电解槽及制氢装置的制作方法

本申请基于2017年11月15日提出的日本专利申请第2017-220465号主张优先权，在此通过引用并入其全部内容。

实施方式涉及电解槽及制氢装置。

背景技术：

通过使用电解液对水进行电解，能够制造氢气。在氢气的制造装置中，要求制造提高了纯度的氢气。

技术实现要素：

<1>一种电解槽，其特征在于，其具备：箱体，其用于保持电解液；第1隔膜，其将所述箱体的内部划分为第1槽和第2槽；第1电极，其设在所述第1槽内，具有使所述电解液在与所述第1隔膜相对的第1表面的一侧和与所述第1表面不同的第2表面的一侧之间流通的第1孔；第2电极，其在所述第2槽内与所述第1隔膜邻接地设置，具有使所述电解液在与所述第1隔膜邻接的第3表面的一侧和与所述第3表面不同的第4表面的一侧流通的第2孔；和第1排出部，其可将所述电解液从所述第2槽排出；所述第1槽配设成可将供给到内部的所述电解液供给到所述第2槽的所述第3表面的一侧。

<2>根据<1>所述的电解槽，其特征在于，所述第1电极为以所述第1表面与所述第1隔膜邻接的方式配置的阳极电极；所述第2电极为阴极电极；所述电解槽以可向所述第1槽供给电解液的方式构成；且所述第1排出部以可将通过所述第2孔流通了的所述电解液排出的方式构成。

<3>根据<2>所述的电解槽，其中，在所述第1槽的容积的一半以上中保持所述电解液，在所述第2槽的容积的一半以上中存在气相。

<4>根据<2>所述的电解槽，其中，所述第2槽的容积小于所述第1槽的容积。

<5>一种制氢装置，其具备：<1>～<4>中任一项所述的电解槽；和电解液罐，使所述电解液在该电解液罐与所述第1槽之间循环。

<6>根据<5>所述的制氢装置，其中，所述第2槽以只从所述第2孔供给所述电解液的方式构成。

<7>根据<6>所述的制氢装置，其中，所述第1排出部以可将通过所述第2孔流通至所述第2槽的所述第4表面侧的所述电解液从所述第2槽排出的方式构成；所述第1电极与所述第1隔膜邻接；所述第1电极的所述第2表面的一半以上与所述电解液接触，所述第2电极的所述第4表面的一半以上与气相接触。

<8>根据<5>所述的制氢装置，其中，进一步具备使所述电解液从所述第1排出部向所述电解液罐移动的机构。

<9>根据<1>所述的电解槽，其中，进一步具备将所述第1槽划分为第3槽和第4槽的第2隔膜；所述第1电极以所述第1表面与所述第2隔膜邻接的方式设在所述第3槽内；所述第4槽设在所述第1隔膜与所述第2隔膜之间；且所述电解槽以可向所述第4槽供给所述电解液的方式构成。

<10>根据<9>所述的电解槽，其中，所述第1电极为阳极电极，所述第2电极为阴极电极。

<11>根据<9>所述的电解槽，其中，进一步具备第2排出部，所述第2排出部可将通过所述第1孔流通至所述第3槽的所述第2表面侧的所述电解液从所述第3槽排出。

<12>根据<11>所述的电解槽，其中，所述第2槽以只从所述第2电极的所述第2孔供给所述电解液的方式构成；且所述第3槽以只从所述第1电极的所述第1孔供给所述电解液的方式构成。

<13>一种制氢装置，其具备：<9>～<12>中任一项所述的电解槽；保持所述电解液的电解液罐；和将所述电解液从所述电解液罐供给到所述第4槽的供给机构。

附图说明

图1是表示第1实施方式涉及的制氢装置的方框图。

图2是表示第1实施方式中的阴极电极的平面图。

图3是表示第1实施方式涉及的制氢装置的工作的剖视图。

图4是表示第2实施方式涉及的制氢装置的方框图。

图5是表示比较例涉及的制氢装置的方框图。

图6是以横轴为制氢装置的种类、以纵轴为生成的氢气中的氧浓度而表示第1实施方式的效果的图。

具体实施方式

实施方式涉及的电解槽具备：箱体，其用于保持电解液；第1隔膜，其将所述箱体的内部划分为第1槽和第2槽；第1电极，其设在所述第1槽内，具有使所述电解液在与所述第1隔膜相对的第1表面的一侧和与所述第1表面不同的第2表面的一侧之间流通的第1孔；第2电极，其在所述第2槽内与所述第1隔膜邻接地设置，具有使所述电解液在与所述第1隔膜邻接的第3表面的一侧和与所述第3表面不同的第4表面的一侧流通的第2孔；和第1排出部，其可将所述电解液从所述第2槽排出。所述第1槽配设成可将供给到内部的所述电解液供给到所述第2槽的所述第3表面的一侧。

(第1实施方式)

首先，对第1实施方式进行说明。

图1是表示本实施方式涉及的制氢装置的方框图。

图2是表示本实施方式中的阴极电极的平面图。

如图1所示的那样，在本实施方式涉及的制氢装置1中，设有电解槽10。此外，在本实施方式中，作为电解液使用例如碱性的电解液100。但是，电解液也可以是中性的，也可以是酸性的。电解槽10中设有箱体16，箱体16内设有隔膜11(第1隔膜)。箱体16的内部通过隔膜11划分为阳极侧槽12(第1槽)和阴极侧槽13(第2槽)。隔膜11例如为由树脂材料构成的多孔质膜，是可使水分子及离子通过但不使大的气泡通过的膜。隔膜11只要由绝缘性的多孔质材料形成即可，例如也可以由陶瓷材料形成。

阴极侧槽13的厚度、即阳极侧槽12及阴极侧槽13的排列方向上的长度小于阳极侧槽12的厚度。因此，阴极侧槽13的容积小于阳极侧槽12的容积。阳极侧槽12内设有阳极电极14(第1电极)，阴极侧槽13内设有阴极电极15(第2电极)。阳极电极14的表面14b(第1表面)及阴极电极15的表面15b(第3表面)与隔膜11接触，夹着隔膜11。

第1槽即阳极侧槽12以可供给碱性的电解液100例如氢氧化钾(koh)水溶液的方式构成。阳极侧槽12内保持有供给到阳极侧槽12的电解液100。另一方面，阴极侧槽13内只存在极少量的电解液100，阴极侧槽13的大部分由气相101占有。例如，在阳极侧槽12的容积的一半以上中存在电解液100，在阴极侧槽13的容积的一半以上中存在气相101。因此，阳极电极14中的不与隔膜11接触的一侧的表面14c(第2表面)的大部分、至少一半以上与电解液100接触，阴极电极15中的不与隔膜11接触的一侧的表面15c(第4表面)的大部分、至少一半以上与气相101接触。

如图2所示的那样，阴极电极15的形状例如为网眼状，形成有多个开口部15a(第2孔)。阳极电极14的形状也为与阴极电极15同样的网眼状，形成有多个开口部14a(第1孔，参照图3)。再者，阴极电极15及阳极电极14的形状只要是形成了多个开口部的形状即可，并不限定于网眼状。

如图1所示的那样，制氢装置1中设有整流器19。整流器19从制氢装置1的外部供给电力，对阳极电极14与阴极电极15之间施加直流电。

制氢装置1中设有阳极侧电解液罐21。在阳极侧槽12的上部与阳极侧电解液罐21的上部之间连接有配管22。再者，本说明书中所谓“连接”，指的是以可使流体沿内部间流通的方式机械地连结。在阳极侧电解液罐21的下部与阳极侧槽12的下部之间连接有配管23。在配管23的中途设有泵24。通过阳极侧槽12、配管22、阳极侧电解液罐21、配管23及泵24形成环状的流路25。通过泵24工作，电解液100沿流路25循环。

制氢装置1中设有阴极侧电解液罐26。在阴极侧槽13的下部，例如在底面设有排出部29。排出部29例如为排水口。在排出部29与阴极侧电解液罐26的上部之间连接有配管27。在配管27的中途存在泵28。通过泵28工作，将储存在阴极侧槽13的下部的电解液100经由配管27向阴极侧电解液罐26排出。但是，也可以不设置用于使电解液100从阴极侧电解液罐26向阴极侧槽13移动的泵。因此，电解液100不在阴极侧槽13与阴极侧电解液罐26之间循环，除了从阴极电极15的开口部15a渗出的电解液100以外，只从阴极侧槽13向阴极侧电解液罐26单方向地移动。换句话说，只从阳极侧槽12经由阳极电极14的开口部14a、隔膜11、阴极电极15的开口部15a向阴极侧槽13供给电解液100。

如图1所示的那样，制氢装置1中设有氧气洗涤塔31、氢气洗涤塔32、压缩机33及配管35～40。制氢装置1的外部设有储氢罐120。配管35将阳极侧电解液罐21的上部与氧气洗涤塔31的下部之间连接，配管36从氧气洗涤塔31的上部引出到制氢装置1的外部。配管37将阴极侧槽13的上部与氢气洗涤塔32的下部之间连接，配管38将氢气洗涤塔32的上部与压缩机33之间连接，配管39将压缩机33与外部的储氢罐120之间连接。配管40将阳极侧电解液罐21与阴极侧电解液罐26之间连接。配管27、泵28、阴极侧电解液罐26及配管40是使电解液100从阴极侧槽13的底部向阳极侧电解液罐21移动的机构。

接着，对本实施方式涉及的制氢装置的工作进行说明。

图3是表示本实施方式涉及的制氢装置的工作的剖视图。

如图1所示的那样，向电解槽10的阳极侧槽12及阳极侧电解液罐21内注入电解液100。另一方面，不向阴极侧槽13内注入电解液100，形成气相101。电解液100为碱性水溶液，例如为氢氧化钾水溶液。此外，向氧气洗涤塔31及氢气洗涤塔32内注入洗涤液，例如纯水。通过泵24工作，电解液100沿着流路25，以(阳极侧电解液罐21→配管23→阳极侧槽12→配管22→阳极侧电解液罐21)的顺序循环。

此时，如图3所示的那样，填充在阳极侧槽12内的电解液100经由阳极电极14的开口部14a、隔膜11的孔11a及阴极电极15的开口部15a渗透到阴极电极15和气相101的界面附近，由于电解液100的表面张力在开口部15a的出口附近停止。因此，阳极电极14和阴极电极15都与电解液100接触。

在此状态下，如图1所示的那样，如果从外部向整流器19供给电力，则整流器19向阳极电极14与阴极电极15之间供给直流电。由此，在电解液100中的阳极电极14与阴极电极15之间，产生以下的反应。

阳极侧：2oh^－→(1/2)o2+h2o+2e^－

阴极侧：2h2o+2e^－→h2+2oh^－

其结果是，水被电解，在阳极侧槽12中生成水(h2o)和氧气(o2)，在阴极侧槽13中，水被消耗生成氢气(h2)。生成的氧气在阳极电极14的开口部14a附近形成小的气泡而附着，通过循环的电解液100从阳极电极14上脱离，向阳极侧槽12的上部移动。另一方面，生成的氢气经由阴极电极15的开口部15a以原状向气相101中扩散，向阴极侧槽13的上部移动。

阳极侧槽12中生成的氧气与电解液100一同经由配管22流入阳极侧电解液罐21中，在阳极侧电解液罐21内从电解液100分离。分离的氧气经由配管35被引入到氧气洗涤塔31内，通过与洗涤液接触进一步将电解液100除去，然后经由配管36排到制氢装置1的外部。

另一方面，阴极侧槽13中生成的氢气经由配管37被引入到氢气洗涤塔32内，通过与洗涤液接触将杂质除去，然后经由配管38供给压缩机33。压缩机33对氢气进行压缩，经由配管39供给储氢罐120。储氢罐120储存氢气。

此外，在上述电解过程中，有时少量的电解液100从阴极电极15的开口部15a渗出，沿阴极电极15的表面落下，停留在阴极侧槽13的底部。此时，通过使泵28工作，经由配管27使电解液100向阴极侧电解液罐26内移动。保持在阴极侧电解液罐26内的电解液100可经由配管40返回到阳极侧电解液罐21中。

再者，也可以在配管40的中途设置泵，强制地使停留在阴极侧电解液罐26中的电解液100向阳极侧电解液罐21移动。此外，在本实施方式中，作为使电解液100从阴极侧槽13的底部向阳极侧电解液罐21移动的机构，示出了设置配管27、泵28、阴极侧电解液罐26及配管40的例子，但并不限定于此。例如，也可以将阳极侧电解液罐21设在电解槽10的下方，使电解液100从阴极侧槽13经由配管向阳极侧电解液罐21落下。此时，为了不使阳极侧电解液罐21内的氧气流入阴极侧槽13中，而优选在配管的中途设置阀等防逆流机构。由此，可将阴极侧电解液罐26及泵28省略。

接着，对本实施方式的效果进行说明。

如图1所示的那样，在电解槽10的阳极侧槽12中，通过水的电解而生成的氧混入电解液100中。混入电解液100中的氧的大部分在阳极侧电解液罐21内从电解液100中分离，但一部分以溶解于电解液100中的状态或以纳米气泡的状态残留在电解液100中。

假如，如果如此残留了氧的电解液100混入阴极侧槽13内，则该氧混入氢气中，使氢气纯度下降。但是，在本实施方式涉及的制氢装置1中，如上所述，阴极侧槽13与流路25分开，电解液100本身几乎不向阴极侧槽13漏出。因此，电解液100内的氧也几乎不向氢气中混入，可得到提高了纯度的氢气。

此外，根据本实施方式，由于不需要阴极侧电解液罐26中的气液分离，所以能够简化制氢装置1的构成。而且，因不需要气液分离，还可对氢气制造所需的耗电量进行抑制。此外，如果是相同的供电量，则与以往相比可增加氢气的制造量。另外，由于不需要在阴极侧槽13内保持规定量的电解液100，所以可使阴极侧槽13的容积小于阳极侧槽12的容积。由此，可使制氢装置1小型化。其结果是，能够降低制氢装置1的设备成本、运输成本及设置成本。或者，由于能够在维持制氢装置1的尺寸的状态下增加阳极侧槽12及阴极侧槽13的对数，所以可制造的氢量增加。

另外，本实施方式中，将阳极侧槽12内设定为液相，将阴极侧槽13内设定为气相，但也可以将阳极侧槽12内设定为气相，将阴极侧槽13内设定为液相。

(第2实施方式)

接着，对第2实施方式进行说明。

图4是表示本实施方式涉及的制氢装置的方框图。

如图4所示的那样，本实施方式涉及的制氢装置2与上述的第1实施方式涉及的制氢装置1(图1参照)相比，不同之处在于替换电解槽10设置电解槽50、替换阳极侧电解液罐21及阴极侧电解液罐26设置电解液罐51、以及替换泵24及28设置泵52。

电解槽50中设有箱体16，在箱体16内彼此隔离地设有阳极电极14及阴极电极15。在阳极电极14与阴极电极15之间，彼此隔离地设有阳极侧隔膜54(第2隔膜)及阴极侧隔膜55(第1隔膜)。阳极侧隔膜54与阳极电极14上的阴极电极15侧的面接触，阴极侧隔膜55与阴极电极15上的阳极电极14侧的面接触。

从电解槽50中的阳极电极14看，阴极电极15的相反侧的部分为阳极侧槽12(第3槽)，从电解槽50中的阴极电极15看，阳极电极14的相反侧的部分为阴极侧槽13(第2槽)。阳极侧隔膜54与阴极侧隔膜55之间为中央槽56(第4槽)。本实施方式中，第1槽由第3槽即阳极侧槽12和第4槽即中央槽56构成。第2隔膜即阳极侧隔膜54将箱体16的内部的第1槽划分为阳极侧槽12和中央槽56。阴极侧隔膜55是从第1槽的一部分即中央槽56划分阴极侧槽13，将箱体16的内部划分为第1槽(阳极侧槽12及中央槽56)和第2槽(阴极侧槽13)的第1隔膜。

例如，电解液罐51与电解槽50相比配置在下方。在阳极侧槽12的下部、例如在底面上设有排出部69。在排出部69与电解液罐51的上部之间连接有配管61。在阴极侧槽13的下部、例如在底面上设有排出部29。在排出部29与电解液罐51的上部之间连接有配管62。在电解液罐51与中央槽56之间连接有配管63。在配管63的中途设有泵52。在从中央槽56的上部与电解液罐51的上部的之间连接有配管64。通过中央槽56、配管64、电解液罐51、配管63及泵52，形成电解液100的流路60。而且，通过泵52工作，使电解液100沿流路60循环，从电解液罐51向中央槽56内供给电解液100。此外，配管22将阳极侧槽12的上部与氧气洗涤塔31的下部之间连接。

作为第4槽且为第1槽的一部分即中央槽56以可供给电解液100的方式构成。电解液罐51内及中央槽56内保持有电解液100。阳极侧槽12内由气相102占有。阴极侧槽13内由气相101占有。阳极电极14与气相102接触，阴极电极15与气相101接触。可从中央槽56只经由阳极侧隔膜54及阳极电极14的开口部14a向阳极侧槽12供给电解液100。此外，可从中央槽56只经由阴极侧隔膜55及阴极电极15的开口部15a向阴极侧槽13供给电解液100。

接着，对本实施方式涉及的制氢装置的工作进行说明。

在上述第1实施方式中，通过电解而生成的氧气在阳极侧槽12内被释放到电解液100中，氢气在阴极侧槽13内被释放到气相101中。与此相对应，本实施方式中，氧气也被释放到气相102中。

以下，详细地进行说明。

如图4所示的那样，向电解槽50的中央槽56内及电解液罐51内注入电解液100。此时，不向阳极侧槽12内及阴极侧槽13内注入电解液100，分别形成气相102及气相101。此外，向氧气洗涤塔31及氢气洗涤塔32内注入洗涤液，例如纯水。然后，通过泵52工作，使电解液100沿着流路60，以(电解液罐51→配管63→中央槽56→配管64→电解液罐51)的顺序循环。

此时，填充在中央槽56内的电解液100经由阳极侧隔膜54的孔(未图示)及阳极电极14的开口部14a(参照图3)，渗出到阳极电极14和气相102的界面附近。另一方面，填充在中央槽56内的电解液100经由阴极侧隔膜55的孔(未图示)及阴极电极15的开口部15a(参照图3)，渗出到阴极电极15和气相101的界面附近。由此，阳极电极14和阴极电极15均与电解液100接触。

在此状态下，如果从外部向整流器19供给电力，则在阳极电极14与阴极电极15之间水被电解，在阳极侧槽12中生成氧气，在阴极侧槽13中生成氢气。生成的氧气经由阳极电极14的开口部14a以原状向气相102中扩散，向阳极侧槽12的上部移动。另一方面，生成的氢气与第1实施方式同样，经由阴极电极15的开口部15a以原状向气相101中扩散，向阴极侧槽13的上部移动。

此外，在上述的电解过程中，有时电解液100从阳极电极14的开口部14a渗出，沿阳极电极14的表面落下，停留在阳极侧槽12的底部。停留在阳极侧槽12的底部的电解液100通过配管61下落到电解液罐51中。同样，有时电解液100从阴极电极15的开口部15a渗出，沿阴极电极15的表面落下，停留在阴极侧槽13的底部。停留在阴极侧槽13的底部的电解液100通过配管62下落到电解液罐51中。另外，在不能将电解液罐51配置在电解槽50的下方的情况下，也可以在配管61及配管62的中途设置泵，强制地使电解液100移动。

接着，对本实施方式的效果进行说明。

在本实施方式中，由于电解液100的流路60与阳极侧槽12分开，所以能够抑制氧混入电解液100中。此外，假设，即使少量的氧混入电解液100中，由于阴极侧槽13与流路60分开，所以也能够抑制电解液100中的氧混入氢气中。其结果是，可得到提高了纯度的氢气。

(比较例)

接着，对比较例进行说明。

图5是表示本比较例涉及的制氢装置的方框图。

如图5所示的那样，在本比较例涉及的制氢装置111中设有电解槽110。在电解槽110中，通过隔膜11划分阳极侧槽12和阴极侧槽13，在阳极侧槽12及阴极侧槽13双方中保持有电解液100。而且，电解液100从阳极侧槽12及阴极侧槽13向同一电解液罐112中落下，从该电解液罐112向阳极侧槽12及阴极侧槽13中供给电解液100。即，相对于阳极侧槽12使电解液100循环的流路和相对于阴极侧槽13使电解液100循环的流路共有1个电解液罐112。

因此，在阳极侧槽12中混入了电解液100中的氧经由电解液罐112流入阴极侧槽13中。其结果是，在阴极侧槽13中生成的氢气中混入氧，使氢气的纯度下降。

再者，如果减小电解液100的循环流量，也能够抑制氧的流入量，但这样一来，使附着在阴极电极15上的氢气的气泡从阴极电极15上分离的效果降低，氢的制造效率下降。因此，即使提高投入电解槽110中的电流密度，也不能生成与其相符的量的氢。

与此相对应，根据上述的各实施方式，由于将电解液100的循环路径与阴极侧槽13分开，所以即使加大电解液100的循环流量，也能生成高纯度的氢气。由此，即使提高投入电解槽中的电流密度，也能够高效率地生成氢。

例如，上述的各实施方式涉及的制氢装置也可以与利用可再生能源的发电设施例如风力发电设施或太阳能发电设施邻接地设置。可再生能源与化石燃料不同，是可持续的，一般来讲由于发电时也不产生二氧化碳，所以作为未来的能源受到注目。但是，对于利用可再生能源的发电而言，发电量多有时间上的波动。例如，如果是风力发电设施，则因风而使发电量波动，如果是太阳能发电设施，则因日照量而使发电量波动。

因而，将由可再生能源发电的电力投入制氢装置而制造氢，将该氢预先储存在储氢罐中，根据需要进行回收，通过燃料电池转换成电。由此，不需要使发电时和使用时一致，能够高效率地利用可再生能源。而且，如上所述，如果制氢装置中增大电解液的循环流量，则在发电量一时增大时，例如刮强风时或日照增强时，高效地利用所发的大电流来制造氢。这样，如果在利用可再生能源的发电设施中构筑组合了上述各实施方式涉及的制氢装置的系统，则能够高效率地回收可再生能源。

在利用了可再生能源的发电中，在发电量产生时间上的波动或下降时，有氢气的生成纯度下降的顾虑。在本实施方式中，在此种情况下，与以往相比能够抑制制氢所需的耗电量，抑制氢气的生成纯度下降。

(试验例)

接着，对试验例进行说明。

图6是以横轴为制氢装置的种类，纵轴为生成的氢气中的氧浓度而表示第1实施方式的效果的图。

使用上述的第1实施方式涉及的制氢装置1及比较例涉及的制氢装置111制造氢，测定生成的氢气中的氧浓度。

如图6所示的那样，根据第1实施方式，与比较例相比大幅度降低了氢气中的氧浓度。

根据以上说明的实施方式，能够实现可制造提高了纯度的氢气的电解槽及制氢装置。

以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，其意图并非限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其它各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式和其变形包含于发明的范围、主旨中，同时包含于权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。