WO2019181662A1

WO2019181662A1 - アルカリ水電解装置及びガス製造方法

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Abstract

電解槽と、陽極室から流出した電解液および酸素ガスを気液分離する第１の気液分離器と、陰極室から流出した電解液および水素ガスを気液分離する第２の気液分離器と、第１及び第２の気液分離器によって気液分離された電解液をそれぞれ貯留する第１及び第２の電解液タンクと、気液分離された酸素ガス及び水素ガスを第１及び第２の電解液タンクの気相領域にそれぞれ導く酸素ガス吹込み管及び水素ガス吹込み管と、第１及び第２の電解液タンクの気相領域から酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ流出させる酸素ガス排出管及び水素ガス排出管と、第１及び第２の電解液タンクから電解槽に電解液を供給する循環装置とを備える、アルカリ水電解装置。

Description

アルカリ水電解装置及びガス製造方法

　本発明は、アルカリ水電解装置、並びに、アルカリ水電解法によるガス製造方法に関する。

　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。通常、アルカリ水電解用の電解セルは、イオン透過性の隔膜で隔てられた陽極室および陰極室を備えており、電気分解は陽極室および陰極室にそれぞれ電解液を循環させながら行われる。各極室から回収された電解液は一旦循環タンクに集められて貯留され、循環タンクに貯留された電解液が再び各極室に供給される。

特開２０１７－０３９９８２号公報特許第６００８４８２号公報特開２０１７－１１９８９５号公報特開２０１７－２０３２１８号公報特開２０１７－１７９５５７号公報

　アルカリ水の電気分解による水素ガス及び酸素ガスの製造プロセスには、溶存ガスの問題がある。すなわち、陽極室から回収される電解液には、陽極反応で発生した酸素ガスの一部が溶存しており、陰極室から回収される電解液には、陰極反応で発生した水素ガスの一部が溶存している。陽極室から回収された電解液と、陰極室から回収された電解液とが循環タンク内で混合されるので、循環タンク内の電解液には酸素ガス及び水素ガスの両方が溶存することになる。循環タンク内の電解液中に溶存している酸素ガス及び水素ガスは徐々に気相中に放出されるので、循環タンク上部の気相部分の酸素ガス及び水素ガスの濃度が徐々に上昇する。そのため電解装置の運転を続ける間に、循環タンク上部の気相部分のガス組成が爆発限界に達するおそれがある。

　水素ガスを発生する電解プロセスについて、例えば特許文献１には、陽極を収容し陽極ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜と、電解液を前記陽極室から排出するとともに前記陽極室に戻す陽極側循環ラインと、を備える電解装置であって、前記陽極側循環ラインが、前記電解液から前記陽極ガスを分離する陽極側気液分離手段と、前記陽極室と前記陽極側気液分離手段とを接続し、前記電解液と前記陽極ガスとを前記陽極室から排出して前記陽極側気液分離手段に送給する陽極側排出ラインと、前記陽極室と前記陽極側気液分離手段とを接続し、前記電解液を前記陽極側気液分離手段から排出して前記陽極室に送給する陽極側供給ラインと、を備え、溶存した前記水素ガスが気相として存在し、前記水素ガスと前記陽極ガスとが混合する気相領域と前記陽極側気液分離手段とを接続する陽極ガス送給ラインを有し、前記陽極ガス送給ラインが前記陽極ガスの少なくとも一部を前記気相領域に送給し、前記気相領域中の前記水素ガス濃度が爆発限界下限値未満であることを特徴とする電解装置が記載されている。特許文献１の記載の形態によれば、水素を発生する電解プロセスにおいて、微量のガスが電解液の循環ラインに漸次蓄積されて水素の爆発限界に達する可能性を確実に解消できると主張されている。

　しかしながら、引用文献１には、循環タンクの気相領域から排出されたガスを排気ガスとして系外に放出することが記載されている。引用文献１に記載の形態においては、陽極ガスを用いて循環タンクの気相領域中のガスを押し出す（パージする）ので、循環タンクの気相領域から排出されるガスには、気相領域に供給された陽極ガスに加えて、循環タンク中の電解液から気相領域に放出された陰極ガスが混入している。したがって、引用文献１に記載の形態において仮に循環タンクの気相領域から排出されるガスを回収したとしても、純度の高い陽極ガスを得ることは困難である。

　かかる問題を解決する手段としては、陽極室から回収された電解液と、陰極室から回収された電解液とを別々の循環タンクに回収および貯留することも考えられる。すなわち、陽極室から回収された電解液は陽極側循環タンクに回収及び貯留し、陽極側循環タンクに貯留された電解液を陽極室に供給するとともに、陰極室から回収された電解液は陰極側循環タンクに回収及び貯留し、陰極側循環タンクに貯留された電解液を陰極室に供給することも考えられる。しかしながら、アルカリ水の電解プロセスにおいては、陽極反応と陰極反応とで電子１ｍｏｌあたりの水の消費量が異なるので、電解反応の進行に伴って陽極側循環タンクと陰極側循環タンクとの間に液面差が生じてしまう。陽極側循環タンクと陰極側循環タンクとの間の液面差の発生を抑制するために、陽極側循環タンクの液相領域と陰極側循環タンクの液相領域とに連通する配管（連通管）をさらに設けた場合には、連通管を通じて一方のタンクから他方のタンクに電解液が流入すると同時に、連通管を通じて流入する電解液が溶存ガスも一緒に持ち込むので、連通管を通じて電解液が流入する側のタンクにおいて気相領域中のガス組成が爆発限界に達するおそれがある。

　本発明は、循環タンクの気相領域中のガス組成が爆発限界に達することを防止するとともに、電解液中の溶存ガスがガス純度に及ぼす悪影響を低減しながら水素ガス及び酸素ガスの両方を製造することが可能な、アルカリ水電解装置を提供することを課題とする。また、循環タンクの気相領域中のガス組成が爆発限界に達することを防止するとともに、電解液中の溶存ガスがガス純度に及ぼす悪影響を低減しながら水素ガス及び酸素ガスの両方を製造することが可能な、酸素ガス及び水素ガスの製造方法を提供する。

　本発明は、次の［１］～［９］の形態を包含する。
［１］　陽極を収容し酸素ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、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を備える電解槽と、
　前記陽極室に接続され、前記陽極室から流出した電解液および酸素ガスを気液分離する、第１の気液分離器と、
　前記陰極室に接続され、前記陰極室から流出した電解液および水素ガスを気液分離する、第２の気液分離器と、
　前記第１の気液分離器に接続され、前記第１の気液分離器によって分離された電解液を受け容れ貯留する、第１の電解液タンクと、
　前記第２の気液分離器に接続され、前記第２の気液分離器によって分離された電解液を受け容れ貯留する、第２の電解液タンクと、
　前記第１の気液分離器および前記第１の電解液タンクに接続され、前記第１の気液分離器によって分離された酸素ガスを、前記第１の電解液タンクの気相領域に導く、酸素ガス吹込み管と、
　前記第２の気液分離器および前記第２の電解液タンクに接続され、前記第２の気液分離器によって分離された水素ガスを、前記第２の電解液タンクの気相領域に導く、水素ガス吹込み管と、
　前記第１の電解液タンクに接続され、前記第１の電解液タンクの気相領域から酸素ガスを流出させる、酸素ガス排出管と、
　前記第２の電解液タンクに接続され、前記第２の電解液タンクの気相領域から水素ガスを流出させる、水素ガス排出管と、
　前記第１の電解液タンク及び前記第２の電解液タンクから、前記陽極室及び前記陰極室に電解液を供給する、循環装置とを備え、
　前記電解液はアルカリ水溶液であることを特徴とする、アルカリ水電解装置。

［２］　前記循環装置が、
　　前記第１の電解液タンク及び前記第２の電解液タンクに接続された集合配管と、
　　前記集合配管及び前記電解槽に接続され、前記集合配管を通じて導かれた電解液を前記陽極室及び前記陰極室に供給する、循環ポンプとを備える、［１］に記載のアルカリ水電解装置。

［３］　前記循環装置が、
　　前記第１の電解液タンクから前記陽極室に電解液を供給する、第１の循環ポンプと、
　　前記第２の電解液タンクから前記陰極室に電解液を供給する、第２の循環ポンプとを備える、［１］に記載のアルカリ水電解装置。

［４］　前記第１の電解液タンクの気相領域におけるガス組成を監視する、第１のガス組成検知器と、
　前記第２の電解液タンクの気相領域におけるガス組成を監視する、第２のガス組成検知器とをさらに備える、［１］～［３］のいずれかに記載のアルカリ水電解装置。

［５］　前記第１の電解液タンクの液相領域と、前記第２の電解液タンクの液相領域とを、電解液が流通可能に接続する連通配管をさらに備える、［１］～［４］のいずれかに記載のアルカリ水電解装置。

［６］　陽極を収容し酸素ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、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を備える電解槽を用いて、アルカリ水溶液である電解液を電解することにより酸素ガス及び水素ガスを製造する方法であって、
　（ａ）前記陽極室および前記陰極室に電解液を供給しながら前記陽極と前記陰極との間に通電することにより、前記陽極から酸素ガスを発生させ且つ前記陰極から水素ガスを発生させる工程と、
　（ｂ）前記陽極室から電解液および酸素ガスを含む第１の気液混合物を回収する工程と、
　（ｃ）前記陰極室から電解液および水素ガスを含む第２の気液混合物を回収する工程と、
　（ｄ）前記第１の気液混合物を気液分離する工程と、
　（ｅ）前記第２の気液混合物を気液分離する工程と、
　（ｆ）前記第１の気液混合物の気液分離によって分離された電解液を、第１の電解液タンクに貯留する工程と、
　（ｇ）前記第２の気液混合物の気液分離によって分離された電解液を、第２の電解液タンクに貯留する工程と、
　（ｈ）前記第１の気液混合物の気液分離によって分離された酸素ガスを、前記第１の電解液タンクの気相領域に導入する工程と、
　（ｉ）前記第２の気液混合物の気液分離によって分離された水素ガスを、前記第２の電解液タンクの気相領域に導入する工程と、
　（ｊ）前記第１の電解液タンクの気相領域から酸素ガスを回収する工程と、
　（ｋ）前記第２の電解液タンクの気相領域から水素ガスを回収する工程と、
　（ｌ）前記第１の電解液タンク及び前記第２の電解液タンクから、前記陽極室および前記陰極室に電解液を供給する工程とを含む、酸素ガス及び水素ガスの製造方法。

［７］　前記工程（ｌ）が、前記第１の電解液タンクに貯留された電解液と、前記第２の電解液タンクに貯留された電解液との混合物を、前記陽極室および前記陰極室に供給することを含む、［６］に記載の酸素ガス及び水素ガスの製造方法。

［８］　前記工程（ｌ）が、
　　前記第１の電解液タンクに貯留された電解液を、前記陽極室に供給すること、及び、
　　前記第２の電解液タンクに貯留された電解液を、前記陰極室に供給することを含む、［６］に記載の酸素ガス及び水素ガスの製造方法。

［９］　（ｍ）前記第１の電解液タンクの気相領域中のガス組成を監視する工程と、
　（ｎ）前記第２の電解液タンクの気相領域中のガス組成を監視する工程とをさらに含む、［６］～［８］のいずれかに記載の酸素ガス及び水素ガスの製造方法。

　本発明のアルカリ水電解装置においては、陽極室から回収された電解液を貯留する第１の電解液タンクの気相領域に、陽極室から回収された酸素ガスが酸素ガス吹込み管を通じて導かれ、第１の電解液タンクの気相領域から酸素ガス排出管を通じて酸素ガスが流出するとともに、陰極室から回収された電解液を貯留する第２の電解液タンクの気相領域に、陰極室から回収された水素ガスが水素ガス吹込み管を通じて導かれ、第２の電解液タンクの気相領域から水素ガス排出管を通じて水素ガスが流出する。したがって、本発明のアルカリ水電解装置によれば、循環タンクの気相領域中のガス組成が爆発限界に達することを防止するとともに、電解液中の溶存ガスがガス純度に及ぼす悪影響を低減しながら水素ガス及び酸素ガスの両方を製造することが可能なアルカリ水電解装置を提供できる。

　本発明の水素ガス及び酸素ガス製造方法においては、特に工程（ｆ）乃至（ｋ）を備えることにより、陽極室から回収された電解液を貯留する第１の電解液タンクの気相領域に、陽極室から回収された酸素ガスが導入され、第１の電解液タンクの気相領域から酸素ガスが回収されるとともに、陰極室から回収された電解液を貯留する第２の電解液タンクの気相領域に、陰極室から回収された水素ガスが導入され、第２の電解液タンクの気相領域から水素ガスが回収される。したがって、本発明の水素ガス及び酸素ガス製造方法によれば、循環タンクの気相領域中のガス組成が爆発限界に達することを防止するとともに、電解液中の溶存ガスがガス純度に及ぼす悪影響を低減しながら水素ガス及び酸素ガスの両方を製造することが可能な、酸素ガス及び水素ガスの製造方法を提供できる。

本発明の一の実施形態に係るアルカリ水電解装置１００を模式的に説明する図である。本発明の他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図である。

　本発明の上記した作用および利得は、以下に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。なお、図面は必ずしも正確な寸法を反映したものではない。また図では、一部の符号を省略することがある。本明細書においては特に断らない限り、数値Ａ及びＢについて「Ａ～Ｂ」という表記は「Ａ以上Ｂ以下」を意味するものとする。かかる表記において数値Ｂのみに単位を付した場合には、当該単位が数値Ａにも適用されるものとする。また「又は」及び「若しくは」の語は、特に断りのない限り論理和を意味するものとする。

　＜１．アルカリ水電解装置（１）＞
　図１は、本発明の一の実施形態に係るアルカリ水電解装置１００（以下において「電解装置１００」ということがある。）を模式的に説明する図である。電解装置１００は、電解液としてアルカリ水を用い、アルカリ水の電気分解により酸素ガス及び水素ガスを製造する装置である。電解装置１００は、電解槽１０と、第１の気液分離器２０と、第２の気液分離器３０と、第１の電解液タンク４０と、第２の電解液タンク５０と、循環装置６０とを備えている。図１中、矢印は物質の流れる向きを指している。

　電解槽１０は、陽極を収容し酸素ガスを発生する陽極室１１、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室１２、及び、陽極室１１と陰極室１２とを区画するイオン透過性の隔膜１３を備えている。電解槽１０としては、アルカリ水電解装置に従来用いられている形態の電解槽を特に制限なく採用できる。

　第１の気液分離器２０は、陽極液・ガス回収管２１を通じて陽極室１１に接続されており、陽極室１１から流出した電解液および酸素ガスを気液分離する。第２の気液分離器３０は、陰極液・ガス回収管３１を通じて陰極室１２に接続されており、陰極室１２から流出した電解液および水素ガスを気液分離する。第１の気液分離器２０及び第２の気液分離器３０としては、アルカリ水電解装置に従来用いられている形態の気液分離器を特に制限なく採用できる。

　第１の電解液タンク４０は、第１の気液分離器２０に接続されており、第１の気液分離器２０によって分離された電解液を受け容れ貯留する。第１の気液分離器２０によって分離された電解液は、陽極液排出管２２を通じて第１の電解液タンク４０に導入される。第１の電解液タンク４０の内部には、貯留された電解液で占められている液相領域４０ａと、液相領域４０ａの上側の気相領域４０ｂとが存在する。
　第２の電解液タンク５０は、第２の気液分離器３０に接続されており、第２の気液分離器３０によって分離された電解液を受け容れ貯留する。第２の気液分離器３０によって分離された電解液は、陰極液排出管３２を通じて第２の電解液タンク５０に導入される。第２の電解液タンク５０の内部には、貯留された電解液で占められている液相領域５０ａと、液相領域５０ａの上側の気相領域５０ｂとが存在する。
　第１の電解液タンク４０の液相領域４０ａと、第２の電解液タンク５０の液相領域５０ａとは、連通配管８０によって電解液が流通可能に接続されている。すなわち、第１の電解液タンク４０の液相領域４０ａを占める電解液は、連通配管８０を通じて第２の電解液タンク５０の液相領域５０ａに移動することが可能であり、また第２の電解液タンク５０の液相領域５０ａを占める電解液は、連通配管８０を通じて第１の電解液タンク４０の液相領域４０ａに移動することが可能である。

　循環装置６０は、第１の電解液タンク４０及び第２の電解液タンク５０から、陽極室１１及び陰極室１２に電解液を供給する。循環装置６０は、第１の電解液タンク４０の液相領域４０ａ及び第２の電解液タンクの液相領域５０ａに接続された集合配管６２と、集合配管６２及び電解槽１０に接続され、集合配管６２を通じて導かれた電解液を、電解液供給管６３を通じて陽極室１１及び陰極室１２に供給する循環ポンプ６１とを備えている。電解液供給管６３は途中で分岐しており、循環ポンプ６１から送出された電解液を、陽極室１１及び陰極室１２のそれぞれに導入する。循環ポンプ６１としては、アルカリ水電解装置に従来用いられている形態の循環ポンプを特に制限なく用いることができる。

　電解装置１００は、第１の気液分離器２０及び第１の電解液タンク４０に接続され、第１の気液分離器２０によって分離された酸素ガスを第１の電解液タンク４０の気相領域４０ｂに導く酸素ガス吹込み管２３と、第２の気液分離器３０及び第２の電解液タンク５０に接続され、第２の気液分離器３０によって分離された水素ガスを第２の電解液タンク５０の気相領域５０ｂに導く水素ガス吹込み管３３とをさらに備えている。
　電解装置１００は、第１の電解液タンク４０に接続され、第１の電解液タンク４０の気相領域４０ｂから酸素ガスを流出させる酸素ガス排出管４１と、第２の電解液タンク５０に接続され、第２の電解液タンク５０の気相領域５０ｂから水素ガスを流出させる水素ガス排出管５１とをさらに備えている。電解装置１００において製造された酸素ガスは最終的に酸素ガス排出管４１から回収され、電解装置１００において製造された水素ガスは最終的に水素ガス５１から回収される。
　電解装置１００は、第１の電解液タンク４０の気相領域４０ｂにおけるガス組成を監視する第１のガス組成検知器７１と、第２の電解液タンク５０の気相領域５０ｂにおけるガス組成を監視する第２のガス組成検知器７２とをさらに備えている。電解装置１００において、第１のガス組成検知器７１は第１の電解液タンク４０のガス出側（すなわち、酸素ガス排出管４１の途中）に接続されており、第２のガス組成検知器７２は第２の電解液タンク５０のガス出側（すなわち、水素ガス排出管５１の途中）に接続されている。第１のガス組成検知器７１としては、酸素を主成分とするガス中の水素ガス濃度を測定することが可能な従来のガス組成検知器を特に制限なく用いることができ、第２のガス組成検知器７２としては、水素を主成分とするガス中の酸素ガス濃度を測定することが可能な従来のガス組成検知器を特に制限なく用いることができる。

　＜２．酸素ガス及び水素ガス製造方法（１）＞
　電解装置１００の動作、及び、電解装置１００を用いる形態の酸素ガス及び水素ガスの製造方法について、図１を参照しつつさらに説明する。

　電解槽１０の陽極室１１及び陰極室１２に電解液を供給しながら、陽極室１１に収容された陽極と陰極室１２に収容された陰極との間に通電することにより、陽極室１１においては陽極から酸素ガスが発生し、陰極室１２においては陰極から水素ガスが発生する（ステップ（ａ））。

　陽極室１１からは、電解液および陽極室１１で発生した酸素ガスを含む第１の気液混合物が回収される（ステップ（ｂ））。陽極室１１から回収された第１の気液混合物は、陽極液・ガス回収管２１を通じて第１の気液分離器２０に導かれる。
　陰極室１２からは、電解液および陰極室１２で発生した水素ガスを含む第２の気液混合物が回収される（ステップ（ｃ））。陰極室１２から回収された第２の気液混合物は、陰極液・ガス回収管３１を通じて第２の気液分離器３０に導かれる。

　陽極液・ガス回収管２１を通じて陽極室１１から導かれた第１の気液混合物は、第１の気液分離器２０において気液分離される（ステップ（ｄ））。第１の気液分離器２０は、気液分離した電解液（陽極液）を陽極液排出管２２に流出させ、気液分離した酸素ガスを酸素ガス吹込み管２３に流出させる。
　陰極液・ガス回収管３１を通じて陰極室１２から導かれた第２の気液混合物は、第２の気液分離器３０において気液分離される（ステップ（ｅ））。第２の気液分離器３０は、気液分離した電解液（陰極液）を陰極液排出管３２に流出させ、気液分離した水素ガスを水素ガス吹込み管３３に流出させる。

　第１の気液分離器２０において気液分離された電解液（陽極液）は、陽極液排出管２２を通じて第１の電解液タンク４０に導かれ、第１の電解液タンク４０に貯留される（ステップ（ｆ））。
　第２の気液分離器３０において気液分離された電解液（陰極液）は、陰極液排出管３２を通じて第２の電解液タンク５０に導かれ、第２の電解液タンク５０に貯留される（ステップ（ｇ））。

　第１の気液分離器２０において気液分離された酸素ガスは、酸素ガス吹込み管２３を通じて、第１の電解液タンク４０の気相領域４０ｂに導入される（ステップ（ｈ））。
　第２の気液分離器３０において気液分離された水素ガスは、水素ガス吹込み管３３を通じて、第２の電解液タンク５０の気相領域５０ｂに導入される（ステップ（ｉ））。

　第１の電解液タンク４０の気相領域４０ｂ中の酸素ガスは、酸素ガス排出管４１を通じて気相領域４０ｂから回収される（ステップ（ｊ））。酸素ガス排出管４１を通じて気相領域４０ｂから回収されるガスは、酸素ガス吹込み管２３を通じて気相領域４０ｂに導入された酸素ガスに加えて、第１の電解液タンク４０の液相領域４０ａを占める電解液から気相領域４０ｂに放出された溶存ガスも含んでいる。上記したように、ステップ（ａ）においては、電解槽１０の陽極室１１及び陰極室１２に電解液を供給しながら、陽極室１１に収容された陽極と陰極室１２に収容された陰極との間に通電することにより、陽極室１１においては陽極から酸素ガスが発生し、陰極室１２においては陰極から水素ガスが発生する。電解槽１０において陽極室１１と陰極室１２とは、イオン透過性の隔膜１３により区画されているが、隔膜１３のガスの遮断性は通常、完全ではないから、陽極室１１から回収される酸素ガスには隣接する陰極室１２で発生した水素ガスが少量混入している。同様に、陰極室１２から回収される水素ガスには隣接する陽極室１１で発生した酸素ガスが少量混入している。また、第１の気液分離器２０及び第２の気液分離器３０が、金属材料を含んでなる接液部と、該金属材料の電食を抑制するための犠牲電極とを備えている場合には、電解槽１０からのリーク電流により逆電解反応が起こるので、第１の気液分離器２０（酸素ガス側）では微量の水素ガスが発生して当該発生した微量の水素ガスが第１の気液分離器２０から流出する酸素ガス中に混入し、第２の気液分離器３０（水素ガス側）では微量の酸素ガスが発生して当該発生した微量の酸素ガスが第２の気液分離器３０から流出する水素ガス中に混入する。従って、液相領域４０ａを占める電解液中の溶存ガスには酸素ガスだけでなく水素ガスも若干量含まれる。しかしながら、該水素ガスが液相領域４０ａから気相領域４０ｂに放出されたとしても、該水素ガスは酸素ガス吹込み管２３を通じて気相領域４０ｂに導入された酸素ガスとともに、酸素ガス排出管４１を通じて気相領域４０ｂから速やかに排出されるので、気相領域４０ｂ中の水素ガス濃度が爆発限界に至るまで上昇することが防止される。加えて、第１の電解液タンク４０の液相領域４０ａを占める電解液は、陽極室１１から回収された電解液（陽極液）であるので、該電解液中の溶存ガスの主成分は酸素ガスである。すなわち、該電解液中の溶存ガスとして水素ガスが含まれていたとしても、水素ガスは溶存ガスの副成分に過ぎない。したがって第１の電解液タンク４０の液相領域４０ａを占める電解液から気相領域４０ｂに放出される溶存ガスが酸素ガス排出管４１から回収される酸素ガスの純度に与える影響は軽微である。

　第２の電解液タンク５０の気相領域５０ｂ中の水素ガスは、水素ガス排出管５１を通じて気相領域５０ｂから回収される（ステップ（ｋ））。水素ガス排出管５１を通じて気相領域５０ｂから回収されるガスは、水素ガス吹込み管３３を通じて気相領域５０ｂに導入された水素ガスに加えて、第２の電解液タンク５０の液相領域５０ａを占める電解液から気相領域５０ｂに放出された溶存ガスも含んでいる。この溶存ガスには、上記説明した第１の電解液タンク４０における液相領域４０ａの場合と逆の関係で、水素ガスだけでなく酸素ガスも若干量含まれる。しかしながら、該酸素ガスが液相領域５０ａから気相領域５０ｂに放出されたとしても、該酸素ガスは水素ガス吹込み管３３を通じて気相領域５０ｂに導入された水素ガスとともに、水素ガス排出管５１を通じて気相領域５０ｂから速やかに排出されるので、気相領域５０ｂ中の酸素ガス濃度が爆発限界に至るまで上昇することが防止される。加えて、第２の電解液タンク５０の液相領域５０ａを占める電解液は、陰極室１２から回収された電解液（陰極液）であるので、該電解液中の溶存ガスの主成分は水素ガスである。すなわち、該電解液中の溶存ガスとして酸素ガスが含まれていたとしても、酸素ガスは溶存ガスの副成分に過ぎない。したがって第２の電解液タンク５０の液相領域５０ａを占める電解液から気相領域５０ｂに放出される溶存ガスが水素ガス排出管５１から回収される水素ガスの純度に与える影響は軽微である。

　第１の電解液タンク４０及び第２の電解液タンク５０に貯留された電解液は、集合配管６２を通じて循環ポンプ６１に導かれて循環ポンプ６１から送出され、第１の電解液タンク４０から導かれた電解液と第２の電解液タンク５０から導かれた電解液との混合物が電解液供給管６３を通じて陽極室１１及び陰極室１２に供給される（ステップ（ｌ））。電解装置１００を連続的に運転すること、すなわち、上記ステップ（ａ）乃至（ｌ）が同時に連続的に行われることにより、アルカリ水の電解による酸素ガス及び水素ガスの製造が連続的に行われる。電解装置１００を運転する間に、陰極反応と陽極反応との水消費速度の違い等により第１の電解液タンク４０と第２の電解液タンク５０との間で液面差が生じた場合には、連通配管８０を通じて電解液が一方の電解液タンクから他方の電解液タンクに移動することにより、液面差が低減ないし解消される。このような連通配管を備える形態の電解装置においては、連通配管を通じて一方のタンクから他方のタンクに電解液が流入すると同時に、連通配管を通じて流入する電解液が該電解液中の溶存ガスも一緒に持ち込むので、電解装置が本発明の構成を有しない場合には連通配管を通じて電解液が流入する側のタンクにおいて気相領域中のガス組成が爆発限界に達し易くなる。これに対して本発明の電解装置によれば、このような連通配管を備える場合であっても、各電解液タンクの気相領域中のガス組成が爆発限界に達することを防止できる。従って、このような連通配管を備える形態の電解装置においては、本発明の、各電解液タンクの気相領域中のガス組成が爆発限界に達することを防止する効果が、より顕著に発揮される。

　第１の電解液タンク４０のガス出側に配置された第１のガス組成検知器７１により、第１の電解液タンク４０の気相領域４０ｂにおけるガス組成が監視される（ステップ（ｍ））。第１の電解液タンク４０のガス出側において観測されるガス組成と、気相領域４０ｂにおけるガス組成とは同一であるので、第１の電解液タンク４０のガス出側に配置されたガス組成検知器によって気相領域４０ｂにおけるガス組成を監視することが可能である。
　第２の電解液タンク５０のガス出側に配置された第２のガス組成検知器７２により、第２の電解液タンク５０の気相領域５０ｂにおけるガス組成が監視される（ステップ（ｎ））。第２の電解液タンク５０のガス出側において観測されるガス組成と、気相領域５０ｂにおけるガス組成とは同一であるので、第２の電解液タンク５０のガス出側に配置されたガス組成検知器によって気相領域５０ｂにおけるガス組成を監視することが可能である。
　第１のガス組成検知器７１によるガス組成の監視（ステップ（ｍ））、及び、第２のガス組成検知器７２によるガス組成の監視（ステップ（ｎ））は、連続的に行ってもよく、間欠的に行ってもよいが、電解装置１００の異常を早期に検知する観点からは連続的に行うことが好ましい。

　本発明に関する上記説明では、第１の電解液タンク４０のガス出側に配置された第１のガス組成検知器７１、及び、第２の電解液タンク５０のガス出側に配置された第２のガス組成検知器７２を備える形態の電解装置１００、並びに、該電解装置１００を用いる形態の酸素ガス及び水素ガスの製造方法を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。第１のガス組成検知器および第２のガス組成検知器の配置箇所は、各電解液タンクのガス出側以外の箇所とすることも可能である。例えば、各ガス組成検知器を各電解液タンクの気相領域中に配置してもよい。また例えば、各ガス組成検知器を各気液分離器のガス出側（各電解液タンクの上流側）に配置してもよい。本発明のアルカリ水電解装置においては、電解槽から回収された各ガスは、各電解液タンクの気相領域を経由した後に取り出される。したがって、各ガス組成検知器を各気液分離器のガス出側（各電解液タンクの上流側）に配置した場合であっても、各電解液タンクの気相領域におけるガス組成を監視することが可能である。また例えば、第１のガス組成検知器および第２のガス組成検知器を備えない形態のアルカリ水電解装置とすることも可能である。

　本発明に関する上記説明では、第１の電解液タンク４０の液相領域４０ａと、第２の電解液タンク５０の液相領域５０ａとを、電解液が流通可能に接続する連通配管８０を備える形態の電解装置１００、並びに、該電解装置を用いる形態の酸素ガス及び水素ガスの製造方法を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、第１の電解液タンクの液相領域と第２の電解液タンクの液相領域とを接続する連通配管を備えない形態のアルカリ水電解装置とすることも可能である。

　＜３．アルカリ水電解装置（２）＞
　本発明に関する上記説明では、循環装置６０が、第１の電解液タンク４０及び第２の電解液タンク５０に接続された集合配管６２と、集合配管６２及び電解槽１０に接続され、集合配管６２を通じて導かれた電解液を陽極室１１及び陰極室１２に供給する循環ポンプ６１とを備える形態の電解装置１００、並びに、該電解装置１００を用いる形態の酸素ガス及び水素ガスの製造方法を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、循環装置が、第１の電解液タンクから陽極室に電解液を供給する第１の循環ポンプと、第２の電解液タンクから陰極室に電解液を供給する第２の循環ポンプとを備える形態のアルカリ水電解装置とすることも可能である。図２は、そのような他の実施形態に係るアルカリ水電解装置２００（以下において「電解装置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に既に表れた要素と同一の要素には図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。

　電解装置２００は、循環装置６０に代えて循環装置２６０を備える点において、上記説明した電解装置１００と異なっている。循環装置２６０は、第１の電解液タンク４０から陽極室１１に電解液を供給する第１の循環ポンプ２６１と、第２の電解液タンク５０から陰極室１２に電解液を供給する第２の循環ポンプ２６２とを備える。循環装置２６０は、第１の電解液タンク４０の液相領域４０ａから電解液を第１の循環ポンプ２６１に導く配管２６３と、第１の循環ポンプ２６１から送出された電解液を陽極室１１に導く配管２６５とをさらに備えている。また循環装置２６０は、第２の電解液タンク５０の液相領域５０ａから電解液を第２の循環ポンプ２６２に導く配管２６４と、第２の循環ポンプ２６２から送出された電解液を陰極室１２に導く配管２６６とをさらに備えている。第１の循環ポンプ２６１及び第２の循環ポンプ２６２としては、アルカリ水電解装置に従来用いられている形態の循環ポンプを特に制限なく用いることができる。

　＜４．酸素ガス及び水素ガス製造方法（２）＞
　電解装置２００の動作、及び、電解装置２００を用いる形態の酸素ガス及び水素ガスの製造方法について、図２を参照しつつさらに説明する。電解装置２００を用いる形態の酸素ガス及び水素ガスの製造方法は、上記ステップ（ｌ）においてのみ異なっている。すなわち、第１の電解液タンク４０に貯留された電解液は、配管２６３を通じて第１の循環ポンプ２６１に導かれて第１の循環ポンプ２６１から送出され、配管２６５を通じて陽極室１１に供給される。また第２の電解液タンク５０に貯留された電解液は、配管２６４を通じて第２の循環ポンプ２６２に導かれて第２の循環ポンプ２６２から送出され、配管２６６を通じて陰極室に供給される（ステップ（ｌ’））。

　電解装置２００を連続的に運転すること、すなわち、上記ステップ（ａ）乃至（ｋ）及び（ｌ’）が同時に連続的に行われることにより、アルカリ水の電解による酸素ガス及び水素ガスの製造が連続的に行われる。電解装置２００を運転する間に、陰極反応と陽極反応との水消費速度の違い等により第１の電解液タンク４０と第２の電解液タンク５０との間で液面差が生じた場合には、連通配管８０を通じて電解液が一方の電解液タンクから他方の電解液タンクに移動することにより、液面差が低減ないし解消される。

　このような電解装置２００、及び電解装置２００を用いる形態の酸素ガス及び水素ガスの製造方法によっても、電解装置１００に関連して上記説明した効果を得ることが可能である。

１００、２００　電解装置
１０　電解槽
１１　陽極室
１２　陰極室
１３　（イオン透過性の）隔膜
２０　第１の気液分離器
２１　陽極液・ガス回収管
２２　陽極液排出管
２３　酸素ガス吹込み管
３０　第２の気液分離器
３１　陰極液・ガス回収管
３２　陰極液排出管
３３　水素ガス吹込み管
４０　第１の電解液タンク
４０ａ、５０ａ　液相領域
４０ｂ、５０ｂ　気相領域
４１　酸素ガス排出管
５０　第２の電解液タンク
５１　水素ガス排出管
６０、２６０　循環装置
６１　循環ポンプ
６２　集合配管
６３　電解液供給管
２６１　第１の循環ポンプ
２６２　第２の循環ポンプ
２６３、２６４、２６５、２６６　配管
７１　第１のガス組成検知器
７２　第２のガス組成検知器
８０　連通配管

Claims

　陽極を収容し酸素ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、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を備える電解槽と、
　前記陽極室に接続され、前記陽極室から流出した電解液および酸素ガスを気液分離する、第１の気液分離器と、
　前記陰極室に接続され、前記陰極室から流出した電解液および水素ガスを気液分離する、第２の気液分離器と、
　前記第１の気液分離器に接続され、前記第１の気液分離器によって分離された電解液を受け容れ貯留する、第１の電解液タンクと、
　前記第２の気液分離器に接続され、前記第２の気液分離器によって分離された電解液を受け容れ貯留する、第２の電解液タンクと、
　前記第１の気液分離器および前記第１の電解液タンクに接続され、前記第１の気液分離器によって分離された酸素ガスを、前記第１の電解液タンクの気相領域に導く、酸素ガス吹込み管と、
　前記第２の気液分離器および前記第２の電解液タンクに接続され、前記第２の気液分離器によって分離された水素ガスを、前記第２の電解液タンクの気相領域に導く、水素ガス吹込み管と、
　前記第１の電解液タンクに接続され、前記第１の電解液タンクの気相領域から酸素ガスを流出させる、酸素ガス排出管と、
　前記第２の電解液タンクに接続され、前記第２の電解液タンクの気相領域から水素ガスを流出させる、水素ガス排出管と、
　前記第１の電解液タンク及び前記第２の電解液タンクから、前記陽極室及び前記陰極室に電解液を供給する、循環装置と
を備え、
　前記電解液はアルカリ水溶液であることを特徴とする、
アルカリ水電解装置。
　前記循環装置が、
　　前記第１の電解液タンク及び前記第２の電解液タンクに接続された集合配管と、
　　前記集合配管及び前記電解槽に接続され、前記集合配管を通じて導かれた電解液を前記陽極室及び前記陰極室に供給する、循環ポンプと
を備える、請求項１に記載のアルカリ水電解装置。
　前記循環装置が、
　　前記第１の電解液タンクから前記陽極室に電解液を供給する、第１の循環ポンプと、
　　前記第２の電解液タンクから前記陰極室に電解液を供給する、第２の循環ポンプと
を備える、請求項１に記載のアルカリ水電解装置。
　前記第１の電解液タンクの気相領域におけるガス組成を監視する、第１のガス組成検知器と、
　前記第２の電解液タンクの気相領域におけるガス組成を監視する、第２のガス組成検知器と
をさらに備える、請求項１～３のいずれかに記載のアルカリ水電解装置。
　前記第１の電解液タンクの液相領域と、前記第２の電解液タンクの液相領域とを、電解液が流通可能に接続する連通配管をさらに備える、
請求項１～４のいずれかに記載のアルカリ水電解装置。
　陽極を収容し酸素ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、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を備える電解槽を用いて、アルカリ水溶液である電解液を電解することにより酸素ガス及び水素ガスを製造する方法であって、
　（ａ）前記陽極室および前記陰極室に電解液を供給しながら前記陽極と前記陰極との間に通電することにより、前記陽極から酸素ガスを発生させ且つ前記陰極から水素ガスを発生させる工程と、
　（ｂ）前記陽極室から電解液および酸素ガスを含む第１の気液混合物を回収する工程と、
　（ｃ）前記陰極室から電解液および水素ガスを含む第２の気液混合物を回収する工程と、
　（ｄ）前記第１の気液混合物を気液分離する工程と、
　（ｅ）前記第２の気液混合物を気液分離する工程と、
　（ｆ）前記第１の気液混合物の気液分離によって分離された電解液を、第１の電解液タンクに貯留する工程と、
　（ｇ）前記第２の気液混合物の気液分離によって分離された電解液を、第２の電解液タンクに貯留する工程と、
　（ｈ）前記第１の気液混合物の気液分離によって分離された酸素ガスを、前記第１の電解液タンクの気相領域に導入する工程と、
　（ｉ）前記第２の気液混合物の気液分離によって分離された水素ガスを、前記第２の電解液タンクの気相領域に導入する工程と、
　（ｊ）前記第１の電解液タンクの気相領域から酸素ガスを回収する工程と、
　（ｋ）前記第２の電解液タンクの気相領域から水素ガスを回収する工程と、
　（ｌ）前記第１の電解液タンク及び前記第２の電解液タンクから、前記陽極室および前記陰極室に電解液を供給する工程と、
を含む、酸素ガス及び水素ガスの製造方法。
　前記工程（ｌ）が、
　　前記第１の電解液タンクに貯留された電解液と、前記第２の電解液タンクに貯留された電解液との混合物を、前記陽極室および前記陰極室に供給すること
を含む、請求項６に記載の酸素ガス及び水素ガスの製造方法。
　前記工程（ｌ）が、
　　前記第１の電解液タンクに貯留された電解液を、前記陽極室に供給すること、及び、
　　前記第２の電解液タンクに貯留された電解液を、前記陰極室に供給すること
を含む、請求項６に記載の酸素ガス及び水素ガスの製造方法。
　（ｍ）前記第１の電解液タンクの気相領域中のガス組成を監視する工程と、
　（ｎ）前記第２の電解液タンクの気相領域中のガス組成を監視する工程と
をさらに含む、請求項６～８のいずれかに記載の酸素ガス及び水素ガスの製造方法。