電極
３，４…複極板（電極板）
５…イオン透過性隔膜
６，７…作用電極（エキスパンドメタル）
８，９…板バネ（給電体，導電性の弾性板状部材）
【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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