JP2012255200A - 電解装置及び電解方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解反応時に発生する気泡による電解電圧の増大、電解効率の低下を抑制する電解装置を提供する。
【解決手段】電解槽１内に設けられた電気絶縁性の隔膜４と、前記隔膜４から所定の間隙を介して配置された陰極２及び陽極３と、電解槽側部１ｃと前記陰極２及び陽極３との間にそれぞれ形成された陰極室７及び陽極室８と、電解槽底部１ａに設けられ前記間隙に電解液６を供給する電解液入口９ａと、電解槽上部１ｂに設けられ前記間隙から電解液６を排出する電解液上部出口１０ａと、前記電解槽底部１ａに設けられ前記陰極室７及び陽極室８にそれぞれ電解液６を供給する電解液入口９ｂと、前記電解槽上部１ｂに設けられ前記陰極室７及び陽極室８からそれぞれ電解液を排出する電解液上部出口１０ｂと、を有する電解装置であって、前記間隙に接する電解槽側部１ｃと前記陰極室７及び陽極室８に接する電解槽側部１ｃにそれぞれ少なくとも一つの電解液側部出口１１ａ、１１ｂを設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はアルカリ水を用いた電解装置及び電解方法に関する。

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。

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、近年、アルカリ水を用いた電解装置が用いられるようになり、今後さらなる需要の増加が見込まれている。

このアルカリ水を用いた電解装置は、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、水の電気分解を行って得た水素を電力源として貯蔵し、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。

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。

従来のアルカリ水を用いた電解装置を図８に示す。図８において、電解槽１内に設置された隔膜４に近接して陰極２及び陽極３が配置され、陰極室７、陽極室８が形成されている。この陰極２及び陽極３間には電源５が接続されている。また、電解槽１には電解液入口９と電解液上部出口１０が配置され、電解液６は下から上へ流れる構成となっている。

陰極２及び陽極３間に電源５から所定の電圧が印加されると、陰極２及び陽極３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： ２Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２ ＋ ２ＯＨ⁻
陽極： ２ＯＨ⁻ → １/２Ｏ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻

電解反応で発生した酸素及び水素はそれぞれ電解液と共に電解液上部出口１０から外部へ排出され、必要に応じて貯蔵される。特に、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。

一方、電解液の電気抵抗は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うことにより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、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、こ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。

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。

特開２００９−１４９９３２号公報 特開２００９−２４２９２２号公報

図８に示す従来の電解装置においては、電解反応時には水素及び酸素からなる気泡が生じ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することにより、電解装置の電解電圧が増大し電解効率を低下させるという課題があった。

また、基本的に電極の背面から電解液を下から上に流す構成を基本構成としていたので、電解反応により上記陰極と上記陽極で発生した気泡は電極表面に多量に付着して、電極の有効面積を減少させる又は気泡が隔膜に付着する等により、電解電圧が増大し電解効率が低下するという課題があった。

また、特許文献１及び２には電解効率を高める提案がなされているが、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。

さらに、電解液中の気泡は垂直方向へ上昇するため電解槽上部の見かけの電解液密度は下端に比べ低くなる。このため電流量や電解槽の縦方向サイズが大きくなると電解槽上部の気泡量が増え電解電圧が増大し電解効率を低下させてしまうという課題も生じていた。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、電解反応時に発生する気泡による電解電圧の増大及び電解効率の低下を抑制することができる電解装置を及び電解方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電解装置は、電解槽内に設けられた電気絶縁性の隔膜と、前記隔膜から所定の間隙を介して配置された陰極及び陽極と、電解槽側部と前記陰極及び陽極との間にそれぞれ形成された陰極室及び陽極室と、電解槽底部に設けられ前記間隙に電解液を供給する電解液入口と、電解槽上部に設けられ前記間隙から電解液を排出する電解液上部出口と、前記電解槽底部に設けられ前記陰極室及び陽極室にそれぞれ電解液を供給する電解液入口と、前記電解槽上部に設けられ前記陰極室及び陽極室からそれぞれ電解液を排出する電解液上部出口と、を有する電解装置であって、前記間隙に接する電解槽側部と前記陰極室及び陽極室に接する電解槽側部にそれぞれ少なくとも一つの電解液側部出口を設けたことを特徴とする。

また、本発明に係る電解方法は、電解槽内に設けられた電気絶縁性の隔膜と、前記隔膜から所定の間隙を介して配置された陰極及び陽極と、電解槽側部と前記陰極及び陽極との間にそれぞれ形成された陰極室及び陽極室と、を有する電解装置の電解方法において、電解槽底部に設けた電解液入口から流入する電解液を、電解槽上部に設けた電解液上部出口及び電解槽側部に設けた電解液側部出口から排出することを特徴とする。

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の増大及び電解効率の低下を抑制することができる。

第１の実施形態に係る電解装置の縦断面図。 図１の電解装置のＡ−Ａ線平断面図。 第２の実施形態に係る電解装置の縦断面図。 第２の実施形態の変形例に係る電解装置の縦断面図。 第３の実施形態に係る電解装置の縦断面図。 第４の実施形態に係る電解装置の縦断面図。 第５の実施形態に係る電解装置の縦断面図。 従来の電解装置の縦断面図。

以下、本発明に係る電解装置及び電解方法の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、上記した従来技術と同じ構成については、同一符号を付し重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る電解装置を、図１及び図２を用いて説明する。

（構成）
本実施形態における電解装置は、図１に示すように、箱形の電解槽１内に配置された電気絶縁性の隔膜４と、隔膜４から所定の間隙を介して配置された陰極２及び陽極３と、隔膜４と陰極２及び陽極３との間にそれぞれ形成された空間に電解液６を循環させるために、電解槽底部１ａに設けられた電解液入口９ａと電解槽上部１ｂに設けられた電解液上部出口１０ａと電解槽側部１ｃに設けられた電解液側部出口１１ａと、陰極２及び陽極３と電解槽側部１ｃの間にそれぞれ形成された陰極室７及び陽極室８に電解液６を循環させるために、電解槽底部１ａに設けられた電解液入口９ｂと電解槽上部１ｂに設けられた電解液上部出口１０ｂと電解槽側部１ｃに設けられた電解液側部出口１１ｂと、から構成されている。

電解液上部出口１０ａ、１０ｂと電解液側部出口１１ａ、１１ｂから排出された電解液６は水素等を抽出処理した後、ポンプによって電解液入口９ａ、９ｂに戻される（図示せず）。
なお、電解液入口９ａ、９ｂ、電解液上部出口１０ａ、１０ｂ及び電解液側部出口１１ａ、１１ｂの設置数は、電解槽１のサイズ等に応じて適宜増減することができる。

電解槽１は、ＳＵＳ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される。隔膜４は陰極２及び陽極３を電気的に隔離し、電解液６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が用いられる。

また、陰極２及び陽極３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が用いられる。

また、陰極２及び陽極３は、多孔質またはメッシュ構造であることが好ましい。この場合、電極の有効面積が増大するので、上述した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からなる多孔質電極が用いられる。

電解液６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２及び陽極３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２０質量％〜４０質量％添加したものを用いることができる。

（作用）
上記のように構成された電解装置の作用を説明する。
本第１の実施形態の電解装置において、隔膜４と陰極２及び陽極３との間に電解液６が流入・流出する空間を設けたことにより、電解反応によって生じる気泡は隔膜４及び陰極２、陽極３に付着することなく電解液６とともに速やかに電解槽１外へ排出される。なお、図１及び図２において矢印は電解液６の流れを示している。

これにより、各電極表面や隔膜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、気泡が電解槽１に残留して、陰極２及び陽極３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。

さらに、当該空間において電解反応によって生じる気泡は電解液６とともに電解液上部出口１０ａと電解液側部出口１１ａから排出されるので、従来、垂直方向のみであった気泡分布を、本実施形態では多方向に分散させることができるので、電解槽１内の上部の気泡密度が増大するのを抑制し、電解槽１内の電解液密度を均質化することが可能となる。これにより、装置の大型化や電流増に対しても電解装置の電解電圧が増大するのを防ぐとともに電解効率が低下するのを抑制することができる。

また、陰極室７及び陽極室８では、電解液６は電解液入口９ｂから流入し、電解液上部出口１０ｂと電解液側部出口１１ｂから気泡とともに排出される。そして、当該空間においても電解液６の流れ方向は分散化されるので、気泡は各電極に集中して付着することはない。これにより、電解槽１内の上部の気泡密度が増大するのを抑制し、電解槽１内の電解液密度を均質化することができる。

なお、図１及び図２では、電解液側部出口１１ａと電解液側部出口１１ｂは、対向する電解槽側部１ｃにそれぞれ一つ設けているが、これに限定されず、上下方向及び／又は側面方向に間隔をおいて複数設けてもよい。

また、電解液上部出口１０ａ、１０ｂと電解液側部出口１１ａ、１１ｂの口径は、電解槽１内で適切な循環流が得られるように、例えば電解液側部出口１１ａ、１１ｂの口径を下方では小さく上方では大きくする等して、各出口の口径を変えることにより各出口からの排出量を適宜調整するようにしてもよい。

さらに、電解液上部出口１０ａ、１０ｂを省略し、電解液６の出口を電解液側部出口１１ａ、１１ｂのみから構成してもよい。その際、電解液側部出口１１ａ、１１ｂを上下方向及び／又は側面方向に間隔をおいて複数設け、電解液の流れを水平方向に分散することにより上記と同様な効果を得ることができる。

（効果）
本第１の実施形態によれば、隔膜と陰極及び陽極との間に電解液が流入・流出する空間を設けたことにより、電解反応によって生じる気泡は隔膜又は電極に付着することなく電解液とともに速やかに電解槽外へ排出することができる。これにより、各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るのを防止し、また、気泡が電解槽に残留し電極間の電気抵抗が増大するのを抑制する。

さらに、電解反応によって生じる気泡を電解液とともに電解液上部出口と電解液側部出口から排出することにより気泡分布を多方向に分散させることができるので、電解槽上部の気泡密度が増大するのを抑制し、電解槽内の電解液密度を均質化することが可能となる。これにより、装置の大型化や電流増に対しても電解装置の電解電圧が増大するのを防ぐとともに電解効率が低下するのを抑制することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る電解装置を、図３及び図４を用いて説明する。なお、上記の実施形態と同じ構成については、同一符号を付し重複する説明を省略する。
第２の実施形態では、図３に示すように、陰極室７及び陽極室８の下方及び上方に設けられた電解液入口９ｂ及び電解液上部出口１０ｂ（図１）を省略するとともに、左右の電解槽側部１ｃの上下方向に電解液側部出口１１ｃを間隔をおいて複数設けた構成としている。

なお、電解液側部出口１１ｃは側面方向にも間隔をおいて複数設けてもよく、また、左右のみならず前後の電解槽側部１ｃにも複数の電解液側部出口１１ｃを設けてもよい。要するに、電解液側部出口１１ｃは陰極室７及び陽極室８が接する電解槽側部１ｃに側面方向及び／又は上下方向に間隔をおいて複数設けることができる。

このように構成した電解装置において、電解液入口９ａから流入した電解液６は隔膜４と各電極２、３との間に形成された空間を上昇する過程で上昇流と各電極２、３を横切って流れる水平流に分散される。そして、電解反応により発生し隔膜及び電極に付着した気泡は電解液上部出口１０ａ及び電解液側部出口１１ｃから電解液６とともに排出されるが、電解液６の流出方向は特に水平方向において多方向に分散されるので、気泡量が垂直方向で増大することがなく、これにより電極間の電気抵抗の増大を抑制することができるので、電解装置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。

さらに、電解槽１内上部の気泡密度が増大するのを抑制し、電解槽１内の電解液密度を均質化することができるため、装置の大型化や電流増に対しても電解装置の電解電圧が増大するのを防ぐとともに電解効率が低下するのを抑制することができる。

図４は本実施形態の変形例で、隔膜３に対向する陰極２と陽極３の側面に電解液６を整流するための整流用薄膜１２を設置している。整流用薄膜１２は多数の孔が設けられたメッシュ状部材からなる。これにより、電解液６の水平方向の流れの分散化及び均質化をさらに促進させることができるので、電解槽１内の電解液６の流れを最適化することができる。

なお、電解液上部出口１０ａを省略し、電解液の出口を電解液側部出口１１ｃのみから構成してもよい。また、電解液側部出口１１ｃの設置数、配置箇所、及び口径は電解槽１のサイズ及び電解液６の流れ分布に応じて適宜調整可能である。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る電解装置を、図５を用いて説明する。なお、上記の実施形態と同じ構成については、同一符号を付し重複する説明を省略する。

第３の実施形態は、陰極室７と陽極室８に複数の電解液排出口１３ａを有する電解液排出配管１３を設けた構成としている。

このように構成した電解装置において、電解液入口９ａから流入した電解液６は隔膜４と各電極２、３との間に形成された空間を上昇する過程で上昇流と各電極２、３を横切って流れる水平流に分散される。そして、電解反応により発生し隔膜及び電極に付着した気泡は電解液上部出口１０ａ及び電解液排出口１３ａを介して電解液排出配管１３から電解液６とともに排出される。

電解液排出配管１３の設置本数、設置箇所及びその口径、並びに電解液排出口１３ａの数及び大きさは電解槽１のサイズに応じて、及び電解槽１内の電解液の流れが最適になるように適宜調整される。

本第３の実施形態によれば、上記第２の実施形態と同等な作用効果を奏するほか、電解装置の設計及び製造が簡単になり、設計の自由度を高め、製造コストを低減することができる。

なお、本実施形態では、電解液排出配管１３は上下から電解液を排出する構造としているが、上方または下方のみから排出するように構成してもよく、また、電解液排出配管１３を水平方向に配置してもよい。

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る電解装置を、図６を用いて説明する。なお、上記した実施形態と同じ構成については、同一符号を付し重複する説明を省略する。
第４の実施形態の電解装置は、陰極２及び陽極３の内部に複数の電解液排出口１３ａを有する電解液排出配管１３を設けた構成としている。

このように構成した電解装置１において、電解液入口９ａから流入した電解液６は隔膜４と各電極２、３との間に形成された空間を上昇する過程で上昇流と水平流に分散される。そして、電解反応により発生し隔膜４及び電極に付着した気泡は電解液上部出口１０ａ及び陰極２及び陽極３の内部に配置された電解液排出配管１３の電解液排出口１３ａから電解液６とともに排出される。

なお、電解液排出配管１３の設置本数、設置箇所及びその口径、並びに電解液排出口１３ａの数及び大きさは電解槽１のサイズに応じて、及び電解液１内の流れが最適になるように適宜調整される。また、電解液排出配管１３を電極の側面に設けてもよい。

本実施形態によれば、上記実施形態と同等な作用効果を奏するほか、電極に付着した気泡を陰極２及び陽極３の内部に配置された電解液排出配管１３から効率的に排出することができる。

なお、本実施形態では、電解液排出配管１３は上下から電解液を排出する構造としているが、上方または下方から排出するように構成してもよく、また、電解液排出配管１３を水平方向に配置してもよい。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る電解装置を、図７を用いて説明する。なお、上記した実施形態と同じ構成については、同一符号を付し重複する説明を省略する。
第５の実施形態の電解装置は、隔膜１６の内部に電解液６が流入・流出する空間を設けるとともに、隔膜１６の両側面に複数の電解液出口１６ａを設けた構成としている。

このように構成した電解装置１において、電解液入口１７から流入した電解液６は隔膜４内の空間を上昇する過程で上昇流と隔膜１６の電解液側部出口１６ａを通る水平流に分散される。そして、電解反応により発生し隔膜１６に付着した気泡は電解液上部出口１８から電解液６とともに排出される。一方、電解液出口１６ａから流出した水平流は各電極２、３を横切って流れ、隔膜１６及び各電極２、３に付着した気泡を電解液とともに電解液側部出口１１ｃから外部へ排出する。

本実施形態によれば、上記実施形態と同等な作用効果を奏するほか、電解液６が隔膜内を流れるため、特に、隔膜に付着した気泡を効率的に排出することができる。
なお、電解液側部出口１１ｃの代わりに図５の電解液排出配管１３を用いてもよい。また、電解液上部出口１８は省略可能である。さらに、電解液６を隔膜１６内の空間に水平方向から供給しても上記同様の作用効果を得ることができる。また、電解液６は下からだけではなく上又は上下から供給してもよい。

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。

１…電解槽、１ａ…電解槽底部、１ｂ…電解槽上部、１ｃ…電解槽側部、２…陰極、３…陽極、４…隔膜、５…電源、６…電解液、７…陰極室、８…陽極室、９，９ａ，９ｂ…電解液入口、１０，１０ａ，１０ｂ…電解液上部出口、１１ａ，１１ｂ…電解液側部出口、１２…整流用博膜、１３…電解液排出配管、１３ａ…電解液排出口、１６…隔膜、１６ａ…電解液出口、１７…電解液入口、１８…電解液上部出口。

Claims (7)

1. 電解槽内に設けられた電気絶縁性の隔膜と、前記隔膜から所定の間隙を介して配置された陰極及び陽極と、電解槽側部と前記陰極及び陽極との間にそれぞれ形成された陰極室及び陽極室と、電解槽底部に設けられ前記間隙に電解液を供給する電解液入口と、電解槽上部に設けられ前記間隙から電解液を排出する電解液上部出口と、前記電解槽底部に設けられ前記陰極室及び陽極室にそれぞれ電解液を供給する電解液入口と、前記電解槽上部に設けられ前記陰極室及び陽極室からそれぞれ電解液を排出する電解液上部出口と、を有する電解装置であって、
   前記間隙に接する電解槽側部と前記陰極室及び陽極室に接する電解槽側部にそれぞれ少なくとも一つの電解液側部出口を設けたことを特徴とする電解装置。
2. 電解槽内に設けられた電気絶縁性の隔膜と、前記隔膜から所定の間隙を介して配置された陰極及び陽極と、電解槽側部と前記陰極及び陽極との間にそれぞれ形成された陰極室及び陽極室と、電解槽底部に設けられ前記間隙に電解液を供給する電解液入口と、電解槽上部に設けられ前記間隙から電解液を排出する電解液上部出口と、を有する電解装置であって、
   前記陰極室及び陽極室に接する電解槽側部にそれぞれ少なくとも一つの電解液側部出口を設けたことを特徴とする電解装置。
3. 電解槽内に設けられた電気絶縁性の隔膜と、前記隔膜から所定の間隙を介して配置された陰極及び陽極と、電解槽側部と前記陰極及び陽極との間にそれぞれ形成された陰極室及び陽極室と、電解槽底部に設けられ前記間隙に電解液を供給する電解液入口と、電解槽上部に設けられ前記間隙から電解液を排出する電解液上部出口と、を有する電解装置であって、
   前記陰極室及び陽極室又は前記陰極及び陽極の内部に複数の電解液排出口を有する電解液排出配管を少なくとも一つ設けたことを特徴とする電解装置。
4. 前記隔膜に対向する前記陰極及び陽極の側面に整流用薄膜を設けたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の電解装置。
5. 電解槽内に設けられた電気絶縁性の隔膜と、前記隔膜から所定の間隙を介して配置された陰極及び陽極と、電解槽側部と前記陰極及び陽極との間にそれぞれ形成された陰極室及び陽極室と、電解槽底部に設けられ前記隔膜の内部に電解液を供給する電解液入口と、電解槽上部に設けられ前記隔膜の内部から電解液を排出する電解液上部出口と、前記陰極室及び陽極室に接する電解槽の側部に設けられた少なくとも一つの電解液側部出口と、を有する電解装置であって、
   前記隔膜の両側面にそれぞれ少なくとも一つの電解液出口を設けたことを特徴とする電解装置。
6. 前記陰極室及び陽極室に接する電解槽側部に設けられた電解液側部出口は、当該電解槽側部の上下方向及び／又は側面方向に複数配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電解装置。
7. 電解槽内に設けられた電気絶縁性の隔膜と、前記隔膜から所定の間隙を介して配置された陰極及び陽極と、電解槽側部と前記陰極及び陽極との間にそれぞれ形成された陰極室及び陽極室と、を有する電解装置の電解方法において、
   電解槽底部に設けた電解液入口から流入する電解液を、電解槽上部に設けた電解液上部出口及び電解槽側部に設けた電解液側部出口から排出することを特徴とする電解方法。

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