JP2013028822A - Apparatus and method for electrolyzing alkaline water - Google Patents

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基茂 柳生
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和矢 山田
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Tetsuo Osato
哲夫 大里
Koji Mizuguchi
浩司 水口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an alkaline water electrolytic apparatus that is facilitated in removing bubbles from an electrolytic solution, and to provide an alkaline water electrolytic method.SOLUTION: The alkaline water electrolytic apparatus includes: an anode chamber 20 in which an anode 25 is disposed; a cathode chamber 30 in which a cathode 35 is disposed; a diaphragm 40 for partitioning between the anode chamber 20 and the cathode chamber 30; and an electrolytic bath 10 for electrolyzing the electrolytic solution 80 to produce hydrogen 78. The electrolytic bath 10 is configured such that the electrolytic solution 80 is introduced from a bottom introduction part 26 of the anode chamber 20 and flows upward through the anode chamber 20 toward a top discharging part 28, and the electrolytic solution 80 is introduced from a bottom introduction part 36 of the cathode chamber 30 and flows upward through the cathode chamber 30 toward a top discharging part 38. The electrolytic solution 80 has a pH of 14 or more measured at 27°C, an electrical conductivity of 0.25 S/cm or more measured at 27°C and a density of 1.25 kg/mor more.

Description

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。   The present invention relates to an alkaline water electrolysis apparatus and an alkaline water electrolysis method for producing hydrogen gas by electrolyzing alkaline water.

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。   In recent years, power generation using renewable energy such as sunlight, solar heat, and wind power is increasing. However, since renewable energy fluctuates depending on the natural environment, it is difficult to control the output of power generation using renewable energy. For this reason, when the proportion of power generation using renewable energy increases, the power supply-demand balance is disrupted, which tends to cause excess power and power shortage.

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。   In addition, the output of power generation using renewable energy always repeats slight changes with changes in weather and the like. For this reason, it is difficult to directly connect a power generation facility using renewable energy to the power system.

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。   As a method of solving the problems of power generation using these renewable energies, a method of converting electric power obtained from renewable energies into other energy that can be stably extracted and storing it, for example, by a battery Methods such as power storage, pumped-storage power generation, and hydrogen power storage are being studied. Here, hydrogen power storage is a storage method in which electric power obtained from renewable energy is used for electrolysis of water and stored as generated hydrogen.

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。   Of these, hydrogen power storage is attracting attention as a preferred method for storing electric power because it is not easily restricted by location and heat source, and energy loss does not substantially occur even during long-term storage. Among hydrogen power storage, alkaline water electrolysis, which is electrolysis of water using an alkaline aqueous solution, has a long history and has a long track record, and is regarded as a promising future power storage method.

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。   For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 3-218901) describes an apparatus that efficiently stores hydrogen by combining a hydrogen generator and a hydrogen storage alloy. Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-150590) and Patent Document 3 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-242922) describe the structure of an electrode for alkaline water electrolysis. Furthermore, Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-45205) describes an electrolytic cell and an electrode that hardly corrode even in an alkaline water electrolysis environment.

特開平3−218901号公報JP-A-3-218901 特開2010−150590号公報JP 2010-150590 A 特開2009−242922号公報JP 2009-242922 A 特開2008−45205号公報JP 2008-45205 A 特開2007−154217号公報JP 2007-154217 A

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。   In the electrolysis of water, it is preferable that the contact between the electrolytic solution and the electrode and the movement of electrons contained in the electrolytic solution are sufficiently performed for efficient operation of the water electrolysis apparatus. However, since water and oxygen are generated in the electrolysis of water, bubbles composed of hydrogen, oxygen, and the like exist in the vicinity of the electrode and in the electrolytic solution. If the bubbles prevent the contact between the electrode and the electrolyte and the movement of electrons in the electrolyte, efficient operation of the water electrolysis apparatus becomes difficult.

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。   In addition, in hydrogen power storage, it is preferable to electrolyze water using the power generated by renewable energy as it is in order to increase energy efficiency. However, when fluctuations in the power used for electrolysis occur due to fluctuations in the output of the power generated by renewable energy, the generation amounts of hydrogen and oxygen change constantly, and the efficiency of the water electrolysis device also changes constantly. For this reason, hydrogen production may be impossible depending on the situation of renewable energy.

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。   On the other hand, Patent Document 5 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-154217) discloses a technique for removing bubbles made of hydrogen, oxygen, etc. from an electrolyte solution, and a liquid channel inside the electrolytic cell and a gas channel for releasing the bubbles. A small electrode is provided in a region of 100 μm or less from the boundary between the gas channel and the liquid channel, and the surface tension between the electrode and the bubble is reduced to further reduce the surface tension between the electrode and the bubble. A method is described in which bubbles are removed from the vicinity of the electrode and the inside of the electrolytic cell by being moved to.

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。   The electrode described in Patent Document 5 has a very small structure with a length of 100 μm or less in the liquid flow path direction. For example, an electrode formed by bending a platinum foil having a thickness of 10 μm or a platinum having a thickness of 100 μm. An electrode using a plate is described.

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。   However, since the electrode used in the invention described in Patent Document 5 is very small, it is substantially impossible to produce a very small electrode with a limited electrode material suitable for an alkaline water electrolysis environment. There was a problem that it was difficult.

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。   The present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide an alkaline water electrolysis apparatus and an alkaline water electrolysis method that can easily remove bubbles from an electrolytic solution.

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。   The present invention increases the density of the electrolytic solution to a predetermined value or more to increase the density difference between the electrolytic solution and the gas constituting the bubbles, thereby increasing the rising speed of the bubbles, and the rising direction of the bubbles and the flowing direction of the electrolytic solution. It has been made by finding out that the bubbles can be prevented from staying in the electrolytic cell without having a complicated shape in the electrolytic cell if the above are matched.

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/m以上であることを特徴とする。 That is, the alkaline water electrolysis apparatus of the present invention is for solving the above-described problem, and partitions the anode chamber in which the anode is disposed, the cathode chamber in which the cathode is disposed, and the anode chamber and the cathode chamber. An alkaline water electrolysis apparatus comprising an electrolytic cell having a diaphragm and electrolyzing an electrolytic solution made of a basic aqueous solution to produce hydrogen, wherein the electrolytic cell is introduced from a bottom introduction part of the anode chamber The electrolytic solution is electrolyzed by the anode and the cathode while flowing upward in the anode chamber toward the top discharge portion of the anode chamber to generate an anode chamber liquid and oxygen gas. The anode chamber liquid and oxygen gas are discharged from the top discharge portion, and the electrolyte introduced from the bottom portion introduction portion of the cathode chamber flows upward in the cathode chamber toward the top discharge portion of the cathode chamber. On the way, the anode and the The cathode chamber liquid and hydrogen gas are generated by being electrolyzed with an electrode, and the cathode chamber liquid and hydrogen gas are discharged from the top discharge portion of the cathode chamber. The electrolyte was measured at 27 ° C. The pH is 14 or more, the electrical conductivity measured at 27 ° C. is 0.25 S / cm or more, and the density is 1.25 kg / m 3 or more.

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/m以上であることを特徴とする。 Moreover, the alkaline water electrolysis method of the present invention is for solving the above-mentioned problems, and partitions the anode chamber in which the anode is disposed, the cathode chamber in which the cathode is disposed, and the anode chamber and the cathode chamber. An alkaline water electrolysis method using an alkaline water electrolysis apparatus comprising an electrolytic cell that has a diaphragm and electrolyzes an electrolytic solution made of a basic aqueous solution to produce hydrogen, the electrolytic cell comprising the anode chamber The electrolyte introduced from the bottom introduction portion of the anode is electrolyzed by the anode and the cathode while flowing upward in the anode chamber toward the top discharge portion of the anode chamber, and the anode chamber solution and oxygen gas The anode chamber liquid and oxygen gas are discharged from the top discharge portion of the anode chamber, and the electrolyte introduced from the bottom introduction portion of the cathode chamber is discharged to the top discharge portion of the cathode chamber. Flows upward in the cathode chamber The cathode and the cathode are electrolyzed to produce a cathode chamber liquid and hydrogen gas, and the cathode chamber liquid and hydrogen gas are discharged from the top discharge portion of the cathode chamber, The liquid is characterized in that the pH measured at 27 ° C. is 14 or more, the electrical conductivity measured at 27 ° C. is 0.25 S / cm or more, and the density is 1.25 kg / m 3 or more.

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。   According to the alkaline water electrolysis apparatus and the alkaline water electrolysis method of the present invention, it is possible to prevent bubbles from staying in the electrolytic cell and increase the electrolysis efficiency of water electrolysis.

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。   In addition, according to the alkaline water electrolysis apparatus and alkaline water electrolysis method of the present invention, it is possible to prevent bubbles from staying in the electrolytic cell and increase the efficiency of water electrolysis. Even when the current to be fluctuated due to power generation using renewable energy, the water can be efficiently electrolyzed.

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。The schematic block diagram which shows embodiment of the alkaline water electrolysis apparatus of this invention. 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。The schematic block diagram which shows the electrolytic cell which comprises the alkaline water electrolysis apparatus shown in FIG. 電解液密度と気泡上昇速度との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between electrolyte solution density and bubble rising speed. 濃度と電気伝導率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between K + density | concentration and electrical conductivity. 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。The graph which shows the relationship between the ratio of the density | concentration of K <+> and Cs <+ >, and electrical conductivity. KOH濃度と電解液密度との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between KOH density | concentration and electrolyte solution density. 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。The graph which shows the relationship between the ratio of the density | concentration of K <+> and Cs <+ >, and electrolyte solution density. 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。The graph which shows the relationship between the ratio of the density | concentration of K <+> and Cs <+ >, and electrical conductivity. 電解液の流量と電解効率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the flow volume of electrolyte solution and electrolysis efficiency.

[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。
[Alkaline water electrolyzer]
The alkaline water electrolysis apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the alkaline water electrolysis apparatus of the present invention.
As shown in FIG. 1, the alkaline water electrolysis apparatus 1 includes an electrolytic solution tank 50 that stores an electrolytic solution 80 that is supplied to the electrolytic cell 10, and an electrolytic solution 80 in the electrolytic solution tank 50. Liquid pumps 64, 74 that transfer to the cathode chamber 30, an electrolytic cell 10 that electrolyzes the electrolytic solution 80 to produce hydrogen 78, an anode chamber liquid 81 that is discharged from the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10, An anode chamber liquid / gas / liquid separator 66 that separates the oxygen gas 68, and a cathode chamber liquid / gas / liquid separator 76 that separates the cathode chamber liquid 82 and the hydrogen gas 78 discharged from the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10. Prepare.

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。   Here, the anode chamber liquid 81 means a liquid generated in the anode chamber 20 by electrolyzing the electrolytic solution 80. The cathode chamber liquid 82 means a liquid generated in the cathode chamber 30 by electrolyzing the electrolytic solution 80.

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。 In the electrolysis of the electrolytic solution 80, the oxygen gas 68 is generated from the hydroxide ions OH in the electrolytic solution 80 and the hydrogen gas 78 is generated from the hydrogen ions H + . The diaphragm 40 that separates the anode chamber 20 and the cathode chamber 30 is not an ion-exchange membrane having selectivity for ions, such as a Teflon (registered trademark) diaphragm that cannot transmit bubbles but can transmit electrolyte and water. A diaphragm is used.

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。 For this reason, the composition of the anode chamber solution 81 and the cathode chamber solution 82 is substantially the same as the composition of the electrolyte solution 80 except for the decrease in H + and OH accompanying electrolysis.

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。   The liquid feed pump 64 is provided in the middle of the anode chamber electrolyte supply system 61 for transferring the electrolyte 80 from the electrolyte tank 50 to the anode chamber 20 of the electrolytic bath 10. A flow meter 65 for measuring 80 flow rates is provided. The liquid feed pump 64 can supply the electrolytic solution from the electrolytic solution tank 50 to the electrolytic cell 10 in an amount more than the consumption amount of the electrolytic solution 80 by electrolysis in the electrolytic cell 10.

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。   The liquid feed pump 74 is provided in the middle of the cathode chamber electrolyte supply system 71 for transferring the electrolyte 80 from the electrolyte tank 50 to the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10. A flow meter 75 for measuring 80 flow rates is provided. The liquid feed pump 74 can supply the electrolytic solution from the electrolytic solution tank 50 to the electrolytic cell 10 in an amount equal to or more than the consumption amount of the electrolytic solution 80 by electrolysis in the electrolytic cell 10.

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。   Further, the alkaline water electrolysis apparatus 1 shown in FIG. 1 includes an anode chamber liquid circulation system 63 that transfers the anode chamber liquid 81 discharged from the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10 to the electrolyte tank 50, and the cathode chamber of the electrolytic cell 10. And a cathode chamber liquid circulation system 73 for transferring the cathode chamber liquid 82 discharged from 30 to the electrolyte tank 50. An anode chamber liquid / gas / liquid separator 66 is provided in the middle of the anode chamber liquid circulation system 63, and a cathode chamber / liquid / liquid separator 76 is provided in the middle of the cathode chamber liquid circulation system 73.

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。   With the above configuration, in the alkaline water electrolysis apparatus 1, the anode chamber liquid 81 generated in the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10 by electrolysis of the electrolyte 80 and discharged from the anode chamber 20 is oxygenated in the anode chamber liquid circulation system 63. A circulation system is formed which is separated from the gas 68 and then transferred to the electrolyte tank 50. In the alkaline water electrolysis apparatus 1, the cathode chamber liquid 82 generated in the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10 by electrolysis of the electrolyte 80 and discharged from the cathode chamber 30 is hydrogen gas 78 in the cathode chamber liquid circulation system 73. And a circulation system that is transferred to the electrolytic solution tank 50 is formed.

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。   The oxygen gas 68 separated by the anode chamber liquid gas-liquid separator 66 of the anode chamber liquid circulation system 63 flows through the oxygen gas system 67 and is sent to an oxygen gas storage system (not shown) for storage. The hydrogen gas 78 separated by the cathode chamber liquid / gas / liquid separator 76 of the cathode chamber liquid circulation system 73 flows through the hydrogen gas system 77 and is sent to and stored in a hydrogen gas storage system (not shown).

(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。
(Electrolysis tank)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an electrolytic cell 10 constituting the alkaline water electrolysis apparatus 1 shown in FIG. The electrolytic cell 10 includes an anode chamber 20 in which an anode 25 is disposed, a cathode chamber 30 in which a cathode 35 is disposed, and a diaphragm 40 that partitions the anode chamber 20 and the cathode chamber 30. The electrolytic solution 80 is electrolyzed to produce hydrogen.

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。   Specifically, the electrolytic cell 10 shown in FIG. 2 is made of a metal such as stainless steel, and is composed of an anode chamber main body 21 partially formed with an opening and a metal such as stainless steel, and partially opened. And a diaphragm 40 interposed in a portion where the opening of the anode chamber main body 21 and the opening of the cathode chamber main body 31 are overlapped.

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。   Thereby, in the electrolytic cell 10, the anode chamber 20 partitioned by the anode chamber body 21 and the diaphragm 40 and the cathode chamber 30 partitioned by the cathode chamber body 31 and the diaphragm 40 are adjacent to each other through the single diaphragm 40. It is formed to do.

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。   The diaphragm 40 used in the electrolytic cell 10 can transmit the electrolytic solution 80, the anode chamber solution 81, and the cathode chamber solution 82, while generating oxygen gas 68 generated in the anode chamber 20 and the cathode chamber 30. Thus, the hydrogen gas 78 cannot be permeated. Therefore, in the electrolytic cell 10, mixing of the oxygen gas 68 generated in the anode chamber 20 and the hydrogen gas 78 generated in the cathode chamber 30 is prevented by the diaphragm 40.

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。   The diaphragm 40 is permeable to the electrolyte solution 80, the anode chamber solution 81, and the cathode chamber solution 82. Therefore, the diaphragm 40 is not an ion-selective ion exchange membrane, and can transmit electrolyte and water in an aqueous solution. It is a thing. As the diaphragm 40, for example, a Teflon diaphragm is used.

<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。
<Anode chamber>
The anode chamber main body 21 constituting the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10 is provided at the bottom of the anode chamber main body 21, and includes a bottom introducing portion 26 for introducing the electrolytic solution 80 into the anode chamber 20, and the top of the anode chamber main body 21. And a top discharge part 28 for discharging the anode chamber liquid 81 and the oxygen gas 68 generated by electrolysis of the electrolyte 80 in the anode chamber 20 to the outside of the anode chamber 20.

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。   The anode chamber 20 of the electrolytic cell 10 includes an anode chamber midstream portion 23 provided with an anode 25, an anode chamber upstream portion 22 located on the bottom introduction portion 26 side of the anode chamber 20 with respect to the anode chamber midstream portion 23, and An anode chamber downstream portion 24 located on the top discharge portion 28 side of the anode chamber 20 relative to the anode chamber midstream portion 23.

[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。
[Upstream part of anode chamber]
The upstream portion 22 of the anode chamber substantially has the flow of the electrolytic solution 80 introduced into the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10 in the anode chamber 20 before reaching the midstream portion 23 where the anode 25 is provided. This is the part that rectifies so as to be vertically upward. The anode chamber upstream portion 22 functions as a run-up section of the electrolytic solution 80 before electrolysis in the anode chamber midstream portion 23.

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。   In the anode chamber upstream portion 22, a rectifying plate 27 for arbitrarily controlling the flow direction of the electrolytic solution 80 is disposed in order to rectify the flow of the electrolytic solution 80 substantially vertically upward.

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。   The rectifying plate 27 rectifies the flow of the electrolyte solution 80 so that the flow is a laminar flow or a flow similar to the laminar flow, and the flow is substantially vertically upward. As the rectifying plate 27, known means are used, for example, a laminate of a plurality of flat or corrugated metal plates.

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。   The rectifying plate 27 rectifies the flow of the electrolytic solution 80 introduced into the anode chamber 20 substantially vertically upward. However, the flow direction of the electrolytic solution 80 can be arbitrarily controlled. May be. As a method for arbitrarily controlling the flow direction of the electrolytic solution 80, there is a method in which the flow straightening plate 27 is installed in a movable state and the flow direction of the flow straightening plate 27 is controlled.

[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。
[Middle part of anode chamber]
The anode chamber midstream portion 23 is a portion of the anode chamber 20 where the anode 25 is provided. The anode 25 is provided in a portion of the inner wall of the anode chamber body 21 that faces the diaphragm 40 and is spaced from the diaphragm 40.

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。   As a material of the anode 25, a known material used for alkaline water electrolysis is used and is not particularly limited. As a material of the anode 25, for example, iron, an iron-based alloy, nickel, a nickel-based alloy, or the like is used. In the electrolytic cell 10 shown in FIG. 2, one example of the anode 25 is shown. However, the electrolytic cell of the alkaline water electrolysis apparatus of the present invention may be provided with a plurality of anodes 25.

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。   A voltage is applied from a DC power source (not shown) between the anode 25 and the cathode 35 provided in the cathode chamber 30, and the electrolytic solution 80 is electrolyzed in the anode chamber 20 and the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10. Done.

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。   Although it does not specifically limit as DC power supply, For example, it is the electric power generating apparatus using renewable energy, such as sunlight, solar heat, a wind force, Comprising: If necessary, what enabled direct current output by rectification etc. is used.

電気分解の際、陽極25の電流密度は、通常1A/cm以下、好ましくは0.1〜1A/cm、さらに好ましくは0.2〜0.5A/cm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。 When electrolysis, the current density of the anode 25 is usually 1 A / cm 2 or less, preferably 0.1 to 1 A / cm 2 , more preferably 0.2 to 0.5 A / cm 2 . This is desirable because the hydrogen gas 78 can be efficiently produced by the cathode 35 of the first electrode.

[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。
[Downstream part of anode chamber]
The anode chamber downstream portion 24 is a portion of the anode chamber 20 formed in a shape in which the anode chamber liquid 81 and the oxygen gas 68 generated by electrolysis in the anode chamber midstream portion 23 provided with the anode 25 flow upward. is there.

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。   The anode chamber downstream portion 24 smoothly guides the anode chamber liquid 81 and the oxygen gas 68 generated by the electrolysis to the top discharge portion 28 provided above the anode chamber 20, whereby the anode 25 of the anode chamber midstream portion 23. The flow of the nearby electrolyte 80 is not hindered.

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。   Specifically, the anode chamber downstream portion 24 is formed in a shape that linearly connects the anode chamber midstream portion 23 and the top discharge portion 28, and the cross-sectional area of the anode chamber liquid 81 in the flow direction is the anode chamber midstream portion. 23 is formed so as to gradually decrease from the middle of 23 toward the top discharge portion 28 side. With such a shape, in the anode chamber downstream portion 24, the anode chamber liquid 81 and the oxygen gas 68 can smoothly flow upward from the anode chamber midstream portion 23 toward the top discharge portion 28 without stagnation. ing.

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。   With the above configuration, in the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10, the electrolytic solution 80 introduced from the bottom introduction portion 26 of the anode chamber 20 is flowing upward in the anode chamber 20 toward the top discharge portion 28 of the anode chamber 20. Thus, the anode 25 and the cathode 35 are electrolyzed to generate the anode chamber liquid 81 and the oxygen gas 68, and the anode chamber liquid 81 and the oxygen gas 68 are smoothly discharged from the top discharge portion 28 of the anode chamber 20. It has become.

<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。
<Cathode room>
The cathode chamber main body 31 constituting the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10 is provided at the bottom of the cathode chamber main body 31, and introduces an electrolyte solution 80 into the cathode chamber 30, and a top of the cathode chamber main body 31. And a top discharge part 38 for discharging the cathode chamber liquid 82 and the hydrogen gas 78 generated by electrolysis of the electrolytic solution 80 in the cathode chamber 30 to the outside of the cathode chamber 30.

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。   The cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10 includes a cathode chamber midstream portion 33 provided with a cathode 35, a cathode chamber upstream portion 32 located on the bottom introduction portion 36 side of the cathode chamber 30 with respect to the cathode chamber midstream portion 33, and The cathode chamber downstream portion 34 is located closer to the top discharge portion 38 of the cathode chamber 30 than the cathode chamber midstream portion 33.

[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。
[Upstream part of cathode chamber]
The cathode chamber upstream portion 32 substantially causes the flow of the electrolytic solution 80 introduced into the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10 in the cathode chamber 30 before reaching the cathode chamber midstream portion 33 provided with the cathode 35. This is the part that rectifies so as to be vertically upward. The cathode chamber upstream portion 32 functions as a run-up section of the electrolytic solution 80 before electrolysis in the cathode chamber midstream portion 33.

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。   In the cathode chamber upstream portion 32, a rectifying plate 37 for arbitrarily controlling the flow direction of the electrolytic solution 80 is disposed in order to rectify the flow of the electrolytic solution 80 substantially vertically upward. The rectifying plate 37 provided in the cathode chamber upstream portion 32 has the same structure as the rectifying plate 27 provided in the anode chamber upstream portion 22, and the operation is the same, and thus the description thereof is omitted.

[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。
[Middle part of cathode chamber]
The cathode chamber midstream portion 33 is a portion of the cathode chamber 30 where the cathode 35 is provided. The cathode 35 is provided in a portion of the inner wall of the cathode chamber body 31 that faces the diaphragm 40 and is separated from the diaphragm 40. The cathode 35 provided in the cathode chamber midstream portion 33 has the same structure as the anode 25 provided in the anode chamber midstream portion 23 and has the same function, and thus the description thereof is omitted. In the electrolytic cell 10 shown in FIG. 2, an example in which the number of the cathodes 35 is one is shown. However, the electrolytic cell of the alkaline water electrolysis apparatus of the present invention may be provided with a plurality of cathodes 35.

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。   A voltage is applied from a DC power source (not shown) between the cathode 35 and the anode 25 provided in the anode chamber 20, and the electrolytic solution 80 is electrolyzed in the anode chamber 20 and the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10. Done. The direct current power source used is the same as that explained in the part explaining the anode 25 provided in the anode chamber 20, and therefore the explanation is omitted.

電気分解の際、陰極35の電流密度は、通常1A/cm以下、好ましくは0.1〜1A/cm、さらに好ましくは0.2〜0.5A/cm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。 When electrolysis, the current density of the cathode 35 is usually 1 A / cm 2 or less, preferably 0.1 to 1 A / cm 2 , more preferably 0.2 to 0.5 A / cm 2. It is desirable because it can be manufactured efficiently.

[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。
[Downstream part of cathode chamber]
The cathode chamber downstream portion 34 is a portion of the cathode chamber 30 formed into a shape in which the cathode chamber liquid 82 and hydrogen gas 78 generated by electrolysis in the cathode chamber midstream portion 33 provided with the cathode 35 flow upward. is there.

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。   The cathode chamber downstream portion 34 smoothly guides the cathode chamber liquid 82 and the hydrogen gas 78 generated by the electrolysis to the top discharge portion 38 provided above the cathode chamber 30, whereby the cathode 35 of the cathode chamber midstream portion 33. The flow of the nearby electrolyte 80 is not hindered.

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。   Specifically, the cathode chamber downstream portion 34 is formed in a shape that linearly connects the cathode chamber midstream portion 33 and the top discharge portion 38, and the cross-sectional area of the cathode chamber liquid 82 in the flow direction is the cathode chamber midstream portion. It is formed so as to gradually decrease from the middle of 33 toward the top discharge portion 38 side. With such a shape, in the cathode chamber downstream portion 34, the cathode chamber liquid 82 and the hydrogen gas 78 can smoothly flow upward from the cathode chamber midstream portion 33 toward the top discharge portion 38 without stagnation. ing.

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。   With the above configuration, in the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10, the electrolytic solution 80 introduced from the bottom introduction portion 36 of the cathode chamber 30 is flowing upward in the cathode chamber 30 toward the top discharge portion 38 of the cathode chamber 30. Thus, the cathode chamber liquid 82 and the hydrogen gas 78 are generated by being electrolyzed at the anode 25 and the cathode 35 so that the cathode chamber liquid 82 and the hydrogen gas 78 are smoothly discharged from the top discharge portion 38 of the cathode chamber 30. It has become.

(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。
(Electrolyte)
The electrolytic solution 80 used for electrolysis in the alkaline water electrolysis apparatus 1 is an alkaline aqueous solution. The density of the electrolytic solution 80 is controlled by adjusting the type or concentration of the cation in the electrolytic solution 80.

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。   It is preferable that the electrolytic solution 80 contains potassium hydroxide KOH as an electrolyte because the electrolysis efficiency of water electrolysis is high. Further, it is desirable that the electrolytic solution 80 has a KOH concentration of 4 to 7 mol / kg, preferably 5 to 7 mol / kg, because the electrolysis efficiency of water electrolysis is high.

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。   When the electrolytic solution 80 contains KOH and an alkali metal hydroxide other than KOH as an electrolyte, the electrolytic efficiency of water electrolysis is increased by the action of increasing the density of the electrolytic solution 80 and increasing the electric conductivity. Is preferable because of high. Here, the alkali metal means Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr.

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。   As the alkali metal hydroxide other than KOH, for example, at least one selected from RbOH and CsOH is used. When the electrolytic solution 80 contains RbOH or CsOH in addition to KOH, the electrolytic efficiency of water electrolysis becomes higher due to the action of increasing the density of the electrolytic solution 80 and increasing the electric conductivity. preferable.

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。   Moreover, since the electrolytic solution 80 has a high electrolysis efficiency of water electrolysis, the alkali metal concentration is preferably 3 to 8 mol / kg. Here, the concentration of alkali metal means the concentration of alkali metal constituting all alkali metal hydroxides including KOH.

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。   When the ratio of the KOH content to the alkali metal hydroxide content is usually in the range of 80 to 100% by mass, preferably 80 to 90% by mass, the electrolytic solution 80 has an electrolysis efficiency of water electrolysis. Is desirable because it is high.

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。   The electrolytic solution 80 has a pH measured at 27 ° C. of 14 or more, preferably 14 to 15, and more preferably 14.5 to 15.

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。   It is preferable that the pH of the electrolytic solution 80 measured at 27 ° C. is 14 or higher because the electrolytic conductivity of the electrolytic solution 80 is high because the electrolytic conductivity of the electrolytic solution 80 is high.

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。   Further, the electrolytic solution 80 has an electric conductivity measured at 27 ° C. of 0.25 S / cm or more, preferably 0.25 to 0.5 S / cm, more preferably 0.3 to 0.5 S / cm.

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。   It is preferable that the electrical conductivity of the electrolytic solution 80 measured at 27 ° C. is 0.25 S / cm or more because the electrolytic efficiency of the electrolytic solution 80 is increased.

さらに、電解液80は、密度が1.25kg/m以上、好ましくは1.25〜1.5kg/m、さらに好ましくは1.35〜1.5kg/mである。ここで、密度とは、27℃で測定した密度を意味する。 Furthermore, the electrolyte solution 80 has a density of 1.25 kg / m 3 or more, preferably 1.25 to 1.5 kg / m 3 , more preferably 1.35 to 1.5 kg / m 3 . Here, the density means a density measured at 27 ° C.

電解液80の密度が1.25kg/m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。 When the density of the electrolytic solution 80 is 1.25 kg / m 3 or more, bubbles including the oxygen gas 68 and the hydrogen gas 78 generated by electrolysis of the electrolytic solution 80, the electrolytic solution 80, the anode chamber liquid 81, or the cathode The density difference from the liquid such as the chamber liquid 82 is increased, and the rising speed of the bubbles is increased. This is preferable because the retention of bubbles in the electrolytic cell 10 can be prevented and the efficiency of water electrolysis can be increased.

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。   Here, it will be described that as the density of the electrolytic solution 80 increases, the rising speed of bubbles in the electrolytic solution 80 increases. In addition, when the electrolyte 80 has a flow, a method for further increasing the bubble rising speed is also examined.

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vを算出する。気泡の浮力による気泡の上昇速度v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。 First, the bubble rising speed v f when the flow of the electrolytic solution 80 does not exist in the electrolytic cell 10, that is, the bubble rising speed v f due to the bubble buoyancy is calculated. The rising speed v f of the bubble due to the buoyancy of the bubble is expressed by the following formula (1). In addition, the buoyancy F of the following formula (1) is calculated using the following formula (2).

式(1)および(2)より、電解液80の密度ρを大きくして、電解液80の密度ρと気泡を構成する気体ρとの密度差を大きくすると、気泡の上昇速度vが大きくなることが分かる。 From the equations (1) and (2), when the density ρ l of the electrolytic solution 80 is increased and the density difference between the density ρ l of the electrolytic solution 80 and the gas ρ g constituting the bubbles is increased, the bubble rising speed v It can be seen that f increases.

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)ρが同一の気泡が、種々の液体密度ρの電解液中で上昇するときの気泡の上昇速度v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。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the electrolyte density and the bubble rising speed. FIG. 3 shows the rising speed of bubbles generated during electrolysis of the alkaline electrolyte. Specifically, the gas volume (bubble volume) V, the bubble mass m, and the gas density (bubble density) ρ. The bubble rising speed v f when bubbles having the same g rise in electrolytes having various liquid densities ρ 1 is calculated from the equations (1) and (2). In FIG. 3, the bubble rising speed is shown as a relative value when the bubble rising speed in the reference electrolyte having an electrolyte density increase rate of 0% is 1. From FIG. 3, it can be seen that the bubble rising speed increases as the electrolyte density increases.

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vについて検討する。電解液流動下の気泡の上昇速度vは下記式(3)で表される。なお、電解液の流速v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。 Next, the rising speed of bubbles when the flow of the electrolytic solution 80 exists in the electrolytic cell 10, that is, the rising speed of bubbles under the flow of the electrolytic solution v T considering both the buoyancy of the bubbles and the flow of the electrolytic solution 80. To consider. The rising speed v T of the bubbles under the electrolyte flow is expressed by the following formula (3). It should be noted that the flow rate v l of the electrolytic solution takes a positive value when the electrolytic solution flows in the upward direction of the bubbles.

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。   From the equation (3), it can be seen that when the flow direction of the electrolytic solution 80 coincides with the rising direction of the bubbles, the rising speed of the bubbles is increased.

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。   Therefore, from the formulas (1) to (3), when the density of the electrolytic solution 80 is increased to increase the rising speed of the bubbles, and the flow direction of the electrolytic solution 80 and the rising direction of the bubbles are matched, Even when electrolysis of water is performed using an electrolytic solution 80 having a high electrical conductivity without using the electrolytic cell 10 having a special shape for preventing oxygen, the oxygen gas 68, the hydrogen gas 78, etc. generated by the electrolysis of water It can be seen that the bubbles consisting of can be prevented from staying in the electrolytic cell 10.

(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。
(Function)
The operation of the alkaline water electrolysis apparatus 1 will be described. First, the electrolytic solution 80 in the electrolytic solution tank 50 is introduced into the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10 using a liquid feed pump 64 provided in the anode chamber electrolytic solution supply system 61, and the cathode chamber electrolyte supply system 71. It is introduced into the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10 using a liquid feed pump 74 provided in the above.

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。   The flow rate of the electrolyte solution 80 introduced into the anode chamber 20 is measured by a flow meter 65 provided in the anode chamber electrolyte solution supply system 61, and a valve (not shown) provided in the anode chamber electrolyte solution supply system 61 is used. Adjusted. The flow rate of the electrolyte 80 introduced into the cathode chamber 30 is measured by a flow meter 75 provided in the cathode chamber electrolyte supply system 71, and a valve (not shown) provided in the cathode chamber electrolyte supply system 71 is used. Adjusted.

<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。
<Operation in the anode chamber>
Next, an operation when the electrolytic solution 80 is introduced into the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10 will be described. When the electrolytic solution 80 is introduced into the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10, the electrolytic solution 80 is upstream of the anode chamber of the anode chamber 20 through the bottom introduction part 26 provided at the bottom of the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10. Introduced into portion 22. As shown in FIG. 2, the electrolytic solution 80 is introduced into the anode chamber upstream portion 22 from the bottom to the top of the bottom introduction portion 26.

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。   An anode chamber midstream portion 23 is provided vertically above the anode chamber upstream portion 22, an anode chamber downstream portion 24 is provided vertically above the anode chamber midstream portion 23, and a top discharge is vertically above the anode chamber downstream portion 24. A portion 28 is provided. For this reason, the electrolytic solution 80 introduced into the anode chamber 20 through the bottom introduction portion 26 flows upward in the anode chamber 20 and is electrolyzed in the middle to become the anode chamber solution 81, and then the top discharge portion. 28 is discharged from above.

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。   Further, a rectifying plate 27 for arbitrarily controlling the flow direction of the electrolytic solution 80 is disposed in the anode chamber upstream portion 22. For this reason, the flow of the electrolyte solution 80 in the anode chamber upstream portion 22 of the anode chamber 20 is rectified and the flow direction is controlled to an arbitrary direction. In the electrolytic cell 10 shown in FIG. 2, the rectifying plate 27 is controlled so that the flow direction of the electrolytic solution 80 in the upstream portion 22 of the anode chamber is directed from the lower side to the upper side in FIG. The electrolyte solution 80 rectified by the rectifying plate 27 in the anode chamber upstream portion 22 is sent to the anode chamber midstream portion 23 in a rectified state.

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。   In the anode chamber midstream portion 23, the electrolytic solution 80 is electrolyzed by the anode 25 provided in the anode chamber midstream portion 23 and the cathode 35 provided in the cathode chamber midstream portion 33 of the cathode chamber 30, and the anode chamber liquid 81. And oxygen gas 68 is produced.

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。   The anode chamber 20 and the cathode chamber 30 are partitioned by the diaphragm 40, and bubbles made of oxygen gas 68 and the like cannot pass through the diaphragm 40. Therefore, the oxygen gas 68 generated in the anode chamber 20 is The anode chamber 20 is moved up with the anode chamber liquid 81 and sent to the anode chamber downstream portion 24.

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。   The anode chamber downstream portion 24 is formed in a shape in which the anode chamber liquid 81 and the oxygen gas 68 smoothly flow upward, so that the flow of the electrolytic solution 80 in the anode chamber midstream portion 23 is not hindered. The anode chamber liquid 81 and the oxygen gas 68 in the anode chamber downstream portion 24 are smoothly discharged from the top discharge portion 28 of the anode chamber 20 to the anode chamber liquid circulation system 63 above the top discharge portion 28.

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。   The anode chamber liquid 81 and the oxygen gas 68 discharged from the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10 to the anode chamber liquid circulation system 63 above the anode chamber 20 are the anode chamber liquid provided in the middle of the anode chamber liquid circulation system 63. The gas-liquid separator 66 separates the anode chamber liquid 81 and the oxygen gas 68.

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。   The oxygen gas 68 separated from the anode chamber liquid 81 by the anode chamber liquid-gas-liquid separator 66 flows through the oxygen gas system 67, and is sent to and stored in an oxygen gas storage system (not shown). Thus, according to the alkaline water electrolysis apparatus 1, the oxygen gas 68 can be produced by electrolysis in the anode chamber 20.

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。   On the other hand, the anode chamber liquid 81 separated from the oxygen gas 68 by the anode chamber liquid-gas-liquid separator 66 flows through the anode chamber liquid circulation system 63 and is sent to the electrolyte tank 50. Thus, in the alkaline water electrolysis apparatus 1, the electrolytic solution 80 sent from the electrolytic solution tank 50 to the anode chamber 20 of the electrolytic cell 10 is electrolyzed to become the anode chamber solution 81, and then returns to the electrolytic solution tank 50. A circulation cycle of the electrolytic solution 80 passing through the anode chamber 20 is formed.

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。   In the electrolyte tank 50, the anode chamber liquid 81 returned through the anode chamber liquid circulation system 63 and the cathode chamber liquid 82 returned through the cathode chamber liquid circulation system 73 are mixed and appropriately mixed. Then, an electrolyte solution 80 that can be introduced into the electrolytic cell 10 is prepared by supplying electrolyte.

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。   The liquid feed pump 64 supplies an electrolytic solution in an amount equal to or more than the consumption amount of the electrolytic solution 80 by electrolysis in the electrolytic cell 10 from the electrolytic solution tank 50 to the electrolytic cell 10, thereby causing the electrolytic solution 80 to pass through the anode chamber 20. The circulation cycle allows the electrolyte 80 at a constant flow rate to flow.

<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。
<Operation in the cathode chamber>
Next, an operation when the electrolytic solution 80 is introduced into the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10 will be described. The electrolyte solution 80 introduced into the cathode chamber 30 flows upward in the cathode chamber 30 and becomes the cathode chamber solution 82 in the same manner as the electrolyte solution 80 introduced into the anode chamber 20. It comes to be discharged from. The configuration in the cathode chamber 30 and the configuration in the anode chamber 20 are the same except for the difference between the cathode 35 and the anode 25. For this reason, the action when the electrolyte solution 80 is introduced into the cathode chamber 30 and the action when the electrolyte solution 80 is introduced into the anode chamber 20 are the same except for the action when the electrolyte solution 80 is electrolyzed. It is. However, in order to prevent misunderstanding due to omission of description, the operation when the electrolytic solution 80 is introduced into the cathode chamber 30 will be described in the same manner as the operation when the electrolytic solution 80 is introduced into the anode chamber 20.

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。   When the electrolytic solution 80 is introduced into the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10, the electrolytic solution 80 is upstream of the cathode chamber of the cathode chamber 30 through the bottom introduction part 36 provided at the bottom of the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10. Introduced into portion 32. As shown in FIG. 2, the electrolytic solution 80 is introduced into the cathode chamber upstream portion 32 from the bottom to the top of the bottom introduction portion 36.

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。   A cathode chamber midstream portion 33 is provided vertically above the cathode chamber upstream portion 32, a cathode chamber downstream portion 34 is provided vertically above the cathode chamber midstream portion 33, and a top discharge is vertically above the cathode chamber downstream portion 34. A portion 38 is provided. For this reason, the electrolytic solution 80 introduced into the cathode chamber 30 through the bottom introduction portion 36 flows upward in the cathode chamber 30 and is electrolyzed in the middle to become the cathode chamber solution 82, and then the top discharge portion. 38 is discharged from above.

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。   Further, a rectifying plate 37 for arbitrarily controlling the flow direction of the electrolytic solution 80 is disposed in the cathode chamber upstream portion 32. For this reason, the flow of the electrolytic solution 80 in the cathode chamber upstream portion 32 of the cathode chamber 30 is rectified and the flow direction is controlled in an arbitrary direction. In the electrolytic cell 10 shown in FIG. 2, the rectifying plate 37 is controlled such that the flow direction of the electrolytic solution 80 in the cathode chamber upstream portion 32 is directed from the lower side to the upper side in FIG. The electrolyte solution 80 rectified by the rectifying plate 37 in the cathode chamber upstream portion 32 is sent to the cathode chamber midstream portion 33 in a rectified state.

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。   In the cathode chamber midstream portion 33, the electrolytic solution 80 is electrolyzed by the cathode 35 provided in the cathode chamber midstream portion 33 and the anode 25 provided in the anode chamber midstream portion 23 of the anode chamber 20, and the cathode chamber liquid 82. And hydrogen gas 78 is produced.

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。   The cathode chamber 30 and the anode chamber 20 are partitioned by the diaphragm 40, and bubbles made of hydrogen gas 78 and the like cannot pass through the diaphragm 40. Therefore, the hydrogen gas 78 generated in the cathode chamber 30 is separated from the anode chamber 20 side. The cathode chamber liquid 82 rises together with the cathode chamber liquid 82 and is sent to the cathode chamber downstream portion 34.

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。   The cathode chamber downstream portion 34 is formed in a shape in which the cathode chamber solution 82 and the hydrogen gas 78 smoothly flow upward, so that the flow of the electrolyte solution 80 in the cathode chamber midstream portion 33 is not hindered. The cathode chamber liquid 82 and the hydrogen gas 78 in the cathode chamber downstream portion 34 are smoothly discharged from the top discharge portion 38 of the cathode chamber 30 to the cathode chamber liquid circulation system 73 above the top discharge portion 38.

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。   The cathode chamber liquid 82 and the hydrogen gas 78 discharged from the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10 to the cathode chamber liquid circulation system 73 above the cathode chamber 30 are the cathode chamber liquid provided in the middle of the cathode chamber liquid circulation system 73. The cathode chamber liquid 82 and the hydrogen gas 78 are separated by the gas-liquid separator 76.

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。   The hydrogen gas 78 separated from the cathode chamber liquid 82 by the cathode chamber liquid-gas-liquid separator 76 flows through the hydrogen gas system 77 and is sent to and stored in a hydrogen gas storage system (not shown). Thus, according to the alkaline water electrolysis apparatus 1, the hydrogen gas 78 can be produced by electrolysis in the cathode chamber 30.

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。   On the other hand, the cathode chamber liquid 82 separated from the hydrogen gas 78 by the cathode chamber liquid-gas-liquid separator 76 flows through the cathode chamber liquid circulation system 73 and is sent to the electrolyte tank 50. Thus, in the alkaline water electrolysis apparatus 1, the electrolytic solution 80 sent from the electrolytic solution tank 50 to the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10 is electrolyzed to become the cathode chamber solution 82, and then returns to the electrolytic solution tank 50. A circulation cycle of the electrolytic solution 80 passing through the cathode chamber 30 is formed.

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。   In the electrolytic solution tank 50, the cathode chamber liquid 82 returned through the cathode chamber liquid circulation system 73 and the anode chamber liquid 81 returned through the anode chamber liquid circulation system 63 are mixed and appropriately mixed. Then, an electrolyte solution 80 that can be introduced into the electrolytic cell 10 is prepared by supplying electrolyte.

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。   The liquid feed pump 74 supplies an electrolytic solution in an amount equal to or greater than the consumption amount of the electrolytic solution 80 by the electrolysis in the electrolytic cell 10 from the electrolytic solution tank 50 to the electrolytic cell 10, whereby the electrolytic solution 80 passing through the cathode chamber 30. The circulation cycle allows the electrolyte 80 at a constant flow rate to flow.

(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。
(effect)
According to the alkaline water electrolysis apparatus 1, bubbles can be prevented from staying in the electrolytic cell 10 and the electrolysis efficiency of water electrolysis can be increased.

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。   According to the alkaline water electrolysis apparatus 1, the retention of bubbles in the electrolytic cell 10 can be prevented and the efficiency of water electrolysis can be increased, so that the current input for water electrolysis uses renewable energy. Even when it fluctuates due to power generation or the like, it is possible to efficiently operate water electrolysis.

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。   FIG. 1 shows an example in which one electrolytic cell 10 is provided as the alkaline water electrolysis apparatus 1. However, the alkaline water electrolysis apparatus of the present invention may include a plurality of electrolytic cells 10. When the alkaline water electrolysis apparatus includes a plurality of electrolytic cells 10, the plurality of electrolytic cells 10 can be arranged in series, parallel, or a combination of series and parallel.

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。   Here, the series arrangement of the plurality of electrolytic cells 10 means that the anode chamber liquid 81 discharged from the anode chamber 20 of the nth electrolytic cell 10 is introduced into the anode chamber 20 of the (n + 1) th electrolytic cell 10. The cathode chamber liquid 82 discharged from the cathode chamber 30 of the nth electrolytic cell 10 is introduced into the cathode chamber 30 of the (n + 1) th electrolytic cell 10.

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。   In addition, the parallel arrangement of the plurality of electrolytic cells 10 means that the electrolyte solution 80 is introduced and the anode chamber solution 81 is discharged for each of the anode chambers 20 of the plurality of electrolytic cells 10. For each of the ten cathode chambers 30, it means an arrangement in which the electrolyte solution 80 is introduced and the cathode chamber solution 82 is discharged.

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。   In the alkaline water electrolysis apparatus of the present invention, by setting a plurality of electrolytic cells 10 and arranging the electrolytic cells 10 in series, parallel, or a combination of series and parallel, current or voltage for electrolysis can be set. This is preferable because the degree of freedom is high.

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。   In the alkaline water electrolysis apparatus of the present invention, the power, current, and voltage supplied between the anode 25 and the cathode 35 of the electrolytic cell 10 can be appropriately set.

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。   Examples are shown below, but the present invention is not construed as being limited thereto.

[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。
[Example 1]
(Measurement of K + concentration of electrolyte and electrical conductivity)
Pure water Kanto Chemical Co., Ltd. 48% potassium hydroxide aqueous solution (deer grade) was dissolved to prepare four types of electrolytes having a K + molar weight concentration of 3.0 to 8.6 mol / kg. The molar weight concentration of K + is the same numerical value as the molar weight concentration with KOH.
Electrical conductivity was measured for four types of electrolytes. The measurement results are shown in FIG.
FIG. 4 shows that the electrical conductivity of the electrolytic solution is high when K + is in the range of about 3 to 8 mol / kg, particularly about 4 to 7 mol / kg.

[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。
[Example 2]
(Measurement of the relationship between the electrical conductivity and the K + and Cs + concentration ratio in the electrolyte)
In pure water, a 48% potassium hydroxide aqueous solution (deer grade) manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. and a 50% cesium hydroxide (CsOH) aqueous solution manufactured by Alfa Aeaser are dissolved, and the molar weight of the total molar amount of K + and Cs + Three types of electrolytes having a concentration of 6 mol / kg and a K + and Cs + concentration ratio {K + / (K + + Cs + )} of 0.80 to 0.91 were prepared.
Electrical conductivity was measured for three types of electrolytes. The measurement results are shown in FIG.
From FIG. 5, when the molar weight concentration of the total molar amount of K + and Cs + is 6 mol / kg, the electrical conductivity of the electrolyte solution is within a range where K + / (K + + Cs + ) exceeds 0.85. It turns out that it becomes high.

[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。
[Example 3]
(Measurement of relationship between KOH concentration of electrolyte and electrolyte density)
A 48% potassium hydroxide aqueous solution (deer grade) manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. was dissolved in pure water to prepare five types of electrolytes having a KOH molar weight concentration of 0 to 7 mol / kg.
The density was measured for five types of electrolytes. The measurement results are shown in FIG.
FIG. 6 shows that the density of the electrolytic solution increases as the KOH concentration increases.

[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。
[Example 4]
(Measurement of the relationship between the concentration ratio of K + and Cs + in the electrolyte and the density of the electrolyte)
In pure water, a 48% potassium hydroxide aqueous solution (deer grade) manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. and a 50% cesium hydroxide (CsOH) aqueous solution manufactured by Alfa Aeaser are dissolved, and the molar weight of the total molar amount of K + and Cs + Three types of electrolytes having a concentration of 6 mol / kg and a K + and Cs + concentration ratio {K + / (K + + Cs + )} of 0.80 to 0.91 were prepared.
The density was measured for three types of electrolytes. The measurement results are shown in FIG.
FIG. 7 shows that when the molar weight concentration of the total molar amount of K + and Cs + is 6 mol / kg, the density of the electrolytic solution increases as K + / (K + + Cs + ) decreases.

[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。
[Example 5]
(Measurement of the relationship between the electrical conductivity and the K + and Cs + concentration ratio in the electrolyte)
In pure water, a 48% potassium hydroxide aqueous solution (deer grade) manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. and a 50% cesium hydroxide (CsOH) aqueous solution manufactured by Alfa Aeaser are dissolved, and the molar weight of the total molar amount of K + and Cs + Three types of electrolytes having a concentration of 6 mol / kg and a ratio K + / (K + + Cs + ) of K + and Cs + of 0.8 to 1 were prepared.
Electrical conductivity was measured for three types of electrolytes. The measurement results are shown in FIG. In addition, the electrical conductivity of FIG. 8 is shown as a relative value when the electrical conductivity in the reference electrolytic solution in which K + / (K + + Cs + ) is 1 is 1.
From FIG. 8, when the molar weight concentration of the total molar amount of K + and Cs + is 6 mol / kg, the K + / (K + + Cs + ) approaches 1 to 0.8, that is, the electrolyte is KOH. In addition, it can be seen that when KOH and CsOH are contained, the electrical conductivity of the electrolytic solution increases.

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。
From the results of Examples 1 to 5, it was found that the electrolytic efficiency was improved when the electrolytic solution contained KOH and CsOH as compared with the case where the electrolytic solution contained only KOH as the electrolyte.
Even when the electrolyte contains KOH and CsOH, the effect of improving the electrolytic efficiency varies depending on the mixing ratio of KOH and CsOH. When K + / (K + + Cs + ) is 0.8, the electrolytic efficiency is improved. It turned out that the effect of is the highest.

[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。
[Example 6]
(Measurement of the relationship between electrolyte flow rate and electrolytic efficiency)
A 48% potassium hydroxide aqueous solution (deer grade) manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. was dissolved in pure water to prepare an electrolytic solution having a KOH molar weight concentration of 6 mol / kg.
This electrolytic solution is introduced into the electrolytic cell 10 of the alkaline water electrolysis apparatus 1 shown in FIG. 1, and the total flow rate of the electrolytic solution introduced into the anode chamber 20 and the cathode chamber 30 of the electrolytic cell 10 is 0 ml / min, 210 ml / The electric conductivity of the electrolyte solution was measured when it was min and 830 ml / min. The flow rates of the electrolytic solution introduced into each of the anode chamber 20 and the cathode chamber 30 are 0 ml / min, 105 ml / min, and 415 ml / min, which are half the above flow rates.
Here, the flow rate (ml / min) of the electrolytic solution is not a value measured by the flow meters 65 and 75, but the total replacement amount in the case where the electrolytic solution in the electrolytic cell 10 is appropriately and intermittently replaced by time. It is calculated by dividing. Specifically, the flow rate (ml / min) of the electrolytic solution is set in advance in a suitable range of a composition suitable for electrolysis of the electrolytic solution, so that the composition of the electrolytic solution does not deviate from this preferred range. The total replacement amount of the electrolytic solution when the electrolytic solution in the electrolytic cell 10 was intermittently replaced was calculated by dividing by time.
The measurement results are shown in FIG. In FIG. 9, electrolytic efficiency is used as the vertical axis. This electrolysis efficiency is obtained by dividing the electric conductivity values when the electrolyte flow rate is 0 ml / min, 210 ml / min, and 830 ml / min by the electric conductivity value when the electrolyte flow rate is 0 ml / min. It is a thing. For this reason, the value of electrolysis efficiency is 1 when the electrolyte flow rate is 0 ml / min.
FIG. 9 shows that the electrolytic efficiency of the electrolytic solution increases as the flow rate of the electrolytic solution increases. Moreover, when the same experiment was conducted by changing the power supplied to the anode 25 and the cathode 35, it was found that the electrolytic efficiency increased as the electrolyte flow rate increased, regardless of the amount of power supplied.

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。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Alkaline water electrolysis apparatus 10 Electrolytic cell 20 Anode chamber 21 Anode chamber main body 22 Anode chamber upstream portion 23 Anode chamber midstream portion 24 Anode chamber downstream portion 25 Anode 26 Bottom introduction portion 27 Rectifier plate 28 Top discharge portion 30 Cathode chamber 31 Cathode chamber body 32 Cathode chamber upstream portion 33 Cathode chamber midstream portion 34 Cathode chamber downstream portion 35 Cathode 36 Bottom introduction portion 37 Rectifier plate 38 Top discharge portion 40 Diaphragm 50 Electrolyte tank 61 Anode chamber electrolyte supply system 62 Anode chamber liquid discharge system 63 Anode chamber Liquid circulation system 64 Liquid feed pump 65 Flow meter 66 Anode chamber liquid-gas-liquid separator 67 Oxygen gas system 68 Oxygen gas (oxygen)
71 Cathode Chamber Electrolyte Supply System 72 Cathode Chamber Liquid Discharge System 73 Cathode Chamber Liquid Circulation System 74 Feed Pump 75 Flow Meter 76 Cathode Chamber Liquid Gas-Liquid Separator 77 Hydrogen Gas System 78 Hydrogen Gas (Hydrogen)
80 Electrolytic solution 81 Anode chamber solution 82 Cathode chamber solution

Claims (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/m以上であることを特徴とするアルカリ水電解装置。
An anode chamber in which an anode is disposed, a cathode chamber in which a cathode is disposed, and a diaphragm partitioning the anode chamber and the cathode chamber, and hydrogen is produced by electrolyzing an electrolytic solution made of a basic aqueous solution. An alkaline water electrolysis apparatus equipped with an electrolytic cell,
The electrolytic cell is electrolyzed by the anode and the cathode while the electrolytic solution introduced from the bottom introduction portion of the anode chamber flows upward in the anode chamber toward the top discharge portion of the anode chamber. The anode chamber liquid and oxygen gas are generated, the anode chamber liquid and oxygen gas are discharged from the top discharge portion of the anode chamber, and the electrolyte introduced from the bottom introduction portion of the cathode chamber is the cathode. In the middle of flowing upward in the cathode chamber toward the top discharge portion of the chamber, the cathode and the cathode are electrolyzed to generate a cathode chamber liquid and hydrogen gas, and the cathode chamber liquid is generated from the top discharge portion of the cathode chamber. And hydrogen gas is discharged,
The electrolyte solution is alkaline water characterized in that the pH measured at 27 ° C. is 14 or more, the electrical conductivity measured at 27 ° C. is 0.25 S / cm or more, and the density is 1.25 kg / m 3 or more. Electrolytic device.
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。
The anode chamber of the electrolytic cell includes an anode chamber midstream portion provided with the anode, an anode chamber upstream portion located on the bottom portion introduction side of the anode chamber from the anode chamber midstream portion, and an anode chamber midstream portion. An anode chamber downstream portion located on the top discharge portion side of the anode chamber,
The cathode chamber of the electrolytic cell includes a cathode chamber midstream portion provided with the cathode, a cathode chamber upstream portion located on the bottom portion introduction side of the cathode chamber from the cathode chamber midstream portion, and a cathode chamber midstream portion. A cathode chamber downstream portion located on the top discharge portion side of the cathode chamber,
In the anode chamber upstream portion of the anode chamber and the cathode chamber upstream portion of the cathode chamber, a rectifying plate for arbitrarily controlling the flow direction of the electrolyte solution is disposed,
The anode chamber downstream portion of the anode chamber is formed in a shape in which the anode chamber liquid and oxygen gas flow upward,
2. The alkaline water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein the cathode chamber downstream portion of the cathode chamber is formed in a shape in which the cathode chamber liquid and hydrogen gas flow upward.
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。
An anode chamber liquid-gas-liquid separator that separates the anode chamber liquid and oxygen gas discharged from the anode chamber of the electrolytic cell;
The alkaline water electrolysis apparatus according to claim 1 or 2, further comprising a cathode chamber liquid-gas-liquid separator that separates the cathode chamber liquid and hydrogen gas discharged from the cathode chamber of the electrolytic cell.
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。
An electrolytic solution tank for storing an electrolytic solution to be supplied to the electrolytic cell;
A liquid feed pump for transferring the electrolytic solution in the electrolytic solution tank to the anode chamber and the cathode chamber of the electrolytic cell;
An anode chamber liquid circulation system for transferring the anode chamber liquid discharged from the anode chamber of the electrolytic cell to the electrolyte tank;
A cathode chamber liquid circulation system for transferring the cathode chamber liquid discharged from the cathode chamber of the electrolytic cell to the electrolyte tank;
The anode chamber liquid-liquid separator is provided in the middle of the anode chamber liquid circulation system,
4. The alkaline water electrolysis apparatus according to claim 3, wherein the cathode chamber liquid-liquid separator is provided in the middle of the cathode chamber liquid circulation system.
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。 The alkaline water electrolysis apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the density of the electrolytic solution is controlled by adjusting a kind or concentration of a cation in the electrolytic solution. 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。 The alkaline water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein the electrolytic solution contains KOH. 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。 6. The alkaline water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein the electrolytic solution contains KOH and an alkali metal hydroxide other than KOH. 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。 The alkaline water electrolysis apparatus according to claim 7, wherein the alkali metal hydroxide other than KOH is at least one selected from RbOH and CsOH. 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。 The alkaline water electrolysis apparatus according to any one of claims 6 to 8, wherein the electrolytic solution has a KOH concentration of 4 to 7 mol / kg. 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。 10. The electrolyte solution according to claim 6, wherein a ratio of the content of KOH to the content of alkali metal hydroxide is in a range of 80 to 100 mass%. Alkaline water electrolyzer. 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。 The alkaline water electrolysis apparatus according to any one of claims 6 to 10, wherein the electrolytic solution has a concentration of the alkali metal of 3 to 8 mol / kg. 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。 The said liquid feeding pump can supply the amount of electrolytes more than the consumption of the said electrolyte solution by the said electrolysis from the said electrolyte solution tank to the said electrolytic vessel, The any one of Claims 6-11 characterized by the above-mentioned. The alkaline water electrolysis apparatus according to item. 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/m以上であることを特徴とするアルカリ水電解方法。
An anode chamber in which an anode is disposed, a cathode chamber in which a cathode is disposed, and a diaphragm partitioning the anode chamber and the cathode chamber, and hydrogen is produced by electrolyzing an electrolytic solution made of a basic aqueous solution. An alkaline water electrolysis method using an alkaline water electrolysis apparatus comprising an electrolytic cell,
The electrolytic cell is electrolyzed by the anode and the cathode while the electrolytic solution introduced from the bottom introduction portion of the anode chamber flows upward in the anode chamber toward the top discharge portion of the anode chamber. The anode chamber liquid and oxygen gas are generated, the anode chamber liquid and oxygen gas are discharged from the top discharge portion of the anode chamber, and the electrolyte introduced from the bottom introduction portion of the cathode chamber is, In the middle of flowing upward in the cathode chamber toward the top discharge portion of the cathode chamber, the anode and the cathode are electrolyzed to generate a cathode chamber liquid and hydrogen gas, and from the top discharge portion of the cathode chamber, the Cathode chamber liquid and hydrogen gas are discharged,
Alkaline water characterized in that the electrolytic solution has a pH measured at 27 ° C. of 14 or more, an electrical conductivity measured at 27 ° C. of 0.25 S / cm or more, and a density of 1.25 kg / m 3 or more. Electrolysis method.
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