TW201406995A - 複極式鹼性水電解單元及電解槽 - Google Patents

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Abstract

本發明之複極式鹼性水電解單元12係組裝至用以電解包含鹼性水之電解液而獲得氧及氫之電解槽100中者，且包括氧產生用之陽極18、氫產生用之陰極19、劃分陽極與陰極之導電性隔壁22、及包圍導電性隔壁22之環狀外框架16，且於導電性隔壁22及/或外框16之上部，設置有氣體及電解液之通過部，於導電性隔壁22及/或外框16之下部，設置有電解液之通過部。

Description

複極式鹼性水電解單元及電解槽
本發明係關於一種組裝至用以藉由電解包含鹼性水之電解液而獲得氧及氫之電解槽中的複極式鹼性水電解單元及電解槽。更詳細而言係關於一種用以使用包含NaOH或KOH等之電解液，自陽極側獲得氧，自陰極側獲得氫之低廉且能量效率較高的複極式鹼性水電解單元及電解槽。
水電解方法中有於固體高分子電解質上塗佈有陽極及陰極觸媒之「固體高分子型水電解法」、使用氧離子傳導體之固體電解質且利用高溫、高壓水蒸氣進行電解之「高溫水蒸氣電解法」、使用KOH水溶液或NaOH水溶液作為電解質之「鹼性水電解法」等。
「固體高分子型水電解法」係使用將氟系之全氟磺酸聚合物作為電解質，且於其兩側塗佈有鉑系之觸媒作為氫產生用電極及氧產生用電極者。該方法由於電流密度較高，消耗電力亦較低，故而被廣泛使用。電解池(electrolysis cell)係藉由如供電體/電極/固體高分子電解質般之固體材料之接觸而形成。因此，有難以製作大型之電解槽之缺點。又，由於固體高分子電解質為強酸性，故而觸媒亦必需使用鉑系，供電體亦必需使用昂貴之耐蝕材料。
「高溫水蒸氣電解法」係使用氧化釔穩定化氧化鋯等氧離子傳導體之固體電解質，於800~1,000℃附近電解水蒸氣之方法。由於為高溫，故而用以電解水之能量效率較高。然而，由於電解池主要包含 陶瓷材料，故而因高溫作動所致之技術問題較大，而未達到實用化。
「鹼性水電解法」係已自80多年前一直使用之方法，亦建設有大型之水電解設備(3、300Nm3/h-氫)。然而，能量消耗亦仍較大，因此，電流密度與「固體高分子型水電解法」相比，止於1/5~1/10左右，電解槽建設成本亦仍較高。
近年來，地球溫暖化、環境、地下資源之減少等問題變得嚴重。作為其解決對策，氫作為可再生能源或潔淨之能源而受到關注。然而，上述可再生能源不僅因地域而存在偏差，而且輸出之變動非常大。因此，將利用自然能源發出之電力輸送至一般電力系統存在極限，進而，亦有如下問題：由於因氣候或季節而導致發電量較大地變動，故而產生多餘之電力等。因此，目前受到關注者係利用水電解之氫之製造及儲存、輸送。使用低廉之多餘電力，製造低廉且可儲存之氫，視需要進行輸送，而用作潔淨之能源或原料。
作為利用電解製造氫之方法，鹼性水電解裝置由於與其他水電解裝置相比，設備費用低廉，且已作為商業設備而取得實際成果等，故而作為大規模氫製造裝置而受到期待。然而，於使用如可再生能源般之電壓或電流在短時間較大地變動之電力，製成與先前相比設備成本更低、且性能更佳之鹼性水電解裝置方面，仍存在較多之課題。
於鹼性水電解中，為使性能提昇，削減能量損失較為重要。作為能量損失，可列舉陰極之過電壓、陽極之過電壓、隔膜之歐姆損失、因電解液所致之歐姆損失、因電解池之結構電阻所致之歐姆損失等。若可藉由削減該等損失，改良電解單元之構造，而提高電解電流密度，則設備亦可實現小型化，因此，亦可大幅度地削減建設費。然而，先前之鹼性水電解之電流密度如「非專利文獻2」所示，較低而為1340A/m2~2000A/m2，因此，電解池之數量亦較多，設備大型化，從而設備成本較高。又，由於使用雙極板(bipolar plate)，故而於 使用具有較大之負載變動之不穩定電源進行電解之情形時，亦有逸氣(outgassing)變得嚴重等之可能性，進而，亦有電極劣化之可能性。
於電解單元之構造中，亦要求簡單之構造、且製造成本低廉、電壓損失較少之構造。如非專利文獻1及專利文獻1所示之電解槽係如下構造，即，未使用複極式電解單元，電極板、墊圈(gasket)、膜片框(diaphragm frame)各自分開，逐一積層其零件，而製成電解槽。因此，有不易組裝，亦不易維護之類之缺點。又，陽極與陰極間之距離亦較大，因此，亦有因電解液所致之歐姆損失亦較大之問題。
於專利文獻2中，揭示有零間距構造，具有剖面連續之矩形之凹凸面，且藉由焊接而與電極接合。該構造於小型之電解池中可進行製作，但於進行大型化之情形時，電極與矩形凹凸面之接合設備變大，而且生產性亦較差。進而，若進行大型化，則亦有大量之氣泡滯留於池內上部之可能性，不能說為較佳之構造。
於專利文獻3中，表示有氯鹼電解用之零間距電解單元。然而，該電解單元由於具有氣液分離室，陽極室及陰極室之深度亦較大，故而於將多個該電解單元並列而形成電解槽之情形時，電解槽變長。又，有重量亦較大，價格亦較高，電解槽之設置面積亦變大之缺點。又，為使氯及氫產生，作為材質，而於陽極室使用鈦，於陰極室使用鎳。因此，為製作複極式電解單元，亦必需將鎳隔壁與鈦隔壁背對背地接合，構造複雜。
於專利文獻4中，揭示有池構造體包括具有分別支持陽極、陰極之流路之周邊部、及安裝有陽極或陰極之端板(end plate)的非導電性框體。該電化學池構造體由於為亦包括端板在內地利用接著劑或聚合物焊接等進行一體化而成者，故而可製作小型之電解裝置，但非常難以製作使大量之氫產生之大型電解槽。
於鹼性水電解中，使氧產生之陽極之必要條件除氧產生之過電 壓較低以外，可列舉於暴露於包含NaOH或KOH等之鹼性水中之環境下，即便使用如可再生能源般之不穩定之電流，亦不易產生電極之基材及觸媒層之腐蝕、在電解液中之溶解等。因此，一般而言，陽極用之導電性基材係使用鎳、鎳合金、不鏽鋼、或者於鐵或不鏽鋼之表面實施鍍鎳而成者。又，電極觸媒(觸媒層)係使用釕或鉑等貴金屬、多孔質鎳、以鎳或鈷為主成分之氧化物等。
於使用鎳作為電極觸媒之鹼性水電解中，作為使氧過電壓降低之方法，提出有增大電極觸媒之表面積，且將實際電流密度抑製得較低之方法。為增大電極觸媒之表面積，亦提出有使用阮尼鎳(Raney nickel)電極作為比表面積較大之原材料之內容。阮尼鎳係藉由NaOH等鹼，自包含鎳及鋁之阮尼合金僅溶解除去鋁後殘存之鎳。阮尼鎳因於鋁溶解時形成多個細孔，故為多孔質，比表面積亦非常大，反應性極高。作為阮尼鎳電極之製作方法，已知利用電鍍或電漿熔射等方法，將阮尼合金層形成於鎳網等導電性基材之表面後，藉由NaOH等鹼而展開阮尼合金層之方法(參照下述專利文獻5~7、非專利文獻3)。然而，任一者均有於短期間內氧產生過電壓上升等性能方面之問題。
於專利文獻8中，作為電極，揭示有電漿熔射被覆，但因比表面積、細孔徑、組成等而不適合作為水電解用電極，於該狀態下，氧產生用電極之性能無法滿足需求。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2002-332586號公報
[專利文獻2]日本專利特開2009-149932號公報
[專利文獻3]日本專利第4453973號公報
[專利文獻4]日本專利特開2008-274432號公報
[專利文獻5]日本專利昭53-54174號公報
[專利文獻6]日本專利特開昭60-159184號公報
[專利文獻7]日本專利特開昭57-57880號公報
[專利文獻8]日本專利特開平4-301062號公報
[非專利文獻]
[非專利文獻1]荏原時報No.177(1997-10)
[非專利文獻2]Hydrogen Energy. Edited by Stolten (Hydrogen and Fuel Cells Fundamentals, Technologies and Applications P243-P270) Copyright 2010 WILKY-VCH Verlag GmbH & KGaA, Weinheim ISBN：978-527-32711-9
[非專利文獻3]森田剛等人、「鹼性離子交換膜水電解」、旭硝子研究報告35[1]、(1985)
如上所述，於先前之電解槽中，大型之鹼性水電解單元不僅難以使用不穩定之電源，而於高電流密度低電壓下進行穩定之電解，而且電解槽之組裝麻煩，設備成本亦容易變高。
本發明之目的在於不僅可藉由一體地包括隔壁、電極、外框而實現高電流密度電解，而且使電解槽之組裝簡便。其結果，即便於電極面積在每一電解池中為0.1m2至3m2以上之大型電解槽，亦可進行穩定之電解。又，可提供一種設備費用較低、且可進行穩定之電解的複極式鹼性水電解單元及電解槽。
本發明者等人進行了努力研究，結果得出以下見解，即，藉由設置包圍複極式鹼性水電解單元之隔壁之外框，即便以3kA/m2以上之高電流密度進行電解，亦不會使離子透過性隔膜或電極(陽極及陰 極)破損，可簡便地進行組裝，且亦可抑制設備費用，從而完成本發明。
即，本發明之一方面之複極式鹼性水電解單元之特徵在於：其係組裝至用以電解包含鹼性水之電解液而獲得氧及氫之電解槽中者，且該複極式鹼性水電解單元包括：陽極，其係氧產生用，且包含多孔質體；陰極，其係氫產生用；導電性隔壁，其劃分陽極與陰極；及外框，其包圍導電性隔壁；且於導電性隔壁及/或外框之上部，設置有氣體及電解液之通過部，於導電性隔壁及/或外框之下部，設置有電解液之通過部。
於一實施形態中，陽極或陰極亦可經由導電性彈性體而支持於導電性隔壁。
於一實施形態中，陽極或陰極亦可經由導電性支持體而支持於導電性隔壁。
於一實施形態中，亦可為陽極包括導電性基材、及配置於導電性基材上之觸媒層，且於觸媒層中形成有包含鎳之金屬結晶之細孔，於藉由觸媒層中之鎳之金屬結晶之(111)面而繞射之X射線之峰強度為INi，藉由觸媒層中之NiO之(012)面而繞射之X射線之峰強度為INiO時，[INi/(INi+INiO)]×100之值為75~100%。INi/(INi+INiO)係金屬鎳在觸媒層中之金屬鎳及氧化鎳之含量中所占之比率。
於一實施形態中，亦可為在形成於觸媒層中之細孔中，孔徑為2~5nm之範圍內的第一細孔之比表面積為0.6~2.0m2/g，第一細孔之細孔容積為3×10-4~9×10-4ml/g，孔中，孔徑為0.01~2.00μm之範圍內的第二細孔之比表面積為2.0~5.0m2/g，第二細孔之細孔容積為0.04~0.2ml/g。
所謂比表面積係指將形成於觸媒層(陽極觸媒)中之細孔中孔徑在特定範圍內的細孔之表面積除以陽極觸媒之質量所得之值。所謂細孔 容積係指將形成於觸媒層中之細孔中孔徑在特定範圍內的細孔之容積除以觸媒層之質量所得之值。於本案之陽極，可藉由第一細孔及第二細孔分別具有特定範圍之比表面積及細孔容積，而在觸媒層為多孔質之同時，增強其強度，且將氧過電壓長期間地維持為較低之值。若利用分散鍍等方法使以貴金屬或鈷、錳等之化合物為主成分之元素附著於具有此種細孔之觸媒層表面，則亦可獲得強度更強且氧過電壓更低之陽極。
於一實施形態中，觸媒層之厚度亦可為50~800μm。由於觸媒層之細孔徑及比表面積被調節為最佳之範圍，故而其氧產生過電壓較低。又，陽極因其表面積較大，故對因電極之電位變動所致之氧化、還原之耐久性優異。因此，藉由使陽極適合於鹼性水電解用電解槽，可實現低電壓下之水電解，於使用變動之電源之電解中，亦可發揮陽極之優異之耐久性。
於一實施形態中，觸媒層亦可藉由第一步驟及第二步驟而形成，該第一步驟係藉由熔射法而將氧化鎳噴附至導電性基材，該第二步驟係還原噴附至導電性基材之氧化鎳。
於一實施形態中，觸媒層亦可藉由使用噴附至導電性基材之氧化鎳作為陰極之水之電解，還原氧化鎳而成。
於一實施形態中，觸媒層亦可藉由利用氫還原噴附至導電性基材之氧化鎳而形成。
於一實施形態中，觸媒層亦可藉由利用氫於180~250℃之範圍內還原氧化鎳而形成。藉此，容易達成所需之細孔徑、比表面積及細孔容量。
於一實施形態中，亦可為觸媒層包括於第一步驟之前進行氧化鎳之造粒之步驟。於該情形時，進行造粒前之氧化鎳粉末之粒徑亦可為1.0~5.0μm。
於一實施形態中，亦可包括自導電性隔壁延伸且至少覆蓋外框之一部分的金屬薄板部，外框固定於金屬薄板部而成為一體構造。如此般，於鹼性水電解單元中，由於陽極與陰極及導電性隔壁與外框成為一體構造，故而例如於配置多個複極式鹼性水電解單元，且於各複極式鹼性水電解單元間夾入離子透過性隔膜、墊圈而構成電解槽時，構成零件較少，相應地，可非常簡便地進行電解槽之確實之組裝。 又，可確實地進行電解槽之組裝使得容易高精度地確保由導電性隔壁、外框、陽極等構成之陽極室空間、由導電性隔壁、外框、陰極等構成之陰極室空間。又，對氣體之滯留之抑制、抽出電解液及產生氣體時之壓力損失之減少亦有效，而變得容易實現高電流密度下之電解。其結果，可減少製造可確保所需之氫產生量之電解槽時之鹼性水電解單元之數量，亦關係到設備成本之削減。
於上述構成中，亦可包括導電性之彈性體，其配置於導電性隔壁與陰極或陽極之間，並且支持陽極或陰極使其可相對於導電性隔壁移動，而實現零間距構造。為形成電解槽，而於鄰接之鹼性水電解單元彼此之間配置離子透過性隔膜，且利用一鹼性水電解單元之陰極及另一鹼性水電解單元之陽極夾入離子透過性隔膜，於該情形時，可藉由包括支持陰極或陽極使其可相對於導電性隔壁移動之導電性之彈性體，而使陰極、離子透過性隔膜、及陽極均勻地密接。其結果，不僅可將產生之氣體從陰極或陽極之背面無阻力地抽出，而且可防止氣泡之滯留、或驅除產生氣體時之振動等，而可於電解電壓非常低之狀態下長期間地進行穩定之電解。
於一實施形態中，亦可為金屬薄板部具有於陽極側重疊於外框之陽極側法蘭盤、及於陰極側重疊於外框之陰極側法蘭盤，外框夾於陽極側法蘭盤之法蘭部與陰極側法蘭盤之法蘭部之間，自導電性隔壁之包括陽極側之表面的陽極側基準面至陽極側法蘭盤之法蘭面為止之 間隔、及自導電性隔壁之包括陰極側之表面的陰極側基準面至陰極側法蘭盤之法蘭面為止之間隔為5mm以上40mm以下。
於一實施形態中，亦可包括外框，該外框係一部分或全部為樹脂，包圍導電性隔壁，且夾持該導電性隔壁。
於一實施形態中，外框之陽極側表面與隔壁之陽極側表面之間隔及外框之陰極側表面與隔壁之陰極側表面之間隔亦可為5mm以上40mm以下。
於一實施形態中，亦可為外框係分割為配置於導電性隔壁之陽極側的陽極側架部、及配置於導電性隔壁之陰極側的陰極側架部，導電性隔壁之一部分夾入於陽極側架部與陰極側架部。
於一實施形態中，陽極側架部之厚度及陰極側架部之厚度亦可為5mm以上40mm以下。
於一實施形態中，導電性彈性體亦可為彈簧。
於一實施形態中，亦可為導電性彈性體包括集電體及緩衝墊層，陰極或陽極鄰接於緩衝墊層。
於一實施形態中，外框亦可包含選自氯乙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯醚樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚碸樹脂、聚醚碸樹脂、聚醚醚酮樹脂、環氧樹脂、鎳、鎳合金、不鏽鋼、對軟鋼或不鏽鋼實施鍍鎳而成者中之材料。
於一實施形態中，亦可為陰極係於軟鋼、不鏽鋼、鎳合金基材、在軟鋼或鎳合金上實施鍍鎳所成之基材上，實施包含選自鉑族金屬、鎳、鈷、鉬或錳中之金屬或者該等之合金或氧化物的塗層而成。
於一實施形態中，亦可為於導電性隔壁，安裝有用以固定陽極、陰極或彈簧之翼肋(rib)。
於一實施形態中，亦可為於導電性隔壁，安裝有用以固定陽極、陰極或集電體之翼肋。
於一實施形態中，亦可為至少於隔壁、彈性體之一部分或集電體中之任一者之表面，塗佈有選自阮尼鎳、多孔質鎳、多孔質氧化鎳中之任一者。
於一實施形態中，亦可為設置於導電性隔壁及/或外框之上部之氣體及電解液之通過部係陽極液及氣體通過管、以及陰極液及氣體通過管，設置於導電性隔壁及/或外框之下部之電解液之通過部係陽極液通過管及陰極液通過管，且各管之內表面藉由橡膠或樹脂作為襯裏。
又，若藉由將導電性隔壁之一部分內置並夾入於樹脂製之外框架，而支持導電性隔壁，則可簡單地構成複極式鹼性水電解單元。因此，亦可非常簡便地進行配置多個複極式鹼性水電解單元、且於各複極式鹼性水電解單元間夾入氣體透過性隔膜及墊圈的複數個複極式電解槽之組裝。然而，由於導電性隔壁通常使用金屬，故而夾入導電性隔壁之樹脂製外框架之線膨脹係數不同。一般而言，由於樹脂之伸展大於金屬，故而有於樹脂製外框架與導電性隔壁之接合面產生因熱膨脹或收縮所致之應力，而於樹脂與隔壁之間產生間隙、或產生破裂之情形。為防止此種情況，較佳為選擇接近於導電性隔壁之線膨脹係數之樹脂，且預先對樹脂製外框與導電性隔壁密接之面進行用以增加密接性或接著性之鑽研。藉此，即便導電性隔壁熱膨脹，亦可吸收該熱膨脹。
藉此，容易高精度且充分地確保包括導電性隔壁、外框架及陽極之陽極室空間、包括導電性隔壁、外框架及陰極之陰極室空間。因此，對氣體之滯留之抑制、抽出電解液及產生氣體時之壓力損失之減少亦有效，而容易實現高電流密度下之電解。其結果，可減少製造可確保所需之氫產生量之電解槽時之鹼性水電解單元之數量，亦關係到設備成本之削減。
本發明之一方面之電解槽之特徵在於：其係用以電解包含鹼性水之電解液而獲得氧及氫者，且該電解槽包括：上述複數個複極式鹼性水電解單元；陽極終端單元，其設置有陽極用供電端子及陽極；陰極終端單元，其設置有陰極用供電端子及陰極；以及複數個離子透過性隔膜；且複極式鹼性水電解單元配置於陽極終端單元與陰極終端單元之間，離子透過性隔膜配置於陽極終端單元與複極式鹼性水電解單元之間、鄰接地並列之複極式鹼性水電解單元彼此之間、及複極式鹼性水電解單元與陰極終端單元之間。
根據發明，使用可再生能源基地之不穩定電源，即便為高電流密度，亦可於低電壓下進行穩定之電解，且電解槽之組裝簡便即可，又，可將設備費用抑制得較低。
1‧‧‧陽極液入口噴嘴
2‧‧‧陰極液入口噴嘴
3‧‧‧氣體出口噴嘴
4‧‧‧氣體出口噴嘴
5‧‧‧壓製法蘭
5a‧‧‧罩部
5b‧‧‧外框
5c‧‧‧加強翼肋
6‧‧‧壓製法蘭墊圈
6a‧‧‧流路孔
6b‧‧‧流路孔
6c‧‧‧流路孔
6d‧‧‧流路孔
6e‧‧‧孔部
7A‧‧‧陽極用供電端子
7B‧‧‧陰極用供電端子
7C‧‧‧供電端子
8‧‧‧陽極終端單元
8a‧‧‧陽極
9‧‧‧陽極墊圈
10‧‧‧離子透過性隔膜
11‧‧‧陰極墊圈
12、12A、12B、120、200‧‧‧複極式鹼性水電解單元(電解單元)
13‧‧‧陰極終端單元
13a‧‧‧陰極
14‧‧‧端部壓製法蘭
15‧‧‧連接桿
16‧‧‧外框架(外框)
16a‧‧‧上側凸出部
16b‧‧‧下側凸出部
17A‧‧‧陽極室出口空間部
17B‧‧‧陰極室出口空間部
18‧‧‧陽極
19‧‧‧陰極
20‧‧‧陽極翼肋
21‧‧‧陰極翼肋
22‧‧‧隔壁(導電性隔壁)
23‧‧‧陽極側法蘭盤
23a‧‧‧周壁部
23b‧‧‧法蘭部
23c‧‧‧陽極側外框法蘭面
24‧‧‧陰極側法蘭盤
24a‧‧‧周壁部
24b‧‧‧法蘭部
24c‧‧‧陰極側外框法蘭面
25A‧‧‧陽極室入口空間部
25B‧‧‧陰極室入口空間部
26‧‧‧陽極液通過管
26b‧‧‧陽極液通過孔
27‧‧‧陰極液通過管
27b‧‧‧陰極液通過孔
28A‧‧‧陽極上部蓋板
28a‧‧‧蓋本體
28b‧‧‧出口壁
28B‧‧‧陰極上部蓋板
28c‧‧‧蓋本體
28d‧‧‧出口壁
29‧‧‧陽極液導入管
30‧‧‧陰極液導入管
31‧‧‧陽極液及氣體通過管
31b‧‧‧陽極液及氣體通過孔
32‧‧‧陰極液及氣體通過管
32b‧‧‧陰極液及氣體通過孔
33A‧‧‧陽極下部蓋板
33a‧‧‧蓋本體
33b‧‧‧入口壁
33B‧‧‧陰極下部蓋板
33c‧‧‧蓋本體
33d‧‧‧入口壁
34‧‧‧陽極液及氣體排出管
35‧‧‧陰極液及氣體排出管
36‧‧‧集電體
37‧‧‧緩衝墊
38‧‧‧陰極
39‧‧‧陽極
41‧‧‧絕緣板
42A‧‧‧陽極上部孔
42B‧‧‧陰極上部孔
43A‧‧‧陽極下部孔
43B‧‧‧陰極下部孔
100‧‧‧電解槽
101‧‧‧電解池
102‧‧‧金屬薄板部
103‧‧‧陽極室
105‧‧‧陰極室
111A‧‧‧彈簧
111B‧‧‧彈簧
202‧‧‧陽極
204‧‧‧陰極
206‧‧‧隔壁
208‧‧‧外框架
210‧‧‧陽極側法蘭盤
210a‧‧‧周壁部
210b‧‧‧法蘭部
212‧‧‧陰極側法蘭盤
212a‧‧‧周壁部
212b‧‧‧法蘭部
214‧‧‧金屬薄板部
216A‧‧‧陽極上部蓋板
216a‧‧‧蓋本體
216b‧‧‧出口壁
216B‧‧‧陰極上部蓋板
216c‧‧‧蓋本體
216d‧‧‧出口壁
218A‧‧‧陽極上部孔
218B‧‧‧陰極上部孔
219A‧‧‧陽極室出口空間部
219B‧‧‧陰極室出口空間部
220‧‧‧陽極室
222‧‧‧陰極室
224A‧‧‧陽極下部蓋板
224a‧‧‧蓋本體
224b‧‧‧入口壁
224B‧‧‧陰極下部蓋板
224c‧‧‧蓋本體
224d‧‧‧入口壁
226A‧‧‧陽極下部孔
226B‧‧‧陰極下部孔
228A‧‧‧陽極室入口空間部
228B‧‧‧陰極室入口空間部
230‧‧‧陽極液導入孔
232‧‧‧陽極液通過管
234‧‧‧陰極液導入孔
236‧‧‧陰極液通過管
238‧‧‧陽極液及氣體排出孔
240‧‧‧陽極液及氣體通過管
242‧‧‧陰極液及氣體排出孔
244‧‧‧陰極液及氣體通過管
246‧‧‧陽極翼肋
248‧‧‧陰極翼肋
Da‧‧‧間隔
Db‧‧‧間隔
Fa‧‧‧陽極側法蘭盤之法蘭面
Fb‧‧‧陰極側法蘭盤之法蘭面
Fx‧‧‧陽極側基準面
Fy‧‧‧陰極側基準面
Sa‧‧‧狹縫
Sb‧‧‧狹縫
圖1係表示構成作為電解槽之主要部分的複極式鹼性電解單元之各構件之配置之立體圖。
圖2係使電解槽之一部分斷裂而表示之側視圖。
圖3係放大表示電解槽之一部分之剖面圖。
圖4係自陽極側觀察第1實施形態之複極式鹼性水電解單元之俯視圖。
圖5係圖4之a-a線剖面圖。
圖6係模式性表示陽極側法蘭盤、陰極側法蘭盤、及外框架之接合構造之立體圖。
圖7係複極式鹼性水電解單元之變化例，(a)係表示經由彈簧而將陰極與導電性隔壁接合之形態之模式性剖面圖，(b)係表示經由彈簧而將接合於陰極之陰極翼肋與導電性隔壁接合之形態之模式性剖面圖。
圖8係第2實施形態之複極式鹼性水電解單元之剖面圖。
圖9係第2實施形態之複極式鹼性水電解單元之自陰極側觀察之俯視圖。
圖10係放大表示第2實施形態之複極式鹼性水電解單元之陰極側之部位之剖面圖。
圖11係使電解槽之一部分斷裂而表示側視圖。
圖12係放大表示電解槽之一部分之剖面圖。
圖13係自陽極側觀察第3實施形態之複極式鹼性水電解單元之俯視圖。
圖14係圖13之a-a線剖面圖。
圖15係模式性表示隔壁與外框架之接合構造之立體圖。
圖16係第4實施形態之複極式鹼性水電解單元之剖面圖。
圖17係自陽極側觀察另一形態之複極式鹼性水電解單元之俯視圖。
圖18係圖17之a-a線剖面圖。
圖19係表示鹼性水電解用陽極之觸媒層中之細孔之孔徑、與微分細孔比表面積之關係之曲線。
圖20係表示鹼性水電解用陽極之觸媒層中之細孔之孔徑、與累積細孔比表面積之關係之曲線。
圖21係表示鹼性水電解用陽極之觸媒層中之細孔中孔徑為2~5nm之範圍內之細孔之比表面積、與氧產生電位之關係之曲線。
圖22係表示鹼性水電解用陽極之觸媒層中之細孔之孔徑、與Log微分細孔容積之關係之曲線。
圖23係表示鹼性水電解用陽極之觸媒層中之細孔之孔徑、與累積細孔容積之關係之曲線。
圖24係表示鹼性水電解用陽極之觸媒層中之細孔中孔徑為0.01~ 2.00μm之範圍內之細孔容積、與氧產生電位之關係之曲線。
圖25係表示鹼性水電解用陽極之電流電位曲線之曲線。
參照圖式對本發明之實施形態進行說明，以下之本實施形態係用以說明本發明之例示，並非旨在將本發明限定於以下內容。於說明中，對同一要素或具有同一功能之要素使用同一符號，並省略重複之說明。
(電解槽之構成)
如圖1~圖3及圖11~圖12所示，本實施形態之電解槽100係用以電解包含鹼性水之電解液而獲得氧及氫之裝置，電解槽100包括由各構件構成之電解池101，電解池101之各構件藉由利用連接桿15(參照圖2)進行緊固而得到一體化。
電解池101係自一端依次並列有壓製法蘭(Press flange)5、壓製法蘭墊圈6、及陽極終端單元8，進而，依序並列配置有陽極墊圈9、離子透過性隔膜10、陰極墊圈11、複極式鹼性水電解單元12。自陽極墊圈9至複極式鹼性水電解單元12為止，係重複配置有設計生產量所需之數量。再者，圖2中，為方便起見，僅表示重複配置之陽極墊圈9、離子透過性隔膜10、陰極墊圈11、及複極式鹼性水電解單元12中之離子透過性隔膜10、及複極式鹼性水電解單元12。
將自陽極墊圈9至複極式鹼性水電解單元12為止以所需數量重複配置後(參照圖1)，再次並列配置陽極墊圈9、離子透過性隔膜10、陰極墊圈11，最後依序配置陰極終端單元13、絕緣板41、端部壓製法蘭(end press flange)14，而構成電解池101。電解池101係藉由利用連接桿15將整體緊固而得到一體化，從而成為電解槽100。構成電解池101之配置可任意選擇自陽極側開始、或自陰極側開始，並不限定於本實施形態之順序。即，電解池101將如下態樣具體化，即，複極式鹼性 水電解單元12配置於陽極終端單元8與陰極終端單元13之間，離子透過性隔膜10配置於陽極終端單元8與複極式鹼性水電解單元12之間、鄰接地並列之複極式鹼性水電解單元12彼此之間、及複極式鹼性水電解單元12與陰極終端單元13之間。
壓製法蘭5係沿圓板狀之罩部5a之邊緣設置有短筒狀之外框5b，進而於罩部5a設置有格子狀之加強翼肋5c。又，於壓製法蘭5，貫穿罩部5a地設置有陽極液入口噴嘴1、陰極液入口噴嘴2、陽極液及氣體出口噴嘴3、以及陰極液及氣體出口噴嘴4，進而，於罩部5a，形成有四處供陽極用供電端子7A插通之狹縫Sa。
於壓製法蘭墊圈6，設置有連通於陽極液入口噴嘴1之流路孔6a、連通於陰極液入口噴嘴2之流路孔6b、連通於陽極液及氣體出口噴嘴3之流路孔6c、以及連通於陰極液及氣體出口噴嘴4之流路孔6d，進而，形成有用以避開陽極用供電端子7A之孔部6e。
於陽極終端單元8，設置有向壓製法蘭5側突出之四根陽極用供電端子7A、及設置於鄰接之陽極墊圈9側之陽極8a(參照圖2)。
另一方面，於陰極終端單元13，設置有設置於鄰接之陰極墊圈11側之陰極13a、及向端部壓製法蘭14側突出之四根陰極用供電端子7B，且於絕緣板41及端部壓製法蘭14，形成有四處供陰極用供電端子7B插通之狹縫Sb。
(複極式鹼性水電解單元)
參照圖4及圖5對第1實施形態之複極式鹼性水電解單元(以下稱為「電解單元」)12詳細地進行說明。圖4係電解單元12之俯視圖，圖5係圖4之V-V線剖面圖。電解單元12包括劃分陽極18側與陰極19側之圓板狀之導電性隔壁(以下稱為「隔壁」)22，沿隔壁22之外緣，以包圍隔壁22之方式配置有環狀外框架(外框)16。
於隔壁22之外周，設置有自隔壁22延伸且以覆蓋外框架16之一 部分之方式抵接之陽極側法蘭盤23。又，於隔壁22之外周，設置有自隔壁22延伸且以覆蓋外框架16之一部分之方式抵接之陰極側法蘭盤24。安裝於外框架16之金屬薄板部102包括陽極側法蘭盤23及陰極側法蘭盤24。
如圖5及圖6所示，陽極側法蘭盤23包括自隔壁22向陽極18側彎曲而形成之周壁部23a、及自周壁部23a進一步彎曲且沿隔壁22之直徑方向延伸之法蘭部23b。又，陰極側法蘭盤24隔著外框架16而相對於陽極側法蘭盤23形成為對稱形狀，具體而言，包括自隔壁22向陰極19側彎曲而形成之周壁部24a、及自周壁部24a進一步彎曲且沿隔壁22之直徑方向延伸之法蘭部24b。
本實施形態之隔壁22包括導電性之金屬鋼板，陽極側法蘭盤23係藉由使該金屬鋼板彎曲而形成。因此，隔壁22與陽極側法蘭盤23為一體之構件。又，陰極側法蘭盤24包括導電性之金屬鋼板，且藉由接合於隔壁22而與隔壁22一體化。將陰極側法蘭盤24接合於隔壁22之接合方法必需藉由雷射焊接或Tig(tungsten inert gas，鎢極鈍氣)焊接等，以電解液或氣體不會漏至外部之方式進行接合。再者，本實施形態中係藉由使隔壁22彎曲而形成陽極側法蘭盤23，且將包括其他構件之陰極側法蘭盤24接合於隔壁22，藉此，形成金屬薄板部102，但亦可藉由使隔壁22彎曲而形成陰極側法蘭盤24，且將包括其他構件之陽極側法蘭盤23接合於隔壁22，藉此，形成金屬薄板部102。
又，陽極側法蘭盤23與陰極側法蘭盤24係以夾著外框架16且包裹其一部分之方式設置。具體而言，陽極側法蘭盤23之周壁部23a抵接於環狀外框架16之內周面之陽極18側之半部分，陰極側法蘭盤24之周壁部24a抵接於環狀外框架16之內周面之陰極19側之半部分。又，陽極側法蘭盤23之法蘭部23b以抵接之方式重疊於外框架16之陽極18側之側面，陰極側法蘭盤24之法蘭部24b以抵接之方式重疊於外框架 16之陰極19側之側面。
即，外框架16成為由陽極側法蘭盤23之法蘭部23b與陰極側法蘭盤24之法蘭部24b夾著之狀態，法蘭部23b之抵接於外框架16之面為法蘭面Fa，法蘭部24b之抵接於外框架16之面為法蘭面Fb。
理想的是陽極側法蘭盤23及陰極側法蘭盤24與外框架16係藉由焊接或其他固定方法，以未形成間隙等之方式得到固定，但即便未得到固定，只要以不會脫離之手段得到安裝即可。
如圖4及圖5所示，於隔壁22之上部，於陽極側法蘭盤23之內側(下方)，設置有陽極上部蓋板28A。陽極上部蓋板28A包括沿著陽極側法蘭盤23之弓形(由圓弧及弦形成之形狀)之蓋本體28a、以及於蓋本體28a之下端彎曲且抵接於隔壁22之出口壁28b，於出口壁28b形成有陽極上部孔42A。藉由陽極側法蘭盤23、隔壁22、及陽極上部蓋板28A而形成陽極室出口空間部17A。陽極上部孔42A連通於陽極室103之上部。
同樣，於隔壁22之上部，於陰極側法蘭盤24之內側(下方)設置有陰極上部蓋板28B。陰極上部蓋板28B包括沿著陰極側法蘭盤24之弓形(由圓弧及弦形成之形狀)之蓋本體28c、以及於蓋本體28c之下端彎曲且抵接於隔壁22之出口壁28d，於出口壁28d形成有陰極上部孔42B。藉由陰極側法蘭盤24、隔壁22、及陰極上部蓋板28B而形成陰極室出口空間部17B。陰極上部孔42B連通於陰極室105之上部。
又，於隔壁22之下部，於陽極側法蘭盤23之內側，設置有陽極下部蓋板33A。陽極下部蓋板33A包括沿著陽極側法蘭盤23之弓形(由圓弧及弦形成之形狀)之蓋本體33a、以及於蓋本體33a之上端彎曲且抵接於隔壁22之入口壁33b，於入口壁33b形成有陽極下部孔43A。藉由陽極側法蘭盤23、隔壁22、及陽極下部蓋板33A而形成陽極室入口空間部25A。陽極下部孔43A連通於陽極室103之下部。
同樣，於隔壁22之下部，於陰極側法蘭盤24之內側(上方)，設置有陰極下部蓋板33B。陰極下部蓋板33B包括沿著陰極側法蘭盤24之弓形(由圓弧及弦形成之形狀)之蓋本體33c、以及於蓋本體33c之上端彎曲且抵接於隔壁22之入口壁33d，於入口壁33d形成有陰極下部孔43B。藉由陰極側法蘭盤24、隔壁22、及陰極下部蓋板33B而形成陰極室入口空間部25B。陰極下部孔43B連通於陰極室105之下部。
於陽極室入口空間部25A，設置有包括用以將電解液(陽極液)導入至陽極室103內之陽極液導入孔29的陽極液通過管26(參照圖4)，於陰極室入口空間部25B，設置有包括用以將電解液(陰極液)導入至陰極室105內之陰極液導入孔30的陰極液通過管27。
於陽極室出口空間部17A，設置有包括用以將電解液(陽極液)及氣體自陽極室103內抽出之陽極液及氣體排出孔34的陽極液及氣體通過管31(參照圖4)，於陰極室出口空間部17B，設置有包括用以將電解液(陰極液)及氣體自陰極室105內抽出之陰極液及氣體排出孔35的陰極液及氣體通過管32。
於隔壁22之上部，在對應於陽極液及氣體通過管31、陰極液及氣體通過管32之位置，形成有一對開口部，於一開口部，以插入之方式安裝有陽極液及氣體通過管31，於另一開口部，以插入之方式安裝有陰極液及氣體通過管32。於本實施形態中，藉由陽極液及氣體通過管31、以及陰極液及氣體通過管32，而形成電解液及氣體之通過部。
又，於隔壁22之下部，在對應於陽極液通過管26、陰極液通過管27之位置，形成有一對開口部，於一開口部，以插入之方式安裝有陽極液通過管26，於另一開口部，以插入之方式安裝有陰極液通過管27。於本實施形態中，藉由陽極液通過管26及陰極液通過管27，而形成電解液之通過部。
於本實施形態中，藉由利用連接桿15緊固電解槽100之電解池 101而將其一體化，從而構成所謂壓濾型電解槽。於壓濾型電解槽之情形時，由於外框架16上緊固有多個電解單元12，故而受到直接之推壓力之外框架16需要可承受緊固壓力之強度。
又，外框架16由於為不接觸於電解液或產生之氣體之部分，故而幾乎不要求耐蝕性，但由於亦有在80℃~90℃下進行電解之情形，故而可利用耐熱性之樹脂、鎳、鎳合金、不鏽鋼、對軟鋼或不鏽鋼實施鍍鎳而成者等。於使用樹脂之情形時，可使用氯乙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯醚樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚碸樹脂、聚醚碸樹脂、聚醚醚酮樹脂、環氧樹脂等作為外框架。
於隔壁22安裝有陽極翼肋20及陰極翼肋21。陽極翼肋20及陰極翼肋21不僅具有支持陽極18或陰極19之作用，而且具有將電流自隔壁22傳遞至陽極18或陰極19之作用，因此，一般使用導電性之金屬。例如可利用實施鍍鎳後之軟鋼、不鏽鋼、鎳等。又，亦考慮成本或製作性、強度等時，陽極翼肋20及陰極翼肋21之厚度亦選自0.5mm~5mm之範圍。
鄰接之陽極翼肋20彼此之間隔、或鄰接之陰極翼肋21彼此之間隔係考慮電解壓力或陽極室103與陰極室105之壓力差等而決定。若陽極翼肋20彼此之間隔、或鄰接之陰極翼肋21彼此之間隔過窄，則有不僅阻礙電解液或氣體之流動而且成本亦變高之缺點。又，若過寬，則產生以下缺點等，即，因陽極室103與陰極室105之略微之差壓而導致所保持之電極(陽極18或陰極19)變形，或者因陽極翼肋20或陰極翼肋21之數量減少所致之電阻增加。因此，通常較佳為於50mm~150mm之範圍內進行決定。陽極翼肋20或陰極翼肋21朝隔壁22之安裝係利用雷射焊接或Tig焊接方法等。
陽極翼肋20及陰極翼肋21之高度係藉由隔壁22至自隔壁22延伸之各法蘭盤23、24之法蘭部23b、24b為止之距離、墊圈之厚度、電極 (陽極18、陰極19)之厚度、陽極18與陰極19間之距離等適當決定，本實施形態中採用以下尺寸條件。
即，於本實施形態中，於陽極翼肋20上安裝有網狀或多孔板狀之陽極18，於陰極翼肋21上安裝有網狀或多孔板狀之陰極19，各翼肋20、21之高度為與於各法蘭盤23、24各自之法蘭部23b、24b上貼附有墊圈9、11之狀態相同之高度、或更低。於陽極翼肋20或陰極翼肋21之高度高於與於各法蘭盤23、24之法蘭部23b、24b上貼附有墊圈9、11之狀態相同之高度之情形時，必需於陽極18或陰極19與各翼肋20、21之間放置彈性體，若無彈性體，則有損傷離子透過性隔膜10之情形，故而欠佳。
又，陽極翼肋20或陰極翼肋21之厚度可較佳地採用1mm~2mm，並無特別限定。陽極18或陰極19朝陽極翼肋20或陰極翼肋21之安裝方法通常利用點焊進行，但亦可為其他利用雷射焊接或Tig焊接等之方法，進而，亦可為使用金屬絲或帶狀之構件，進行連結且使其密接之方法。陽極翼肋20或陰極翼肋21與陽極18或陰極19同樣地藉由點焊、雷射焊接、Tig焊接等方法而固定於隔壁22。
陽極室103係藉由陽極側法蘭盤23之周壁部23a、隔壁22、陽極上部蓋板28A、陽極下部蓋板33A、及陽極18而形成，藉由該等之尺寸、形狀而決定容積。又，陰極室105係藉由陰極側法蘭盤24之周壁部24a、隔壁22、陰極上部蓋板28B、陰極下部蓋板33B、及陰極19而形成，藉由該等之尺寸、形狀而決定容積。
於鹼性水之電解進行過程中，亦有自陽極18及陰極19產生氣體之情況，陽極室103及陰極室105內充滿氣體及液體。該氣體與液體之比(氣液比)隨著電流密度變高而變大。又，有陽極18及陰極19之容積越小，氣液比越大之傾向。若氣液比過大，則有電解液之循環變差，且於陽極室103及陰極室105內產生氣體區域而使電阻增大之可能性。 進而，有產生使氣體之透過量增大等不良影響，而導致電壓之上升或氣體純度之降低等之可能性。
因此，理想的是陽極室深度及陰極室深度係根據設計電解條件而決定。若陽極室深度或陰極室深度過深，則於串聯配置多個電解單元12之情形時，不僅電解槽100變長，且需要較大之空間，而且設備費用亦變高。又，若過淺，則氣液比變得過高，而產生如上所述之不良影響。此處，陽極室深度係自隔壁22之包括陽極18側之表面之陽極側基準面Fx至陽極側法蘭盤23之法蘭面Fa為止之間隔Da(參照圖3及圖6)，陰極室深度係自隔壁22之包括陰極19側之表面之陰極側基準面Fy至陰極側法蘭盤24之法蘭面Fa為止之間隔Db。而且，表示陽極室深度之間隔Da、及表示陰極室深度之間隔Db較佳為5mm~40mm之範圍，最佳為10mm~20mm。
電解單元12之外觀形狀可為圓形、正方形、長方形、其他多邊形，於製作上，較佳為正方形、長方形、圓形。尤其係於電解時之內壓較高之情形時，為使因壓力所致之應力均勻，更佳為圓形。陽極側法蘭盤23及陰極側法蘭盤24之材質因直接接觸於電解液或氣體，故而要求耐蝕性。於鹼性水電解中，由於將苛性鉀或苛性鈉等腐蝕性之液體作為電解液，且於60℃~100℃下進行電解，故而使用可承受該條件之材質。例如可利用耐熱性之樹脂、實施鍍鎳後之軟鋼、不鏽鋼、鎳等。
隔壁22之材質一般使用導電性之金屬。例如可利用實施鍍鎳後之軟鋼、不鏽鋼、鎳等。
隔壁22之厚度係於陽極翼肋20及陰極翼肋21藉由焊接等接合於隔壁22而成為一體構造之情形時，由陽極翼肋20或陰極翼肋21加強，故而無需設定得較厚。通常，0.5mm~2mm之厚度便足夠。若薄於0.5mm，則有既不易進行陽極翼肋20或陰極翼肋21與隔壁22之焊接， 且於製作上亦不易操作之缺點，又，於厚於2mm之情形時，製作成本變高，電解單元12亦變重，故而欠佳。
各蓋板28A、28B、33A、33B分別設置有陽極上部孔42A、陰極上部孔42B、陽極下部孔43A、陰極下部孔43B。而且，該等蓋板28A、28B、33A、33B分別接合於法蘭盤23、24及隔壁22。
各蓋板28A、28B、33A、33B由於在將多個電解單元12並列而加以緊固時，施加緊固壓力，故而需要承受該緊固壓力之強度。進而，由於亦暴露於電解液或氣體中，故而作為材質，較佳為使用具備強度與耐蝕性之實施鍍鎳後之軟鋼、不鏽鋼、鎳等。進而，作為蓋板28A、28B、33A、33B之厚度，亦較佳為2mm以上，進而較佳為3mm~5mm。若過厚，則不僅重量變重，而且成本變高，故而欠佳。陽極上部孔42A、陰極上部孔42B、陽極下部孔43A、陰極下部孔43B之形狀可為圓形、方形、三角等中之任一者，必需具有充分供液體或氣體通過之面積。因此，作為面積，而設置有多個5mm2~300mm2左右之孔。
陽極液通過管26及陰極液通過管27貫穿隔壁22，而接合於陽極下部蓋板33A及陰極下部蓋板33B。又，陽極液及氣體通過管31、以及陰極液及氣體通過管32貫穿隔壁22，而接合於陽極上部蓋板28A、及陰極上部蓋板28B。
各管26、27、31、32必需以於與隔壁22或各蓋板28A、28B、33A、33B之接合部位無液體或氣體之洩漏之方式被接合。又，於將多個電解單元12並列而加以緊固時，各蓋板28A、28B、33A、33B一併被施加緊固壓力，因此，需要承受某程度之緊固壓力之強度。進而，由於亦暴露於電解液或氣體中，故而作為材質，較佳為兼備強度與耐蝕性之實施鍍鎳後之軟鋼、不鏽鋼、鎳等。亦可使用樹脂，但必需利用橡膠填料(rubber packing)或其他密封材料等進行密封，以實現 於與隔壁22或蓋板28A、28B、33A、33B之接合部位無液體或氣體之洩漏。進而，作為管材質之厚度，亦較佳為1mm以上，進而較佳為2mm~4mm。若過厚，則不僅重量變重，而且成本亦變高，故而欠佳。
再者，例如於各管26、27、31、32之內表面為金屬之情形時，藉由與鄰接之電解單元12之電位差而有電流流動，從而產生電解。因此，由於有導致內表面之電性腐蝕或氣體之產生、進而電流之損失之可能性，故而較佳為預先利用橡膠或樹脂等作為襯裏而使內表面絕緣。
又，在設置於電解單元12之下部之陽極液通過管26及陰極液通過管27，分別設置有陽極液導入孔29、陰極液導入孔30。各導入孔29、導入孔30之形狀可為圓形、方形中之任一者，形狀並無限定，於製作上，較佳為圓形。又，該等之位置可為陽極液通過管26或陰極液通過管27之上方、下方、左右中之任一者。各導入孔29、30之流路面積可於壓力損失儘量少之範圍內任意決定。又，各導入孔29、30為與電解液供給量相應之截面面積即可。
又，設置於電解單元12之上部之陽極液及氣體通過管31、以及陰極液及氣體通過管32由於為電解液與藉由電解而生成之氣體混合後流經之通路，故而通常較佳為截面面積大於陽極液通過管26或陰極液通過管27，而使壓力損失儘量小，形狀並無特別限定。例如於本實施形態中，如圖4所示為變形橢圓形，該形狀於可使截面面積儘量大之方面為有效之方法之一。又，若為圓形，則有亦容易進行與噴嘴之接合之優點。
又，於各液體及氣體通過管31、32分別設置有陽極液及氣體排出孔34或陰極液及氣體排出孔35。陽極液及氣體排出孔34或陰極液及氣體排出孔35之位置可為各液體及氣體通過管31、32之上方、下方、 左右中之任一者，由於氣體容易滯留於陽極室出口空間部17A或陰極室出口空間部17B之上部，故而為儘量抽出該氣體，較佳為設置於陽極液及氣體通過管31或陰極液及氣體通過管32之上部。進而，陽極液及氣體排出孔34、以及陰極液及氣體排出孔35之截面面積必需確保儘量大之截面面積，以減少壓力損失，但受陽極室深度或陰極室深度限制。因此，設置若干形成為圓形、橢圓等形狀之孔等方法較為有效。
繼而，參照圖13及圖14對第3實施形態之複極式鹼性水電解單元12詳細地進行說明。圖13係電解單元12之俯視圖，圖14係圖13之a-a線剖面圖。如圖13及圖14所示，電解單元12包括氧產生用之陽極18、氫產生用之陰極19、配置於陽極18與陰極19之間且劃分陽極18與陰極19之隔壁22、安裝於隔壁22之陽極翼肋20及陰極翼肋21、以及沿隔壁22之外緣包圍隔壁22之樹脂製之外框架16。
隔壁22包括導電性之金屬鋼板，至少其一部分與樹脂製之外框架16連接。
作為外框架16與隔壁22之接合之一例，有如下方法，即，如圖15所示，以夾入於外框架16之方式內置(埋設)隔壁22之一部分，而將外框架16與隔壁22一體化。隔壁22朝外框架16之內置例如可藉由嵌入成形進行，該嵌入成形係於將隔壁22插入至模具內之狀態下，使調配有熱塑性之熔融樹脂或硬化劑的熱硬化性樹脂流入至該模具內。於該情形時，內置於外框架16之隔壁22之一部分成為隔壁22之整個周緣部。再者，於隔壁22之周緣部，作為用以提高與形成外框架16之樹脂之接著強度之鑽研，可使用在與樹脂製外框架密接之部分設置凹凸、或形成孔、或彎曲等方法，並不限定於圖14。
外框架16形成為以隔壁22為中心而向陽極18側及陰極19側突出之剖面矩形狀。而且，於外框架16之陽極18側形成有陽極側外框法蘭面23c，於外框架16之陰極19側形成有陰極側外框法蘭面24c。
又，外框架16以包圍隔壁22之方式形成為圓環狀，且於其上部，形成有向外框架16之中心軸側(半徑方向內側)呈弓形(由圓弧與弦圍成之形狀)凸出之上側凸出部16a，於其下部，形成有向外框架16之中心軸側(半徑方向內側)呈弓形(由圓弧與弦圍成之形狀)凸出之下側凸出部16b。上側凸出部16a與下側凸出部16b於上下方向上對向。
於樹脂製之外框架16下部之下側凸出部16b設置有：陽極液通過孔26b，其用以使入口側電解液(陽極液)通過；陰極液通過孔27b，其用以使入口側電解液(陰極液)通過至陰極室105內；陽極液導入孔29，其用以將電解液(陽極液)自陽極液通過孔26b導入至陽極室103內；及陰極液導入孔30，其用以將電解液(陰極液)自陰極液通過孔27b導入至陰極室105。
於樹脂製之外框架16上部之上側凸出部16a設置有：陽極液及氣體通過孔31b，其用以使出口側電解液(陽極液)及氣體通過；陰極液及氣體通過孔32b，其用以使出口側電解液(陰極液)及氣體通過；陽極液及氣體排出孔34，其用以經由陽極液及氣體通過孔31b而將出口側電解液(陽極液)及氣體自陽極室103內抽出；以及陰極液及氣體排出孔35，其用以經由陰極液及氣體通過孔32b而將出口側電解液(陰極液)及氣體自陰極室105內抽出。
樹脂製之外框架16之厚度相當於陽極側外框法蘭面23c與隔壁22之間隔、陰極側外框法蘭面24c與隔壁22之間隔、與隔壁22之厚度之合計。於運作過程中，於陽極室103內及陰極室105內，因自陽極18及陰極19產生氣體而充滿氣體及液體。該氣體與液體之比(氣液比)隨著電流密度變高而變大。又，有陽極室103及陰極室105之容積越小，氣液比越大之傾向。若氣液比變得過大，則有電解液之循環變差，於陽極室103內及陰極室105內產生氣體區域，而使隔壁22之電阻增大之可能性。進而，有產生使氣體之透過量增大等不良影響，而導致電壓之 上升或氣體純度之降低等之可能性。
因此，理想的是陽極側外框法蘭面23c與隔壁22之距離(以下稱為「陽極室深度」)及陰極側外框法蘭面24c與隔壁22之距離(以下稱為「陰極室深度」)係根據設計電解條件而決定。若陽極室深度或陰極室深度變得過深，則於串聯配置多個電解單元12之情形時，不僅電解槽100變長，需要較大之空間，而且設備費用亦變高。又，若陽極室深度或陰極室深度變得過淺，則氣液比變得過高，而產生如上所述之不良影響。因此，陽極室深度及陰極室深度較佳為5mm以上40mm以下之範圍，最佳為10mm以上20mm以下之範圍。
電解單元12之外觀形狀可為圓形、正方形、長方形、其他多邊形，於製作上，較佳為正方形、長方形、圓形。尤其係於電解時之內壓較高之情形時，更佳為圓形，以使因壓力所致之應力均勻。
設置於樹脂製之外框架16下部之下側凸出部16b的陽極液通過孔26b及陰極液通過孔27b分別與陽極液導入孔29及陰極液導入孔30相連。陽極液通過孔26b及陰極液通過孔27b之形狀可為圓形、方形中之任一者，形狀並無限定，於製作上，較佳為圓形。又，該等陽極液通過孔26b及陰極液通過孔27b之流路面積可於壓力損失儘量少之範圍內任意決定。陽極液導入孔29及陰極液導入孔30為與電解液供給量相應之截面面積即可，形狀等並無特別限定。
陽極液及氣體通過孔31b、以及陰極液及氣體通過孔32b由於為電解液與藉由電解而生成之氣體混合後流經之通路，因而通常較佳為截面面積大於陽極液導入孔29及陰極液導入孔30，而使壓力損失儘量小，形狀並無特別限定。例如，設為如圖13所示之變形橢圓形，而使截面面積儘量大亦為有效之方法。又，若為圓形，則有亦容易進行與噴嘴之接合之優點。
設置於樹脂製之外框架16上部之上側凸出部16a的陽極液及氣體 排出孔34、以及陰極液及氣體排出孔35分別與陽極液及氣體通過孔31b、以及陰極液及氣體通過孔32b相連。其截面面積亦必需確保儘量大之截面面積，以減少壓力損失，但受陽極室深度及陰極室深度或外框架16之厚度限制。因此，設置若干形成為圓形、橢圓等形狀之孔等方法較為有效。
樹脂製之外框架16因直接接觸於電解液或氣體，故而要求耐蝕性。於鹼性水電解中，由於將苛性鉀或苛性鈉等腐蝕性之液體作為電解液，且於60℃~100℃下進行電解，故而使用可承受該條件之材質。例如可使用氯乙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯醚樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚碸樹脂、聚醚碸樹脂、聚醚醚酮樹脂、環氧樹脂等具有耐蝕性等者。尤其係環氧樹脂可與硬化劑一併流入至模框而成形，故而可於夾著隔壁22之狀態下進行成形硬化，因此，製作亦簡便，故而尤佳。
又，外框亦可分別分割為配置於導電性隔壁之陽極側之陽極側架部及配置於導電性隔壁之陰極側之陰極側架部。即，為由陽極側架部、導電性隔壁之至少一部分、陰極側架部夾入，於各者之間夾入墊圈，且由螺栓、接著劑等固定之構造。陽極側架部及陰極室架部既可為樹脂，亦可為金屬。於該情形時，樹脂之材質亦可使用與上述樹脂製之外框架16相同之材質。於金屬之情形時，可利用實施鍍鎳後之軟鋼、不鏽鋼、鎳等。陽極側架部之厚度及陰極側架部之厚度較佳為5mm以上40mm以下。
隔壁22之材質一般使用導電性之金屬。例如可利用實施鍍鎳後之軟鋼、不鏽鋼、鎳等。於使用為耐化學品性且具有耐熱性之樹脂之情形時，由於電流不通過隔壁22流動，故而可藉由利用導電性較佳之金屬將陽極翼肋20與陰極翼肋21相連，以陽極室103及陰極室105之液體或氣體不透過之方式密封該金屬之周圍而進行使用。
隔壁22之厚度係於陽極翼肋20及陰極翼肋21藉由焊接等接合於隔壁22而成為一體構造之情形時，由於隔壁22由陽極翼肋20及陰極翼肋21加強，故而無需設定得較厚。通常，0.5mm以上2mm以下之厚度便足夠。若薄於0.5mm，則有既不易進行與陽極翼肋20及陰極翼肋21之焊接，且於製作上亦不易操作之缺點，又，於厚於2mm之情形時，製作成本變高，電解單元12亦變重，故而欠佳。
根據上述電解單元12、12A、12B、120，由於藉由將隔壁22之一部分內置於樹脂製之外框架16而支持隔壁22，故而構成零件較少。因此，可非常簡便地進行電解槽100之組裝，該電解槽100之組裝係指配置多個複極式鹼性水電解單元12、12A、12B、120，且於各複極式鹼性水電解單元之間夾入離子透過性隔膜10及墊圈9、11而形成電解池101。而且，由於內置隔壁22之外框架16為以具有與隔壁22之線膨脹係數幾乎無較大差別之線膨脹係數之方式適當選擇之樹脂製，故而即便隔壁22熱膨脹，亦不易破損。
藉由該等方式，可將陽極室103及陰極室105高精度地製作成具有充分之容積之單元。因此，對氣體之滯留之抑制、抽出電解液及產生氣體時之壓力損失之減少亦有效，且變得容易實現不穩定之電流或高電流密度下之電解。其結果，亦可減少製造可確保所需之氫產生量之電解槽100時之複極式鹼性水電解單元12、12A、12B、120之數量，從而亦關係到設備成本之削減。其原因在於：通常於電解槽之陽極側，氣泡之影響較為明顯，而於本實施形態之電解單元12、12A、12B、120中，由於陽極室103及陰極室105具有充分之容積，故而可減輕因氣泡所致之不良影響。
例如於4kA/m2、0.1MPa、90℃之電解條件下，陽極室103之上部充滿氣泡，而產生氣液比高達80%以上之部分。此種氣液比較大之部分有隨著電流密度變大而擴大之傾向。由於此種氣液比較大之部分 缺乏流動性，故而有產生氣體之滯留部分之情形。若氣體大量滯留，則有氣體容易透過離子透過性隔膜，而導致電流效率降低、或氣體純度降低、或於排出氣體及液體時產生較大之壓力變動之情形。為使陽極室103及陰極室105之上部之氣液比較大之部分儘量減少，有使電解壓力變大、或大幅度地增大電解液之循環量等方法，但有設備建設成本變高之傾向，故而欠佳。本實施形態之電解單元12、12A、12B、120由於陽極室103及陰極室105具有充分之容積，故而氣體之滯留較少，且亦可確保液體之流動性，因此，可利用氣泡之上升力使電解液循環，亦可無壓力之變動地排出氣體。
於陽極，包括導電性基材、及被覆導電性基材之觸媒層。於觸媒層中形成有細孔。即，觸媒層為多孔質。再者，較佳為觸媒層被覆導電性基材之表面整體。
觸媒層中之細孔中，孔徑為2~5nm之範圍內之第一細孔之比表面積為0.6~2.0m2/g，第一細孔之細孔容積為3×10-4~9×10-4ml/g。觸媒層中之細孔中，孔徑為0.01~2.00μm之範圍內之第二細孔之比表面積為2.0~5.0m2/g，第二細孔之細孔容積為0.04~0.2ml/g。
孔徑為0.01~2.00μm之範圍內之第二細孔雖比表面積較小，但細孔容量較大，因此，第一細孔存在於第二細孔之內部。第一細孔使觸媒層之表面積非常大。第一細孔之表面作為氫氧離子之氧化反應(氧之生成反應)之反應場(反應界面)而發揮功能。於第一細孔之內部，於產生氧時生成氫氧化鎳，因此，預測會使細孔進一步減小。然而，由於第一細孔存在於孔徑較大之第二細孔之內部，故而於電解時，於第一細孔內產生之氧容易經過第二細孔而被抽出至觸媒層外，從而不易阻礙電解。因此，推測於本實施形態中，氧產生過電壓不會變高。
第一細孔之比表面積較佳為0.6~1.5m2/g，更佳為0.6~1.0 m2/g。第一細孔之比表面積亦可為0.62~0.98m2/g。一般而言，可認為氧產生電位伴隨第一細孔之比表面積之增加而降低。但，若第一細孔過小，則有第一細孔完全由在產生氧時生成之氫氧化鎳填埋，從而第一細孔之實際表面積減少之傾向。若第一細孔之比表面積減少，則有觸媒層整體之表面積亦減少之傾向。有氧產生電位伴隨觸媒層整體之表面積之減少而上升之傾向。
第一細孔之容積較佳為3.3×10-4~8.5×10-4ml/g。第一細孔之容積亦可為3.6×10-4ml/g~7.9×10-4ml/g。有比表面積伴隨第一細孔之細孔容積之增加而減少之傾向。有比表面積伴隨第一細孔之細孔容積之減少而增加之傾向。
第二細孔之比表面積較佳為2.3~4.5m2/g。第二細孔之比表面積亦可為2.5~4.2m2/g。有容積伴隨第二細孔之比表面積之增加而減少之傾向。有容積伴隨第二細孔之比表面積之降低而增加之傾向。
第二細孔之容積較佳為0.04~0.15ml/g，更佳為0.04~0.1ml/g。第二細孔之容積亦可為0.04~0.09ml/g。有伴隨第二細孔之細孔容積之增加，而容易進行於觸媒層內產生之氧氣之消泡之傾向。有伴隨第二細孔之細孔容積之減少，而阻礙自觸媒層之逸氣，且氧產生過電壓變高之傾向，但有機械強度變高之傾向。
觸媒層包含鎳作為元素。觸媒層較佳為包含選自由氧化鎳、金屬鎳(鎳之金屬結晶)、氫氧化鎳及所組成之群中之至少一種。觸媒層亦可包含由鎳及其他金屬構成之合金。尤佳為觸媒層包含金屬鎳。再者，觸媒層亦可進而包含選自由鈦、鉻、鉬、鈷、鉭、鋯、鋁、鋅、鉑族及稀土類元素等所組成之群中之至少一種。觸媒層之表面亦可由選自由銠、鈀、銥及釕等所組成之群中之至少一種觸媒改質。
於觸媒層包含鎳之金屬結晶，且藉由觸媒層中之鎳之金屬結晶之(111)面而繞射之X射線之峰強度為INi，藉由觸媒層中之NiO之(012) 面而繞射之X射線之峰強度為INiO時，[INi/(INi+INiO)]×100之值較佳為75~100%。I[INi/(INi+INiO)]×100更佳為90~100%，尤佳為95~100%。[INi/(INi+INiO)]×100越大，觸媒層之電阻越低，進行氧產生時之電壓損失越小。於觸媒層中之氧化鎳之部分，導電性降低，亦不易產生氧產生反應。又，由於氧化鎳化學性相對穩定，故而有觸媒層含有氧化鎳之情況對維持觸媒層之強度較為有效之情形。再者，INi及INiO係根據對觸媒層之XRD(X-Ray Diffraction，X射線繞射)之測定結果而求出。
觸媒層之厚度較佳為50~800μm，更佳為100~400μm。若厚度為50μm以下，則預測因觸媒層較薄而導致觸媒層整體之表面積減少，從而氧過電壓變高。又，若厚度為800μm以上，則觸媒層變得過厚，有變得容易產生剝離等之情形，且有陽極之製作成本變得過高之情形。
作為導電性基材，可列舉包含選自由鎳鐵、釩、鉬、銅、銀、錳、鉑族、石墨及鉻等所組成之群中之至少一種的基材。亦可使用含有包含兩種以上之金屬之合金、或兩種以上之導電性物質之混合物的導電性基材。較佳為導電性基材包含金屬鎳。作為導電性基材之形狀，可列舉網狀、板狀或多孔金屬(expanded metal)等。較佳為導電性基材為多孔金屬。再者，所謂多孔金屬係指將形成有鋸齒狀之縫隙之金屬板拉長且加工成網狀而成者。亦可對導電性基材進行表面處理。 若藉由噴射處理或蝕刻等，於導電性基材之表面設置凹凸，則觸媒層與導電性基材之密接性提昇。導電性基材之厚度較佳為0.5~2.0mm，更佳為1.2mm。
於不具有如本發明般之細孔構造之先前之陽極，在產生氧時，觸媒層之表面被氧化，而形成氫氧化物，氫氧化物會填埋細孔，而不易自細孔抽出氧氣泡，從而氧過電壓容易變高。或若觸媒層之表面被 還原，而恢復為金屬鎳，且電解液中之雜質電沈積於經還原之觸媒層之表面，則於再次進行氧產生時，過電壓容易進一步上升。另一方面，本發明之陽極之觸媒層之孔徑、比表面積、細孔容量處於最佳之狀態。因此，根據本發明，於電解時之氧化狀態下，生成於觸媒層之表面之氫氧化鎳不會堵塞細孔，又，於還原狀態下，亦逐漸還原該氫氧化物，而不會產生觸媒層本體之變化。根據包括此種陽極之本發明之電解槽，例如即便將電力變動非常大之風力發電或太陽光發電等自然能源直接用於電解，亦可穩定地製造氧或氫。
本案之鹼性水電解用陽極之製造方法包括：第一步驟(熔射步驟)，其係藉由熔射法而將氧化鎳噴附至導電性基材；及第二步驟(還原步驟)，其係還原噴附至導電性基材之氧化鎳。
於本案之製造方法中，作為觸媒層之起始原料，氧化鎳較佳為粉末狀。於第一步驟之前，藉由噴霧乾燥造粒機將平均粒徑為1.0~5.0μm之氧化鎳粉末造粒，而獲得平均粒徑為10~100μm之氧化鎳之粒子。將該氧化鎳之粒子吹入至電漿氣體等高溫之氣體中，使其熔融，且將其噴附至導電性基材。即，利用熔融之氧化鎳對導電性基材進行塗佈。無論造粒前之氧化鎳之粒徑過大、或過小，於形成電極時，均無法獲得所需之孔徑或比表面積、細孔容量。造粒前之氧化鎳之粉末之平均粒徑較佳為1.0~5.0μm，更佳為1.0~1.2μm。
亦可藉由熔射法將氧化鎳粉末與其他粉末之混合物噴附至導電性基材。作為其他粉末，可列舉選自由金屬鎳、鈦、鉻、鉬、鈷、錳、鐵、鉭、鋯、鋁、鋅、鉑族及稀土類元素等所組成之群中之至少一種金屬之粉末。進而，亦可向噴附至導電性基材前之氧化鎳粉末中混合選自由阿拉伯膠(gum arabic)、羧甲基纖維素及月桂基硫酸鈉所組成之群中之至少一種添加劑。
若藉由熔射法將阮尼鎳噴附至導電性基材，則阮尼鎳熔融，其 表面積減小，而不易形成具有如上所述之細孔之孔徑、比表面積及細孔容積之觸媒層。於藉由熔射法將鎳與鋁之合金噴附至導電性基材之情形時，於空氣中，鋁氧化。因此，即便利用鹼性水溶液除去觸媒層中之鋁，亦不易獲得具有較大之表面積之觸媒層。於藉由使鎳與鋁之合金於真空中熔融且將其噴附至導電性基材之方法，製造陽極之情形時，製造裝置不簡便，生產性亦較低，因此，生產成本變高，故而欠佳。
作為熔射法，有如下方法：利用乙炔等可燃性氣體與氧之燃燒熱使熔射用粉末熔融；將於熔射法中使用之熔射用粉末(觸媒層之原料粉末)加工成棒狀，且利用燃燒氣體噴附因使可燃性氣體燃燒所得之熱而熔融之原材料；利用加熱氬氣、氫氣、氮氣或氦氣等氣體所得之電漿氣體使熔射用粉末熔融。其中，較佳為將向氮氣或氬氣混合氫氣所得之氣體電漿化，利用電漿使熔射用粉末熔融之電漿熔射法。於電漿熔射法中，電漿氣體之速度大至超過聲速之程度，氣體之溫度為5000℃以上。因此，可使熔點較高之熔射用粉末熔融，且可使熔融之熔射用粉末以高速附著於基材。其結果，可形成緻密且強度較強之塗層(觸媒層之前驅物)。於利用電漿熔射法之情形時，由於原料粉末之塗佈速度較快，故而可於相對短時間內形成具有10~1000μm之厚度之觸媒層。於電漿熔射法中，雖亦視其條件而不同，但於熔融之原料粉末之粒子積層於基材上之過程中形成於粒子間之細孔與利用其它熔射法之情形相比，容易變得緻密。於利用使用有包含氫氣之電漿氣體之熔射法，將氧化物噴附至基材之情形時，塗層之一部分容易被還原，塗層之導電性增加，而可製造導電性優異之陽極。
於經由利用電漿熔射法進行噴附時之高溫狀態、及後續之急冷過程後之氧化鎳中，形成有多個結晶缺陷。亦可藉由還原此種氧化鎳，而形成具有較高之活性之觸媒層。本實施形態之第二細孔以何種 方式形成於觸媒層中之原因未必明確，但推測如上所述之熔射用粉末之組成(氧化鎳)及熔射方法等影響第二細孔之形成。
藉由以氫氣流下還原利用熔射法形成之塗層，而形成觸媒層之第一細孔。亦可藉由電解還原塗層。例如藉由將形成有塗層之導電性基材作為陰極，進行生理鹽水之電解，於陰極使氫產生，而還原塗層，從而可獲得所需之觸媒層。或亦可於70℃~90℃之液溫下進行濃度為32%左右之苛性鈉水溶液之電解。電解之實施時間為1個月至半年左右即可。作為還原步驟，亦可將形成有塗層之導電性基材作為陰極，進行水之電解。作為還原步驟，亦可將形成有塗層之導電性基材作為陰極，進行半年左右之濃度為10%~30%之KOH或NaOH之水溶液之電解(陰極之氫之產生)。但，該等方法有耗費時間，而且生產性亦低之缺點。然而，根據該等電解還原，可獲得形成有微細之細孔之觸媒層(多孔質之觸媒層)。該電解還原由於在低溫下被實施，故而氧化鎳之還原非常需要時間，但可容易地將觸媒層之第一細孔之孔徑控制於2~5nm之範圍內。於藉由電解還原而獲得之觸媒層中，形成有消泡性及電子傳導性優異之骨架。
於利用氫還原藉由熔射法形成之塗層(氧化鎳)時之溫度較為重要。於還原之溫度過高之情形時，有藉由還原而產生之細孔被熱破壞，而無法獲得期待之細孔、比表面積及細孔容量之情形。又，若還原溫度過低，則氧化鎳之還原未進行。因此，利用氫進行之塗層之還原反應之溫度較佳為180~300℃，尤佳為180~250℃。
於除上述以外之還原方法中，亦有利用肼、亞硫酸鈉或氫化硼氫化鈉等還原劑於常溫~100℃下對塗層進行處理之方法。然而，該等方法係即便略微地還原塗層亦需要長時間，或塗層之還原幾乎未進行。若為促進還原反應，而將還原劑加熱至100℃以上，則產生還原劑之溶液之蒸發或還原劑之分解，故而欠佳。
一般用作觸媒層之原料之氧化鎳之組成接近於化學計量比。此種氧化鎳之還原開始溫度為300℃以上。因此，一般係於將氧化鎳加熱至400℃以上之高溫之狀態下，進行氫還原。因於此種溫度條件下，氧化鎳中之金屬之熱運動變得劇烈，且金屬之凝聚急遽進行，故孔徑為2~5nm之範圍內之細孔幾乎消失。
另一方面，藉由熔射法(尤其係電漿熔射法)噴附至導電性基材之氧化鎳如上所述般包含較多之結晶缺陷，且具有偏離化學計量比之組成。因此，經過熔射步驟之氧化鎳容易被還原，即便於250℃以下之低溫下亦充分得以還原。而且，藉由於250℃以下之低溫下進行氫還原，而抑制氧化鎳中之金屬元素m熱運動，金屬元素不易凝聚。其結果，可容易地將孔徑成為2~5nm之範圍內之第一細孔形成於觸媒層中。
藉由上述熔射步驟及還原步驟，可獲得觸媒層。進而，亦可利用選自由銠、鈀、銥及釕所組成之群中至少一種觸媒，對觸媒層之表面進行改質。
其次，對作為電解池101之一部分的離子透過性隔膜10(參照圖1)進行說明。離子透過性隔膜10係要求氣體透過性較低、導電率較小、且強度較強者。自先前一直用於鹼性水電解之隔膜為石棉或改性石棉等。然而，最近亦採用使用有聚碸系聚合物之多孔性隔膜、使用有聚苯硫醚纖維之布、氟系多孔質體膜、混合有無機物與有機物之多孔質體等。除使用多孔質隔膜以外，亦有使用氟系之離子交換膜等之情形。再者，複極式鹼性水電解單元12可無限制地使用該等中之任一膜。
於通常之鹼性水電解中，於離子透過性膜、與陽極或陰極之間存在間隙。因此，於該部分，除電解液以外亦存在大量之氣泡，從而電阻變得非常高。為謀求電解池中之電解電壓之大幅度之減少，最有 效的是使陽極與陰極之間隔(以下稱為「極間距離」)儘量小，而消除存在於陽極與陰極之間之電解液或氣體氣泡之影響。然而，先前，極間距離普遍為1~3mm左右(以下，將具有該程度之極間距離之電解池稱為「有限間距(finite gap)電解池」)。用以使極間距離減小之方法已提出若干種，於大型之電解槽中，一般具有1m2以上之通電面積，不可能使陽極及陰極完全平滑且使製作精度之公差幾乎為零毫米(mm)。因此，若僅使極間距離減小，則有因電極而壓斷存在於陽極與陰極之間之離子透過性隔膜之情況。又，即便勉強使極間距離靠近，亦難以遍及電極整面地以可保持如下狀態(以下稱為「零間距」)之精度進行製作，即，極間距離為與離子透過性隔膜之厚度大致相同之距離，且於陽極與離子透過性隔膜、陰極與離子透過性隔膜之間幾乎無間隙，而無法獲得理想之零間距。
參照圖7對用以改善此種狀況之變化例之電解單元12A、12B進行說明。再者，於以下變化例中，對與上述電解單元12相同之要素或構件標註同一符號，並省略詳細之說明。
於變化例之電解單元12A、12B中，作為使極間距離減小之方法，設為如下狀態，即，於陰極19與隔壁22之間配置作為彈性體之彈簧111A、111B，利用該彈簧111A、111B支持陰極19使其可移動。例如於第1變化例中，如圖7(a)所示，將由導電性之材料製作之彈簧111A安裝於隔壁22，將陰極19安裝於彈簧111A。又，於第2變化例中，如圖7(b)所示，將彈簧111B安裝至安裝於隔壁22之陰極翼肋21，將陰極19安裝於該彈簧111B。再者，於採用使用有彈簧111A、111B等彈性體之形態之情形時，有陰極19接觸於離子透過性隔膜10之壓力變得不均勻之可能性，又，於安裝多個彈簧之情形時，亦有變得不易進行製作之可能性，因此，必需視需要而適當調節彈簧之強度、彈簧之數量、形狀等。
其次，參照圖8~圖10對第2實施形態之電解單元120進行說明。電解單元120係可實現上述零間距構造之形態。再者，於第2實施形態之電解單元120中，對與上述電解單元12相同之要素或構件標註同一符號，並省略詳細之說明。
於電解單元120中，預先使陽極39之剛性強於陰極38，尤其係使陽極39為即便推壓離子透過性隔膜10，變形亦較少之構造。另一方面，藉由將陰極38設為若推壓離子透過性隔膜10則變形之柔軟之構造，而成為如吸收因電解池101之製作精度上之公差或電極(陽極39、陰極38)之變形等所致之凹凸而保持零間距般之構造。
具體而言，成為如下至少3層構造，即，於陰極翼肋21之前端安裝有集電體36，於該集電體36之上表面側、即、與隔壁22側相反之側，安裝有導電性之緩衝墊(緩衝墊層)37，進而，於緩衝墊37之上表面側、即、鄰接於緩衝墊37且成為離子透過性隔膜10側之部分，重疊有0.5mm以下之厚度之零間距用之陰極38。於本實施形態中，彈性體包括集電體36及緩衝墊37。
集電體36有以下作用：向積層於其上之緩衝墊37或零間距用之陰極38傳遞電，並且支持自該等受到之荷重，且使自陰極38產生之氣體無障礙地通過至隔壁22側。因此，該集電體36之形狀較佳為多孔金屬或衝壓多孔板等。該情形時之集電體36之開口率較佳為30%~70%之範圍，以將自陰極38產生之氫氣無障礙地抽出至隔壁22側。然而，若開口率過大，則有產生強度降低或對緩衝墊37之導電性降低等問題之情形，若過小，則有逸氣變得嚴重之情形。
預先於集電體36塗佈多孔質電極觸媒之方法亦較為有效。尤其係於利用風力發電等可再生能源進行水電解之情形時，供給之電解電流或電壓如於短時間較大地變動般變得非常不穩定。於最壞之情形時，於如供給之電壓低於理論分解電壓般之情形時，亦有電流與電解 時之電流反向流動之可能性。於該情形時，會對陽極39或陰極38之觸媒功能造成較大之損害。為防止此種損害，可藉由將多孔質觸媒塗佈於集電體36之表面而防止該損害。其原因在於：由於多孔質體具有較大之表面積，故而電荷之累積較大，且於其表面形成有還原物質。即，其原因在於：即便電流反向流動，藉由表面電荷之消耗及還原物質之氧化而消耗電流，因此，可於某程度之時間內將電極電位保持為固定電位。可保持為固定電位之時間因電流反向流動之時間或頻度、塗佈量而異。
作為發揮此種作用之多孔質電極觸媒，可使用阮尼鎳、鎳多孔質體(多孔質鎳)、氧化鎳多孔質體(多孔質氧化鎳)等。阮尼鎳係藉由使用分散有阮尼鎳粉末之鍍鎳浴進行鍍敷，而獲得分散有阮尼鎳之塗層。作為鎳多孔質體，可利用藉由熱噴塗(Thermal spray)或電漿熔射而塗佈鎳粉末之方法。又，亦可利用藉由熱噴塗或電漿噴塗而塗佈氧化鎳粉末之方法。進而，亦有於藉由此種熔射進行塗佈後，利用氫進行還原，而進一步使表面積變大之方法。再者，此種利用多孔質電極觸媒之塗佈亦可應用於構成彈性體之要素之一部分或全部，即，不僅可應用於集電體36，而且可應用於緩衝墊37等。
關於集電體36之強度，若於鄰接之陰極翼肋21與陰極翼肋21之間隔為100mm之情形時，即便對其中央部施加3mH2O/cm2之壓力，亦為0.5mm以下之彎曲，則可用作導電板。就導電性之方面而言，材質可利用鎳、鎳合金、不鏽鋼、軟鋼等，就耐蝕性之方面而言，最佳為鎳或者於軟鋼或不鏽鋼、鎳合金上實施鍍鎳而成者。此種集電體36向陰極翼肋21之固定可利用點焊、雷射焊接、Tig焊接等方法而實現固定。
緩衝墊37位於集電體36與陰極38之間，與集電體36及陰極38相接觸，且需要將電傳遞至陰極38，且使自陰極38產生之氫氣無阻力地 通過至集電體36為止。而且，最重要之作用係對接觸於離子透過性隔膜10之陰極38施加均勻且不使離子透過性隔膜10損傷之程度之適當之壓力，而使離子透過性隔膜10與陰極38密接。緩衝墊37通常可使用公知者。例如可為對將線徑為0.1mm左右之鎳製金屬絲編織而成者進行波形加工(corrugated processing)後者。就導電性之方面而言，材質通常使用鎳、對鎳合金或不鏽鋼或軟鋼實施鍍鎳而成者。又，此種緩衝墊之厚度通常使用5mm至10mm左右者。
緩衝墊37之柔軟性可使用公知之範圍者。例如可使用具有50%壓縮變形時之斥力為30至50g/cm2之彈性者。此種緩衝墊37係重疊於包括導電板之集電體36上而使用。該安裝方法通常亦可使用公知之方法，例如利用點焊適當進行固定，或使用樹脂製之銷或金屬製之金屬絲等。
於緩衝墊37上，如本實施形態般亦可直接重疊零間距用陰極。或亦可隔著其他導電片而重疊陰極。作為用於零間距之陰極基材，線徑較小且網格(mesh)較小之陰極因柔軟性亦較高，故而較佳。此種基材材質通常可使用公知者。例如作為陰極38之基材，可使用鎳、鎳合金、不鏽鋼、軟鋼、或者對鎳合金或不鏽鋼或軟鋼上實施鍍鎳而成者。該等基材之線形為0.05~0.5mm，網眼為30目至80目左右之範圍即可。
作為零間距用之陰極38之塗層，較佳為貴金屬氧化物之塗層、或包含選自鎳、鈷、鉬、錳中之金屬或其氧化物之塗層。其原因在於：例如於將鎳氧化物電漿熔射而成之塗層中，由於厚度高達100微米以上，若作為要求柔軟性之零間距用之陰極38，則較硬且較脆，故而有損害接觸於陰極38之離子透過性隔膜10之情形。若塗層厚度較薄，則不會損害陰極38之基材之柔軟性，且不會損傷離子透過性隔膜10，故而較佳。若塗層過厚，則如上所述，不僅有損傷離子透過性隔 膜10之情形，而且有陰極38之製作成本上升等不良情況。又，若過薄，則無法獲得充分之活性。因此，塗佈厚度較佳為0.5微米至50微米左右，最佳為1微米至10微米之範圍。
又，用以實現零間距構造之陰極38係藉由緩衝墊及點焊、利用金屬或塑膠製之銷之固定、或緩衝墊之彈力性、推壓力中之任一者而實現固定。
又，為實現零間距構造，陽極39本身之形狀亦較為重要。由於將離子透過性隔膜較先前之有限間距電解池強地推壓至零間距用之陽極，故而有以下情況：於使用有多孔金屬基材之陽極，於開口部之一端，離子透過性隔膜破損，或離子透過性隔膜被咬入至開口部，而於陰極與離子透過性隔膜之間形成間隙，從而電壓上升。
為解決上述課題，陽極39必需儘量為平面形狀。為此，理想的是利用輥壓製延展加工後之基材，而使其為平面狀。一般若進行延展加工，則其厚度係表觀厚度增加至加工前之約1.5倍至2倍。然而，由於若直接用於電解池101，則產生上述問題，故而理想的是藉由輥式壓製(roll press)等方法進行壓延，使厚度薄至原來之金屬平板厚度之95%至110%為止而進行平面化。
藉由將實施上述處理而製造之陽極39用於零間距用，不僅可防止離子透過性隔膜10之損傷，而且電壓亦意外地減少。雖其原因不明確，但預測其原因在於：由於離子透過性隔膜10之表面與電極面均勻地接觸，故而電流密度均勻化。
又，陽極39之厚度通常較佳為0.7mm至3mm左右。若該厚度過薄，則由於陽極室103與陰極室105之壓力差或陰極之推壓力而導致離子透過性隔膜10推壓陽極39，陽極39因該離子透過性隔膜10推壓陽極39之壓力而下陷，從而極間距離擴大，且電壓變高，故而欠佳。又，若過厚，則成本變高，故而較佳為0.9mm至1.5mm之厚度。
作為用作零間距用之陽極39的陽極基材之開口率，較佳為30%至70%。若開口率過小，則產生之氣體難以遠離電極，而成為電解電壓上升之原因。又，開口率過大時，電極之表面積減少，電壓變高，故而亦欠佳。因此，最佳為開口率為40%至60%之範圍。又，陽極39之材質係使用鎳、鎳合金、於軟鋼或鎳合金上實施有鍍鎳之多孔金屬或衝壓多孔板。
陽極39之表面塗層之凹凸較佳為30微米~100微米。若凹凸過少，則於離子透過性隔膜10與陽極39接觸之情形時，有該接觸部分之電解液之供給變少，產生溫度之上升等而損傷隔膜之情形。又，若過大，則有損傷離子透過性隔膜10之情形。陽極39之表面之凹凸於並非與零間距用之陰極38之組合之情形時並無特別限定，較佳為凹凸儘量少。
根據上述電解單元12、12A、12B、120，由於隔壁22與外框架16成為一體構造，故而例如於配置多個電解單元12、12A、12B、120，且於各電解單元之間夾入離子透過性隔膜10、墊圈9、11，形成電解池101，而構成電解槽100時，構成零件較少，相應地，可非常簡便地進行電解槽100之確實組裝。
又，可確實地進行電解槽100之組裝使得容易高精度且充分地確保由隔壁22、外框架16、陽極18、39等構成之陽極室103、由隔壁22、外框架、陰極19、38等構成之陰極室105。其結果，對氣體之滯留之抑制、抽出電解液及產生氣體時之壓力損失之減少亦有效，而變得容易實現高電流密度下之電解。其原因在於：通常於電解槽之陽極側，氣泡之影響較為明顯，而於本實施形態之電解單元12、12A、12B、120中，由於陽極室103及陰極室105具有充分之容積，故而可減輕因氣泡所致之不良影響。
例如於4kA/m2、0.1MPa、90℃之電解條件下，陽極室103之上 部充滿氣泡，而產生氣液比高達80%以上之部分。此種氣液比較大之部分有隨著電流密度變大而擴大之傾向。由於此種氣液比較大之部分缺乏流動性，故而有產生氣體之滯留部分之情形。若氣體大量滯留，則有氣體容易透過離子透過性隔膜，而導致電流效率降低、或氣體純度降低、或於排出氣體及液體時產生較大之壓力變動之情形。為使電極室之上部之氣液比較大之部分儘量減少，有使電解壓力變大、或大幅度地增大電解液之循環量等方法，但有設備建設成本變高之傾向，故而欠佳。本實施形態之電解單元12、12A、12B、120由於陽極室103及陰極室105具有充分之容積，故而氣體之滯留較少，且亦可確保液體之流動性，因此，可利用氣泡之上升力使電解液循環，且可無壓力之變動地排出氣體。
根據以上，由於可於如6kA/m2般之較先前之鹼性水電解槽大之電流密度下穩定地進行電解，故而可減少製造可確保所需之氫產生量之電解槽100時之電解單元12、12A、12B、120之數量，且可削減設備費用。
又，如上述第1實施形態之變化例之電解單元12A、12B或第2實施形態之電解單元120般，藉由採用零間距構造，可使陰極19、38、離子透過性隔膜10、及陽極18、39均勻地密接。其結果，不僅可自陰極19、38或陽極18、39之背面無阻力地抽出產生之氣體，而且可防止氣泡之滯留、或驅除產生氣體時之振動等，從而可於電解電壓非常低之狀態下長期間地進行穩定之電解。
繼而，參照圖17及圖18對另一實施形態之電解單元200進行說明。圖17係電解單元之俯視圖，圖18係圖17之a-a線剖面圖。電解單元200係外框架208之形狀呈大致矩形形狀，於該方面與上述之電解單元12、12A、12B、120不同。
電解單元200包括劃分陽極202側與陰極204側之矩形狀之隔壁 206，且沿隔壁206之外緣，以包圍隔壁206之方式配置有環狀外框架208。
於隔壁206之外周，設置有自隔壁206延伸且以覆蓋外框架208之一部分之方式抵接之陽極側法蘭盤210。又，於隔壁206之外周，設置有自隔壁206延伸且以覆蓋外框架208之一部分之方式抵接之陰極側法蘭盤212。安裝於外框架208之金屬薄板部214包括陽極側法蘭盤210及陰極側法蘭盤212。
陽極側法蘭盤210包括：周壁部210a，其係自隔壁206向陽極202側彎曲而形成；及法蘭部210b，其自周壁部210a進一步彎曲，且沿隔壁206之延伸方向延伸。又，陰極側法蘭盤212隔著外框架208而相對於陽極側法蘭盤210形成為對稱形狀，具體而言，包括：周壁部212a，其係自隔壁206向陰極204側彎曲而形成；及法蘭部212b，其自周壁部212a進一步彎曲，且沿隔壁22之延伸方向延伸。
隔壁206包括導電性之金屬鋼板，陽極側法蘭盤210係藉由使該金屬鋼板彎曲而形成。因此，隔壁206與陽極側法蘭盤210為一體之構件。又，陰極側法蘭盤212包括導電性之金屬鋼板，且藉由接合於隔壁206而與隔壁206一體化。將陰極側法蘭盤212接合於隔壁206之接合方法必需藉由雷射焊接或Tig焊接等，以電解液或氣體不會漏至外部之方式進行接合。
又，陽極側法蘭盤210與陰極側法蘭盤212係以夾著外框架208且包裹其一部分之方式設置。具體而言，陽極側法蘭盤210之周壁部210a抵接於環狀外框架208之內周面之陽極202側之半部分，陰極側法蘭盤212之周壁部212a抵接於環狀外框架208之內周面之陰極204側之半部分。又，陽極側法蘭盤210之法蘭部210b以抵接之方式重疊於外框架208之陽極202側之側面，陰極側法蘭盤212之法蘭部212b以抵接之方式重疊於外框架208之陰極204側之側面。
理想的是陽極側法蘭盤210及陰極側法蘭盤212與外框架208係藉由焊接或其他固定方法，以未形成間隙等之方式得到固定，但即便未得到固定，只要以不會脫離之手段得到安裝即可。
於隔壁206之上部，於陽極側法蘭盤210之內側(下方)，設置有陽極上部蓋板216A。陽極上部蓋板216A包括沿著陽極側法蘭盤210之矩形形狀之蓋本體216a、及於蓋本體216a之下端彎曲且抵接於隔壁206之出口壁216b，於出口壁216b形成有陽極上部孔218A。藉由陽極側法蘭盤210、隔壁206、及陽極上部蓋板216A而形成有陽極室出口空間部219A。陽極上部孔218A連通於陽極室220之上部。
同樣，於隔壁206之上部，於陰極側法蘭盤212之內側(下方)，設置有陰極上部蓋板216B。陰極上部蓋板216B包括沿著陰極側法蘭盤212之矩形形狀之蓋本體216c、及於蓋本體216c之下端彎曲且抵接於隔壁206之出口壁216d，於出口壁216d形成有陰極上部孔218B。藉由陰極側法蘭盤212、隔壁206、及陰極上部蓋板216B而形成有陰極室出口空間部219B。陰極上部孔218B連通於陰極室222之上部。
又，於隔壁206之下部，於陽極側法蘭盤210之內側，設置有陽極下部蓋板224A。陽極下部蓋板224A包括沿著陽極側法蘭盤210之矩形形狀之蓋本體224a、及於蓋本體224a之上端彎曲且抵接於隔壁206之入口壁224b，於入口壁224b形成有陽極下部孔226A。藉由陽極側法蘭盤210、隔壁206、及陽極下部蓋板224A而形成有陽極室入口空間部228A。陽極下部孔226A連通於陽極室220之下部。
同樣，於隔壁206之下部，於陰極側法蘭盤212之內側(上方)，設置有陰極下部蓋板224B。陰極下部蓋板224B包括沿著陰極側法蘭盤212之矩形形狀之蓋本體224c、及於蓋本體224c之上端彎曲且抵接於隔壁206之入口壁224d，於入口壁224d形成有陰極下部孔226B。藉由陰極側法蘭盤212、隔壁206、及陰極下部蓋板224B而形成有陰極室 入口空間部228B。陰極下部孔226B連通於陰極室222之下部。
於陽極室入口空間部228A，設置有包括用以將電解液(陽極液)導入至陽極室220之陽極液導入孔230的陽極液通過管232(參照圖17)，於陰極室入口空間部228B，設置有包括用以將電解液(陰極液)導入至陰極室222內之陰極液導入孔234的陰極液通過管236。
於陽極室出口空間部228B，設置有包括用以將電解液(陽極液)及氣體自陽極室220內抽出之陽極液及氣體排出孔238的陽極液及氣體通過管240(參照圖17)，於陰極室出口空間部219B，設置有包括用以將電解液(陰極液)及氣體自陰極室222內抽出之陰極液及氣體排出孔242的陰極液及氣體通過管244。
於隔壁206之上部，在對應於陽極液及氣體通過管240、陰極液及氣體通過管244之位置，形成有一對開口部，於一開口部，以插入之方式安裝有陽極液及氣體通過管240，於另一開口部，以插入之方式安裝有陰極液及氣體通過管244。於本實施形態中，藉由陽極液及氣體通過管240、以及陰極液及氣體通過管244，而形成電解液及氣體之通過部。
又，於隔壁206之下部，在對應於陽極液通過管232、陰極液通過管236之位置，形成有一對開口部，於一開口部，以插入之方式安裝有陽極液通過管232，另一開口部，以插入之方式安裝有陰極液通過管236。於本實施形態中，藉由陽極液通過管232及陰極液通過管236，而形成電解液之通過部。
於隔壁206安裝有陽極翼肋246及陰極翼肋248。陽極翼肋246及陰極翼肋248不僅具有支持陽極202或陰極204之作用，而且具有將電流自隔壁206傳遞至陽極202或陰極204之作用，因此，一般使用導電性之金屬。例如可利用實施鍍鎳後之軟鋼、不鏽鋼、鎳等。又，亦考慮成本或製作性、強度等時，陽極翼肋20及陰極翼肋21之厚度亦選自 0.5mm~5mm之範圍。
具有以上構成之電解單元200具有與上述電解單元12、12A、12B、120相同之作用效果。
[實施例1]
以下，基於實施例說明本發明，但本發明並不僅限定於實施例。
(實施例1)
使用3個與圖3及圖4所示之第1實施形態相同之電解單元12，如圖1，於一端配置壓製法蘭5、壓製法蘭墊圈6、陽極終端單元8，於另一端排列陰極終端單元13、安裝有絕緣板41之端部壓製法蘭14，而組裝與圖2相同之電解槽100。
電解單元12為外徑700mm之圓形，陽極18及陰極19之面積設為0.25m2。又，陽極室103之深度(陽極室深度)設為15mm，陰極室105之深度(陰極室深度)設為15mm，將陽極側法蘭盤23、陰極側法蘭盤24之材質均設為鎳。藉由焊接而安裝有高度15mm、厚度1.5mm之鎳製陽極翼肋20、及高度13.5mm、厚度1.5mm之鎳製陰極翼肋21的鎳製隔壁22之厚度設為1mm。
在安裝於電解單元12之陽極18，藉由電漿熔射而將氧化鎳塗佈至厚度1.5mm之鎳之多孔金屬上，且使電極之厚度為2mm。於陰極19，使用在厚度1.5mm之鎳多孔金屬上以約5微米之厚度實施以氧化釕為主成分之塗層而成者。
陽極墊圈9及陰極墊圈11為EPDM(ethylene-propylene-diene-terpolymer rubber，三元乙丙橡膠)製，且使用厚度為2mm者。於電解單元12之陽極18側之下部，安裝有設置有寬度3mm、長度10mm之方形之陽極下部孔43A的厚度3mm之鎳製陽極下部蓋板33A。又，於陰極19側之下部，安裝有設置有寬度3mm、長度10mm之方形之陰極下 部孔43B的厚度3mm之鎳製陰極下部蓋板33B。於陽極下部蓋板33A及陰極下部蓋板33B，以直徑34mm之圓形設置利用0.5mm之厚度之EPDM橡膠作為內表面之襯裏之陽極液通過管26及陰極液通過管27，設置一個直徑10mm之孔作為陽極液導入孔29及陰極液導入孔30。
於電解單元12之陽極18側上部，安裝有設置有寬度3mm、長度10mm之方形之陽極上部孔42A的厚度3mm之鎳製陽極上部蓋板28A。又，於陰極19側之上部，安裝有設置有寬度3mm、長度10mm之方形之陰極上部孔42B的厚度3mm之鎳製陰極上部蓋板28B。陽極上部蓋板28A及陰極上部蓋板28B之截面面積之近似圓之直徑為70mm，且設置有以0.5mm之厚度之EPDM橡膠為內表面之襯裏的陽極液及氣體通過管31、以及陰極液及氣體通過管32，設置寬度10mm、長度50mm之狹縫作為陽極液及氣體排出孔34、以及陰極液及氣體排出孔35。於隔壁22，亦於上部之與陽極液及氣體通過管31、以及陰極液及氣體通過管32相同之位置，以相同之大小設置有用以供陽極液、陰極液、氣體通過之開口部。
於使用有此種電解單元12之電解槽100中，作為離子透過性隔膜10，安裝當量重量950g/eq之氟系磺酸膜且具有PTFE(polytetra-fluoroethylene，聚四氟乙烯)芯材之200微米厚之離子交換膜，將23%NaOH作為電解液，於80℃、電流密度2kA/m2~6kA/m2下電解1週，測定電壓及氫氣純度。氫氣純度係藉由氣體層析法進行測定。將結果示於表1。即便於6kA/m2之高電流密度下，亦可無急遽之電壓上升地進行穩定之電解。
(實施例2)
使用3個與圖12及圖13所示之第1實施形態相同之電解單元12，如圖1，於一端配置壓製法蘭5、壓製法蘭墊圈6、陽極終端單元8，於另一端排列陰極終端單元13、安裝有絕緣板41之端部壓製法蘭14，而組裝與圖2相同之電解槽100。
電解單元12為外徑700mm之圓形，陽極18及陰極19之面積設為0.25m2。又，陽極室103之深度(陽極室深度)設為15mm，陰極室105之深度(陰極室深度)設為15mm。而且，藉由焊接而將高度15mm、厚度1.5mm之鎳製陽極翼肋20、及高度13.5mm、厚度1.5mm之鎳製陰極翼肋21安裝於厚度1mm之鎳製隔壁22。樹脂製之外框架16係夾著隔壁22，且由使用有包含芳香族胺之硬化劑之環氧樹脂成形製作而成。
在安裝於電解單元12之陽極18，藉由電漿熔射而將氧化鎳塗佈至厚度1.5mm之鎳之多孔金屬上，且使電極之厚度為2mm。於陰極19，使用在厚度1.5mm之鎳多孔金屬上以約5微米厚度實施以氧化釕為主成分之塗層而成者。陽極墊圈9及陰極墊圈11為EPDM製，且使用厚度為2mm者。
於樹脂製之外框架16下部之下側凸出部16b，設置有直徑34mm之圓形之陽極液通過孔26b及陰極液通過孔27b，設置一個直徑10mm之管狀之孔作為陽極液導入孔29及陰極液導入孔30。
於樹脂製之外框架16上部之上側凸出部16a，設置截面面積之近似圓之直徑為70mm之陽極液及氣體通過孔31b、以及陰極液及氣體 通過孔32b，設置5個直徑10mm之管狀之孔作為陽極液及氣體排出孔34、以及陰極液及氣體排出孔35。
於使用有此種電解單元12之電解槽100中，作為離子透過性隔膜10，安裝當量重量950g/eq之氟系磺酸膜且具有PTFE芯材之200微米厚之離子交換膜，將23%NaOH作為電解液，於80℃、電流密度2kA/m2~6kA/m2下電解1週，測定電壓及氫氣純度。氫氣純度係藉由氣體層析法進行測定。
將結果示於表2。即便於6kA/m2之高電流密度下，亦可無急遽之電壓上升地進行穩定之電解。
(實施例3)
使用3個與圖8~圖10所示之第2實施形態相同之電解單元120代替電解單元12，如圖1，於一端配置壓製法蘭5、壓製法蘭墊圈6、陽極終端單元8，於另一端排列陰極終端單元13、安裝有絕緣板41之端部壓製法蘭14，而組裝與圖2相同之電解槽100。
電解單元12為外徑700mm之圓形，陽極18及陰極19之面積設為0.25m2。又，陽極室103之深度(陽極室深度)設為15mm，陰極室105之深度(陰極室深度)設為15mm，將陽極側法蘭盤23、陰極側法蘭盤24之材質均設為鎳。藉由焊接而安裝有高度15mm、厚度1.5mm之鎳製陽極翼肋20、及高度13.5mm、厚度1.5mm之鎳製陰極翼肋21的鎳 製隔壁22之厚度設為1mm。
在安裝於電解單元12之陽極39，藉由電漿熔射，將氧化鎳塗佈至利用輥壓製厚度1.5mm之鎳之多孔金屬而平滑化成1.0mm厚度之基材上，使電極之厚度為1.5mm。
零間距模組(零間距構造)設為圖8之構造。即，集電體36係使用為鎳多孔金屬且厚度1.2mm、開口部之橫方向長度8mm、縱方向長度5mm者。將作為緩衝墊37的使用4條0.1mm之鎳金屬絲製成織物、進而加工成波型且厚度為9mm者藉由點焊而固定於集電體上之5個部位。零間距用之陰極38係使用對線形0.15mm且40目之鎳製金屬線網實施3微米之以氧化釕為主成分之塗層而成者。
於電解單元12之陽極39側之上部，安裝有設置有寬度3mm、長度10mm之方形之陽極上部孔42A的厚度3mm之鎳製陽極上部蓋板28A。又，於陰極38側之上部，安裝有設置有寬度3mm、長度10mm之方形之陰極上部孔42B的厚度3mm之鎳製陰極上部蓋板28B。
於陽極上部蓋板28A及陰極上部蓋板28B，設置截面面積之近似圓之直徑為70mm、且利用0.5mm厚之EPDM橡膠作為內表面之塗層的陽極液及氣體通過管31、以及陰極液及氣體通過管32，設置寬度10mm、長度50mm之狹縫作為陽極液及氣體排出孔34、以及陰極液及氣體排出孔35。於隔壁22，亦於上部之與陽極液及氣體通過管31、以及陰極液及氣體通過管32相同之位置，以相同之大小設置有用以供陽極液、陰極液、氣體通過之開口部。
於此種電解槽100中，作為離子透過性隔膜10，安裝當量重量950g/eq之氟系磺酸膜且具有PTFE芯材之200微米厚之離子交換膜，將23%NaOH作為電解液，於80℃、電流密度2kA/m2~6kA/m2下電解1週，測定電壓及氫氣純度。氫氣純度係藉由氣體層析法進行測定。
將結果示於表3。即便於6kA/m2之高電流密度下，亦不僅可無急 遽之電壓上升地進行穩定之電解，而且電解電壓亦較低。
(實施例4)
使用3個與圖9、圖16、圖10所示之第4實施形態相同之電解單元120代替電解單元12，如圖1，於一端配置壓製法蘭5、壓製法蘭墊圈6、陽極終端單元8，於另一端排列陰極終端單元13、安裝有絕緣板41之端部壓製法蘭14，而組裝與圖2相同之電解槽100。
複極式鹼性水電解單元120為外徑700mm之圓形，陽極18及陰極19之面積設為0.25m2。又，陽極室103之深度(陽極室深度)設為15mm，陰極室105之深度(陰極室深度)設為15mm。而且，藉由焊接而將高度15mm、厚度1.5mm之鎳製陽極翼肋20、及高度13.5mm、厚度1.5mm之鎳製陰極翼肋21安裝於1mm厚之鎳製隔壁22。樹脂製之外框架16係夾著隔壁22，且由使用有包含芳香族胺之硬化劑之環氧樹脂成形製作而成。
在安裝於電解單元120之陽極39，藉由電漿熔射，將氧化鎳塗佈至利用輥壓製厚度1.5mm之鎳之多孔金屬而平滑化成1.0mm厚之基材上，使電極之厚度為1.5mm。
零間距模組(零間距構造)設為圖10之構造。即，集電體36係使用為鎳多孔金屬且厚度1.2mm、開口部之橫方向長度8mm、縱方向長度5mm者。將作為緩衝墊37的使用4條0.1mm之鎳金屬絲製成織物、 進而加工成波型且厚度為9mm者藉由點焊而固定於集電體上之5個部位。零間距用之陰極38係使用對線形0.15mm且40目之鎳製金屬線網實施3微米之以氧化釕為主成分之塗層而成者。
於樹脂製之外框架16下部之下側凸出部16b，設置直徑34mm之圓形之陽極液通過孔26b及陰極液通過孔27b，設置直徑10mm之管狀之孔作為陽極液導入孔29及陰極液導入孔30。
於樹脂製之外框架16上部之上側凸出部16a，設置截面面積之近似圓之直徑為70mm之陽極液及氣體通過孔31b、以及陰極液及氣體通過孔32b，設置5個直徑10mm之管狀之孔作為陽極液及氣體排出孔34、以及陰極液及氣體排出孔35。
於使用有此種電解單元120之電解槽100中，作為離子透過性隔膜10，安裝當量重量950g/eq之氟系磺酸膜且具有PTFE芯材之200微米厚之離子交換膜，將23%NaOH作為電解液，於80℃、電流密度2kA/m2~6kA/m2下電解1週，測定電壓及氫氣純度。氫氣純度係藉由氣體層析法進行測定。
將結果示於表4。即便於6kA/m2之高電流密度下，亦不僅可無急遽之電壓上升地進行穩定之電解，而且電解電壓亦較低。
[實施例2] (電極A之製作)
將粒徑為0.2~2μm之氧化鎳粉末100重量份、阿拉伯膠2.25重量份、羧甲基纖維素0.7重量份、月桂基硫酸鈉0.001重量份、及水100重量份混合、攪拌，而製備懸浮液。利用噴霧乾燥造粒機，而自懸浮液製備粒徑為5~50μm之造粒物。
藉由電漿熔射法而將造粒成形物噴附至導電性基材之兩面。藉由以上步驟，而獲得包括導電性基材、及被覆導電性基材之觸媒層的電極A。再者，電極A所包括之觸媒層相當於下述電極B、C、D、E、F、G及H所包括之各觸媒層之前驅物。
導電性基材係使用預先實施噴射處理後之鎳延展基材。基材之厚度為1mm。於電漿熔射法中，電漿氣體係使用將氬氣與氮氣以1：0.8之比率混合而成之氣體。被覆導電性基材之表面的觸媒層之前驅物之厚度調整為240μm。被覆導電性基材之背面的觸媒層之前驅物之厚度調整為160μm。
(電極B之製作)
以與上述相同之方法製作電極A。藉由切斷加工而將電極A之尺寸調整為長3cm×寬3cm。將該電極設置於長度80cm、內徑50mm之石英管中。將該石英管插入至寬度60cm之環狀爐內，將石英管內加熱至300℃，且向石英管內連續供給2小時氫氣流，藉此，還原觸媒層之前驅物。藉由以上步驟，而獲得包括導電性基材、及被覆導電性基材之觸媒層之電極B。
(電極C之製作)
一面將石英管內加熱至600℃，一面還原觸媒層之前驅物，除此以外，以與電極B相同之方法獲得電極C。
(電極D之製作)
一面將石英管內加熱至180℃，一面還原觸媒層之前驅物，除此 以外，以與電極B相同之方法獲得電極D。
(電極E之製作)
一面將石英管內加熱至200℃，一面還原觸媒層之前驅物，除此以外，以與電極B相同之方法獲得電極E。
(電極F之製作)
一面將石英管內加熱至250℃，一面還原觸媒層之前驅物，除此以外，以與電極B相同之方法獲得電極F。
(電極G之製作)
以與上述相同之方法製作電極A。藉由切斷加工而將電極A之尺寸調整為長3cm×寬3cm。將該電極作為陰極，且浸漬於NaOH之水溶液中進行電解，於陰極產生氫。NaOH之水溶液之濃度為32重量%，液溫調整為90℃。藉由該電解，而還原觸媒層之前驅物。利用電解之還原係持續進行90天。電解時之陰極之電流密度維持為0.6A/cm2。藉由以上步驟，而獲得包括導電性基材、及被覆導電性基材之觸媒層之電極G。
(電極H之製作)
持續進行180天利用電解的觸媒層之前驅物之還原，除此以外，以與電極G相同之方法獲得電極H。
[比表面積之測定]
將自電極A之導電性基材剝離之觸媒層設置於(股)島津製作所製造之試樣預處理裝置Bakyu prep中。藉由將設置有觸媒層之腔室內排氣，將觸媒層於80℃之真空氛圍下保持2小時，而獲得用於比表面積之測定之試樣。藉由定容之氣體吸附法，測定試樣之吸附脫附等溫線。藉由BJH(Barrett-Joyner-Halenda)法，而根據吸附脫附等溫線算出試樣中之細孔之孔徑及各孔徑下之細孔之比表面積(單位：m2/g．nm)。吸附脫附等溫線之測定係使用(股)島津製作所製造之自動 比表面積/細孔分佈測定裝置「Tristar II3020」。氣體吸附法係使用氮氣作為吸附氣體，且使用液體氮作為冷媒。
累積各孔徑下之細孔之比表面積。藉此，求出電極A之觸媒層中之細孔中孔徑為2~5nm之範圍內之第一細孔之比表面積(單位：m2/g)。利用相同之方法，求出電極A之觸媒層中之細孔中孔徑為0.01~2.00μm之範圍內之第二細孔之比表面積(單位：m2/g)。將結果示於表5。
利用與電極A之情形相同之方法，求出電極B、C、D、E、F、G及H之各觸媒層中之第一細孔之比表面積及第二細孔之比表面積。將結果示於表5。
[細孔之容積之測定]
藉由水銀壓入法測定自電極A之導電性基材剝離之觸媒層中之細孔之孔徑及各孔徑下之細孔容積。於細孔容積之測定中使用(股)島津製作所製造之自動孔隙計「AutoPore 9520」。累積各孔徑下之細孔容積。藉此，求出電極A之觸媒層中之細孔中孔徑為2~5nm之範圍內之第一細孔之細孔容積(單位：ml/g)。利用相同之方法，求出電極A之觸媒層中之細孔中孔徑為0.01~2.00μm之範圍內之第二細孔之細孔容積(單位：ml/g)。將結果示於表5。
利用與電極A之情形相同之方法，求出電極B、C、D、E、F、G及H之各觸媒層中之第一細孔之細孔容積及第二細孔之細孔容積。將結果示於表5。
[INi/(INi+INiO)之測定]
基於XRD之測定結果，求出各電極之觸媒層之表面之INi/(INi+INiO)。將結果示於表1。表1中之「金屬Ni比」係指[INi/(INi+INiO)]×100。[INi/(INi+INiO)]×100之值較大意味著各觸媒層中之金屬鎳之含有率較高。
[氧產生電位之測定]
將切斷加工成長2cm×寬2cm之電極A浸漬於裝滿氟樹脂製燒杯之KOH之水溶液中。KOH之水溶液之溫度維持為90℃。水溶液中之KOH之濃度為30重量%。包括電極A(陽極)、鉑金屬線網(陰極)及覆蓋陰極之周圍之氟樹脂之筒，利用確保該等之導電性之裝置，進行KOH之水溶液之電解，於電極A產生氧。氟樹脂之筒係使用於其周圍開設有多個1mmφ之孔者。一面防止產生之氣體之混合一面實施電解。電解時之電流密度調整為0.6A/cm2。測定電解時之電極A處之氧產生電位。氧產生電位係藉由使用魯金毛細管(Luggin capillary)之三電極法進行測定，以排除因液體阻力所致之歐姆損失之影響。魯金毛細管之前端與陽極之間隔始終固定為1mm。氧產生電位之測定裝置係使用Solartron公司製造之「1470BEC系統」。三電極法用之參照極係使用銀-氯化銀(Ag/AgCl)。利用電流阻斷法測定即便使用三電極法亦無法完全排除之歐姆損失，基於該歐姆損失之測定值，修正氧產生電位。於歐姆損失之測定中使用北斗電工公司製造之定電流脈衝產生器「HC-2005」。
使用電極B、C、D、E、F、G及H中之任一者代替電極A作為陽極，除此以外，利用與使用電極A之情形相同之方法，測定各電極之氧產生電位。將各電極之氧產生電位(單位：mV v.s.Ag/AgCl)示於表5。再者，氧產生電位較低意味著氧產生過電壓較低。
將形成於各電極之觸媒層中之細孔之孔徑、與各孔徑下之細孔之比表面積之關係示於圖19及圖20。圖19係基於利用上述BJH法所得之比表面積之測定結果者。圖19之縱軸係將藉由BJH法求出之累積比表面積之差分細孔容積dV除以細孔之孔徑之差分值d所得之值(微分細孔比表面積)。圖19之橫軸係比表面積之各測定區間中之細孔之孔徑之平均值。圖20所示之資料係將縱軸之單位替換為累積細孔比表面 積，除此以外，與圖19所示之資料相同。
圖20中所示之區間[2nm，5nm]之累積細孔比表面積之積分值係觸媒層中之細孔中孔徑為2~5nm之範圍內之第一細孔之比表面積，且相當於表5中之第一細孔之「比表面積」。將表5中之第一細孔之「比表面積」與氧產生電位之關係示於圖21。
將形成於各電極之觸媒層中之細孔之孔徑、與各孔徑下之細孔容積之關係示於圖4及圖23。圖22係基於利用上述水銀壓入法所得之細孔容積之測定結果者。圖22之縱軸係Log微分細孔容積，且定義為△V/△(Log(d))。△V/△(Log(d))係將藉由水銀壓入法求出之累積細孔容積V之差分細孔容積△V=V2-V1除以細孔徑d之對數差分值△Logd=Logd2-Logd1所得之值。圖22表示第二細孔之Log微分細孔容積之分佈。圖23之縱軸係累積細孔容積。累積細孔容積係按照dV/d(Log(d))將Log微分細孔容積積分所得之值。
圖23中所示之區間[0.01μm，2.00μm]之累積細孔容積係以0.01μm之積分細孔容量與2μm之積分細孔容量之差表示，為觸媒層中之第二細孔容積，且相當於表5中之第二細孔之「細孔容積」。
將表5中之第二細孔之「細孔容積」與氧產生電位之關係示於圖24。
[累積還原電流量之測定]
將切斷加工成長2cm×寬2cm之電極A浸漬於充滿氟樹脂製燒杯之KOH之水溶液中。KOH之水溶液之溫度維持為90℃。水溶液中之KOH之濃度為30重量%。將電極A設為作用極，將鉑金屬線網設為相對電極(counter electrode)，利用開設有多個1mmφ之孔之半徑15mm之筒覆蓋該相對電極之周圍，一面確保該等之導電性，並且防止產生之氣體之混合，一面測定KOH之水溶液中之電極A之電流電位曲線。於測定電流電位曲線前，作為預電解，而將電流密度調整為0.4 A/cm2，進行30分鐘之電解，而使氧產生。電流電位曲線之測定開始電位(高電位側之電位)係設定為電流密度0.4A/cm2下之氧產生電位(單位：V v.s.Ag/AgCl)。低電位側之測定電位設為較將電極表面(觸媒層)還原成金屬鎳之電位低之電位(-1.1V v.s.Ag/AgCl)。將電位之掃描(sweep)速度設定為20mV/每秒，自高電位側之電位至低電位側之電位(-1.1V v.s.Ag/AgCl)為止地掃描電極A之觸媒層之電位，重複進行6次測定，直至獲得穩定之電流-電位曲線為止。將出現在該第6次測定之電流-電位曲線中之0V至0.3V之範圍內之電極A之還原峰值進行積分，而算出0V至0.3V之範圍內之累積還原電流量。利用與電極A之情形相同之方法，測定電極B、C、D、E、F、G及H之電流電位曲線，將出現在0V至0.3V之範圍內之還原峰值進行積分，而算出0V至0.3V之累積還原電流量。各電極之電位係藉由使用魯金毛細管之三電極法進行測定，以排除因液體阻力所致之歐姆損失之影響。魯金毛細管之前端與陽極之間隔始終為固定1mm。電位之測定裝置係使用Solartron公司製造之「1470BEC系統」。三電極法用之參照極係使用銀-氯化銀(Ag/AgCl)。於還原峰值之積分中使用電化學測定用之解析軟體「CView(Version：3.10)」。將各電極之電流電位曲線示於圖23。
將各電極之觸媒層之電流電位曲線示於圖25。表5所示之累積還原電量(單位：Coulomb/g)係出現在圖25之電流電位曲線之0V~0.28V之範圍內之累積還原電流量。電極B、D、E、G、H之電流電位曲線表明以下情況：其累積還原電流量大幅度地大於電極A，即便電解電壓快速降低，亦有藉由該較大之累積還原電流量，而將電位保持為固定，且可防止電極表面之變化之可能性。
電極B、D、E、F、G、H之氧產生電位低於電極A之氧產生電位。電極D、E、F、G、H之氧產生電位大幅度地低於電極B之氧產生電位。可知電極B與電極E雖孔徑為0.01~2.00μm之第二細孔之細孔容積大致相同，但電極E係第一細孔之比表面積為0.6~2.0m2/g之範圍內，故而與電極B相比，氧產生電位大幅度地降低。
電極H之氧產生電位略低於電極G之氧產生電位。電極G之第一細孔之比表面積大於電極H，但電極H之第二細孔之細孔容積大於電極G。由此可知，第二細孔之細孔容積越大，氧產生電位越容易降低。
根據電極E、B、C之比較，確認到有氫還原時之溫度越高，第一細孔之比表面積越減少之傾向，且有氧產生電位伴隨第一細孔之比表面積之減少而變高之傾向。尤其係於600℃下進行氫還原之電極C之觸媒層之第一細孔之比表面積為0。該電極C之氧產生電位高於未進行觸媒層之還原之電極A。由此確認到，為使氧產生電位降低，宜為於低溫下進行氧化鎳之利用氫之還原，從而使第一細孔之比表面積儘量大。
[產業上之可利用性]
本發明可利用於用以藉由鹼性水電解而使氧及氫產生之電解槽。
12‧‧‧複極式鹼性水電解單元(電解單元)
16‧‧‧外框架(外框)
17A‧‧‧陽極室出口空間部
17B‧‧‧陰極室出口空間部
18‧‧‧陽極
19‧‧‧陰極
20‧‧‧陽極翼肋
21‧‧‧陰極翼肋
22‧‧‧導電性隔壁
23‧‧‧陽極側法蘭盤
23a‧‧‧周壁部
23b‧‧‧法蘭部
24‧‧‧陰極側法蘭盤
24a‧‧‧周壁部
24b‧‧‧法蘭部
25A‧‧‧陽極室入口空間部
25B‧‧‧陰極室入口空間部
26‧‧‧陽極液通過管
28A‧‧‧陽極上部蓋板
28a‧‧‧蓋本體
28b‧‧‧出口壁
28B‧‧‧陰極上部蓋板
28c‧‧‧蓋本體
28d‧‧‧出口壁
29‧‧‧陽極液導入孔
30‧‧‧陰極液導入孔
32‧‧‧陰極液及氣體通過管
33A‧‧‧陽極下部蓋板
33a‧‧‧蓋本體
33b‧‧‧入口壁
33B‧‧‧陰極下部蓋板
33c‧‧‧蓋本體
33d‧‧‧入口壁
34‧‧‧陽極液及氣體排出管
35‧‧‧陰極液及氣體排出管
42A‧‧‧陽極上部孔
42B‧‧‧陰極上部孔
43A‧‧‧陽極下部孔
43B‧‧‧陰極下部孔
102‧‧‧金屬薄板部
103‧‧‧陽極室
105‧‧‧陰極室
Fa‧‧‧陽極側法蘭盤之法蘭面
Fb‧‧‧陰極側法蘭盤之法蘭面

Claims (26)

  1. 一種複極式鹼性水電解單元，其特徵在於：其係構成電解包含鹼性水之電解液而獲得氧及氫之電解槽者，上述複極式鹼性水電解單元包括：陽極，其係氧產生用，且包含多孔質體；陰極，其係氫產生用；導電性隔壁，其劃分上述陽極與上述陰極；及外框，其包圍上述導電性隔壁；且於上述導電性隔壁及/或上述外框之上部，設置有氣體及電解液之通過部，於上述導電性隔壁及/或上述外框之下部，設置有電解液之通過部。
  2. 如請求項1之複極式鹼性水電解單元，其中上述陽極或陰極係經由導電性彈性體而支持於上述導電性隔壁。
  3. 如請求項1之複極式鹼性水電解單元，其中上述陽極或陰極係經由導電性支持體而支持於上述導電性隔壁。
  4. 如請求項1至3中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中上述陽極包括導電性基材、及配置於上述導電性基材上之觸媒層，且於上述觸媒層中形成有包含鎳之金屬結晶之細孔；於藉由上述觸媒層中之上述鎳之金屬結晶之(111)面而繞射之X射線之峰強度為INi；當藉由上述觸媒層中之NiO之(012)面而繞射之X射線之峰強度為INiO時，[INi/(INi+INiO)]×100之值為75~100%。
  5. 如請求項4之複極式鹼性水電解單元，其中在形成於上述觸媒層中之細孔中， 孔徑為2~5nm之範圍內的第一細孔之比表面積為0.6~2.0m2/g，上述第一細孔之細孔容積為3×10-4~9×10-4ml/g；上述細孔中，孔徑為0.01~2.00μm之範圍內的第二細孔之比表面積為2.0~5.0m2/g，上述第二細孔之細孔容積為0.04~0.2ml/g。
  6. 如請求項4或5之複極式鹼性水電解單元，其中上述觸媒層之厚度為50~800μm。
  7. 如請求項4至6中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中上述觸媒層係藉由第一步驟與第二步驟而形成，該第一步驟係藉由熔射法而將氧化鎳噴附至導電性基材；該第二步驟係還原噴附至上述導電性基材之上述氧化鎳。
  8. 如請求項7之複極式鹼性水電解單元，其中上述觸媒層係藉由使用噴附至上述導電性基材之上述氧化鎳作為陰極而利用水之電解，還原上述氧化鎳而形成。
  9. 如請求項7之複極式鹼性水電解單元，其中上述觸媒層係藉由利用氫還原噴附至上述導電性基材之上述氧化鎳而形成。
  10. 如請求項7之複極式鹼性水電解單元，其中上述觸媒層係藉由利用氫於180~250℃之範圍內還原上述氧化鎳而形成。
  11. 如請求項7至10中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中上述觸媒層包括於上述第一步驟之前進行上述氧化鎳之造粒之步驟；進行造粒前之氧化鎳粉末之粒徑為1.0~5.0μm。
  12. 如請求項1至11中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中包括金屬薄板部，該金屬薄板部係自上述導電性隔壁延伸且至少覆蓋上述外框之一部分；上述外框固定於上述金屬薄板部而成為一體構造。
  13. 如請求項12之複極式鹼性水電解單元，其中上述金屬薄板部具有於上述陽極側重疊於上述外框之陽極側法蘭盤、及於上述陰極側重疊於上述外框之陰極側法蘭盤；上述外框夾於上述陽極側法蘭盤之法蘭部與上述陰極側法蘭盤之法蘭部之間；自上述導電性隔壁之包括上述陽極側之表面的陽極側基準面至上述陽極側法蘭盤之法蘭面為止之間隔、及自上述導電性隔壁之包括上述陰極側之表面的陰極側基準面至上述陰極側法蘭盤之法蘭面為止之間隔為5mm以上40mm以下。
  14. 如請求項1至11中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中包括外框，上述外框係一部分或全部為樹脂，包圍上述導電性隔壁，且夾持該導電性隔壁。
  15. 如請求項1至11或14中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中上述外框之陽極側表面與隔壁之陽極側表面之間隔、及上述外框之陰極側表面與隔壁之陰極側表面之間隔為5mm以上40mm以下。
  16. 如請求項1至11中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中上述外框係分割為配置於上述導電性隔壁之上述陽極側之陽極側架部、及配置於上述導電性隔壁之上述陰極側之陰極側架部；上述導電性隔壁之一部分夾入於上述陽極側架部與上述陰極側架部。
  17. 如請求項16之複極式鹼性水電解單元，其中上述陽極側架部之厚度及上述陰極側架部之厚度為5mm以上40mm以下。
  18. 如請求項2之複極式鹼性水電解單元，其中上述導電性彈性體為彈簧。
  19. 如請求項2之複極式鹼性水電解單元，其中上述導電性彈性體包 括集電體及緩衝墊層，上述陰極或陽極鄰接於上述緩衝墊層。
  20. 如請求項1至19中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中上述外框包含選自氯乙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯醚樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚碸樹脂、聚醚碸樹脂、聚醚醚酮樹脂、環氧樹脂、鎳、鎳合金、不鏽鋼、對軟鋼或不鏽鋼實施鍍鎳而成者中之材料。
  21. 如請求項1至20中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中上述陰極係於軟鋼、不鏽鋼、鎳合金基材、在軟鋼或鎳合金上實施鍍鎳所成之基材上，實施包含選自鉑族金屬、鎳、鈷、鉬或錳中之金屬或者該等之合金或氧化物的塗層而成。
  22. 如請求項18至21中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中於上述導電性隔壁，安裝有用以固定上述陽極、上述陰極或上述彈簧之翼肋。
  23. 如請求項19至21中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中於上述導電性隔壁，安裝有用以固定上述陽極、上述陰極或上述集電體之翼肋。
  24. 如請求項19至21中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中至少於上述隔壁、上述導電性彈性體之一部分或上述集電體中之任一者之表面，塗佈有選自阮尼鎳、多孔質鎳、多孔質氧化鎳中之任一者。
  25. 如請求項1至24中任一項之複極式鹼性水電解單元，其中設置於上述導電性隔壁及/或外框之上部之氣體及電解液之通過部係陽極液及氣體通過管、以及陰極液及氣體通過管，設置於上述導電性隔壁及/或外框之下部之電解液之通過部係陽極液通過管及陰極液通過管，且各管之內表面係由橡膠或樹脂予以襯裏。
  26. 一種電解槽，其特徵在於：其係用以電解包含鹼性水之電解液 而獲得氧及氫者，且該電解槽包括：如請求項1至25中任一項之複數個複極式鹼性水電解單元；陽極終端單元，其設置有陽極用供電端子及陽極；陰極終端單元，其設置有陰極用供電端子及陰極；以及複數個離子透過性隔膜；且上述複極式鹼性水電解單元配置於上述陽極終端單元與上述陰極終端單元之間，上述離子透過性隔膜配置於上述陽極終端單元與上述複極式鹼性水電解單元之間、鄰接地並列之複極式鹼性水電解單元彼此之間、及上述複極式鹼性水電解單元與上述陰極終端單元之間。
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