JPWO2019188261A1 - 隔膜−ガスケット−保護部材複合体、電解エレメント、及び電解槽 - Google Patents

隔膜−ガスケット−保護部材複合体、電解エレメント、及び電解槽 Download PDF

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Abstract

イオン透過性の隔膜と、隔膜の周縁部を保持するガスケットと、ガスケットを保持する電気絶縁性の枠状の保護部材とを備え、保護部材は、枠状の基体と、枠状の蓋部材とを備え、基体は、該基体の内周側に設けられ、ガスケット及び蓋部材を受け容れる受容部と、受容部より基体の内周側に向けて突出して延在し、受容部に受け容れられたガスケットを隔膜の主面に交差する方向に支持する支持部とを備え、蓋部材は、基体の受容部に受け容れられることが可能な寸法を有し、基体の受容部にガスケット及び蓋部材が受け容れられることにより、ガスケットが基体の支持部と蓋部材との間に挟まれている、隔膜−ガスケット−保護部材複合体。

Description

本発明は、隔膜−ガスケット−保護部材複合体、電解エレメント、及び電解槽に関し、より詳しくは、アルカリ水の電解、特に加圧条件下でのアルカリ水の電解に好適に用いることのできる隔膜−ガスケット−保護部材複合体、電解エレメント、及び電解槽に関する。
水素ガスおよび酸素ガスの製造方法として、アルカリ水電解法が知られている。アルカリ水電解法においては、アルカリ金属水酸化物(例えばNaOH、KOH等。)が溶解した塩基性の水溶液(アルカリ水)を電解液として用いて水を電気分解することにより、陰極から水素ガスが発生し、陽極から酸素ガスが発生する。アルカリ水電解用の電解槽としては、イオン透過性の隔膜によって区画された陽極室および陰極室を備え、陽極室に陽極が、陰極室に陰極がそれぞれ配置された電解槽が知られている。
国際公開2013/191140号パンフレット 特開2002−332586号公報 特許第4453973号公報 国際公開2014/178317号パンフレット 特許第6093351号公報 特開2015−117417号公報
図1は、一の実施形態に係る従来のアルカリ水電解槽900を模式的に説明する部分断面図である。ゼロギャップ型電解槽900は、陽極室Aと陰極室Cとを隔てる導電性の隔壁911及びフランジ部912を備える電解エレメント(極室ユニット)910、910、…と、隣接する電解エレメント910、910の間に配置されたイオン透過性の隔膜920と、隔膜920と電解エレメント910のフランジ部912との間に配置され、隔膜920の周縁部を挟み込むガスケット930、930と、一方の極室ユニットの隔壁911から立設された導電性のリブ913、913、…に保持された陽極940と、他方の電解エレメントの隔壁911から立設された導電性のリブ914、914、…に保持された集電体950及び該集電体950に接して配置された導電性の弾性体960に保持された柔軟な陰極970と、を備えている。陰極970の周縁部および導電性の弾性体960の周縁部は、集電体950の周縁部に固定されている。電解槽900においては、導電性の弾性体960が柔軟な陰極970を隔膜920及び陽極940に向けて押し付けることにより、隣接する陰極970及び陽極940の間に隔膜920が挟み込まれている。
アルカリ水の電解によって発生したガスは、通常、所定の圧力まで圧縮された状態で商業的に流通される。極室内部の圧力が略常圧である場合、該極室から回収されるガスも略常圧であるので、電解槽から回収されたガスを電解槽の外部で所定の圧力まで圧縮する外部圧縮装置が必要になる。極室内の圧力が常圧よりも高ければ、そのような外部圧縮装置の能力が低くて済むか、又はそのような外部圧縮装置が不要になり、ガスの製造コストを低減できると考えられる。また極室内の圧力を高めれば、極室内で発生したガスが極液中で形成する気泡が小さくなるので、電極間の抵抗が低減され、したがって電流密度が同一でも電解電圧を低減することができ、省エネルギー化が可能になると考えられる。
しかしながら、図1に示す従来の電解槽900において極室内部の圧力を高めると、極室内部の圧力によってガスケット930、930が外周側に向けて押し出されるように変形し、最終的にはガスケット930、930が電解エレメントのフランジ部912、912の間から逸脱するおそれがある。
極室内部の圧力によるガスケットの変形および逸脱等の問題を防止するための一つの解決策としては、ガスケットに対応する形状を有する剛性の芯材を隔膜と一体化させた上で、該芯材を柔軟性および電気絶縁性を有する材料で被覆することにより得られる複合体を、ガスケットと隔膜との複合体に相当する要素として用いることが考えられる。しかしながらその場合、芯材への被覆の際、及び、芯材を隔膜と一体化させる際に、機械的なプレス及び加熱を伴う加工が必要になるため、隔膜がそれらの加工に伴う機械的圧力および熱の影響を受けることにより、隔膜の特性が劣化するおそれがある。
本発明は、隔膜が受ける熱および機械的圧力による悪影響を抑制しながら、極室内部の圧力に対する耐性を高めた、隔膜−ガスケット−保護部材複合体、電解エレメント、及び電解槽を提供することを課題とする。
本発明は、次の[1]〜[11]の形態を包含する。
[1] イオン透過性の隔膜と、
前記隔膜の周縁部を保持するガスケットと、
前記ガスケットを保持する電気絶縁性の枠状の保護部材と
を備え、
前記保護部材は、枠状の基体と、枠状の蓋部材とを備え、
前記基体は、
該基体の内周側に設けられ、前記ガスケット及び前記蓋部材を受け容れる受容部と、
前記受容部より前記基体の内周側に向けて突出して延在し、前記受容部に受け容れられた前記ガスケットを前記隔膜の主面に交差する方向に支持する支持部と
を備え、
前記蓋部材は、前記基体の受容部に受け容れられることが可能な寸法を有し、
前記基体の受容部に前記ガスケット及び前記蓋部材が受け容れられることにより、前記ガスケットが前記基体の支持部と前記蓋部材との間に挟まれていることを特徴とする、隔膜−ガスケット−保護部材複合体。
[2] 第1の面と第2の面とを有する、複数の導電性の隔壁と、
隣接する前記導電性の隔壁の間にそれぞれ配置された、複数の、請求項1に記載の隔膜−ガスケット−保護部材複合体と、
前記導電性の隔壁と前記隔膜−ガスケット−保護部材複合体との間にそれぞれ配置された、シール部材と
を備え、
隣接する前記導電性の隔壁は、一方の前記導電性の隔壁の第1の面が他方の前記導電性の隔壁の第2の面と対向するように配置され、
前記第1の面と、該第1の面に対向する前記隔膜との間に、該第1の面を有する前記導電性の隔壁と電気的に導通した第1の電極を収容する第1の極室が画定され、
前記第2の面と、該第2の面に対向する前記隔膜との間に、該第2の面を有する前記導電性の隔壁と電気的に導通した第2の電極を収容する第2の極室が画定されていることを特徴とする、電解槽。
[3] 前記シール部材がOリングであり、
それぞれの前記保護部材は、
前記枠状の基体の、前記導電性の隔壁の第1の面と向かい合う面に、前記Oリングを該枠状の基体と該第1の面との間に固定することが可能に設けられた第1の溝と、
前記枠状の基体の、前記導電性の隔壁の第2の面と向かい合う面に、前記Oリングを該枠状の基体と該第2の面との間に固定することが可能に設けられた第2の溝とを有する、[2]に記載の電解槽。
[4] 前記シール部材がOリングであり、
それぞれの前記導電性の隔壁は、
前記第1の面に、前記Oリングを該第1の面と前記枠状の基体との間に固定することが可能に設けられた第1の溝と、
前記第2の面に、前記Oリングを該第2の面と前記枠状の基体との間に固定することが可能に設けられた第2の溝とを有する、[2]に記載の電解槽。
[5] イオン透過性の隔膜と、
前記隔膜の周縁部を保持するガスケットと、
前記ガスケットを保持する枠状の保護部材と、
第1の面および第2の面を有する導電性の隔壁と
を備え、
前記保護部材は、枠状の基体と、枠状の蓋部材とを備え、
前記基体は、
該基体の内周側に設けられ、前記ガスケット及び前記蓋部材を受け容れる受容部と、
前記受容部より前記基体の内周側に向けて突出して延在し、前記受容部に受け容れられた前記ガスケットを前記隔膜の主面に交差する方向に支持する支持部と
を備え、
前記蓋部材は、前記基体の受容部に受け容れられることが可能な寸法を有し、
前記基体の受容部に前記ガスケット及び前記蓋部材が受け容れられることにより、前記ガスケットが前記基体の支持部と前記蓋部材との間に挟まれ、
前記導電性の隔壁は、前記第1の面が前記隔膜と対向するように配置され、
前記導電性の隔壁の外周部は、前記基体の支持部の内周部と接合されているか又は一体とされており、
前記枠状の基体は、前記支持部と連続して、前記導電性の隔壁よりも前記第2の面の側に向けて突出して設けられた突出フランジ部を備え、
前記突出フランジ部の外周部の寸法は、前記受容部の内周部の寸法以下であることを特徴とする、電解エレメント。
[6] [5]に記載の電解エレメントが複数積層された、積層構造を有し、
隣接する2つの前記電解エレメントの組のそれぞれにおいて、一方の前記電解エレメントの前記突出フランジ部の少なくとも一部が、他方の前記電解エレメントの前記受容部にさらに受け容れられていることにより、前記一方の電解エレメントの前記突出フランジ部と、前記他方の電解エレメントの前記支持部との間に、前記他方の電解エレメントの前記ガスケット及び前記蓋部材が挟まれて保持されており、
前記導電性の隔壁の第1の面と、該第1の面と対向する前記隔膜との間に、該導電性の隔壁と電気的に導通した第1の電極を収容する第1の極室が画定され、
前記導電性の隔壁の第2の面と、該第2の面と対向する前記隔膜との間に、該導電性の隔壁と電気的に導通した第2の電極を収容する第2の極室が画定されていることを特徴とする、電解槽。
[7] 隣接する2つの前記電解エレメントの組のそれぞれにおいて、前記一方の電解エレメントの前記突出フランジ部と、前記他方の電解エレメントの前記蓋部材との間に、シール部材としてOリングが挟まれて保持されている、[6]に記載の電解槽。
[8] 前記積層構造の一方の端部に配置された第1の電解エレメントの前記導電性隔壁の第2の面と対向して配置された、第1のターミナルエレメントと、
前記積層構造の他方の端部に配置された第2の電解エレメントの前記隔膜と対向して配置された、第2のターミナルエレメントと
をさらに備え、
前記第1のターミナルエレメントは、
イオン透過性の第1の隔膜と、
前記第1の隔膜の周縁部を保持する第1のガスケットと、
前記第1のガスケットを保持する枠状の第1の保護部材と、
第1の面および第2の面を有する第1の導電性の隔壁と
を備え、
前記第1の保護部材は、枠状の第1の基体と、枠状の第1の蓋部材とを備え、
前記第1の基体は、
該第1の基体の内周側に設けられ、前記第1のガスケット及び前記第1の蓋部材を受け容れる第1の受容部と、
前記第1の受容部より前記第1の基体の内周側に向けて突出して延在し、前記第1の受容部に受け容れられた前記第1のガスケットを前記第1の隔膜の主面に交差する方向に支持する第1の支持部と
を備え、
前記第1の蓋部材は、前記第1の基体の第1の受容部に受け容れられることが可能な寸法を有し、
前記第1の基体の第1の受容部に前記第1のガスケット及び前記第1の蓋部材が受け容れられることにより、前記第1のガスケットが前記第1の支持部と前記第1の蓋部材との間に挟まれ、
前記第1の導電性の隔壁は、該第1の導電性の隔壁の前記第1の面が前記第1の隔膜と対向するように配置され、
前記第1の導電性の隔壁の外周部は、前記第1の基体の第1の支持部の内周部と接合されているか又は一体とされており、
前記第1の電解エレメントの前記突出フランジ部の少なくとも一部が、前記第1のターミナルエレメントの前記第1の受容部にさらに受け容れられていることにより、前記第1の電解エレメントの前記突出フランジ部と、前記第1のターミナルエレメントの前記第1の支持部との間に、前記第1のターミナルエレメントの前記第1のガスケット及び前記第1の蓋部材が挟まれて保持されており、
前記第2のターミナルエレメントは、
第1の面および第2の面を有する第2の導電性の隔壁と、
前記第2の導電性の隔壁の外周部と接合され又は一体に設けられ、前記第2の導電性の隔壁の第2の面の側に突出して延在する、第2の突出フランジ部と
を有し、
少なくとも前記第2の突出フランジ部の先端部において、前記第2の突出フランジ部の外周部の寸法は、前記第2の電解エレメントの前記受容部の内周部の寸法以下であり、
前記第2のターミナルエレメントの前記第2の突出フランジ部の少なくとも一部が、前記第2の電解エレメントの前記受容部にさらに受け容れられていることにより、前記第2のターミナルエレメントの前記第2の突出フランジ部と、前記第2の電解エレメントの前記支持部との間に、前記第2の電解エレメントの前記ガスケット及び前記蓋部材が挟まれて保持されており、
前記第1のターミナルエレメントの前記第1の導電性の隔壁の第1の面と、前記第1の隔膜との間に、該第1の導電性の隔壁と電気的に導通した第1の電極を収容する第1の極室がさらに画定され、
前記第1の電解エレメントの導電性の隔壁の第2の面と、前記第1のターミナルエレメントの前記第1の隔膜との間に、前記第1の電解エレメントの導電性の隔壁と電気的に導通した第2の電極を収容する第2の極室がさらに画定され、
前記第2のターミナルエレメントの前記第2の導電性の隔壁の第2の面と、前記第2の電解エレメントの前記隔膜との間に、該第2の導電性の隔壁と電気的に導通した第2の電極を収容する第2の極室がさらに画定されている、[6]又は[7]に記載の電解槽。
[9] 前記第1の電解エレメントの突出フランジ部と前記第1のターミナルエレメントの前記第1の蓋部材との間、及び、前記第2のターミナルエレメントの前記第2の突出フランジ部と前記第2の電解エレメントの蓋部材との間に、それぞれシール部材としてOリングが挟まれて保持されている、[8]に記載の電解槽。
[10] 前記第1のターミナルエレメントの枠状の第1の基体、前記第2のターミナルエレメントの第2の突出フランジ部、及び、それぞれの前記電解エレメントの枠状の基体が電気絶縁性である、[6]〜[9]のいずれかに記載の電解槽。
[11] 前記第1のターミナルエレメントの枠状の第1の基体、前記第2のターミナルエレメントの第2の突出フランジ部、及び、それぞれの前記電解エレメントの枠状の基体が導電性材料を含み、
前記第1のターミナルエレメントの前記枠状の第1の基体と、前記第1の電解エレメントの前記枠状の基体との短絡を防ぐように配置された第1の電気絶縁部材と、
前記第2のターミナルエレメントの前記第2の突出フランジ部と、前記第2の電解エレメントの前記枠状の基体との短絡を防ぐように配置された第2の電気絶縁部材と、
隣接する2つの前記電解エレメントの組のそれぞれにおいて、一方の前記電解エレメントの前記枠状の基体と、他方の前記電解エレメントの前記枠状の基体との短絡を防ぐように配置された第3の電気絶縁部材と、
をさらに有する、[6]〜[9]のいずれかに記載の電解槽。
本発明の隔膜−ガスケット−保護部材複合体においては、枠状の基体の受容部に隔膜及びガスケット並びに蓋部材が受け容れられることにより、隔膜及びガスケットが基体の支持部と蓋部材との間に挟まれて保持されるので、隔膜と保護部材とを一体化させるにあたり機械的なプレスや熱加工は不要である。したがって、本発明の隔膜−ガスケット−保護部材複合体を備える形態の電解槽によれば、隔膜が受ける熱および機械的圧力による悪影響を抑制しながら、極室内部の圧力に対する耐性を高めることが可能である。
本発明の電解エレメントにおいては、枠状の基体の受容部に隔膜及びガスケット並びに蓋部材が受け容れられることにより、隔膜及びガスケットが基体の支持部と蓋部材との間に挟まれて保持されるので、隔膜と保護部材とを一体化させるにあたり機械的なプレスや熱加工は不要である。さらに枠状の基体が、支持部と連続して、導電性の隔壁よりも第2の面の側に向けて突出して設けられた突出フランジ部を備え、突出フランジ部の外周部の寸法が受容部の内周部の寸法以下であるので、本発明の電解エレメントが複数積層された積層構造を備える形態の電解槽においては、一方の電解エレメントの突出フランジ部の少なくとも先端部が、隣接する他方の電解エレメントの受容部にさらに受け容れられる。したがって一方の電解エレメントの突出フランジ部と、他方の電解エレメントの支持部との間に、ガスケット及び蓋部材が挟まれて保持されるので、簡易な構成によって隔膜及びガスケットを電解エレメントと一体化させることが可能である。加えて、ガスケットを受け容れる受容部は枠状の基体の内周側に設けられているので、極室内部の圧力によるガスケットの変形は受容部の内周部によって規制される。したがって本発明の電解エレメントが複数積層された積層構造を備える形態の電解槽によれば、隔膜が受ける熱および機械的圧力による悪影響を抑制しながら、極室内部の圧力に対する耐性を高めることが可能である。
一の実施形態に係る従来のアルカリ水電解槽900を模式的に説明する断面図である。 本発明の一の実施形態に係る隔膜−ガスケット−保護部材複合体100を模式的に説明する図である。(A)複合体100の平面図である。(B)(A)のB−B矢視断面図である。(C)(B)において蓋部材32を取り外した姿勢を示す断面図である。(D)(C)においてさらに隔膜10及びガスケット20を取り外した姿勢を示す断面図である。 本発明の一の実施形態に係る電解槽1000を模式的に説明する断面図である。 本発明の他の一の実施形態に係る電解槽2000を模式的に説明する断面図である。 本発明の他の一の実施形態に係る隔膜−ガスケット−保護部材複合体200を模式的に説明する図である。(A)複合体200の平面図である。(B)(A)のB−B矢視断面図である。(C)(B)において基体231のみを取り出した図である。 本発明の他の一の実施形態に係る電解槽3000を模式的に説明する断面図である。 導電性隔壁3040を模式的に説明する図である。(A)導電性隔壁3040の平面図である。(B)導電性隔壁3040の底面図である。(C)(B)のC−C矢視断面図である。 本発明の一の実施形態に係る電解エレメント500を模式的に説明する図である。(A)電解エレメント500の断面図である。(B)(A)から隔膜10、ガスケット20、及び蓋部材532を取り除いた図である。 本発明の他の一の実施形態に係る電解エレメント500’を模式的に説明する図である。(A)電解エレメント500’の断面図である。(B)(A)から隔膜10、ガスケット20、及び蓋部材532を取り除いた図である。 本発明の他の一の実施形態に係る電解エレメント500''を模式的に説明する図である。(A)電解エレメント500''の断面図である。(B)(A)から隔膜10、ガスケット20、及び蓋部材532を取り除いた図である。 本発明の一の実施形態に係る電解槽4000を模式的に説明する断面図である。 第1のターミナルエレメント4500を模式的に説明する図である。(A)第1のターミナルエレメント4500の断面図である。(B)(A)から隔膜10、ガスケット20、及び蓋部材532を取り除いた図である。 第2のターミナルエレメント4600を模式的に説明する断面図である。 本発明の他の一の実施形態に係る電解槽5000を模式的に説明する断面図である。 第2のターミナルエレメント4600’を模式的に説明する断面図である。 本発明の他の一の実施形態に係る電解槽6000を模式的に説明する断面図である。 第1のターミナルエレメント4500''を模式的に説明する図である。(A)第1のターミナルエレメント4500''の断面図である。(B)(A)から隔膜10、ガスケット20、及び蓋部材532を取り除いた図である。
本発明の上記した作用および利得は、以下に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。なお、図面は必ずしも正確な寸法を反映したものではない。また図では、一部の符号を省略することがある。本明細書においては特に断らない限り、数値A及びBについて「A〜B」という表記は「A以上B以下」を意味するものとする。かかる表記において数値Bのみに単位を付した場合には、当該単位が数値Aにも適用されるものとする。また「又は」及び「若しくは」の語は、特に断りのない限り論理和を意味するものとする。
<1.隔膜−ガスケット−保護部材複合体>
図2は、本発明の一の実施形態に係る隔膜−ガスケット−保護部材複合体100(以下において単に「複合体100」ということがある。)を模式的に説明する図である。図2(A)は複合体100の平面図であり、図2(B)は図2(A)のB−B矢視断面図であり、図2(C)及び(D)は図2(B)において複合体100を分解した姿勢を示す断面図である。複合体100は、イオン透過性の隔膜10と、隔膜10の周縁部を保持するガスケット20と、ガスケット20を保持する電気絶縁性の枠状の保護部材30とを備えている。保護部材30は、枠状の基体31と、枠状の蓋部材32とを備えている。基体31は、基体31の内周側に設けられ、(隔膜10を保持した)ガスケット20、及び蓋部材32を受け容れる受容部31aと、受容部31aより基体30の内周側に向けて突出して延在し、受容部31aに受け容れられたガスケット20を隔膜10の主面に交差する方向(図2(B)〜(D)の紙面左右方向。以下において「積層方向」ということがある。)に支持する支持部31bと、を備えている(図2(D))。
図2(C)は、ガスケット20が基体31の受容部31aに受け容れられ、支持部31bに、隔膜10の主面と交差する方向から支持されている姿勢を示す断面図である。受容部31aの積層方向における深さは、隔膜10の周縁部を保持したガスケット20の積層方向における厚さよりも深いので、隔膜10を保持したガスケット20が受容部31aに受け容れられ支持部31bに積層方向から支持されているとき、受容部31aに受け容れられたガスケット20の支持部31bとは反対側の面20aと、基体31の支持部31bとは反対側の面31cとの間には段差が生じる(図2(C))。蓋部材32は、受容部31aにガスケット20を受け容れた基体31の面31cとガスケットの面20aとの間の段差に受け容れられることが可能な寸法を有している。すなわち、蓋部材32の外周部は、基体31の受容部31aの内周部と略同一の寸法を有しており、蓋部材32の内周部は、基体31の支持部31bの内周部と略同一の寸法を有しており、蓋部材32の積層方向における厚さは、隔膜10を保持したガスケット20の積層方向の厚さと蓋部材32の積層方向の厚さとの合計が基体31の受容部31aの積層方向における深さと略同一となるようにされている。図2(B)は、図2(C)における基体31の面31cとガスケット20の面20aとの間の段差に蓋部材32が受け容れられた姿勢を示す断面図である。図2(B)に示すように、ガスケット20及び蓋部材32が基体31の受容部31aに受け容れられることにより、ガスケット20が基体31の支持部31bと蓋部材32との間に挟まれて保持される。
隔膜10としては、アルカリ水電解用の電解槽に使用可能なイオン透過性の隔膜を特に制限なく用いることができる。隔膜10は、ガス透過性が低く、電気伝導度が小さく、強度が高いことが望ましい。隔膜10の例としては、アスベストや変性アスベストからなる多孔質膜、ポリスルホン系ポリマーを用いた多孔質隔膜、ポリフェニレンスルファイド繊維を用いた布、フッ素系多孔質膜、無機系材料と有機系材料との両方を含むハイブリッド材料を用いた多孔質膜等の多孔質隔膜を挙げることができる。またこれらの多孔質隔膜以外にも、フッ素系イオン交換膜等のイオン交換膜を隔膜10として用いることも可能である。
ガスケット20としては、アルカリ水電解用の電解槽に使用可能なガスケットを特に制限なく用いることができる。図2にはガスケット20の断面が表れている。ガスケット20は平坦な形状を有し、隔膜10の周縁部を保持する一方で、基体31の受容部10aにおいて、基体31の支持部31bと蓋部材32との間に挟まれて保持される。ガスケット20は、耐アルカリ性を有するエラストマーによって形成されていることが好ましい。ガスケット20の材料の例としては、天然ゴム(NR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブタジエンゴム(BR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、エチレン−プロピレンゴム(EPT)、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、イソブチレン−イソプレンゴム(IIR)、クロロスルホン化ポリエチレンゴム(CSM)等のエラストマーを挙げることができる。また、アルカリ耐性を有しないガスケット材料を使用する場合、該ガスケット材料の表面に耐アルカリ性を有する材料の層を被覆等により設けてもよい。
基体31は、外部からの電圧印加に対して電気絶縁性であることが好ましい。一の実施形態において、基体31は、電気絶縁性の材料により形成される。基体31を形成する電気絶縁性材料としては、耐アルカリ性を有し積層方向に印加される押圧力に耐える強度を有する樹脂材料を好ましく用いることができ、そのような樹脂材料の好ましい例としては、硬質塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体樹脂等を挙げることができる。他の実施形態において、基体31は、金属材料からなる芯材と、該芯材の表面を被覆する電気絶縁性材料の被覆層とを備えてなる。基材31の芯材を形成する金属材料の例としては、例えば鉄等の単体金属やSUS304等のステンレス鋼等の、剛性の金属材料を挙げることができる。また基材31の被覆層を形成する電気絶縁性材料の好ましい例としては、上記した電気絶縁性の樹脂材料のほか、電気絶縁性および耐アルカリ性を有するエラストマーを挙げることができる。そのようなエラストマーの好ましい例としては、天然ゴム(NR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブタジエンゴム(BR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、エチレン−プロピレンゴム(EPT)、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、イソブチレン−イソプレンゴム(IIR)、クロロスルホン化ポリエチレンゴム(CSM)等を挙げることができる。また、アルカリ耐性を有しないエラストマーを使用する場合、該エラストマーの表面に耐アルカリ性を有する材料の層を被覆等により設けても良い。
蓋部材32は、金属製であってもよく、電気絶縁性の材料により形成されてもよい。蓋部材32を形成する金属材料の例としては、基体31に関連して上記説明したものと同様の金属材料を挙げることができる。一の実施形態において、蓋部材32は電気絶縁性の材料により形成される。蓋部材32を形成する電気絶縁性材料の好ましい例としては、基体31に関連して上記説明したものと同様の樹脂材料を挙げることができる。他の実施形態において、蓋部材32は、金属材料からなる芯材と、該芯材の表面を被覆する電気絶縁性材料の被覆層とを備えてなる。蓋部材32の芯材を形成する金属材料の例としては、基体31の芯材に関連して上記説明したものと同様の剛性の金属材料を挙げることができる。また蓋部材32の被覆層を形成する電気絶縁性材料の好ましい例としては、基体31の被覆層に関連して上記説明したものと同様の樹脂材料およびエラストマーを挙げることができる。
<2.電解槽(1)>
図3は、本発明の一の実施形態に係る電解槽1000を模式的に説明する断面図である。電解槽1000は、アルカリ水電解用の電解槽である。図3において、図2に既に表れた要素には図2における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。電解槽1000は、第1の面40aと第2の面40bとを有する、複数の導電性の隔壁40、40、…(以下において単に「導電性隔壁40」ということがある。)と、隣接する導電性隔壁40、40の間にそれぞれ配置された、複数の隔膜−ガスケット−保護部材複合体100、100、…(図2参照)と、導電性隔壁40、40、…と複合体100、100、…との間にそれぞれ配置された、シール部材50、50、…(以下において単に「シール部材50」ということがある。)とを備えている。
電解槽1000において、隣接する導電性隔壁40、40の組はいずれも、一方の導電性隔壁40の第1の面40aが、他方の導電性隔壁40の第2の面40bと対向するように配置されている。電解槽1000において、導電性隔壁40の第1の面40aと、該第1の面40aに対向する隔膜10(図2参照)との間に、該第1の面40aを有する導電性隔壁40と電気的に導通した第1の電極(陽極)61を収容する第1の極室(陽極室A1、A2、A3)がそれぞれ画定されている。また、導電性隔壁40の第2の面40bと、該第2の面40bに対向する隔膜10(図2参照)との間に、該第2の面40bを有する導電性隔壁40と電気的に導通した第2の電極(陰極)62を収容する第2の極室(陰極室C1、C2、C3)がそれぞれ画定されている。第1の極室のみを画定する導電性隔壁40(すなわち、第2の面40bが第2の極室に面していない導電性隔壁40)には正極端子が接続されており、正極端子は直流電源の正極に接続される。第2の極室のみを画定する導電性隔壁40(すなわち、第1の面40aが第1の極室に面していない導電性隔壁40)には負極端子が接続されており、負極端子は直流電源の負極に接続される。なお、電解槽1000は、第1の極室(陽極室A1、A2、A3)のそれぞれに電解液を供給する第1の電解液供給流路(不図示)と、第1の極室のそれぞれから電解液およびガスを回収する第1の電解液・ガス回収流路(不図示)と、第2の極室(C1、C2、C3)のそれぞれに電解液を供給する第2の電解液供給流路(不図示)と、第2の極室のそれぞれから電解液およびガスを回収する第2の電解液・ガス回収流路(不図示)とをさらに備えている。
第1の電極(陽極)61のそれぞれは、該第1の電極61が収容されている第1の極室(陽極室A1、A2、又はA3)を画定する導電性隔壁40の第1の面40aから突出するように設けられた導電性リブ41、41、…(以下において単に「導電性リブ41」ということがある。)に保持されている。導電性リブ41は導電性隔壁40及び第1の電極61と電気的に導通している。また、第2の電極(陰極)62のそれぞれは、該第2の電極62が収容されている第2の極室(陰極室C1、C2、C3)を画定する導電性隔壁40の第2の面40bから突出するように設けられた導電性リブ42、42、…(以下において単に「導電性リブ42」ということがある。)に保持されている。導電性リブ42は導電性隔壁40及び第2の電極62と電気的に導通している。
導電性隔壁40の材質としては、アルカリ耐性を有する剛性の導電性材料を特に制限なく用いることができ、例えばニッケル、鉄等の単体金属やSUS304、SUS310、SUS310S、SUS316、SUS316L等のステンレス鋼等の金属材料を好ましく採用できる。これら金属材料は、耐食性や導電性を向上させるために、ニッケルめっきを施して用いても良い。
シール部材50は、複合体100の保護部材31と、導電性隔壁40との間に挟持されており、保護部材31と導電性隔壁40との間で押圧力を受けることにより、各極室の内圧から電解液またはガスが保護部材31と導電性隔壁40との間から漏出することを防止する。シール部材50は、耐アルカリ性を有するエラストマーによって形成されていることが好ましい。シール部材50の材料の例としては、天然ゴム(NR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブタジエンゴム(BR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、エチレン−プロピレンゴム(EPT)、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、イソブチレン−イソプレンゴム(IIR)、クロロスルホン化ポリエチレンゴム(CSM)等のエラストマーを挙げることができる。また、シール部材50にアルカリ耐性を有しないエラストマーを使用する場合、該エラストマーを備えた芯材の表面に耐アルカリ性を有する材料の層を被覆等により設けても良い。シール部材50はOリングである。シール部材としてOリングを用いることにより、電解槽1000の耐圧性をさらに高めることが可能になる。
陽極(第1の電極)61としては、アルカリ水電解用の電解槽に使用可能な陽極を特に制限なく用いることができる。陽極61は通常、導電性基材と、該基材の表面を被覆する触媒層とを備える。触媒層は多孔質であることが好ましい。陽極61の導電性基材としては、例えば、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル鉄、バナジウム、モリブデン、銅、銀、マンガン、白金族元素、黒鉛、若しくはクロム、又はそれらの組み合わせを用いることができる。陽極61においてはニッケルからなる導電性基材を好ましく用いることができる。触媒層は元素としてニッケルを含む。触媒層は、酸化ニッケル、金属ニッケル、若しくは水酸化ニッケル、又はそれらの組み合わせを含むことが好ましく、ニッケルと他の1種以上の金属との合金を含んでもよい。触媒層は金属ニッケルからなることが特に好ましい。なお、触媒層は、クロム、モリブデン、コバルト、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、亜鉛、白金族元素、若しくは希土類元素、又はそれらの組み合わせをさらに含んでもよい。触媒層の表面に、ロジウム、パラジウム、イリジウム、若しくはルテニウム、又はそれらの組み合わせが追加的な触媒としてさらに担持されていてもよい。陽極61の導電性基材は剛性の基材であってもよく、可撓性の基材であってもよい。陽極61を構成する剛性の導電性基材としては、例えばエキスパンドメタル、パンチドメタル等を挙げることができる。また陽極61を構成する可撓性の導電性基材としては、例えば金属ワイヤーで織った(又は編んだ)金網等を挙げることができる。
陰極(第2の電極)62としては、アルカリ水電解用の電解槽に使用可能な陰極を特に制限なく用いることができる。陰極62は通常、導電性基材と、該基材の表面を被覆する触媒層とを備える。陰極62の導電性基材としては、例えば、ニッケル、ニッケル合金、ステンレススチール、軟鋼、ニッケル合金、又は、ステンレススチール若しくは軟鋼の表面にニッケルメッキを施したものを好ましく採用できる。陰極62の触媒層としては、貴金属酸化物、ニッケル、コバルト、モリブデン、若しくはマンガン、若しくはそれらの酸化物、又は貴金属酸化物からなる触媒層を好ましく採用できる。陰極62を構成する導電性基材は例えば剛性の基材であってもよく、可撓性の基材であってもよい。陰極62を構成する剛性の導電性基材としては、例えばエキスパンドメタル、パンチドメタル等を挙げることができる。また陰極62を構成する可撓性の導電性基材としては、例えば金属ワイヤーで織った(又は編んだ)金網等を挙げることができる。
導電性リブ41及び導電性リブ42としては、アルカリ水電解槽に用いられる公知の導電性リブを特に制限なく用いることができる。電解槽1000において、導電性リブ41は導電性隔壁40の第1の面40aから立設されており、導電性リブ42は導電性隔壁40の第2の面40bから立設されている。導電性リブ41が陽極61を導電性隔壁40に対して固定および保持できる限りにおいて、導電性リブ41の接続方法、形状、数、及び配置は特に制限されない。また導電性リブ42が陰極62を導電性隔壁40に対して固定および保持できる限りにおいて、導電性リブ42の接続方法、形状、数、及び配置も特に制限されない。導電性リブ41及び導電性リブ42の材質としては、アルカリ耐性を有する剛性の導電性材料を特に制限なく用いることができ、例えばニッケル、鉄等の単体金属やSUS304、SUS310、SUS310S、SUS316、SUS316L等のステンレス鋼等の金属材料を好ましく採用できる。これら金属材料は、耐食性や導電性を向上させるために、ニッケルめっきを施して用いても良い。
電解槽1000は本発明の隔膜−ガスケット−保護部材複合体100を備えているので、電解槽1000によれば、隔膜が受ける熱および機械的圧力による悪影響を抑制しながら、極室内部の圧力に対する耐性を高めることが可能である。
本発明に関する上記説明では、複合体100の蓋部材32を備える側が第1の極室(陽極室)に面している形態の電解槽1000を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、複合体100の蓋部材32を備える側が第2の極室(陰極室)に面している形態の電解槽とすることも可能である。
本発明に関する上記説明では、Oリングであるシール部材50を備える形態の電解槽1000を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、Oリングであるシール部材50に代えて、平ガスケットであるシール部材を備える形態の電解槽とすることも可能である。ただし、電解槽1000の極室内部の圧力に対する耐性を高める観点からは、Oリングである形態のシール部材50を用いることが好ましい。
本発明に関する上記説明では、シール部材50を固定するための溝を有しない複合体100を備える形態の電解槽1000を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、シール部材50を固定するための溝を有する隔膜−ガスケット−保護部材複合体を備える形態の電解槽とすることも可能である。
図4は、そのような他の一の実施形態に係る電解槽2000を模式的に説明する断面図であり、図4において、図2〜3に既に表れた要素には図2〜3における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。電解槽2000は、隔膜−ガスケット−保護部材複合体100に代えて隔膜−ガスケット−保護部材複合体200(以下において単に「複合体200」ということがある。)を備える点において、電解槽1000と異なっている。図5は、電解槽2000が備える複合体200を模式的に説明する図である。図5において、図2〜3に既に表れた要素には図2〜3における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。図5(A)は複合体200の平面図であり、図5(B)は図5(A)のB−B矢視断面図であり、図5(C)は図5(B)において基体231のみを取り出した図である。
複合体200は、保護部材30に代えて保護部材230を備える点において上記説明した複合体100と異なっており;保護部材230は、枠状の基体31に代えて枠状の基体231を備える点において上記説明した保護部材30と異なっており;基体231は、第1のOリング固定溝231e及び第2のOリング固定溝231fを備える点において、上記説明した基体31と異なっている。
第1のOリング固定溝231eは、基体231の、電解槽2000において導電性隔壁40の第1の面40aと向かい合う面31cに設けられている。第1のOリング固定溝231eは、基材231の面31cと導電性隔壁40の第1の面40aとの間にシール部材(Oリング)50を固定することが可能な形状を有している。第2のOリング固定溝231fは、基体231の、電解槽2000において導電性隔壁40の第2の面40bと向かい合う面31dに設けられている。第2のOリング固定溝231fは、基材231の面31dと導電性隔壁40の第2の面40bとの間にシール部材(Oリング)50を固定することが可能な形状を有している。
第1のOリング固定溝231e及び第2の第2のOリング固定溝231fの断面(図5(B)及び(C)参照)は、シール部材(Oリング)50の断面(図4参照)の一部を受け容れることが可能な形状を有している。複合体200の基体231が第1のOリング固定溝231eを有することにより、電解槽2000において複合体200の基体231と導電性隔壁40の第1の面40aとの間に配置されたシール部材(Oリング)50は、第1のOリング固定溝231eに嵌り込んだ姿勢で基体231と導電性隔壁40の第1の面40aとの間に挟持される。したがって第1の極室内部の圧力によるシール部材(Oリング)50の変形がさらに抑制される。また複合体200の基体231が第2のOリング固定溝231fを有することにより、電解槽2000において複合体200の基体231と導電性隔壁40の第2の面40bとの間に配置されたシール部材(Oリング)50は、第2のOリング固定溝231fに嵌り込んだ姿勢で基体231と導電性隔壁40の第2の面40bとの間に挟持される。したがって第2の極室内部の圧力によるシール部材(Oリング)50の変形がさらに抑制される。よって複合体200を備える形態の電解槽2000によれば、隔膜が受ける熱および機械的圧力による悪影響を抑制しながら、極室内部の圧力に対する耐性をさらに高めることが可能である。
本発明に関する上記説明では、シール部材(Oリング)50の断面と相補的な断面形状を有する第1及び第2のOリング固定溝231e、231fを有する基体231を備える形態の複合体200、及び該複合体200を備える形態の電解槽2000を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、V字型の断面形状を有する第1及び第2のOリング固定溝を有する基体を備える形態の隔膜−ガスケット−保護部材複合体、及び該複合体を備える形態の電解槽とすることも可能である。
なお、シール部材50としてOリングに代えて平ガスケットを用いる態様においても、平ガスケットとして主面に凸部を備える形態の平ガスケットを用いることにより、Oリングであるシール部材50を第1及び第2のOリング固定溝231e及び231fで固定する場合と同様の効果を得ることが可能である。すなわち、Oリングに代えて、基体231の面31cに対向する面、または基体231の面31dに対向する面にそれぞれ凸部を有する平ガスケットを用い、複合体200において基体231の面31cが第1のOリング固定溝231eに代えて第1の凸部固定溝を備え、基体231の面31dが第2のOリング固定溝231fに代えて第2の凸部固定溝を備える形態の隔膜−ガスケット−保護部材複合体を用いて、基体231の面31cまたは面31dに設けられた第1または第2の凸部固定溝に平ガスケットの上記凸部をそれぞれ嵌め入れることにより、極室内部の圧力による平ガスケットの変形をさらに抑制することも可能である。
本発明に関する上記説明では、Oリング固定溝231e、231fを有する保護部材231を備える形態の隔膜−ガスケット−保護部材複合体200、及び該複合体200を備える形態の電解槽2000を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、導電性の隔壁がOリング固定溝を備える形態の電解槽とすることも可能である。
図6は、そのような他の一の実施形態に係る電解槽3000を模式的に説明する断面図である。図6において、図2〜5に既に表れた要素には図2〜5における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。電解槽3000は、導電性の隔壁40、40、…に代えて導電性の隔壁3040、3040、…(以下において単に「導電性隔壁3040」ということがある。)を有する点において、上記説明した電解槽1000と異なっている。図7は、導電性隔壁3040を模式的に説明する図である。図7(A)は導電性隔壁3040の平面図であり、図7(B)は導電性隔壁3040の底面図であり、図7(C)は図7(B)のC−C矢視断面図である。導電性隔壁3040は、第1の面40aに第1のOリング固定溝3040cを備え、第2の面40bに第2のOリング固定溝3040dを備える点において、上記説明した導電性隔壁40と異なっている。第1のOリング固定溝3040cは、導電性隔壁3040の第1の面40aと複合体100の基体31との間にシール部材(Oリング)50を固定することが可能な形状を有しており、第2のOリング固定溝3040dは、導電性隔壁3040の第2の面40bと複合体100の基体31との間にシール部材(Oリング)50を固定することが可能な形状を有している。
第1のOリング固定溝3040c及び第2のOリング固定溝3040dの断面(図7(C)参照)は、シール部材(Oリング)50の断面(図6参照)の一部を受け容れることが可能な形状を有している。導電性隔壁3040が第1のOリング固定溝3040cを有することにより、電解槽3000において複合体100の基体31と導電性隔壁3040の第1の面40aとの間に配置されたシール部材(Oリング)50は、第1のOリング固定溝3040cに嵌り込んだ姿勢で基体31と導電性隔壁3040の第1の面40aとの間に挟持される。したがって第1の極室内部の圧力によるシール部材(Oリング)50の変形がさらに抑制される。また導電性隔壁3040が第2のOリング固定溝3040dを有することにより、電解槽3000において複合体100の基体31と導電性隔壁3040の第2の面40bとの間に配置されたシール部材(Oリング)50は、第2のOリング固定溝3040dに嵌り込んだ姿勢で基体31と導電性隔壁3040の第2の面40bとの間に挟持される。したがって第2の極室内部の圧力によるシール部材(Oリング)50の変形がさらに抑制される。よって導電性隔壁3040を備える形態の電解槽3000によれば、隔膜が受ける熱および機械的圧力による悪影響を抑制しながら、極室内部の圧力に対する耐性をさらに高めることが可能である。
本発明に関する上記説明では、第1の極室A1のみを画定する(すなわち第2の面40bが第2の極室に面していない)導電性隔壁も第2の面40bに第2のOリング固定溝3040dを有し、第2の極室C3のみを画定する(すなわち第1の面40aが第1の極室に面していない)導電性隔壁も第1の面40aに第1のOリング固定溝3040cを有する形態の電解槽3000を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、第1の極室のみを画定する(第2の極室に面していない)導電性隔壁には第2の面に第2のOリング固定溝が設けられておらず、第2の極室のみを画定する(第1の極室に面していない)導電性隔壁には第1の面に第1のOリング固定溝が設けられていない形態の電解槽とすることも可能である。
本発明に関する上記説明では、シール部材(Oリング)50の断面と相補的な断面形状を有する第1及び第2のOリング固定溝3040c、3040dを有する導電性隔壁3040を備える形態の電解槽3000を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、V字型の断面形状を有する第1及び第2のOリング固定溝を有する導電性隔壁を備える形態の電解槽とすることも可能である。
なお、シール部材50としてOリングに代えて平ガスケットを用いる態様においても、平ガスケットとして主面に凸部を備える形態の平ガスケットを用いることにより、Oリングであるシール部材50を第1及び第2のOリング固定溝231e及び231fで固定する場合と同様の効果を得ることが可能である。すなわち、Oリングに代えて、導電性隔壁3040の第1の面40aに対向する面、または、第2の面40bに対向する面にそれぞれ凸部を有する平ガスケットを用い、導電性隔壁3040において第1の面40aが第1のOリング固定溝3040cに代えて第1の凸部固定溝を備え、第2の面40bが第2のOリング固定溝3040dに代えて第2の凸部固定溝を備える形態の導電性隔壁を用いて、導電性隔壁3040の第1の面40aまたは第2の面40bに設けられた第1または第2の凸部固定溝に平ガスケットの上記凸部をそれぞれ嵌め入れることにより、極室内部の圧力による平ガスケットの変形をさらに抑制することも可能である。
<3.電解エレメント>
図8は、本発明の一の実施形態に係る電解エレメント500を模式的に説明する図である。図8において、図2〜7に既に表れた要素には図2〜7における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。図8(A)は、電解エレメント500を模式的に説明する断面図であり、図8(B)は、図8(A)から隔膜10、ガスケット20、及び蓋部材532を取り除いた姿勢を示す断面図である。
電解エレメント500は、イオン透過性の隔膜10と、隔膜10の周縁部を保持するガスケット20と、ガスケット20を保持する枠状の保護部材530と、第1の面540aおよび第2の面540bを有する導電性の隔壁540(以下において「導電性隔壁540」ということがある。)とを備える。保護部材530は、枠状の基体531と、枠状の蓋部材532とを備える。
基体531は、基体531の内周側に設けられ、ガスケット20及び蓋部材532を受け容れる受容部531aと、受容部531aより基体531の内周側に向けて突出して延在し、受容部531aに受け容れられたガスケット20を隔膜10の主面に交差する方向に支持する支持部531bとを備える。蓋部材532は、基体531の受容部531aに受け容れられることが可能な寸法を有する。基体531の受容部531aにガスケット20及び蓋部材532が受け容れられることにより、ガスケット20が基体531の支持部531bと蓋部材532との間に挟まれて保持される。ガスケット20及び蓋部材532が基体531の受容部531aに受け容れられたとき、基体531の受容部531a側の端部531aeと蓋部材532との間には段差が生じている。すなわち、基体531の受容部531aの深さ(すなわち、受容部531aの端部を画定する基体531の端部531aeから、支持部531bまでの深さ)は、隔膜10の周縁部を保持したガスケット20と蓋部材532との合計の厚さよりも大とされている。
導電性の隔壁540は、第1の面540aが隔膜10と対向するように配置されており、導電性の隔壁540の外周部は、基体531の支持部531bの内周部と全周にわたって水密かつ気密に接合されているか又は全周にわたって一体とされている。基体531は、支持部531bと連続して、導電性の隔壁540よりも第2の面540bの側に向けて突出して設けられた突出フランジ部531cを備える。突出フランジ部531cの外周部531csの周方向における寸法(すなわち図8の紙面左右方向に直交する方向における寸法。言い換えると導電性の隔壁540の第1の面540aに平行な断面における寸法。さらに言い換えると隔膜10の主面に平行な断面における寸法。)は、受容部531aの内周部531asの寸法以下である。すなわち、突出フランジ部531cは、受容部531aに受け容れられることが可能な形状及び寸法を有している。上記したように、基体531の受容部531aの深さは、隔膜10の周縁部を保持したガスケット20と蓋部材532との合計の厚さよりも大とされているので、隔膜10の周縁部を保持したガスケット20と蓋部材532とが一の電解エレメント500の受容部531aに受け容れられたとき、該受容部531aは他の電解エレメント500の突出フランジ部531cの少なくとも先端部をさらに受け入れることができる。したがって電解エレメント500によれば、複数の電解エレメント500が積層された積層構造を有する電解槽を組み立てる際に、隣接する電解エレメントの間の位置決めが容易である。
基体531においては、導電性隔壁540の第1の面540aと、該第1の面540aと対向する隔膜10との間に、導電性隔壁540と電気的に導通した第1の電極(陽極)61を収容する第1の極室(陽極室)Aが画定されている。第1の電極(陽極)61は、導電性隔壁540の第1の面540aから突出するように設けられた導電性リブ41、41、…に保持されている。導電性リブ41は導電性隔壁540及び第1の電極61と電気的に導通している。また基体531は、導電性隔壁540の第2の面540bから突出するように設けられた導電性リブ42、42、…と、導電性リブ42に保持された第2の電極(陰極)62とをさらに備えている。導電性リブ42は導電性隔壁540及び第2の電極62と電気的に導通しており、したがって第2の電極62は導電性隔壁540と電気的に導通している。
導電性隔壁540の材質としては、導電性隔壁40について上記説明した、アルカリ耐性を有する剛性の導電性材料を特に制限なく用いることができ、その好ましい態様についても上記同様である。
基体531は、金属製であってもよく、電気絶縁性の材料により形成されていてもよい。基体531を形成する金属材料の例としては、導電性隔壁40について上記説明したものと同様の金属材料を挙げることができ、その好ましい態様についても上記同様である。基体531を形成する電気絶縁性材料の例としては、基体31について上記説明した電気絶縁性材料と同様の電気絶縁性材料を挙げることができ、その好ましい態様についても上記同様である。基体531が電気絶縁性の材料により形成される場合、電解エレメント500において導電性隔壁540は基体531と接合されることが好ましい。電気絶縁性材料により形成された基体531と導電性隔壁540とを接合する手段としては、接着剤による接着等の公知の接合手段を用いることができる。基体531が金属製である場合、電解エレメント500において導電性隔壁540と基体531とは接合されていてもよく、一体に形成されていてもよい。金属製の基体531と導電性隔壁540とを接合する手段としては、溶接やロウ付け等の公知の金属間接合手段を用いることができる。また金属製の基体531と導電性隔壁540とを一体に形成する手段としては、鋳造、鍛造、削り出し等の公知の手段を用いることができる。
蓋部材532は、金属製であってもよく、電気絶縁性の材料により形成されてもよい。蓋部材532を形成する金属材料の例としては、基体31に関連して上記説明したものと同様の金属材料を挙げることができ、その好ましい態様についても上記同様である。
なお、基体531が金属製である場合、後述する電解槽において隣接する電解エレメント500、500の基体531同士の間での短絡を防止する必要がある。例えば、一の実施形態において、基体531の受容部531aの内周部531asの周方向における寸法(すなわち図8の紙面左右方向に直交する方向における寸法。言い換えると導電性の隔壁540の第1の面540aに平行な断面における寸法。さらに言い換えると隔膜10の主面に平行な断面における寸法。)は、突出フランジ部531cの外周部531csの周方向における寸法よりも大きいことが好ましい(図8(B)参照)。受容部531aの内周部531asの周方向における寸法が、突出フランジ部531cの外周部531csの周方向における寸法よりも大きいことにより、後述するように一方の電解エレメント500の突出フランジ部531cの少なくとも先端部531ceが他方の電解エレメント500の受容部531aに受け容れられたときに、一方の電解エレメント500の突出フランジ部531cの外周部531csと他方の電解エレメント500の受容部531aの内周部531asとが直接接触しないように当該隣接する電解エレメント500、500を配置できるので、短絡を防止することが可能になる。
また例えば、一の実施形態において、電解エレメント500は、一方の電解エレメント500の突出フランジ部531cの少なくとも先端部531ceが他方の電解エレメント500の受容部531aに受け容れられたときに一方の電解エレメントの基体531と他方の電解エレメントの基体531との間の短絡を防止するように設けられた電気絶縁部材をさらに備えることが好ましい。図9は、そのような他の実施形態に係る電解エレメント500’を模式的に説明する断面図である。図9において、図2〜8に既に表れた要素には図2〜8における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。図9(A)は電解エレメント500’を模式的に説明する断面図であり、図9(B)は図9(A)から隔膜10、ガスケット20、及び蓋部材532を取り除いた図である。電解エレメント500’は、基体531に代えて基体531’を備える点において電解エレメント500と異なっており、基体531’は、突出フランジ部531’cの先端部531’ce及び該先端部531’ceに連なる突出フランジ部531’cの外周部531’csの少なくとも一部の表面が、電気絶縁部材531’ciにより構成されている点において、基体531と異なっている。すなわち、基体531’は、突出フランジ部531’cの先端部531’ce及び該先端部531’ceに連なる突出フランジ部531’cの外周部531’csの少なくとも一部の表面部分が電気絶縁部材531’ciにより構成されており、その他の部分が金属製である。なお、基体531’の受容部531aが設けられた部分の外周部531aoと、突出フランジ部531’cの外周部531’csとを接続する段差部分531rの表面がさらに電気絶縁部材531’ciで構成されていてもよい。電解エレメント500’においても、電気絶縁部材531’ciを含む突出フランジ部531’cの外周部531’csの寸法は、受容部531aの内周部531asの寸法以下とされている。このような電解エレメント500’によっても、一方の電解エレメント500’の突出フランジ部531’cが他方の電解エレメント500’の受容部531aに受け容れられたときに一方の基体531’と他方の基体531’とが短絡することを防止できる。
電気絶縁部材531’ciの材質としては、例えばアクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、フッ素ゴム(FKM)、ウレタンゴム(AU)、クロロプレンゴム(CR)、エチレン−プロピレンゴム(EPT)、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)等のエラストマー;ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、フェノール樹脂(PF)等の非フッ素系樹脂;ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフロオロエチレン−エチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂などの電気絶縁性材料を特に制限なく採用できる。突出フランジ部の表面を電気絶縁部材531’ciで構成するにあたっては、接着、ライニング、溶着等の公知の手法を特に制限なく用いることができる。
本発明の上記説明においては、突出フランジ部の先端部を含む表面が電気絶縁部材531’ciで構成されている形態の電解エレメント500’を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、基体531の受容部531aの内周部531asが電気絶縁部材で構成されている形態の電解エレメントとすることも可能である。図10は、そのような他の一の実施形態に係る電解エレメント500''を模式的に説明する断面図である。図10において、図2〜9に既に表れた要素には図2〜9における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。図10(A)は電解エレメント500''を模式的に説明する断面図であり、図10(B)は図10(A)から隔膜10、ガスケット20、及び蓋部材532を取り除いた図である。電解エレメント500''は、基体531に代えて基体531''を備える点において電解エレメント500と異なっており、基体531''は受容部531''aの内周部531''as及び受容部531''aの端部を画定する基体531''の端部531''aeの表面が電気絶縁部材531''aiによって構成されている点において、基体531と異なっている。すなわち、基体531''は、受容部531''aの内周部531''as及び受容部531''aの端部を画定する基体531''の端部531''aeの表面が電気絶縁部材531''aiによって構成されており、その他の部分は金属製である。電解エレメント500''においても突出フランジ部531cの外周部531csの寸法は、電気絶縁部材531''aiを含む受容部531''aの内周部531''asの寸法以下とされている。このような電解エレメント500''によっても、一方の電解エレメント500''の突出フランジ部531cが他方の電解エレメント500''の受容部531''aに受け容れられたときに一方の基体531''と他方の基体531''とが短絡することを防止できる。
本発明に関する上記説明では、導電性隔壁540の第1の面540aと隔膜10との間に第1の電極61として陽極が配置され、導電性隔壁540の第2の面540bから突出して設けられた導電性リブ42に第2の電極62として陰極が保持されている形態の電解エレメント500、500’、500''を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、導電性隔壁の第1の面540aと隔膜10との間に第1の電極61として陰極が配置され、導電性隔壁540の第2の面540bから突出して設けられた導電性リブ42に第2の電極62として陽極が保持されている形態の電解エレメントとすることも可能である。
<4.電解槽(2)>
図11は、本発明の他の一の実施形態に係る電解槽4000を模式的に説明する断面図である。図11において、図2〜10に既に表れた要素には図2〜10における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。
電解槽4000は、複数の電解エレメント500、500、…が積層された積層構造を有している。該積層構造においては、隣接する2つの電解エレメント500、500の組のそれぞれにおいて、一方の電解エレメント500の突出フランジ部531cの少なくとも一部が、他方の電解エレメント500の受容部531aに受け容れられていることにより、一方の電解エレメント500の突出フランジ部531cと、他方の電解エレメント500の支持部531bとの間に、該他方の電解エレメント500の(隔膜10の周縁部を保持した)ガスケット20及び蓋部材532が挟まれて保持されている。そして導電性隔壁540の第1の面540aと、該第1の面540aと対向する隔膜10との間に、該導電性隔壁540と電気的に導通した第1の電極(陽極)61を収容する第1の極室(陽極室A2、A3、A4)が画定されており、導電性隔壁540の第2の面540bと、該第2の面540bと対向する隔膜10との間に、該導電性隔壁540と電気的に導通した第2の電極(陰極)62を収容する第2の極室(陰極室C2、C3)が画定されている。
電解槽4000においては、隣接する2つの電解エレメント500、500の組のそれぞれにおいて、一方の電解エレメント500の突出フランジ部531cと、他方の電解エレメント500の蓋部材532との間に、シール部材50としてOリングが挟まれて保持されている。
電解槽4000において、電解エレメント500、500、…の積層構造の一方の端部に突出フランジ部531cを外側に向けて配置された電解エレメント500を第1の電解エレメント500aと称する。また電解エレメント500、500、…の積層構造の他方の端部に受容部531aを外側に向けて配置された電解エレメント500を第2の電解エレメント500bと称する。電解槽4000は、第1の電解エレメント500aの導電性隔壁540の第2の面540bと対向して配置された、第1のターミナルエレメント4500と、第2の電解エレメント500bの隔膜10と対向して配置された、第2のターミナルエレメント4600とさらに備えている。
図12は、第1のターミナルエレメント4500を模式的に説明する図である。図12において、図2〜11に既に表れた要素には図2〜11における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。図12(A)は、第1のターミナルエレメント4500を模式的に説明する断面図であり、図12(B)は、図12(A)から隔膜10、ガスケット20、及び蓋部材532を取り除いた図である。第1のターミナルエレメント4500は、イオン透過性の隔膜10(第1の隔膜)と、隔膜10(第1の隔膜)の周縁部を保持するガスケット20(第1のガスケット)と、ガスケット20(第1のガスケット)を保持する枠状の保護部材(第1の保護部材)4530と、第1の面540a及び第2の面540bを有する導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)とを備える。
保護部材(第1の保護部材)4530は、枠状の基体(第1の基体)4531と、枠状の蓋部材532(第1の蓋部材)とを備える。基体(第1の基体)4531は、突出フランジ部531c、第2の電極62、及び導電性リブ42を有しない点において、上記説明した電解エレメント500の基体531と異なっている。すなわち、基体(第1の基体)4531は、基体4531の内周側に設けられ、ガスケット20及び蓋部材532を受け容れる受容部(第1の受容部)4531aと、該受容部4531aより基体4531の内周側に向けて突出して延在し、受容部4531aに受け容れられたガスケット20(第1のガスケット)を隔膜10(第1の隔膜)の主面に交差する方向に支持する支持部4531b(第1の支持部)とを備えている。蓋部材532(第1の蓋部材)は、基体4531の受容部4531aに受け容れられることが可能な寸法を有している。基体4531の受容部4531aに(隔膜10の周縁部を保持した)ガスケット20(第1のガスケット)及び蓋部材532(第1の蓋部材)が受け容れられることにより、ガスケット20(第1のガスケット)が基体4531の支持部4531aと蓋部材532(第1の蓋部材)との間に挟まれて保持される。ガスケット20(第1のガスケット)及び蓋部材532(第1の蓋部材)が基体4531の受容部4531aに受け容れられたとき、基体4531の受容部4531a側の端部4531aeと蓋部材532(第1の蓋部材)との間には段差が生じている。すなわち、基体4531の受容部4531aの深さ(すなわち、受容部4531aの端部を画定する基体4531の端部4531aeから、支持部4531bまでの深さ)は、隔膜10(第1の隔膜)の周縁部を保持したガスケット20(第1のガスケット)と蓋部材532(第1の蓋部材)との合計の厚さよりも大とされている。
第1のターミナルエレメント4500において、導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)は、該導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)の第1の面540aが隔膜10(第1の隔膜)と対向するように配置されている。導電性隔壁450(第1の導電性隔壁)の外周部は、基体4531の支持部4531bと全周にわたって水密かつ気密に接合されているか又は全周にわたって一体とされている。
電解槽4000においては、第1の電解エレメント500aの突出フランジ部531cの少なくとも一部が、第1のターミナルエレメント4500の受容部4531aにさらに受け容れられていることにより、第1の電解エレメント500aの突出フランジ部531cと、第1のターミナルエレメント4500の支持部4531bとの間に、第1のターミナルエレメント4500の(隔膜10(第1の隔膜)の周縁部を保持した)ガスケット20(第1のガスケット)及び蓋部材532(第1の蓋部材)が挟まれて保持されている(図11参照)。
第1のターミナルエレメント4500の受容部4531aの内周部4531asの寸法は、第1の電解エレメント500aの突出フランジ部531cの外周部531csの寸法以上である。すなわち、第1のターミナルエレメント4500の受容部4531aは、第1の電解エレメント500aの突出フランジ部531cを受け容れることが可能な形状及び寸法を有している。上記したように、第1のターミナルエレメント4500の基体4531の受容部4531aの深さは、隔膜10(第1の隔膜)の周縁部を保持したガスケット20(第1のガスケット)と蓋部材532(第1の蓋部材)との合計の厚さよりも大とされているので、隔膜10(第1の隔膜)の周縁部を保持したガスケット20(第1のガスケット)と蓋部材532(第1の蓋部材)とが第1のターミナルエレメント4500の受容部4531aに受け容れられたとき、該受容部4531aは第1の電解エレメント500の突出フランジ部531cの少なくとも先端部をさらに受け入れることができる。したがって電解槽4000においては、第1の電解エレメント500aと第1のターミナルエレメント4500とを積層する際に、位置決めが容易である。
電解槽4000においては、第1のターミナルエレメント4500の導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)の第1の面540aと、第1のターミナルエレメント4500の隔膜10(第1の隔膜)との間に、第1のターミナルエレメント4500の導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)と電気的に導通した第1の電極(陽極)61を収容する第1の極室(陽極室A1)がさらに画定されるとともに、第1の電解エレメント500aの導電性隔壁540の第2の面540bと、第1のターミナルエレメント4500の隔膜10(第1の隔膜)との間に、第1の電解エレメント500aの導電性隔壁540と電気的に導通した第2の電極(陰極)62を収容する第2の極室(陰極室C1)がさらに画定されている(図11参照)。
第1のターミナルエレメント4500において、第1の電極(陽極)61は、導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)の第1の面540aから突出するように設けられた導電性リブ41、41、…に保持されている(図12(B)参照)。導電性リブ41は導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)及び第1の電極61と電気的に導通している。
第1のターミナルエレメント4500(図12参照)において、基体4531は、金属製であってもよく、電気絶縁性の材料により形成されていてもよい。基体4531を形成する金属材料の例としては、導電性隔壁40について上記説明したものと同様の金属材料を挙げることができ、その好ましい態様についても上記同様である。基体4531を形成する電気絶縁性材料の例としては、基体31について上記説明した材料と同様の電気絶縁性材料を挙げることができ、その好ましい態様についても上記同様である。基体4531が電気絶縁性の材料により形成される場合、第1のターミナルエレメント4500において導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)は基体4531と接合されることが好ましい。電気絶縁性材料により形成された基体4531と導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)とを接合する手段としては、接着剤による接着等の公知の接合手段を用いることができる。基体4531が金属製である場合、第1のターミナルエレメント4500において導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)と基体4531とは接合されていてもよく、一体に形成されていてもよい。金属製の基体4531と導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)とを接合する手段としては、溶接やロウ付け等の公知の金属間接合手段を用いることができる。また金属製の基体4531と導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)とを一体に形成する手段としては、鋳造、鍛造、削り出し等の公知の手段を用いることができる。
図13は、第2のターミナルエレメント4600を模式的に説明する断面図である。図13において、図2〜12に既に表れた符号には図2〜12における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。第2のターミナルエレメント4600は、第1の面540a及び第2の面540bを有する導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)と、該導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)の外周部と全周にわたって水密且つ気密に接合され又は全周にわたって一体に設けられ、該導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)の第2の面540bの側に突出して延在する、突出フランジ部(第2の突出フランジ部)4631cとを有する。少なくとも突出フランジ部4631cの先端部において、突出フランジ部4631cの外周部4631csの周方向の寸法(すなわち図13において紙面左右方向に直交する方向における寸法。言い換えると第2のターミナルエレメント4600の導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)の第2の面540bに平行な断面における寸法。)は、第2の電解エレメント500bの受容部531aの内周部531asの周方向の寸法以下である。すなわち、第2のターミナルエレメント4600の突出フランジ部4631cは、第2の電解エレメント500bの受容部531aに受け容れられることが可能な寸法を有している。
電解槽4000においては、第2のターミナルエレメント4600の突出フランジ部4631cの少なくとも一部が、第2の電解エレメント500bの受容部531aにさらに受け容れられることにより、第2のターミナルエレメント4600の突出フランジ部4631cと第2の電解エレメント500bの支持部531bとの間に、第2の電解エレメント500bのガスケット20及び蓋部材532が挟まれて保持されている(図11参照)。したがって電解槽4000においては、第2の電解エレメント500bと第2のターミナルエレメント4600とを積層する際に、位置決めが容易である。
電解槽4000においては、第2のターミナルエレメント4600の導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)の第2の面540bと、第2の電解エレメント500bの隔膜10との間に、第2のターミナルエレメント4600の導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)と電気的に導通した第2の電極(陰極)62を収容する第2の極室(陰極室C4)がさらに画定されている(図11参照)。
第2のターミナルエレメント4600において、第2の電極62は、導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)の第2の面540bから突出するように設けられた導電性リブ42、42、…に保持されている(図13参照)。導電性リブ42は導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)及び第2の電極62と電気的に導通している。
電解槽4000においては、第1の電解エレメント500aの突出フランジ部531cと第1のターミナルエレメント4500の蓋部材532(第1の蓋部材)との間、及び、第2のターミナルエレメント4600の突出フランジ部4631cと第2の電解エレメント500の蓋部材532との間に、それぞれシール部材50としてOリングが挟まれて保持されている(図11参照)。
第2のターミナルエレメント4600(図13参照)において、突出フランジ部4631cは、金属製であってもよく、電気絶縁性の材料により形成されていてもよい。突出フランジ部4631cを形成する金属材料の例としては、導電性隔壁40について上記説明したものと同様の金属材料を挙げることができ、その好ましい態様についても上記同様である。突出フランジ部4631cを形成する電気絶縁性材料の例としては、基体31について上記説明した電気絶縁性材料と同様の電気絶縁性材料を挙げることができ、その好ましい態様についても上記同様である。突出フランジ部4631cが電気絶縁性の材料により形成される場合、第2のターミナルエレメント4600において導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)は突出フランジ部4631cと接合されることが好ましい。電気絶縁性材料により形成された突出フランジ部4631cと導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)とを接合する手段としては、接着剤による接着等の公知の接合手段を用いることができる。突出フランジ部4631cが金属製である場合、第2のターミナルエレメント4600において導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)と突出フランジ部4631cとは接合されていてもよく、一体に形成されていてもよい。金属製の突出フランジ部4631cと導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)とを接合する手段としては、溶接やロウ付け等の公知の金属間接合手段を用いることができる。また金属製の突出フランジ部4631cと導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)とを一体に形成する手段としては、鋳造、鍛造、削り出し等の公知の手段を用いることができる。
電解槽4000において、第1のターミナルエレメント4500の導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)には正極端子が接続されており、第2のターミナルエレメント4600の導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)には負極端子が接続されている(図11参照)。正極端子は直流電源の正極に接続され、負極端子は直流電源の負極に接続される。なお、電解槽4000は、第1の極室(陽極室A1、A2、A3、A4)のそれぞれに電解液を供給する第1の電解液供給流路(不図示)と、第1の極室のそれぞれから電解液およびガスを回収する第1の電解液・ガス回収流路(不図示)と、第2の極室(C1、C2、C3、C4)のそれぞれに電解液を供給する第2の電解液供給流路(不図示)と、第2の極室のそれぞれから電解液およびガスを回収する第2の電解液・ガス回収流路(不図示)とをさらに備えている。
一の好ましい実施形態において、第1のターミナルエレメント4500の基体4531、第2のターミナルエレメント4600の突出フランジ部4631c、及び、各電解エレメント500の基体531は電気絶縁性材料により形成される。かかる形態によれば、各受容部(531a、4531a)において受容部と該受容部に受け容れられた突出フランジ部(531c、4631c)とが接触しても、短絡が生じることがない。
他の好ましい実施形態において、第1のターミナルエレメント4500の基体4531、第2のターミナルエレメント4600の突出フランジ部4631c、及び、各電解エレメント500の基体531は金属製である。かかる形態によれば、極室内部の圧力に対する耐性をさらに高めることが可能になる。
第1のターミナルエレメント4500の基体4531、第2のターミナルエレメント4600の突出フランジ部4631c、及び、各電解エレメント500の基体531が金属製である場合、例えば、各電解エレメント500の基体531の受容部531aの内周部531asの周方向の寸法が、各電解エレメント500の突出フランジ部531cの外周部531csの周方向の寸法よりも大きく(図8(B)及び図11参照)、第1のターミナルエレメント4500の受容部4531aの内周部4531asの周方向の寸法(すなわち図12の紙面左右方向に直交する方向における寸法。言い換えると第1のターミナルエレメント4500の導電性隔壁540(第1の導電性隔壁)の第1の面540aに平行な断面における寸法。さらに言い換えると第1のターミナルエレメント4500の隔膜10(第1の隔膜)の主面に平行な断面における寸法。)が、第1の電解エレメント500aの突出フランジ部531cの外周部531csの周方向の寸法よりも大きく(図11及び図12参照)、第2のターミナルエレメント4600の突出フランジ部4631cの外周部4631csの周方向の寸法が、第2の電解エレメント500bの受容部531aの内周部531asの周方向の寸法よりも小さい(図11及び図13参照)ことが好ましい。かかる形態によれば、各受容部の周方向の寸法が各突出フランジ部の周方向の寸法よりも大きいことにより、各受容部(531a、4531a)において受容部と該受容部に受け容れられた突出フランジ部(531c、4631c)とが直接接触しないように各電解エレメント500、第1のターミナルエレメント4500、及び第2のターミナルエレメント4600を配置できるので、短絡を防止できる。また例えば、電解槽4000が、第1のターミナルエレメント4500の基体4531と、第1の電解エレメント500aの基体531との短絡を防ぐように配置された電気絶縁部材(第1の電気絶縁部材)と;第2のターミナルエレメント4600の突出フランジ部4631cと、第2の電解エレメント500bの基体531との短絡を防ぐように配置された電気絶縁部材(第2の電気絶縁部材)と;隣接する2つの電解エレメント500、500の組のそれぞれにおいて、一方の電解エレメント500の基体531と、他方の電解エレメント500の基体531との短絡を防ぐように配置された電気絶縁部材(第3の電気絶縁部材)と、をさらに有することが好ましい。かかる形態によれば、各受容部(531a、4531a)において受容部と該受容部に受け容れられた突出フランジ部(531c、4631c)とが接触しても、短絡が生じることがない。図14は、そのような他の一の実施形態に係る電解槽5000を模式的に説明する断面図である。図14において、図2〜13に既に表れた要素には図2〜13における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。
電解槽5000は、電解エレメント500、500、…に代えて電解エレメント500’、500’、…(図9参照)を備え、第2のターミナルエレメント4600に代えて第2のターミナルエレメント4600’を備える点において、上記説明した電解槽4000(図11)と異なっている。電解槽5000において、電解エレメント500’、500’、…の積層構造の一方の端部に突出フランジ部531’cを外側に向けて配置された電解エレメント500’を第1の電解エレメント500’aと称し、電解エレメント500’、500’、…の積層構造の他方の端部に受容部531aを外側に向けて配置された電解エレメント500’を第2の電解エレメント500’bと称する。
図15は、第2のターミナルエレメント4600’を模式的に説明する断面図である。図15において、図2〜14に既に表れた要素には図2〜14における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。第2のターミナルエレメント4600’は、突出フランジ部(第2の突出フランジ部)4631cに代えて突出フランジ部(第2の突出フランジ部)4631’cを有する点において、上記説明した第2のターミナルエレメント4600(図13参照)と異なっている。突出フランジ部4631’cは、その先端部4631’ce及び該先端部4631’ceに連なる突出フランジ部4631’cの外周部4631’csの少なくとも一部の表面が、電気絶縁部材4631’ciにより構成されている点において、第2のターミナルエレメント4600の突出フランジ部4631cと異なっている。すなわち、突出フランジ部4631’cは、突出フランジ部4631’cの先端部4631’ce及び該先端部4631’ceに連なる突出フランジ部4631’cの外周部4631’csの少なくとも一部の表面部分が電気絶縁部材4631’ciにより構成されており、その他の部分が金属製である。電気絶縁部材4631’ciの材質の例としては、電気絶縁部材531’ciの材質として上記説明したものと同様の電気絶縁性材料を挙げることができ、その好ましい態様についても上記同様である。第2のターミナルエレメント4600’においても、電気絶縁部材4631’ciを含む突出フランジ部4631’cの外周部4631’csの周方向の寸法(すなわち図15の紙面左右方向に直交する方向における寸法。言い換えると第2のターミナルエレメント4600’の導電性隔壁540(第2の導電性隔壁)の第2の面540bに平行な断面における寸法。)は、第2の電解エレメント500’bの受容部531aの内周部の周方向の寸法以下とされている。
このような電解槽5000によれば、各受容部(531a、4531a)において受容部と該受容部に受け容れられた突出フランジ部(531’c、4631’c)とが接触しても、短絡が生じることがない。
本発明の上記説明においては、受容部と突出フランジ部との短絡を防止するために各突出フランジ部が表面に電気絶縁部材を備える形態の電解槽5000を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、各受容部の表面が電気絶縁部材を備えることにより受容部と突出フランジ部との短絡を防止する形態の電解槽とすることも可能である。図16は、そのような他の一の実施形態に係る電解槽6000を模式的に説明する断面図である。図16において、図2〜15に既に表れた要素には図2〜15における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。電解槽6000は、電解エレメント500、500、…に代えて電解エレメント500''、500''、…(図10参照)を備え、第1のターミナルエレメント4500に代えて第1のターミナルエレメント4500''を備える点において、上記説明した電解槽4000と異なっている。電解槽6000において、電解エレメント500''、500''、…の積層構造の一方の端部に突出フランジ部531cを外側に向けて配置された電解エレメント500''を第1の電解エレメント500''aと称し、電解エレメント500''、500''、…の積層構造の他方の端部に受容部531''aを外側に向けて配置された電解エレメント500''を第2の電解エレメント500''bと称する。
図17は、第1のターミナルエレメント4500''を模式的に説明する図である。図17において、図2〜16に既に表れた要素には図2〜16における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。図17(A)は第1のターミナルエレメント4500''を模式的に説明する断面図であり、図17(B)は図17(A)から隔膜10、ガスケット20、及び蓋部材532を取り除いた図である。第1のターミナルエレメント4500''は、基体(第1の基体)4531に代えて基体(第1の基体)4531''を備える点において第1のターミナルエレメント4500と異なっており、基体4531''は受容部(第1の受容部)4531''aの内周部4531''as及び受容部4531''aの端部を画定する基体4531''の端部4531''aeの表面が電気絶縁部材4531''aiによって構成されている点において、基体4531と異なっている。すなわち、基体4531''は、受容部4531''aの内周部4531''as及び内周部4531''aの端部を画定する基体4531''の端部4531''aeの表面が電気絶縁部材4531''aiによって構成されており、その他の部分は金属製である。電気絶縁部材4531''aiの材質の例としては、電気絶縁部材531’ciの材質として上記説明したものと同様の電気絶縁性材料を挙げることができ、その好ましい態様についても上記同様である。第1のターミナルエレメント4500''においても、電気絶縁部材4531''aiを含む受容部4531''aの内周部4531''asの周方向の寸法は、第1の電解エレメント500''aの突出フランジ部531cの外周部531csの周方向の寸法以上とされている。
このような電解槽6000によれば、各受容部(531''a、4531''a)において受容部と該受容部に受け容れられた突出フランジ部(531c、4631c)とが接触しても、短絡が生じることがない。
本発明に関する上記説明では、シール部材(Oリング)50を固定するための溝を有しない形態の電解エレメント500、500’、及び500''、並びに該電解エレメントを備える形態の電解槽4000、5000、及び6000を例に挙げた。本発明の電解エレメントを備える電解槽によれば、受容部の内周部がシール部材の外周側に存在するので、仮にOリングが極室内部の圧力により変形したとしても、Oリングが受容部の内周部によって規定される限度を超えて変形することが抑制される。しかしながら本発明は当該形態に限定されるものではない。例えば、蓋部材の突出フランジ部と向かい合う面に、Oリングを蓋部材と突出フランジ部の先端部との間に固定することが可能であるように設けられた溝(Oリング固定溝)を有する形態の電解エレメント、及び該電解エレメントを備える形態の電解槽とすることも可能である。また例えば、突出フランジ部の先端部に、Oリングを蓋部材と突出フランジ部の先端部との間に固定することが可能であるように設けられた溝(Oリング固定溝)を有する形態の電解エレメント、及び該電解エレメントを備える形態の電解槽とすることも可能である。電解槽2000及び3000について上記説明したように、Oリング固定溝の断面形状は、Oリングの断面の一部に対応する(Oリングの断面形状と相補的な)形状であってもよく、他の形状(例えばV字形状等。)であってもよい。
本発明に関する上記説明では、シール部材50としてOリングを備える形態の電解槽4000、5000、及び6000を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、本発明の電解エレメントを備える電解槽であって、シール部材として平ガスケットを備える形態の電解槽とすることも可能である。本発明の電解エレメントを備える電解槽によれば、受容部の内周部がシール部材の外周側に存在するので、仮にシール部材が極室内部の圧力により変形したとしても、シール部材が受容部の内周部によって規定される限度を超えて変形することが抑制される。したがって本発明の電解エレメントを備える形態の電解槽によれば、Oリング以外のシール部材、例えば平ガスケットを用いた場合であっても、極室内部の圧力に対する耐性を高めることが可能である。ただし、極室内部の圧力に対する耐性をさらに高める観点からは、シール部材としてOリングを用いることが好ましい。
本発明に関する上記説明では、第1の電極61が陽極であり、第2の電極62が陰極である形態の電解槽1000、2000、3000、4000、5000、及び6000、並びに電解エレメント500、500'、及び500''を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、第1の電極が陰極であり、第2の電極が陽極である形態の電解槽及び電解エレメントとすることも可能である。
本発明に関する上記説明では、隔膜10の周縁部を保持するガスケット20が一体型のガスケットである、すなわち、一体のガスケット20の内周部にスリットが設けられており、該スリットに隔膜10の周縁部が収容されることにより、隔膜10の周縁部がガスケット20に保持される形態の隔膜−ガスケット−保護部材複合体100及び200、電解エレメント500、500’、及び500''、並びに電解槽1000、2000、3000、4000、5000、及び6000を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、一体型のガスケット20に代えて、分離型のガスケットを用いる形態、すなわち、2枚のガスケット部材で隔膜10の周縁部を挟むことにより、隔膜10の周縁部がガスケットに保持される形態の隔膜−ガスケット−保護部材複合体、電解エレメント、及び電解槽とすることも可能である。
<5.アルカリ水電解方法>
本発明の電解槽は、アルカリ水の電解に特に好ましく用いることができる。一の実施形態に係るアルカリ水電解方法は、アルカリ水を電解して水素を製造する方法であって、(a)本発明の電解槽を用いてアルカリ水を電解する工程を含む。工程(a)における電解槽としては、上記説明したいずれの形態の電解槽も用いることができる。アルカリ水としては、アルカリ水電解法による水素の製造に用いられる公知の塩基性水溶液(例えばKOH水溶液、NaOH水溶液等。)を特に制限なく用いることができる。
工程(a)は、本発明の電解槽の各第1の極室および各第2の極室に極液(アルカリ水)を供給し、陽極−陰極間に所定の電解電流が流れるように電圧を印加することにより、行うことができる。電解により発生したガスを各極室から極液とともに回収し、気液分離を行うことにより、陰極室から水素ガスを、及び陽極室から酸素ガスを、それぞれ回収することができる。気液分離によりガスから分離された極液は、必要に応じて水を補充しつつ、各極室へ再度供給することができる。
工程(a)において、第1の極室が陽極室、第2の極室が陰極室であってもよく、第1の極室が陰極室、第2の極室が陽極室であってもよい。いずれの場合においても、陰極室内部の圧力は大気圧に対して20kPa以上高圧に維持される。陰極室内部の圧力は大気圧に対して400kPa以上高圧であることが好ましく、800kPa以上高圧であることがより好ましい。陰極室内部の圧力の上限は電解槽を構成する部材の強度にもよるが、例えば大気圧+1000kPa未満とすることができる。陰極室内部の圧力が上記下限値以上であることにより、陰極室から水素ガスを回収した後の昇圧工程における圧縮率を低減、または昇圧工程を省略することができるので、設備コストを削減し、設備全体として省スペース化および省エネルギー化を図ることが可能になる。また陰極室内部の圧力が上記下限値以上であることにより、陰極室で発生する気泡のサイズが小さくなるので、陽極−陰極間の抵抗が減少し、したがって電解電圧を低減することが可能になる。
工程(a)において、陽極室内部の圧力も、大気圧に対して20kPa以上高圧に維持されることが好ましい。陽極室内部の圧力は大気圧に対して400kPa以上高圧であることが好ましく、800kPa以上高圧であることがより好ましい。陽極室内部の圧力の上限は電解槽を構成する部材の強度にもよるが、例えば大気圧+1000kPa未満とすることができる。陽極室内部の圧力が上記下限値以上であることにより、陽極室から酸素ガスを回収した後の昇圧工程における圧縮率を低減、または昇圧工程を省略することができるので、設備コストをさらに削減し、設備全体としてさらなる省スペース化および省エネルギー化を図ることが可能になる。また陽極室内部の圧力が上記下限値以上であることにより、陽極室で発生する気泡のサイズが小さくなるので、陽極−陰極間の抵抗がさらに減少し、したがって電解電圧をさらに低減することが可能になる。
工程(a)において、陰極室内部の圧力と陽極室内部の圧力との差は、例えば5.0kPa未満であることが好ましく、1.0kPa未満であることがより好ましい。陰極室内部の圧力と陽極室内部の圧力との差が上記上限値未満であることにより、陽極室−陰極室間の差圧に起因してガスが隔膜を透過して陽極室から陰極室へ又は陰極室から陽極室へ移動することを抑制すること、及び、陽極室−陰極室間の差圧に起因して隔膜が損傷する事態を抑制することが容易になる。
本発明の電解槽は、極室内部の圧力に対する耐性が向上しているとともに、隔膜が受ける熱および機械的圧力による隔膜の性能低下が抑制されている。したがって本発明の電解槽を用いてアルカリ水の電解を行うことにより、極室内部の圧力を高めた条件でも、より安全に且つより効率的に電解を行うことが可能である。
10 (イオン透過性の)隔膜
20 ガスケット
30、230、530、4530 (枠状の)保護部材
31、231、531、531’、531''、4531、4531'' (枠状の)基体
31a、531a、531''a、4531a、4531''a 受容部
31b、531b、4531b 支持部
231e、3040c 第1のOリング固定溝
231f、3040d 第2のOリング固定溝
32、532 (枠状の)蓋部材
40、540、3040 導電性隔壁
40a、540a 第1の面
40b、540b 第2の面
41、42 導電性リブ
50 シール部材
61 第1の電極
62 第2の電極
531c、531’c、4631c、4631’c 突出フランジ部
531’ci、531''ai、4631’ci、4531''ai 電気絶縁部材
100、200 隔膜−ガスケット−保護部材複合体
500、500’、500'' 電解エレメント
500a 第1の電解エレメント
500b 第2の電解エレメント
4500、4500'' 第1のターミナルエレメント
4600、4600’ 第2のターミナルエレメント
1000、2000、3000、4000、5000、6000 電解槽
A1、A2、A3、A4 陽極室
C1、C2、C3、C4 陰極室

Claims (11)

  1. イオン透過性の隔膜と、
    前記隔膜の周縁部を保持するガスケットと、
    前記ガスケットを保持する電気絶縁性の枠状の保護部材と
    を備え、
    前記保護部材は、枠状の基体と、枠状の蓋部材とを備え、
    前記基体は、
    該基体の内周側に設けられ、前記ガスケット及び前記蓋部材を受け容れる受容部と、
    前記受容部より前記基体の内周側に向けて突出して延在し、前記受容部に受け容れられた前記ガスケットを前記隔膜の主面に交差する方向に支持する支持部と
    を備え、
    前記蓋部材は、前記基体の受容部に受け容れられることが可能な寸法を有し、
    前記基体の受容部に前記ガスケット及び前記蓋部材が受け容れられることにより、前記ガスケットが前記基体の支持部と前記蓋部材との間に挟まれている
    ことを特徴とする、隔膜−ガスケット−保護部材複合体。
  2. 第1の面と第2の面とを有する、複数の導電性の隔壁と、
    隣接する前記導電性の隔壁の間にそれぞれ配置された、複数の、請求項1に記載の隔膜−ガスケット−保護部材複合体と、
    前記導電性の隔壁と前記隔膜−ガスケット−保護部材複合体との間にそれぞれ配置された、シール部材と
    を備え、
    隣接する前記導電性の隔壁は、一方の前記導電性の隔壁の第1の面が他方の前記導電性の隔壁の第2の面と対向するように配置され、
    前記第1の面と、該第1の面に対向する前記隔膜との間に、該第1の面を有する前記導電性の隔壁と電気的に導通した第1の電極を収容する第1の極室が画定され、
    前記第2の面と、該第2の面に対向する前記隔膜との間に、該第2の面を有する前記導電性の隔壁と電気的に導通した第2の電極を収容する第2の極室が画定されている
    ことを特徴とする、電解槽。
  3. 前記シール部材がOリングであり、
    それぞれの前記保護部材は、
    前記枠状の基体の、前記導電性の隔壁の第1の面と向かい合う面に、前記Oリングを該枠状の基体と該第1の面との間に固定することが可能に設けられた第1の溝と、
    前記枠状の基体の、前記導電性の隔壁の第2の面と向かい合う面に、前記Oリングを該枠状の基体と該第2の面との間に固定することが可能に設けられた第2の溝と
    を有する、
    請求項2に記載の電解槽。
  4. 前記シール部材がOリングであり、
    それぞれの前記導電性の隔壁は、
    前記第1の面に、前記Oリングを該第1の面と前記枠状の基体との間に固定することが可能に設けられた第1の溝と、
    前記第2の面に、前記Oリングを該第2の面と前記枠状の基体との間に固定することが可能に設けられた第2の溝と
    を有する、
    請求項2に記載の電解槽。
  5. イオン透過性の隔膜と、
    前記隔膜の周縁部を保持するガスケットと、
    前記ガスケットを保持する枠状の保護部材と、
    第1の面および第2の面を有する導電性の隔壁と
    を備え、
    前記保護部材は、枠状の基体と、枠状の蓋部材とを備え、
    前記基体は、
    該基体の内周側に設けられ、前記ガスケット及び前記蓋部材を受け容れる受容部と、
    前記受容部より前記基体の内周側に向けて突出して延在し、前記受容部に受け容れられた前記ガスケットを前記隔膜の主面に交差する方向に支持する支持部と
    を備え、
    前記蓋部材は、前記基体の受容部に受け容れられることが可能な寸法を有し、
    前記基体の受容部に前記ガスケット及び前記蓋部材が受け容れられることにより、前記ガスケットが前記基体の支持部と前記蓋部材との間に挟まれ、
    前記導電性の隔壁は、前記第1の面が前記隔膜と対向するように配置され、
    前記導電性の隔壁の外周部は、前記基体の支持部の内周部と接合されているか又は一体とされており、
    前記枠状の基体は、前記支持部と連続して、前記導電性の隔壁よりも前記第2の面の側に向けて突出して設けられた突出フランジ部を備え、
    前記突出フランジ部の外周部の寸法は、前記受容部の内周部の寸法以下である
    ことを特徴とする、電解エレメント。
  6. 請求項5に記載の電解エレメントが複数積層された、積層構造を有し、
    隣接する2つの前記電解エレメントの組のそれぞれにおいて、一方の前記電解エレメントの前記突出フランジ部の少なくとも一部が、他方の前記電解エレメントの前記受容部にさらに受け容れられていることにより、前記一方の電解エレメントの前記突出フランジ部と、前記他方の電解エレメントの前記支持部との間に、前記他方の電解エレメントの前記ガスケット及び前記蓋部材が挟まれて保持されており、
    前記導電性の隔壁の第1の面と、該第1の面と対向する前記隔膜との間に、該導電性の隔壁と電気的に導通した第1の電極を収容する第1の極室が画定され、
    前記導電性の隔壁の第2の面と、該第2の面と対向する前記隔膜との間に、該導電性の隔壁と電気的に導通した第2の電極を収容する第2の極室が画定されている
    ことを特徴とする、電解槽。
  7. 隣接する2つの前記電解エレメントの組のそれぞれにおいて、前記一方の電解エレメントの前記突出フランジ部と、前記他方の電解エレメントの前記蓋部材との間に、シール部材としてOリングが挟まれて保持されている、
    請求項6に記載の電解槽。
  8. 前記積層構造の一方の端部に配置された第1の電解エレメントの前記導電性隔壁の第2の面と対向して配置された、第1のターミナルエレメントと、
    前記積層構造の他方の端部に配置された第2の電解エレメントの前記隔膜と対向して配置された、第2のターミナルエレメントと
    をさらに備え、
    前記第1のターミナルエレメントは、
    イオン透過性の第1の隔膜と、
    前記第1の隔膜の周縁部を保持する第1のガスケットと、
    前記第1のガスケットを保持する枠状の第1の保護部材と、
    第1の面および第2の面を有する第1の導電性の隔壁と
    を備え、
    前記第1の保護部材は、枠状の第1の基体と、枠状の第1の蓋部材とを備え、
    前記第1の基体は、
    該第1の基体の内周側に設けられ、前記第1のガスケット及び前記第1の蓋部材を受け容れる第1の受容部と、
    前記第1の受容部より前記第1の基体の内周側に向けて突出して延在し、前記第1の受容部に受け容れられた前記第1のガスケットを前記第1の隔膜の主面に交差する方向に支持する第1の支持部と
    を備え、
    前記第1の蓋部材は、前記第1の基体の第1の受容部に受け容れられることが可能な寸法を有し、
    前記第1の基体の第1の受容部に前記第1のガスケット及び前記第1の蓋部材が受け容れられることにより、前記第1のガスケットが前記第1の支持部と前記第1の蓋部材との間に挟まれ、
    前記第1の導電性の隔壁は、該第1の導電性の隔壁の前記第1の面が前記第1の隔膜と対向するように配置され、
    前記第1の導電性の隔壁の外周部は、前記第1の基体の第1の支持部の内周部と接合されているか又は一体とされており、
    前記第1の電解エレメントの前記突出フランジ部の少なくとも一部が、前記第1のターミナルエレメントの前記第1の受容部にさらに受け容れられていることにより、前記第1の電解エレメントの前記突出フランジ部と、前記第1のターミナルエレメントの前記第1の支持部との間に、前記第1のターミナルエレメントの前記第1のガスケット及び前記第1の蓋部材が挟まれて保持されており、
    前記第2のターミナルエレメントは、
    第1の面および第2の面を有する第2の導電性の隔壁と、
    前記第2の導電性の隔壁の外周部と接合され又は一体に設けられ、前記第2の導電性の隔壁の第2の面の側に突出して延在する、第2の突出フランジ部と
    を有し、
    少なくとも前記第2の突出フランジ部の先端部において、前記第2の突出フランジ部の外周部の寸法は、前記第2の電解エレメントの前記受容部の内周部の寸法以下であり、
    前記第2のターミナルエレメントの前記第2の突出フランジ部の少なくとも一部が、前記第2の電解エレメントの前記受容部にさらに受け容れられていることにより、前記第2のターミナルエレメントの前記第2の突出フランジ部と、前記第2の電解エレメントの前記支持部との間に、前記第2の電解エレメントの前記ガスケット及び前記蓋部材が挟まれて保持されており、
    前記第1のターミナルエレメントの前記第1の導電性の隔壁の第1の面と、前記第1の隔膜との間に、該第1の導電性の隔壁と電気的に導通した第1の電極を収容する第1の極室がさらに画定され、
    前記第1の電解エレメントの導電性の隔壁の第2の面と、前記第1のターミナルエレメントの前記第1の隔膜との間に、前記第1の電解エレメントの導電性の隔壁と電気的に導通した第2の電極を収容する第2の極室がさらに画定され、
    前記第2のターミナルエレメントの前記第2の導電性の隔壁の第2の面と、前記第2の電解エレメントの前記隔膜との間に、該第2の導電性の隔壁と電気的に導通した第2の電極を収容する第2の極室がさらに画定されている、
    請求項6又は7に記載の電解槽。
  9. 前記第1の電解エレメントの突出フランジ部と前記第1のターミナルエレメントの前記第1の蓋部材との間、及び、前記第2のターミナルエレメントの前記第2の突出フランジ部と前記第2の電解エレメントの蓋部材との間に、それぞれシール部材としてOリングが挟まれて保持されている、
    請求項8に記載の電解槽。
  10. 前記第1のターミナルエレメントの枠状の第1の基体、前記第2のターミナルエレメントの第2の突出フランジ部、及び、それぞれの前記電解エレメントの枠状の基体が電気絶縁性である、
    請求項6〜9のいずれかに記載の電解槽。
  11. 前記第1のターミナルエレメントの枠状の第1の基体、前記第2のターミナルエレメントの第2の突出フランジ部、及び、それぞれの前記電解エレメントの枠状の基体が導電性材料を含み、
    前記第1のターミナルエレメントの前記枠状の第1の基体と、前記第1の電解エレメントの前記枠状の基体との短絡を防ぐように配置された第1の電気絶縁部材と、
    前記第2のターミナルエレメントの前記第2の突出フランジ部と、前記第2の電解エレメントの前記枠状の基体との短絡を防ぐように配置された第2の電気絶縁部材と、
    隣接する2つの前記電解エレメントの組のそれぞれにおいて、一方の前記電解エレメントの前記枠状の基体と、他方の前記電解エレメントの前記枠状の基体との短絡を防ぐように配置された第3の電気絶縁部材と、
    をさらに有する、
    請求項6〜9のいずれかに記載の電解槽。
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