JP7765497B2 - 内部マニホールド型複極式電解エレメント、電解槽、及び水素の製造方法 - Google Patents
内部マニホールド型複極式電解エレメント、電解槽、及び水素の製造方法Info
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Description
本発明は、内部マニホールド型複極式電解エレメント、該内部マニホールド型複極式電解エレメントを用いた電解槽、及び該電解槽を用いた水素の製造方法に関する。
近年、二酸化炭素等の温室効果ガスによる地球温暖化、化石燃料の埋蔵量の減少等の問題を解決するため、再生可能エネルギーを利用した風力発電や太陽光発電等の技術が注目されている。
再生可能エネルギーは、出力が気候条件に依存するため、その変動が非常に大きいという性質がある。そのため、再生可能エネルギーによる発電で得られた電力を一般電力系統に輸送することが常に可能とはならず、電力需給のアンバランスや電力系統の不安定化等の社会的な影響が懸念されている。
そこで、再生可能エネルギーから発電された電力を、貯蔵及び輸送が可能な形に代えて利用しようとする研究が行われている。具体的には、再生可能エネルギーから発電された電力を利用した水の電気分解（電解）により、貯蔵及び輸送が可能な水素を発生させ、水素をエネルギー源や原料として利用することが検討されている。
水素は、石油精製、化学合成、金属精製等の場面において、工業的に広く利用されており、近年では、燃料電池車（ＦＣＶ）向けの水素ステーションやスマートコミュニティ、水素発電所等における利用の可能性も広がっている。このため、再生可能エネルギーから水素を得る技術の開発に対する期待は特に高い。
水の電気分解の方法としては、固体高分子型水電解法、高温水蒸気電解法、アルカリ水電解法等がある。これらの方法のうち、数十年以上前から工業化されていること、大規模に実施することができること、他の水電解システムに比べると安価であること等から、アルカリ水電解は特に有力なものの一つとされている。
しかしながら、アルカリ水電解を今後エネルギーの貯蔵及び輸送のための手段として適応させるためには、前述のとおり出力の変動が大きい電力を効率的かつ安定的に利用して水電解を行うことを可能にする必要がある。そのため、アルカリ水電解用の電解セルや装置の諸課題を解決することが求められている。
アルカリ水電解においては、電解時に、カソードで水の還元反応が生じ、これにより生成したＯＨ－は、隔膜を介してアノードへ拡散する。電解液の供給配管であるマニホールドの内部でも、電解液を介したイオン電導性を有するため、一部のＯＨ－はマニホールドを介してアノードへ移動する。その際にＯＨ－の流れとは逆にイオン電流が流れる。このように、マニホールドを介して流れるイオン電流はリーク電流と呼ばれる。リーク電流は、電解時に複数の水電解エレメントのアノード間またはカソード間におけるポテンシャル差が駆動力となってマニホールドを流れる。リーク電流が流れると、不純物ガスの発生によってガス純度（水素中酸素濃度、酸素中水素濃度）が悪化することや、電流効率が低下する場合がある。また、リーク電流による不純物ガス発生に伴うガス純度悪化は、水電解に限らず発生する現象である。例えば、食塩電解においては、ガス純度（水素中酸素濃度や塩素中水素濃度、塩素中酸素濃度）の悪化につながる。
このような諸課題に対し、フッ素樹脂などの高耐薬品性の電気絶縁材料をライニングする方法がある。例えば、特許文献１では、気液ボックスの接液面にフッ素樹脂をライニングする方法が挙げられている。この方法をマニホールドへ用いれば、リーク電流による不純物ガスの発生を防止することができ、高電解効率を長期間持続することができる。
このような諸課題に対し、フッ素樹脂などの高耐薬品性の電気絶縁材料をライニングする方法がある。例えば、特許文献１では、気液ボックスの接液面にフッ素樹脂をライニングする方法が挙げられている。この方法をマニホールドへ用いれば、リーク電流による不純物ガスの発生を防止することができ、高電解効率を長期間持続することができる。
しかしながら、特許文献１に記載されているような樹脂ライニングであっても、セル構造体との線膨張係数の違いやライニング末端における流体摩擦によって界面剥離を引き起こす可能性がある。界面剥離が発生すると、セル一式の交換が必要になり、かえって費用負担が大きくなる場合がある。また、一般的にセル交換の期間中は電解設備の停止期間が発生するため、電解槽の稼働率が低下してしまう問題があった。
そこで、本発明は、リーク電流による不純物ガスの発生を抑制し、負荷変動に応じて電解電流を変動させて出力を制御することができ、長期間高効率及び高純度水素の製造を維持できると共に、部材のメンテナンスが容易であり、電解槽停止期間を短くできることを目的とする。
本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］
陽極と、陰極と、隔壁と、外枠で構成され、マニホールドを有する内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメントであり、
前記陽極、前記陰極、前記隔壁、前記外枠、及び前記マニホールドは、導電性を有し、
前記マニホールドの表面の少なくとも一部は、マニホールド被覆部材で覆われており、
すべての前記マニホールドの表面積の合計を１００％としたときに、前記マニホールド被覆部材によって被覆された表面積の割合（表面被覆率）が１３～１００％であり、
前記マニホールド被覆部材は、ガスケットと一体化されており、脱着可能であり、少なくとも絶縁材料で構成される、
ことを特徴とする、内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
［２］
陰極ターミナルエレメントと陽極ターミナルエレメントのマニホールドの表面の少なくとも一部が、前記マニホールド被覆部材で覆われている、［１］に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
［３］
前記マニホールド被覆部材が、ゴム材料及びポリテトラフルオロエチレンからなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成される、［１］又は［２］に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
［４］
前記マニホールド被覆部材が、ゴム材料で構成される、［１］～［３］のいずれかに記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
［５］
前記ガスケットの外側に樹脂スペーサーが配置され、前記樹脂スペーサーの圧縮弾性率は、前記ガスケットの圧縮弾性率よりも大きい、［１］～［４］のいずれかに記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
［６］
［１］～［５］のいずれかに記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメントと隔膜とが前記ガスケットを介してスタックされて電解セルが構成されることを特徴とする、内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽。
［７］
前記マニホールドが、前記隔膜の外側に配置されている、［６］に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽。
［８］
前記陽極ターミナルエレメントに、入口配管及び出口配管が接続されている、［６］又は［７］に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽。
［９］
［６］～［８］のいずれかに記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽を使用することを特徴とする、水素の製造方法。
［１０］
電解運転時の前記電解セル内の圧力が３～４０００ｋＰａである、［９］に記載の水素の製造方法。
［１１］
電力を供給する電源が、風力、太陽光、水力、潮力、波力、海流、及び地熱からなる群から選ばれる少なくとも一つの再生可能エネルギー出力由来の電源である、［９］又は［１０］に記載の水素の製造方法。
［１］
陽極と、陰極と、隔壁と、外枠で構成され、マニホールドを有する内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメントであり、
前記陽極、前記陰極、前記隔壁、前記外枠、及び前記マニホールドは、導電性を有し、
前記マニホールドの表面の少なくとも一部は、マニホールド被覆部材で覆われており、
すべての前記マニホールドの表面積の合計を１００％としたときに、前記マニホールド被覆部材によって被覆された表面積の割合（表面被覆率）が１３～１００％であり、
前記マニホールド被覆部材は、ガスケットと一体化されており、脱着可能であり、少なくとも絶縁材料で構成される、
ことを特徴とする、内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
［２］
陰極ターミナルエレメントと陽極ターミナルエレメントのマニホールドの表面の少なくとも一部が、前記マニホールド被覆部材で覆われている、［１］に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
［３］
前記マニホールド被覆部材が、ゴム材料及びポリテトラフルオロエチレンからなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成される、［１］又は［２］に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
［４］
前記マニホールド被覆部材が、ゴム材料で構成される、［１］～［３］のいずれかに記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
［５］
前記ガスケットの外側に樹脂スペーサーが配置され、前記樹脂スペーサーの圧縮弾性率は、前記ガスケットの圧縮弾性率よりも大きい、［１］～［４］のいずれかに記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
［６］
［１］～［５］のいずれかに記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメントと隔膜とが前記ガスケットを介してスタックされて電解セルが構成されることを特徴とする、内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽。
［７］
前記マニホールドが、前記隔膜の外側に配置されている、［６］に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽。
［８］
前記陽極ターミナルエレメントに、入口配管及び出口配管が接続されている、［６］又は［７］に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽。
［９］
［６］～［８］のいずれかに記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽を使用することを特徴とする、水素の製造方法。
［１０］
電解運転時の前記電解セル内の圧力が３～４０００ｋＰａである、［９］に記載の水素の製造方法。
［１１］
電力を供給する電源が、風力、太陽光、水力、潮力、波力、海流、及び地熱からなる群から選ばれる少なくとも一つの再生可能エネルギー出力由来の電源である、［９］又は［１０］に記載の水素の製造方法。
本発明によれば、リーク電流による不純物ガスの発生を抑制でき、負荷変動に応じて電解電流を変動させて出力を制御することができ、長期間高効率及び高純度水素の製造を維持できる。
その上、工業生産が容易で、部材のメンテナンスが容易であり、電解槽枠一式の交換が不要となるだけでなく、作業時間を大幅に短縮でき、電解停止時間を最小化することができる。
その上、工業生産が容易で、部材のメンテナンスが容易であり、電解槽枠一式の交換が不要となるだけでなく、作業時間を大幅に短縮でき、電解停止時間を最小化することができる。
以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という）について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
図１に、本実施形態の電解装置の一例の概要を示す。
（電解装置）
電解装置７０は、例えば、図１に示すように、複極式電解槽５０と、電解液を循環させるための送液ポンプ７１と、電解液と水素及び／又は酸素とを分離する気液分離タンク７２と、電解により消費した水を補給するための水補給器（図示せず）とを有する。また、より具体的には、本実施形態の電解装置７０は、相互に隔膜４で区画された、陽極２ａを有する陽極室５ａと陰極２ｃを有する陰極室５ｃとを備える。
本実施形態の電解装置は、水を電気分解するための水電解装置であってもよいし、特にアルカリ水を電気分解するためのアルカリ水電解装置であってもよい。
電解装置７０は、例えば、図１に示すように、複極式電解槽５０と、電解液を循環させるための送液ポンプ７１と、電解液と水素及び／又は酸素とを分離する気液分離タンク７２と、電解により消費した水を補給するための水補給器（図示せず）とを有する。また、より具体的には、本実施形態の電解装置７０は、相互に隔膜４で区画された、陽極２ａを有する陽極室５ａと陰極２ｃを有する陰極室５ｃとを備える。
本実施形態の電解装置は、水を電気分解するための水電解装置であってもよいし、特にアルカリ水を電気分解するためのアルカリ水電解装置であってもよい。
初めに、電解装置７０の構成要素のうち、主に複極式電解槽５０について説明する。
本実施形態の複極式電解槽は、水を電気分解するための複極式水電解槽であってもよいし、特にアルカリ水を電気分解するための複極式アルカリ水電解槽であってもよい。
本実施形態の複極式電解槽は、水を電気分解するための複極式水電解槽であってもよいし、特にアルカリ水を電気分解するための複極式アルカリ水電解槽であってもよい。
（電解槽）
電解槽には単極式と複極式があるが、本実施形態の電解装置７０における電解槽としては、図１等に示すように、工業的に好ましい複極式の電解槽５０を用いる。
複極式は、多数のセルを電源に接続する方法の１つであり、片面が陽極２ａ、片面が陰極２ｃとなる複数の複極式電解エレメント６０を同じ向きに並べて直列に接続し、両端のみを電源に接続する方法である。
複極式電解槽５０は、電源の電流を小さくできるという特徴を持ち、電解により化合物や所定の物質等を短時間で大量に製造することができる。電源設備は出力が同じであれば、定電流、高電圧の方が安価でコンパクトになるため、工業的には単極式よりも複極式の方が好ましい。
電解槽には単極式と複極式があるが、本実施形態の電解装置７０における電解槽としては、図１等に示すように、工業的に好ましい複極式の電解槽５０を用いる。
複極式は、多数のセルを電源に接続する方法の１つであり、片面が陽極２ａ、片面が陰極２ｃとなる複数の複極式電解エレメント６０を同じ向きに並べて直列に接続し、両端のみを電源に接続する方法である。
複極式電解槽５０は、電源の電流を小さくできるという特徴を持ち、電解により化合物や所定の物質等を短時間で大量に製造することができる。電源設備は出力が同じであれば、定電流、高電圧の方が安価でコンパクトになるため、工業的には単極式よりも複極式の方が好ましい。
図２に、本実施形態の電解装置の電解槽の一例の全体について示す。
また、図３に本実施形態の電解槽における複極式電解エレメントの一例を平面図で示す。
図２及び３に示す一例では、複極式電解槽５０は、陽極２ａと、陰極２ｃと、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１と、隔壁１を縁取る外枠３とを備える複数の複極式電解エレメント６０が隔膜４を挟んで重ね合わせられている複極式電解槽５０である。
なお、本実施形態の電解エレメントには、隔膜を介して陽極室と陰極室が形成されているシングルエレメントを含む。具体的には、隔壁と外枠に陽極が保持されたものと隔壁と外枠に陰極が保持されたものとの間に隔膜を挟んでボルトで締め、陰極室と陽極室を内包するエレメントであってもよい。このようなシングルエレメントをスタックすることでも複極式電解槽とすることができる。
また、図３に本実施形態の電解槽における複極式電解エレメントの一例を平面図で示す。
図２及び３に示す一例では、複極式電解槽５０は、陽極２ａと、陰極２ｃと、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１と、隔壁１を縁取る外枠３とを備える複数の複極式電解エレメント６０が隔膜４を挟んで重ね合わせられている複極式電解槽５０である。
なお、本実施形態の電解エレメントには、隔膜を介して陽極室と陰極室が形成されているシングルエレメントを含む。具体的には、隔壁と外枠に陽極が保持されたものと隔壁と外枠に陰極が保持されたものとの間に隔膜を挟んでボルトで締め、陰極室と陽極室を内包するエレメントであってもよい。このようなシングルエレメントをスタックすることでも複極式電解槽とすることができる。
本実施形態では、特に、複極式電解槽５０における、隣接する２つの複極式電解エレメント６０間の互いの隔壁１間における部分、及び、隣接する複極式電解エレメント６０とターミナルエレメントとの間の互いの隔壁１間における部分を電解セル６５と称する。電解セル６５は、一方のエレメントの隔壁１、陽極室５ａ、陽極２ａ、及び、隔膜４、及び、他方のエレメントの陰極２ｃ、陰極室５ｃ、隔壁１を含む。
（（複極式電解エレメント））
本実施形態の複極式電解槽５０に用いられる複極式電解エレメント６０の一例は、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１を備え、隔壁１を縁取る外枠３を備えている。より具体的には、隔壁１は導電性を有し、外枠３は隔壁１の外縁に沿って隔壁１を取り囲むように設けられている。
本実施形態の複極式電解エレメントは、水を電気分解するための複極式水電解エレメントとして適しており、特にアルカリ水を電気分解するための複極式アルカリ水電解エレメントとしても適している。
本実施形態の複極式電解槽５０に用いられる複極式電解エレメント６０の一例は、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１を備え、隔壁１を縁取る外枠３を備えている。より具体的には、隔壁１は導電性を有し、外枠３は隔壁１の外縁に沿って隔壁１を取り囲むように設けられている。
本実施形態の複極式電解エレメントは、水を電気分解するための複極式水電解エレメントとして適しており、特にアルカリ水を電気分解するための複極式アルカリ水電解エレメントとしても適している。
なお、本実施形態の複極式電解エレメント６０では、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が鉛直方向となるように使用してよく、具体的には、隔壁１の平面視形状が長方形である場合、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が、向かい合う２組の辺のうちの１組の辺の方向と同じ方向となるように、使用してよい（図３参照）。そして、本明細書では、上記鉛直方向を電解液通過方向とも称する。
本実施形態の複極式電解槽５０は、図２に示すとおり、複極式電解エレメント６０を必要数積層することで構成されている。
図２に示す一例では、複極式電解槽５０は、一端からファストヘッド５１ｇ、絶縁板５１ｉ、陽極ターミナルエレメント５１ａが順番に並べられ、更に、ガスケット７の陽極側ガスケット部分、隔膜４、ガスケット７の陰極側ガスケット部分、複極式電解エレメント６０が、この順番で並べて配置される。このとき、複極式電解エレメント６０は、陽極ターミナルエレメント５１ａ側に陰極２ｃを向けるよう配置する。陽極側ガスケット部分から複極式電解エレメント６０までは、設計生産量に必要な数だけ繰り返し配置される。陽極側ガスケット部分から複極式電解エレメント６０までを必要数だけ繰り返し配置した後、再度、陽極側ガスケット部分、隔膜４、陰極側ガスケット部分を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント５１ｃ、絶縁板５１ｉ、ルーズヘッド５１ｇがこの順番で配置される。複極式電解槽５０は、全体をタイロッド方式５１ｒ（図２参照）や油圧シリンダー方式等の締め付け機構により締め付けることによりー体化され、複極式電解槽５０となる。
複極式電解槽５０を構成する配置は、陽極２ａ側からでも陰極２ｃ側からでも任意に選択でき、上述の順序に限定されるものではない。
図２に示す一例では、複極式電解槽５０は、一端からファストヘッド５１ｇ、絶縁板５１ｉ、陽極ターミナルエレメント５１ａが順番に並べられ、更に、ガスケット７の陽極側ガスケット部分、隔膜４、ガスケット７の陰極側ガスケット部分、複極式電解エレメント６０が、この順番で並べて配置される。このとき、複極式電解エレメント６０は、陽極ターミナルエレメント５１ａ側に陰極２ｃを向けるよう配置する。陽極側ガスケット部分から複極式電解エレメント６０までは、設計生産量に必要な数だけ繰り返し配置される。陽極側ガスケット部分から複極式電解エレメント６０までを必要数だけ繰り返し配置した後、再度、陽極側ガスケット部分、隔膜４、陰極側ガスケット部分を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント５１ｃ、絶縁板５１ｉ、ルーズヘッド５１ｇがこの順番で配置される。複極式電解槽５０は、全体をタイロッド方式５１ｒ（図２参照）や油圧シリンダー方式等の締め付け機構により締め付けることによりー体化され、複極式電解槽５０となる。
複極式電解槽５０を構成する配置は、陽極２ａ側からでも陰極２ｃ側からでも任意に選択でき、上述の順序に限定されるものではない。
図２に示すように、複極式電解槽５０では、複極式電解エレメント６０が、陽極ターミナルエレメント５１ａと陰極ターミナルエレメント５１ｃとの間に配置されている。隔膜４は、陽極ターミナルエレメント５１ａと複極式電解エレメント６０との間、隣接して並ぶ複極式電解エレメント６０同士の間、及び複極式電解エレメント６０と陰極ターミナルエレメント５１ｃとの間に配置されている。
また、本実施形態における複極式電解槽５０では、隔壁１と外枠３と隔膜４とにより、電解液が通過する電極室５が画成されている。
図４（ａ）に、図３に示す複極式電解エレメントの一例を線Ａ－Ａに沿う面により切断したときの断面の一部を示す。
図４（ａ）に、図３に示す複極式電解エレメントの一例を線Ａ－Ａに沿う面により切断したときの断面の一部を示す。
詳細には、電極室５は、外枠３との境界において、電極室５に電解液を導入する電解液入口５ｉと、電極室５から電解液を導出する電解液出口５ｏとを有する。より具体的には、陽極室５ａには、陽極室５ａに電解液を導入する陽極電解液入口５ａｉと、陽極室５ａから導出する電解液を導出する陽極電解液出口５ａｏとが設けられる。同様に、陰極室５ｃには、陰極室５ｃに電解液を導入する陰極電解液入口５ｃｉと、陰極室５ｃから導出する電解液を導出する陰極電解液出口５ｃｏとが設けられる。
本実施形態では、陽極室５ａ及び陰極室５ｃにおいて、電解液を複極式電解槽５０内部で電極面内に均一に分配するための、内部ディストリビュータを備えてもよい。また、電極室５は、複極式電解槽５０内部での液の流れを制限する機能を備える、バッフル板を備えてもよい。更に、陽極室５ａ及び陰極室５ｃにおいて、複極式電解槽５０内部での電解液の濃度や温度の均一化、及び、電極２や隔膜４に付着するガスの脱泡の促進のために、カルマン渦を作るための突起物を備えてもよい。
複極式電解槽５０には、ガスや電解液を配液又は集液する管であるマニホールド２０が取り付けられる。詳細には、マニホールド２０は、電極室５に電解液を入れるための入口ヘッダー部２０ｉと、電極室５からガスや電解液を出すための出口ヘッダー部２０ｏとを含み、好適にはこれらからなる。
マニホールドの配設態様として、代表的には、集合配管（以下、ヘッダーと記載する）が複極式電解槽とは独立しておらず電解槽内部に設けられている内部マニホールド型と、ヘッダーが複極式電解槽とは独立している（電解槽の外部に設けられている）外部マニホールド型とがあるが、本実施形態の複極式電解槽５０では、入口ヘッダー部２０ｉ及び出口ヘッダー部２０ｏのいずれも複極式電解槽５０の内部に設けられている内部マニホールド型を用いる。
一般に、陽極用配液管は陽極入口ヘッダー部２０ａｉ、陰極用配液管は陰極入口ヘッダー部２０ｃｉ、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー部２０ａｏ、陰極用集液管は陰極出口ヘッダー部２０ｃｏと呼ばれる。
一般に、陽極用配液管は陽極入口ヘッダー部２０ａｉ、陰極用配液管は陰極入口ヘッダー部２０ｃｉ、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー部２０ａｏ、陰極用集液管は陰極出口ヘッダー部２０ｃｏと呼ばれる。
図３に、本実施形態の内部マニホールド型の複極式電解エレメントの一例を平面図で示す。
また、図４（ａ）に、図３に示す内部マニホールド型の複極式電解エレメントの一例を線Ａ－Ａに沿う面により切断したときの断面の一部を示す。
また、図４（ａ）に、図３に示す内部マニホールド型の複極式電解エレメントの一例を線Ａ－Ａに沿う面により切断したときの断面の一部を示す。
図３、図４（ａ）に示す一例では、複極式電解エレメント６０を隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が鉛直方向となるように使用し、隔壁１の端縁にある外枠３の下方に、陽極室５ａに電解液を供給するための陽極入口ヘッダー部２０ａｉと、陰極室５ｃに電解液を供給するための陰極入口ヘッダー部２０ｃｉとを備え、隔壁１の端縁にある外枠３のうちの上方に、陽極室５ａから電解液を排出するための陽極出口ヘッダー部２０ａｏと、陰極室５ｃから電解液を排出するための陰極出口ヘッダー部２０ｃｏとを備えている。
本実施形態では、入口ヘッダー部２０ｉと出口ヘッダー部２０ｏとは、電解効率の観点から、離れた位置に設けられることが好ましく、電極室５の中央部を挟んで向かい合うように設けられることが好ましく、図３に示すように隔壁１の平面視形状が長方形である場合、長方形の中心に関して対称となるように設けられることが好ましい。
また、入口ヘッダー部２０ｉ及び出口ヘッダー部２０ｏのいずれも、隔膜４の外側（隔膜４の周囲の任意の箇所）に設けられることが好ましい。マニホールド２０を、隔膜４の内側に設ける（例えば、入口ヘッダー部２０ｉと出口ヘッダー部２０ｏとを、隔膜４の内側に隔膜４を貫通するようにして配置する等）のではなく、隔膜４の外側（例えば、図３に示すように電極室５の外側）に配置することにより、隔膜４を損傷させるおそれがなくなる。
通常、図３に示すように、陽極入口ヘッダー部２０ａｉ、陰極入口ヘッダー部２０ｃｉ、陽極出口ヘッダー部２０ａｏ、及び陰極出口ヘッダー部２０ｃｏは、各電極室５に１つずつ設けられるが、本実施形態では、これに限定されず、各電極室５にそれぞれ複数設けられてもよい。
なお、図３、図４（ａ）に示した例では、平面視で長方形形状の隔壁１と平面視で長方形形状の隔膜４とが平行に配置され、また、隔壁１の端縁に設けられる直方体形状の外枠の隔壁１側の内面が隔壁１に垂直となっているため、電極室５の形状が直方体となっている。しかしながら、本発明において、電極室５の形状は、図示の例の直方体に限定されることなく、隔壁１や隔膜４の平面視形状、外枠３の隔壁１側の内面と隔壁１とのなす角度等により、適宜変形されてよく、本発明の効果が得られる限り、いかなる形状であってもよい。
本実施形態において、マニホールド２０の延在方向は特に限定されないが、本発明の効果を得られやすくする観点から、隔壁１に垂直な方向に延びるヘッダー部があることが好ましく、図３及び図４（ａ）に示す一例のように、すべてのヘッダー部が隔壁１に垂直な方向に延びることがより好ましい。
なお、本明細書において、隔壁１に垂直な方向に延びるとは、隔壁１に厳密な意味で垂直な方向に延びることを意味するものではなく、隔壁１に垂直な方向に対して、例えば、隔壁１に沿う方向にみて４５°以下の範囲で、傾斜する方向に延びる場合も含むことを意味する。なお、上記傾斜角度は、３０°以下であることが好ましく、１５°以下であることがより好ましい。
なお、本明細書において、隔壁１に垂直な方向に延びるとは、隔壁１に厳密な意味で垂直な方向に延びることを意味するものではなく、隔壁１に垂直な方向に対して、例えば、隔壁１に沿う方向にみて４５°以下の範囲で、傾斜する方向に延びる場合も含むことを意味する。なお、上記傾斜角度は、３０°以下であることが好ましく、１５°以下であることがより好ましい。
本実施形態において、マニホールド２０の表面の少なくとも一部は、リーク電流による不純物ガスの発生を防止する目的で、ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０で覆われている。
ここで、マニホールド被覆部材３０とガスケット７の一体化とは、ガスケット７のシール機能と、マニホールド被覆部材３０のマニホールド２０の表面を覆う機能とが１つの部材で有することを指す。
また、マニホールド被覆部材３０の被覆とは、マニホールド２０の表面（接液面）の少なくとも一部を、その部材で覆うことを指す。マニホールド被覆部材３０が、マニホールド２０の表面の少なくとも一部を覆うことで、マニホールド２０の表面でのリーク電流による不純物ガス発生を防止することができる。マニホールド被覆部材３０は、少なくとも絶縁材料で構成されることが好ましい。
また、各エレメント間のシール性を更に向上させるために、ガスケット７の外周を囲うようにして、ガスケット７の外側に樹脂スペーサー４０を配置してもよい。
図４（ｂ）に、図４（ａ）に示す複極式電解エレメント６０の一例に、ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０を取り付けた状態を示す。なお、図示していないが、実際には、陽極出口ヘッダー部２０aｏから陽極室５aに通じる細管があり、陽極出口ヘッダー部２０aｏの表面上の該細管の開口部はマニホールド被覆部材３０で覆っていない状態となっている。
ここで、マニホールド被覆部材３０とガスケット７の一体化とは、ガスケット７のシール機能と、マニホールド被覆部材３０のマニホールド２０の表面を覆う機能とが１つの部材で有することを指す。
また、マニホールド被覆部材３０の被覆とは、マニホールド２０の表面（接液面）の少なくとも一部を、その部材で覆うことを指す。マニホールド被覆部材３０が、マニホールド２０の表面の少なくとも一部を覆うことで、マニホールド２０の表面でのリーク電流による不純物ガス発生を防止することができる。マニホールド被覆部材３０は、少なくとも絶縁材料で構成されることが好ましい。
また、各エレメント間のシール性を更に向上させるために、ガスケット７の外周を囲うようにして、ガスケット７の外側に樹脂スペーサー４０を配置してもよい。
図４（ｂ）に、図４（ａ）に示す複極式電解エレメント６０の一例に、ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０を取り付けた状態を示す。なお、図示していないが、実際には、陽極出口ヘッダー部２０aｏから陽極室５aに通じる細管があり、陽極出口ヘッダー部２０aｏの表面上の該細管の開口部はマニホールド被覆部材３０で覆っていない状態となっている。
なお、本実施形態の電解装置７０の複極式電解槽５０では、電解室５内における気液の流れの乱れにより電解室５に生じる対流を低減して、局所的な電解液の温度の上昇を抑制するため、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１に対して平行に配置される複数の整流板６（陽極整流板６ａ、陰極整流板６ｃ）を備えていてもよい（図３、図４参照）。
整流板６の数、長さ、隔壁１とのなす角度、及び隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１に垂直な方向についての一定の間隔（ピッチ）は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよく、一定でなくてもよい。また、整流板６は、貫通孔を有していてもよく、貫通孔の数及び隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１についての一定の間隔（ピッチ）は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよく、一定でなくてもよい。
また、整流板６の代わりに、突起及び／又は凹みを備えていてもよい。突起及び／又は凹みの立体形状は、特に限定されず、例えば、波形状、半球状、球状、楕円球状、柱体状、錐体状、錐台体状などの任意の幾何学的形状とすることができる。突起及び／又は凹みは、ある間隔のもと配置することができる。前記突起及び／又は凹みの配置は、６０°千鳥や４５°千鳥、並列など、任意の配列とすることができる。
整流板６の数、長さ、隔壁１とのなす角度、及び隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１に垂直な方向についての一定の間隔（ピッチ）は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよく、一定でなくてもよい。また、整流板６は、貫通孔を有していてもよく、貫通孔の数及び隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１についての一定の間隔（ピッチ）は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよく、一定でなくてもよい。
また、整流板６の代わりに、突起及び／又は凹みを備えていてもよい。突起及び／又は凹みの立体形状は、特に限定されず、例えば、波形状、半球状、球状、楕円球状、柱体状、錐体状、錐台体状などの任意の幾何学的形状とすることができる。突起及び／又は凹みは、ある間隔のもと配置することができる。前記突起及び／又は凹みの配置は、６０°千鳥や４５°千鳥、並列など、任意の配列とすることができる。
本実施形態の電解装置７０の複極式電解槽５０は、特に限定されず、５０～５００個の複極式電解エレメント６０を有することが好ましく、７０～３００個の複極式電解エレメント６０を有することが更に好ましく、１００～２００個の複極式電解エレメント６０を有することが特に好ましい。
複極式電解エレメント６０の数（対数）が増えると、リーク電流によるガス純度の影響は緩和される一方で、電解液を各電解セル６５に均一に分配することが困難になる。下限未満の場合や上限超の場合には、電力供給を停止した際に生じる自己放電を低減して、電気制御システムの安定化を可能にする効果、及び、高効率での電力の貯蔵、具体的には、ポンプ動力の低減やリーク電流の低減を実現することを可能にする効果の並立が困難になる。
また、対数が増え過ぎると、複極式電解槽５０の製作が困難になるおそれがあり、製作精度が悪い複極式電解エレメント６０を多数スタックした場合には、シール面圧が不均一になりやすく、電解液の漏れやガス漏洩が生じやすい。
複極式電解エレメント６０の数（対数）が増えると、リーク電流によるガス純度の影響は緩和される一方で、電解液を各電解セル６５に均一に分配することが困難になる。下限未満の場合や上限超の場合には、電力供給を停止した際に生じる自己放電を低減して、電気制御システムの安定化を可能にする効果、及び、高効率での電力の貯蔵、具体的には、ポンプ動力の低減やリーク電流の低減を実現することを可能にする効果の並立が困難になる。
また、対数が増え過ぎると、複極式電解槽５０の製作が困難になるおそれがあり、製作精度が悪い複極式電解エレメント６０を多数スタックした場合には、シール面圧が不均一になりやすく、電解液の漏れやガス漏洩が生じやすい。
以下、本実施形態の電解装置７０の複極式電解槽５０の構成要素について詳細に説明する。
また、以下では、本発明の効果を高めるための好適形態についても詳述する。
また、以下では、本発明の効果を高めるための好適形態についても詳述する。
－隔壁－
隔壁１の形状は、所定の厚みを有する板状の形状としてよいが、特に限定されない。
隔壁１の平面視形状としては、特に限定されることなく、矩形（正方形、長方形等）、円形（円、楕円等）としてよく、ここで、矩形は角が丸みを帯びていてもよい。
隔壁１の形状は、所定の厚みを有する板状の形状としてよいが、特に限定されない。
隔壁１の平面視形状としては、特に限定されることなく、矩形（正方形、長方形等）、円形（円、楕円等）としてよく、ここで、矩形は角が丸みを帯びていてもよい。
一実施形態において、隔壁１と外枠３とを溶接その他の方法で接合してもよく、例えば、隔壁１に、隔壁１の平面に対して垂直な方向に張り出したフランジ部（陽極２ａ側に張り出した陽極フランジ部、陰極２ｃ側に張り出した陰極フランジ部）を設け、フランジ部を外枠３の一部としてもよい。
なお、隔壁１は、通常、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が、鉛直方向となるように、使用してよく、具体的には、図３に示すように隔壁１の平面視形状が長方形である場合、隔壁１に沿う所与の方向Ｄ１が、向かい合う２組の辺のうちの１組の辺の方向と同じ方向となるように、使用してよい。
隔壁１の材料としては、電力の均一な供給を実現する観点から、導電性を有する材料が好ましく、耐アルカリ性や耐熱性といった面から、ニッケル、ニッケル合金、軟鋼、ニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
－電極－
電解による水素製造において、エネルギー消費量の削減、具体的には電解電圧の低減は、大きな課題である。この電解電圧は電極２に大きく依存するため、両電極２の性能は重要である。
電解による水素製造において、エネルギー消費量の削減、具体的には電解電圧の低減は、大きな課題である。この電解電圧は電極２に大きく依存するため、両電極２の性能は重要である。
電解の電解電圧は、理論的に求められる水の電気分解に必要な電圧の他に、陽極反応（酸素発生）の過電圧、陰極反応（水素発生）の過電圧、陽極２ａと陰極２ｃとの電極２間距離による電圧とに分けられる。ここで、過電圧とは、ある電流を流す際に、理論分解電位を越えて過剰に印加する必要のある電圧のことを言い、その値は電流値に依存する。同じ電流を流すとき、過電圧が低い電極２を使用することで消費電力を少なくすることができる。
低い過電圧を実現するために、電極２に求められる要件としては、導電性が高いこと、酸素発生能（或いは水素発生能）が高いこと、電極２表面で電解液の濡れ性が高いこと等が挙げられる。
電解の電極２として、過電圧が低いこと以外に、再生可能エネルギーのような不安定な電流を用いても、電極２の基材及び触媒層の腐食、触媒層の脱落、電解液への溶解、隔膜４への含有物の付着等が起きにくいことが挙げられる。
電極２としては、電解に用いられる表面積を増加させるため、また、電解により発生するガスを効率的に電極２表面から除去するために、多孔体が好ましい。特に、隔膜４が陽極２ａ及び陰極２ｃと接触したゼロギャップ構造Ｚの電解槽の場合、電極２の隔膜４に接する面の裏側から発生するガスを脱泡する必要があるため、電極２の隔膜４との接触面と反対に位置する面が、貫通していることが好ましい。
多孔体の例としては、平織メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル、金属発泡体等が挙げられる。
多孔体の例としては、平織メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル、金属発泡体等が挙げられる。
電極２は、基材そのものとしてもよく、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものとしてもよいが、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものが好ましい。
基材の材料は、特に制限されないが、使用環境への耐性から、軟鋼、ステンレス、ニッケル、ニッケル基合金が好ましい。
陽極２ａの触媒層は、酸素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、或いはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子等の有機物が含まれていてもよい。
陰極２ｃの触媒層は、水素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、或いはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子材料等の有機物が含まれていてもよい。
基材上に触媒層を形成させる方法としては、めっき法、プラズマ溶射法等の溶射法、基材上に前駆体層溶液を塗布した後に熱を加える熱分解法、触媒物質をバインダー成分と混合して基材に固定化する方法、及び、スパッタリング法等の真空成膜法といった手法が挙げられる。
－外枠－
外枠３の形状は、隔壁１を縁取ることができる限り特に限定されないが、隔壁１の平面に対して垂直な方向に沿う内面を隔壁１の外延に亘って備える形状としてよい。
外枠３の形状としては、特に限定されることなく、隔壁１の平面視形状に合わせて適宜定められてよい。
外枠３の形状は、隔壁１を縁取ることができる限り特に限定されないが、隔壁１の平面に対して垂直な方向に沿う内面を隔壁１の外延に亘って備える形状としてよい。
外枠３の形状としては、特に限定されることなく、隔壁１の平面視形状に合わせて適宜定められてよい。
外枠３の材料としては、導電性を有する材料が好ましく、耐アルカリ性や耐熱性といった面から、ニッケル、ニッケル合金、軟鋼、ニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
－隔膜－
電解装置７０の複極式電解槽５０において用いられる隔膜には、イオンを導通しつつ、発生する水素ガスと酸素ガスを隔離するために、イオン透過性の隔膜４が使用される。このイオン透過性の隔膜４としては、イオン交換能を有するイオン交換膜と、電解液を浸透することができる多孔膜が挙げられる。このイオン透過性の隔膜４は、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、電子電導度が小さく、強度が強いものが好ましい。
電解装置７０の複極式電解槽５０において用いられる隔膜には、イオンを導通しつつ、発生する水素ガスと酸素ガスを隔離するために、イオン透過性の隔膜４が使用される。このイオン透過性の隔膜４としては、イオン交換能を有するイオン交換膜と、電解液を浸透することができる多孔膜が挙げられる。このイオン透過性の隔膜４は、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、電子電導度が小さく、強度が強いものが好ましい。
－－多孔膜－－
多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有し、隔膜４を電解液が透過できる構造を有する。電解液が多孔膜中に浸透することにより、イオン伝導を発現するため、孔径や気孔率、親水性といった多孔構造の制御が非常に重要となる。一方、電解液だけでなく、発生ガスを通過させないこと、すなわちガスの遮断性を有することが求められる。この観点でも多孔構造の制御が重要となる。
多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有し、隔膜４を電解液が透過できる構造を有する。電解液が多孔膜中に浸透することにより、イオン伝導を発現するため、孔径や気孔率、親水性といった多孔構造の制御が非常に重要となる。一方、電解液だけでなく、発生ガスを通過させないこと、すなわちガスの遮断性を有することが求められる。この観点でも多孔構造の制御が重要となる。
多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有するものであるが、高分子多孔膜、無機多孔膜、織布、不織布等が挙げられる。これらは公知の技術により作製することができる。
高分子多孔膜の製法例としては、相転換法（ミクロ相分離法）、抽出法、延伸法、湿式ゲル延伸法等が挙げられる。
高分子多孔膜の製法例としては、相転換法（ミクロ相分離法）、抽出法、延伸法、湿式ゲル延伸法等が挙げられる。
多孔膜は、高分子材料と親水性無機粒子とを含むことが好ましい。親水性無機粒子が存在することによって多孔膜に親水性を付与することができる。
多孔膜の厚みは、特に限定されないが、２００μｍ以上７００μｍ以下であることが好ましい。多孔膜の厚みが、２００μｍ以上であれば、一層優れたガス遮断性が得られ、また、衝撃に対する多孔膜の強度が一層向上する。この観点より、多孔膜の厚みの下限は、３００μｍ以上であることがより好ましく、３５０μｍ以上であることが更に好ましく、４００μｍ以上であることがより一層好ましい。一方で、多孔膜の厚みが、７００μｍ以下であれば、運転時に孔内に含まれる電解液の抵抗によりイオンの透過性を阻害されにくく、一層優れたイオン透過性を維持すことができる。かかる観点から、多孔膜の厚みの上限は、６００μｍ以下であることがより好ましく、５５０μｍ以下であることが更に好ましく、５００μｍ以下であることがより一層好ましい。特に、高分子材料が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン及びポリフェニルスルホンからなる群より選ばれる少なくとも１種を含むものである場合に、かかる効果は一層向上する。
－－イオン交換膜－－
イオン交換膜としては、カチオンを選択的に透過させるカチオン交換膜とアニオンを選択的に透過させるアニオン交換膜とがあり、いずれの交換膜でも使用することができる。
イオン交換膜の材質としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、含フッ素系樹脂やポリスチレン・ジビニルベンゼン共重合体の変性樹脂が好適に使用できる。特に耐熱性及び耐薬品性等に優れる点で、含フッ素系イオン交換膜が好ましい。
イオン交換膜としては、カチオンを選択的に透過させるカチオン交換膜とアニオンを選択的に透過させるアニオン交換膜とがあり、いずれの交換膜でも使用することができる。
イオン交換膜の材質としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、含フッ素系樹脂やポリスチレン・ジビニルベンゼン共重合体の変性樹脂が好適に使用できる。特に耐熱性及び耐薬品性等に優れる点で、含フッ素系イオン交換膜が好ましい。
含フッ素系イオン交換膜としては、電解時に発生するイオンを選択的に透過する機能を有し、かつイオン交換基を有する含フッ素系重合体を含むもの等が挙げられる。ここでいうイオン交換基を有する含フッ素系重合体とは、イオン交換基、又は、加水分解によりイオン交換基となり得るイオン交換基前駆体を有する含フッ素系重合体をいう。例えば、フッ素化炭化水素の主鎖を有し、加水分解等によりイオン交換基に変換可能な官能基をペンダント側鎖として有し、かつ溶融加工が可能な重合体等が挙げられる。
イオン交換膜が有するイオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基等のカチオン交換基、４級アンモニウム基等のアニオン交換基が挙げられる。
イオン交換膜は、イオン交換基の当量質量ＥＷを調整することによって、優れたイオン交換能と親水性を付与することができる。また、より小さなクラスター（イオン交換基が水分子を配位及び／又は吸着した微小部分）を数多く有するように制御でき、耐アルカリ性やイオン選択透過性が向上する傾向にある。
この当量質量ＥＷは、イオン交換膜を塩置換し、その溶液をアルカリ又は酸溶液で逆滴定することにより測定することができる。当量質量ＥＷは、原料であるモノマーの共重合比、モノマー種の選定等により調整することができる。
イオン交換膜の当量質量ＥＷは、親水性、膜の耐水性の観点から３００以上であることが好ましく、親水性、イオン交換能の観点から１３００以下であることが好ましい。
この当量質量ＥＷは、イオン交換膜を塩置換し、その溶液をアルカリ又は酸溶液で逆滴定することにより測定することができる。当量質量ＥＷは、原料であるモノマーの共重合比、モノマー種の選定等により調整することができる。
イオン交換膜の当量質量ＥＷは、親水性、膜の耐水性の観点から３００以上であることが好ましく、親水性、イオン交換能の観点から１３００以下であることが好ましい。
イオン交換膜の厚みは、特に制限されないが、イオン透過性や強度の観点から、５～５００μｍの範囲が好ましい。
イオン交換膜は、表面の親水性を向上させる目的で、表面処理を施してもよい。具体的には、酸化ジルコニウム等の親水性無機粒子をコーティングする方法や、表面に微細な凹凸を付与する方法等が挙げられる。
イオン交換膜は、膜強度の観点から、補強材と共に用いることが好ましい。補強材としては、特に限定されず、一般的な不織布や織布、各種素材からなる多孔膜が挙げられる。この場合の多孔膜としては、特に限定されないが、延伸されて多孔化したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系膜が好ましい。
（（ゼロギャップ構造））
隔膜４が陽極２ａ及び陰極２ｃと接触したゼロギャップ型セルにおける複極式電解エレメント６０では、極間距離を小さくする手段として、電極２と隔壁１との間に弾性体であるバネを配置し、このバネで電極２を支持する形態をとることが好ましい。例えば、第１の例では、隔壁１に導電性の材料で製作されたバネを取り付け、このバネに電極２を取り付けてよい。また、第２の例では、隔壁１に取り付けた電極リブにバネを取り付け、そのバネに電極２を取り付けてよい。なお、このような弾性体を用いた形態を採用する場合には、電極２が隔膜４に接する圧力が不均一にならないように、バネの強度、バネの数、形状等必要に応じて適宜調節する必要がある。
隔膜４が陽極２ａ及び陰極２ｃと接触したゼロギャップ型セルにおける複極式電解エレメント６０では、極間距離を小さくする手段として、電極２と隔壁１との間に弾性体であるバネを配置し、このバネで電極２を支持する形態をとることが好ましい。例えば、第１の例では、隔壁１に導電性の材料で製作されたバネを取り付け、このバネに電極２を取り付けてよい。また、第２の例では、隔壁１に取り付けた電極リブにバネを取り付け、そのバネに電極２を取り付けてよい。なお、このような弾性体を用いた形態を採用する場合には、電極２が隔膜４に接する圧力が不均一にならないように、バネの強度、バネの数、形状等必要に応じて適宜調節する必要がある。
また、弾性体を介して支持した電極２の対となるもう一方の電極２の剛性を強くすることで、押しつけても変形の少ない構造としている。―方で、弾性体を介して支持した電極２については、隔膜４を押しつけると変形する柔軟な構造とすることで、電解セル６５の製作精度上の公差や電極２の変形等による凹凸を吸収してゼロギャップを保つことができる。
本実施形態の電解システム７０の複極式電解槽５０では、陰極２ｃ又は陽極２ａと隔壁１との間に、導電性弾性体２ｅ及び集電体２ｒが、導電性弾性体２ｅが陰極２ｃ又は陽極２ａと集電体２ｒとに挟まれるように、設けられている。
－集電体－
集電体２ｒは、その上に積層される導電性弾性体２ｅや電極２へ電気を伝えるとともに、それらから受ける荷重を支え、電極２から発生するガスを隔壁１側に支障なく通過させる役割がある。従って、この集電体２ｒの形状は、エキスパンドメタルや打ち抜き多孔板等が好ましい。この場合の集電体２ｒの開口率は、電極２から発生した水素ガスを支障なく隔壁１側に抜き出せる範囲であることが好ましい。しかし、あまり開口率が大きいと強度が低下する、或いは導電性弾性体２ｅへの導電性が低下する等の問題が生ずる場合があり、小さすぎるとガス抜けが悪くなる場合がある。
集電体２ｒは、その上に積層される導電性弾性体２ｅや電極２へ電気を伝えるとともに、それらから受ける荷重を支え、電極２から発生するガスを隔壁１側に支障なく通過させる役割がある。従って、この集電体２ｒの形状は、エキスパンドメタルや打ち抜き多孔板等が好ましい。この場合の集電体２ｒの開口率は、電極２から発生した水素ガスを支障なく隔壁１側に抜き出せる範囲であることが好ましい。しかし、あまり開口率が大きいと強度が低下する、或いは導電性弾性体２ｅへの導電性が低下する等の問題が生ずる場合があり、小さすぎるとガス抜けが悪くなる場合がある。
集電体２ｒの材質は、導電性と耐アルカリ性の面からニッケル、ニッケル合金、ステンレススチール、軟鋼等が利用できるが、耐蝕性の面からニッケル或いは軟鋼やステンレススチールニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
－導電性弾性体－
導電性弾性体２ｅは、集電体２ｒと電極２の間にあって集電体２ｒ及び電極２と接しており、電気を電極２に伝えること、電極２から発生したガスの拡散を阻害しないことが必須要件である。ガスの拡散が阻害されることにより、電気的抵抗が増加し、また電解に使用される電極２面積が低下することで、電解効率が低下するためである。そして最も重要な役割は、隔膜４を損傷させない程度の適切な圧力を電極２に均等に加えることで、隔膜４と電極２とを密着させることである。
導電性弾性体２ｅは、集電体２ｒと電極２の間にあって集電体２ｒ及び電極２と接しており、電気を電極２に伝えること、電極２から発生したガスの拡散を阻害しないことが必須要件である。ガスの拡散が阻害されることにより、電気的抵抗が増加し、また電解に使用される電極２面積が低下することで、電解効率が低下するためである。そして最も重要な役割は、隔膜４を損傷させない程度の適切な圧力を電極２に均等に加えることで、隔膜４と電極２とを密着させることである。
導電性弾性体２ｅとしては、通常公知のものが使用でき、例えば、線径０．０５～０．５ｍｍ程度のニッケル製ワイヤーを織ったものを波付け加工したクッションマットが、ゼロギャップ構造を維持しやすいため、好ましい。
－電極室－
複極式電解槽５０では、隔壁１と外枠３と隔膜４とにより、電解液が通過する電極室５が画成されている。
複極式電解槽５０では、隔壁１と外枠３と隔膜４とにより、電解液が通過する電極室５が画成されている。
本実施形態の複極式電解槽５０において、マニホールドの配設態様は内部マニホールド型であるところ、陽極２ａ及び陰極２ｃ自身が占める空間も電極室５の内部にある空間であるものとしてよい。
－整流板－
電解装置７０の複極式電解槽５０では、隔壁１に整流板６（陽極整流板６ａ、陰極整流板６ｃ）が取り付けられ、整流板６が電極２と物理的に接続されていることが好ましい。かかる構成によれば、整流板６が電極２の支持体となり、ゼロギャップ構造Ｚを維持しやすい。
ここで、整流板６に、電極２が設けられていてもよく、整流板６に、集電体２ｒ、導電性弾性体２ｅ、電極２がこの順に設けられていてもよい。
図４（ａ）に示す複極式電解エレメント６０の一例では、陰極室５ｃにおいて、整流板６ｃ－集電体２ｒ－導電性弾性体２ｅ－電極２ｃの順に重ね合わせられた構造が採用され、陽極室５ａにおいて、整流板６ａ－電極２ａの順に重ね合わせられた構造が採用されている。本発明では上記構造に限定されることなく、陽極室５ａにおいても「整流板６ａ－集電体２ｒ－導電性弾性体２ｅ－電極２ａ」の構造が採用されてもよい。
電解装置７０の複極式電解槽５０では、隔壁１に整流板６（陽極整流板６ａ、陰極整流板６ｃ）が取り付けられ、整流板６が電極２と物理的に接続されていることが好ましい。かかる構成によれば、整流板６が電極２の支持体となり、ゼロギャップ構造Ｚを維持しやすい。
ここで、整流板６に、電極２が設けられていてもよく、整流板６に、集電体２ｒ、導電性弾性体２ｅ、電極２がこの順に設けられていてもよい。
図４（ａ）に示す複極式電解エレメント６０の一例では、陰極室５ｃにおいて、整流板６ｃ－集電体２ｒ－導電性弾性体２ｅ－電極２ｃの順に重ね合わせられた構造が採用され、陽極室５ａにおいて、整流板６ａ－電極２ａの順に重ね合わせられた構造が採用されている。本発明では上記構造に限定されることなく、陽極室５ａにおいても「整流板６ａ－集電体２ｒ－導電性弾性体２ｅ－電極２ａ」の構造が採用されてもよい。
整流板６（陽極整流板６ａ、陰極整流板６ｃ）には、陽極２ａ又は陰極２ｃを支える役割だけでなく、電流を隔壁１から陽極２ａ又は陰極２ｃへ伝える役割を備えることが好ましい。
また、整流板６の少なくとも一部が導電性を備えことが好ましく、整流板６全体が導電性を備えことがより好ましい。かかる構成によれば、電極たわみによるセル電圧の上昇を抑制することができる。
整流板６の材料としては、一般的に導電性の金属が用いられる。例えば、ニッケルメッキを施した軟鋼、ステンレススチール、ニッケル等が利用できる。
隣接する陽極整流板６ａ同士の間隔、又は隣接する陰極整流板６ｃ同士の間隔は、電解圧力や陽極室５ａと陰極室５ｃの圧力差等を勘案して決められる。
－マニホールド－
複極式電解槽５０は、電解セル６５毎に、陰極室５ｃ、陽極室５ａを有する。複極式電解槽５０で電気分解反応を連続的に行うためには、各電解セル６５の陰極室５ｃと陽極室５ａとに電気分解によって消費される原料を十分に含んだ電解液を供給し続ける必要がある。
複極式電解槽５０は、電解セル６５毎に、陰極室５ｃ、陽極室５ａを有する。複極式電解槽５０で電気分解反応を連続的に行うためには、各電解セル６５の陰極室５ｃと陽極室５ａとに電気分解によって消費される原料を十分に含んだ電解液を供給し続ける必要がある。
電解セル６５は、複数の電解セル６５に共通するマニホールド２０と呼ばれる電解液の給排配管と繋がっている。マニホールド２０は、入口ヘッダー部２０ｉ及び出口ヘッダー部２０ｏを有し、陽極入口ヘッダー部２０ａｉと、陰極入口ヘッダー部２０ｃｉと、陽極出口ヘッダー部２０ａｏと、陰極出口ヘッダー部２０ｃｏとからなることが好ましい。
マニホールド２０の材質は、特に限定されないが、使用する電解液の腐食性、圧力や温度等の運転条件に十分耐え得るものを採用する必要がある。マニホールド２０の材質として、例えば、鉄、ニッケル、コバルト等の金属等が挙げられる。
複極式電解槽５０のマニホールド２０の配設態様としては、内部マニホールド型及び外部マニホールド型が代表的であるが、本実施形態では、内部マニホールド型を用いる。
－－内部マニホールド型－－
内部マニホールド型とは、電解槽とマニホールドとが独立しておらず、マニホールドが複極式電解槽の内部に設けられている形式をいう。
内部マニホールド型では、外部マニホールド型のようにノズルを用いる必要がないため、ノズル同士が干渉するという問題が生じなくなり、その解消ための電解セルの肥大化が回避されて電解セルを薄型化することができる。更に、外部マニホールド型よりも耐圧性が増すため、加圧運転にも対応可能となる。
内部マニホールド型とは、電解槽とマニホールドとが独立しておらず、マニホールドが複極式電解槽の内部に設けられている形式をいう。
内部マニホールド型では、外部マニホールド型のようにノズルを用いる必要がないため、ノズル同士が干渉するという問題が生じなくなり、その解消ための電解セルの肥大化が回避されて電解セルを薄型化することができる。更に、外部マニホールド型よりも耐圧性が増すため、加圧運転にも対応可能となる。
本実施形態の内部マニホールド型の複極式電解槽５０では、具体的には、陽極入口ヘッダー部２０ａｉ及び陰極入口ヘッダー部２０ｃｉが、電極室５（隔壁１）の内部及び／又は外部に設けられ、陽極出口ヘッダー部２０ａｏ及び陰極出口ヘッダー部２０ｃｏが、電極室５（隔壁１）の内部及び／又は外部に設けられる。これらの配置の中でも、すべてのヘッダー部について、隔膜４の内側に設ける（例えば、入口ヘッダー部２０ｉと出口ヘッダー部２０ｏとを、隔膜４の内側に隔膜４を貫通するようにして配置する等）のではなく、隔膜４の外側（例えば、図３に示すように電極室５の外側）に配置することが、隔膜４を損傷させるおそれがないため、好ましい。
また、各ヘッダー部の延在方向は、特に限定されないが、本発明の効果を得られやすくする観点から、陽極入口ヘッダー部２０ａｉ、陰極入口ヘッダー部２０ｃｉ、陽極出口ヘッダー部２０ａｏ、及び陰極出口ヘッダー部２０ｃｏは、隔壁１に垂直な方向に延びるものがあることが好ましく、図３及び図４（ａ）に示す一例のように、いずれもが隔壁１に垂直な方向に延びることがより好ましい。
ヘッダー部の流路断面の形状は、特に限定されず、丸形、矩形、楕円形等が挙げられる。
ヘッダー部の流路断面積は、流路の圧損や流路閉塞を考慮して自由に設計できる。
ヘッダー部の流路断面積は、流路の圧損や流路閉塞を考慮して自由に設計できる。
各エレメントをスタックする際、エレメント間のシール性を高めるため、各ヘッダー部の周囲にガスケット７を配置する。
また、内部マニホールド型の複極式電解槽５０では、構造的に各エレメントがリーク電流に大きく影響される。本実施形態では、リーク電流による不純物ガスの発生を防止する目的で、マニホールド２０の表面（接液面）の少なくとも一部を、ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０で保護する。マニホールド２０の表面の保護は、入口ヘッダー部２０ｉと出口ヘッダー部２０ｏの両方に施すことで、その効果を高めることができる。
また、内部マニホールド型の複極式電解槽５０では、構造的に各エレメントがリーク電流に大きく影響される。本実施形態では、リーク電流による不純物ガスの発生を防止する目的で、マニホールド２０の表面（接液面）の少なくとも一部を、ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０で保護する。マニホールド２０の表面の保護は、入口ヘッダー部２０ｉと出口ヘッダー部２０ｏの両方に施すことで、その効果を高めることができる。
なお、内部マニホールド型複極式電解槽５０では、その内部に電解によって発生した気体と、電解液を分離する気液分離ボックスを有してもよい。気液分離ボックスの取付位置は、特に限定されないが、陽極室５ａと陽極出口ヘッダー部２０ａｏとの間や、陰極室５ｃと陰極出口ヘッダー部２０ｃｏとの間であってもよい。
気液分離ボックスの表面は、電解液の腐食性や、圧力や温度等の運転条件に十分耐えうる材質のコーティング材料で、覆われていてもよい。コーティング材料の材質は、電解槽内部での漏洩電流回路の電気抵抗を大きくする目的で、絶縁性のものを採用してもよい。コーティング材料の材質としては、例えばエチレン－プロピレン－ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＦＡ、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等が挙げられる。
－ガスケット－
複極式電解槽５０では、隔壁１を縁取る外枠３同士の間に隔膜４を有するガスケット７が挟持される。
ガスケット７は、各エレメントと隔膜４との間及び各エレメント間を、電解液と発生ガスに対してシールするために使用され、電解液や発生ガスの複極式電解槽５０外への漏れや両電極室間におけるガスの混合を防ぐことができる。
複極式電解槽５０では、隔壁１を縁取る外枠３同士の間に隔膜４を有するガスケット７が挟持される。
ガスケット７は、各エレメントと隔膜４との間及び各エレメント間を、電解液と発生ガスに対してシールするために使用され、電解液や発生ガスの複極式電解槽５０外への漏れや両電極室間におけるガスの混合を防ぐことができる。
ガスケット７の一般的な構造としては、エレメントの枠体に接する面に合わせて、電極面をくり抜いた四角形状又は環状である。このようなガスケット２枚で隔膜４を挟み込む形でエレメント間に隔膜４をスタックさせることができる。更に、ガスケット７は、隔膜４を保持できるように、隔膜４を収容することが可能なスリット部を備え、収容された隔膜４がガスケット７両表面に露出することを可能にする開口部を備えることも好ましい。これにより、ガスケット７は、隔膜４の縁部をスリット部内に収容し、隔膜４の縁部の端面を覆う構造がとれる。したがって、隔膜４の端面から電解液やガスが漏れることをより確実に防止できる。
ガスケット７の材質としては、特に制限されるものではなく、絶縁性を有する公知のゴム材料や樹脂材料等を選択することができる。
ゴム材料や樹脂材料としては、具体的には、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）等のゴム材料、ＰＴＦＥやＰＦＡ、ＥＴＦＥ、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂材料や、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアセタール等の樹脂材料を用いることができる。これらの中でも、弾性率や耐アルカリ性の観点でＥＰＤＭ、ＦＲが特に好適である。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
ゴム材料や樹脂材料としては、具体的には、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）等のゴム材料、ＰＴＦＥやＰＦＡ、ＥＴＦＥ、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂材料や、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアセタール等の樹脂材料を用いることができる。これらの中でも、弾性率や耐アルカリ性の観点でＥＰＤＭ、ＦＲが特に好適である。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
ガスケット７は、補強材が埋設されていてもよい。これにより、スタック時に枠体に挟まれて押圧されたときに、ガスケット７が潰れることを抑制でき、破損を防止し易くできる。
このような補強材は公知の金属材料及びその酸化物、樹脂材料、炭素材料等が使用でき、具体的には、ニッケル、ステンレス等の金属、アルミナ、酸化ジルコニウム等の金属酸化物、ナイロン、ポリプロピレン、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ等の樹脂、カーボン粒子や炭素繊維等の炭素材料が挙げられる。
このような補強材は公知の金属材料及びその酸化物、樹脂材料、炭素材料等が使用でき、具体的には、ニッケル、ステンレス等の金属、アルミナ、酸化ジルコニウム等の金属酸化物、ナイロン、ポリプロピレン、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ等の樹脂、カーボン粒子や炭素繊維等の炭素材料が挙げられる。
ガスケット７のサイズは、特に制限されるものではなく、電極室５や隔膜４の寸法に合わせて設計すればよいが、幅を１０～４０ｍｍにするのがよい。
また、ガスケット７がスリット部を備える場合、スリット部のサイズはスリットの内寸が膜のサイズより縦横で０．５～５ｍｍ大きくなるようにするのがよい。
また、ガスケット７がスリット部を備える場合、スリット部のサイズはスリットの内寸が膜のサイズより縦横で０．５～５ｍｍ大きくなるようにするのがよい。
ガスケット７の厚みは、特に制限されるものではなく、ガスケット７の材質や弾性率、セル面積に応じて設計されるが、１．０～１０ｍｍが好ましく、３．０～１０ｍｍがより好ましい。
また、ガスケット７がスリット部を備える場合、スリット部の開口幅としては、隔膜４の厚みの０．５～１．０倍としてよい。
また、ガスケット７がスリット部を備える場合、スリット部の開口幅としては、隔膜４の厚みの０．５～１．０倍としてよい。
ガスケット７の弾性率は、特に制限されるものではなく、電極２の材質やセル面積に応じて設計される。好ましい弾性率の範囲としては、１００％変形時の引張応力で、０．２０～２０ＭＰａの範囲が好ましく、シーリング特性やスタック時のセル強度の観点から、１．０～１０ＭＰａの範囲がより好ましい。
なお、引張応力は、ＪＩＳ Ｋ６２５１に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製のオートグラフＡＧを用いてよい。
なお、引張応力は、ＪＩＳ Ｋ６２５１に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製のオートグラフＡＧを用いてよい。
特に、ガスケット７の厚みが３．０～１０ｍｍであり、１００％変形時の引張応力で１．０～１０ＭＰａであることが、電極たわみによるセル電圧の上昇を抑制する観点、また、シーリング特性やスタック時のセル強度の観点から、好ましい。
電解装置７０においては、ガスケット７の表面を絶縁性の樹脂シート（例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂等）で覆うことが好ましい。このようにすることにより、エレメント間で相互に絶縁された状態となるため、通電工程（電解液の電気分解が行われる工程）で各エレメントに蓄積された電荷が、停止工程（電解液の電気分解が停止している工程）において他のエレメントに影響することを抑制することができる。
各エレメントは、シール対象に応じて複数のガスケットを配置してもよい。例えば、ガスケット７は、電極室５をシールする電極室ガスケットと、マニホールド２０をシールするマニホールドガスケットとを別に配置してもよい。
マニホールド被覆部材はいずれかのガスケットと一体化されてれいればよい。すべてのマニホールド被覆部材が同一のガスケットと一体化されていてもよいし、各々のマニホールド被覆部材がそれぞれ別のガスケットと一体化されていてもよい。メンテナンス性の観点から、ガスケットの枚数は少ないほうが好ましい。
マニホールド被覆部材はいずれかのガスケットと一体化されてれいればよい。すべてのマニホールド被覆部材が同一のガスケットと一体化されていてもよいし、各々のマニホールド被覆部材がそれぞれ別のガスケットと一体化されていてもよい。メンテナンス性の観点から、ガスケットの枚数は少ないほうが好ましい。
また、更に、ガスケット７の外周を囲うようにして、ガスケット７の外側に樹脂スペーサー４０を配置してもよい。樹脂スペーサー４０を用いることで、ガスケット７のクリープやはみ出しによる隔膜損傷を防ぐことができる。
図４（ｂ）に、ガスケット７及び樹脂スペーサー４０を複極式電解エレメント６０に取り付けた状態の一例を示す。
電極室ガスケット、マニホールドガスケット、樹脂スペーサー４０の材質は、シール対象により適宜選択することができる。
樹脂スペーサー４０は、ガスケット７よりも圧縮弾性率が大きいことが好ましい。樹脂スペーサー４０の圧縮弾性率がガスケット７の圧縮弾性率よりも大きいと、長期的な電解においてガスケット７にクリープが発生した場合でも、エレメント間の距離が一定に保たれやすく、ガスケット７及び樹脂スペーサー４０のシール面圧のバランスが保たれやすい。
なお、圧縮弾性率は、ＪＩＳ Ｋ ６２５４規格に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製のオートグラフを用いてよい。
なお、圧縮弾性率は、ＪＩＳ Ｋ ６２５４規格に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製のオートグラフを用いてよい。
－マニホールド被覆部材－
本実施形態の複極式電解槽５０では、リーク電流による不純物ガスの発生を防止する目的で、マニホールド２０の表面（接液面）の少なくとも一部が、ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０で覆われて保護されている。
なお、本明細書において、マニホールドの表面の少なくとも一部が覆われているとは、電極室に通じる細管の開口部を除いたマニホールドの表面の少なくとも一部が覆われていることを意味する。
本実施形態の複極式電解槽５０では、リーク電流による不純物ガスの発生を防止する目的で、マニホールド２０の表面（接液面）の少なくとも一部が、ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０で覆われて保護されている。
なお、本明細書において、マニホールドの表面の少なくとも一部が覆われているとは、電極室に通じる細管の開口部を除いたマニホールドの表面の少なくとも一部が覆われていることを意味する。
マニホールド被覆部材３０は、ガスケット７と一体化しているため、独立して存在している場合と比較して、ガスケット７との間やマニホールド２０との間等に隙間ができにくく、ガス純度の悪化（リーク電流による不純物ガスの発生）が生じにくくなる。また、ガスケット７と一体化されていると、独立して存在している場合と比較して、部材点数が少なくなるため、組み立ておよびメンテナンスが容易になり、作業時間（電解停止期間）を短縮できる。
また、マニホールド被覆部材３０は、マニホールド２０から脱着可能であることが好ましい。すなわち、マニホールド被覆部材３０は、ガスケット７を複極式電解槽５０から脱着する際に、一体化された状態のまま一緒に脱着可能であることが好ましい。脱着可能であることにより、メンテナンスの際、マニホールド被覆部材３０のみを容易に交換することが可能となる。これに対し、例えば、脱着できない樹脂ライニングをマニホールド２０に施した場合では、界面剥離等の不具合が発生した際、セル一式の交換が必要になり、メンテナンスの負荷が大きい場合がある。一般的にセル交換の期間中は電解設備の停止期間が発生するため、メンテナンス性を向上することで電解槽の稼働率が低下してしまう問題を解決可能である。
また、マニホールド被覆部材３０は、マニホールド２０から脱着可能であることが好ましい。すなわち、マニホールド被覆部材３０は、ガスケット７を複極式電解槽５０から脱着する際に、一体化された状態のまま一緒に脱着可能であることが好ましい。脱着可能であることにより、メンテナンスの際、マニホールド被覆部材３０のみを容易に交換することが可能となる。これに対し、例えば、脱着できない樹脂ライニングをマニホールド２０に施した場合では、界面剥離等の不具合が発生した際、セル一式の交換が必要になり、メンテナンスの負荷が大きい場合がある。一般的にセル交換の期間中は電解設備の停止期間が発生するため、メンテナンス性を向上することで電解槽の稼働率が低下してしまう問題を解決可能である。
本実施形態のマニホールド２０において、陽極入口ヘッダー部２０ａｉ、陰極入口ヘッダー部２０ｃｉ、陽極出口ヘッダー部２０ａｏ、及び陰極出口ヘッダー部２０ｃｏのいずれかのヘッダー部の表面の少なくとも一部がマニホールド被覆部材３０で覆われていればよいが、リーク電流による不純物ガスの発生をより効率的に防止する観点から、陽極入口ヘッダー部２０ａｉと陽極出口ヘッダー部２０ａｏの表面の少なくとも一部がマニホールド被覆部材３０で覆われていることが好ましく、これらすべてのヘッダー部の表面の少なくとも一部がマニホールド被覆部材３０で覆われていることが更に好ましい。
図５に、本実施形態のガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０の一例を示す。図５は、マニホールドの陽極入口ヘッダー部２０ａｉを被覆する陽極入口マニホールド被覆部材３０ａｉと、陽極出口ヘッダー部２０ａｏを被覆する陽極出口マニホールド被覆部材３０ａｏと、マニホールドの陰極入口ヘッダー部２０ｃｉを被覆する陰極入口マニホールド被覆部材３０ｃｉと、陰極出口ヘッダー部２０ｃｏを被覆する陰極出口マニホールド被覆部材３０ｃｏとが、各１つずつガスケット７に一体化されている例である。なお、マニホールド被覆部材３０において、マニホールド２０の表面上の電極室に通じる細管の開口部に対応する部分は、同様に開口しているが、図５では省略している。
ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０は、エレメントごとに装着されて、該エレメントのマニホールド２０（ヘッダー部）の表面の少なくとも一部を覆っていればよい。すなわち、本実施形態の複極式電解槽５０は、マニホールド被覆部材３０によってマニホールド２０の全表面が覆われているエレメントと、マニホールド２０の表面の一部はマニホールド被覆部材３０によって覆われ、残りの部分はマニホールド２０の表面（金属面等）が露出しているエレメントと、マニホールド２０の表面がマニホールド被覆部材３０によって全く覆われていない、マニホールド２０の全表面（金属面等）が露出しているエレメントとからなる群から選ばれる少なくとも１種のエレメントで構成されている。
マニホールド被覆部材３０の使用個数が多いほど、リーク電流による不純物ガス発生の抑制効果は高まる傾向にある。
マニホールド被覆部材３０の使用個数が多いほど、リーク電流による不純物ガス発生の抑制効果は高まる傾向にある。
本実施形態の複極式電解槽５０では、リーク電流による不純物ガスの発生を効率的に防止する観点から、複極式電解槽５０に備えられたすべてのマニホールド２０の表面積の合計を１００％としたときに、マニホールド被覆部材３０によって被覆された表面積の割合（表面被覆率）が、１３～１００％であることが好ましく、より好ましくは２５～１００％、更に好ましくは５０～１００％である。
特に、各ターミナルエレメント（陰極ターミナルエレメント５１ｃ又は陽極ターミナルエレメント５１ａ）に備えられたマニホールド２０の表面積における、マニホールド被覆部材３０よって被覆された表面積の割合（表面被覆率）は、リーク電流による不純物ガス発生の抑制効果及びメンテナンス性の観点から、１３～１００％であることが好ましく、より好ましくは２５～１００％、更に好ましくは５０～１００％である。
また、すべての中枠エレメント（陰極ターミナルエレメント５１ｃ及び陽極ターミナルエレメント５１ａ以外のエレメント）に備えられたマニホールド２０の合計表面積における、マニホールド被覆部材３０によって被覆された表面積の割合（表面被覆率）は、リーク電流による不純物ガス発生の抑制効果及びメンテナンス性の観点から、１３～１００％であることが好ましく、より好ましくは２５～１００％、更に好ましくは５０～１００％である。
また、特に、個々の中枠エレメントに備えられたマニホールド２０の表面積における、マニホールド被覆部材３０によって被覆された表面積の割合（表面被覆率）は、リーク電流による不純物ガスの発生抑制効果及びメンテナンス性の観点から、１３～１００％であることが好ましく、より好ましくは２５～１００％、更に好ましくは５０～１００％である。
また、特に、個々の中枠エレメントに備えられたマニホールド２０の表面積における、マニホールド被覆部材３０によって被覆された表面積の割合（表面被覆率）は、リーク電流による不純物ガスの発生抑制効果及びメンテナンス性の観点から、１３～１００％であることが好ましく、より好ましくは２５～１００％、更に好ましくは５０～１００％である。
なお、上記表面被覆率は、電極室に通じる細管の開口部を除いたマニホールド２０の表面について算出するものとする。また、ターミナルエレメントに接続されている入口配管及び出口配管は、マニホールド２０には含まれない。
図４（ｂ）に、ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０及び上述の樹脂スペーサー４０を複極式電解エレメント６０に取り付けた状態の一例を示す。図４（ｂ）では、マニホールド被覆部材３０（３０aｏ）により陽極出口ヘッダー部２０aｏの表面が１００％被覆されている。
ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０は、リーク電流による不純物ガスの発生を防止する観点から、少なくとも１つのエレメントに装着されていることが好ましく、少なくとも陰極ターミナルエレメント５１ｃに装着されていることがより好ましく、少なくとも陰極ターミナルエレメント５１ｃ及び陽極ターミナルエレメント５１ａに装着されていることが更に好ましく、陰極ターミナルエレメント５１ｃ、陽極ターミナルエレメント５１ａ、及び中枠エレメントの一部に装着されていることがより更に好ましく、すべてのエレメントに装着されていることが特に好ましい。
マニホールド被覆部材３０の材質としては、特に制限されるものではないが、ガスケット７と同様に、絶縁性を有する公知のゴム材料や樹脂材料等の絶縁材料を少なくとも含むことが好ましい。
マニホールド被覆部材３０の材質としては、具体的には、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）等のゴム材料、ＰＴＦＥやＰＦＡ、ＥＴＦＥ、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂材料や、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアセタール等の樹脂材料等が挙げられる。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。部材の製作容易さと耐アルカリ性の観点から、ゴム材料及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成されることが好ましい。樹脂材料と比較してひび割れしにくく、クリープ特性がよいため、耐久性が高い点と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と比較して柔らかくマニホールドの表面を覆う際の追従性が高い点から、ゴム材料がより好ましく、ＥＰＤＭ、ＦＲが特に好適である。
マニホールド被覆部材３０の材質としては、具体的には、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）等のゴム材料、ＰＴＦＥやＰＦＡ、ＥＴＦＥ、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂材料や、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアセタール等の樹脂材料等が挙げられる。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。部材の製作容易さと耐アルカリ性の観点から、ゴム材料及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成されることが好ましい。樹脂材料と比較してひび割れしにくく、クリープ特性がよいため、耐久性が高い点と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と比較して柔らかくマニホールドの表面を覆う際の追従性が高い点から、ゴム材料がより好ましく、ＥＰＤＭ、ＦＲが特に好適である。
マニホールド被覆部材３０の弾性率は、特に制限されるものではなく、マニホールド２０の形状やガスケット７の材質に応じて設計される。好ましい弾性率の範囲としては、１００％変形時の引張応力で、０．２０～２０ＭＰａの範囲が好ましく、マニホールド２０の表面を覆う際の追従性や、部材強度の観点から、１．０～１０ＭＰａの範囲がより好ましく、１．０～５．０ＭＰａの範囲がさらに好ましい。
なお、引張応力は、ＪＩＳ Ｋ６２５１に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製のオートグラフＡＧを用いてよい。試験温度は、ＪＩＳ Ｋ ６２５０の６．１（試験室の標準温度２３±２℃）に準拠する。
なお、引張応力は、ＪＩＳ Ｋ６２５１に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製のオートグラフＡＧを用いてよい。試験温度は、ＪＩＳ Ｋ ６２５０の６．１（試験室の標準温度２３±２℃）に準拠する。
マニホールド被覆部材３０の厚みは、特に制限されず、マニホールド２０のサイズ、ガスケット７の厚み等に応じて定められてよいが、部材の製作容易さおよびハンドリング性の観点から、０．５～１０ｍｍが好ましく、より好ましくは１．０～８．０ｍｍ、更に好ましくは２．０～６．０ｍｍである。
ガスケット７と一体化されたマニホールド被覆部材３０の製作方法としては、特に限定されず、既存の方法を用いることができる。例えば、金型にて一体で成形する方法や、ガスケット７とマニホールド被覆部材３０をそれぞれ製作後に接合することなどが挙げられる。
続いて、電解装置７０の構成要素のうち、主に複極式電解槽５０以外について説明する。
－送液ポンプ－
送液ポンプ７１としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
本実施形態の電解装置７０に使用することができる送液ポンプ７１として、陰極室５ｃへ送液するための陰極側送液ポンプ、陽極室５ａへ送液するための陽極側送液ポンプを有することができ、それぞれ別々に稼働することができる。
送液ポンプ７１としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
本実施形態の電解装置７０に使用することができる送液ポンプ７１として、陰極室５ｃへ送液するための陰極側送液ポンプ、陽極室５ａへ送液するための陽極側送液ポンプを有することができ、それぞれ別々に稼働することができる。
－気液分離タンク－
気液分離タンク７２は、電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンク７２ｈと、電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンク７２ｏとを含む。
水素分離タンク７２ｈは陰極室５ｃに接続され、酸素分離タンク７２ｏは陽極室５ａに接続されて用いられる。
気液分離タンク７２は、電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンク７２ｈと、電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンク７２ｏとを含む。
水素分離タンク７２ｈは陰極室５ｃに接続され、酸素分離タンク７２ｏは陽極室５ａに接続されて用いられる。
－水補給器－
電解装置７０において用いる水補給器としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
水としては、一般上水を使用してもよいが、長期間に亘る運転を考慮した場合、イオン交換水、ＲＯ水、超純水等を使用することが好ましい。
電解装置７０において用いる水補給器としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
水としては、一般上水を使用してもよいが、長期間に亘る運転を考慮した場合、イオン交換水、ＲＯ水、超純水等を使用することが好ましい。
－電解電源－
電解装置７０は、電解電源（整流器）７４を備えている。更に、複極式電解槽５０と電解電源７４とを含む電気回路が形成されていてよい。また、電解装置７０では、複極式電解槽５０に接続される外部負荷を備えていてよい。特に、本実施形態では、電気回路及び外部負荷を備えていることが好ましい。
具体的には、図１の例では、複極式電解槽５０中の端部となる電解セル６５の陽極２ａと、電解電源７４の正極とがケーブルで接続され、また、複極式電解槽５０中の端部となる電解セル６５の陰極２ｃと、電解電源７４の負極とがケーブルで接続されているが、当該ケーブル間を外部負荷と開閉器とで接続してもよい。これにより、例えば、停止工程において、電解電源７４が停止している状態で開閉器を閉じることにより、複極式電解槽５０（全ての電解セル６５）と外部負荷との回路を形成することができる。また、外部負荷は、複極式電解槽５０の電解セル６５の全体と接続してもよく、また、電解セル６５のうちの一部と接続してもよい。これにより、例えば、停止工程において、複極式電解槽５０のうちの一部の電解セル６５と外部負荷との回路を形成することができる。
電解装置７０は、電解電源（整流器）７４を備えている。更に、複極式電解槽５０と電解電源７４とを含む電気回路が形成されていてよい。また、電解装置７０では、複極式電解槽５０に接続される外部負荷を備えていてよい。特に、本実施形態では、電気回路及び外部負荷を備えていることが好ましい。
具体的には、図１の例では、複極式電解槽５０中の端部となる電解セル６５の陽極２ａと、電解電源７４の正極とがケーブルで接続され、また、複極式電解槽５０中の端部となる電解セル６５の陰極２ｃと、電解電源７４の負極とがケーブルで接続されているが、当該ケーブル間を外部負荷と開閉器とで接続してもよい。これにより、例えば、停止工程において、電解電源７４が停止している状態で開閉器を閉じることにより、複極式電解槽５０（全ての電解セル６５）と外部負荷との回路を形成することができる。また、外部負荷は、複極式電解槽５０の電解セル６５の全体と接続してもよく、また、電解セル６５のうちの一部と接続してもよい。これにより、例えば、停止工程において、複極式電解槽５０のうちの一部の電解セル６５と外部負荷との回路を形成することができる。
－貯留タンク－
電解装置７０では、電解液を貯留する貯留タンクを有することができる。また、当該貯留タンクは、複極式電解槽５０よりも鉛直方向上方に位置することが好ましい。貯留タンクと複極式電解槽５０とを配管等で接続することで、重力を利用して貯留タンク内の電解液を電解槽へ注入することができる。また当該配管等にバルブ等を設けることで流量を適切に調節することもできる。
電解装置７０では、電解液を貯留する貯留タンクを有することができる。また、当該貯留タンクは、複極式電解槽５０よりも鉛直方向上方に位置することが好ましい。貯留タンクと複極式電解槽５０とを配管等で接続することで、重力を利用して貯留タンク内の電解液を電解槽へ注入することができる。また当該配管等にバルブ等を設けることで流量を適切に調節することもできる。
－入出口配管－
電解装置７０では、複極式電解槽５０に電解液を供給する入口配管と、複極式電解槽５０から電解液を排出する出口配管とを有し、それぞれ貯留タンク等に接続している。入口配管及び出口配管は、電解液の流量を適切に調節するためのバルブ等を有していてもよい。
入口配管及び出口配管は、リーク電流によるガス純度悪化抑制の観点から、いずれも複極式電解槽５０の陽極ターミナルエレメント５１ａに接続されていることが好ましい。
電解装置７０では、複極式電解槽５０に電解液を供給する入口配管と、複極式電解槽５０から電解液を排出する出口配管とを有し、それぞれ貯留タンク等に接続している。入口配管及び出口配管は、電解液の流量を適切に調節するためのバルブ等を有していてもよい。
入口配管及び出口配管は、リーク電流によるガス純度悪化抑制の観点から、いずれも複極式電解槽５０の陽極ターミナルエレメント５１ａに接続されていることが好ましい。
－その他－
電解装置７０は、複極式電解槽５０、送液ポンプ７１、気液分離タンク７２、水補給器、電解電源７４、貯留タンク、入出口配管以外にも、酸素濃度計７５、水素濃度計７６、流量計７７、圧力計７８、熱交換器７９、圧力制御弁８０等を備えてよい（図１参照）。
電解装置７０は、複極式電解槽５０、送液ポンプ７１、気液分離タンク７２、水補給器、電解電源７４、貯留タンク、入出口配管以外にも、酸素濃度計７５、水素濃度計７６、流量計７７、圧力計７８、熱交換器７９、圧力制御弁８０等を備えてよい（図１参照）。
また、電解装置７０は、更に、電力供給の停止を検知する検知器、及び、送液ポンプ７１を自動停止する制御器を備えることが好ましい。検知器及び制御器を備えることで、再生可能エネルギーのように、変動が激しい電力源下でも、人為的な操作なしに、自己放電の影響を効率的に低減することが可能になる。
（水素の製造方法）
本実施形態の水素の製造方法は、本実施形態の電解装置７０を用いて、水を電気分解することにより実施することができる。
本実施形態の水素の製造方法は、本実施形態の電解装置７０を用いて、水を電気分解することにより実施することができる。
本実施形態では、本実施形態の電解装置７０を、電流密度０～２０ｋＡ／ｍ２で継時的に電流密度が変動する電源下で、かつ、電解温度が０～１２０℃で問題なく使用することができる。
一方で、本実施形態の水素の製造方法において、電解セル６５内にある電解液の温度は、４０℃以上であることが好ましく、７０℃以上であることがより好ましく、また、１１０℃以下であることが好ましく、９５℃以下であることがより好ましい。
上記温度範囲とすれば、高い電解効率を維持しながら、電解装置７０の部材が熱により劣化することを効果的に抑制することができる。
上記温度範囲とすれば、高い電解効率を維持しながら、電解装置７０の部材が熱により劣化することを効果的に抑制することができる。
更に、本実施形態の水素の製造方法において、電解セル６５に与える電流密度としては、特に限定されないが、０．１ｋＡ／ｍ２～２０ｋＡ／ｍ２であることが好ましく、０．５ｋＡ／ｍ２～１５ｋＡ／ｍ２であることがさらに好ましい。
特に、変動電源を使用する場合には、電流密度の上限を上記範囲にすることが好ましい。
特に、変動電源を使用する場合には、電流密度の上限を上記範囲にすることが好ましい。
以下に、本実施形態の水素の製造方法の好適な条件を記載する。
本実施形態において用いられる電解液としては、アルカリ塩が溶解されたアルカリ性の水溶液としてよく、例えば、ＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液等が挙げられる。
アルカリ塩の濃度としては、１０～５０質量％が好ましく、１５～４０質量％がより好ましい。本実施形態では、イオン導電率、動粘度、冷温化での凍結の観点から、２５～４０質量％のＫＯＨ水溶液が特に好ましい。
アルカリ塩の濃度としては、１０～５０質量％が好ましく、１５～４０質量％がより好ましい。本実施形態では、イオン導電率、動粘度、冷温化での凍結の観点から、２５～４０質量％のＫＯＨ水溶液が特に好ましい。
本実施形態の水素の製造方法において、電解セル６５内の圧力としては、コンプレッサーの負荷の観点から、３ｋＰａ以上が好ましく、７０ｋＰａ以上がより好ましく、２００ｋＰａ以上がさらに好ましい。ガス純度の観点から、４０００ｋＰａ以下であることが好ましく、１０００ｋＰａ以下であることがより好ましく、８００ｋＰａ以下であることが更に好ましい。
本実施形態では、前述の電解装置７０の構成要素を用いて、例えば、図１に示すような構成の電解装置７０を作製することができるが、これに限定されるものではない。
本実施形態の水素の製造方法は、負荷変動を有する電気を使用し、負荷変動に応じて電解電流を変動させてもよい。
本実施形態の水素の製造方法は、風力、太陽光、水力、潮力、波力、海流、及び地熱からなる群から選ばれる少なくとも一つの再生可能エネルギー出力由来の電源（変動電源）を使用することによって、上述の効果が顕著になる。
上記のような、変動電源を用いた場合、具体的には、電解装置７０に低電流密度から高電流密度までがランダムに印可されることとなり、特に低電流密度時に酸素中水素濃度が悪化することとなるところ、本実施形態の水素の製造方法を採用すれば、酸素中水素濃度の悪化を抑制することが可能となる。
本実施形態の水素の製造方法は、風力、太陽光、水力、潮力、波力、海流、及び地熱からなる群から選ばれる少なくとも一つの再生可能エネルギー出力由来の電源（変動電源）を使用することによって、上述の効果が顕著になる。
上記のような、変動電源を用いた場合、具体的には、電解装置７０に低電流密度から高電流密度までがランダムに印可されることとなり、特に低電流密度時に酸素中水素濃度が悪化することとなるところ、本実施形態の水素の製造方法を採用すれば、酸素中水素濃度の悪化を抑制することが可能となる。
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。
実施例及び比較例で用いた測定方法及び評価方法について、以下に説明する。
（１）セル電圧
電流密度１０ｋＡ／ｍ２で連続して２時間通電し、アルカリ水電解を行った。２時間後、電解セルの対電圧の平均値を算出し、セル電圧（Ｖ）として評価した。
電流密度１０ｋＡ／ｍ２で連続して２時間通電し、アルカリ水電解を行った。２時間後、電解セルの対電圧の平均値を算出し、セル電圧（Ｖ）として評価した。
（２）ガス純度
電流密度１ｋＡ／ｍ２で連続して６時間通電し、アルカリ水電解を行った。６時間後、アルカリ水電解により得られた酸素中水素濃度（％）の値をガスクロマトグラフィーにより測定した。なお、酸素中水素濃度が低い方が、爆発範囲（水素が酸素と混合している場合、火源を近づけると爆発現象がおこる混合ガスの組成濃度範囲）を外れるため好ましい。
また、以下の評価基準により評価した。
［評価基準］
◎（優れる）：酸素中水素濃度が０．５％以下
○（良好）： 酸素中水素濃度が０．５％超１％以下
×（不良）： 酸素中水素濃度が１％超
電流密度１ｋＡ／ｍ２で連続して６時間通電し、アルカリ水電解を行った。６時間後、アルカリ水電解により得られた酸素中水素濃度（％）の値をガスクロマトグラフィーにより測定した。なお、酸素中水素濃度が低い方が、爆発範囲（水素が酸素と混合している場合、火源を近づけると爆発現象がおこる混合ガスの組成濃度範囲）を外れるため好ましい。
また、以下の評価基準により評価した。
［評価基準］
◎（優れる）：酸素中水素濃度が０．５％以下
○（良好）： 酸素中水素濃度が０．５％超１％以下
×（不良）： 酸素中水素濃度が１％超
（３）ガス純度の長期維持
電流密度１０ｋＡ／ｍ２で１０００時間通電し、アルカリ水電解を行った。その後、電流密度１ｋＡ／ｍ２で連続して６時間通電し、アルカリ水電解を行った。６時間後、アルカリ水電解により得られた酸素中水素濃度（％）の値をガスクロマトグラフィーにより測定した。
また、以下の評価基準により評価した。
［評価基準］
◎（優れる）：酸素中水素濃度が０．５％以下
○（良好）： 酸素中水素濃度が０．５％超１％以下
×（不良）： 酸素中水素濃度が１％超
電流密度１０ｋＡ／ｍ２で１０００時間通電し、アルカリ水電解を行った。その後、電流密度１ｋＡ／ｍ２で連続して６時間通電し、アルカリ水電解を行った。６時間後、アルカリ水電解により得られた酸素中水素濃度（％）の値をガスクロマトグラフィーにより測定した。
また、以下の評価基準により評価した。
［評価基準］
◎（優れる）：酸素中水素濃度が０．５％以下
○（良好）： 酸素中水素濃度が０．５％超１％以下
×（不良）： 酸素中水素濃度が１％超
（４）メンテナンス性
電解槽のメンテナンス性について、以下の評価基準により評価した。
［評価基準］
◎（優れる）：マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットのみの交換でメンテナンス可能、かつ当該マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットの数が２個以下である
○（良好）：マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットのみの交換でメンテナンス可能、かつ当該マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットの数が２個超である
×（不良）：樹脂コーティングの界面剥離などのため、電解槽ごとの交換が必要
電解槽のメンテナンス性について、以下の評価基準により評価した。
［評価基準］
◎（優れる）：マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットのみの交換でメンテナンス可能、かつ当該マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットの数が２個以下である
○（良好）：マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットのみの交換でメンテナンス可能、かつ当該マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットの数が２個超である
×（不良）：樹脂コーティングの界面剥離などのため、電解槽ごとの交換が必要
［実施例１］
複極式アルカリ水電解エレメント及びそれを用いたアルカリ水電解装置は、下記のとおり作製した。
－隔壁、外枠－
複極式アルカリ水電解エレメントとして、陽極と陰極とを区画する隔壁と、隔壁を取り囲む外枠とを備えたものを用いた。隔壁及び外枠等の電解液に接液する部材の材料は、全てニッケルとした。
－陽極－
陽極としては、あらかじめブラスト処理を施したニッケルエキスパンド基材を用い、酸化ニッケルの造粒物をプラズマ溶射法によって導電性基材の両面に吹き付けて製作した。
－陰極－
導電性基材として、直径０．１５ｍｍのニッケルの細線を４０メッシュで編んだ平織メッシュ基材上に白金を担持したものを用いた。
－隔膜－
隔膜としてＡｇｆａ社製Ｚｉｒｆｏｎ ｐｅｒｌ ＵＴＰ５００を使用した。
－ゼロギャップ構造－
各エレメントをガスケットを介してスタックさせ、複極式アルカリ水電解槽を組み立てることによって、陰極と陽極とを隔膜の両側から押し付けて接触させ、ゼロギャップ構造を形成した。ガスケットとしては、マニホールド被覆部材と一体化されており、隔膜を挟んだものを用いた。
陽極側では陽極のみを用い、陰極側は「陰極－導電性弾性体－集電体」の組み合わせからなる陰極構造体を用いた。
集電体として、あらかじめブラスト処理を施したニッケルエキスパンド基材を用いた。基材の厚みは１ｍｍであり、開口率は５４％であった。
導電性弾性体として、線径０．１５ｍｍのニッケル製ワイヤーを織ったものを、波高さ５ｍｍになるように波付け加工したものを使用した。
導電性弾性体を集電体上にスポット溶接して固定した。
陽極及び陰極としては、前述のものを用いた。
複極式アルカリ水電解エレメント及びそれを用いたアルカリ水電解装置は、下記のとおり作製した。
－隔壁、外枠－
複極式アルカリ水電解エレメントとして、陽極と陰極とを区画する隔壁と、隔壁を取り囲む外枠とを備えたものを用いた。隔壁及び外枠等の電解液に接液する部材の材料は、全てニッケルとした。
－陽極－
陽極としては、あらかじめブラスト処理を施したニッケルエキスパンド基材を用い、酸化ニッケルの造粒物をプラズマ溶射法によって導電性基材の両面に吹き付けて製作した。
－陰極－
導電性基材として、直径０．１５ｍｍのニッケルの細線を４０メッシュで編んだ平織メッシュ基材上に白金を担持したものを用いた。
－隔膜－
隔膜としてＡｇｆａ社製Ｚｉｒｆｏｎ ｐｅｒｌ ＵＴＰ５００を使用した。
－ゼロギャップ構造－
各エレメントをガスケットを介してスタックさせ、複極式アルカリ水電解槽を組み立てることによって、陰極と陽極とを隔膜の両側から押し付けて接触させ、ゼロギャップ構造を形成した。ガスケットとしては、マニホールド被覆部材と一体化されており、隔膜を挟んだものを用いた。
陽極側では陽極のみを用い、陰極側は「陰極－導電性弾性体－集電体」の組み合わせからなる陰極構造体を用いた。
集電体として、あらかじめブラスト処理を施したニッケルエキスパンド基材を用いた。基材の厚みは１ｍｍであり、開口率は５４％であった。
導電性弾性体として、線径０．１５ｍｍのニッケル製ワイヤーを織ったものを、波高さ５ｍｍになるように波付け加工したものを使用した。
導電性弾性体を集電体上にスポット溶接して固定した。
陽極及び陰極としては、前述のものを用いた。
－複極式アルカリ水電解槽、複極式アルカリ水電解エレメント
陽極ターミナルエレメントと、陰極ターミナルエレメントと、１０個の複極式アルカリ水電解エレメントとを使用した。図２に示すように、一方の端側で、ファストヘッド、絶縁板、陽極ターミナルエレメントを配置し、更に、陽極側ガスケット部分、隔膜、陰極側ガスケット部分、複極式アルカリ水電解エレメントをこの順に並べたものを１０組配置し、更に、陽極側ガスケット部分、隔膜、陰極側ガスケット部分を配置し、もう一方の端側で、陰極ターミナルエレメント、絶縁板、ルーズヘッドを配列した。その後、これらをファストヘッド及びルーズヘッドの両側からガスケットのシール面圧２．５ＭＰａで締め付けることでスタックし、複極式アルカリ水電解槽を組み立てた。この複極式アルカリ水電解槽は、陰極室及び陽極室が、それぞれ１０室ある１０対の直列接続構造を有していた。
陽極ターミナルエレメントと、陰極ターミナルエレメントと、１０個の複極式アルカリ水電解エレメントとを使用した。図２に示すように、一方の端側で、ファストヘッド、絶縁板、陽極ターミナルエレメントを配置し、更に、陽極側ガスケット部分、隔膜、陰極側ガスケット部分、複極式アルカリ水電解エレメントをこの順に並べたものを１０組配置し、更に、陽極側ガスケット部分、隔膜、陰極側ガスケット部分を配置し、もう一方の端側で、陰極ターミナルエレメント、絶縁板、ルーズヘッドを配列した。その後、これらをファストヘッド及びルーズヘッドの両側からガスケットのシール面圧２．５ＭＰａで締め付けることでスタックし、複極式アルカリ水電解槽を組み立てた。この複極式アルカリ水電解槽は、陰極室及び陽極室が、それぞれ１０室ある１０対の直列接続構造を有していた。
－マニホールド－
ニッケル製のマニホールドを使用し、内部マニホールド型の複極式アルカリ水電解エレメントとした。当該マニホールドは、図３、図４に示すように、すべてのヘッダー部（陽極入口ヘッダー部、陰極入口ヘッダー部、陽極出口ヘッダー部、陰極出口ヘッダー部）が隔壁に垂直な方向に延びるように（スタック方向に沿う方向に延びるように）、配置されている。
ニッケル製のマニホールドを使用し、内部マニホールド型の複極式アルカリ水電解エレメントとした。当該マニホールドは、図３、図４に示すように、すべてのヘッダー部（陽極入口ヘッダー部、陰極入口ヘッダー部、陽極出口ヘッダー部、陰極出口ヘッダー部）が隔壁に垂直な方向に延びるように（スタック方向に沿う方向に延びるように）、配置されている。
－ガスケット－
ガスケットとして、ＥＰＤＭを材質とし、１００％変形時の弾性率が４．０ＭＰａであり、厚みが４．０ｍｍであるものを用いた。このガスケットは、平面視での開口部の寸法がセル枠の電極室の寸法であり、ここで、開口部の内壁の厚み方向中央部分に、隔膜を挿入することでこれを保持するための、厚み０．４ｍｍのスリット構造を有していた。
中枠用ガスケットは、一方の面に、マニホールドの陽極入口ヘッダー部を被覆する陽極入口マニホールド被覆部材と陽極出口ヘッダー部を被覆する陽極出口マニホールド被覆部材とを有し、もう一方の面に、マニホールドの陰極入口ヘッダー部を被覆する陰極入口マニホールド被覆部材と陰極出口ヘッダー部を被覆する陰極出口マニホールド被覆部材とを有するものとした。
陽極ターミナル用ガスケットは、陽極ターミナルエレメントと接する面に、マニホールドの陽極入口ヘッダー部を被覆する陽極入口マニホールド被覆部材と陽極出口ヘッダー部を被覆する陽極出口マニホールド被覆部材と陰極入口ヘッダー部を被覆する陰極入口マニホールド被覆部材と陰極出口ヘッダー部を被覆する陰極出口マニホールド被覆部材とを有し、もう一方の面に、マニホールドの陽極入口ヘッダー部を被覆する陽極入口マニホールド被覆部材と陽極出口ヘッダー部を被覆する陽極出口マニホールド被覆部材とを有するものとした。
陰極ターミナル用ガスケットは、両方の面に、マニホールドの陰極入口ヘッダー部を被覆する陰極入口マニホールド被覆部材と陰極出口ヘッダー部を被覆する陰極出口マニホールド被覆部材とを有し、陰極ターミナルエレメントに隣接するエレメントの陽極マニホールド（陽極入口ヘッダー部及び陽極出口ヘッダー部）と接するガスケット部分は孔が空いておらず塞がれており、該当部分で陰極ターミナルエレメントに電解液が接液しない状態になっている。
各マニホールド被覆部材の厚みは、３．０ｍｍとした。各マニホールド被覆部材の材質としてＥＰＤＭ（１００％変形時の弾性率が４．０ＭＰａ）を用いた。
陽極ターミナル用ガスケットを陽極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間に、陰極ターミナル用ガスケットを陰極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間に、中枠用ガスケットを中枠エレメント同士の間に配置した。このとき、各ヘッダー部に対応する各マニホールド被覆部材を挿入して、各ヘッダー部を各マニホールド被覆部材で覆った（図６（ａ）に中枠用ガスケットの装着状態を示す）。その際、マニホールド被覆部材の固定には接着剤を用いた。
マニホールド被覆部材のマニホールド表面被覆率は、いずれも１００％であった。
こうして、内部マニホールド型の複極式アルカリ水電解槽を作製した。
ガスケットとして、ＥＰＤＭを材質とし、１００％変形時の弾性率が４．０ＭＰａであり、厚みが４．０ｍｍであるものを用いた。このガスケットは、平面視での開口部の寸法がセル枠の電極室の寸法であり、ここで、開口部の内壁の厚み方向中央部分に、隔膜を挿入することでこれを保持するための、厚み０．４ｍｍのスリット構造を有していた。
中枠用ガスケットは、一方の面に、マニホールドの陽極入口ヘッダー部を被覆する陽極入口マニホールド被覆部材と陽極出口ヘッダー部を被覆する陽極出口マニホールド被覆部材とを有し、もう一方の面に、マニホールドの陰極入口ヘッダー部を被覆する陰極入口マニホールド被覆部材と陰極出口ヘッダー部を被覆する陰極出口マニホールド被覆部材とを有するものとした。
陽極ターミナル用ガスケットは、陽極ターミナルエレメントと接する面に、マニホールドの陽極入口ヘッダー部を被覆する陽極入口マニホールド被覆部材と陽極出口ヘッダー部を被覆する陽極出口マニホールド被覆部材と陰極入口ヘッダー部を被覆する陰極入口マニホールド被覆部材と陰極出口ヘッダー部を被覆する陰極出口マニホールド被覆部材とを有し、もう一方の面に、マニホールドの陽極入口ヘッダー部を被覆する陽極入口マニホールド被覆部材と陽極出口ヘッダー部を被覆する陽極出口マニホールド被覆部材とを有するものとした。
陰極ターミナル用ガスケットは、両方の面に、マニホールドの陰極入口ヘッダー部を被覆する陰極入口マニホールド被覆部材と陰極出口ヘッダー部を被覆する陰極出口マニホールド被覆部材とを有し、陰極ターミナルエレメントに隣接するエレメントの陽極マニホールド（陽極入口ヘッダー部及び陽極出口ヘッダー部）と接するガスケット部分は孔が空いておらず塞がれており、該当部分で陰極ターミナルエレメントに電解液が接液しない状態になっている。
各マニホールド被覆部材の厚みは、３．０ｍｍとした。各マニホールド被覆部材の材質としてＥＰＤＭ（１００％変形時の弾性率が４．０ＭＰａ）を用いた。
陽極ターミナル用ガスケットを陽極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間に、陰極ターミナル用ガスケットを陰極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間に、中枠用ガスケットを中枠エレメント同士の間に配置した。このとき、各ヘッダー部に対応する各マニホールド被覆部材を挿入して、各ヘッダー部を各マニホールド被覆部材で覆った（図６（ａ）に中枠用ガスケットの装着状態を示す）。その際、マニホールド被覆部材の固定には接着剤を用いた。
マニホールド被覆部材のマニホールド表面被覆率は、いずれも１００％であった。
こうして、内部マニホールド型の複極式アルカリ水電解槽を作製した。
送液ポンプ、水補給器等は、いずれも当該技術分野において通常使用されるものを用いて、図１に示すようなアルカリ水電解装置を作製した。なお、貯留タンクに接続される入口配管及び出口配管は、いずれも陽極ターミナルエレメントに接続した。
陰極入口ヘッダー部から陰極室へ、陰極室から陰極出口ヘッダー部へと電解液を流した。また、陽極入口ヘッダー部から陽極室へ、陽極室から陽極出口ヘッダー部へと電解液を流した。
陰極入口ヘッダー部は、平面視で長方形の外枠の下辺の一方端側に、陰極出口ヘッダー部は、平面視で長方形の外枠の下辺の他方端側に繋がる側辺の上側に、それぞれ接続した（図３参照）。ここでは、陰極入口ヘッダー部と陰極出口ヘッダー部とを、平面視で長方形の電解室において電極室の中央部を挟んで向かい合うように設けた。電解液は、鉛直方向に対して傾斜しながら下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
この実施例の複極式電解槽では、陽極室及び陰極室の電解液入口から、陽極室及び陰極室に電解液が流入し、陽極室及び陰極室の電解液出口から、電解液と生成ガスとが複極式電解槽の外へ流出する構造とした。
陰極室では、電解により水素ガスが発生し、陽極室では、電解により酸素ガスが発生するため、前述した陰極出口ヘッダー部では、電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口ヘッダー部では、電解液と酸素ガスとの混相流となった。
陰極入口ヘッダー部は、平面視で長方形の外枠の下辺の一方端側に、陰極出口ヘッダー部は、平面視で長方形の外枠の下辺の他方端側に繋がる側辺の上側に、それぞれ接続した（図３参照）。ここでは、陰極入口ヘッダー部と陰極出口ヘッダー部とを、平面視で長方形の電解室において電極室の中央部を挟んで向かい合うように設けた。電解液は、鉛直方向に対して傾斜しながら下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
この実施例の複極式電解槽では、陽極室及び陰極室の電解液入口から、陽極室及び陰極室に電解液が流入し、陽極室及び陰極室の電解液出口から、電解液と生成ガスとが複極式電解槽の外へ流出する構造とした。
陰極室では、電解により水素ガスが発生し、陽極室では、電解により酸素ガスが発生するため、前述した陰極出口ヘッダー部では、電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口ヘッダー部では、電解液と酸素ガスとの混相流となった。
アルカリ水電解装置を用いた水素の製造方法を、下記の条件で実施した。
電解液として、３０％ＫＯＨ水溶液を用いた。
電解電源（整流器）から複極式アルカリ水電解槽に対して、複極式アルカリ水電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、所望の電流密度となるように通電をした。温度は、熱交換器によって、電解槽出口側温度が９０℃になるように調整した。
送液ポンプにより、陽極室、酸素分離タンク（陽極用気液分離タンク）、陽極室の循環を、また、陰極室、水素分離タンク（陰極用気液分離タンク）、陰極室の循環を行った。
通電開始後の槽内圧力は、圧力計で測定し、陰極（水素ガス）側圧力が５０ｋＰａ、陽極（酸素ガス）側圧力が４９ｋＰａとなるように調整した。圧力調整は、圧力計下流に設置した制御弁により行った。
電解液として、３０％ＫＯＨ水溶液を用いた。
電解電源（整流器）から複極式アルカリ水電解槽に対して、複極式アルカリ水電解槽の陰極及び陽極の面積に対して、所望の電流密度となるように通電をした。温度は、熱交換器によって、電解槽出口側温度が９０℃になるように調整した。
送液ポンプにより、陽極室、酸素分離タンク（陽極用気液分離タンク）、陽極室の循環を、また、陰極室、水素分離タンク（陰極用気液分離タンク）、陰極室の循環を行った。
通電開始後の槽内圧力は、圧力計で測定し、陰極（水素ガス）側圧力が５０ｋＰａ、陽極（酸素ガス）側圧力が４９ｋＰａとなるように調整した。圧力調整は、圧力計下流に設置した制御弁により行った。
［実施例２］
陰極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間、及び陽極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間のみに、実施例１と同じマニホールド被覆部材と一体化された各ターミナル用ガスケットを用い、それ以外のエレメント（中枠エレメント）同士の間は、マニホールド被覆部材を有しないガスケット（図７（ａ）にマニホールド被覆部材を有しない中枠用ガスケットの装着状態を示す）を用いた（すなわち、マニホールドをマニホールド被覆部材で覆わなかった）こと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
陰極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間、及び陽極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間のみに、実施例１と同じマニホールド被覆部材と一体化された各ターミナル用ガスケットを用い、それ以外のエレメント（中枠エレメント）同士の間は、マニホールド被覆部材を有しないガスケット（図７（ａ）にマニホールド被覆部材を有しない中枠用ガスケットの装着状態を示す）を用いた（すなわち、マニホールドをマニホールド被覆部材で覆わなかった）こと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
［実施例３］
陰極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間、及び陽極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間は、マニホールド表面被覆率がいずれも５０％であるマニホールド被覆部材を有する各ターミナル用ガスケットを用い、それ以外のエレメント（中枠エレメント）同士の間は、マニホールド表面被覆率がいずれも５０％であるマニホールド被覆部材を有する中枠用ガスケット（図６（ｂ）に中枠用ガスケットの装着状態を示す）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
陰極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間、及び陽極ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間は、マニホールド表面被覆率がいずれも５０％であるマニホールド被覆部材を有する各ターミナル用ガスケットを用い、それ以外のエレメント（中枠エレメント）同士の間は、マニホールド表面被覆率がいずれも５０％であるマニホールド被覆部材を有する中枠用ガスケット（図６（ｂ）に中枠用ガスケットの装着状態を示す）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
［実施例４］
マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットの外側に樹脂スペーサーを配置した（図６（ｃ）に中枠用ガスケット及び樹脂スペーサーの装着状態を示す）こと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
樹脂スペーサーを用いたことにより、電解運転時の電解セル内の圧力を、実施例１よりも高い８００ｋＰａまで上げることができた。
マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットの外側に樹脂スペーサーを配置した（図６（ｃ）に中枠用ガスケット及び樹脂スペーサーの装着状態を示す）こと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
樹脂スペーサーを用いたことにより、電解運転時の電解セル内の圧力を、実施例１よりも高い８００ｋＰａまで上げることができた。
［実施例５］
各マニホールド被覆部材の材質としてＰＴＦＥ（１００％変形時の弾性率が９．０ＭＰａ）のものを用いたこと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
各マニホールド被覆部材の材質としてＰＴＦＥ（１００％変形時の弾性率が９．０ＭＰａ）のものを用いたこと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
実施例１－５において、低いセル電圧を示したことから、効率的に水素を製造できることが示された。
実施例１において、マニホールドの全表面がマニホールド被覆部材で保護されていたため、リーク電流による不純物ガスの発生が抑制され、低電流密度において酸素中水素濃度が低く、ガス純度が高かった。さらに、長期使用後も、高いガス純度を維持できた。また、電解槽ごとの交換が不要であり、メンテナンス性が高かった。
実施例２において、ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間のみにマニホールド被覆部材と一体化されたガスケットを用いたところ、実施例１ほどではないもののリーク電流による不純物ガスの発生を抑制する効果がみられ、ガス純度が高かった。さらに、長期使用後も、高いガス純度を維持できた。また、電解槽ごとの交換が不要であり、マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットの数も少なかったため、電解槽の組み立てもより容易であり、メンテナンス性が高かった。
実施例３において、マニホールド表面被覆率が５０％であるマニホールド被覆部材を有するガスケットを用いたところ、実施例１ほどではないもののリーク電流による不純物ガスの発生を抑制する効果がみられ、ガス純度が高かった。さらに、長期使用後も、高いガス純度を維持できた。また、電解槽ごとの交換が不要であり、メンテナンス性が高かった。
実施例４において、樹脂スペーサーを用いたところ、電解運転時の電解セル内の圧力を高値にすることができ、この場合においてもリーク電流による不純物ガスの発生が抑制され、ガス純度が高かった。さらに、長期使用後も、高いガス純度を維持できた。また、電解槽ごとの交換が不要であり、メンテナンス性が高かった。
実施例５において、マニホールド被覆部材の材質としてＰＴＦＥのものを用いたところ、マニホールド被覆部材の材質としてＥＰＤＭのものを用いた実施例１ほどではないものの、この場合においてもリーク電流による不純物ガスの発生を抑制する効果がみられ、ガス純度が高かった。さらに、長期使用後には若干のガス純度の悪化が見られるものの実用上問題のないガス純度を維持できた。また、電解槽ごとの交換が不要であり、メンテナンス性が高かった。
実施例１において、マニホールドの全表面がマニホールド被覆部材で保護されていたため、リーク電流による不純物ガスの発生が抑制され、低電流密度において酸素中水素濃度が低く、ガス純度が高かった。さらに、長期使用後も、高いガス純度を維持できた。また、電解槽ごとの交換が不要であり、メンテナンス性が高かった。
実施例２において、ターミナルエレメントとその隣接するエレメントとの間のみにマニホールド被覆部材と一体化されたガスケットを用いたところ、実施例１ほどではないもののリーク電流による不純物ガスの発生を抑制する効果がみられ、ガス純度が高かった。さらに、長期使用後も、高いガス純度を維持できた。また、電解槽ごとの交換が不要であり、マニホールド被覆部材と一体化されたガスケットの数も少なかったため、電解槽の組み立てもより容易であり、メンテナンス性が高かった。
実施例３において、マニホールド表面被覆率が５０％であるマニホールド被覆部材を有するガスケットを用いたところ、実施例１ほどではないもののリーク電流による不純物ガスの発生を抑制する効果がみられ、ガス純度が高かった。さらに、長期使用後も、高いガス純度を維持できた。また、電解槽ごとの交換が不要であり、メンテナンス性が高かった。
実施例４において、樹脂スペーサーを用いたところ、電解運転時の電解セル内の圧力を高値にすることができ、この場合においてもリーク電流による不純物ガスの発生が抑制され、ガス純度が高かった。さらに、長期使用後も、高いガス純度を維持できた。また、電解槽ごとの交換が不要であり、メンテナンス性が高かった。
実施例５において、マニホールド被覆部材の材質としてＰＴＦＥのものを用いたところ、マニホールド被覆部材の材質としてＥＰＤＭのものを用いた実施例１ほどではないものの、この場合においてもリーク電流による不純物ガスの発生を抑制する効果がみられ、ガス純度が高かった。さらに、長期使用後には若干のガス純度の悪化が見られるものの実用上問題のないガス純度を維持できた。また、電解槽ごとの交換が不要であり、メンテナンス性が高かった。
［比較例１］
すべてのエレメント間において、マニホールド被覆部材を有しないガスケット（図７（ａ）にマニホールド被覆部材を有しない中枠用ガスケットの装着状態を示す）を用いた（すなわち、マニホールドをマニホールド被覆部材で覆わなかった）こと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
マニホールドの表面全体において、マニホールド被覆部材で保護されていない金属面が露出した状態であったため、実施例と比較して、電解開始当初も長期的にも、酸素中水素濃度が高く、ガス純度が悪かった。
すべてのエレメント間において、マニホールド被覆部材を有しないガスケット（図７（ａ）にマニホールド被覆部材を有しない中枠用ガスケットの装着状態を示す）を用いた（すなわち、マニホールドをマニホールド被覆部材で覆わなかった）こと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
マニホールドの表面全体において、マニホールド被覆部材で保護されていない金属面が露出した状態であったため、実施例と比較して、電解開始当初も長期的にも、酸素中水素濃度が高く、ガス純度が悪かった。
［比較例２］
特許第６４０４６８５号公報の実施例に記載の方法ですべてのマニホールド（ヘッダー部）の表面をＰＴＦＥでコーティングし、マニホールド被覆部材を有しないガスケット（図７（ｂ）にマニホールド被覆部材を有しない中枠用ガスケットの装着状態及びＰＴＦＥコーティングを示す）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
マニホールドの表面がコーティング材で保護されていたため、電解開始当初はリーク電流による不純物ガスの発生が抑制され、酸素中水素濃度が低く、ガス純度が高かったが、長期使用中にコーティング材が剥がれたため、高いガス純度を維持することができなかった。
また、剥がれたコーティング材の修復のため、電解槽ごと交換する必要があり、メンテナンス性は低かった。
特許第６４０４６８５号公報の実施例に記載の方法ですべてのマニホールド（ヘッダー部）の表面をＰＴＦＥでコーティングし、マニホールド被覆部材を有しないガスケット（図７（ｂ）にマニホールド被覆部材を有しない中枠用ガスケットの装着状態及びＰＴＦＥコーティングを示す）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてアルカリ水電解装置を作製した。
マニホールドの表面がコーティング材で保護されていたため、電解開始当初はリーク電流による不純物ガスの発生が抑制され、酸素中水素濃度が低く、ガス純度が高かったが、長期使用中にコーティング材が剥がれたため、高いガス純度を維持することができなかった。
また、剥がれたコーティング材の修復のため、電解槽ごと交換する必要があり、メンテナンス性は低かった。
本発明の内部マニホールド型複極式電解エレメントを用いた電解槽によれば、リーク電流による不純物ガスの発生を抑制し、負荷変動に応じて電解電流を変動させて出力を制御することができ、長期間高効率及び高純度水素の製造を維持することができる。その上、工業生産が容易で、部材のメンテナンスが容易であり、電解槽枠一式の交換が不要となるだけでなく、作業時間を大幅に短縮でき、電解停止時間を最小化することができるため、電気分解（水の電気分解、特にアルカリ水の電気分解）による水素の製造に好適に使用することができる。
１ 隔壁
２ 電極
２ａ 陽極
２ｃ 陰極
２ｅ 導電性弾性体
２ｒ 集電体
３ 外枠
４ 隔膜
５ 電極室
５ａ 陽極室
５ｃ 陰極室
５ｉ 電解液入口
５ｏ 電解液出口
５ａｉ 陽極電解液入口
５ａｏ 陽極電解液出口
５ｃｉ 陰極電解液入口
５ｃｏ 陰極電解液出口
６ 整流板
６ａ 陽極整流板（陽極リブ）
６ｃ 陰極整流板（陰極リブ）
７ ガスケット
２０ マニホールド
２０ｉ 入口ヘッダー部
２０ａｉ 陽極入口ヘッダー部
２０ｃｉ 陰極入口ヘッダー部
２０ｏ 出口ヘッダー部
２０ａｏ 陽極出口ヘッダー部
２０ｃｏ 陰極出口ヘッダー部
３０ マニホールド被覆部材
３０ａｉ 陽極入口マニホールド被覆部材
３０ｃｉ 陰極入口マニホールド被覆部材
３０ａｏ 陽極出口マニホールド被覆部材
３０ｃｏ 陰極出口マニホールド被覆部材
４０ 樹脂スペーサー
５０ 複極式電解槽
５１ｇ ファストヘッド、ルーズヘッド
５１ａ 陽極ターミナルエレメント
５１ｃ 陰極ターミナルエレメント
５１ｒ タイロッド
５１ｉ 絶縁板
６０ 複極式電解エレメント
６５ 電解セル
７０ 電解装置
７１ 送液ポンプ
７２ 気液分離タンク
７２ｈ 水素分離タンク
７２ｏ 酸素分離タンク
７４ 電解電源
７５ 酸素濃度計
７６ 水素濃度計
７７ 流量計
７８ 圧力計
７９ 熱交換器
８０ 圧力制御弁
Ｄ１ 隔壁に沿う所与の方向（鉛直方向）
Ｚ ゼロギャップ構造
Ｃ 樹脂コーティング
２ 電極
２ａ 陽極
２ｃ 陰極
２ｅ 導電性弾性体
２ｒ 集電体
３ 外枠
４ 隔膜
５ 電極室
５ａ 陽極室
５ｃ 陰極室
５ｉ 電解液入口
５ｏ 電解液出口
５ａｉ 陽極電解液入口
５ａｏ 陽極電解液出口
５ｃｉ 陰極電解液入口
５ｃｏ 陰極電解液出口
６ 整流板
６ａ 陽極整流板（陽極リブ）
６ｃ 陰極整流板（陰極リブ）
７ ガスケット
２０ マニホールド
２０ｉ 入口ヘッダー部
２０ａｉ 陽極入口ヘッダー部
２０ｃｉ 陰極入口ヘッダー部
２０ｏ 出口ヘッダー部
２０ａｏ 陽極出口ヘッダー部
２０ｃｏ 陰極出口ヘッダー部
３０ マニホールド被覆部材
３０ａｉ 陽極入口マニホールド被覆部材
３０ｃｉ 陰極入口マニホールド被覆部材
３０ａｏ 陽極出口マニホールド被覆部材
３０ｃｏ 陰極出口マニホールド被覆部材
４０ 樹脂スペーサー
５０ 複極式電解槽
５１ｇ ファストヘッド、ルーズヘッド
５１ａ 陽極ターミナルエレメント
５１ｃ 陰極ターミナルエレメント
５１ｒ タイロッド
５１ｉ 絶縁板
６０ 複極式電解エレメント
６５ 電解セル
７０ 電解装置
７１ 送液ポンプ
７２ 気液分離タンク
７２ｈ 水素分離タンク
７２ｏ 酸素分離タンク
７４ 電解電源
７５ 酸素濃度計
７６ 水素濃度計
７７ 流量計
７８ 圧力計
７９ 熱交換器
８０ 圧力制御弁
Ｄ１ 隔壁に沿う所与の方向（鉛直方向）
Ｚ ゼロギャップ構造
Ｃ 樹脂コーティング
Claims (11)
- 陽極と、陰極と、隔壁と、外枠で構成され、マニホールドを有する内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメントであり、
前記陽極、前記陰極、前記隔壁、前記外枠、及び前記マニホールドは、導電性を有し、
前記マニホールドの表面の少なくとも一部は、マニホールド被覆部材で覆われており、
すべての前記マニホールドの表面積の合計を１００％としたときに、前記マニホールド被覆部材によって被覆された表面積の割合（表面被覆率）が１３～１００％であり、
前記マニホールド被覆部材は、ガスケットと一体化されており、脱着可能であり、少なくとも絶縁材料で構成される、
ことを特徴とする、内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。 - 陰極ターミナルエレメントと陽極ターミナルエレメントのマニホールドの表面の少なくとも一部が、前記マニホールド被覆部材で覆われている、請求項１に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
- 前記マニホールド被覆部材が、ゴム材料及びポリテトラフルオロエチレンからなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成される、請求項１又は２に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
- 前記マニホールド被覆部材が、ゴム材料で構成される、請求項１又は２に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
- 前記ガスケットの外側に樹脂スペーサーが配置され、前記樹脂スペーサーの圧縮弾性率は、前記ガスケットの圧縮弾性率よりも大きい、請求項１又は２に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメント。
- 請求項１又は２に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解エレメントと隔膜とが前記ガスケットを介してスタックされて電解セルが構成されることを特徴とする、内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽。
- 前記マニホールドが、前記隔膜の外側に配置されている、請求項６に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽。
- 前記陽極ターミナルエレメントに、入口配管及び出口配管が接続されている、請求項６に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽。
- 請求項６に記載の内部マニホールド型複極式アルカリ水電解槽を使用することを特徴とする、水素の製造方法。
- 電解運転時の前記電解セル内の圧力が３～４０００ｋＰａである、請求項９に記載の水素の製造方法。
- 電力を供給する電源が、風力、太陽光、水力、潮力、波力、海流、及び地熱からなる群から選ばれる少なくとも一つの再生可能エネルギー出力由来の電源である、請求項９に記載の水素の製造方法。
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