WO2021200374A1

WO2021200374A1 - 電解槽

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Publication number: WO2021200374A1
Application number: PCT/JP2021/011896
Authority: WO
Inventors: 康行田中
Original assignee: 株式会社トクヤマ
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2021-10-07
Also published as: TW202200845A; CN115349033A; US20230088736A1; AU2021249269A1; JPWO2021200374A1; DE112021002023T5

Abstract

導電性の第１の隔壁と、該第１の隔壁の外周部に設けられた第１のフランジ部とを備え、陽極室を画定する、第１の枠体と；導電性の第２の隔壁と、該第２の隔壁の外周部に設けられた第２のフランジ部とを備え、陰極室を画定する、第２の枠体と；第１の枠体と第２の枠体との間に配置され、陽極室と陰極室とを区画する、イオン透過性の隔膜と；陽極室内部に配置され、第１の隔壁と電気的に接続された陽極と；陰極室内部に配置され、第２の隔壁と電気的に接続された陰極とを備え、第１の枠体は、該第１の枠体の陽極室に面した表面のうち少なくとも接液部に設けられた、厚さ４０μｍ以上のニッケルめっき層を備える、アルカリ水電解槽。

Description

電解槽

　本発明は、アルカリ水電解用の電解槽に関する。

　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。アルカリ水電解槽の陽極室及び陰極室中の各極液は、一般にはｐＨ（２５℃）が１２以上のアルカリ性である。

国際公開第２０１３／１９１１４０号特開２０１６－０９４６５０号公報特開昭５７－１３７４８６号公報特開平１－１１９６８７号公報特許第６４０４６８５号公報

　特許文献１には、「アルカリ水からなる電解液を電解して酸素及び水素を得る電解槽を構成する複極式アルカリ水電解ユニットであって、前記複極式アルカリ水電解ユニットは、酸素発生用の多孔質体からなる陽極と、水素発生用の陰極と、前記陽極と前記陰極とを区画する導電性隔壁と、前記導電性隔壁を取り囲む外枠と、を備え、前記導電性隔壁及び／又は前記外枠の上部には、ガス及び電解液の通過部が設けられており、前記導電性隔壁及び／又は前記外枠の下部には、電解液の通過部が設けられていることを特徴とする複極式アルカリ水電解ユニット」が記載されており、隔壁の材質として導電性の金属が用いられることが記載され、隔壁に用いられる導電性の金属材料として、ニッケルめっきを施した軟鋼、ステンレス鋼、及びニッケルが記載されている。

　ニッケルは軟鋼やステンレス鋼等の鉄系材料よりも高価である一方で高い導電性を有するので、ニッケルめっきを施した軟鋼製の隔壁を備える複極式アルカリ水電解ユニットによれば、その高い導電性によりエネルギーロスを低減できると考えられる。鉄系材料の導電性を高める観点からは、ニッケルめっき層の厚みは２～３０μｍもあれば十分であり、この範囲を超えて厚いニッケルめっき層を設けても導電性には影響しない。

　従来のクロルアルカリ電解槽においては、陰極室にのみアルカリ性の極液が供給され、陽極室には酸性の極液が供給される。そのため陰極室には、アルカリ条件下での耐腐食性、及び加工性の観点からニッケルが用いられる一方で、陽極室には酸性条件下での耐腐食性の観点からチタンが一般的に用いられている。これに対してアルカリ水電解槽においては、陽極室および陰極室の両方に極液としてアルカリ水が供給されるため、陰極室だけでなく陽極室もアルカリ条件下での耐腐食性を有する必要がある。

　しかしながら、アルカリ水電解槽における陽極室の耐腐食性については、検討が十分になされているとはいえない。特に、アルカリ水電解槽の陰極室で発生するガスは水素ガスであり、陰極室は還元的雰囲気で満たされるのに対して、陽極室で発生するガスは酸素ガスであり、陽極室は酸化的雰囲気で満たされるとともに、陽極液にも酸素ガスが飽和レベルまで溶解する。したがってアルカリ電解槽の陽極室の耐腐食性は、単に陰極室のアルカリ条件に耐え得る程度の耐腐食性では、長期にわたる使用には十分とはいえないと考えられる。

　本発明は、陽極室の酸素ガス雰囲気および酸素ガス飽和アルカリ水中での耐腐食性を、長期にわたる使用に十分な水準まで安価に高めることが可能な、アルカリ水電解槽を提供することを課題とする。

　本発明は、次の［１］～［４］の形態を包含する。
［１］　導電性の第１の隔壁と、該第１の隔壁の外周部に設けられた第１のフランジ部とを備え、陽極室を画定する、第１の枠体と、
　導電性の第２の隔壁と、該第２の隔壁の外周部に設けられた第２のフランジ部とを備え、陰極室を画定する、第２の枠体と、
　前記第１の枠体と前記第２の枠体との間に配置され、前記陽極室と前記陰極室とを区画する、イオン透過性の隔膜と、
　前記陽極室内部に配置され、前記第１の隔壁と電気的に接続された、陽極と、
　前記陰極室内部に配置され、前記第２の隔壁と電気的に接続された、陰極と、
を備え、
　前記第１の枠体は、該第１の枠体の前記陽極室に面した表面のうち少なくとも接液部に設けられた、厚さ４０μｍ以上のニッケルめっき層を備える、アルカリ水電解槽。

［２］　前記第１の枠体は、
　　前記第１の隔壁から前記陽極室に突出して設けられ、前記陽極を支持する、導電性の支持部材
をさらに備える、［１］に記載のアルカリ水電解槽。

［３］　前記第１の枠体が、
　　少なくとも１つの鋼製の芯材と、
　　前記芯材の表面に設けられた前記ニッケルめっき層と
を含む、［１］又は［２］に記載のアルカリ水電解槽。

［４］　前記ニッケルめっき層の厚みが、４０～１００μｍである、［１］～［３］のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。

　本発明のアルカリ水電解槽によれば、第１の枠体の前記陽極室に面した表面のうち少なくとも接液部に、厚さ４０μｍ以上のニッケルめっき層が設けられていることにより、陽極室の酸素ガス雰囲気および酸素ガス飽和アルカリ水中での耐腐食性を、長期にわたる使用に十分な水準まで安価に高めることが可能である。

本発明の一の実施形態に係る電解槽１００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２００を模式的に説明する断面図である。

　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。

　図１は、本発明の一の実施形態に係る電解槽１００を模式的に説明する断面図である。電解槽１００は、アルカリ水電解用の電解槽である。図１に示すように、電解槽１００は、陽極室Ａを画定する、第１の枠体１０と；陰極室Ｃを画定する、第２の枠体２０と；第１の枠体１０と第２の枠体２０との間に配置され、陽極室Ａと陰極室Ｃとを区画するイオン透過性の隔膜４０と；第１の枠体１０と第２の枠体２０とに挟持され、隔膜４０の周縁部を保持する、電気絶縁性のガスケット３０、３０（以下において「ガスケット３０」ということがある。）と；陽極室Ａに配置され、第１の隔壁１１と電気的に接続された、陽極５０と；陰極室Ｃに配置され、第２の隔壁２１と電気的に接続された、陰極６０と、を備えている。第１の枠体１０は、導電性の第１の隔壁１１と、隔壁１１の外周部に設けられた第１のフランジ部１２とを有する。第２の枠体２０も、導電性の第２の隔壁２１と、隔壁２１の外周部に設けられた第２のフランジ部２２とを有する。隔壁１１、２１は、隣接する電解セル同士を区画し、かつ、隣接する電解セル同士を電気的に直列に接続する。第１のフランジ部１２は、隔壁１１、隔膜４０、及びガスケット３０とともに陽極室Ａを画定し、第２のフランジ部２２は、隔壁２１、隔膜４０、及びガスケット３０とともに陰極室Ｃを画定する。

　第１の枠体１０はさらに、隔壁１１から突き出すように設けられた少なくとも１つの導電性の支持部材（第１の支持部材）１３、１３、…（以下において「支持部材１３」ということがある。）を備え、陽極５０は支持部材１３によって保持されている。支持部材１３は第１の隔壁１１及び陽極５０と電気的に導通している。第２の枠体２０はさらに、隔壁２１から突き出すように設けられた導電性の支持部材（第２の支持部材）２３、２３、…（以下において「支持部材２３」ということがある。）を備え、陰極６０は支持部材２３によって保持されている。支持部材２３は第２の隔壁２１及び陰極６０と電気的に導通している。なお図１には示していないが、第１のフランジ部１２は陽極室Ａに陽極液を供給する陽極液供給流路と、陽極液Ａから陽極液および陽極で発生したガスを回収する陽極液回収流路とを備えている。また第２のフランジ部２２は陰極室Ｃに陰極液を供給する陰極液供給流路と、陰極室Ｃから陰極液および陰極で発生したガスを回収する陰極液回収流路とを備えている。

　第１の隔壁１１及び第２の隔壁２１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。
　第１のフランジ部１２及び第２のフランジ部２２の材質としては、アルカリ耐性を有する剛性の材料を用いることができ、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のほか、強化プラスチック等の非金属材料も用いることができる。このうち前記金属材料は、耐食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。
　第１の枠体１０の隔壁１１とフランジ部１２とは溶接や接着等で接合されていてもよく、同一の材料で一体に形成されていてもよい。同様に第２の枠体２０の隔壁２１とフランジ部２２とは溶接や接着等で接合されていてもよく、同一の材料で一体に形成されていてもよい。ただし、極室内部の圧力に対する耐性を高めることが容易である点で、第１の枠体１０の隔壁１１とフランジ部１２とは同一の材料で一体に形成されていることが好ましく、第２の枠体２０の隔壁２１とフランジ部２２とは同一の材料で一体に形成されていることが好ましい。

　第１の支持部材１３及び第２の支持部材２３としては、アルカリ水電解槽において導電性リブとして使用可能な支持部材を用いることができる。電解槽１００において、第１の支持部材１３は第１の枠体１０の隔壁１１から立設されており、第２の支持部材２３は第２の枠体２０の隔壁２１から立設されている。第１の支持部材１３が陽極５０を第１の枠体１０に対して固定および保持できる限りにおいて、第１の支持部材１３の接続方法、形状、数、及び配置は特に制限されない。また第２の支持部材２３が陰極６０を第２の枠体２０に対して固定および保持できる限りにおいて、第２の支持部材２３の接続方法、形状、数、及び配置も特に制限されない。
　第１の支持部材１３及び第２の支持部材２３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。

　第１の枠体１０は、該第１の枠体の陽極室Ａに面した表面（すなわち内表面）のうち少なくとも接液部（すなわち陽極液に接する部分）に設けられた、厚さ４０μｍ以上のニッケルめっき層１０ｂを備える。第１の枠体１０が接液部にこのような厚いニッケルめっき層１０ｂを備えることにより、陽極室の酸素ガス雰囲気および酸素ガス飽和アルカリ水中での耐腐食性を長期にわたる使用に十分な水準まで安価に高めることが可能になる。陽極室の酸素ガス雰囲気および酸素ガス飽和アルカリ水中での耐腐食性をさらに高める観点からは、ニッケルめっき層１０ｂの厚さはより好ましくは５０μｍ以上である。ニッケルめっき層の厚さの上限は特に制限されるものではないが、コストの観点から好ましくは例えば１００μｍ以下であり得る。ニッケルめっき層１０ｂは第１の枠体１０の少なくとも接液部に設けられ、陽極室Ａに面した表面の全体に設けられていてもよく、第１の枠体１０の表面全体に設けられていてもよい。

　一の好ましい実施形態において、第１の枠体１０は、少なくとも１つの鋼製の芯材１０ａと、該芯材の表面に設けられた上記ニッケルめっき層１０ｂとを含む。該ニッケルめっき層１０ｂは、芯材１０ａの少なくとも接液部に設けられ、芯材１０ａのうち陽極室に面した表面全体に設けられていてもよく、芯材１０ａの表面全体に設けられていてもよい。電解槽１００において、鋼製の芯材１０ａは、隔壁１１を構成する鋼製の芯材１１ａと、フランジ部１２を構成する鋼製の芯材１２ａと、支持部材１３を構成する鋼製の芯材１３ａとを含む。またニッケルめっき層１０ｂは、芯材１１ａの表面（すなわち隔壁１１の表面）に設けられたニッケルめっき層１１ｂと、芯材１２ａの表面（すなわちフランジ部１２の表面）に設けられたニッケルめっき層１２ｂと、芯材１３ａの表面（すなわち支持部材１３の表面）に設けられたニッケルめっき層１３ｂとを含む。

　一の実施形態において、このような第１の枠体１０は、隔壁１１を構成する鋼製の芯材１１ａ及びフランジ部１２を構成する鋼製の芯材１２ａにニッケルめっきを施すことにより製造することができる。隔壁１１を構成する鋼製の芯材１１ａとフランジ部１２を構成する鋼製の芯材１２ａとを含む一体の芯材にニッケルめっきを施してもよく、隔壁１１を構成する鋼製の芯材１１ａ及びフランジ部１２を構成する鋼製の芯材１２ａにそれぞれ別個にニッケルめっきを施してから両者を接合してもよい。また第１の枠体１０が支持部材１３を備える場合、隔壁１１を構成する鋼製の芯材１１ａと支持部材１３を構成する鋼製の芯材１３ａとを含み、任意的にフランジ部１２を構成する鋼製の芯材１２ａをさらに含む一体の芯材にニッケルめっきを施してもよく、支持部材１３を構成する鋼製の芯材１３ａに別個にニッケルめっきを施してから芯材１３ａとニッケルめっき層１３ｂとを備える支持部材１３を隔壁１１に接合してもよい。なお上記の通り、第１のフランジ部１２は陽極室Ａに陽極液を供給する陽極液供給流路（不図示）と、陽極液Ａから陽極液および陽極で発生したガスを回収する陽極液回収流路（不図示）とを備えている。フランジ部１２が鋼製の芯材１２ａを備える場合、フランジ部１２に備えられる陽極液供給流路および陽極液回収流路の内表面にも上記ニッケルめっき層１２ｂが設けられることが好ましい。該ニッケルめっき層１２ｂはフランジ部１２に備えられる陽極液供給流路および陽極液回収流路の内表面の少なくとも接液部に設けられることが好ましく、当該内表面の全体に設けられていてもよい。

　他の一の実施形態において、このような第１の枠体１０は、隔壁１１を構成する鋼製の芯材１１ａにニッケルめっきを施した後、芯材１１ａ及びニッケルめっき層１１ｂを備える隔壁１１と非金属材料で構成されたフランジ部１２とを接合することにより製造することができる。第１の枠体１０が支持部材１３を備える場合、隔壁１１を構成する鋼製の芯材１１ａと支持部材１３を構成する鋼製の芯材１３ａとを含む一体の芯材にニッケルめっきを施してもよく、隔壁１１を構成する鋼製の芯材１１ａ及び支持部材１３を構成する鋼製の芯材１３ａにそれぞれ別個にニッケルめっきを施してから両者を接合してもよい。

　第２の枠体２０は、該第２の枠体の陰極室Ｃに面した表面（すなわち内表面）のうち少なくとも接液部（すなわち陰極液に接する部分）に設けられた、ニッケルめっき層２０ｂを備えることが好ましい。第２の枠体２０が接液部にニッケルめっき層２０ｂを備えることにより、陰極室のアルカリ条件下での耐腐食性を十分な水準まで高めることが可能になる。ニッケルめっき層２０ｂは、陰極室のアルカリ条件に耐えることが可能な耐腐食性をもたらす厚さを有する。その厚さは特許文献３に記載されているように２μｍもあれば十分であり、好ましくは１０μｍ以上である。ニッケルめっき層の厚さの上限は特に制限されるものではないが、コストの観点から好ましくは例えば１００μｍ以下であり得る。ニッケルめっき層２０ｂは第２の枠体２０の少なくとも接液部に設けられ、陰極室Ｃに面した表面の全体に設けられていてもよく、第２の枠体２０の表面全体に設けられていてもよい。

　一の好ましい実施形態において、第２の枠体２０は、少なくとも１つの鋼製の芯材２０ａと、該芯材の表面に設けられた上記ニッケルめっき層２０ｂとを含む。該ニッケルめっき層２０ｂは、芯材２０ａの少なくとも接液部に設けられ、芯材２０ａのうち陰極室に面した表面全体に設けられていてもよく、芯材２０ａの表面全体に設けられていてもよい。電解槽１００において、鋼製の芯材２０ａは、隔壁２１を構成する鋼製の芯材２１ａと、フランジ部２２を構成する鋼製の芯材２２ａと、支持部材２３を構成する鋼製の芯材２３ａとを含む。またニッケルめっき層２０ｂは、芯材２１ａの表面（すなわち隔壁２１の表面）に設けられたニッケルめっき層２１ｂと、芯材２２ａの表面（すなわちフランジ部２２の表面）に設けられたニッケルめっき層２２ｂと、芯材２３ａの表面（すなわち支持部材２３の表面）に設けられたニッケルめっき層２３ｂとを含む。

　一の実施形態において、このような第２の枠体２０は、隔壁２１を構成する鋼製の芯材２１ａ及びフランジ部２２を構成する鋼製の芯材２２ａにニッケルめっきを施すことにより製造することができる。隔壁２１を構成する鋼製の芯材２１ａとフランジ部２２を構成する鋼製の芯材２２ａとを含む一体の芯材にニッケルめっきを施してもよく、隔壁２１を構成する鋼製の芯材２１ａ及びフランジ部２２を構成する鋼製の芯材２２ａにそれぞれ別個にニッケルめっきを施してから両者を接合してもよい。また第２の枠体２０が支持部材２３を備える場合、隔壁２１を構成する鋼製の芯材２１ａと支持部材２３を構成する鋼製の芯材２３ａとを含み、任意的にフランジ部２２を構成する鋼製の芯材２２ａをさらに含む一体の芯材にニッケルめっきを施してもよく、支持部材２３を構成する鋼製の芯材２３ａに別個にニッケルめっきを施してから芯材２３ａとニッケルめっき層２３ｂとを備える支持部材２３を隔壁２１に接合してもよい。なお上記の通り、第２のフランジ部２２はまた第２のフランジ部２２は陰極室Ｃに陰極液を供給する陰極液供給流路（不図示）と、陰極室Ｃから陰極液および陰極で発生したガスを回収する陰極液回収流路（不図示）とを備えている。フランジ部２２が鋼製の芯材２２ａを備える場合、フランジ部２２に備えられる陰極液供給流路および陰極液回収流路の内表面にも上記ニッケルめっき層２２ｂが設けられることが好ましい。該ニッケルめっき層２２ｂはフランジ部２２に備えられる陰極液供給流路および陰極液回収流路の内表面の少なくとも接液部に設けられることが好ましく、当該内表面の全体に設けられていてもよい。

　他の一の実施形態において、このような第２の枠体２０は、隔壁２１を構成する鋼製の芯材２１ａにニッケルめっきを施した後、芯材２１ａ及びニッケルめっき層２１ｂを備える隔壁２１と非金属材料で構成されたフランジ部２２とを接合することにより製造することができる。第２の枠体２０が支持部材２３を備える場合、隔壁２１を構成する鋼製の芯材２１ａと支持部材２３を構成する鋼製の芯材２３ａとを含む一体の芯材にニッケルめっきを施してもよく、隔壁２１を構成する鋼製の芯材２１ａ及び支持部材２３を構成する鋼製の芯材２３ａにそれぞれ別個にニッケルめっきを施してから両者を接合してもよい。

　鋼製の各芯材にニッケルめっきを施すにあたっては、公知のニッケルめっき方法を採用できる。鋼製の芯材に対するニッケルめっきは電解めっきにより行ってもよく、無電解めっきにより行ってもよい。ただし、複雑な形状を有する芯材に対してもより均一な厚さを有するニッケルめっき層を形成して耐久性を高める観点、及び、めっき施工後のめっき膜強度の観点からは、無電解ニッケルめっきを好ましく採用できる。無電解ニッケルめっきは公知のプロセスにより行うことができる。例えば、鋼製の芯材に対し、酸洗処理工程、脱脂処理工程、電解脱脂処理工程、酸活性工程、無電解ニッケルめっき析出工程、及びめっき後熱処理工程を上記順に行うことにより、鋼製の芯材の表面に無電解ニッケル層を形成できる。無電解ニッケルめっき層中のリン含有量は、アルカリ条件下での耐腐食性を高める観点から、好ましくは１～１２質量％である。

　ガスケット３０としては、アルカリ水電解用の電解槽に使用可能であり、電気絶縁性を有するガスケットを特に制限なく用いることができる。図１にはガスケット３０の断面が表れている。ガスケット３０は平坦な形状を有し、隔膜４０の周縁部を挟持する一方で、第１のフランジ部１２と第２のフランジ部２２との間に挟持される。ガスケット３０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３０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）、シリコーンゴム（ＳＲ）、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）、フッ素ゴム（ＦＲ）、イソブチレン－イソプレンゴム（ＩＩＲ）、ウレタンゴム（ＵＲ）、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良い。

　隔膜４０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４０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４０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、フッ素系等のイオン交換膜を隔膜４０として用いることも可能である。

　陽極５０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５０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５０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５０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、もしくは希土類元素、また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５０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５０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５０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６０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６０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６０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めっきを施したものを好ましく採用できる。陰極６０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６０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６０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６０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。

　電解槽１００によれば、第１の枠体１０の陽極室Ａに面した表面の少なくとも接液部に厚さ４０μｍ以上のニッケルめっき層１０ｂが設けられていることにより、陽極室の酸素ガス雰囲気および酸素ガス飽和アルカリ水中での耐腐食性を長期にわたる使用に十分な水準まで安価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、陽極５０と隔膜４０との間、及び、陰極６０と隔膜４０との間に隙間がある形態の電解槽１００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、剛性の陰極６０に代えて柔軟な陰極が陰極室に備えられ、支持部材２３に保持された陰極集電体と、陰極集電体と隔膜４０との間に配置され陰極集電体に支持された導電性の弾性体と、該弾性体と隔膜４０との間に配置された柔軟な陰極とを備え、弾性体が柔軟な陰極を隔膜４０及び陽極５０に向けて押し付けることにより、柔軟な陰極と隔膜４０とが直接に接触するとともに、隔膜４０と陽極５０とが直接に接している形態の、いわゆるゼロギャップ型のアルカリ水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、単一のセルからなる形態の電解槽１００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の枠体１０によって画定される陽極室Ａ及び第２の枠体２０によって画定される陰極室Ｃの組によって構成された電解セルが複数直列に接続された形態の電解槽とすることも可能である。また例えば、第１の枠体１０のフランジ部１２は隔壁１１の反対側（図２における紙面右側）にも延在して、隔壁１１とともに隣接する電解セルの陰極室をさらに画定してもよく、また第２の枠体２０のフランジ部１２は隔壁１２の反対側（図２における紙面左側）にも延在して、隔壁２１とともに隣接する電解セルの陽極室をさらに画定してもよい。図２は、そのような他の一の実施形態に係るアルカリ水電解槽２００（以下において「電解槽２００」ということがある。）を模式的に説明する図である。図２において、図１に既に表れた要素には図１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２００は、陽極室Ａ１及び陰極室Ｃ１からなる電解セルと、陽極室Ａ２及び陰極室Ｃ２からなる電解セルとが直列に接続された構造を有するアルカリ水電解槽である。電解槽２００は、陽極端子に接続され、陽極室Ａ１を画定する第１の枠体１０と；陰極端子に接続され、陰極室Ｃ２を画定する第２の枠体２０と；第１の枠体１０と第２の枠体２０との間に配置された、少なくとも１つの第３の枠体２１０と；それぞれ複数のガスケット３０、隔膜４０、陽極５０、及び陰極６０と、を備える。隔膜４０は、第１の枠体１０と、これに隣接する第３の枠体２１０との間、第２の枠体２０と、これに隣接する第３の枠体２１０との間、及び、第３の枠体２１０が複数存在する場合には隣接する２つの第３の枠体２１０の間に配置され、それぞれガスケット３０に挟持されている。第１の枠体１０と第３の枠体２１０とによって陽極室Ａ１及び陰極室Ｃ１が画定され、第３の枠体２１０と第２の枠体２０とによって陽極室Ａ２及び陰極室Ｃ２が画定されている。陽極室Ａ１及びＡ２のそれぞれに陽極５０が配置され、陰極室Ｃ１及びＣ２のそれぞれに陰極６０が配置されている。

　第１の枠体１０及び第２の枠体２０は、それぞれ、上記説明した電解槽１００（図１）における第１の枠体１０及び第２の枠体２０と同一の構成を有する。第１の枠体１０の隔壁１１が陽極端子に接続されており、第２の枠体２０の隔壁２１が陰極端子に接続されている。また第１の枠体１０が画定する陽極室Ａ１において陽極５０は支持部材１３に保持されており、第２の枠体２０が画定する陰極室Ｃ２において陰極２０は支持部材２３に保持されている点についても上記同様である。

　第３の枠体２１０は、第１の枠体１０と第２の枠体２０とが一体となった構造を有する、複極式電解エレメントである。すなわち、第３の枠体２１０は、導電性の隔壁２１１と、隔壁２１１の外周部から第２の枠体２０側（図２の紙面左側）に延在する第１のフランジ部２１２と、隔壁２１１の外周部から第１の枠体１０側（図２の紙面右側）に延在する第２のフランジ部２２２と、を備える。第３の枠体２１０において、第１のフランジ部２１２と第２のフランジ部２２２とは一体に形成されている。第３の枠体２１０において、隔壁２１１の第１の枠体１０側（図２の紙面右側）には導電性の支持部材（第２の支持部材）２２３が隔壁２１１から突出して設けられている。支持部材２２３は陰極室Ｃ１において陰極６０を保持しており、陰極室Ｃ１に配置された陰極６０及び隔壁２１１と電気的に導通している。第３の枠体２１０において、隔壁２１１の第２の枠体２０側（図２の紙面左側）には導電性の支持部材（第１の支持部材）２１３が隔壁２１１から突出して設けられている。支持部材２１３は陽極室Ａ２において陽極５０を保持しており、陽極室Ａ２に配置された陽極５０及び第３の枠体２１０の隔壁２１１と電気的に導通している。隔壁２１１、第１の支持部材２１３、及び第２の支持部材２２３の構成は、電解槽１００（図１）に関連して上記説明した隔壁１１、第１の支持部材１３、及び第２の支持部材２３と同様である。第１のフランジ部２１２及び第２のフランジ部２２２の構成は、第１のフランジ部２１２と第２のフランジ部２２２とが一体に形成されているほかは、電解槽１００（図１）に関連して上記説明した第１のフランジ部１２及び第２のフランジ部２２と同様である。

　第３の枠体２１０は、該第３の枠体の陽極室Ａ２に面した表面（すなわち内表面）のうち少なくとも接液部（すなわち陽極液に接する部分）に設けられた、厚さ４０μｍ以上のニッケルめっき層２１０ｂを備える。第３の枠体２１０が陽極室の接液部にこのような厚いニッケルめっき層２１０ｂを備えることにより、陽極室の酸素ガス雰囲気および酸素ガス飽和アルカリ水中での耐腐食性を長期にわたる使用に十分な水準まで高めることが可能になる。陽極室の酸素ガス雰囲気および酸素ガス飽和アルカリ水中での耐腐食性をさらに高める観点からは、ニッケルめっき層２１０ｂの厚さはより好ましくは５０μｍ以上である。ニッケルめっき層の厚さの上限は特に制限されるものではないが、コストの観点から好ましくは例えば１００μｍ以下であり得る。ニッケルめっき層２１０ｂは第３の枠体２１０の陽極室Ａ２に面した表面の少なくとも接液部に設けられ、陽極室Ａ２に面した表面の全体に設けられていてもよく、第３の枠体２１０の表面全体に（すなわち、後述するニッケルめっき層２２０ｂと連続して）設けられていてもよい。

　一の好ましい実施形態において、第３の枠体２１０は、少なくとも１つの鋼製の芯材２１０ａと、該芯材の表面に設けられた上記ニッケルめっき層２１０ｂとを含む。該ニッケルめっき層２１０ｂは、芯材２１０ａの少なくとも接液部に設けられ、芯材２１０ａのうち陽極室に面した表面全体に設けられていてもよく、芯材２１０ａの表面全体に設けられていてもよい。

　第３の枠体２１０は、該第３の枠体の陰極室Ｃ１に面した表面のうち少なくとも接液部（すなわち陰極液に接する部分）に設けられた、ニッケルめっき層２２０ｂを備えることが好ましい。第３の枠体２１０が陰極室の接液部にニッケルめっき層２２０ｂを備えることにより、陰極室のアルカリ条件下での耐腐食性を十分な水準まで高めることが可能になる。陰極室のアルカリ条件下の耐腐食性をさらに高める観点からは、ニッケルめっき層２２０ｂの厚さは好ましくは２μｍ以上であり、１０μｍ以上であってもよい。ニッケルめっき層の厚さの上限は特に制限されるものではないが、コストの観点から好ましくは例えば１００μｍ以下であり得る。ニッケルめっき層２２０ｂは第３の枠体２１０の陰極室に面した表面の少なくとも接液部に設けられ、陰極室に面した表面の全体に設けられていてもよく、上記ニッケルめっき層２１０ｂと連続して設けられていてもよい。

　一の好ましい実施形態において、第３の枠体２１０は、少なくとも１つの鋼製の芯材２１０ａと、該芯材の表面に設けられた上記ニッケルめっき層２１０ｂ及び２２０ｂとを含む。ニッケルめっき層２２０ｂは、芯材２１０ａの陰極室Ｃ１に面した表面のうち少なくとも接液部に設けられ、芯材２１０ａのうち陰極室Ｃ１に面した表面全体に設けられていてもよく、上記ニッケルめっき層２１０ｂと連続して設けられていてもよい。エネルギーロスを低減する観点からは、ニッケルめっき層２２０ｂは上記ニッケルめっき層２１０ｂと連続して設けられていることが好ましい。第３の枠体２１０において、鋼製の芯材２１０ａは、隔壁２１１を構成する鋼製の芯材２１１ａと、第１のフランジ部２１２及び第２のフランジ部２２２を構成する鋼製の芯材２１２ａと、第１の支持部材２１３及び第２の支持部材２２３をそれぞれ構成する鋼製の芯材２１３ａ及び２２３ａとを含む。またニッケルめっき層２１０ｂは、芯材２１１ａの陽極室Ａ２に面した表面（すなわち隔壁２１１の陽極室Ａ２に面した表面）に設けられたニッケルめっき層２１１ｂと、芯材２１２ａの陽極室Ａ２に面した表面（すなわち第１のフランジ部２１２ｂの表面）に設けられたニッケルめっき層２１２ｂと、芯材２１３ａの表面（すなわち第１の支持部材２１３の表面）に設けられたニッケルめっき層２１３ｂとを含む。またニッケルめっき層２２０ｂは、芯材２１１ａの陰極室Ｃ１に面した表面（すなわち隔壁２１１の陰極室Ｃ１に面した表面）に設けられたニッケルめっき層２２１ｂと、芯材２１２ａの陰極室Ｃ１に面した表面（すなわち第２のフランジ部２２２の表面）に設けられたニッケルめっき層２２２ｂと、芯材２２３ａの表面（すなわち第２の支持部材２２３の表面）に設けられたニッケルめっき層２２３ｂとを含む。

　一の実施形態において、このような第３の枠体２１０は、隔壁２１１を構成する鋼製の芯材２１１ａ及びフランジ部２１２、２２２を構成する鋼製の芯材２１２ａにニッケルめっきを施すことにより製造することができる。隔壁２１１を構成する鋼製の芯材２１１ａとフランジ部２１２、２２２を構成する鋼製の芯材２１２ａとを含む一体の芯材にニッケルめっきを施してもよく、隔壁２１１を構成する鋼製の芯材２１１ａ及びフランジ部２１２、２２２を構成する鋼製の芯材２１２ａにそれぞれ別個にニッケルめっきを施してから両者を接合してもよい。また第３の枠体１０が支持部材２１３、２２３を備える場合、隔壁２１１を構成する鋼製の芯材２１１ａと支持部材２１３、２２３を構成する鋼製の芯材２１３ａ、２２３ａとを含み、任意的にフランジ部２１２、２２２を構成する鋼製の芯材２１２ａをさらに含む一体の芯材にニッケルめっきを施してもよく、支持部材２１３、２２３を構成する鋼製の芯材２１３ａ、２２３ａに別個にニッケルめっきを施してから芯材２１３ａとニッケルめっき層２１３ｂとを備える第１の支持部材２１３及び芯材２２３ａとニッケルめっき層２２３ｂとを備える第２の支持部材２２３をそれぞれ隔壁２１１に接合してもよい。

　他の一の実施形態において、このような第３の枠体２１０は、隔壁２１１を構成する鋼製の芯材２１１ａにニッケルめっきを施した後、芯材２１１ａ及びニッケルめっき層２１１ｂを備える隔壁２１１と非金属材料で構成されたフランジ部２１２、２２２とを接合することにより製造することができる。第３の枠体２１０が支持部材２１３、２２３を備える場合、隔壁２１１を構成する鋼製の芯材２１１ａと支持部材２１３、２２３を構成する鋼製の芯材２１３ａ、２２３ａとを含む一体の芯材にニッケルめっきを施してもよく、隔壁２１１を構成する鋼製の芯材２１１ａ及び支持部材２１３、２２３を構成する鋼製の芯材２１３ａ、２２３ａにそれぞれ別個にニッケルめっきを施してから両者を接合してもよい。

　なお図２には示していないが、第３の枠体２１０において、フランジ部２１２、２２２は、陽極室Ａ２に陽極液を供給する陽極液供給流路と、陽極液Ａ２から陽極液および陽極で発生したガスを回収する陽極液回収流路と、陰極室Ｃ１に陰極液を供給する陰極液供給流路と、陰極室Ｃ１から陰極液および陰極で発生したガスを回収する陰極液回収流路とを備えている。ただし、陽極液供給流路および陽極液回収流路と陰極室Ｃ１とは接続されておらず、両者の間に極液およびガスの流れはない。また陰極液供給流路および陰極液回収流路と陽極室Ａ２とは接続されておらず、両者の間に極液およびガスの流れはない。フランジ部２１２、２２２が鋼製の芯材１２ａを備える場合、フランジ部２１２、２２２に備えられる陽極液供給流路および陽極液回収流路ならびに陰極液供給流路および陰極液回収流路の内表面にも上記ニッケルめっき層２１２ｂ、２２２ｂが設けられることが好ましい。該ニッケルめっき層２１２ｂ、２２２ｂはフランジ部２１２、２２２に備えられる陽極液供給流路および陽極液回収流路ならびに陰極液供給流路および陰極液回収流路の内表面の少なくとも接液部に設けられることが好ましく、当該内表面の全体に設けられていてもよい。

　電解槽２００によれば、第１の枠体１０の陽極室Ａ１に面した表面の少なくとも接液部に厚さ４０μｍ以上のニッケルめっき層１０ｂが設けられているとともに、第３の枠体２１０の陽極室Ａ２に面した表面の少なくとも接液部に厚さ４０μｍ以上のニッケルめっき層２１０ｂが設けられていることにより、陽極室の酸素ガス雰囲気および酸素ガス飽和アルカリ水中での耐腐食性を長期にわたる使用に十分な水準まで安価に高めることが可能である。

１０　第１の枠体
２０　第２の枠体
２１０　第３の枠体
１０ａ、２０ａ、２１０ａ　（鋼製の）芯材
１０ｂ、２０ｂ、２１０ｂ、２２０ｂ　ニッケルめっき層
１１、２１、２１１　（導電性の）隔壁
１２、２１２　第１のフランジ部
２２、２２２　第２のフランジ部
１３、２１３、２３、２２３　（導電性の）支持部材
３０　ガスケット
４０　（イオン透過性の）隔膜
５０　陽極
６０　陰極
１００、２００　電解槽
Ａ、Ａ１、Ａ２　陽極室
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２　陰極室

Claims

　導電性の第１の隔壁と、該第１の隔壁の外周部に設けられた第１のフランジ部とを備え、陽極室を画定する、第１の枠体と、
　導電性の第２の隔壁と、該第２の隔壁の外周部に設けられた第２のフランジ部とを備え、陰極室を画定する、第２の枠体と、
　前記第１の枠体と前記第２の枠体との間に配置され、前記陽極室と前記陰極室とを区画する、イオン透過性の隔膜と、
　前記陽極室内部に配置され、前記第１の隔壁と電気的に接続された、陽極と、
　前記陰極室内部に配置され、前記第２の隔壁と電気的に接続された、陰極と、
を備え、
　前記第１の枠体は、該第１の枠体の前記陽極室に面した表面のうち少なくとも接液部に設けられた、厚さ４０μｍ以上のニッケルめっき層を備える、アルカリ水電解槽。
　前記第１の枠体は、
　　前記第１の隔壁から前記陽極室に突出して設けられ、前記陽極を支持する、導電性の支持部材
をさらに備える、請求項１に記載のアルカリ水電解槽。
　前記第１の枠体が、
　　少なくとも１つの鋼製の芯材と、
　　前記芯材の表面に設けられた前記ニッケルめっき層と
を含む、請求項１又は２に記載のアルカリ水電解槽。
　前記ニッケルめっき層の厚みが、５０～１００μｍである、
請求項１～３のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。