アルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法
【課題】電解液から気泡を除去しやすいアルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法を提供すること。
【解決手段】アルカリ水電解装置は、陽極２５が配置された陽極室２０と、陰極３５が配置された陰極室３０と、陽極室２０と陰極室３０とを区画する隔膜４０とを有し、電解液８０を電気分解して水素７８を製造する電解槽１０を備えたアルカリ水電解装置であって、電解槽１０は、陽極室２０の底部導入部２６から導入された電解液８０が頂部排出部２８に向かって陽極室２０内を上方に流れるとともに、陰極室３０の底部導入部３６から導入された電解液８０が頂部排出部３８に向かって陰極室３０内を上方に流れる構造であり、電解液８０は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、かつ密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上である。
【解決手段】アルカリ水電解装置は、陽極２５が配置された陽極室２０と、陰極３５が配置された陰極室３０と、陽極室２０と陰極室３０とを区画する隔膜４０とを有し、電解液８０を電気分解して水素７８を製造する電解槽１０を備えたアルカリ水電解装置であって、電解槽１０は、陽極室２０の底部導入部２６から導入された電解液８０が頂部排出部２８に向かって陽極室２０内を上方に流れるとともに、陰極室３０の底部導入部３６から導入された電解液８０が頂部排出部３８に向かって陰極室３０内を上方に流れる構造であり、電解液８０は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、かつ密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ水を電気分解して水素ガスを製造するアルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光、太陽熱、風力等の再生可能エネルギーを用いた発電が増加している。しかし、再生可能エネルギーは自然環境に左右されて変動するため、再生可能エネルギーを用いた発電の出力制御が困難である。このため、再生可能エネルギーを用いた発電の割合が増加すると、電力の需給バランスが崩れ、過剰電力や電力不足を生じる原因となりやすい。
【０００３】
また、再生可能エネルギーを用いた発電の出力は、天候等の変化に伴い常に微少な変化を繰り返す。このため、再生可能エネルギーを用いた発電設備を、電力系統に直接接続することは困難である。
【０００４】
これらの再生可能エネルギーを用いた発電の問題点を解決する方法として、再生可能エネルギーから得られた電力を、安定して取り出すことができる他のエネルギーに変換して貯蔵する方法、たとえば、電池による蓄電、揚水発電、水素電力貯蔵等の方法が検討されている。ここで、水素電力貯蔵とは、再生可能エネルギーから得られた電力を水の電気分解に用い、生成した水素として貯蔵する貯蔵方法である。
【０００５】
これらのうち、水素電力貯蔵は、立地や熱源の制約を受けにくく、長期間の保管でもエネルギーの損失が実質的に起こらないため、電力の好ましい貯蔵方法として注目されている。また、水素電力貯蔵のうち、アルカリ水溶液を用いた水の電気分解であるアルカリ水電解は、歴史が古く、実績も豊富なため、今後の電力貯蔵方法として有力視されている。
【０００６】
たとえば、特許文献１（特開平３−２１８９０１号公報）には、水素生成装置と水素貯蔵合金を組み合わせて効率的に水素の貯蔵を行う装置が記載されている。また、特許文献２（特開２０１０−１５０５９０号公報）、および特許文献３（特開２００９−２４２９２２号公報）には、アルカリ水電解用の電極の構造が記載されている。さらに、特許文献４（特開２００８−４５２０５号公報）には、アルカリ水電解環境でも腐食しにくい電解槽および電極が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−２１８９０１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５０５９０号公報
【特許文献３】特開２００９−２４２９２２号公報
【特許文献４】特開２００８−４５２０５号公報
【特許文献５】特開２００７−１５４２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水の電気分解では、水電解装置の効率的な運転のために、電解液と電極との接触、および電解液中に含まれる電子の移動、が十分に行われることが好ましい。しかし、水の電気分解では水素および酸素が発生するため、電極近傍および電解液中に水素、酸素等からなる気泡が存在する。この気泡によって電極と電解液との接触、および電解液中の電子の移動が妨げられると、水電解装置の効率的な運転が困難になる。
【０００９】
また、水素電力貯蔵では、エネルギー効率を高くするために、再生可能エネルギーで発電した電力をそのまま用いて水の電気分解を行うことが好ましい。しかし、再生可能エネルギーで発電した電力の出力変動にともない電気分解に用いる電力の変動が起こると、水素および酸素の発生量が絶えず変化し、水電解装置の効率も絶えず変動する。このため、再生可能エネルギーの状況により水素製造が不可能となることもありうる。
【００１０】
これに対し、特許文献５（特開２００７−１５４２１７号公報）には、水素、酸素等からなる気泡を電解液から除去する技術として、電解槽内部に液体流路と気泡を逃がす気体流路とを設け、気体流路と液体流路との境界から１００μｍ以下の領域にこの領域に全体が収まる程度の微小な電極を設け、さらに電極と気泡との表面張力を小さくし、気泡を気体流路に移動させることにより、電極近傍および電解槽内部から気泡を除去する方法が記載されている。
【００１１】
この特許文献５に記載される電極は、液体流路方向の長さが１００μｍ以下と非常に微小な構造であり、たとえば、厚さ１０μｍのプラチナ箔を折り曲げて作成した電極や厚さ１００μｍのプラチナ板を用いた電極が記載されている。
【００１２】
しかし、特許文献５に記載された発明で用いられる電極は非常に微小であるため、アルカリ水電解の環境に好適な限られた電極材料で非常に微小な電極を作製することは、実質的に困難であるという課題があった。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するものであり、電解液から気泡を除去しやすいアルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法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】
【００１４】
本発明は、電解液の密度を所定値以上に高めて電解液と気泡を構成する気体との密度差を大きくすることにより気泡の上昇速度を高めると共に、気泡の上昇方向と電解液の流れ方向を合致させれば、電解槽に複雑な形状を持たせずに、電解槽内での気泡の滞留を防ぐことができることを見出してなされたものである。
【００１５】
すなわち、本発明のアルカリ水電解装置は、上記課題を解決するためのものであり、陽極が配置された陽極室と、陰極が配置された陰極室と、この陽極室と陰極室とを区画する隔膜とを有し、塩基性水溶液からなる電解液を電気分解して水素を製造する電解槽を備えたアルカリ水電解装置であって、前記電解槽は、前記陽極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陽極室の頂部排出部に向かって前記陽極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陽極室液および酸素ガスを生成し、前記陽極室の頂部排出部から前記陽極室液および酸素ガスが排出されるとともに、前記陰極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陰極室の頂部排出部に向かって前記陰極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陰極室液および水素ガスを生成し、前記陰極室の頂部排出部から前記陰極室液および水素ガスが排出される構造であり、前記電解液は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、かつ密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のアルカリ水電解方法は、上記課題を解決するためのものであり、陽極が配置された陽極室と、陰極が配置された陰極室と、この陽極室と陰極室とを区画する隔膜とを有し、塩基性水溶液からなる電解液を電気分解して水素を製造する電解槽、を備えたアルカリ水電解装置を用いるアルカリ水電解方法であって、前記電解槽は、前記陽極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陽極室の頂部排出部に向かって前記陽極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陽極室液と酸素ガスとを生成し、前記陽極室の頂部排出部から前記陽極室液と酸素ガスとが排出されるとともに、前記陰極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陰極室の頂部排出部に向かって前記陰極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陰極室液と水素ガスとを生成し、前記陰極室の頂部排出部から前記陰極室液と水素ガスとが排出される構造であり、前記電解液は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、かつ密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のアルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法によれば、電解槽内での気泡の滞留を防ぎ水の電気分解の電解効率を高めることができる。
【００１８】
また、本発明のアルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法によれば、電解槽内での気泡の滞留を防ぎ水の電気分解の効率を高めることができるため、水の電気分解のために入力される電流が再生可能エネルギーを用いた発電等のために変動する場合でも、水の電気分解の効率的な運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のアルカリ水電解装置の実施形態を示す概略構成図。
【図２】図１に示したアルカリ水電解装置を構成する電解槽を示す概略構成図。
【図３】電解液密度と気泡上昇速度との関係を示すグラフ。
【図４】Ｋ＋濃度と電気伝導率との関係を示すグラフ。
【図５】Ｋ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電気伝導率との関係を示すグラフ。
【図６】ＫＯＨ濃度と電解液密度との関係を示すグラフ。
【図７】Ｋ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電解液密度との関係を示すグラフ。
【図８】Ｋ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電気伝導率との関係を示すグラフ。
【図９】電解液の流量と電解効率との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［アルカリ水電解装置］
本発明のアルカリ水電解装置について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明のアルカリ水電解装置の実施形態を示す概略構成図である。
図１に示すように、アルカリ水電解装置１は、電解槽１０に供給する電解液８０を貯留する電解液タンク５０と、電解液タンク５０中の電解液８０を、電解槽１０の陽極室２０と陰極室３０とに移送する送液ポンプ６４、７４と、電解液８０を電気分解して水素７８を製造する電解槽１０と、電解槽１０の陽極室２０から排出された陽極室液８１と酸素ガス６８とを分離する陽極室液気液分離器６６と、電解槽１０の陰極室３０から排出された陰極室液８２と水素ガス７８とを分離する陰極室液気液分離器７６とを備える。
【００２２】
ここで、陽極室液８１とは、電解液８０が電気分解されて、陽極室２０中に生成された液を意味する。また、陰極室液８２とは、電解液８０が電気分解されて、陰極室３０中に生成された液を意味する。
【００２３】
電解液８０の電気分解では、電解液８０中の水酸化物イオンＯＨ−から酸素ガス６８が生成するとともに水素イオンＨ＋から水素ガス７８が生成する。なお、陽極室２０と陰極室３０とを隔てる隔膜４０としては、イオンの選択性のあるイオン交換膜ではなく、気泡が透過できないが電解質および水の透過が可能なテフロン（登録商標）隔膜等の隔膜が用いられている。
【００２４】
このため、陽極室液８１や陰極室液８２の組成は、電気分解に伴うＨ＋およびＯＨ−の減少分以外は、電解液８０の組成と実質的に同じになっている。
【００２５】
送液ポンプ６４は、電解液８０を、電解液タンク５０から電解槽１０の陽極室２０に移送する陽極室電解液供給系統６１の途中に設けられ、送液ポンプ６４の下流には、電解液８０の流量を測定する流量計６５が設けられる。送液ポンプ６４は、電解槽１０での電気分解による電解液８０の消費量以上の量の電解液を電解液タンク５０から電解槽１０に供給することができるようになっている。
【００２６】
送液ポンプ７４は、電解液８０を、電解液タンク５０から電解槽１０の陰極室３０に移送する陰極室電解液供給系統７１の途中に設けられ、送液ポンプ７４の下流には、電解液８０の流量を測定する流量計７５が設けられる。送液ポンプ７４は、電解槽１０での電気分解による電解液８０の消費量以上の量の電解液を電解液タンク５０から電解槽１０に供給することができるようになっている。
【００２７】
また、図１に示すアルカリ水電解装置１は、電解槽１０の陽極室２０から排出された陽極室液８１を電解液タンク５０に移送する陽極室液循環系統６３と、電解槽１０の陰極室３０から排出された陰極室液８２を電解液タンク５０に移送する陰極室液循環系統７３とを備える。なお、陽極室液循環系統６３の途中には陽極室液気液分離器６６が設けられ、陰極室液循環系統７３の途中には陰極室液気液分離器７６が設けられる。
【００２８】
上記構成により、アルカリ水電解装置１では、電解液８０の電気分解により電解槽１０の陽極室２０で生成され、陽極室２０から排出された陽極室液８１が、陽極室液循環系統６３で酸素ガス６８と分離された後、電解液タンク５０に移送される循環系が形成されている。また、アルカリ水電解装置１では、電解液８０の電気分解により電解槽１０の陰極室３０で生成され、陰極室３０から排出された陰極室液８２が、陰極室液循環系統７３で水素ガス７８と分離された後、電解液タンク５０に移送される循環系とが形成されている。
【００２９】
陽極室液循環系統６３の陽極室液気液分離器６６で分離された酸素ガス６８は、酸素ガス系統６７を流通して、図示しない酸素ガス貯蔵系に送られて貯蔵される。陰極室液循環系統７３の陰極室液気液分離器７６で分離された水素ガス７８は、水素ガス系統７７を流通して、図示しない水素ガス貯蔵系に送られて貯蔵される。
【００３０】
（電解槽）
図２は、図１に示したアルカリ水電解装置１を構成する電解槽１０を示す概略構成図である。電解槽１０は、陽極２５が配置された陽極室２０と、陰極３５が配置された陰極室３０と、この陽極室２０と陰極室３０とを区画する隔膜４０とを有し、塩基性水溶液からなる電解液８０を電気分解して水素を製造するものである。
【００３１】
図２に示す電解槽１０は、具体的には、ステンレス等の金属で構成され、一部に開口部が形成された陽極室本体２１と、ステンレス等の金属で構成され、一部に開口部が形成された陰極室本体３１と、陽極室本体２１の開口部と陰極室本体３１の開口部とが重ね合わされた部分に介装された隔膜４０とを備える。
【００３２】
これにより、電解槽１０では、陽極室本体２１および隔膜４０で区画された陽極室２０と、陰極室本体３１および隔膜４０で区画された陰極室３０とが、一枚の隔膜４０を介して隣接するように形成されている。
【００３３】
電解槽１０に用いられる隔膜４０は、電解液８０、陽極室液８１、および陰極室液８２の透過が可能である一方、陽極室２０内で発生した酸素ガス６８、および陰極室３０内で発生した水素ガス７８の透過ができないようになっている。このため、電解槽１０では、陽極室２０内で発生した酸素ガス６８と、陰極室３０内で発生した水素ガス７８との混合が隔膜４０により防止されるようになっている。
【００３４】
隔膜４０は、電解液８０、陽極室液８１、および陰極室液８２の透過が可能ものであるため、イオンの選択性のあるイオン交換膜ではなく、水溶液中の電解質および水の透過が可能なものになっている。隔膜４０としては、たとえば、テフロン隔膜が用いられる。
【００３５】
＜陽極室＞
電解槽１０の陽極室２０を構成する陽極室本体２１には、陽極室本体２１の底部に設けられ、電解液８０を陽極室２０内に導入する底部導入部２６と、陽極室本体２１の頂部に設けられ、電解液８０が陽極室２０内で電気分解されることにより生成した陽極室液８１および酸素ガス６８を陽極室２０外に排出する頂部排出部２８とが設けられる。
【００３６】
また、電解槽１０の陽極室２０は、陽極２５が設けられた陽極室中流部分２３と、陽極室中流部分２３よりも陽極室２０の底部導入部２６側に位置する陽極室上流部分２２と、陽極室中流部分２３よりも陽極室２０の頂部排出部２８側に位置する陽極室下流部分２４とを有する。
【００３７】
［陽極室上流部分］
陽極室上流部分２２は、陽極室２０のうち、電解槽１０の陽極室２０に導入された電解液８０の流れを、陽極２５が設けられた陽極室中流部分２３に到達する前に実質的に鉛直上向きになるように整流する部分である。陽極室上流部分２２は、陽極室中流部分２３での電気分解前の電解液８０の助走区間として機能する。
【００３８】
陽極室上流部分２２には、電解液８０の流れを実質的に鉛直上向きに整流するため、電解液８０の流れの方向を任意に制御する整流板２７が配置される。
【００３９】
整流板２７は、電解液８０の流れを、層流、または層流に類似する流れにするとともに、この流れが実質的に鉛直上向きになるように整流するものである。整流板２７としては、公知の手段が用いられ、たとえば、平板状やコルゲート状の金属板を複数枚積層したものが用いられる。
【００４０】
整流板２７は、陽極室２０に導入された電解液８０の流れを実質的に鉛直上向きに整流するものであるが、電解液８０の流れの方向を任意に制御することができるようになっていてもよい。電解液８０の流れの方向を任意に制御する方法としては、整流板２７を可動な状態で設置して、整流板２７の流路の方向を制御する方法が挙げられる。
【００４１】
［陽極室中流部分］
陽極室中流部分２３は、陽極室２０のうち、陽極２５が設けられた部分である。陽極２５は、陽極室本体２１の内壁のうち、隔膜４０と対向しつつ、隔膜４０から離間した部分に設けられる。
【００４２】
陽極２５の材質としては、アルカリ水電解に用いる公知のものが用いられ、特に限定されない。陽極２５の材質としては、たとえば、鉄、鉄系合金、ニッケル、またはニッケル系合金等が用いられる。なお、図２に示す電解槽１０では、陽極２５が１個の例を示したが、本発明のアルカリ水電解装置の電解槽は、陽極２５が複数個設けられていてもよい。
【００４３】
陽極２５と、陰極室３０に設けられた陰極３５との間には、図示しない直流電源から電圧が印加されて、電解槽１０の陽極室２０および陰極室３０内で電解液８０の電気分解が行われる。
【００４４】
直流電源としては、特に限定されないが、たとえば、太陽光、太陽熱、風力等の再生可能エネルギーを用いた発電装置であって、必要により整流等を行い直流の出力を可能としたものが用いられる。
【００４５】
電気分解の際、陽極２５の電流密度は、通常１Ａ／ｃｍ２以下、好ましくは０．１〜１Ａ／ｃｍ２、さらに好ましくは０．２〜０．５Ａ／ｃｍ２とすると、陰極室３０内の陰極３５で水素ガス７８を効率よく製造することができるため望ましい。
【００４６】
［陽極室下流部分］
陽極室下流部分２４は、陽極室２０のうち、陽極２５が設けられた陽極室中流部分２３での電気分解により生成した陽極室液８１および酸素ガス６８が上方に流れる形状に形成された部分である。
【００４７】
陽極室下流部分２４は、電気分解により生成した陽極室液８１および酸素ガス６８を、陽極室２０の上方に設けられた頂部排出部２８にスムーズに導くことにより、陽極室中流部分２３の陽極２５近傍の電解液８０の流れを阻害しないようにするものである。
【００４８】
具体的には、陽極室下流部分２４は、陽極室中流部分２３と頂部排出部２８とを直線的に結ぶ形状に形成されるとともに、陽極室液８１の流れ方向の断面積が陽極室中流部分２３の中頃から頂部排出部２８側に向けて徐々に小さくなるように形成されている。このような形状により、陽極室下流部分２４では、陽極室液８１および酸素ガス６８が、滞留することなく陽極室中流部分２３から頂部排出部２８に向けて上方にスムーズに流れることが可能になっている。
【００４９】
上記構成により、電解槽１０の陽極室２０では、陽極室２０の底部導入部２６から導入された電解液８０が、陽極室２０の頂部排出部２８に向かって陽極室２０内を上方に流れる途中で、陽極２５と陰極３５とで電気分解されて陽極室液８１および酸素ガス６８を生成し、陽極室２０の頂部排出部２８から陽極室液８１および酸素ガス６８がスムーズに排出されるようになっている。
【００５０】
＜陰極室＞
電解槽１０の陰極室３０を構成する陰極室本体３１には、陰極室本体３１の底部に設けられ、電解液８０を陰極室３０内に導入する底部導入部３６と、陰極室本体３１の頂部に設けられ、電解液８０が陰極室３０内で電気分解されることにより生成した陰極室液８２および水素ガス７８を陰極室３０外に排出する頂部排出部３８とが設けられる。
【００５１】
また、電解槽１０の陰極室３０は、陰極３５が設けられた陰極室中流部分３３と、陰極室中流部分３３よりも陰極室３０の底部導入部３６側に位置する陰極室上流部分３２と、陰極室中流部分３３よりも陰極室３０の頂部排出部３８側に位置する陰極室下流部分３４とを有する。
【００５２】
［陰極室上流部分］
陰極室上流部分３２は、陰極室３０のうち、電解槽１０の陰極室３０に導入された電解液８０の流れを、陰極３５が設けられた陰極室中流部分３３に到達する前に実質的に鉛直上向きになるように整流する部分である。陰極室上流部分３２は、陰極室中流部分３３での電気分解前の電解液８０の助走区間として機能する。
【００５３】
陰極室上流部分３２には、電解液８０の流れを実質的に鉛直上向きに整流するため、電解液８０の流れの方向を任意に制御する整流板３７が配置される。陰極室上流部分３２に設けられる整流板３７は、陽極室上流部分２２に設けられる整流板２７と同じ構造を有し、作用も同様であるため、説明を省略する。
【００５４】
［陰極室中流部分］
陰極室中流部分３３は、陰極室３０のうち、陰極３５が設けられた部分である。陰極３５は、陰極室本体３１の内壁のうち、隔膜４０と対向しつつ、隔膜４０から離間した部分に設けられる。陰極室中流部分３３に設けられる陰極３５は、陽極室中流部分２３に設けられる陽極２５と同じ構造を有し、作用も同様であるため、説明を省略する。なお、図２に示す電解槽１０では、陰極３５が１個の例を示したが、本発明のアルカリ水電解装置の電解槽は、陰極３５が複数個設けられていてもよい。
【００５５】
陰極３５と、陽極室２０に設けられた陽極２５との間には、図示しない直流電源から電圧が印加されて、電解槽１０の陽極室２０および陰極室３０内で電解液８０の電気分解が行われる。用いられる直流電源は、陽極室２０に設けられる陽極２５を説明した部分で説明したものと同じであるため、説明を省略する。
【００５６】
電気分解の際、陰極３５の電流密度は、通常１Ａ／ｃｍ２以下、好ましくは０．１〜１Ａ／ｃｍ２、さらに好ましくは０．２〜０．５Ａ／ｃｍ２とすると、水素ガス７８を効率よく製造することができるため望ましい。
【００５７】
［陰極室下流部分］
陰極室下流部分３４は、陰極室３０のうち、陰極３５が設けられた陰極室中流部分３３での電気分解により生成した陰極室液８２および水素ガス７８が上方に流れる形状に形成された部分である。
【００５８】
陰極室下流部分３４は、電気分解により生成した陰極室液８２および水素ガス７８を、陰極室３０の上方に設けられた頂部排出部３８にスムーズに導くことにより、陰極室中流部分３３の陰極３５近傍の電解液８０の流れを阻害しないようにするものである。
【００５９】
具体的には、陰極室下流部分３４は、陰極室中流部分３３と頂部排出部３８とを直線的に結ぶ形状に形成されるとともに、陰極室液８２の流れ方向の断面積が陰極室中流部分３３の中頃から頂部排出部３８側に向けて徐々に小さくなるように形成されている。このような形状により、陰極室下流部分３４では、陰極室液８２および水素ガス７８が、滞留することなく陰極室中流部分３３から頂部排出部３８に向けて上方にスムーズに流れることが可能になっている。
【００６０】
上記構成により、電解槽１０の陰極室３０では、陰極室３０の底部導入部３６から導入された電解液８０が、陰極室３０の頂部排出部３８に向かって陰極室３０内を上方に流れる途中で、陽極２５と陰極３５とで電気分解されて陰極室液８２および水素ガス７８を生成し、陰極室３０の頂部排出部３８から陰極室液８２および水素ガス７８がスムーズに排出されるようになっている。
【００６１】
（電解液）
アルカリ水電解装置１で電気分解に用いられる電解液８０は、アルカリ性の水溶液である。電解液８０の密度は、電解液８０中のカチオンの種類または濃度を調整することにより制御される。
【００６２】
電解液８０は、電解質として水酸化カリウムＫＯＨを含むと、水の電気分解の電解効率が高いため好ましい。また、電解液８０は、ＫＯＨの濃度が４〜７ｍｏｌ／ｋｇ、好ましくは５〜７ｍｏｌ／ｋｇであると、水の電気分解の電解効率が高いため望ましい。
【００６３】
電解液８０は、電解質として、ＫＯＨとＫＯＨ以外のアルカリ金属水酸化物とを含むと、電解液８０の密度が大きくなる、電気伝導率が高くなる等の作用により、水の電気分解の電解効率が高くなるため好ましい。ここで、アルカリ金属とは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、およびＦｒを意味する。
【００６４】
ＫＯＨ以外のアルカリ金属水酸化物としては、たとえば、ＲｂＯＨおよびＣｓＯＨから選ばれる少なくとも１種が用いられる。電解液８０が、ＫＯＨに加えてＲｂＯＨやＣｓＯＨを含むと、電解液８０の密度がより大きくなる、電気伝導率がより高くなる等の作用により、水の電気分解の電解効率がより高くなるため好ましい。
【００６５】
また、電解液８０は、アルカリ金属の濃度が３〜８ｍｏｌ／ｋｇであると、水の電気分解の電解効率が高いため好ましい。ここで、アルカリ金属の濃度とは、ＫＯＨを含む全てのアルカリ金属水酸化物を構成するアルカリ金属の濃度を意味する。
【００６６】
電解液８０は、アルカリ金属水酸化物の含有量に対するＫＯＨの含有量の割合が、通常８０〜１００質量％、好ましくは８０〜９０質量％の範囲内にあると、水の電気分解の電解効率が高いため望ましい。
【００６７】
電解液８０は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、好ましくは１４〜１５、さらに好ましくは１４．５〜１５である。
【００６８】
電解液８０の２７℃で測定したｐＨが１４以上であると、電解液８０の電気伝導率が高いことから水の電気分解の電解効率が高くなるため好ましい。
【００６９】
また、電解液８０は、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、好ましくは０．２５〜０．５Ｓ／ｃｍ、さらに好ましくは０．３〜０．５Ｓ／ｃｍである。
【００７０】
電解液８０の２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上であると、電解液８０の電気分解の電解効率が高くなるため好ましい。
【００７１】
さらに、電解液８０は、密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上、好ましくは１．２５〜１．５ｋｇ／ｍ３、さらに好ましくは１．３５〜１．５ｋｇ／ｍ３である。ここで、密度とは、２７℃で測定した密度を意味する。
【００７２】
電解液８０の密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上であると、電解液８０の電気分解により生成する酸素ガス６８、水素ガス７８等からなる気泡と、電解液８０、陽極室液８１、または陰極室液８２等の液体との密度差が大きくなり、気泡の上昇速度が高くなることにより、電解槽１０内での気泡の滞留を防ぎ水の電気分解の効率を高めることができるため好ましい。
【００７３】
ここで、電解液８０の密度が高くなると電解液８０中の気泡の上昇速度が高くなることについて説明する。また、電解液８０に流れがある場合において、気泡の上昇速度をさらに高くする方法についても検討する。
【００７４】
はじめに、電解槽１０内で電解液８０の流れが存在しない場合の気泡の上昇速度、すなわち、気泡の浮力による気泡の上昇速度ｖｆを算出する。気泡の浮力による気泡の上昇速度ｖｆは下記式（１）で表される。なお、下記式（１）の浮力Ｆは、下記式（２）を用いて算出される。
【００７５】
【数１】
【００７６】
【数２】
【００７７】
式（１）および（２）より、電解液８０の密度ρｌを大きくして、電解液８０の密度ρｌと気泡を構成する気体ρｇとの密度差を大きくすると、気泡の上昇速度ｖｆが大きくなることが分かる。
【００７８】
図３は、電解液密度と気泡上昇速度との関係を示すグラフである。図３は、アルカリ性電解液の電気分解時に発生する気泡の上昇速度を示したものであり、具体的には、気体体積（気泡体積）Ｖ、気泡の質量ｍ、および気体密度（気泡密度）ρｇが同一の気泡が、種々の液体密度ρｌの電解液中で上昇するときの気泡の上昇速度ｖｆを、式（１）および（２）より算出したものである。なお、図３において、気泡上昇速度は、電解液密度増加率が０％である基準電解液での気泡上昇速度を１としたときの、相対値として示した。図３より、電解液密度が上昇すると、気泡上昇速度も上昇することが分かる。
【００７９】
次に、電解槽１０内で電解液８０の流れが存在する場合の気泡の上昇速度、すなわち、気泡の浮力と電解液８０の流れの両方を考慮した電解液流動下の気泡の上昇速度ｖＴについて検討する。電解液流動下の気泡の上昇速度ｖＴは下記式（３）で表される。なお、電解液の流速ｖｌは、電解液が気泡の上昇方向に流れる場合に正の値を採るものとした。
【００８０】
【数３】
【００８１】
式（３）より、電解液８０の流れ方向と気泡の上昇方向とが一致すると、気泡の上昇速度が高くなることが分かる。
【００８２】
したがって、式（１）〜（３）より、電解液８０の密度を高くして気泡の上昇速度を高くするとともに、電解液８０の流れ方向と気泡の上昇方向とを一致させると、気泡の滞留を防ぐ特殊な形状の電解槽１０を用いずに、電気伝導度の高い電解液８０を用いて水の電気分解を行った場合でも、水の電気分解で生成する酸素ガス６８、水素ガス７８等からなる気泡が、電解槽１０内に滞留することを防止できることが分かる。
【００８３】
（作用）
アルカリ水電解装置１の作用について説明する。はじめに、電解液タンク５０中の電解液８０を、陽極室電解液供給系統６１に設けられた送液ポンプ６４を用いて電解槽１０の陽極室２０に導入するとともに、陰極室電解液供給系統７１に設けられた送液ポンプ７４を用いて電解槽１０の陰極室３０に導入する。
【００８４】
陽極室２０に導入される電解液８０の流量は、陽極室電解液供給系統６１に設けられた流量計６５で測定され、陽極室電解液供給系統６１に設けられた図示しないバルブ等を用いて調整される。陰極室３０に導入される電解液８０の流量は、陰極室電解液供給系統７１に設けられた流量計７５で測定され、陰極室電解液供給系統７１に設けられた図示しないバルブ等を用いて調整される。
【００８５】
＜陽極室における作用＞
次に、電解液８０が電解槽１０の陽極室２０に導入される場合の作用について説明する。電解液８０が電解槽１０の陽極室２０に導入される場合、電解液８０は、電解槽１０の陽極室２０の底部に設けられた底部導入部２６を介して、陽極室２０の陽極室上流部分２２に導入される。図２に示すように、電解液８０は、底部導入部２６の下方から上方に向かって陽極室上流部分２２に導入される。
【００８６】
陽極室上流部分２２の鉛直上方には陽極室中流部分２３が設けられ、陽極室中流部分２３の鉛直上方には陽極室下流部分２４が設けられ、陽極室下流部分２４の鉛直上方には頂部排出部２８が設けられる。このため、底部導入部２６を介して陽極室２０内に導入された電解液８０は、陽極室２０内を上方に流れ、途中で電気分解されて陽極室液８１になった後、頂部排出部２８の上方からから排出されるようになっている。
【００８７】
また、陽極室上流部分２２内には、電解液８０の流れの方向を任意に制御する整流板２７が配置されている。このため、陽極室２０の陽極室上流部分２２内の電解液８０の流れは整流されるとともに流れの方向が任意の方向に制御されるようになっている。図２に示す電解槽１０では、整流板２７は、陽極室上流部分２２内の電解液８０の流れの方向が図２中の下方から上方に向かうように制御されている。陽極室上流部分２２内の整流板２７で整流された電解液８０は、整流された状態で、陽極室中流部分２３に送られる。
【００８８】
陽極室中流部分２３において、電解液８０は、陽極室中流部分２３に設けられた陽極２５と、陰極室３０の陰極室中流部分３３に設けられた陰極３５とにより電気分解され、陽極室液８１および酸素ガス６８を生成する。
【００８９】
なお、陽極室２０と陰極室３０とは隔膜４０で区画されており、酸素ガス６８等からなる気泡は隔膜４０を透過できないため、陽極室２０内で生成した酸素ガス６８は、陰極室３０側には侵入せず、陽極室液８１とともに陽極室２０内を上昇して陽極室下流部分２４に送られる。
【００９０】
陽極室下流部分２４は、陽極室液８１および酸素ガス６８がスムーズに上方に流れる形状に形成されることにより、陽極室中流部分２３での電解液８０の流れを阻害しないようになっている。陽極室下流部分２４中の陽極室液８１および酸素ガス６８は、陽極室２０の頂部排出部２８から、頂部排出部２８の上方にある陽極室液循環系統６３にスムーズに排出される。
【００９１】
電解槽１０の陽極室２０から、陽極室２０の上方の陽極室液循環系統６３に排出された陽極室液８１および酸素ガス６８は、陽極室液循環系統６３の途中に設けられた陽極室液気液分離器６６により、陽極室液８１と酸素ガス６８とに分離される。
【００９２】
陽極室液気液分離器６６により陽極室液８１から分離された酸素ガス６８は、酸素ガス系統６７を流通して、図示しない酸素ガス貯蔵系に送られ、貯蔵される。このように、アルカリ水電解装置１によれば、陽極室２０での電解により酸素ガス６８を製造することができる。
【００９３】
一方、陽極室液気液分離器６６により酸素ガス６８から分離された陽極室液８１は、陽極室液循環系統６３を流通して電解液タンク５０に送られる。これにより、アルカリ水電解装置１において、電解液タンク５０から電解槽１０の陽極室２０に送られた電解液８０が、電気分解されて陽極室液８１となった後、電解液タンク５０に戻ってくる、陽極室２０を経由した電解液８０の循環サイクルが形成される。
【００９４】
電解液タンク５０では、陽極室液循環系統６３を流通して戻ってきた陽極室液８１と、陰極室液循環系統７３を流通して戻ってきた陰極室液８２とが混合された上、適宜、電解質の補給等が行われることにより電解槽１０に導入可能な電解液８０が調製される。
【００９５】
送液ポンプ６４は、電解槽１０での電気分解による電解液８０の消費量以上の量の電解液を電解液タンク５０から電解槽１０に供給することにより、陽極室２０を経由する電解液８０の循環サイクルが、一定流量の電解液８０を流通できるようにする。
【００９６】
＜陰極室における作用＞
次に、電解液８０が電解槽１０の陰極室３０に導入される場合の作用について説明する。なお、陰極室３０に導入される電解液８０は、陽極室２０に導入される電解液８０と同様に、陰極室３０内を上方に流れ、陰極室液８２になった後、頂部排出部３８から排出されるようになっている。また、陰極室３０内の構成と陽極室２０内の構成とは、陰極３５と陽極２５との相違点以外は同じである。このため、陰極室３０に電解液８０が導入される場合の作用と、陽極室２０に電解液８０が導入される場合の作用とは、電解液８０が電気分解される際の作用以外は同様である。しかし、説明の省略による誤解を防ぐため、陰極室３０に電解液８０が導入される場合の作用についても、陽極室２０に電解液８０が導入される場合の作用と同様に説明する。
【００９７】
電解液８０が電解槽１０の陰極室３０に導入される場合、電解液８０は、電解槽１０の陰極室３０の底部に設けられた底部導入部３６を介して、陰極室３０の陰極室上流部分３２に導入される。図２に示すように、電解液８０は、底部導入部３６の下方から上方に向かって陰極室上流部分３２に導入される。
【００９８】
陰極室上流部分３２の鉛直上方には陰極室中流部分３３が設けられ、陰極室中流部分３３の鉛直上方には陰極室下流部分３４が設けられ、陰極室下流部分３４の鉛直上方には頂部排出部３８が設けられる。このため、底部導入部３６を介して陰極室３０内に導入された電解液８０は、陰極室３０内を上方に流れ、途中で電気分解されて陰極室液８２になった後、頂部排出部３８の上方からから排出されるようになっている。
【００９９】
また、陰極室上流部分３２内には、電解液８０の流れの方向を任意に制御する整流板３７が配置されている。このため、陰極室３０の陰極室上流部分３２内の電解液８０の流れは整流されるとともに流れの方向が任意の方向に制御されるようになっている。図２に示す電解槽１０では、整流板３７は、陰極室上流部分３２内の電解液８０の流れの方向が図２中の下方から上方に向かうように制御されている。陰極室上流部分３２内の整流板３７で整流された電解液８０は、整流された状態で、陰極室中流部分３３に送られる。
【０１００】
陰極室中流部分３３において、電解液８０は、陰極室中流部分３３に設けられた陰極３５と、陽極室２０の陽極室中流部分２３に設けられた陽極２５とにより電気分解され、陰極室液８２および水素ガス７８を生成する。
【０１０１】
なお、陰極室３０と陽極室２０とは隔膜４０で区画されており、水素ガス７８等からなる気泡は隔膜４０を透過できないため、陰極室３０内で生成した水素ガス７８は、陽極室２０側には侵入せず、陰極室液８２とともに陰極室３０内を上昇して陰極室下流部分３４に送られる。
【０１０２】
陰極室下流部分３４は、陰極室液８２および水素ガス７８がスムーズに上方に流れる形状に形成されることにより、陰極室中流部分３３での電解液８０の流れを阻害しないようになっている。陰極室下流部分３４中の陰極室液８２および水素ガス７８は、陰極室３０の頂部排出部３８から、頂部排出部３８の上方にある陰極室液循環系統７３にスムーズに排出される。
【０１０３】
電解槽１０の陰極室３０から、陰極室３０の上方の陰極室液循環系統７３に排出された陰極室液８２および水素ガス７８は、陰極室液循環系統７３の途中に設けられた陰極室液気液分離器７６により、陰極室液８２と水素ガス７８とに分離される。
【０１０４】
陰極室液気液分離器７６により陰極室液８２から分離された水素ガス７８は、水素ガス系統７７を流通して、図示しない水素ガス貯蔵系に送られ、貯蔵される。このように、アルカリ水電解装置１によれば、陰極室３０での電解により水素ガス７８を製造することができる。
【０１０５】
一方、陰極室液気液分離器７６により水素ガス７８から分離された陰極室液８２は、陰極室液循環系統７３を流通して電解液タンク５０に送られる。これにより、アルカリ水電解装置１において、電解液タンク５０から電解槽１０の陰極室３０に送られた電解液８０が、電気分解されて陰極室液８２となった後、電解液タンク５０に戻ってくる、陰極室３０を経由した電解液８０の循環サイクルが形成される。
【０１０６】
電解液タンク５０では、陰極室液循環系統７３を流通して戻ってきた陰極室液８２と、陽極室液循環系統６３を流通して戻ってきた陽極室液８１とが混合された上、適宜、電解質の補給等が行われることにより電解槽１０に導入可能な電解液８０が調製される。
【０１０７】
送液ポンプ７４は、電解槽１０での電気分解による電解液８０の消費量以上の量の電解液を電解液タンク５０から電解槽１０に供給することにより、陰極室３０を経由する電解液８０の循環サイクルが、一定流量の電解液８０を流通できるようにする。
【０１０８】
（効果）
アルカリ水電解装置１によれば、電解槽１０内での気泡の滞留を防ぎ水の電気分解の電解効率を高めることができる。
【０１０９】
アルカリ水電解装置１によれば、電解槽１０内での気泡の滞留を防ぎ水の電気分解の効率を高めることができるため、水の電気分解のために入力される電流が再生可能エネルギーを用いた発電等のために変動する場合でも、水の電気分解の効率的な運転が可能になる。
【０１１０】
なお、図１には、アルカリ水電解装置１として、電解槽１０を１個備える例を示した。しかし、本発明のアルカリ水電解装置では、電解槽１０を複数個備えてもよい。アルカリ水電解装置が電解槽１０を複数個備える場合、複数個の電解槽１０は、直列、並列、または直列と並列を組み合わせた配置とすることができる。
【０１１１】
ここで、複数個の電解槽１０の直列な配置とは、ｎ個目の電解槽１０の陽極室２０から排出された陽極室液８１がｎ＋１個目の電解槽１０の陽極室２０に導入されるとともに、ｎ個目の電解槽１０の陰極室３０から排出された陰極室液８２がｎ＋１個目の電解槽１０の陰極室３０に導入される配置を意味する。
【０１１２】
また、複数個の電解槽１０の並列な配置とは、複数個の電解槽１０の陽極室２０のそれぞれについて、電解液８０が導入され陽極室液８１が排出されるとともに、複数個の電解槽１０の陰極室３０のそれぞれについて、電解液８０が導入され陰極室液８２が排出される配置を意味する。
【０１１３】
本発明のアルカリ水電解装置において、電解槽１０を複数個備え、かつ電解槽１０を直列、並列、または直列と並列を組み合わせた配置とすることにより、電気分解のための電流または電圧の設定の自由度が高くなるため好ましい。
【０１１４】
また、本発明のアルカリ水電解装置では、電解槽１０の陽極２５と陰極３５との間に供給される電力、電流、電圧を適宜設定することができる。
【実施例】
【０１１５】
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではない。
【０１１６】
［実施例１］
（電解液のＫ＋濃度と電気伝導率との関係の測定）
純水に関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）を溶解し、Ｋ＋のモル重量濃度が３．０〜８．６ｍｏｌ／ｋｇの電解液を４種類調製した。なお、Ｋ＋のモル重量濃度は、ＫＯＨとのモル重量濃度と同じ数値である。
４種類の電解液について、電気伝導率を測定した。測定結果を図４に示す。
図４より、Ｋ＋が３〜８ｍｏｌ／ｋｇ程度、特に４〜７ｍｏｌ／ｋｇ程度の範囲内で、電解液の電気伝導率が高いことが分かる。
【０１１７】
［実施例２］
（電解液におけるＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電気伝導率との関係の測定）
純水に、関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）と、Ａｌｆａ Ａｅａｓｅｒ製５０％水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）水溶液とを溶解し、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇ、かつＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率｛Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）｝が０．８０〜０．９１の電解液を３種類調製した。
３種類の電解液について、電気伝導率を測定した。測定結果を図５に示す。
図５より、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇの場合は、Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が０．８５を超える範囲で、電解液の電気伝導率が高くなることが分かる。
【０１１８】
［実施例３］
（電解液のＫＯＨ濃度と電解液密度との関係の測定）
純水に、関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）を溶解し、ＫＯＨのモル重量濃度が０〜７ｍｏｌ／ｋｇの電解液を５種類調製した。
５種類の電解液について、密度を測定した。測定結果を図６に示す。
図６より、ＫＯＨ濃度が大きくなるほど電解液の密度が大きくなることが分かる。
【０１１９】
［実施例４］
（電解液におけるＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電解液密度との関係の測定）
純水に、関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）と、Ａｌｆａ Ａｅａｓｅｒ製５０％水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）水溶液とを溶解し、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇ、かつＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率｛Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）｝が０．８０〜０．９１の電解液を３種類調製した。
３種類の電解液について、密度を測定した。測定結果を図７に示す。
図７より、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇの場合は、Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が小さくなるほど、電解液の密度が大きくなることが分かる。
【０１２０】
［実施例５］
（電解液におけるＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電気伝導率との関係の測定）
純水に、関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）と、Ａｌｆａ Ａｅａｓｅｒ製５０％水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）水溶液とを溶解し、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇ、かつＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が０．８〜１の電解液を３種類調製した。
３種類の電解液について、電気伝導率を測定した。測定結果を図８に示す。なお、図８の電気伝導率は、Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が１である基準電解液での電気伝導率を１としたときの、相対値として示した。
図８より、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇの場合は、Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が１から０．８に近づくほど、すなわち、電解液がＫＯＨのみでなく、ＫＯＨおよびＣｓＯＨを含むようになると、電解液の電気伝導率が高くなることが分かる。
【０１２１】
実施例１〜５の結果より、電解液が、電解質としてＫＯＨのみを含む場合に比べて、ＫＯＨおよびＣｓＯＨを含む場合は、電解効率が改善されることが分かった。
また、電解質がＫＯＨおよびＣｓＯＨを含む場合でも、ＫＯＨとＣｓＯＨとの混合割合によって電解効率の改善の効果が異なり、Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が０．８のときに、電解効率の改善の効果が最も高いことが分かった。
【０１２２】
［実施例６］
（電解液の流量と電解効率との関係の測定）
純水に、関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）を溶解し、ＫＯＨのモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇの電解液を調製した。
この電解液を、図１に示すアルカリ水電解装置１の電解槽１０に導入し、電解槽１０の陽極室２０および陰極室３０に導入される電解液の合計の流量が０ｍｌ／ｍｉｎ、２１０ｍｌ／ｍｉｎ、および８３０ｍｌ／ｍｉｎになる場合の電解液の電気伝導率を測定した。陽極室２０および陰極室３０のそれぞれに導入される電解液の流量は、上記流量の半分の０ｍｌ／ｍｉｎ、１０５ｍｌ／ｍｉｎ、および４１５ｍｌ／ｍｉｎである。
ここで、電解液の流量（ｍｌ／ｍｉｎ）は、流量計６５、７５で測定される値ではなく、電解槽１０内の電解液を適宜、断続的に置換する場合の全置換量を時間で除して算出したものである。具体的には、電解液の流量（ｍｌ／ｍｉｎ）は、電解液の電気分解に適した組成の好適な範囲を予め設定しておき、電解液の組成がこの好適な範囲を逸脱しないように、電解槽１０内の電解液を断続的に置換した場合の電解液の全置換量を時間で除して算出した。
測定結果を図９に示す。なお、図９では、縦軸として電解効率を用いた。この電解効率は、電解液流量が０ｍｌ／ｍｉｎ、２１０ｍｌ／ｍｉｎ、および８３０ｍｌ／ｍｉｎのときの電気伝導率の値のそれぞれを、電解液流量が０ｍｌ／ｍｉｎのときの電気伝導率の値で除したものである。このため、電解液流量が０ｍｌ／ｍｉｎでは、電解効率の値が１になっている。
図９より、電解液の電解効率は、電解液流量が大きくなるほど高くなることが分かる。また、陽極２５および陰極３５に供給する電力を変えて同様の実験を行ったところ、供給する電力の大小に関わらず、同様に、電解液流量が大きくなるほど電解効率が高くなることが分かった。
【０１２３】
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、例として提示したものであり、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】
【０１２４】
１ アルカリ水電解装置
１０ 電解槽
２０ 陽極室
２１ 陽極室本体
２２ 陽極室上流部分
２３ 陽極室中流部分
２４ 陽極室下流部分
２５ 陽極
２６ 底部導入部
２７ 整流板
２８ 頂部排出部
３０ 陰極室
３１ 陰極室本体
３２ 陰極室上流部分
３３ 陰極室中流部分
３４ 陰極室下流部分
３５ 陰極
３６ 底部導入部
３７ 整流板
３８ 頂部排出部
４０ 隔膜
５０ 電解液タンク
６１ 陽極室電解液供給系統
６２ 陽極室液排出系統
６３ 陽極室液循環系統
６４ 送液ポンプ
６５ 流量計
６６ 陽極室液気液分離器
６７ 酸素ガス系統
６８ 酸素ガス（酸素）
７１ 陰極室電解液供給系統
７２ 陰極室液排出系統
７３ 陰極室液循環系統
７４ 送液ポンプ
７５ 流量計
７６ 陰極室液気液分離器
７７ 水素ガス系統
７８ 水素ガス（水素）
８０ 電解液
８１ 陽極室液
８２ 陰極室液
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ水を電気分解して水素ガスを製造するアルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光、太陽熱、風力等の再生可能エネルギーを用いた発電が増加している。しかし、再生可能エネルギーは自然環境に左右されて変動するため、再生可能エネルギーを用いた発電の出力制御が困難である。このため、再生可能エネルギーを用いた発電の割合が増加すると、電力の需給バランスが崩れ、過剰電力や電力不足を生じる原因となりやすい。
【０００３】
また、再生可能エネルギーを用いた発電の出力は、天候等の変化に伴い常に微少な変化を繰り返す。このため、再生可能エネルギーを用いた発電設備を、電力系統に直接接続することは困難である。
【０００４】
これらの再生可能エネルギーを用いた発電の問題点を解決する方法として、再生可能エネルギーから得られた電力を、安定して取り出すことができる他のエネルギーに変換して貯蔵する方法、たとえば、電池による蓄電、揚水発電、水素電力貯蔵等の方法が検討されている。ここで、水素電力貯蔵とは、再生可能エネルギーから得られた電力を水の電気分解に用い、生成した水素として貯蔵する貯蔵方法である。
【０００５】
これらのうち、水素電力貯蔵は、立地や熱源の制約を受けにくく、長期間の保管でもエネルギーの損失が実質的に起こらないため、電力の好ましい貯蔵方法として注目されている。また、水素電力貯蔵のうち、アルカリ水溶液を用いた水の電気分解であるアルカリ水電解は、歴史が古く、実績も豊富なため、今後の電力貯蔵方法として有力視されている。
【０００６】
たとえば、特許文献１（特開平３−２１８９０１号公報）には、水素生成装置と水素貯蔵合金を組み合わせて効率的に水素の貯蔵を行う装置が記載されている。また、特許文献２（特開２０１０−１５０５９０号公報）、および特許文献３（特開２００９−２４２９２２号公報）には、アルカリ水電解用の電極の構造が記載されている。さらに、特許文献４（特開２００８−４５２０５号公報）には、アルカリ水電解環境でも腐食しにくい電解槽および電極が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−２１８９０１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５０５９０号公報
【特許文献３】特開２００９−２４２９２２号公報
【特許文献４】特開２００８−４５２０５号公報
【特許文献５】特開２００７−１５４２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水の電気分解では、水電解装置の効率的な運転のために、電解液と電極との接触、および電解液中に含まれる電子の移動、が十分に行われることが好ましい。しかし、水の電気分解では水素および酸素が発生するため、電極近傍および電解液中に水素、酸素等からなる気泡が存在する。この気泡によって電極と電解液との接触、および電解液中の電子の移動が妨げられると、水電解装置の効率的な運転が困難になる。
【０００９】
また、水素電力貯蔵では、エネルギー効率を高くするために、再生可能エネルギーで発電した電力をそのまま用いて水の電気分解を行うことが好ましい。しかし、再生可能エネルギーで発電した電力の出力変動にともない電気分解に用いる電力の変動が起こると、水素および酸素の発生量が絶えず変化し、水電解装置の効率も絶えず変動する。このため、再生可能エネルギーの状況により水素製造が不可能となることもありうる。
【００１０】
これに対し、特許文献５（特開２００７−１５４２１７号公報）には、水素、酸素等からなる気泡を電解液から除去する技術として、電解槽内部に液体流路と気泡を逃がす気体流路とを設け、気体流路と液体流路との境界から１００μｍ以下の領域にこの領域に全体が収まる程度の微小な電極を設け、さらに電極と気泡との表面張力を小さくし、気泡を気体流路に移動させることにより、電極近傍および電解槽内部から気泡を除去する方法が記載されている。
【００１１】
この特許文献５に記載される電極は、液体流路方向の長さが１００μｍ以下と非常に微小な構造であり、たとえば、厚さ１０μｍのプラチナ箔を折り曲げて作成した電極や厚さ１００μｍのプラチナ板を用いた電極が記載されている。
【００１２】
しかし、特許文献５に記載された発明で用いられる電極は非常に微小であるため、アルカリ水電解の環境に好適な限られた電極材料で非常に微小な電極を作製することは、実質的に困難であるという課題があった。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するものであり、電解液から気泡を除去しやすいアルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法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】
【００１４】
本発明は、電解液の密度を所定値以上に高めて電解液と気泡を構成する気体との密度差を大きくすることにより気泡の上昇速度を高めると共に、気泡の上昇方向と電解液の流れ方向を合致させれば、電解槽に複雑な形状を持たせずに、電解槽内での気泡の滞留を防ぐことができることを見出してなされたものである。
【００１５】
すなわち、本発明のアルカリ水電解装置は、上記課題を解決するためのものであり、陽極が配置された陽極室と、陰極が配置された陰極室と、この陽極室と陰極室とを区画する隔膜とを有し、塩基性水溶液からなる電解液を電気分解して水素を製造する電解槽を備えたアルカリ水電解装置であって、前記電解槽は、前記陽極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陽極室の頂部排出部に向かって前記陽極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陽極室液および酸素ガスを生成し、前記陽極室の頂部排出部から前記陽極室液および酸素ガスが排出されるとともに、前記陰極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陰極室の頂部排出部に向かって前記陰極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陰極室液および水素ガスを生成し、前記陰極室の頂部排出部から前記陰極室液および水素ガスが排出される構造であり、前記電解液は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、かつ密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のアルカリ水電解方法は、上記課題を解決するためのものであり、陽極が配置された陽極室と、陰極が配置された陰極室と、この陽極室と陰極室とを区画する隔膜とを有し、塩基性水溶液からなる電解液を電気分解して水素を製造する電解槽、を備えたアルカリ水電解装置を用いるアルカリ水電解方法であって、前記電解槽は、前記陽極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陽極室の頂部排出部に向かって前記陽極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陽極室液と酸素ガスとを生成し、前記陽極室の頂部排出部から前記陽極室液と酸素ガスとが排出されるとともに、前記陰極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陰極室の頂部排出部に向かって前記陰極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陰極室液と水素ガスとを生成し、前記陰極室の頂部排出部から前記陰極室液と水素ガスとが排出される構造であり、前記電解液は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、かつ密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のアルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法によれば、電解槽内での気泡の滞留を防ぎ水の電気分解の電解効率を高めることができる。
【００１８】
また、本発明のアルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法によれば、電解槽内での気泡の滞留を防ぎ水の電気分解の効率を高めることができるため、水の電気分解のために入力される電流が再生可能エネルギーを用いた発電等のために変動する場合でも、水の電気分解の効率的な運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のアルカリ水電解装置の実施形態を示す概略構成図。
【図２】図１に示したアルカリ水電解装置を構成する電解槽を示す概略構成図。
【図３】電解液密度と気泡上昇速度との関係を示すグラフ。
【図４】Ｋ＋濃度と電気伝導率との関係を示すグラフ。
【図５】Ｋ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電気伝導率との関係を示すグラフ。
【図６】ＫＯＨ濃度と電解液密度との関係を示すグラフ。
【図７】Ｋ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電解液密度との関係を示すグラフ。
【図８】Ｋ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電気伝導率との関係を示すグラフ。
【図９】電解液の流量と電解効率との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［アルカリ水電解装置］
本発明のアルカリ水電解装置について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明のアルカリ水電解装置の実施形態を示す概略構成図である。
図１に示すように、アルカリ水電解装置１は、電解槽１０に供給する電解液８０を貯留する電解液タンク５０と、電解液タンク５０中の電解液８０を、電解槽１０の陽極室２０と陰極室３０とに移送する送液ポンプ６４、７４と、電解液８０を電気分解して水素７８を製造する電解槽１０と、電解槽１０の陽極室２０から排出された陽極室液８１と酸素ガス６８とを分離する陽極室液気液分離器６６と、電解槽１０の陰極室３０から排出された陰極室液８２と水素ガス７８とを分離する陰極室液気液分離器７６とを備える。
【００２２】
ここで、陽極室液８１とは、電解液８０が電気分解されて、陽極室２０中に生成された液を意味する。また、陰極室液８２とは、電解液８０が電気分解されて、陰極室３０中に生成された液を意味する。
【００２３】
電解液８０の電気分解では、電解液８０中の水酸化物イオンＯＨ−から酸素ガス６８が生成するとともに水素イオンＨ＋から水素ガス７８が生成する。なお、陽極室２０と陰極室３０とを隔てる隔膜４０としては、イオンの選択性のあるイオン交換膜ではなく、気泡が透過できないが電解質および水の透過が可能なテフロン（登録商標）隔膜等の隔膜が用いられている。
【００２４】
このため、陽極室液８１や陰極室液８２の組成は、電気分解に伴うＨ＋およびＯＨ−の減少分以外は、電解液８０の組成と実質的に同じになっている。
【００２５】
送液ポンプ６４は、電解液８０を、電解液タンク５０から電解槽１０の陽極室２０に移送する陽極室電解液供給系統６１の途中に設けられ、送液ポンプ６４の下流には、電解液８０の流量を測定する流量計６５が設けられる。送液ポンプ６４は、電解槽１０での電気分解による電解液８０の消費量以上の量の電解液を電解液タンク５０から電解槽１０に供給することができるようになっている。
【００２６】
送液ポンプ７４は、電解液８０を、電解液タンク５０から電解槽１０の陰極室３０に移送する陰極室電解液供給系統７１の途中に設けられ、送液ポンプ７４の下流には、電解液８０の流量を測定する流量計７５が設けられる。送液ポンプ７４は、電解槽１０での電気分解による電解液８０の消費量以上の量の電解液を電解液タンク５０から電解槽１０に供給することができるようになっている。
【００２７】
また、図１に示すアルカリ水電解装置１は、電解槽１０の陽極室２０から排出された陽極室液８１を電解液タンク５０に移送する陽極室液循環系統６３と、電解槽１０の陰極室３０から排出された陰極室液８２を電解液タンク５０に移送する陰極室液循環系統７３とを備える。なお、陽極室液循環系統６３の途中には陽極室液気液分離器６６が設けられ、陰極室液循環系統７３の途中には陰極室液気液分離器７６が設けられる。
【００２８】
上記構成により、アルカリ水電解装置１では、電解液８０の電気分解により電解槽１０の陽極室２０で生成され、陽極室２０から排出された陽極室液８１が、陽極室液循環系統６３で酸素ガス６８と分離された後、電解液タンク５０に移送される循環系が形成されている。また、アルカリ水電解装置１では、電解液８０の電気分解により電解槽１０の陰極室３０で生成され、陰極室３０から排出された陰極室液８２が、陰極室液循環系統７３で水素ガス７８と分離された後、電解液タンク５０に移送される循環系とが形成されている。
【００２９】
陽極室液循環系統６３の陽極室液気液分離器６６で分離された酸素ガス６８は、酸素ガス系統６７を流通して、図示しない酸素ガス貯蔵系に送られて貯蔵される。陰極室液循環系統７３の陰極室液気液分離器７６で分離された水素ガス７８は、水素ガス系統７７を流通して、図示しない水素ガス貯蔵系に送られて貯蔵される。
【００３０】
（電解槽）
図２は、図１に示したアルカリ水電解装置１を構成する電解槽１０を示す概略構成図である。電解槽１０は、陽極２５が配置された陽極室２０と、陰極３５が配置された陰極室３０と、この陽極室２０と陰極室３０とを区画する隔膜４０とを有し、塩基性水溶液からなる電解液８０を電気分解して水素を製造するものである。
【００３１】
図２に示す電解槽１０は、具体的には、ステンレス等の金属で構成され、一部に開口部が形成された陽極室本体２１と、ステンレス等の金属で構成され、一部に開口部が形成された陰極室本体３１と、陽極室本体２１の開口部と陰極室本体３１の開口部とが重ね合わされた部分に介装された隔膜４０とを備える。
【００３２】
これにより、電解槽１０では、陽極室本体２１および隔膜４０で区画された陽極室２０と、陰極室本体３１および隔膜４０で区画された陰極室３０とが、一枚の隔膜４０を介して隣接するように形成されている。
【００３３】
電解槽１０に用いられる隔膜４０は、電解液８０、陽極室液８１、および陰極室液８２の透過が可能である一方、陽極室２０内で発生した酸素ガス６８、および陰極室３０内で発生した水素ガス７８の透過ができないようになっている。このため、電解槽１０では、陽極室２０内で発生した酸素ガス６８と、陰極室３０内で発生した水素ガス７８との混合が隔膜４０により防止されるようになっている。
【００３４】
隔膜４０は、電解液８０、陽極室液８１、および陰極室液８２の透過が可能ものであるため、イオンの選択性のあるイオン交換膜ではなく、水溶液中の電解質および水の透過が可能なものになっている。隔膜４０としては、たとえば、テフロン隔膜が用いられる。
【００３５】
＜陽極室＞
電解槽１０の陽極室２０を構成する陽極室本体２１には、陽極室本体２１の底部に設けられ、電解液８０を陽極室２０内に導入する底部導入部２６と、陽極室本体２１の頂部に設けられ、電解液８０が陽極室２０内で電気分解されることにより生成した陽極室液８１および酸素ガス６８を陽極室２０外に排出する頂部排出部２８とが設けられる。
【００３６】
また、電解槽１０の陽極室２０は、陽極２５が設けられた陽極室中流部分２３と、陽極室中流部分２３よりも陽極室２０の底部導入部２６側に位置する陽極室上流部分２２と、陽極室中流部分２３よりも陽極室２０の頂部排出部２８側に位置する陽極室下流部分２４とを有する。
【００３７】
［陽極室上流部分］
陽極室上流部分２２は、陽極室２０のうち、電解槽１０の陽極室２０に導入された電解液８０の流れを、陽極２５が設けられた陽極室中流部分２３に到達する前に実質的に鉛直上向きになるように整流する部分である。陽極室上流部分２２は、陽極室中流部分２３での電気分解前の電解液８０の助走区間として機能する。
【００３８】
陽極室上流部分２２には、電解液８０の流れを実質的に鉛直上向きに整流するため、電解液８０の流れの方向を任意に制御する整流板２７が配置される。
【００３９】
整流板２７は、電解液８０の流れを、層流、または層流に類似する流れにするとともに、この流れが実質的に鉛直上向きになるように整流するものである。整流板２７としては、公知の手段が用いられ、たとえば、平板状やコルゲート状の金属板を複数枚積層したものが用いられる。
【００４０】
整流板２７は、陽極室２０に導入された電解液８０の流れを実質的に鉛直上向きに整流するものであるが、電解液８０の流れの方向を任意に制御することができるようになっていてもよい。電解液８０の流れの方向を任意に制御する方法としては、整流板２７を可動な状態で設置して、整流板２７の流路の方向を制御する方法が挙げられる。
【００４１】
［陽極室中流部分］
陽極室中流部分２３は、陽極室２０のうち、陽極２５が設けられた部分である。陽極２５は、陽極室本体２１の内壁のうち、隔膜４０と対向しつつ、隔膜４０から離間した部分に設けられる。
【００４２】
陽極２５の材質としては、アルカリ水電解に用いる公知のものが用いられ、特に限定されない。陽極２５の材質としては、たとえば、鉄、鉄系合金、ニッケル、またはニッケル系合金等が用いられる。なお、図２に示す電解槽１０では、陽極２５が１個の例を示したが、本発明のアルカリ水電解装置の電解槽は、陽極２５が複数個設けられていてもよい。
【００４３】
陽極２５と、陰極室３０に設けられた陰極３５との間には、図示しない直流電源から電圧が印加されて、電解槽１０の陽極室２０および陰極室３０内で電解液８０の電気分解が行われる。
【００４４】
直流電源としては、特に限定されないが、たとえば、太陽光、太陽熱、風力等の再生可能エネルギーを用いた発電装置であって、必要により整流等を行い直流の出力を可能としたものが用いられる。
【００４５】
電気分解の際、陽極２５の電流密度は、通常１Ａ／ｃｍ２以下、好ましくは０．１〜１Ａ／ｃｍ２、さらに好ましくは０．２〜０．５Ａ／ｃｍ２とすると、陰極室３０内の陰極３５で水素ガス７８を効率よく製造することができるため望ましい。
【００４６】
［陽極室下流部分］
陽極室下流部分２４は、陽極室２０のうち、陽極２５が設けられた陽極室中流部分２３での電気分解により生成した陽極室液８１および酸素ガス６８が上方に流れる形状に形成された部分である。
【００４７】
陽極室下流部分２４は、電気分解により生成した陽極室液８１および酸素ガス６８を、陽極室２０の上方に設けられた頂部排出部２８にスムーズに導くことにより、陽極室中流部分２３の陽極２５近傍の電解液８０の流れを阻害しないようにするものである。
【００４８】
具体的には、陽極室下流部分２４は、陽極室中流部分２３と頂部排出部２８とを直線的に結ぶ形状に形成されるとともに、陽極室液８１の流れ方向の断面積が陽極室中流部分２３の中頃から頂部排出部２８側に向けて徐々に小さくなるように形成されている。このような形状により、陽極室下流部分２４では、陽極室液８１および酸素ガス６８が、滞留することなく陽極室中流部分２３から頂部排出部２８に向けて上方にスムーズに流れることが可能になっている。
【００４９】
上記構成により、電解槽１０の陽極室２０では、陽極室２０の底部導入部２６から導入された電解液８０が、陽極室２０の頂部排出部２８に向かって陽極室２０内を上方に流れる途中で、陽極２５と陰極３５とで電気分解されて陽極室液８１および酸素ガス６８を生成し、陽極室２０の頂部排出部２８から陽極室液８１および酸素ガス６８がスムーズに排出されるようになっている。
【００５０】
＜陰極室＞
電解槽１０の陰極室３０を構成する陰極室本体３１には、陰極室本体３１の底部に設けられ、電解液８０を陰極室３０内に導入する底部導入部３６と、陰極室本体３１の頂部に設けられ、電解液８０が陰極室３０内で電気分解されることにより生成した陰極室液８２および水素ガス７８を陰極室３０外に排出する頂部排出部３８とが設けられる。
【００５１】
また、電解槽１０の陰極室３０は、陰極３５が設けられた陰極室中流部分３３と、陰極室中流部分３３よりも陰極室３０の底部導入部３６側に位置する陰極室上流部分３２と、陰極室中流部分３３よりも陰極室３０の頂部排出部３８側に位置する陰極室下流部分３４とを有する。
【００５２】
［陰極室上流部分］
陰極室上流部分３２は、陰極室３０のうち、電解槽１０の陰極室３０に導入された電解液８０の流れを、陰極３５が設けられた陰極室中流部分３３に到達する前に実質的に鉛直上向きになるように整流する部分である。陰極室上流部分３２は、陰極室中流部分３３での電気分解前の電解液８０の助走区間として機能する。
【００５３】
陰極室上流部分３２には、電解液８０の流れを実質的に鉛直上向きに整流するため、電解液８０の流れの方向を任意に制御する整流板３７が配置される。陰極室上流部分３２に設けられる整流板３７は、陽極室上流部分２２に設けられる整流板２７と同じ構造を有し、作用も同様であるため、説明を省略する。
【００５４】
［陰極室中流部分］
陰極室中流部分３３は、陰極室３０のうち、陰極３５が設けられた部分である。陰極３５は、陰極室本体３１の内壁のうち、隔膜４０と対向しつつ、隔膜４０から離間した部分に設けられる。陰極室中流部分３３に設けられる陰極３５は、陽極室中流部分２３に設けられる陽極２５と同じ構造を有し、作用も同様であるため、説明を省略する。なお、図２に示す電解槽１０では、陰極３５が１個の例を示したが、本発明のアルカリ水電解装置の電解槽は、陰極３５が複数個設けられていてもよい。
【００５５】
陰極３５と、陽極室２０に設けられた陽極２５との間には、図示しない直流電源から電圧が印加されて、電解槽１０の陽極室２０および陰極室３０内で電解液８０の電気分解が行われる。用いられる直流電源は、陽極室２０に設けられる陽極２５を説明した部分で説明したものと同じであるため、説明を省略する。
【００５６】
電気分解の際、陰極３５の電流密度は、通常１Ａ／ｃｍ２以下、好ましくは０．１〜１Ａ／ｃｍ２、さらに好ましくは０．２〜０．５Ａ／ｃｍ２とすると、水素ガス７８を効率よく製造することができるため望ましい。
【００５７】
［陰極室下流部分］
陰極室下流部分３４は、陰極室３０のうち、陰極３５が設けられた陰極室中流部分３３での電気分解により生成した陰極室液８２および水素ガス７８が上方に流れる形状に形成された部分である。
【００５８】
陰極室下流部分３４は、電気分解により生成した陰極室液８２および水素ガス７８を、陰極室３０の上方に設けられた頂部排出部３８にスムーズに導くことにより、陰極室中流部分３３の陰極３５近傍の電解液８０の流れを阻害しないようにするものである。
【００５９】
具体的には、陰極室下流部分３４は、陰極室中流部分３３と頂部排出部３８とを直線的に結ぶ形状に形成されるとともに、陰極室液８２の流れ方向の断面積が陰極室中流部分３３の中頃から頂部排出部３８側に向けて徐々に小さくなるように形成されている。このような形状により、陰極室下流部分３４では、陰極室液８２および水素ガス７８が、滞留することなく陰極室中流部分３３から頂部排出部３８に向けて上方にスムーズに流れることが可能になっている。
【００６０】
上記構成により、電解槽１０の陰極室３０では、陰極室３０の底部導入部３６から導入された電解液８０が、陰極室３０の頂部排出部３８に向かって陰極室３０内を上方に流れる途中で、陽極２５と陰極３５とで電気分解されて陰極室液８２および水素ガス７８を生成し、陰極室３０の頂部排出部３８から陰極室液８２および水素ガス７８がスムーズに排出されるようになっている。
【００６１】
（電解液）
アルカリ水電解装置１で電気分解に用いられる電解液８０は、アルカリ性の水溶液である。電解液８０の密度は、電解液８０中のカチオンの種類または濃度を調整することにより制御される。
【００６２】
電解液８０は、電解質として水酸化カリウムＫＯＨを含むと、水の電気分解の電解効率が高いため好ましい。また、電解液８０は、ＫＯＨの濃度が４〜７ｍｏｌ／ｋｇ、好ましくは５〜７ｍｏｌ／ｋｇであると、水の電気分解の電解効率が高いため望ましい。
【００６３】
電解液８０は、電解質として、ＫＯＨとＫＯＨ以外のアルカリ金属水酸化物とを含むと、電解液８０の密度が大きくなる、電気伝導率が高くなる等の作用により、水の電気分解の電解効率が高くなるため好ましい。ここで、アルカリ金属とは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、およびＦｒを意味する。
【００６４】
ＫＯＨ以外のアルカリ金属水酸化物としては、たとえば、ＲｂＯＨおよびＣｓＯＨから選ばれる少なくとも１種が用いられる。電解液８０が、ＫＯＨに加えてＲｂＯＨやＣｓＯＨを含むと、電解液８０の密度がより大きくなる、電気伝導率がより高くなる等の作用により、水の電気分解の電解効率がより高くなるため好ましい。
【００６５】
また、電解液８０は、アルカリ金属の濃度が３〜８ｍｏｌ／ｋｇであると、水の電気分解の電解効率が高いため好ましい。ここで、アルカリ金属の濃度とは、ＫＯＨを含む全てのアルカリ金属水酸化物を構成するアルカリ金属の濃度を意味する。
【００６６】
電解液８０は、アルカリ金属水酸化物の含有量に対するＫＯＨの含有量の割合が、通常８０〜１００質量％、好ましくは８０〜９０質量％の範囲内にあると、水の電気分解の電解効率が高いため望ましい。
【００６７】
電解液８０は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、好ましくは１４〜１５、さらに好ましくは１４．５〜１５である。
【００６８】
電解液８０の２７℃で測定したｐＨが１４以上であると、電解液８０の電気伝導率が高いことから水の電気分解の電解効率が高くなるため好ましい。
【００６９】
また、電解液８０は、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、好ましくは０．２５〜０．５Ｓ／ｃｍ、さらに好ましくは０．３〜０．５Ｓ／ｃｍである。
【００７０】
電解液８０の２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上であると、電解液８０の電気分解の電解効率が高くなるため好ましい。
【００７１】
さらに、電解液８０は、密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上、好ましくは１．２５〜１．５ｋｇ／ｍ３、さらに好ましくは１．３５〜１．５ｋｇ／ｍ３である。ここで、密度とは、２７℃で測定した密度を意味する。
【００７２】
電解液８０の密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上であると、電解液８０の電気分解により生成する酸素ガス６８、水素ガス７８等からなる気泡と、電解液８０、陽極室液８１、または陰極室液８２等の液体との密度差が大きくなり、気泡の上昇速度が高くなることにより、電解槽１０内での気泡の滞留を防ぎ水の電気分解の効率を高めることができるため好ましい。
【００７３】
ここで、電解液８０の密度が高くなると電解液８０中の気泡の上昇速度が高くなることについて説明する。また、電解液８０に流れがある場合において、気泡の上昇速度をさらに高くする方法についても検討する。
【００７４】
はじめに、電解槽１０内で電解液８０の流れが存在しない場合の気泡の上昇速度、すなわち、気泡の浮力による気泡の上昇速度ｖｆを算出する。気泡の浮力による気泡の上昇速度ｖｆは下記式（１）で表される。なお、下記式（１）の浮力Ｆは、下記式（２）を用いて算出される。
【００７５】
【数１】
【００７６】
【数２】
【００７７】
式（１）および（２）より、電解液８０の密度ρｌを大きくして、電解液８０の密度ρｌと気泡を構成する気体ρｇとの密度差を大きくすると、気泡の上昇速度ｖｆが大きくなることが分かる。
【００７８】
図３は、電解液密度と気泡上昇速度との関係を示すグラフである。図３は、アルカリ性電解液の電気分解時に発生する気泡の上昇速度を示したものであり、具体的には、気体体積（気泡体積）Ｖ、気泡の質量ｍ、および気体密度（気泡密度）ρｇが同一の気泡が、種々の液体密度ρｌの電解液中で上昇するときの気泡の上昇速度ｖｆを、式（１）および（２）より算出したものである。なお、図３において、気泡上昇速度は、電解液密度増加率が０％である基準電解液での気泡上昇速度を１としたときの、相対値として示した。図３より、電解液密度が上昇すると、気泡上昇速度も上昇することが分かる。
【００７９】
次に、電解槽１０内で電解液８０の流れが存在する場合の気泡の上昇速度、すなわち、気泡の浮力と電解液８０の流れの両方を考慮した電解液流動下の気泡の上昇速度ｖＴについて検討する。電解液流動下の気泡の上昇速度ｖＴは下記式（３）で表される。なお、電解液の流速ｖｌは、電解液が気泡の上昇方向に流れる場合に正の値を採るものとした。
【００８０】
【数３】
【００８１】
式（３）より、電解液８０の流れ方向と気泡の上昇方向とが一致すると、気泡の上昇速度が高くなることが分かる。
【００８２】
したがって、式（１）〜（３）より、電解液８０の密度を高くして気泡の上昇速度を高くするとともに、電解液８０の流れ方向と気泡の上昇方向とを一致させると、気泡の滞留を防ぐ特殊な形状の電解槽１０を用いずに、電気伝導度の高い電解液８０を用いて水の電気分解を行った場合でも、水の電気分解で生成する酸素ガス６８、水素ガス７８等からなる気泡が、電解槽１０内に滞留することを防止できることが分かる。
【００８３】
（作用）
アルカリ水電解装置１の作用について説明する。はじめに、電解液タンク５０中の電解液８０を、陽極室電解液供給系統６１に設けられた送液ポンプ６４を用いて電解槽１０の陽極室２０に導入するとともに、陰極室電解液供給系統７１に設けられた送液ポンプ７４を用いて電解槽１０の陰極室３０に導入する。
【００８４】
陽極室２０に導入される電解液８０の流量は、陽極室電解液供給系統６１に設けられた流量計６５で測定され、陽極室電解液供給系統６１に設けられた図示しないバルブ等を用いて調整される。陰極室３０に導入される電解液８０の流量は、陰極室電解液供給系統７１に設けられた流量計７５で測定され、陰極室電解液供給系統７１に設けられた図示しないバルブ等を用いて調整される。
【００８５】
＜陽極室における作用＞
次に、電解液８０が電解槽１０の陽極室２０に導入される場合の作用について説明する。電解液８０が電解槽１０の陽極室２０に導入される場合、電解液８０は、電解槽１０の陽極室２０の底部に設けられた底部導入部２６を介して、陽極室２０の陽極室上流部分２２に導入される。図２に示すように、電解液８０は、底部導入部２６の下方から上方に向かって陽極室上流部分２２に導入される。
【００８６】
陽極室上流部分２２の鉛直上方には陽極室中流部分２３が設けられ、陽極室中流部分２３の鉛直上方には陽極室下流部分２４が設けられ、陽極室下流部分２４の鉛直上方には頂部排出部２８が設けられる。このため、底部導入部２６を介して陽極室２０内に導入された電解液８０は、陽極室２０内を上方に流れ、途中で電気分解されて陽極室液８１になった後、頂部排出部２８の上方からから排出されるようになっている。
【００８７】
また、陽極室上流部分２２内には、電解液８０の流れの方向を任意に制御する整流板２７が配置されている。このため、陽極室２０の陽極室上流部分２２内の電解液８０の流れは整流されるとともに流れの方向が任意の方向に制御されるようになっている。図２に示す電解槽１０では、整流板２７は、陽極室上流部分２２内の電解液８０の流れの方向が図２中の下方から上方に向かうように制御されている。陽極室上流部分２２内の整流板２７で整流された電解液８０は、整流された状態で、陽極室中流部分２３に送られる。
【００８８】
陽極室中流部分２３において、電解液８０は、陽極室中流部分２３に設けられた陽極２５と、陰極室３０の陰極室中流部分３３に設けられた陰極３５とにより電気分解され、陽極室液８１および酸素ガス６８を生成する。
【００８９】
なお、陽極室２０と陰極室３０とは隔膜４０で区画されており、酸素ガス６８等からなる気泡は隔膜４０を透過できないため、陽極室２０内で生成した酸素ガス６８は、陰極室３０側には侵入せず、陽極室液８１とともに陽極室２０内を上昇して陽極室下流部分２４に送られる。
【００９０】
陽極室下流部分２４は、陽極室液８１および酸素ガス６８がスムーズに上方に流れる形状に形成されることにより、陽極室中流部分２３での電解液８０の流れを阻害しないようになっている。陽極室下流部分２４中の陽極室液８１および酸素ガス６８は、陽極室２０の頂部排出部２８から、頂部排出部２８の上方にある陽極室液循環系統６３にスムーズに排出される。
【００９１】
電解槽１０の陽極室２０から、陽極室２０の上方の陽極室液循環系統６３に排出された陽極室液８１および酸素ガス６８は、陽極室液循環系統６３の途中に設けられた陽極室液気液分離器６６により、陽極室液８１と酸素ガス６８とに分離される。
【００９２】
陽極室液気液分離器６６により陽極室液８１から分離された酸素ガス６８は、酸素ガス系統６７を流通して、図示しない酸素ガス貯蔵系に送られ、貯蔵される。このように、アルカリ水電解装置１によれば、陽極室２０での電解により酸素ガス６８を製造することができる。
【００９３】
一方、陽極室液気液分離器６６により酸素ガス６８から分離された陽極室液８１は、陽極室液循環系統６３を流通して電解液タンク５０に送られる。これにより、アルカリ水電解装置１において、電解液タンク５０から電解槽１０の陽極室２０に送られた電解液８０が、電気分解されて陽極室液８１となった後、電解液タンク５０に戻ってくる、陽極室２０を経由した電解液８０の循環サイクルが形成される。
【００９４】
電解液タンク５０では、陽極室液循環系統６３を流通して戻ってきた陽極室液８１と、陰極室液循環系統７３を流通して戻ってきた陰極室液８２とが混合された上、適宜、電解質の補給等が行われることにより電解槽１０に導入可能な電解液８０が調製される。
【００９５】
送液ポンプ６４は、電解槽１０での電気分解による電解液８０の消費量以上の量の電解液を電解液タンク５０から電解槽１０に供給することにより、陽極室２０を経由する電解液８０の循環サイクルが、一定流量の電解液８０を流通できるようにする。
【００９６】
＜陰極室における作用＞
次に、電解液８０が電解槽１０の陰極室３０に導入される場合の作用について説明する。なお、陰極室３０に導入される電解液８０は、陽極室２０に導入される電解液８０と同様に、陰極室３０内を上方に流れ、陰極室液８２になった後、頂部排出部３８から排出されるようになっている。また、陰極室３０内の構成と陽極室２０内の構成とは、陰極３５と陽極２５との相違点以外は同じである。このため、陰極室３０に電解液８０が導入される場合の作用と、陽極室２０に電解液８０が導入される場合の作用とは、電解液８０が電気分解される際の作用以外は同様である。しかし、説明の省略による誤解を防ぐため、陰極室３０に電解液８０が導入される場合の作用についても、陽極室２０に電解液８０が導入される場合の作用と同様に説明する。
【００９７】
電解液８０が電解槽１０の陰極室３０に導入される場合、電解液８０は、電解槽１０の陰極室３０の底部に設けられた底部導入部３６を介して、陰極室３０の陰極室上流部分３２に導入される。図２に示すように、電解液８０は、底部導入部３６の下方から上方に向かって陰極室上流部分３２に導入される。
【００９８】
陰極室上流部分３２の鉛直上方には陰極室中流部分３３が設けられ、陰極室中流部分３３の鉛直上方には陰極室下流部分３４が設けられ、陰極室下流部分３４の鉛直上方には頂部排出部３８が設けられる。このため、底部導入部３６を介して陰極室３０内に導入された電解液８０は、陰極室３０内を上方に流れ、途中で電気分解されて陰極室液８２になった後、頂部排出部３８の上方からから排出されるようになっている。
【００９９】
また、陰極室上流部分３２内には、電解液８０の流れの方向を任意に制御する整流板３７が配置されている。このため、陰極室３０の陰極室上流部分３２内の電解液８０の流れは整流されるとともに流れの方向が任意の方向に制御されるようになっている。図２に示す電解槽１０では、整流板３７は、陰極室上流部分３２内の電解液８０の流れの方向が図２中の下方から上方に向かうように制御されている。陰極室上流部分３２内の整流板３７で整流された電解液８０は、整流された状態で、陰極室中流部分３３に送られる。
【０１００】
陰極室中流部分３３において、電解液８０は、陰極室中流部分３３に設けられた陰極３５と、陽極室２０の陽極室中流部分２３に設けられた陽極２５とにより電気分解され、陰極室液８２および水素ガス７８を生成する。
【０１０１】
なお、陰極室３０と陽極室２０とは隔膜４０で区画されており、水素ガス７８等からなる気泡は隔膜４０を透過できないため、陰極室３０内で生成した水素ガス７８は、陽極室２０側には侵入せず、陰極室液８２とともに陰極室３０内を上昇して陰極室下流部分３４に送られる。
【０１０２】
陰極室下流部分３４は、陰極室液８２および水素ガス７８がスムーズに上方に流れる形状に形成されることにより、陰極室中流部分３３での電解液８０の流れを阻害しないようになっている。陰極室下流部分３４中の陰極室液８２および水素ガス７８は、陰極室３０の頂部排出部３８から、頂部排出部３８の上方にある陰極室液循環系統７３にスムーズに排出される。
【０１０３】
電解槽１０の陰極室３０から、陰極室３０の上方の陰極室液循環系統７３に排出された陰極室液８２および水素ガス７８は、陰極室液循環系統７３の途中に設けられた陰極室液気液分離器７６により、陰極室液８２と水素ガス７８とに分離される。
【０１０４】
陰極室液気液分離器７６により陰極室液８２から分離された水素ガス７８は、水素ガス系統７７を流通して、図示しない水素ガス貯蔵系に送られ、貯蔵される。このように、アルカリ水電解装置１によれば、陰極室３０での電解により水素ガス７８を製造することができる。
【０１０５】
一方、陰極室液気液分離器７６により水素ガス７８から分離された陰極室液８２は、陰極室液循環系統７３を流通して電解液タンク５０に送られる。これにより、アルカリ水電解装置１において、電解液タンク５０から電解槽１０の陰極室３０に送られた電解液８０が、電気分解されて陰極室液８２となった後、電解液タンク５０に戻ってくる、陰極室３０を経由した電解液８０の循環サイクルが形成される。
【０１０６】
電解液タンク５０では、陰極室液循環系統７３を流通して戻ってきた陰極室液８２と、陽極室液循環系統６３を流通して戻ってきた陽極室液８１とが混合された上、適宜、電解質の補給等が行われることにより電解槽１０に導入可能な電解液８０が調製される。
【０１０７】
送液ポンプ７４は、電解槽１０での電気分解による電解液８０の消費量以上の量の電解液を電解液タンク５０から電解槽１０に供給することにより、陰極室３０を経由する電解液８０の循環サイクルが、一定流量の電解液８０を流通できるようにする。
【０１０８】
（効果）
アルカリ水電解装置１によれば、電解槽１０内での気泡の滞留を防ぎ水の電気分解の電解効率を高めることができる。
【０１０９】
アルカリ水電解装置１によれば、電解槽１０内での気泡の滞留を防ぎ水の電気分解の効率を高めることができるため、水の電気分解のために入力される電流が再生可能エネルギーを用いた発電等のために変動する場合でも、水の電気分解の効率的な運転が可能になる。
【０１１０】
なお、図１には、アルカリ水電解装置１として、電解槽１０を１個備える例を示した。しかし、本発明のアルカリ水電解装置では、電解槽１０を複数個備えてもよい。アルカリ水電解装置が電解槽１０を複数個備える場合、複数個の電解槽１０は、直列、並列、または直列と並列を組み合わせた配置とすることができる。
【０１１１】
ここで、複数個の電解槽１０の直列な配置とは、ｎ個目の電解槽１０の陽極室２０から排出された陽極室液８１がｎ＋１個目の電解槽１０の陽極室２０に導入されるとともに、ｎ個目の電解槽１０の陰極室３０から排出された陰極室液８２がｎ＋１個目の電解槽１０の陰極室３０に導入される配置を意味する。
【０１１２】
また、複数個の電解槽１０の並列な配置とは、複数個の電解槽１０の陽極室２０のそれぞれについて、電解液８０が導入され陽極室液８１が排出されるとともに、複数個の電解槽１０の陰極室３０のそれぞれについて、電解液８０が導入され陰極室液８２が排出される配置を意味する。
【０１１３】
本発明のアルカリ水電解装置において、電解槽１０を複数個備え、かつ電解槽１０を直列、並列、または直列と並列を組み合わせた配置とすることにより、電気分解のための電流または電圧の設定の自由度が高くなるため好ましい。
【０１１４】
また、本発明のアルカリ水電解装置では、電解槽１０の陽極２５と陰極３５との間に供給される電力、電流、電圧を適宜設定することができる。
【実施例】
【０１１５】
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではない。
【０１１６】
［実施例１］
（電解液のＫ＋濃度と電気伝導率との関係の測定）
純水に関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）を溶解し、Ｋ＋のモル重量濃度が３．０〜８．６ｍｏｌ／ｋｇの電解液を４種類調製した。なお、Ｋ＋のモル重量濃度は、ＫＯＨとのモル重量濃度と同じ数値である。
４種類の電解液について、電気伝導率を測定した。測定結果を図４に示す。
図４より、Ｋ＋が３〜８ｍｏｌ／ｋｇ程度、特に４〜７ｍｏｌ／ｋｇ程度の範囲内で、電解液の電気伝導率が高いことが分かる。
【０１１７】
［実施例２］
（電解液におけるＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電気伝導率との関係の測定）
純水に、関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）と、Ａｌｆａ Ａｅａｓｅｒ製５０％水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）水溶液とを溶解し、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇ、かつＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率｛Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）｝が０．８０〜０．９１の電解液を３種類調製した。
３種類の電解液について、電気伝導率を測定した。測定結果を図５に示す。
図５より、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇの場合は、Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が０．８５を超える範囲で、電解液の電気伝導率が高くなることが分かる。
【０１１８】
［実施例３］
（電解液のＫＯＨ濃度と電解液密度との関係の測定）
純水に、関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）を溶解し、ＫＯＨのモル重量濃度が０〜７ｍｏｌ／ｋｇの電解液を５種類調製した。
５種類の電解液について、密度を測定した。測定結果を図６に示す。
図６より、ＫＯＨ濃度が大きくなるほど電解液の密度が大きくなることが分かる。
【０１１９】
［実施例４］
（電解液におけるＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電解液密度との関係の測定）
純水に、関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）と、Ａｌｆａ Ａｅａｓｅｒ製５０％水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）水溶液とを溶解し、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇ、かつＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率｛Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）｝が０．８０〜０．９１の電解液を３種類調製した。
３種類の電解液について、密度を測定した。測定結果を図７に示す。
図７より、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇの場合は、Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が小さくなるほど、電解液の密度が大きくなることが分かる。
【０１２０】
［実施例５］
（電解液におけるＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率と、電気伝導率との関係の測定）
純水に、関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）と、Ａｌｆａ Ａｅａｓｅｒ製５０％水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）水溶液とを溶解し、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇ、かつＫ＋およびＣｓ＋の濃度の比率Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が０．８〜１の電解液を３種類調製した。
３種類の電解液について、電気伝導率を測定した。測定結果を図８に示す。なお、図８の電気伝導率は、Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が１である基準電解液での電気伝導率を１としたときの、相対値として示した。
図８より、Ｋ＋およびＣｓ＋の合計モル量のモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇの場合は、Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が１から０．８に近づくほど、すなわち、電解液がＫＯＨのみでなく、ＫＯＨおよびＣｓＯＨを含むようになると、電解液の電気伝導率が高くなることが分かる。
【０１２１】
実施例１〜５の結果より、電解液が、電解質としてＫＯＨのみを含む場合に比べて、ＫＯＨおよびＣｓＯＨを含む場合は、電解効率が改善されることが分かった。
また、電解質がＫＯＨおよびＣｓＯＨを含む場合でも、ＫＯＨとＣｓＯＨとの混合割合によって電解効率の改善の効果が異なり、Ｋ＋／（Ｋ＋＋Ｃｓ＋）が０．８のときに、電解効率の改善の効果が最も高いことが分かった。
【０１２２】
［実施例６］
（電解液の流量と電解効率との関係の測定）
純水に、関東化学株式会社製４８％水酸化カリウム水溶液（鹿特級）を溶解し、ＫＯＨのモル重量濃度が６ｍｏｌ／ｋｇの電解液を調製した。
この電解液を、図１に示すアルカリ水電解装置１の電解槽１０に導入し、電解槽１０の陽極室２０および陰極室３０に導入される電解液の合計の流量が０ｍｌ／ｍｉｎ、２１０ｍｌ／ｍｉｎ、および８３０ｍｌ／ｍｉｎになる場合の電解液の電気伝導率を測定した。陽極室２０および陰極室３０のそれぞれに導入される電解液の流量は、上記流量の半分の０ｍｌ／ｍｉｎ、１０５ｍｌ／ｍｉｎ、および４１５ｍｌ／ｍｉｎである。
ここで、電解液の流量（ｍｌ／ｍｉｎ）は、流量計６５、７５で測定される値ではなく、電解槽１０内の電解液を適宜、断続的に置換する場合の全置換量を時間で除して算出したものである。具体的には、電解液の流量（ｍｌ／ｍｉｎ）は、電解液の電気分解に適した組成の好適な範囲を予め設定しておき、電解液の組成がこの好適な範囲を逸脱しないように、電解槽１０内の電解液を断続的に置換した場合の電解液の全置換量を時間で除して算出した。
測定結果を図９に示す。なお、図９では、縦軸として電解効率を用いた。この電解効率は、電解液流量が０ｍｌ／ｍｉｎ、２１０ｍｌ／ｍｉｎ、および８３０ｍｌ／ｍｉｎのときの電気伝導率の値のそれぞれを、電解液流量が０ｍｌ／ｍｉｎのときの電気伝導率の値で除したものである。このため、電解液流量が０ｍｌ／ｍｉｎでは、電解効率の値が１になっている。
図９より、電解液の電解効率は、電解液流量が大きくなるほど高くなることが分かる。また、陽極２５および陰極３５に供給する電力を変えて同様の実験を行ったところ、供給する電力の大小に関わらず、同様に、電解液流量が大きくなるほど電解効率が高くなることが分かった。
【０１２３】
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、例として提示したものであり、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】
【０１２４】
１ アルカリ水電解装置
１０ 電解槽
２０ 陽極室
２１ 陽極室本体
２２ 陽極室上流部分
２３ 陽極室中流部分
２４ 陽極室下流部分
２５ 陽極
２６ 底部導入部
２７ 整流板
２８ 頂部排出部
３０ 陰極室
３１ 陰極室本体
３２ 陰極室上流部分
３３ 陰極室中流部分
３４ 陰極室下流部分
３５ 陰極
３６ 底部導入部
３７ 整流板
３８ 頂部排出部
４０ 隔膜
５０ 電解液タンク
６１ 陽極室電解液供給系統
６２ 陽極室液排出系統
６３ 陽極室液循環系統
６４ 送液ポンプ
６５ 流量計
６６ 陽極室液気液分離器
６７ 酸素ガス系統
６８ 酸素ガス（酸素）
７１ 陰極室電解液供給系統
７２ 陰極室液排出系統
７３ 陰極室液循環系統
７４ 送液ポンプ
７５ 流量計
７６ 陰極室液気液分離器
７７ 水素ガス系統
７８ 水素ガス（水素）
８０ 電解液
８１ 陽極室液
８２ 陰極室液
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極が配置された陽極室と、陰極が配置された陰極室と、この陽極室と陰極室とを区画する隔膜とを有し、塩基性水溶液からなる電解液を電気分解して水素を製造する電解槽を備えたアルカリ水電解装置であって、
前記電解槽は、前記陽極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陽極室の頂部排出部に向かって前記陽極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陽極室液および酸素ガスを生成し、前記陽極室の頂部排出部から前記陽極室液および酸素ガスが排出されるとともに、前記陰極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陰極室の頂部排出部に向かって前記陰極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陰極室液および水素ガスを生成し、前記陰極室の頂部排出部から前記陰極室液および水素ガスが排出される構造であり、
前記電解液は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、かつ密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上であることを特徴とするアルカリ水電解装置。
【請求項２】
前記電解槽の陽極室は、前記陽極が設けられた陽極室中流部分と、この陽極室中流部分よりも陽極室の底部導入部側に位置する陽極室上流部分と、前記陽極室中流部分よりも陽極室の頂部排出部側に位置する陽極室下流部分とを有し、
記電解槽の陰極室は、前記陰極が設けられた陰極室中流部分と、この陰極室中流部分よりも陰極室の底部導入部側に位置する陰極室上流部分と、前記陰極室中流部分よりも陰極室の頂部排出部側に位置する陰極室下流部分とを有し、
前記陽極室の陽極室上流部分および陰極室の陰極室上流部分には、前記電解液の流れの方向を任意に制御する整流板が配置され、
前記陽極室の陽極室下流部分は、前記陽極室液および酸素ガスが上方に流れる形状に形成され、
前記陰極室の陰極室下流部分は、前記陰極室液および水素ガスが上方に流れる形状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項３】
前記電解槽の陽極室から排出された前記陽極室液と酸素ガスとを分離する陽極室液気液分離器と、
前記電解槽の陰極室から排出された前記陰極室液と水素ガスとを分離する陰極室液気液分離器とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項４】
前記電解槽に供給する電解液を貯留する電解液タンクと、
前記電解液タンク中の前記電解液を前記電解槽の陽極室と陰極室とに移送する送液ポンプと、
前記電解槽の陽極室から排出された陽極室液を前記電解液タンクに移送する陽極室液循環系統と、
前記電解槽の陰極室から排出された陰極室液を前記電解液タンクに移送する陰極室液循環系統とを備え、
前記陽極室液気液分離器は、前記陽極室液循環系統の途中に設けられ、
前記陰極室液気液分離器は、前記陰極室液循環系統の途中に設けられることを特徴とする請求項３に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項５】
前記電解液の密度は、電解液中のカチオンの種類または濃度を調整することにより制御されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項６】
前記電解液は、ＫＯＨを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項７】
前記電解液は、ＫＯＨとＫＯＨ以外のアルカリ金属水酸化物とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項８】
前記ＫＯＨ以外のアルカリ金属水酸化物は、ＲｂＯＨおよびＣｓＯＨから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項７に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項９】
前記電解液は、ＫＯＨの濃度が４〜７ｍｏｌ／ｋｇであることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項１０】
前記電解液は、アルカリ金属水酸化物の含有量に対するＫＯＨの含有量の割合が、８０〜１００質量％の範囲内にあることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項１１】
前記電解液は、前記アルカリ金属の濃度が３〜８ｍｏｌ／ｋｇであることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項１２】
前記送液ポンプは、前記電気分解による前記電解液の消費量以上の量の電解液を前記電解液タンクから前記電解槽に供給することができることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項１３】
陽極が配置された陽極室と、陰極が配置された陰極室と、この陽極室と陰極室とを区画する隔膜とを有し、塩基性水溶液からなる電解液を電気分解して水素を製造する電解槽、を備えたアルカリ水電解装置を用いるアルカリ水電解方法であって、
前記電解槽は、前記陽極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陽極室の頂部排出部に向かって前記陽極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陽極室液と酸素ガスとを生成し、前記陽極室の頂部排出部から前記陽極室液と酸素ガスとが排出されるとともに、前記陰極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陰極室の頂部排出部に向かって前記陰極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陰極室液と水素ガスとを生成し、前記陰極室の頂部排出部から前記陰極室液と水素ガスとが排出される構造であり、
前記電解液は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、かつ密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上であることを特徴とするアルカリ水電解方法。
【請求項１】
陽極が配置された陽極室と、陰極が配置された陰極室と、この陽極室と陰極室とを区画する隔膜とを有し、塩基性水溶液からなる電解液を電気分解して水素を製造する電解槽を備えたアルカリ水電解装置であって、
前記電解槽は、前記陽極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陽極室の頂部排出部に向かって前記陽極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陽極室液および酸素ガスを生成し、前記陽極室の頂部排出部から前記陽極室液および酸素ガスが排出されるとともに、前記陰極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陰極室の頂部排出部に向かって前記陰極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陰極室液および水素ガスを生成し、前記陰極室の頂部排出部から前記陰極室液および水素ガスが排出される構造であり、
前記電解液は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、かつ密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上であることを特徴とするアルカリ水電解装置。
【請求項２】
前記電解槽の陽極室は、前記陽極が設けられた陽極室中流部分と、この陽極室中流部分よりも陽極室の底部導入部側に位置する陽極室上流部分と、前記陽極室中流部分よりも陽極室の頂部排出部側に位置する陽極室下流部分とを有し、
記電解槽の陰極室は、前記陰極が設けられた陰極室中流部分と、この陰極室中流部分よりも陰極室の底部導入部側に位置する陰極室上流部分と、前記陰極室中流部分よりも陰極室の頂部排出部側に位置する陰極室下流部分とを有し、
前記陽極室の陽極室上流部分および陰極室の陰極室上流部分には、前記電解液の流れの方向を任意に制御する整流板が配置され、
前記陽極室の陽極室下流部分は、前記陽極室液および酸素ガスが上方に流れる形状に形成され、
前記陰極室の陰極室下流部分は、前記陰極室液および水素ガスが上方に流れる形状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項３】
前記電解槽の陽極室から排出された前記陽極室液と酸素ガスとを分離する陽極室液気液分離器と、
前記電解槽の陰極室から排出された前記陰極室液と水素ガスとを分離する陰極室液気液分離器とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項４】
前記電解槽に供給する電解液を貯留する電解液タンクと、
前記電解液タンク中の前記電解液を前記電解槽の陽極室と陰極室とに移送する送液ポンプと、
前記電解槽の陽極室から排出された陽極室液を前記電解液タンクに移送する陽極室液循環系統と、
前記電解槽の陰極室から排出された陰極室液を前記電解液タンクに移送する陰極室液循環系統とを備え、
前記陽極室液気液分離器は、前記陽極室液循環系統の途中に設けられ、
前記陰極室液気液分離器は、前記陰極室液循環系統の途中に設けられることを特徴とする請求項３に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項５】
前記電解液の密度は、電解液中のカチオンの種類または濃度を調整することにより制御されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項６】
前記電解液は、ＫＯＨを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項７】
前記電解液は、ＫＯＨとＫＯＨ以外のアルカリ金属水酸化物とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項８】
前記ＫＯＨ以外のアルカリ金属水酸化物は、ＲｂＯＨおよびＣｓＯＨから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項７に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項９】
前記電解液は、ＫＯＨの濃度が４〜７ｍｏｌ／ｋｇであることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項１０】
前記電解液は、アルカリ金属水酸化物の含有量に対するＫＯＨの含有量の割合が、８０〜１００質量％の範囲内にあることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項１１】
前記電解液は、前記アルカリ金属の濃度が３〜８ｍｏｌ／ｋｇであることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項１２】
前記送液ポンプは、前記電気分解による前記電解液の消費量以上の量の電解液を前記電解液タンクから前記電解槽に供給することができることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置。
【請求項１３】
陽極が配置された陽極室と、陰極が配置された陰極室と、この陽極室と陰極室とを区画する隔膜とを有し、塩基性水溶液からなる電解液を電気分解して水素を製造する電解槽、を備えたアルカリ水電解装置を用いるアルカリ水電解方法であって、
前記電解槽は、前記陽極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陽極室の頂部排出部に向かって前記陽極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陽極室液と酸素ガスとを生成し、前記陽極室の頂部排出部から前記陽極室液と酸素ガスとが排出されるとともに、前記陰極室の底部導入部から導入された前記電解液が、前記陰極室の頂部排出部に向かって前記陰極室内を上方に流れる途中で前記陽極と前記陰極とで電気分解されて陰極室液と水素ガスとを生成し、前記陰極室の頂部排出部から前記陰極室液と水素ガスとが排出される構造であり、
前記電解液は、２７℃で測定したｐＨが１４以上、２７℃で測定した電気伝導率が０．２５Ｓ／ｃｍ以上、かつ密度が１．２５ｋｇ／ｍ３以上であることを特徴とするアルカリ水電解方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２８８２２（Ｐ２０１３−２８８２２Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３４８９（Ｐ２０１１−１６３４８９）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]