JP7009341B2 - アルカリ水電解装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルカリ水溶液を電気分解するアルカリ水電解装置に関する。

近年、エネルギの貯留手段や輸送手段として水素を用いることが注目され、水素を製造する水電解装置の開発が進められている。例えば、特許文献１には、複数のセル（アノード電極、カソード電極）をアルカリ水溶液中に配置し、各セルに電力を供給することでアルカリ水溶液を電気分解して水素を生成するアルカリ水電解装置（水素製造システム）が開示されている。

特開２０１７－１７９５５７号公報

ところで、特許文献１に開示されているようなアルカリ水電解装置では、アルカリ水溶液によって溶解しない電極を用いる必要がある。例えば、溶解しない白金系の材料を用いて電極を構成すると、装置の製造コストが上昇することになる。溶解が生じない電極として、低コストの半導体（例えば、Ｆｅ₂Ｏ₃を有する鉄材料）を用いることも考えられるが、この種の半導体は、電気分解時に酸化がなされることで、電極の反応面積を減らして水素の生成効率を下げてしまう。

また、アノード電極とカソード電極の間に存在するアルカリ水溶液は、高い拡散抵抗を有しており、電気分解時には、この拡散抵抗により過電圧が生じることで、エネルギを多量に消費することになる。すなわち、アルカリ水溶液を用いた電気分解では、この種の過電圧をも低減して、水素の生成効率を向上することが求められている。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、アルカリ水溶液に配置した電極の状態を維持しつつ過電圧を下げることで、電気分解を一層効率的且つ持続的に行うことが可能なアルカリ水電解装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、アノード電極とカソード電極を互いに対向させてアルカリ水溶液中に配置し、前記アノード電極及び前記カソード電極に電力を供給することで電気分解を行うアルカリ水電解装置であって、前記アノード電極は、受光に基づき起電力を生じる半導体で構成されており、前記アノード電極と前記カソード電極の間隙に配置され、少なくとも前記アノード電極に向けて光を出射する光出射体と、前記間隙が連続している方向に前記光出射体を移動させる動作を繰り返すことで、前記アルカリ水溶液を撹拌する撹拌機構部と、を備える。

上記によれば、アルカリ水電解装置は、アノード電極が半導体に構成され、このアノード電極に光を出射する光出射体と、アノード電極とカソード電極の間隙が連続している方向に光出射体を移動させる撹拌機構部と、を備えることで、電気分解を効率的且つ持続的に行うことができる。すなわち、光出射体は、撹拌機構部により間隙を移動する際にアルカリ水溶液を撹拌することで、電極付近に存在する気泡を除去して電極の反応面積の減少を抑制する。また、撹拌されたアルカリ水溶液は、拡散速度を超えるイオン伝導を得て拡散抵抗による過電圧を低下させ、電気分解時のエネルギを低減する。さらに、半導体に構成されたアノード電極は、光出射体からの受光により起電力を生じ、アルカリ水溶液中に電流を流して一対の電極付近の電気化学反応を促進する。しかも、受光時にアノード電極自体が還元される一方で、非受光時にアノード電極自体が酸化するので、見かけ上はアノード電極の状態が安定的に保たれる。その結果、アルカリ水電解装置は、酸素過電圧を低くして電極の状態を維持しつつ、電気分解をより効率化することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るアルカリ水電解装置の全体構成を概略的に示す斜視図である。 図２Ａは、電解槽内の構造を概略的に示す側面断面図である。図２Ｂは、図２ＡのＩＩＢ－ＩＩＢ線の断面図である。 図２ＡのＩＩＩ－ＩＩＩ線断面で示す光出射体とアノード電極の配置状態を示す説明図である。 光出射体が回転した際の気泡の除去を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係るアルカリ水電解装置の電解槽内の構造を概略的に示す側面断面図である。 本発明の第３実施形態に係るアルカリ水電解装置の電解槽内の構造を概略的に示す側面断面図である。 本発明の第４実施形態に係るアルカリ水電解装置の全体構成を概略的に示す斜視図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るアルカリ水電解装置１０は、図１に示すように、アルカリ水溶液Ｗを貯留する電解槽１２を有し、アルカリ水電気分解方式により水素を生成する。このアルカリ水電解装置１０は、例えば、水素を製造及び蓄積して、図示しない燃料電池自動車に水素を供給する水素ステーションに適用される。或いは、アルカリ水電解装置１０は、施設等の蓄電システムに適用可能であり、太陽光、風力、地熱等の自然エネルギによる電力又は低価格帯の電力等から水素を製造するシステムに適用することができる。

電気分解に用いるアルカリ水溶液Ｗは、特に限定されるものではないが、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、炭酸ナトリウム水溶液等があげられる。換言すれば本実施形態において、アルカリ水電解装置１０は、ｐＨ１４以上の強いアルカリ性を有するアルカリ水溶液Ｗを使用する。勿論、アルカリ水電解装置１０は、ｐＨ１４より低いアルカリ性のアルカリ水溶液を使用してもよい。

アルカリ水電解装置１０は、上記の電解槽１２と、電解槽１２の内部に配置される一対の電極１４と、一対の電極１４に電力を供給する電解電源１６と、アルカリ水電解装置１０の動作を制御する制御装置１８と、を備える。また、アルカリ水電解装置１０は、アルカリ水溶液Ｗを電解槽１２に供給すると共に電解槽１２のアルカリ水溶液Ｗを排出する（すなわち、アルカリ水溶液Ｗを循環させてｐＨを略一定に保つ）図示しない循環回路部を有する。

図１及び図２Ａに示すように、アルカリ水電解装置１０の電解槽１２は、所定の容積の貯留空間２０を有する直方形状の箱に形成されている。なお、電解槽１２の形状は、特に限定されるものではなく、後述する一対の電極１４の円形状（平面形状）に応じて円筒状等に形成されてもよい。

電解槽１２は、貯留空間２０の上側の開口を閉じる蓋体２６を有する（図１中では、図の理解の容易化のために図示を省略している）。蓋体２６には、電気分解により生成され上方に移動した水素を電解槽１２から移送して蓄積する水素蓄積部２８が接続されている。例えば、水素蓄積部２８は、蓋体２６の取出ポート２６ａに接続され水素配管３０と、水素配管３０に接続され水素を圧縮して蓄圧する水素タンク３２とを備える。水素配管３０の途上には、生成した水素から水を分離してドライ水素（製品水素）とする図示しない気液分離部が設けられていてもよい。

電解槽１２の貯留空間２０を囲う内壁２２は、強いアルカリ性のアルカリ水溶液Ｗでも溶けない耐性を有するように構成される。この内壁２２には、一対の電極１４を保持する複数の保持部材２４が設けられている。また、電解槽１２の内部には、アルカリ水溶液Ｗの上方を覆うように水素分離膜３４が設けられる。水素分離膜３４は、電気分解により生成された水素と酸素の混合気体から酸素を分離して、取出ポート２６ａが連通する空間に水素を移動させる。

さらに、電解槽１２の内壁２２には、生成した水素の発火を防止する防爆構造部３６が設けられる。例えば、防爆構造部３６は、電気分解中に貯留空間２０に生じて滞留する電子（静電気）を取り除く構造体、及びこの構造体に接続される配線等により構成することができる。

アルカリ水溶液Ｗを電解槽１２に循環させる循環回路部は、電解槽１２に連通する循環用配管、この循環用配管に設けられるポンプ及び水溶液供給部等を備える（共に不図示）。アルカリ水溶液Ｗは、制御装置１８によるポンプの制御下に循環用配管を流動して電解槽１２の貯留空間２０に供給されると共に、電解槽１２から循環用配管に排出される。なお、アルカリ水電解装置１０は、循環回路部を備えず、電解槽１２内のアルカリ水溶液Ｗを適宜のタイミングで交換する構成でもよい。

アルカリ水電解装置１０の一対の電極１４は、アノード電極４０（陽極）とカソード電極４２（陰極）とにより構成され、両電極ともアルカリ水溶液Ｗ中に水没するように配置される。アノード電極４０とカソード電極４２は、平面視で、互いに略同じ面積及び板厚を有する円板状に形成されている。

アノード電極４０及びカソード電極４２は、電解槽１２の複数の保持部材２４にそれぞれ支持されることで、貯留空間２０の適宜の位置に位置決め固定される。複数の保持部材２４は、内壁２２から内側に突出し、アノード電極４０及びカソード電極４２の各外縁の周方向上の複数箇所を保持している。これによりアノード電極４０の電極面４０ａとカソード電極４２の電極面４２ａは、電解槽１２内において相互に対向し合った状態が維持される。なお、本実施形態では、アノード電極４０を下側に配置し、カソード電極４２を上側に配置しているが、一対の電極１４の配置は逆でもよい。また、本実施形態では、アノード電極４０、カソード電極４２の電極面４０ａ、４２ａを共に水平方向に延在した姿勢としているが、アルカリ水電解装置１０は、このような配置に限定されるものではない。例えば、電極面４０ａ、４２ａが重力方向に延在する立位姿勢で固定してもよく、電極面４０ａ、４２ａが水面に対して傾斜する姿勢で固定してもよい。

アノード電極４０及びカソード電極４２は、電解槽１２内で互いに平行に配置されており、相互の電極面４０ａ、４２ａ（対向面）の間に間隙４４を形成している。間隙４４は、電極面４０ａ、４２ａの面方向に沿って一定間隔で連続している。間隙４４の間隔は、水素の生成効率や電解槽１２の大きさ等に応じて任意に設計することが可能であり、例えば、数十μｍ～数ｍｍの範囲に設定されることが好ましい。

アノード電極４０及びカソード電極４２の各々には、電気配線４６が接続され、この電気配線４６は電解電源１６に接続されている。電気配線４６は、アノード電極４０及びカソード電極４２を保持する保持部材２４内や電解槽１２の壁部を介して、電解槽１２の外部に通じている。

このように構成されたアルカリ水電解装置１０は、電解電源１６から適宜の電力を供給することで、アルカリ水溶液Ｗの電気分解を行う。具体的には、以下の化学反応式のように、アノード電極４０では、アルカリ水溶液Ｗの塩基から酸素、水、電子を生じさせ、カソード電極４２では、アルカリ水溶液Ｗの水と電子から水素と塩基を生じさせる。
アノード電極４０：４ＯＨ^-→Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-
カソード電極４２：２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋２ＯＨ^-

アルカリ水電解装置１０の電解電源１６は、制御装置１８の制御下に、一対の電極１４への電力供給と供給遮断とを切り換えると共に、制御装置１８が設定した電圧値や電流値の電力を一対の電極１４に供給する。制御装置１８は、一対の電極１４に供給する電力量を適宜調整する構成であるとよい。

そして、本実施形態に係るアルカリ水電解装置１０は、一対の電極１４の間隙４４に光出射体４８を配置している。つまり、一対の電極１４の間隙４４には、イオン交換膜等のイオンを移動させる触媒が設けられていない。光出射体４８は、アノード電極４０に光を出射すると共に、間隙４４を移動することでアルカリ水溶液Ｗを撹拌する機能を有している。

すなわち、本実施形態に係るアルカリ水電解装置１０は、アノード電極４０に光を照射する光照射機構部５０と、アルカリ水溶液Ｗを撹拌する撹拌機構部６０とを有する。間隙４４に配置された光出射体４８は、光照射機構部５０と撹拌機構部６０の両方の構成を兼ねている。

また、アノード電極４０は、光の受光に伴い起電力（光起電力）を生じる半導体に構成されている。詳細には、アノード電極４０を構成する材料は、鉄合金又は鉄－ニッケル合金であり、且つカソード電極４２との対向面（電極面４０ａ）全体がＦｅ₂Ｏ₃（所謂、赤サビ）で覆われている。なお、アノード電極４０は、対向面に加えて反対面もＦｅ₂Ｏ₃で覆われた構成でもよい。或いは、アノード電極４０の対向面は、一部分がＦｅ₂Ｏ₃で覆われている構成でもよい。

ここで、鉄合金又は鉄－ニッケル合金を覆うＦｅ₂Ｏ₃は、光の受光に基づき光起電力を得るものの、化学的には不安定であり、電気分解時に光起電力を生じないＦｅ₃Ｏ₄に遷移（酸化）しようとする。そのため、光照射機構部５０は、撹拌機構部６０と協働することで、アノード電極４０に光を断続的（間欠的）に照射するように構成している。これにより、アノード電極４０は、光出射体４８からの光の受光に伴い電子を生じつつ、電極自体が還元する。その一方で、光を受光していない非受光時には酸化される。つまり、光照射機構部５０（及び撹拌機構部６０）は、アノード電極４０の受光と非受光を交互に切り替えることで、還元反応と酸化反応を交互に行うことを実現する。これによりアノード電極４０は、Ｆｅ₂Ｏ₃で覆った状態、換言すれば見かけ上において酸化及び還元が進行しない状態が継続されることになる。

なお、アノード電極４０は、上記の材料に限定されるものではなく、半導体に構成されていれば同様の作用（光起電力の発生、還元及び酸化を繰り返す反応）を得ることができる。また、カソード電極４２は、電気分解を実施可能な材料であれば、特に限定されるものではない。例えば、カソード電極４２を構成する材料は、鉄合金又は鉄－ニッケル合金を適用し、対向面にＦｅ₂Ｏ₃が設けられていないものを適用することができる。

アノード電極４０に光を照射する光照射機構部５０は、照射装置５２と、中継管５４を介して照射装置５２に接続される軸体５５と、軸体５５に連結される上述の光出射体４８と、を備える。

照射装置５２は、光源として太陽光を利用して、中継管５４、軸体５５に太陽光を導くように構成される。例えば、照射装置５２は、太陽光を集光するレンズ等によって構成される集光部５２ａを有する。なお、照射装置５２は、例えば天候や時間帯等により太陽光が弱い場合に、他の光源として所定の波長の光を出力する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等を利用することもできる。この照射装置５２は、制御装置１８に接続され、制御装置１８の制御下に、光の供給又は供給停止、或いは光源の切り換え等を実施する構成であるとよい。照射装置５２に接続される中継管５４は、中継管側光導波路５４ａを内部に備え、照射装置５２が出射した光を軸体５５に伝達する。この中継管５４は、軸体５５と照射装置５２の配置関係に応じて、硬質且つ直線状に形成されたものでもよく、可撓性を有するものでもよい。

軸体５５は、直線状且つ所定の長さの棒状に形成され、電解槽１２の上方から下方に向かって垂下している。アノード電極４０及びカソード電極４２の中心位置には挿通孔４５が設けられ、軸体５５は、この挿通孔４５を通して貯留空間２０を延在している。軸体５５は、その軸方向上の所定位置（アノード電極４０とカソード電極４２の間に間隙４４）において、光出射体４８を連結及び支持している。

軸体５５の上端は、電解槽１２の上方に設けられた接続部５８において中継管５４に接続されている。接続部５８は、光を通過させつつ、中継管５４に対して軸体５５を回転可能に支持する軸受としての機能を有している。軸体５５の下端は、電解槽１２の底壁に設けられたピボット軸受５９に軸支されている。そしてなお、軸体５５は、ピボット軸受５９に支持されず、接続部５８のみに支持される構成でもよい。

軸体５５の内部には、照射装置５２が出力した光を光出射体４８に導く軸体側光導波路５６が設けられている。軸体側光導波路５６（及び上述した中継管側光導波路５４ａ）は、光ファイバと同様の原理により光を導くものを適用することができる。例えば、軸体５５は、コアを構成する中実部材５５ａと、この中実部材５５ａの外周面を覆ってクラッドを構成する管状部材５５ｂとで構成される。中実部材５５ａと管状部材５５ｂは、透明性を有すると共に、相互に屈折率が異なる樹脂材料から構成される。これにより、軸体側光導波路５６は、中実部材５５ａと管状部材５５ｂの境界において光を全反射して、軸体５５の延在方向に損失なく光を導くことができる。また、軸体側光導波路５６は、光出射体４８の連結部分において、光を屈曲させて光出射体４８に導く屈折部５７を備える。

管状部材５５ｂは、アルカリ水溶液Ｗにより溶解しない樹脂材料で構成される。なお、中実部材５５ａや管状部材５５ｂは、石英ガラス等により構成されてもよく、この場合、軸体５５は、管状部材５５ｂの外周面にアルカリ水溶液Ｗに溶解しない被覆部（不図示）で覆った構造を適用すればよい。

一方、光出射体４８は、軸体５５に複数（図１中では一対）連結されている。一対の光出射体４８は、軸体５５の同じ高さ（軸）位置から互いに反対方向、且つ軸体５５の軸に対して直交方向に延在している。なお、光出射体４８の設置数は、特に限定されず、１本でもよく、或いは３本以上設けられていてもよい。

光出射体４８は、硬質な棒状に形成されており、アノード電極４０及びカソード電極４２との非接触状態を保ちながら間隙４４内を直線状に延在している。各光出射体４８の延在長さは、円板状のアノード電極４０及びカソード電極４２の半径に略一致している。

光出射体４８の内部には、軸体側光導波路５６から導かれた光を導く出射体側光導波路４９が設けられている。図２Ｂに示すように、出射体側光導波路４９は、上述した軸体５５と同様に、透明性を有し相互に屈折率が異なる中実部材４８ａと管状部材４８ｂとで構成することが可能である。また、光出射体４８は、管状部材４８ｂを収容すると共に、アノード電極４０と対向しない方向への光の出射を遮断する遮蔽部材４８ｃを有する。中実部材４８ａ、管状部材４８ｂ、遮蔽部材４８ｃは、アルカリ水溶液Ｗに溶解しない樹脂材料に構成される。

ここで、中実部材４８ａは、出射体側光導波路４９を通る光を適切に散乱させつつ、光出射体４８の延在方向に光を導くように構成される。この中実部材４８ａは、例えば、上述した屈折率を有する透明な樹脂材料に、不純物（散乱物質）を混ぜることで構成し得る。このように不純物を含む中実部材４８ａ（コア）は、内部を通過する光を散乱させることで、光出射体４８の延在方向と直交する方向に光を分散させる。つまり、光出射体４８は、出射体側光導波路４９に導かれた光を、管状部材４８ｂの外周面から出射することが可能であり、しかも不純物が適切に分布していることで管状部材４８ｂの延在方向に沿って略均一的な光量で出射することができる。

また、遮蔽部材４８ｃは、断面視で角筒状に形成され、アノード電極４０との対向する面を開放する一方、他の３面４８ｃ１について光を遮蔽する構造に構成されるとよい。また、遮蔽部材４８ｃは、管状部材４８ｂを配置した際の境界部分に光を全反射するミラー構造を有するとよい。これにより、管状部材４８ｂの外周面から出射した光は、遮蔽部材４８ｃの開放部４８ｃ２を介してアノード電極４０に照射されるようになる。また、遮蔽部材４８ｃは、開放部４８ｃ２以外の他の３面４８ｃ１から周囲への光の漏れを抑制することで、アノード電極４０への光の間欠的な出射を促進する。すなわち、アノード電極４０は、光出射体４８の周辺以外が暗くなることで、非受光状態が良好に形成される。

なお、光出射体４８や軸体５５は、上記の構成に限定されるものではなく、アノード電極４０に光を照射可能な種々の構造を適用し得る。例えば、光出射体４８や軸体５５は、光を通過させると共に反射面（適度な屈折率）を内周面に有する中空管に構成されてもよい。つまり中空管の空間が出射体側光導波路４９や軸体側光導波路５６として機能する。この場合、光出射体４８は、アノード電極４０と対向する中空管の面に光を透過可能な窓を備え、窓を介して出射体側光導波路４９の光を出射させる構成とすればよい。

一方、アルカリ水電解装置１０の撹拌機構部６０は、間隙４４が連続している方向に光出射体４８を回転させる（動かす）ことで、アルカリ水溶液Ｗを撹拌する（図３及び図４も参照）。すなわち、光出射体４８は、撹拌機構部６０により、軸体５５の軸回りに回転する動作を繰り返すように構成される。具体的には、撹拌機構部６０は、駆動源６２と、複数のギア等により構成される駆動伝達部６４と、上述した軸体５５及び光出射体４８と、を含む。

駆動源６２は、例えば、電力以外のエネルギにより動力を得る動力源を適用するとよい。このエネルギとしては、例えば、風力、水力、温度差、火力や焼却炉の排ガス圧等があげられ、駆動源６２はこれらのエネルギに応じた動力変換機構を有し、回転力を得ればよい。なお、駆動源６２は、電力により動力を得るモータ、また燃料の燃焼により動力を得る内燃機関等を適用することもできる。駆動源６２は、制御装置１８に接続され、制御装置１８の制御下に動作の開始や停止を切り換える構成であるとよい。また、駆動伝達部６４は、駆動源６２の動力を適切な回転速度に変換して軸体５５に伝達し、軸体５５を軸回りに回転させる。軸体５５は、接続部５８付近において駆動伝達部６４から回転駆動力が伝達されることで、全体が回転し、軸体５５の下側に連結されている光出射体４８を連れ回りさせる。

アルカリ水電解装置１０の制御装置１８は、プロセッサ、メモリ、入出力インタフェースを有するコンピュータとして構成されている。制御装置１８は、メモリに記憶された図示しないプログラムを、プロセッサが読み出して実行処理することで、各装置の動作内容を設定して指令を行う。例えば、制御装置１８は、アルカリ水溶液Ｗの電気分解の実施中に、光出射体４８から光を出射しつつ、光出射体４８を適宜の回転速度で回転させる制御を行う。

また、制御装置１８は、一対の電極１４に供給する電解電源１６の電力に基づき、光出射体４８（照射装置５２）から出力する光の光量、及び光出射体４８の回転速度を変化させる制御を行ってもよい。例えば、制御装置１８は、電解電源１６の電力が多くなるに連れて、光出射体４８の光量及び回転速度を増加させる制御を行うことができる。

次に、上記のアルカリ水電解装置１０の動作の一例について説明する。

アルカリ水電解装置１０は、制御装置１８による循環回路部の制御に基づき、電解槽１２の貯留空間２０に所定量のアルカリ水溶液Ｗを貯留する。制御装置１８は、ユーザの設定内容に基づき電解電源１６を制御して、電解電源１６から一対の電極１４に電力を供給し、一対の電極１４によりアルカリ水溶液Ｗを電気分解する。この電気分解により、上述したように、アノード電極４０には酸素が発生する一方で、カソード電極４２には水素が発生する。また、アルカリ水電解装置１０の制御装置１８は、電気分解中に、光照射機構部５０及び撹拌機構部６０を動作させる。

すなわち、光照射機構部５０は、照射装置５２から中継管５４に光を出力する。この光は、中継管側光導波路５４ａを介して軸体側光導波路５６に導かれ、図２Ａに示すように、軸体側光導波路５６を進んだ光は、軸体側光導波路５６内の屈折部５７に当たって、一対の光出射体４８の出射体側光導波路４９に導かれる。そして、出射体側光導波路４９を進む光は、各光出射体４８（管状部材４８ｂ）の外周面から出射されることで、アノード電極４０の電極面４０ａに受光される。

アノード電極４０は、上述したようにＦｅ₂Ｏ₃を有する半導体に構成されており、光の照射に基づき光起電力を生じる。この光起電力は電気化学反応に利用される。また、アノード電極４０の電極面４０ａは、電気分解時に、光を受光していない場合に酸化反応を生じる一方で、光出射体４８から光を受光した場合に還元反応を生じる。そのため、アルカリ水電解装置１０は、アノード電極４０を構成する半導体（Ｆｅ₂Ｏ₃）の状態を良好に維持することができる。

光出射体４８からアノード電極４０への光の間欠的な出射（アノード電極４０の受光と非受光）は、撹拌機構部６０の動作下に光出射体４８が回転することによりなされる。撹拌機構部６０は、制御装置１８の制御下に回転数が制御されて回転し、駆動伝達部６４を介してこの回転駆動力を軸体５５に伝達する。これにより、軸体５５に連結されている光出射体４８は、水平高さ位置を保持しつつ一対の電極１４の間隙４４内を回転移動する。

ここで、アノード電極４０の電極面４０ａは、電気分解時に酸素を生成することで、図３に示すように酸素が付着し易い。この酸素が付着したままであると、電極の反応面積が減少することになる。撹拌機構部６０は、図４に示すように、軸体５５を中心に光出射体４８を回転させてアルカリ水溶液Ｗを撹拌することで、電極面４０ａに付着する気泡（酸素）を取り除くことができ、反応面積の減少を防ぐことができる。

特に、アルカリ水電解装置１０は、アノード電極４０の電極面４０ａと光出射体４８との間隔を充分に小さく（例えば、１ｍｍ以下に）設定しているとよい。これにより、光出射体４８は、回転時に、電極面４０ａに付着した気泡に直接当たることも可能となり、気泡を簡単に取り除くことができる。なお、光出射体４８は、低摩擦力を有し、アノード電極４０に直接接触する気泡除去部材（ブラシ等）を備えた構成でもよい。

また、光出射体４８は、従来適用していたイオン交換膜を用いずに、間隙４４のアルカリ水溶液Ｗを撹拌する。よって間隙４４のアルカリ水溶液Ｗは、拡散速度を超えるイオン伝導を得て、拡散抵抗による過電圧を下げることができる。従って、アルカリ水電解装置１０は、電気分解に要するエネルギを小さくして、水素をより効率的に得ることができる。

このように、アルカリ水電解装置１０は、光照射機構部５０及び撹拌機構部６０によって、アルカリ水溶液Ｗを持続的且つ効率的に電気分解することができる。電気分解により生成された酸素及び水素は、アルカリ水溶液Ｗ中を上昇する。この際、電解槽１２は、水素分離膜３４の下側に設けられた防爆構造部３６により静電気を除去することで、生成された水素の発火を防止する。そして、酸素及び水素は、貯留空間２０の上部に配置された水素分離膜３４により相互に分離し、水素分離膜３４を透過した水素は、蓋体２６に接続された水素配管３０を介して水素タンク３２に貯留される。

なお、本発明に係るアルカリ水電解装置１０は、第１実施形態の構成に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。以下、図５～図７を参照して、他の実施形態について説明する。なお、以降の説明において、上述の実施形態と同じ構成又は同じ機能を有する要素には、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

〔第２実施形態〕
第２実施形態に係るアルカリ水電解装置１０Ａは、図５に示すように、軸体５５の軸方向に沿って一対の電極１４（アノード電極４０、カソード電極４２）を複数設けた点で、第１実施形態に係るアルカリ水電解装置１０と異なる。このため、アルカリ水電解装置１０Ａの電解槽１２Ａは、軸方向に並ぶ全ての電極が水没可能な適宜の深さを有するように構成される。また、アルカリ水電解装置１０Ａは、複数の一対の電極１４に対応して（一対の）光出射体４８を軸体５５の軸方向に沿って複数設けた構成となっている。光出射体４８の構成は、基本的に第１実施形態と同様である。

複数のアノード電極４０及び複数のカソード電極４２は、電気配線４６を介して電解電源１６に接続され、各設置箇所において隣接し合う電極間で電気分解を行う。軸方向に並ぶ複数の光出射体４８は、複数の一対の電極１４間に形成される各間隙４４に配置され、軸体５５の回転に伴い各間隙４４内を回転移動する。

軸体５５内の軸体側光導波路５６には、軸方向上に並ぶ複数の光出射体４８の各々に光を分岐して出射体側光導波路４９に導く分岐部５７ａが設けられている。例えば、分岐部５７ａは、中実部材５５ａにおいて屈折率が適切に切り換わる境界を形成することにより構成され得る。照射装置５２から出力されて軸体側光導波路５６に導かれた光は、複数の分岐部５７ａによって各出射体側光導波路４９に導かれる。そして光出射体４８の外周面から出射されて、各アノード電極４０の電極面４０ａに照射される。

以上のように、第２実施形態に係るアルカリ水電解装置１０Ａは、複数の一対の電極１４により電気分解を行うことで、水素の生成量を大幅に高めることができる。また、電気分解時には、撹拌機構部６０により回転する軸体５５によって、軸方向上の複数の光出射体４８が一体に回転し、各一対の電極１４の間隙４４に存在するアルカリ水溶液Ｗを撹拌する。さらに、光照射機構部５０は、軸方向上の複数の光出射体４８から複数のアノード電極４０に向けて光を出射することで、アノード電極４０に間欠的に光を供給する。これにより半導体として構成されるアノード電極４０は、光起電力を得ると共に、その状態を良好に維持して、電気分解を持続的且つ効率的に行うことができる。

〔第３実施形態〕
第３実施形態に係るアルカリ水電解装置１０Ｂは、図６に示すように、軸体５５の軸方向に沿ってアノード電極４０とカソード電極４２を交互に備え、各電極の間に光出射体４８をそれぞれ配置した点で、上述したアルカリ水電解装置１０、１０Ａと異なる。これによりアノード電極４０とカソード電極４２は、相互に対向し合う両方の面を電気分解時の反応面（電極面４０ａ、４２ａ）として使用することができる。

光出射体４８は、光照射機構部５０及び撹拌機構部６０により、それぞれの間隙４４において光の間欠的な供給とアルカリ水溶液Ｗの撹拌とを行うことで、第１実施形態と同様の作用を生じさせる。従って、アルカリ水電解装置１０Ｂは、水素の生成量をより一層高めることができ、また電解槽１２Ｂ（ひいてはアルカリ水電解装置１０Ｂ全体）を小型化することが可能となる。

〔第４実施形態〕
第４実施形態に係るアルカリ水電解装置１０Ｃは、図７に示すように、一対の電極１４Ａの間隙４４に配置される光出射体４８を往復移動させる撹拌機構部６０Ａを備える点で、上述のアルカリ水電解装置１０、１０Ａ、１０Ｂとは異なる。また、電解槽１２内に配置される一対の電極１４Ａは、光出射体４８の往復移動方向に対応して長方形且つ平板状に形成されている。

具体的に、撹拌機構部６０Ａは、制御装置１８により動作が制御される駆動源６６と、駆動源６６の動作力を直動移動力に変換するボールネジ６８と、軸体５５の移動をガイドするレール７０と、を備える。駆動源６６は、上述の動力源と同様に、風力、水力、温度差、火力や焼却炉の排ガス圧等のエネルギに応じてボールネジ６８を回転させる機能を有する。これにより軸体５５は、駆動源６６によるボールネジ６８の回転下に、一対の電極１４Ａの延在方向（本実施形態では長手方向）に沿って前進と後退を行う。光出射体４８は、軸体５５の往復に従って間隙４４を往復移動する動作を繰り返すことで、アルカリ水溶液Ｗを撹拌してアノード電極４０に付着している気泡を除去する。

また、光出射体４８は、光照射機構部５０によりアノード電極４０に光を照射するように構成されており、撹拌機構部６０Ａによる往復移動に基づき、アノード電極４０に対して光を間欠的に出射することができる。これにより上述したように、半導体として構成されるアノード電極４０は、光起電力を得ると共に、その状態が良好に維持される。

なお、第４実施形態に係るアルカリ水電解装置１０Ｃでも、第２及び第３実施形態と同様に、一対の電極１４Ａを複数配置して、複数の一対の電極１４Ａの各間隙４４に光出射体４８を配置した構成を採ることができる。また、光出射体４８を往復移動する撹拌機構部６０Ａの構成は、図７中に示す構成に限定されるものではない。例えば、軸体５５を時計回りと反時計回りに往復回転させる機構を採用して、光出射体４８を自動車のワイパーのように動かす構成でもよい。

アルカリ水電解装置１０、１０Ａ～１０Ｃの他の構成例としては、光照射機構部５０において、光出射体４８自体にＬＥＤ等の光源を備える構成としてもよい。すなわち、光照射機構部５０は、光出射体４８のＬＥＤに電力を供給することでも、アノード電極４０に光を出射することができる。

上記のアルカリ水電解装置１０、１０Ａ～１０Ｃの実施形態から把握し得る技術的思想について、以下に記載する。

アルカリ水電解装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、アノード電極４０とカソード電極４２の間隙４４が連続している方向に光出射体４８を移動させる撹拌機構部６０、６０Ａと、を備えることで、電気分解を効率的且つ安定的に行うことができる。すなわち、光出射体４８は、撹拌機構部６０、６０Ａにより間隙４４を移動する際にアルカリ水溶液Ｗを撹拌することで、電極付近に存在する気泡（酸素、水素）を除去して電極の反応面積の減少を抑制する。また、アルカリ水溶液Ｗは、拡散速度を超えるイオン伝導を得て拡散抵抗による過電圧を低下させることで、電気分解時のエネルギを低減する。さらに、半導体に構成されたアノード電極４０は、光出射体４８から光を受光することで起電力を生じ、アルカリ水溶液Ｗ中に電流を流して一対の電極１４、１４Ａ付近の電気化学反応を促進する。しかも、受光時にアノード電極４０自体が還元される一方で、非受光時にアノード電極４０自体が酸化するので、見かけ上はアノード電極４０の状態が安定的に保たれる。その結果、アルカリ水電解装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、酸素過電圧を低く維持しつつ、光起電力を継続して取り出すことができ、電気分解をより効率化することが可能となる。

また、アノード電極４０を構成する材料は、鉄合金又は鉄－ニッケル合金であり、且つアノード電極４０の表面の一部又は全部がＦｅ₂Ｏ₃で覆われている。これにより、アルカリ水溶液Ｗによって溶解しない電極を低コストで製造できるので、アルカリ水電解装置１０、１０Ａ～１０Ｃの製造コストをより低廉化することができる。そして、このアノード電極４０は、光起電力の発生、及び光の間欠的な供給に伴うアノード電極４０自体の状態維持を良好に実現することができる。

また、撹拌機構部６０、６０Ａは、光出射体４８が間隙４４に位置するように当該光出射体４８を支持する軸体５５を有し、光出射体４８及び軸体５５の内部には、アノード電極４０に出射する光を導く光導波路（出射体側光導波路４９、軸体側光導波路５６）が設けられている。この出射体側光導波路４９、軸体側光導波路５６により、アルカリ水電解装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、損失が少ない光を光出射体４８に導くことができる。そのため、光出射体４８は、アノード電極４０とカソード電極４２の間の間隙４４においてアノード電極４０に対して光を良好に照射することができる。

また、撹拌機構部６０は、軸体５５を回転させる駆動源６２を有し、光出射体４８は、軸体５５の回転に伴い間隙４４を回転移動する。これにより、光出射体４８は、アノード電極４０及びカソード電極４２の電極面４０ａ、４２ａを繰り返して通ることになり、光の間欠的な供給を簡単に行うことができる。さらに、光出射体４８は、回転に伴い遠心方向に向かって気泡を導くことで、アルカリ水溶液Ｗをより良好に撹拌することが可能となる。

また、アノード電極４０及びカソード電極４２は、相互に対向し合う円板状に形成され、軸体５５は、アノード電極４０及びカソード電極４２の中心部に位置し、光出射体４８は、アノード電極４０の中心部から径方向外側に向かって当該アノード電極４０の半径に一致した長さで延在している。これにより、光出射体４８は、撹拌機構部６０の回転に伴い、アノード電極４０の電極面４０ａ全体に対向することになり、アノード電極４０への光の照射を満遍なく行い、また電極面４０ａに付着する気泡の除去を確実に行うことができる。

そして、アノード電極４０及びカソード電極４２は、複数設けられ、且つ互いに隣接するように交互に配置され、光出射体４８は、相互に所定間隔で隣接するアノード電極４０とカソード電極４２の間の各間隙４４に配置される構成とすることができる。これにより、複数の箇所に設けられたアノード電極４０とカソード電極４２において、アルカリ水溶液Ｗの電気分解を行って水素の生成量を増加することができる。その結果、装置（設置スペース）の小型化が図られ、また設置コストも抑制することができる。しかも、アノード電極４０とカソード電極４２の各間隙４４には、光出射体４８がそれぞれ配置される。各光出射体４８は、光を出射しつつ移動することで、各アノード電極４０において光の受光による起電力の発生、及び光の間欠的な供給に伴う電極の状態維持を図ることができる。

また、アルカリ水電解装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、アルカリ水溶液Ｗを貯留する電解槽１２、１２Ａ、１２Ｂを有し、電解槽１２、１２Ａ、１２Ｂは、電気分解により生じた水素及び酸素の混合気体から前記水素を分離する水素分離膜３４と、水素分離膜３４よりも下方側に設けられ、水素の発火を防止する防爆構造部３６と、を備える。これにより、電気分解により生成された水素について、水素の発火を防ぎつつ電解槽１２、１２Ａ、１２Ｂから容易に取り出すことが可能となる。

さらに、アルカリ水電解装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、アノード電極４０とカソード電極４２に電力を供給する電解電源１６と、光出射体４８から光を出力する光照射機構部５０と、電解電源１６による電力の供給時に、光照射機構部５０及び撹拌機構部６０、６０Ａを動作させて光出射体４８を動かしつつアノード電極４０に光を出射させる制御装置１８と、を備える。これにより、制御装置１８は、電気分解時に、光照射機構部５０及び撹拌機構部６０、６０Ａの動作を適切に制御して、アノード電極４０における光起電力の発生、光の間欠的な供給に伴う電極の状態維持、アルカリ水溶液Ｗの撹拌を良好に行うことができる。

１０、１０Ａ～１０Ｃ…アルカリ水電解装置
１２、１２Ａ、１２Ｂ…電解槽 １４、１４Ａ…一対の電極
１８…制御装置 ４０…アノード電極
４０ａ、４２ａ…電極面 ４２…カソード電極
４４…間隙 ４８…光出射体
４９…出射体側光導波路 ５０…光照射機構部
５５…軸体 ５６…軸体側光導波路
６０、６０Ａ…撹拌機構部 Ｗ…アルカリ水溶液

Claims (8)

1. アノード電極とカソード電極を互いに対向させてアルカリ水溶液中に配置し、前記アノード電極及び前記カソード電極に電力を供給することで電気分解を行うアルカリ水電解装置であって、
   前記アノード電極は、受光に基づき起電力を生じる半導体で構成されており、
   前記アノード電極と前記カソード電極の間隙に配置され、少なくとも前記アノード電極に向けて光を出射する光出射体と、
   前記間隙が連続している方向に前記光出射体を移動させる動作を繰り返すことで、前記アルカリ水溶液を撹拌する撹拌機構部と、を備える
   アルカリ水電解装置。
2. 請求項１記載のアルカリ水電解装置において、
   前記アノード電極を構成する材料は、鉄合金であり、且つ前記アノード電極の表面の一部又は全部がＦｅ_２Ｏ_３で覆われている
   アルカリ水電解装置。
3. 請求項１又は２記載のアルカリ水電解装置において、
   前記撹拌機構部は、前記光出射体を支持する軸体を有し、
   前記光出射体及び前記軸体の内部には、前記アノード電極に出射する光を導く光導波路が設けられている
   アルカリ水電解装置。
4. 請求項３記載のアルカリ水電解装置において、
   前記撹拌機構部は、前記軸体を回転させる駆動源を有し、
   前記光出射体は、前記軸体の回転に伴い前記間隙を回転移動する
   アルカリ水電解装置。
5. 請求項４記載のアルカリ水電解装置において、
   前記アノード電極及び前記カソード電極は、相互に対向し合う円板状に形成され、
   前記軸体は、前記アノード電極及び前記カソード電極の中心部に位置し、
   前記光出射体は、前記アノード電極の中心部から径方向外側に向かって当該アノード電極の半径に一致した長さで延在している
   アルカリ水電解装置。
6. 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において、
   前記アノード電極及び前記カソード電極は、複数設けられ、且つ互いに隣接するように交互に配置され、
   前記光出射体は、相互に所定間隔で隣接する前記アノード電極と前記カソード電極の間の各間隙に配置される
   アルカリ水電解装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置において、
   前記アルカリ水溶液を貯留する電解槽を有し、
   前記電解槽は、
   前記電気分解により生じた水素及び酸素の混合気体から前記水素を分離する水素分離膜と、
   前記水素分離膜よりも下方側に設けられ、前記水素の発火を防止する防爆構造部と、を備える
   アルカリ水電解装置。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置において、
   前記アノード電極と前記カソード電極に電力を供給する電解電源と、
   前記光出射体から光を出力する光照射機構部と、
   前記電解電源による電力の供給時に、前記光照射機構部及び前記撹拌機構部を動作させて前記光出射体を動かしつつ前記アノード電極に光を出射させる制御装置と、を備える
   アルカリ水電解装置。

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