WO2021200376A1 - アルカリ水電解槽 - Google Patents

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康行 田中
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株式会社トクヤマ
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Definitions

  • the present invention relates to an electrolytic cell for alkaline water electrolysis.
  • Alkaline water electrolysis method is known as a method for producing hydrogen gas and oxygen gas.
  • hydrogen gas is generated from the cathode by electrolyzing water using a basic aqueous solution (alkaline water) in which an alkali metal hydroxide (for example, NaOH, KOH, etc.) is dissolved as an electrolytic solution.
  • an electrolytic cell for alkaline water electrolysis there is known an electrolytic cell having an anode chamber and a cathode chamber partitioned by an ion-permeable diaphragm, in which an anode is arranged in the anode chamber and a cathode is arranged in the cathode chamber.
  • an electrolytic cell having a zero gap structure zero gap type electrolytic cell in which the anode and the cathode are held so as to be in direct contact with the diaphragm has been proposed.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically illustrating a conventional zero-gap type alkaline water electrolytic cell 900 according to one embodiment.
  • the zero-gap type electrolytic cell 900 is provided between the polar chamber units 910, 910, ...
  • the electrode chamber units 910, 910, ... The arranged ion-permeable diaphragm 920, the gaskets 930 and 930 arranged between the diaphragm 920 and the flange portion 912 of the polar chamber unit 910 and sandwiching the peripheral portion of the diaphragm 920, and the partition wall 911 of one of the polar chamber units 911.
  • the conductive elastic body 960 presses the flexible cathode 970 toward the diaphragm 920 and the anode 940, so that the diaphragm 920 is sandwiched between the adjacent cathode 970 and the anode 940. ..
  • the diaphragm 920 and the anode 940 and the cathode 970 are in direct contact (ie, with a zero gap), which reduces the solution resistance between the anode 940 and the cathode 970 and thus reduces the energy loss.
  • the conductive elastic body 960 presses the flexible cathode 970 toward the diaphragm 920 and the rigid anode 940, and the rigid anode 940 is welded to the conductive rib 913.
  • the conductive rib 913 is welded to the partition wall 911.
  • the diaphragm 920 in the alkaline water electrolytic cell, an inexpensive porous membrane is usually used instead of the expensive ion exchange membrane used in the alkali metal salt electrolytic cell.
  • the diaphragm 920 which is a porous membrane, has a certain degree of permeability to gas. Therefore, from the viewpoint of increasing the purity of the hydrogen gas recovered from the cathode chamber, it is possible to maintain the pressure in the cathode chamber where the hydrogen gas is generated higher than the pressure in the anode chamber where the oxygen gas is generated to perform electrolysis. It is advantageous.
  • the diaphragm 920 When the pressure in the cathode chamber is higher than the pressure in the anode chamber, the diaphragm 920 is pushed toward the anode 940 by the pressure difference (differential pressure) between the bipolar chambers.
  • the direction in which the conductive elastic body 960 pushes the cathode 970 is between the two polar chambers. Since the differential pressure is in the same direction as the force pushing the diaphragm 920, it is possible to stably maintain the zero gap state even if the repulsive force of the conductive elastic body 960 is low. This can be said to be advantageous from the viewpoint of lengthening the renewal interval of the elastic body 960 and from the viewpoint of reducing the wear of the diaphragm 10 due to the pressure fluctuation during operation.
  • the anode 940 since oxygen gas is generated at the anode 940 of the alkaline water electrolytic cell, the anode 940 is placed under oxidative conditions in combination with the outflow of electrons from the anode 940.
  • the anode 940 usually comprises a conductive substrate and a catalyst supported on the surface of the substrate.
  • the catalyst and the conductive substrate are likely to be ionized or oxidized, so that the catalyst is likely to fall off from the electrode surface, and as a result, the anode 940 is faster than the cathode 970. It tends to reach the end of its life.
  • the anode 940 that has reached the end of its life needs to be replaced with a new anode.
  • the anode 940 In order to replace the anode 940 in the electrolytic cell 900, (1) the anode 940 is mechanically separated from the conductive rib 913 (for example, by fusing or the like), and (2) the height of the end of the conductive rib 913. (For example, by grinding or the like), it is necessary to weld (3) a new anode 940 to the conductive rib 913. Since dedicated equipment is required to perform such replacement work, it is difficult to replace the anode 940 at the site where the electrolytic cell is installed and operated.
  • the polar chamber unit 910 whose anode 940 has reached the end of its life is sent to a factory where the anode 940 can be replaced, and after the anode 940 is replaced at the factory, the polar chamber where the anode 940 replacement work is completed.
  • the unit 910 is returned from the factory to the place where the electrolytic cell is installed and operated, as it is, or with the elastic material 960 and the cathode 970 attached. In this way, in the conventional zero-gap type alkaline water electrolytic cell, the work of renewing the anode requires a high cost.
  • the rigid anode since the rigid anode is generally fixed to the conductive rib by welding or the like, it takes time and cost to replace the anode. From the viewpoint of facilitating the attachment and detachment of the anode, it is possible to use an electrolytic cell without conductive ribs, but the conductive ribs not only serve to electrically connect the electrodes and the partition wall, but also in the polar chamber. It also plays another important role in providing space for the flow of polar solutions and gases. In particular, in the zero-gap type electrolytic cell, the gas generated at the electrode cannot escape to the diaphragm side of the electrode, so that it escapes to the partition wall side of the electrode.
  • the electrode By providing a space with a certain amount of space behind the electrode (and the conductive elastic body, if any) behind the electrode (that is, on the partition side) to allow the gas generated by the electrode to escape, the electrode Since the time for the gas generated in the above to stay in the vicinity of the electrode can be shortened, the gas resistance can be reduced and the electrolytic voltage can be reduced. Therefore, providing a conductive rib in the anode chamber is also important from the viewpoint of reducing energy loss.
  • An object of the present invention is to provide a possible zero-gap type alkaline water electrolytic cell.
  • the present invention includes the following forms [1] to [9].
  • An ion-permeable diaphragm which is arranged between the anode-side frame and the cathode-side frame and separates the anode chamber from the cathode chamber,
  • a gasket that is sandwiched between the anode-side frame and the cathode-side frame and holds the peripheral edge of the diaphragm.
  • the anode which is arranged inside the anode chamber without being held by the gasket, With the cathode arranged inside the cathode chamber without being held by the gasket, A first elastic body having conductivity arranged inside the anode chamber and Including The anode is a flexible first perforated plate.
  • An alkaline water electrolytic cell in which the anode is arranged between the diaphragm and the first elastic body and is pressed toward the cathode by the first elastic body.
  • the anode chamber is With at least one first conductive rib provided so as to project from the inner wall of the anode-side frame. Including a conductive first current collector held by the first conductive rib.
  • [3] Further including a first rigid current collector having conductivity, which is arranged in contact with the anode.
  • the first rigid body current collector is arranged between the anode and the first elastic body.
  • the cathode chamber includes at least one second conductive rib provided so as to project from the inner wall of the cathode side frame.
  • the cathode is a flexible second perforated plate.
  • the cathode according to any one of [1] to [3], wherein the cathode is arranged between the diaphragm and the second elastic body and is pressed toward the anode by the second elastic body. Alkaline water electrolytic cell.
  • the cathode chamber is With at least one second conductive rib provided so as to project from the inner wall of the cathode side frame. Includes a second conductive current collector held by the second conductive rib.
  • a method of replacing the anode in the alkaline water electrolytic cell according to any one of [1] to [8]. Separating the anode side frame from the gasket and Separating the diaphragm from the anode and Removing the anode from the anode chamber and Assembling the alkaline water electrolyzer using a new anode instead of the anode, A method for replacing electrodes in an alkaline water electrolytic cell, including.
  • a zero gap structure is realized by pressing the flexible anode toward the cathode by a conductive elastic body. Therefore, according to the alkaline water electrolytic cell of the present invention, it is possible to easily replace the anode, and in particular, even when the conductive ribs are provided in the anode chamber, the anode can be easily replaced. Is possible.
  • E 1 and E 2 are intended to mean “E 1 or E 2, or combinations thereof", elements E 1, ..., E N (N is 3 for more integer) "E 1, ..., E N-1, and / or E N" notation is a means "E 1, ..., E N-1, or E N or combinations thereof," do.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an alkaline water electrolytic cell 100 (hereinafter, may be referred to as “electrolytic cell 100”) according to one embodiment.
  • the electrolytic tank 100 includes a conductive anode-side frame 51 that defines the anode chamber A; a conductive cathode-side frame 52 that defines the cathode chamber C; and an anode-side frame 51.
  • An ion-permeable diaphragm 10 that is arranged between the anode side frame 52 and separates the anode chamber A and the cathode chamber C; sandwiched between the anode side frame 51 and the cathode side frame 52, and the diaphragm 10
  • gaskets 30 and 30 (hereinafter, may be simply referred to as "gastaker 30") holding the peripheral portion; with the anode 40 arranged inside the anode chamber A without being held by the gasket 30; with the anode 30; It includes a cathode 21 that is arranged inside the cathode chamber C without being held.
  • the anode 40 is a flexible perforated plate (first perforated plate), and the cathode 21 is a rigid perforated plate (second perforated plate).
  • the electrolytic cell 100 also has at least one conductive rib (first conductive rib) 61, 61, ... (Hereinafter referred to as "conductive rib 61") provided so as to protrude from the inner wall of the anode side frame 51.
  • the anode 40 is pressed toward the cathode 21 by the elastic body 81.
  • the electrolytic cell 100 has at least one conductive rib (second conductive rib) 62, 62, ... (Hereinafter referred to as "conductive rib 62") provided so as to protrude from the inner wall of the cathode side frame 52.
  • the cathode 21 is held by the conductive rib 62.
  • the anode side frame 51 and the cathode side frame 52 known frames used in the alkaline water electrolytic cell can be used without particular limitation as long as the anode chamber A and the cathode chamber C can be defined respectively.
  • the anode-side frame 51 has a conductive partition wall 51a and a flange portion 51b that is watertightly coupled to the entire peripheral edge of the partition wall 51a.
  • the cathode side frame 52 also has a conductive partition wall 52a and a flange portion 52b that is watertightly coupled to the entire peripheral edge portion of the partition wall 52a.
  • the partition walls 51a and 52a partition adjacent electrolytic cells and electrically connect the adjacent electrolytic cells in series.
  • the flange portion 51b defines the anode chamber A together with the partition wall 51a, the diaphragm 10, and the gasket 30, and the flange portion 52b defines the cathode chamber C together with the partition wall 52a, the diaphragm 10, and the gasket 30.
  • the flange portions 51b and 52b have a shape corresponding to the gasket 30. That is, when the gasket 30 is sandwiched between the anode-side frame 51 and the cathode-side frame 52, the flange portion 51b of the anode-side frame 51 and the flange portion 52b of the cathode-side frame 52 have gaps with the gaskets 30 and 30, respectively. Contact without.
  • the flange portion 51b has an anode liquid supply flow path for supplying the anode liquid to the anode chamber A and an anode liquid recovery flow path for recovering the anode liquid and the gas generated at the anode from the anode liquid A. And have. Further, the flange portion 52b includes a cathode liquid supply flow path for supplying the cathode liquid to the cathode chamber C, and a cathode liquid recovery flow path for recovering the cathode liquid and the gas generated at the cathode from the cathode chamber C.
  • a rigid conductive material having alkali resistance can be used without particular limitation, and examples of such a material include simple substances such as nickel and iron; SUS304, SUS310, SUS310S, Stainless steels such as SUS316 and SUS316L; and metal materials obtained by subjecting them to nickel plating can be mentioned.
  • a rigid material having alkali resistance can be used without particular limitation, and examples of such a material are simple metals such as nickel and iron; SUS304, SUS310, SUS310S, SUS316. , SUS316L and other stainless steels; and nickel-plated metal materials; and non-metallic materials such as reinforced plastics.
  • the partition wall 51a and the flange portion 51b of the anode-side frame 51 may be joined by welding, adhesion, or the like, or may be integrally formed of the same material.
  • the partition wall 52a and the flange portion 52b of the cathode side frame 52 may be joined by welding, adhesion, or the like, or may be integrally formed of the same material.
  • electrolytic cell 100 electrolytic cell 100
  • the flange portion 51b of the anode side frame 51 extends to the opposite side of the partition wall 51a (on the right side of the paper surface in FIG. 2).
  • the cathode chamber of the adjacent electrolytic cell may be defined together with the partition wall 51a, and the flange portion 52b of the cathode side frame 52 extends to the opposite side of the partition wall 52a (the left side of the paper surface in FIG. 2) to form the partition wall 52a. And may demarcate the anode chamber of the adjacent electrolytic cell.
  • the diaphragm 10 a known ion-permeable diaphragm used in a zero-gap type electrolytic cell for alkaline water electrolysis can be used without particular limitation. It is desirable that the diaphragm 10 has low gas permeability, low electrical conductivity, and high strength.
  • the diaphragm 10 include a porous membrane made of asbestos and / or modified asbestos, a porous membrane made of a polysulfone polymer, a cloth made of polyphenylene sulfide fiber, a fluoroporous membrane, an inorganic material and an organic material. Examples thereof include porous diaphragms such as porous membranes using a hybrid material containing both materials. In addition to these porous diaphragms, an ion exchange membrane such as a fluorine-based ion exchange membrane can also be used as the diaphragm 10.
  • FIG. 2 shows a cross section of the gasket 30.
  • the gasket 30 has a flat shape and sandwiches the peripheral edge portion of the diaphragm 10, while sandwiching it between the flange portion 51b of the anode side frame 51 and the flange portion 52b of the cathode side frame 52.
  • the gasket 30 is preferably formed of an elastomer having alkali resistance.
  • Examples of materials for the gasket 30 include natural rubber (NR), styrene-butadiene rubber (SBR), chloroprene rubber (CR), butadiene rubber (BR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), silicone rubber (SR), and ethylene-.
  • Elastomers such as propylene rubber (EPT), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), fluororubber (FR), isobutylene-isoprene rubber (IIR), urethane rubber (UR), and chlorosulfonated polyethylene rubber (CSM) can be mentioned.
  • EPT propylene rubber
  • EPDM ethylene-propylene-diene rubber
  • FR fluororubber
  • IIR isobutylene-isoprene rubber
  • UR urethane rubber
  • CSM chlorosulfonated polyethylene rubber
  • a layer of the material having alkali resistance may be provided on the surface of the gasket material by coating or the like.
  • first conductive rib 61 and the second conductive rib 62 known conductive ribs used in the alkaline water electrolytic cell can be used without particular limitation.
  • the first conductive rib 61 is erected from the partition wall 51a of the anode side frame 51
  • the second conductive rib 62 is erected from the partition wall 52a of the cathode side frame 52. ..
  • the shape, number, and arrangement of the first conductive ribs 61 are not particularly limited as long as the first conductive ribs 61 can fix and hold the first current collector 71 to the anode-side frame 51.
  • the shape, number, and arrangement of the second conductive ribs 62 are not particularly limited as long as the second conductive ribs 62 can fix and hold the cathode 21 with respect to the cathode side frame 52.
  • a rigid conductive material having alkali resistance can be used without particular limitation, and examples of such a material include nickel and iron.
  • Single metals such as SUS304, SUS310, SUS310S, SUS316, SUS316L and the like; nickel-plated metals and the like.
  • the current collector (first current collector) 71 a known current collector used in an alkaline water electrolysis tank can be used without particular limitation, and for example, an expand made of a rigid conductive material having alkali resistance. Metal, punched metal, reticulated body and the like can be preferably adopted. Examples of the material of the current collector 71 include elemental metals such as nickel and iron; stainless steels such as SUS304, SUS310, SUS310S, SUS316, and SUS316L; and metals plated with nickel. In holding the current collector 71 on the conductive rib 61, known methods such as welding and pinning can be adopted without particular limitation.
  • the elastic body (first elastic body) 81 a known conductive elastic body used in an alkaline water electrolysis tank can be used without particular limitation, and for example, an assembly of metal wires made of a conductive material having alkali resistance.
  • An elastic mat made of a body, a coil spring, a leaf spring, or the like can be preferably adopted.
  • the material of the current collector 81 include elemental metals such as nickel and iron; stainless steels such as SUS304, SUS310, SUS310S, SUS316, and SUS316L; and metals plated with nickel.
  • known methods such as welding and pinning can be adopted without particular limitation.
  • the anode 40 is an anode for generating oxygen.
  • the anode 40 usually includes a conductive substrate and a catalyst layer that covers the surface of the substrate.
  • the catalyst layer is preferably porous.
  • As the conductive base material of the anode 40 for example, nickel iron, vanadium, molybdenum, copper, silver, manganese, platinum group element, graphite, chromium, or a combination thereof can be used.
  • a conductive base material made of nickel can be preferably used.
  • the catalyst layer contains nickel as an element.
  • the catalyst layer preferably contains nickel oxide, metallic nickel, nickel hydroxide, or a combination thereof, and may contain an alloy of nickel and one or more other metals.
  • the catalyst layer is particularly preferably made of metallic nickel.
  • the catalyst layer may further contain chromium, molybdenum, cobalt, tantalum, zirconium, aluminum, zinc, platinum group elements, rare earth elements, or a combination thereof. Rhodium, palladium, iridium, or ruthenium, or a combination thereof, may be further supported as an additional catalyst on the surface of the catalyst layer.
  • the anode 40 is a flexible perforated plate (first perforated plate).
  • the anode 40 which is a flexible perforated plate, includes a flexible conductive base material (for example, a wire mesh woven (or knitted) with a metal wire, a thin punched metal, etc.) and the catalyst layer.
  • a provided perforated plate can be used.
  • the area of one hole of the anode 40, which is a flexible perforated plate is preferably 0.05 to 2.0 mm 2 , more preferably 0.1 to 0.5 mm 2 .
  • the pore size of the anode 40, which is a flexible perforated plate is preferably 20% or more, more preferably 20 to 50%, based on the area of the current-carrying surface.
  • the bending softness of the anode 40 which is a flexible perforated plate, is preferably 0.05 mm / g or more, more preferably 0.1 to 0.8 mm / g.
  • the term "bending softness” means that one side of a square sample having a length of 10 mm and a width of 10 mm is fixed so as to be horizontal, and a constant load is applied downward to the other side facing the fixed side. It is a value obtained by dividing the bending width (mm) of the other side (tip of the sample) by the load (g). That is, bending softness is a parameter showing properties opposite to bending rigidity. Bending softness can be adjusted by the material and thickness of the perforated plate, and in the case of wire mesh, the weaving method (or knitting method) of the metal wire constituting the wire mesh.
  • the peripheral edge of the anode 40 is held by the current collector 71, the elastic body 81, and / or the flange portion 51b of the anode side frame 51.
  • welding, pinning, bolting, and folding into the current collector 71 that is, ,
  • a known method such as hooking a valley formed by folding the peripheral edge of the anode 40 to the peripheral edge of the current collector 71
  • the cathode 21 is a cathode for generating hydrogen.
  • the cathode 21 usually includes a conductive substrate and a catalyst layer that covers the surface of the substrate.
  • a conductive base material of the cathode 21 for example, nickel, nickel alloy, stainless steel, mild steel, nickel alloy, or stainless steel or mild steel whose surface is nickel-plated can be preferably adopted.
  • a coating made of a noble metal oxide, nickel, cobalt, molybdenum, or manganese, or an oxide thereof, or a noble metal oxide can be preferably adopted.
  • the cathode 21 is a rigid perforated plate.
  • a perforated plate having a rigid conductive base material (for example, expanded metal or the like) and the catalyst layer can be used.
  • known methods such as welding, pinning, and bolting can be adopted without particular limitation.
  • the anode 40 is arranged between the diaphragm 10 and the first elastic body 81, and is pressed toward the cathode 21 by the first elastic body 81 to realize a zero gap structure. ..
  • the electrolytic cell 100 in the work of replacing the anode 40 that has reached the end of its life with a new anode 40, (1) the anode side frame 51 is separated from the gasket 30; (2) the diaphragm 10 is separated from the anode 40. (3) Removing the anode 40 from the anode chamber A; (4) assembling the electrolytic cell 100 using a new anode 40 in place of the removed anode 40.
  • the removal of the anode 40 in the above (3) and the assembly of the new anode 40 in the above (4) are easy. Further, since the position of the anode 40 is automatically adjusted by the first elastic body 81 in the assembled electrolytic cell 100, complicated work such as in the conventional zero gap type alkaline water electrolytic cell is performed when assembling the new anode 40. (For example, the work of aligning the heights of the ends of the conductive ribs 913 by grinding or the like (see FIG. 1)) is unnecessary. Therefore, according to the electrolytic cell 100, the anode 40 can be easily replaced.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating an alkaline water electrolytic cell 200 (hereinafter, may be referred to as “electrolytic cell 200”) according to another embodiment.
  • electrolytic cell 200 an alkaline water electrolytic cell 200
  • the electrolytic tank 200 includes a conductive anode-side frame 51 that defines the anode chamber A; a conductive cathode-side frame 52 that defines the cathode chamber C; and an anode-side frame 51.
  • An ion-permeable diaphragm 10 that is arranged between the anode side frame 52 and separates the anode chamber A and the cathode chamber C; sandwiched between the anode side frame 51 and the cathode side frame 52, and the diaphragm 10 With the anodes 30 and 30 holding the peripheral edge; placed inside the anode chamber A without being held by the gasket 30, and with the anode 40; placed inside the cathode chamber C without being held by the gasket 30. It includes a cathode 20 and.
  • the anode 40 is a flexible first perforated plate
  • the cathode 20 is a flexible second perforated plate.
  • the electrolytic cell 200 also has at least one conductive rib (first conductive rib) 61 provided so as to protrude from the inner wall of the anode side frame 51, and a current collector (first) held by the conductive rib 61.
  • the current collector (1) 71 and the conductive elastic body (first elastic body) 81 held by the current collector 71 are provided, and the anode 40 is pressed toward the cathode 20 by the elastic body 81.
  • the electrolytic cell 200 also has a conductive rib (second conductive rib) 62 provided so as to protrude from the inner wall of the cathode side frame 52, and a current collector (second collector) held by the conductive rib 62.
  • the electric body) 72 and the conductive elastic body (second elastic body) 82 held by the current collector 72 are provided, and the cathode 20 is pressed toward the anode 40 by the elastic body 82. ..
  • the second conductive rib 62 the same conductive rib as the second conductive rib 62 described above in relation to the electrolytic cell 100 (FIG. 2) can be used.
  • the second conductive rib 62 is erected from the partition wall 52a of the cathode side frame.
  • the shape, number, and arrangement of the second conductive ribs 62 are not particularly limited as long as the second conductive ribs 62 can fix and hold the second current collector 72 to the cathode side frame 52.
  • the peripheral edge of the anode 40 is held by the current collector 71, the elastic body 81, and / or the flange portion 51b of the anode side frame 51.
  • welding, pinning, bolting, and folding into the current collector 71 that is, , A known method such as hooking a valley formed by folding the peripheral edge of the anode 40 to the peripheral edge of the current collector 71
  • a known method such as hooking a valley formed by folding the peripheral edge of the anode 40 to the peripheral edge of the current collector 71
  • the cathode 20 differs from the cathode 21 (see FIG. 2) in that it is a flexible perforated plate (second perforated plate).
  • the cathode 20, which is a flexible perforated plate includes a flexible conductive base material (for example, a wire mesh woven (or knitted) with a metal wire, a thin punched metal, etc.) and the catalyst layer.
  • a provided perforated plate can be used.
  • the area of one hole of the cathode 20 which is a flexible perforated plate is preferably 0.05 to 2.0 mm 2 , more preferably 0.1 to 0.5 mm 2 .
  • the pore size of the cathode 20, which is a flexible perforated plate is preferably 20% or more, more preferably 20 to 50%, based on the area of the current-carrying surface.
  • the bending softness of the cathode 20, which is a flexible perforated plate is preferably 0.05 mm / g or more, more preferably 0.1 to 0.8 mm / g.
  • the peripheral edge of the cathode 20 is held by the current collector 72, the elastic body 82, and / or the flange portion 52b of the cathode side frame 52.
  • welding, pinning, bolting, and folding into the current collector 72 that is, ,
  • a known method such as hooking a valley formed by folding the peripheral edge of the cathode 20 to the peripheral edge of the current collector 72
  • the current collector (second current collector) 72 a known current collector used in an alkaline water electrolytic cell can be used without particular limitation, and for example, an expand made of a rigid conductive material having alkali resistance. Metal, punched metal and the like can be preferably adopted. Examples of the material of the current collector 72 include elemental metals such as nickel and iron; stainless steels such as SUS304, SUS310, SUS310S, SUS316, and SUS316L; and metals plated with nickel. In holding the current collector 72 on the conductive rib 62, a known method such as welding or pinning can be adopted without particular limitation.
  • the elastic body (second elastic body) 82 a known conductive elastic body used in an alkaline water electrolysis tank can be used without particular limitation, and for example, an assembly of metal wires made of a conductive material having alkali resistance.
  • An elastic mat made of a body, a coil spring, a leaf spring, or the like can be preferably adopted.
  • the material of the elastic body 82 include elemental metals such as nickel and iron; stainless steels such as SUS304, SUS310, SUS310S, SUS316, and SUS316L; and metals plated with nickel.
  • known methods such as welding, pinning, and bolting can be adopted without particular limitation.
  • the anode 40 is arranged between the diaphragm 10 and the first elastic body 81, and is pressed toward the cathode 20 by the first elastic body 81, and the cathode 20 is pressed against the diaphragm 10 and the second elastic body 81.
  • a zero gap structure is realized by being arranged between the elastic body 82 and being pressed toward the anode 40 by the second elastic body 82.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating an alkaline water electrolytic cell 300 (hereinafter, may be referred to as “electrolytic cell 300”) according to another embodiment.
  • electrolytic cell 300 an alkaline water electrolytic cell 300
  • the electrolytic tank 300 includes a conductive anode-side frame 51 that defines the anode chamber A; a conductive cathode-side frame 52 that defines the cathode chamber C; and an anode-side frame 51.
  • An ion-permeable diaphragm 10 that is arranged between the anode side frame 52 and separates the anode chamber A and the cathode chamber C; sandwiched between the anode side frame 51 and the cathode side frame 52, and the diaphragm 10 With the anodes 30 and 30 holding the peripheral edge; placed inside the anode chamber A without being held by the gasket 30, and with the anode 40; placed inside the cathode chamber C without being held by the gasket 30. It includes a cathode 20 and.
  • the anode 40 is a flexible first perforated plate
  • the cathode 20 is a flexible second perforated plate.
  • the electrolytic cell 300 also has at least one conductive rib (first conductive rib) 61 provided so as to protrude from the inner wall of the anode side frame 51, and a current collector (first) held by the conductive rib 61. 1) 71, the conductive elastic body (first elastic body) 81 held by the current collector 71, and the conductivity arranged between the elastic body 81 and the anode 40. The anode 40 is pressed against the cathode 20 by the elastic body 81 via the rigid current collector 91.
  • the rigid body collector 91 is arranged so that the anode 40 is sandwiched between the rigid body collector 91 and the diaphragm 10, and the anode 40 is supported by the rigid body collector 91.
  • the electrolytic cell 300 also has at least one conductive rib (second conductive rib) 62 provided so as to protrude from the inner wall of the cathode side frame 52, and a current collector (first) held by the conductive rib 62.
  • the current collector (2) 72 and the conductive elastic body (second elastic body) 82 held by the current collector 72 are provided, and the cathode 20 is pressed toward the anode 40 by the elastic body 82. Has been done.
  • a rigid current collector having conductivity can be used, and for example, an expanded metal, a punched metal, or the like made of a rigid conductive material having alkali resistance can be preferably adopted.
  • the material of the rigid current collector 91 include elemental metals such as nickel and iron; stainless steels such as SUS304, SUS310, SUS310S, SUS316, and SUS316L; and metals plated with nickel.
  • the rigid current collector 91 may or may not be held by the elastic body 81. When the rigid current collector 91 is held by the elastic body 81, known means such as welding, pinning, and bolting can be adopted without particular limitation.
  • the peripheral edge of the anode 40 is held by the rigid body collector 91, the current collector 71, the elastic body 81, and / or the flange portion 51b of the anode side frame 51, preferably the rigid body collector 91. Is held in. In holding the peripheral edge of the anode 40 on the flange portion 51b of the rigid current collector 91, the current collector 71, the elastic body 81, and / or the anode side frame 51, welding, pinning, bolting, and rigid current collection are performed.
  • the peripheral edge of the cathode 20 is held by the current collector 72, the elastic body 82, and / or the flange portion 52b of the cathode side frame 52.
  • welding, pinning, bolting, and folding into the current collector 72 that is, ,
  • a known method such as hooking a valley formed by folding the peripheral edge of the cathode 20 to the peripheral edge of the current collector 72
  • the diaphragm 10, the anode 40, the rigid current collector 91, and the first elastic body 81 are arranged in this order (that is, the anode 40 is arranged between the diaphragm 10 and the first elastic body 81).
  • the rigid current collector 91 is arranged between the anode 40 and the first elastic body 81), and the anode 40 is directed by the first elastic body 81 toward the cathode 20 via the rigid current collector 91 (that is, the diaphragm).
  • the diaphragm 10, the cathode 20, and the second elastic body 82 are arranged in this order (ie, the cathode 20 is placed between the diaphragm 10 and the second elastic body 82), and the cathode.
  • the zero gap structure is realized by pressing the 20 toward the anode 40 (that is, toward the diaphragm 10) by the second elastic body 82.
  • the electrolytic cell 300 in the work of replacing the anode 40 that has reached the end of its life with a new anode 40, (1) the anode side frame 51 is separated from the gasket 30; (2) the diaphragm 10 is separated from the anode 40.
  • the positions of the anode 40 and the cathode 20 are automatically adjusted by the first elastic body 81 and the second elastic body 82, so that the conventional zero gap type is used when assembling the new anode 40.
  • There is no need for complicated work for example, work of aligning the heights of the ends of the conductive ribs 913 by grinding or the like (see FIG. 1)) as in an alkaline water electrolytic cell. Therefore, even in the electrolytic cell 300, the anode 40 can be easily replaced.
  • the electrolytic cell 300 is provided with the rigid current collector 91 between the anode 40 and the first elastic body 81, the pressure at which the anode 40 and the cathode 20 are pressed toward the diaphragm 10 is more evenly applied over the entire surface of both electrodes. Therefore, it becomes possible to make the current density more uniform. Further, since the electrolytic cell 300 is provided with the rigid current collector 91 between the anode 40 and the first elastic body 81, it is possible to reduce the deformation and wear of the diaphragm 10 due to the pressure fluctuation in the polar chamber.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating an alkaline water electrolytic cell 400 (hereinafter, may be referred to as “electrolytic cell 400”) according to another embodiment.
  • electrolytic cell 400 an alkaline water electrolytic cell 400
  • the electrolytic tank 400 includes a conductive anode-side frame 51 that defines the anode chamber A; a conductive cathode-side frame 52 that defines the cathode chamber C; and an anode-side frame 51.
  • An ion-permeable diaphragm 10 that is arranged between the anode side frame 52 and separates the anode chamber A and the cathode chamber C; sandwiched between the anode side frame 51 and the cathode side frame 52, and the diaphragm 10 With the anodes 30 and 30 holding the peripheral edge; placed inside the anode chamber A without being held by the gasket 30, and with the anode 40; placed inside the cathode chamber C without being held by the gasket 30. It includes a cathode 20 and.
  • the anode 40 is a flexible first perforated plate.
  • the cathode 20 may be a rigid perforated plate or a flexible perforated plate (second perforated plate), but is preferably a flexible perforated plate.
  • the electrolytic cell 400 includes at least one conductive rib (first conductive rib) 61 provided so as to protrude from the inner wall of the anode-side frame 51, and a current collector (first) held by the conductive rib 61. 71, and an elastic body (first elastic body) 81 having conductivity held by the current collector 71, and the anode 40 is pressed toward the cathode 20 by the elastic body 81. ing.
  • the electrolytic cell 400 also has at least one conductive rib (second conductive rib) 62 provided so as to protrude from the inner wall of the cathode side frame 52, and a current collector (first) held by the conductive rib 62.
  • the cathode 20 is provided with a rigid current collector 91, and the cathode 20 is pressed toward the anode 40 by the elastic body 82 via the rigid current collector 91.
  • the rigid body collector 91 is arranged so that the cathode 20 is sandwiched between the rigid body collector 91 and the diaphragm 10, and the cathode 20 is supported by the rigid body collector 91. There is.
  • the peripheral edge of the anode 40 is held by the current collector 71, the elastic body 81, and / or the flange portion 51b of the anode side frame 51.
  • welding, pinning, bolting, and folding into the current collector 71 that is, , A known method such as hooking a valley formed by folding the peripheral edge of the anode 40 to the peripheral edge of the current collector 71
  • a known method such as hooking a valley formed by folding the peripheral edge of the anode 40 to the peripheral edge of the current collector 71
  • the peripheral edge of the cathode 20 is held by the rigid body collector 91, the current collector 72, the elastic body 82, and / or the flange portion 52b of the cathode side frame 52, preferably the rigid body collector 91. Is held in. In holding the peripheral edge of the cathode 20 to the flange portion 52b of the rigid current collector 91, the current collector 72, the elastic body 82, and / or the cathode side frame 52, welding, pinning, bolting, and rigid current collection are performed.
  • the diaphragm 10, the anode 40, and the first elastic body 81 are arranged in this order (that is, the anode 40 is arranged between the diaphragm 10 and the first elastic body 81), and the anode 40 is the first.
  • the elastic body 81 of 1 is pressed toward the cathode 20 (that is, toward the anode 10), and the diaphragm 10, the cathode 20, the rigid current collector 91, and the second elastic body 82 are arranged in this order (that is, the cathode).
  • the cathode 20 is the second elastic body 82.
  • the zero gap structure is realized by being pressed toward the anode 40 (that is, toward the diaphragm 10) via the rigid current collector 91.
  • the electrolytic cell 400 in the work of replacing the anode 40 that has reached the end of its life with a new anode 40, (1) the anode side frame 51 is separated from the gasket 30; (2) the diaphragm 10 is separated from the anode 40.
  • the electrolytic cell 400 is provided with a rigid current collector 91 between the cathode 20 and the second elastic body 82, the pressure at which the anode 40 and the cathode 20 are pressed toward the diaphragm 10 is more evenly applied over the entire surface of both electrodes. Therefore, it becomes possible to make the current density more uniform. Further, since the electrolytic cell 400 is provided with the rigid current collector 91 between the cathode 20 and the second elastic body 82, it is possible to reduce the deformation and wear of the diaphragm 10 due to the pressure fluctuation in the polar chamber.
  • alkaline water electrolytic cells 100 to 400 having a form in which the anode chamber is provided with the conductive rib 61 and the cathode chamber is provided with the conductive rib 62 are given as an example, but the present invention is not limited to this form. ..
  • an alkaline water electrolytic cell in which only one of the anode chamber and the cathode chamber is provided with conductive ribs or an alkaline water electrolytic cell in which neither the anode chamber nor the cathode chamber is provided with conductive ribs. Is also possible.
  • the electrolytic tank 500 includes a conductive anode-side frame 51 that defines the anode chamber A; a conductive cathode-side frame 52 that defines the cathode chamber C; and an anode-side frame 51.
  • An ion-permeable diaphragm 10 that is arranged between the anode side frame 52 and separates the anode chamber A and the cathode chamber C; sandwiched between the anode side frame 51 and the cathode side frame 52, and the diaphragm 10 With the anodes 30 and 30 holding the peripheral edge; placed inside the anode chamber A without being held by the gasket 30, and with the anode 40; placed inside the cathode chamber C without being held by the gasket 30. It includes a cathode 20 and.
  • the anode 40 is a flexible first perforated plate.
  • the cathode 20 may be a flexible second perforated plate or a rigid perforated plate, but is preferably a rigid perforated plate.
  • the electrolytic cell 500 is a conductive elastic body (first elastic body) arranged between the conductive partition wall 51a of the anode side frame 51 and the anode 40 so as to be in direct contact with the partition wall 51a and the anode 40.
  • the body) 81 is provided, and the anode 40 is pressed toward the cathode 20 by the elastic body 81.
  • the electrolytic cell 500 is also an elastic body having conductivity (second) arranged between the conductive partition wall 52a of the cathode side frame 52 and the cathode 20 so as to be in direct contact with the partition wall 52a and the cathode 20.
  • the elastic body) 82 is provided, and the cathode 20 is pressed toward the anode 40 by the elastic body 82.
  • the peripheral edge of the anode 40 is held by the elastic body 81 and / or the anode side frame 51.
  • known methods such as welding, pinning, and bolting can be adopted without particular limitation.
  • the peripheral edge of the cathode 20 is held by the elastic body 82 and / or the cathode side frame 52.
  • known methods such as welding, pinning, and bolting can be adopted without particular limitation.
  • the anode 40 is arranged between the diaphragm 10 and the first elastic body 81, and is pressed toward the cathode 20 by the first elastic body 81, and the cathode 20 is pressed against the diaphragm 10 and the second elastic body 81.
  • a zero gap structure is realized by being arranged between the elastic body 82 and being pressed toward the anode 40 by the second elastic body 82.
  • the anode 40 can be easily replaced.
  • the thickness of each electrolytic cell can be reduced, and therefore the electrolytic cell can be miniaturized to occupy the occupied site. It is possible to increase the amount of gas produced per area. Further, since one or both of the anode chamber and the cathode chamber do not have the conductive ribs, it is possible to reduce the man-hours required for manufacturing the material constituting the electrolytic cell and the electrolytic cell.

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Abstract

陽極室を画定する、陽極側枠体と、陰極室を画定する、陰極側枠体と、陽極側枠体と陰極側枠体との間に配置され、陽極室と陰極室とを区分する、イオン透過性の隔膜と、陽極側枠体および陰極側枠体に挟持され、隔膜の周縁部を保持する、ガスケットと、ガスケットに保持されることなく陽極室内部に配置された、陽極と、ガスケットに保持されることなく陰極室内部に配置された、陰極と、陽極室内部に配置された、導電性を有する第１の弾性体と、を含み、陽極は、可撓性を有する第１の多孔板であり、陽極は、隔膜と第１の弾性体との間に配置され、第１の弾性体によって陰極へ向けて押し付けられている、アルカリ水電解槽。

Description

アルカリ水電解槽
　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。さらに、エネルギーロスを低減するために、陽極および陰極が、それぞれ隔膜に直接に接触するように保持される、ゼロギャップ構造を有する電解槽（ゼロギャップ型電解槽）が提案されている。
特開２００１－２６２３８７号公報 特開２０１３－１０４０９０号公報 特開２０１３－１０８１５０号公報 国際公開２０１８／１３９６１６号 特開２０１５－１１７４０７号公報 国際公開２０１３／１９１１４０号 特許第４４５３９７３号公報 特許第６０９３３５１号公報 特開２０１５－１１７４１７号公報 国際公開２０１９／１１１８３２号
　図１は、一の実施形態に係る従来のゼロギャップ型アルカリ水電解槽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を備える極室ユニット９１０、９１０、…と、隣接する極室ユニット９１０、９１０の間に配置されたイオン透過性の隔膜９２０と、隔膜９２０と極室ユニット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リブ９１３、９１３、…に保持された剛性の陽極９４０と、他方の極室ユニットの隔壁９１１から立設された導電性リブ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。ゼロギャップ型電解槽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。その結果、隔膜９２０と陽極９４０及び陰極９７０とが直接に接触する（すなわちゼロギャップである）ので、陽極９４０と陰極９７０との間の溶液抵抗が低減され、したがってエネルギーロスが低減される。
　従来のゼロギャップ型アルカリ水電解槽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及び剛性の陽極９４０に向けて押し付けており、剛性の陽極９４０は導電性リブ９１３に溶接されるとともに、導電性リブ９１３は隔壁９１１に溶接されている。この構造は、水素ガスが発生する陰極室側の圧力を、酸素ガスが発生する陽極室側の圧力よりも高く維持することが多いアルカリ水電解プロセスにおいては合理的といえる。すなわち、アルカリ水電解槽におけるイオン透過性の隔膜９２０としては、アルカリ金属塩の電解槽において用いられる高価なイオン交換膜に代えて、安価な多孔質膜が通常用いられる。イオン交換膜とは異なり、多孔質膜である隔膜９２０はガスに対してもある程度の透過性を有する。このため、陰極室から回収される水素ガスの純度を高める観点からは、水素ガスが発生する陰極室内の圧力を、酸素ガスが発生する陽極室内の圧力よりも高く維持して電解を行うことが有利である。陰極室内の圧力が陽極室内の圧力よりも高いとき、隔膜９２０は両極室間の圧力差（差圧）によって陽極９４０に向けて押されることになる。上記アルカリ水電解槽９００におけるように、導電性の弾性体９６０が柔軟な陰極９７０を剛性の陽極９４０に向けて押す構造においては、導電性の弾性体９６０が陰極９７０を押す方向は両極室間の差圧が隔膜９２０を押す力と同じ向きであるので、導電性の弾性体９６０の反発力が低くても安定的にゼロギャップ状態を維持することが可能である。このことは、弾性体９６０の更新間隔を長くとる観点、及び、運転中の圧力変動に起因する隔膜１０の摩耗を低減する観点からも有利であるといえる。
　しかしながら、アルカリ水電解槽の陽極９４０においては酸素ガスが発生するため、陽極９４０から電子が流出することと相まって陽極９４０は酸化的条件下に置かれることになる。陽極９４０は通常、導電性の基材と、該基材の表面に担持された触媒とを備える。上記のように酸化的条件下に置かれる陽極９４０においては、触媒や導電性基材のイオン化又は酸化が起こりやすいので、触媒が電極表面から脱落しやすく、その結果陽極９４０は陰極９７０よりも早く寿命を迎える傾向にある。寿命を迎えた陽極９４０は新たな陽極に置き換える必要がある。電解槽９００において陽極９４０を交換するためには、（１）陽極９４０を導電性リブ９１３から（例えば、溶断等により）機械的に分離し、（２）導電性リブ９１３の端部の高さを（例えば研削等により）揃える調整を行った後、（３）新たな陽極９４０を導電性リブ９１３に溶接する必要がある。このような交換作業を行うには専用の設備が必要であるので、電解槽を設置および運用している現地で陽極９４０の交換作業を行うことは困難である。したがって陽極９４０が寿命を迎えた極室ユニット９１０は陽極９４０の交換作業が可能な工場に送付され、当該工場で陽極９４０の交換作業が行われた後、陽極９４０の交換作業を終えた極室ユニット９１０が、そのままの状態で、又はさらに弾性材９６０及び陰極９７０が取り付けられた状態で、工場から電解槽の設置運用地に返送される。このようにして従来のゼロギャップ型アルカリ水電解槽においては、陽極の更新作業に高額な費用を要していた。
　このように、剛性の陽極は一般に導電性リブに溶接等により固定されているので、陽極の交換には手間および費用を要する。陽極の脱着を容易にする観点からは、導電性リブを備えない電解槽とすることも可能ではあるが、導電性リブは電極と隔壁とを電気的に接続する役割だけでなく、極室内で極液およびガスが流通するための空間を確保するという別の重要な役割も果たしている。特にゼロギャップ型電解槽においては、電極で発生したガスは電極の隔膜側に逃げることができないので、電極の隔壁側に逃げることになる。電極で発生したガスを逃がすことのできる、ある程度の広さを持った空間が、電極（及び、もしあれば導電性の弾性体）の背後（すなわち隔壁側）に設けられていることにより、電極で発生したガスが電極近傍に滞留する時間を短縮できるので、ガス抵抗を低減して電解電圧を低減することが可能になる。したがって陽極室に導電性リブを設けることは、エネルギーロスを低減する観点からも重要である。
　本発明は、陽極の交換を容易に行うことが可能なゼロギャップ型アルカリ水電解槽、特に、陽極室内に導電性リブが設けられている場合であっても陽極の交換を容易に行うことが可能なゼロギャップ型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］～［９］の形態を包含する。
［１］　陽極室を画定する、陽極側枠体と、
　陰極室を画定する、陰極側枠体と、
　前記陽極側枠体と前記陰極側枠体との間に配置され、前記陽極室と前記陰極室とを区分する、イオン透過性の隔膜と、
　前記陽極側枠体および前記陰極側枠体に挟持され、前記隔膜の周縁部を保持する、ガスケットと、
　前記ガスケットに保持されることなく前記陽極室内部に配置された、陽極と、
　前記ガスケットに保持されることなく前記陰極室内部に配置された、陰極と、
　前記陽極室内部に配置された、導電性を有する第１の弾性体と、
を含み、
　前記陽極は、可撓性を有する第１の多孔板であり、
　前記陽極は、前記隔膜と前記第１の弾性体との間に配置され、前記第１の弾性体によって前記陰極へ向けて押し付けられている、アルカリ水電解槽。
［２］　前記陽極室は、
　　前記陽極側枠体の内壁から突出して設けられた、少なくとも１つの第１の導電性リブと、
　　前記第１の導電性リブに保持された、導電性の第１の集電体と
を含み、
　前記第１の弾性体は、前記第１の集電体に支持されている、［１］に記載のアルカリ水電解槽。
［３］　前記陽極に接して配置された、導電性を有する第１の剛体集電体をさらに含み、
　前記第１の剛体集電体は、前記陽極と前記第１の弾性体との間に配置され、
　前記陽極は、前記第１の剛体集電体によって支持されている、［１］又は［２］に記載のアルカリ水電解槽。
［４］　前記陰極は、剛体多孔板である、［１］～［３］のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。
［５］　前記陰極室は、前記陰極側枠体の内壁から突出して設けられた、少なくとも１つの第２の導電性リブを含み、
　前記陰極は、前記第２の導電性リブに保持されている、［４］に記載のアルカリ水電解槽。
［６］　前記陰極室内部に配置された、導電性を有する第２の弾性体をさらに含み、
　前記陰極は、可撓性を有する第２の多孔板であり、
　前記陰極は、前記隔膜と前記第２の弾性体との間に配置され、前記第２の弾性体によって前記陽極へ向けて押し付けられている、［１］～［３］のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。
［７］　前記陰極室は、
　　前記陰極側枠体の内壁から突出して設けられた、少なくとも１つの第２の導電性リブと、
　　前記第２の導電性リブに保持された、導電性の第２の集電体と
を含み、
　前記第２の弾性体は、前記第２の集電体に支持されている、［６］に記載のアルカリ水電解槽。
［８］　前記陰極に接して配置された、導電性を有する第２の剛体集電体をさらに含み、
　前記第２の剛体集電体は、前記陰極と前記第２の弾性体との間に配置され、
　前記陰極は、前記第２の剛体集電体によって支持されている、［６］又は［７］に記載のアルカリ水電解槽。
［９］　［１］～［８］のいずれかに記載のアルカリ水電解槽において前記陽極を交換する方法であって、
　前記陽極側枠体を前記ガスケットから分離することと、
　前記隔膜を前記陽極から分離することと、
　前記陽極を前記陽極室から取り外すことと、
　前記陽極に代えて新たな陽極を用いて前記アルカリ水電解槽を組み立てることと、
を含む、アルカリ水電解槽の電極交換方法。
　本発明のアルカリ水電解槽によれば、可撓性を有する陽極が、導電性の弾性体によって陰極へ向けて押し付けられることによりゼロギャップ構造が実現されている。したがって本発明のアルカリ水電解槽によれば、陽極の交換を容易に行うことが可能であり、特に陽極室内に導電性リブが設けられている場合であっても陽極の交換を容易に行うことが可能である。
一の実施形態に係る従来のゼロギャップ型電解槽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アルカリ水電解槽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アルカリ水電解槽２００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アルカリ水電解槽３００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アルカリ水電解槽４００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アルカリ水電解槽５００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。また要素Ｅ１及びＥ２について「Ｅ１及び／又はＥ２」という表記は「Ｅ１若しくはＥ２、又はそれらの組み合わせ」を意味するものとし、要素Ｅ１、…、ＥＮ（Ｎは３以上の整数）について「Ｅ１、…、ＥＮ－１、及び／又はＥＮ」という表記は「Ｅ１、…、ＥＮ－１、若しくはＥＮ、又はそれらの組み合わせ」を意味するものとする。
　図２は、一の実施形態に係るアルカリ水電解槽１００（以下において「電解槽１００」ということがある。）を模式的に説明する断面図である。図２に示すように、電解槽１００は、陽極室Ａを画定する導電性の陽極側枠体５１と；陰極室Ｃを画定する導電性の陰極側枠体５２と；陽極側枠体５１と陰極側枠体５２との間に配置され、陽極室Ａと陰極室Ｃとを区分する、イオン透過性の隔膜１０と；陽極側枠体５１および陰極側枠体５２に挟持され、隔膜１０の周縁部を保持する、ガスケット３０、３０（以下において単に「ガスケット３０」ということがある。）と；ガスケット３０に保持されることなく陽極室Ａ内部に配置された、陽極４０と；ガスケット３０に保持されることなく陰極室Ｃ内部に配置された、陰極２１と、を備えている。電解槽１００において、陽極４０は可撓性を有する多孔板（第１の多孔板）であり、陰極２１は剛体多孔板（第２の多孔板）である。電解槽１００はまた、陽極側枠体５１の内壁から突き出すように設けられた少なくとも１つの導電性リブ（第１の導電性リブ）６１、６１、…（以下において「導電性リブ６１」ということがある。）と、導電性リブ６１に保持された集電体（第１の集電体）７１と、集電体７１に保持された導電性を有する弾性体（第１の弾性体）８１とを備えており、陽極４０は弾性体８１によって陰極２１へ向けて押し付けられている。電解槽１００は、陰極側枠体５２の内壁から突き出すように設けられた少なくとも１つの導電性リブ（第２の導電性リブ）６２、６２、…（以下において「導電性リブ６２」ということがある。）をさらに備え、陰極２１は導電性リブ６２に保持されている。
　陽極側枠体５１及び陰極側枠体５２としては、陽極室Ａおよび陰極室Ｃをそれぞれ画定できる限りにおいて、アルカリ水電解槽に用いられる公知の枠体を特に制限なく用いることができる。陽極側枠体５１は、導電性の隔壁５１ａと、隔壁５１ａの全周縁部と水密に結合されたフランジ部５１ｂとを有する。同様に陰極側枠体５２も、導電性の隔壁５２ａと、隔壁５２ａの全周縁部と水密に結合されたフランジ部５２ｂとを有する。隔壁５１ａ、５２ａ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。フランジ部５１ｂは、隔壁５１ａ、隔膜１０、及びガスケット３０とともに陽極室Ａを画定し、フランジ部５２ｂは、隔壁５２ａ、隔膜１０、及びガスケット３０とともに陰極室Ｃを画定する。フランジ部５１ｂ、５２ｂは、ガスケット３０に対応する形状を有している。すなわち、陽極側枠体５１と陰極側枠体５２とでガスケット３０を挟持したときに、陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂ及び陰極側枠体５２のフランジ部５２ｂはそれぞれガスケット３０、３０と隙間なく接触する。なお図２には示していないが、フランジ部５１ｂ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。またフランジ部５２ｂ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。隔壁５１ａ、５２ａ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、そのような材料の例としては、ニッケル、鉄等の単体金属；ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼；及び、これらにニッケルめっきを施した金属材料を挙げることができる。フランジ部５１ｂ、５２ｂの材質としては、アルカリ耐性を有する剛性の材料を特に制限なく用いることができ、そのような材料の例としては、ニッケル、鉄等の単体金属；ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼；及び、これらにニッケルめっきを施した金属材料；並びに、強化プラスチック等の非金属材料を挙げることができる。陽極側枠体５１の隔壁５１ａとフランジ部５１ｂ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。同様に陰極側枠体５２の隔壁５２ａとフランジ部５２ｂ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。また図２には単一の電解セル（電解槽１００）のみを示しているが、陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂは隔壁５１ａの反対側（図２における紙面右側）にも延在して、隔壁５１ａとともに隣接する電解セルの陰極室を画定してもよく、また陰極側枠体５２のフランジ部５２ｂは隔壁５２ａの反対側（図２における紙面左側）にも延在して、隔壁５２ａとともに隣接する電解セルの陽極室を画定してもよい。
　隔膜１０としては、アルカリ水電解用のゼロギャップ型電解槽に用いられる公知の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、アスベスト及び／又は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２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１０の周縁部を挟持する一方で、陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂ及び陰極側枠体５２のフランジ部５２ｂ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。
　第１の導電性リブ６１及び第２の導電性リブ６２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１００において、第１の導電性リブ６１は陽極側枠体５１の隔壁５１ａから立設されており、第２の導電性リブ６２は陰極側枠体５２の隔壁５２ａから立設されている。第１の導電性リブ６１が第１の集電体７１を陽極側枠体５１に対して固定および保持できる限りにおいて、第１の導電性リブ６１の形状、数、及び配置は特に制限されない。また第２の導電性リブ６２が陰極２１を陰極側枠体５２に対して固定および保持できる限りにおいて、第２の導電性リブの６２の形状、数、及び配置も特に制限されない。第１の導電性リブ６１及び第２の導電性リブ６２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、そのような材料の例としては、ニッケル、鉄等の単体金属；ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼；これらにニッケルめっきを施した金属、等の材料を挙げることができる。
　集電体（第１の集電体）７１としては、アルカリ水電解槽において用いられる公知の集電体を特に制限なく用いることができ、例えば耐アルカリ性を有する剛性の導電性材料からなる、エキスパンドメタル、パンチドメタル、網状体等を好ましく採用できる。集電体７１の材料の例としては、ニッケル、鉄等の単体金属；ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼；これらにニッケルめっきを施した金属、等を挙げることができる。集電体７１を導電性リブ６１に保持するにあたっては、溶接やピン止め等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　弾性体（第１の弾性体）８１としては、アルカリ水電解槽において用いられる公知の導電性弾性体を特に制限なく用いることができ、例えば耐アルカリ性を有する導電性材料からなる、金属線の集合体からなる弾性マット、コイルばね、板バネ等を好ましく採用できる。集電体８１の材料の例としては、ニッケル、鉄等の単体金属；ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼；これらにニッケルめっきを施した金属、等を挙げることができる。弾性体８１を集電体７１に保持するにあたっては、溶接、ピン止め等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　陽極４０は、酸素発生用の陽極である。陽極４０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４０の導電性基材としては、例えば、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４０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４０は可撓性を有する多孔板（第１の多孔板）である。可撓性を有する多孔板である陽極４０としては、可撓性を有する導電性基材（例えば金属ワイヤーで織った（又は編んだ）金網、薄いパンチドメタル等。）と上記触媒層とを備える多孔板を用いることができる。可撓性を有する多孔板である陽極４０の一つの孔の面積は、好ましくは０．０５～２．０ｍｍ２、より好ましくは０．１～０．５ｍｍ２である。可撓性を有する多孔板である陽極４０の開孔率は、通電面の面積に対して好ましくは２０％以上、より好ましくは２０～５０％である。可撓性を有する多孔板である陽極４０の曲げ柔さは、好ましくは０．０５ｍｍ／ｇ以上、より好ましくは０．１～０．８ｍｍ／ｇである。なお本明細書において曲げ柔さとは、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍの正方形状の試料が水平になるように一辺を固定し、該固定された一辺に向かい合う他の一辺に下向きに一定の荷重をかけたときの該他の一辺（試料先端）の撓み幅（ｍｍ）を荷重（ｇ）で除した値である。すなわち曲げ柔さは、曲げ剛性とは逆の性質を示すパラメタである。曲げ柔さは、多孔板の材質および厚さ、金網にあっては金網を構成する金属ワイヤーの織り方（又は編み方）等により調整することができる。
　陽極４０の周縁部は、集電体７１、弾性体８１、及び／又は陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂに保持される。陽極４０の周縁部を集電体７１、弾性体８１、及び／又は陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂに保持するにあたっては、溶接、ピン止め、ボルト止め、集電体７１への折り込み（すなわち、陽極４０の周縁部を折ることにより形成された谷部を集電体７１の周縁部に引っ掛ける）等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　陰極２１は、水素発生用の陰極である。陰極２１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２１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２０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コーティングを好ましく採用できる。
　陰極２１は剛体多孔板である。剛体多孔板である陰極２１としては、剛性を有する導電性基材（例えばエキスパンドメタル等。）と上記触媒層とを備える多孔板を用いることができる。陰極２１を導電性リブ６２に保持するにあたっては、溶接やピン止め、ボルト止め等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　電解槽１００においては、陽極４０が隔膜１０と第１の弾性体８１との間に配置され、第１の弾性体８１によって陰極２１に向けて押し付けられることにより、ゼロギャップ構造が実現されている。電解槽１００において、寿命を迎えた陽極４０を新たな陽極４０に交換する作業には、（１）陽極側枠体５１をガスケット３０から分離することと；（２）隔膜１０を陽極４０から分離することと；（３）陽極４０を陽極室Ａから取り外すことと；（４）取り外した陽極４０に代えて新たな陽極４０を用いて電解槽１００を組み立てることと、を含む。電解槽１００において上記（３）における陽極４０の取り外し及び上記（４）における新たな陽極４０の組付けは容易である。また組み立てられた電解槽１００において陽極４０の位置は第１の弾性体８１によって自動的に調整されるので、新たな陽極４０を組み付けるにあたって従来のゼロギャップ型アルカリ水電解槽におけるような煩雑な作業（例えば導電性リブ９１３の端部の高さを研削等により揃える作業（図１参照）。）は不要である。したがって電解槽１００によれば、陽極４０の交換を容易に行うことが可能である。
　本発明に関する上記説明では、剛体多孔板である陰極２１が導電性リブ６２によって保持されている形態のアルカリ水電解槽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、剛体多孔板である陰極が、導電性を有する第２の弾性体によって陽極に向けて押し付けられている形態のアルカリ水電解槽とすることも可能である。図３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断面図である。図３において、図２に既に表れた要素と同一の要素には図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。図３に示すように、電解槽２００は、陽極室Ａを画定する導電性の陽極側枠体５１と；陰極室Ｃを画定する導電性の陰極側枠体５２と；陽極側枠体５１と陰極側枠体５２との間に配置され、陽極室Ａと陰極室Ｃとを区分する、イオン透過性の隔膜１０と；陽極側枠体５１および陰極側枠体５２に挟持され、隔膜１０の周縁部を保持する、ガスケット３０、３０と；ガスケット３０に保持されることなく陽極室Ａ内部に配置された、陽極４０と；ガスケット３０に保持されることなく陰極室Ｃ内部に配置された、陰極２０と、を備えている。電解槽２００において、陽極４０は可撓性を有する第１の多孔板であり、陰極２０は可撓性を有する第２の多孔板である。電解槽２００はまた、陽極側枠体５１の内壁から突き出すように設けられた少なくとも１つの導電性リブ（第１の導電性リブ）６１と、導電性リブ６１に保持された集電体（第１の集電体）７１と、集電体７１に保持された導電性を有する弾性体（第１の弾性体）８１とを備えており、陽極４０は弾性体８１によって陰極２０へ向けて押し付けられている。電解槽２００はまた、陰極側枠体５２の内壁から突き出すように設けられた導電性リブ（第２の導電性リブ）６２と、導電性リブ６２に保持された集電体（第２の集電体）７２と、集電体７２に保持された導電性を有する弾性体（第２の弾性体）８２とを備えており、陰極２０は弾性体８２によって陽極４０へ向けて押し付けられている。
　電解槽２００において、第２の導電性リブ６２としては、電解槽１００（図２）に関連して上記説明した第２の導電性リブ６２と同様の導電性リブを用いることができる。電解槽２００において、第２の導電性リブ６２は陰極側枠体の隔壁５２ａから立設されている。第２の導電性リブ６２が第２の集電体７２を陰極側枠体５２に対して固定および保持できる限りにおいて、第２の導電性リブ６２の形状、数、及び配置は特に制限されない。
　電解槽２００において、陽極４０の周縁部は、集電体７１、弾性体８１、及び／又は陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂに保持される。陽極４０の周縁部を集電体７１、弾性体８１、及び／又は陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂに保持するにあたっては、溶接、ピン止め、ボルト止め、集電体７１への折り込み（すなわち、陽極４０の周縁部を折ることにより形成された谷部を集電体７１の周縁部に引っ掛ける）等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　陰極２０は、可撓性を有する多孔板（第２の多孔板）である点において、陰極２１（図２参照。）と異なっている。可撓性を有する多孔板である陰極２０としては、可撓性を有する導電性基材（例えば金属ワイヤーで織った（又は編んだ）金網、薄いパンチドメタル等。）と上記触媒層とを備える多孔板を用いることができる。可撓性を有する多孔板である陰極２０の一つの孔の面積は、好ましくは０．０５～２．０ｍｍ２、より好ましくは０．１～０．５ｍｍ２である。可撓性を有する多孔板である陰極２０の開孔率は、通電面の面積に対して好ましくは２０％以上、より好ましくは２０～５０％である。可撓性を有する多孔板である陰極２０の曲げ柔さは、好ましくは０．０５ｍｍ／ｇ以上、より好ましくは０．１～０．８ｍｍ／ｇである。
　電解槽２００において、陰極２０の周縁部は、集電体７２、弾性体８２、及び／又は陰極側枠体５２のフランジ部５２ｂに保持される。陰極２０の周縁部を集電体７２、弾性体８２、及び／又は陰極側枠体５２のフランジ部５２ｂに保持するにあたっては、溶接、ピン止め、ボルト止め、集電体７２への折り込み（すなわち、陰極２０の周縁部を折ることにより形成された谷部を集電体７２の周縁部に引っ掛ける）等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　集電体（第２の集電体）７２としては、アルカリ水電解槽において用いられる公知の集電体を特に制限なく用いることができ、例えば耐アルカリ性を有する剛性の導電性材料からなる、エキスパンドメタル、パンチドメタル等を好ましく採用できる。集電体７２の材料の例としては、ニッケル、鉄等の単体金属；ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼；及びこれらにニッケルめっきを施した金属、等を挙げることができる。集電体７２を導電性リブ６２に保持するにあたっては、溶接やピン止め等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　弾性体（第２の弾性体）８２としては、アルカリ水電解槽において用いられる公知の導電性弾性体を特に制限なく用いることができ、例えば耐アルカリ性を有する導電性材料からなる、金属線の集合体からなる弾性マット、コイルばね、板バネ等を好ましく採用できる。弾性体８２の材料の例としては、ニッケル、鉄等の単体金属；ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼；これらにニッケルめっきを施した金属、等を挙げることができる。弾性体８２を集電体７２に保持するにあたっては、溶接やピン止め、ボルト止め等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　電解槽２００においては、陽極４０が隔膜１０と第１の弾性体８１との間に配置され、第１の弾性体８１によって陰極２０に向けて押し付けられるとともに、陰極２０が隔膜１０と第２の弾性体８２との間に配置され、第２の弾性体８２によって陽極４０に向けて押し付けられることにより、ゼロギャップ構造が実現されている。電解槽２００において、寿命を迎えた陽極４０を新たな陽極４０に交換する作業には、（１）陽極側枠体５１をガスケット３０から分離することと；（２）隔膜１０を陽極４０から分離することと；（３）陽極４０を陽極室Ａから取り外すことと；（４）取り外した陽極４０に代えて新たな陽極４０を用いて電解槽２００を組み立てることと、を含む。電解槽２００において上記（３）における陽極４０の取り外し及び上記（４）における新たな陽極４０の組付けは容易である。また組み立てられた電解槽２００において陽極４０及び陰極２０の位置は第１の弾性体８１及び第２の弾性体８２によって自動的に調整されるので、新たな陽極４０を組み付けるにあたって従来のゼロギャップ型アルカリ水電解槽におけるような煩雑な作業（例えば導電性リブ９１３の端部の高さを研削等により揃える作業（図１参照）。）は不要である。したがって電解槽２００においても、陽極４０の交換を容易に行うことが可能である。
　本発明に関する上記説明では、陽極４０と第１の弾性体８１とが直接接しており、第１の弾性体８１が直接に陽極４０を陰極（２０、２１）に向けて押し付けている形態のアルカリ水電解槽１００及び２００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、陽極と第１の弾性体との間に配置された、導電性を有する剛体集電体をさらに備える形態のアルカリ水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アルカリ水電解槽３００（以下において「電解槽３００」ということがある。）を模式的に説明する断面図である。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。図４に示すように、電解槽３００は、陽極室Ａを画定する導電性の陽極側枠体５１と；陰極室Ｃを画定する導電性の陰極側枠体５２と；陽極側枠体５１と陰極側枠体５２との間に配置され、陽極室Ａと陰極室Ｃとを区分する、イオン透過性の隔膜１０と；陽極側枠体５１および陰極側枠体５２に挟持され、隔膜１０の周縁部を保持する、ガスケット３０、３０と；ガスケット３０に保持されることなく陽極室Ａ内部に配置された、陽極４０と；ガスケット３０に保持されることなく陰極室Ｃ内部に配置された、陰極２０と、を備えている。電解槽３００において、陽極４０は可撓性を有する第１の多孔板であり、陰極２０は可撓性を有する第２の多孔板である。電解槽３００はまた、陽極側枠体５１の内壁から突き出すように設けられた少なくとも１つの導電性リブ（第１の導電性リブ）６１と、導電性リブ６１に保持された集電体（第１の集電体）７１と、集電体７１に保持された導電性を有する弾性体（第１の弾性体）８１と、弾性体８１と陽極４０との間に配置された、導電性を有する剛体集電体９１とを備えており、陽極４０は弾性体８１によって剛体集電体９１を介して陰極２０へ向けて押し付けられている。すなわち、電解槽３００において、剛体集電体９１は、剛体集電体９１と隔膜１０との間に陽極４０が挟まれるように配置されており、陽極４０は剛体集電体９１によって支持されている。電解槽３００はまた、陰極側枠体５２の内壁から突き出すように設けられた少なくとも１つの導電性リブ（第２の導電性リブ）６２と、導電性リブ６２に保持された集電体（第２の集電体）７２と、集電体７２に保持された導電性を有する弾性体（第２の弾性体）８２とを備えており、陰極２０は弾性体８２によって陽極４０へ向けて押し付けられている。
　剛体集電体９１としては、導電性を有する剛性の集電体を用いることができ、例えば耐アルカリ性を有する剛性の導電性材料からなる、エキスパンドメタル、パンチドメタル等を好ましく採用できる。剛体集電体９１の材料の例としては、ニッケル、鉄等の単体金属；ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼；これらにニッケルめっきを施した金属、等を挙げることができる。剛体集電体９１は弾性体８１に保持されていてもよく、保持されていなくてもよい。剛体集電体９１を弾性体８１に保持する場合、溶接やピン止め、ボルト止め等の公知の手段を特に制限なく採用できる。
　電解槽３００において、陽極４０の周縁部は、剛体集電体９１、集電体７１、弾性体８１、及び／又は陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂに保持され、好ましくは剛体集電体９１に保持される。陽極４０の周縁部を剛体集電体９１、集電体７１、弾性体８１、及び／又は陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂに保持するにあたっては、溶接、ピン止め、ボルト止め、剛体集電体９１又は集電体７１への折り込み（すなわち、陽極４０の周縁部を折ることにより形成された谷部を剛体集電体９１の周縁部または集電体７１の周縁部に引っ掛ける）等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　電解槽３００において、陰極２０の周縁部は、集電体７２、弾性体８２、及び／又は陰極側枠体５２のフランジ部５２ｂに保持される。陰極２０の周縁部を集電体７２、弾性体８２、及び／又は陰極側枠体５２のフランジ部５２ｂに保持するにあたっては、溶接、ピン止め、ボルト止め、集電体７２への折り込み（すなわち、陰極２０の周縁部を折ることにより形成された谷部を集電体７２の周縁部に引っ掛ける）等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　電解槽３００においては、隔膜１０、陽極４０、剛体集電体９１、及び第１の弾性体８１がこの順に配置され（すなわち陽極４０が隔膜１０と第１の弾性体８１との間に配置され且つ剛体集電体９１が陽極４０と第１の弾性体８１との間に配置され）、陽極４０が第１の弾性体８１によって剛体集電体９１を介して陰極２０に向けて（すなわち隔膜１０へ向けて）押し付けられるとともに、隔膜１０、陰極２０，及び第２の弾性体８２がこの順に配置され（すなわち陰極２０が隔膜１０と第２の弾性体８２との間に配置され）、陰極２０が第２の弾性体８２によって陽極４０に向けて（すなわち隔膜１０へ向けて）押し付けられることにより、ゼロギャップ構造が実現されている。電解槽３００において、寿命を迎えた陽極４０を新たな陽極４０に交換する作業には、（１）陽極側枠体５１をガスケット３０から分離することと；（２）隔膜１０を陽極４０から分離することと；（３）陽極４０を陽極室Ａから取り外すことと；（４）取り外した陽極４０に代えて新たな陽極４０を用いて電解槽３００を組み立てることと、を含む。電解槽３００において上記（３）における陽極４０の取り外し及び上記（４）における新たな陽極４０の組付けは容易である。特に陽極４０の周縁部が剛体集電体９１に保持される場合には、陽極４０の取り外しは陽極４０と剛体集電体９１との連結を解除すれば足り、陽極４０の組付けは陽極４０を剛体集電体９１に固定すれば足りる。また組み立てられた電解槽３００において陽極４０及び陰極２０の位置は第１の弾性体８１及び第２の弾性体８２によって自動的に調整されるので、新たな陽極４０を組み付けるにあたって従来のゼロギャップ型アルカリ水電解槽におけるような煩雑な作業（例えば導電性リブ９１３の端部の高さを研削等により揃える作業（図１参照）。）は不要である。したがって電解槽３００においても、陽極４０の交換を容易に行うことが可能である。また電解槽３００は陽極４０と第１の弾性体８１との間に剛体集電体９１を備えるので、陽極４０及び陰極２０が隔膜１０に向けて押し付けられる圧力を両電極の全面にわたってより均一にすることが可能になり、したがって電流密度をより均一にすることが可能になる。また電解槽３００は陽極４０と第１の弾性体８１との間に剛体集電体９１を備えるので、極室内の圧力変動による隔膜１０の変形および摩耗を低減することが可能である。
　本発明に関する上記説明では、導電性の弾性体８１が剛体集電体９１を介して陽極４０を陰極２０に向けて押し付ける形態のアルカリ水電解槽３００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、導電性の弾性体が剛体集電体を介して陰極を陽極に向けて押し付ける形態のアルカリ水電解槽とすることも可能である。図５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４００（以下において「電解槽４００」ということがある。）を模式的に説明する断面図である。図５において、図２～４に既に表れた要素には図２～４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に示すように、電解槽４００は、陽極室Ａを画定する導電性の陽極側枠体５１と；陰極室Ｃを画定する導電性の陰極側枠体５２と；陽極側枠体５１と陰極側枠体５２との間に配置され、陽極室Ａと陰極室Ｃとを区分する、イオン透過性の隔膜１０と；陽極側枠体５１および陰極側枠体５２に挟持され、隔膜１０の周縁部を保持する、ガスケット３０、３０と；ガスケット３０に保持されることなく陽極室Ａ内部に配置された、陽極４０と；ガスケット３０に保持されることなく陰極室Ｃ内部に配置された、陰極２０と、を備えている。電解槽４００において、陽極４０は可撓性を有する第１の多孔板である。電解槽４００において、陰極２０は剛性を有する多孔板であってもよく、可撓性を有する多孔板（第２の多孔板）であってもよいが、好ましくは可撓性を有する多孔板である。電解槽４００は、陽極側枠体５１の内壁から突き出すように設けられた少なくとも１つの導電性リブ（第１の導電性リブ）６１と、導電性リブ６１に保持された集電体（第１の集電体）７１と、集電体７１に保持された導電性を有する弾性体（第１の弾性体）８１とを備えており、陽極４０は弾性体８１によって陰極２０へ向けて押し付けられている。電解槽４００はまた、陰極側枠体５２の内壁から突き出すように設けられた少なくとも１つの導電性リブ（第２の導電性リブ）６２と、導電性リブ６２に保持された集電体（第２の集電体）７２と、集電体７２に保持された導電性を有する弾性体（第２の弾性体）８２と、弾性体８２と陰極２０との間に配置された、導電性を有する剛体集電体９１とを備えており、陰極２０は弾性体８２によって剛体集電体９１を介して陽極４０へ向けて押し付けられている。すなわち、電解槽４００において、剛体集電体９１は、剛体集電体９１と隔膜１０との間に陰極２０が挟まれるように配置されており、陰極２０は剛体集電体９１によって支持されている。
　電解槽４００において、陽極４０の周縁部は、集電体７１、弾性体８１、及び／又は陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂに保持される。陽極４０の周縁部を集電体７１、弾性体８１、及び／又は陽極側枠体５１のフランジ部５１ｂに保持するにあたっては、溶接、ピン止め、ボルト止め、集電体７１への折り込み（すなわち、陽極４０の周縁部を折ることにより形成された谷部を集電体７１の周縁部に引っ掛ける）等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　電解槽４００において、陰極２０の周縁部は、剛体集電体９１、集電体７２、弾性体８２、及び／又は陰極側枠体５２のフランジ部５２ｂに保持され、好ましくは剛体集電体９１に保持される。陰極２０の周縁部を剛体集電体９１、集電体７２、弾性体８２、及び／又は陰極側枠体５２のフランジ部５２ｂに保持するにあたっては、溶接、ピン止め、ボルト止め、剛体集電体９１又は集電体７２への折り込み（すなわち、陰極２０の周縁部を折ることにより形成された谷部を剛体集電体９１の周縁部または集電体７２の周縁部に引っ掛ける）等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　電解槽４００においては、隔膜１０、陽極４０、及び第１の弾性体８１がこの順に配置され（すなわち陽極４０が隔膜１０と第１の弾性体８１との間に配置され）、陽極４０が第１の弾性体８１によって陰極２０に向けて（すなわち隔膜１０へ向けて）押し付けられるとともに、隔膜１０、陰極２０、剛体集電体９１、及び第２の弾性体８２がこの順に配置され（すなわち陰極２０が隔膜１０と第２の弾性体８２との間に配置され且つ剛体集電体９１が陰極２０と第２の弾性体８２との間に配置され）、陰極２０が第２の弾性体８２によって剛体集電体９１を介して陽極４０に向けて（すなわち隔膜１０へ向けて）押し付けられることにより、ゼロギャップ構造が実現されている。電解槽４００において、寿命を迎えた陽極４０を新たな陽極４０に交換する作業には、（１）陽極側枠体５１をガスケット３０から分離することと；（２）隔膜１０を陽極４０から分離することと；（３）陽極４０を陽極室Ａから取り外すことと；（４）取り外した陽極４０に代えて新たな陽極４０を用いて電解槽４００を組み立てることと、を含む。電解槽４００において上記（３）における陽極４０の取り外し及び上記（４）における新たな陽極４０の組付けは容易である。また組み立てられた電解槽４００において陽極４０及び陰極２０の位置は第１の弾性体８１及び第２の弾性体８２によって自動的に調整されるので、新たな陽極４０を組み付けるにあたって従来のゼロギャップ型アルカリ水電解槽におけるような煩雑な作業（例えば導電性リブ９１３の端部の高さを研削等により揃える作業（図１参照）。）は不要である。したがって電解槽４００においても、陽極４０の交換を容易に行うことが可能である。また電解槽４００は陰極２０と第２の弾性体８２との間に剛体集電体９１を備えるので、陽極４０及び陰極２０が隔膜１０に向けて押し付けられる圧力を両電極の全面にわたってより均一にすることが可能になり、したがって電流密度をより均一にすることが可能になる。また電解槽４００は陰極２０と第２の弾性体８２との間に剛体集電体９１を備えるので、極室内の圧力変動による隔膜１０の変形および摩耗を低減することが可能である。
　本発明に関する上記説明では、陽極室に導電性リブ６１を備え、陰極室に導電性リブ６２を備える形態のアルカリ水電解槽１００～４００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、陽極室および陰極室の一方のみが導電性リブを備える形態のアルカリ水電解槽、または、陽極室および陰極室のいずれにも導電性リブが備えられない形態のアルカリ水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アルカリ水電解槽５００（以下において「電解槽５００」ということがある。）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。図６に示すように、電解槽５００は、陽極室Ａを画定する導電性の陽極側枠体５１と；陰極室Ｃを画定する導電性の陰極側枠体５２と；陽極側枠体５１と陰極側枠体５２との間に配置され、陽極室Ａと陰極室Ｃとを区分する、イオン透過性の隔膜１０と；陽極側枠体５１および陰極側枠体５２に挟持され、隔膜１０の周縁部を保持する、ガスケット３０、３０と；ガスケット３０に保持されることなく陽極室Ａ内部に配置された、陽極４０と；ガスケット３０に保持されることなく陰極室Ｃ内部に配置された、陰極２０と、を備えている。電解槽５００において、陽極４０は可撓性を有する第１の多孔板である。陰極２０は可撓性を有する第２の多孔板であってもよく、剛体多孔板であってもよいが、好ましくは剛体多孔板である。電解槽５００は、陽極側枠体５１の導電性の隔壁５１ａと陽極４０との間に、隔壁５１ａ及び陽極４０に直接に接するように配置された、導電性を有する弾性体（第１の弾性体）８１を備えており、陽極４０は弾性体８１によって陰極２０へ向けて押し付けられている。電解槽５００はまた、陰極側枠体５２の導電性の隔壁５２ａと陰極２０との間に、隔壁５２ａ及び陰極２０に直接に接するように配置された、導電性を有する弾性体（第２の弾性体）８２を備えており、陰極２０は弾性体８２によって陽極４０へ向けて押し付けられている。
　電解槽５００において、陽極４０の周縁部は、弾性体８１及び／又は陽極側枠体５１に保持される。陽極４０の周縁部を弾性体８１及び／又は陽極側枠体５１に保持するにあたっては、溶接、ピン止め、ボルト止め等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　電解槽５００において、陰極２０の周縁部は、弾性体８２及び／又は陰極側枠体５２に保持される。陰極２０の周縁部を弾性体８２及び／又は陰極側枠体５２に保持するにあたっては、溶接、ピン止め、ボルト止め等の公知の手法を特に制限なく採用できる。
　電解槽５００においては、陽極４０が隔膜１０と第１の弾性体８１との間に配置され、第１の弾性体８１によって陰極２０に向けて押し付けられるとともに、陰極２０が隔膜１０と第２の弾性体８２との間に配置され、第２の弾性体８２によって陽極４０に向けて押し付けられることにより、ゼロギャップ構造が実現されている。電解槽５００において、寿命を迎えた陽極４０を新たな陽極４０に交換する作業には、（１）陽極側枠体５１をガスケット３０から分離することと；（２）隔膜１０を陽極４０から分離することと；（３）陽極４０を陽極室Ａから取り外すことと；（４）取り外した陽極４０に代えて新たな陽極４０を用いて電解槽５００を組み立てることと、を含む。電解槽５００において上記（３）における陽極４０の取り外し及び上記（４）における新たな陽極４０の組付けは容易である。また組み立てられた電解槽５００において陽極４０及び陰極２０の位置は第１の弾性体８１及び第２の弾性体８２によって自動的に調整されるので、新たな陽極４０を組み付けるにあたって従来のゼロギャップ型アルカリ水電解槽におけるような煩雑な作業（例えば導電性リブ９１３の端部の高さを研削等により揃える作業（図１参照）。）は不要である。したがって電解槽５００においても、陽極４０の交換を容易に行うことが可能である。さらに、電解槽５００においては，陽極室Ａ及び陰極室Ｃが導電性リブを備えないので、電解セル一つあたりの厚さを薄くすることが可能になり、したがって電解槽を小型化して占有敷地面積あたりのガス生産量を高めることが可能になる。また、陽極室および陰極室の一方または両方が導電性リブを備えないので、電解槽を構成する材料および電解槽の作製に必要な工数を削減することが可能になる。
１０　（イオン透過性の）隔膜
２０、２１　陰極
３０　ガスケット
４０　陽極
５１　陽極側枠体
５２　陰極側枠体
５１ａ、５２ａ　（導電性の）隔壁
５１ｂ、５２ｂ　フランジ部
６１、６２　導電性リブ
７１、７２　集電体
８１、８２　導電性を有する弾性体
９１　剛体集電体
９００　従来のゼロギャップ型アルカリ水電解槽
９１０　極室ユニット
９１１　導電性の隔壁
９１２　フランジ部
９１３、９１４　導電性リブ
９２０　イオン透過性の隔膜
９３０　ガスケット
９４０　陽極
９５０　集電体
９６０　導電性の弾性体
９７０　陰極
１００、２００、３００、４００、５００、９００　アルカリ水電解槽
Ａ　陽極室
Ｃ　陰極室

Claims (9)

  1. 　陽極室を画定する、陽極側枠体と、
    　陰極室を画定する、陰極側枠体と、
    　前記陽極側枠体と前記陰極側枠体との間に配置され、前記陽極室と前記陰極室とを区分する、イオン透過性の隔膜と、
    　前記陽極側枠体および前記陰極側枠体に挟持され、前記隔膜の周縁部を保持する、ガスケットと、
    　前記ガスケットに保持されることなく前記陽極室内部に配置された、陽極と、
    　前記ガスケットに保持されることなく前記陰極室内部に配置された、陰極と、
    　前記陽極室内部に配置された、導電性を有する第１の弾性体と、
    を含み、
    　前記陽極は、可撓性を有する第１の多孔板であり、
    　前記陽極は、前記隔膜と前記第１の弾性体との間に配置され、前記第１の弾性体によって前記陰極へ向けて押し付けられている、アルカリ水電解槽。
  2. 　前記陽極室は、
    　　前記陽極側枠体の内壁から突出して設けられた、少なくとも１つの第１の導電性リブと、
    　　前記第１の導電性リブに保持された、導電性の第１の集電体と
    を含み、
    　前記第１の弾性体は、前記第１の集電体に支持されている、
    請求項１に記載のアルカリ水電解槽。
  3. 　前記陽極に接して配置された、導電性を有する第１の剛体集電体をさらに含み、
    　前記第１の剛体集電体は、前記陽極と前記第１の弾性体との間に配置され、
    　前記陽極は、前記第１の剛体集電体によって支持されている、
    請求項１又は２に記載のアルカリ水電解槽。
  4. 　前記陰極は、剛体多孔板である、
    請求項１～３のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。
  5. 　前記陰極室は、前記陰極側枠体の内壁から突出して設けられた、少なくとも１つの第２の導電性リブを含み、
    　前記陰極は、前記第２の導電性リブに保持されている、請求項４に記載のアルカリ水電解槽。
  6. 　前記陰極室内部に配置された、導電性を有する第２の弾性体をさらに含み、
    　前記陰極は、可撓性を有する第２の多孔板であり、
    　前記陰極は、前記隔膜と前記第２の弾性体との間に配置され、前記第２の弾性体によって前記陽極へ向けて押し付けられている、
    請求項１～３のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。
  7. 　前記陰極室は、
    　　前記陰極側枠体の内壁から突出して設けられた、少なくとも１つの第２の導電性リブと、
    　　前記第２の導電性リブに保持された、導電性の第２の集電体と
    を含み、
    　前記第２の弾性体は、前記第２の集電体に支持されている、
    請求項６に記載のアルカリ水電解槽。
  8. 　前記陰極に接して配置された、導電性を有する第２の剛体集電体をさらに含み、
    　前記第２の剛体集電体は、前記陰極と前記第２の弾性体との間に配置され、
    　前記陰極は、前記第２の剛体集電体によって支持されている、
    請求項６又は７に記載のアルカリ水電解槽。
  9. 　請求項１～８のいずれかに記載のアルカリ水電解槽において前記陽極を交換する方法であって、
    　前記陽極側枠体を前記ガスケットから分離することと、
    　前記隔膜を前記陽極から分離することと、
    　前記陽極を前記陽極室から取り外すことと、
    　前記陽極に代えて新たな陽極を用いて前記アルカリ水電解槽を組み立てることと、
    を含む、アルカリ水電解槽の電極交換方法。
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