WO2023277010A1

WO2023277010A1 - 電解装置

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Publication number: WO2023277010A1
Application number: PCT/JP2022/025746
Authority: WO
Inventors: 直人田上; 英彦田島; 翔一古川; 大輔向井; 博加古; 貴洋祐延
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2023-12-30
Also published as: AU2022300453B2; EP4350051A1; TW202307273A; US20240271296A1; TWI887552B; AU2022300453A1; WO2023276461A1; JPWO2023277010A1; EP4350051A4

Abstract

電解装置は、電解槽と、電解槽を陰極室と陽極室に区画するイオン交換膜と、陰極室に陰極液としての電解液を供給する陰極液供給部と、陰極室から陰極液を排出する陰極液排出部と、陽極室に陽極液としての電解液を供給する陽極液供給部と、陽極室から陽極液を排出する陽極液排出部と、イオン交換膜の陰極室側の面に設けられた陰極と、イオン交換膜の陽極室側の面に設けられた陽極と、陰極室内に設けられ、陰極に電力を供給する陰極側給電体と、陽極室内に設けられ、陽極に電力を供給する陽極側給電体と、を備え、陰極液のｐＨは陽極液のｐＨよりも小さい。

Description

電解装置

　本開示は、電解装置に関する。
　本願は、２０２１年６月３０日に日本に出願された特願２０２１－１０９２７５号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　水素を生成するための装置として、水を電気分解する装置（電解装置）が知られている。この種の装置として、下記特許文献１に記載されたものが例示される。この装置では、イオン交換膜によって陰極室と陽極室に区画された電解槽内に水を充填し、陰極と陽極に電力を供給することで水の電気分解が行われる。陰極室では水と電子の反応によって水素が発生する。この反応によって生じた水酸化物イオンはイオン交換膜を透過して陽極室に到達する。陽極室ではこの水酸化物イオンから、酸素と水が発生する。このような反応が継続することで、大量の水素を得ることができるとされている。

国際公開第２０１７／０６９０８３号

　ところで、上記のような電解装置では、陽極と陰極では最適なｐＨが異なる。具体的には、陽極ではｐＨが高いほど電解性能が高まり、陰極ではｐＨが低いほど電解性能が高まる。したがって、上記特許文献１に係る装置のように陽極室、及び陰極室に同じｐＨの水を供給した場合、陽極、又は陰極のいずれか一方で電解性能が低下してしまうことがある。その結果、電解装置のエネルギー効率に影響が及ぶ可能性がある。

　本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より高い効率で水素を生成することが可能な電解装置を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本開示に係る電解装置は、電解槽と、該電解槽を陰極室と陽極室に区画するイオン交換膜と、前記陰極室に陰極液としての電解液を供給する陰極液供給部と、前記陰極室から前記陰極液を排出する陰極液排出部と、前記陽極室に陽極液としての電解液を供給する陽極液供給部と、前記陽極室から前記陽極液を排出する陽極液排出部と、前記イオン交換膜の前記陰極室側の面に設けられた陰極と、前記イオン交換膜の前記陽極室側の面に設けられた陽極と、前記陰極室内に設けられ、前記陰極に電力を供給する陰極側給電体と、前記陽極室内に設けられ、前記陽極に電力を供給する陽極側給電体と、を備え、前記陰極液のｐＨは、前記陽極液のｐＨよりも小さい。

　本開示によれば、より高い効率で水素を生成することが可能な電解装置を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る電解システムの構成を示す図である。本開示の第一実施形態に係る電解装置の構成を示す断面図である。本開示の第二実施形態に係る電解システムの構成を示す断面図である。本開示の第三実施形態に係る電解システムの構成を示す断面図である。本開示の各実施形態に係る実施例、及び比較例の試験条件を示す表である。本開示の各実施形態に係る実施例、及び比較例における電解電圧計測結果のオーム損補正値を示すグラフである。比較例の試験条件を示す表である。比較例における電解電圧計測結果のオーム損補正値を示すグラフである。

＜第一実施形態＞
（電解システムの構成）
　以下、本開示の第一実施形態に係る電解システム１００、及び電解装置９０について、図１と図２を参照して説明する。図１に示すように、電解システム１００は、電解装置９０と、陰極側ポンプ１と、陽極側ポンプ２と、陰極側タンク３と、陽極側タンク４と、薬品タンク５，６と、給水タンク７，８と、陰極側ガス貯留部９と、陽極側ガス貯留部１０と、電源装置１１と、陰極側供給ライン１２と、陽極側供給ライン１３と、陰極側排出ライン１４と、陽極側排出ライン１５と、薬品ライン１６，１７と、給水ライン１８，１９と、陰極側ガス排出ライン２０と、陽極側ガス排出ライン２１と、ｐＨ計測部３１，３２と、水素ガス検出部３３，３４と、を備えている。

　電解装置９０の供給側と陰極側タンク３とは、陰極側供給ライン１２によって接続されている。陰極側供給ライン１２上には陰極側ポンプ１が設けられている。詳しくは後述するが、陰極側タンク３には陰極液としてｐＨが調整された水溶液が貯留されている。陰極側ポンプ１を駆動することによって陰極液が電解装置９０に供給される。

　電解装置９０の排出側と陰極側タンク３とは、陰極側排出ライン１４によって接続されている。電解装置９０から排出された陰極液は、この陰極側排出ライン１４によって回収されて陰極側タンク３に戻る。なお、陰極側タンク３は、気液分離装置としての機能も有している。電解反応によって生じたガスが陰極液に含まれる場合、陰極側タンク３内で気液分離され、液体成分のみが貯留されるように構成されている。

　陰極側タンク３には、薬品ライン１６を通じて薬品タンク５が接続されている。薬品タンク５内には、陰極液を生成するために必要となる薬液（アルカリ金属の水酸化物（ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ）,テトラアルキルアンモニウムの水酸化物（Ｎ（ＣＨ３）４ＯＨ，Ｎ（Ｃ２Ｈ５）４ＯＨ），炭酸塩（ＫＨＣＯ_３、Ｋ_２ＣＯ_３）、アルカリ土類金属の水酸化物（Ｃａ（ＯＨ）２）、Ｍｇ（ＯＨ）２）を含む群から少なくとも１つ選択された物質）が貯留されている。また、薬品タンク５内には、ｐＨ緩衝材も貯留することができる。ｐＨ緩衝材として具体的には、１ｐｐｍ～１０ｍｏｌ／ＬのＫＨＣＯ_３，Ｋ_２ＣＯ_３、リン酸、ホウ酸、Ｔｒｉｓ　Ｈ２ＮＣ（ＣＨ２ＯＨ）３　（ｔｒｉｓ　（ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ）ａｍｉｎｏｍｅｔｈａｎｅ）、ＨＥＰＥＳ［２－［４－（２－Ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ）－１－ｐｉｐｅｒａｚｉｎｙｌ］　ｅｔｈａｎｅ　ｓｕｌｆｏｎｉｃ　ａｃｉｄ、クエン酸、から選択された少なくとも１種類以上の物質が含まれる。

　さらに、陰極側タンク３には、給水ライン１８を通じて給水タンク７が接続されている。給水タンク７内には、陰極液を生成するために必要となる水（超純水、純水、イオン交換水、蒸留水、工業用水、及びろ過水を含む群から少なくとも１つ選択された物質）が貯留されている。陰極液は、これらの物質によって構成され、そのｐＨは５．０～１５．０となるように適宜調整されている。

　陰極側ガス貯留部９は、陰極側ガス排出ライン２０によって陰極側タンク３に接続されている。陰極側タンク３内で発生したガスは上述のように気液分離され、当該陰極側ガス排出ライン２０を通じて陰極側ガス貯留部９に貯留される。

　同様にして、電解装置９０と陽極側タンク４とは、陽極側供給ライン１３によって接続されている。陽極側供給ライン１３上には陽極側ポンプ２が設けられている。詳しくは後述するが、陽極側タンク４には陽極液として陰極液よりもｐＨが高い水溶液が貯留されている。陽極側ポンプ２を駆動することによって陽極液が電解装置９０に供給される。

　電解装置９０の排出側と陽極側タンク４とは、陽極側排出ライン１５によって接続されている。電解装置９０から排出された陽極液は、この陽極側排出ライン１５によって回収されて陽極側タンク４に戻る。なお、陽極側タンク４は、気液分離装置としての機能も有している。電解反応によって生じたガスが陽極液に含まれる場合、陽極側タンク４内で気液分離され、液体成分のみが貯留されるように構成されている。

　陽極側タンク４には、薬品ライン１７を通じて薬品タンク６が接続されている。薬品タンク内には、陽極液を生成するために必要となる薬液（アルカリ金属の水酸化物（ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ）、テトラアルキルアンモニウムの水酸化物（Ｎ（ＣＨ３）４ＯＨ、Ｎ（Ｃ２Ｈ５）４ＯＨ）、炭酸塩（ＫＨＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３），アルカリ土類金属の水酸化物（Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２）を含む群から少なくとも１つ選択された物質）が貯留されている。さらに、陽極側タンク４には、給水ライン１９を通じて給水タンク８が接続されている。給水タンク８内には、陽極液を生成するために必要となる水（超純水、純水、イオン交換水、蒸留水、工業用水、及びろ過水を含む群から選択された少なくとも一の物質）が貯留されている。陽極液は、これらの物質によって構成され、そのｐＨは上述の陰極液のｐＨよりも高くなるように適宜調整されている。

　陽極側ガス貯留部１０は、陽極側ガス排出ライン２１によって陽極側タンク４に接続されている。陽極側タンク４内で発生したガスは上述のように気液分離され、当該陽極側ガス排出ライン２１を通じて陽極側ガス貯留部１０に貯留される。

　電源装置１１は、電解装置９０の陰極側（後述する陰極側給電体４４）と陽極側（後述する陽極側給電体４３）にそれぞれ電力を供給する。また、電源装置１１には電解システム１００の運転制御を行うための制御装置が併設されていてもよい。

　陽極側タンク４には、ｐＨ計測部３１が設けられている。詳しくは図示しないが、ｐＨ計測部３１は陽極側タンク４内に貯留された陽極液のｐＨを計測する。管理者、又は制御装置は、このｐＨの値が陰極液のｐＨよりも低いか否かを判定し、適宜薬品タンク６からの薬液の注入量を調節する。また、陰極側タンク３に同様のｐＨ計測部３２が設けられていてもよい。この場合、ｐＨ計測部３２を用いて陰極液のｐＨが５．０～１５．０の範囲内にあるか否かが判定される。

　さらに、陽極側排出ライン１５、及び陽極側ガス貯留部１０には、それぞれ水素ガス検出部３３，３４が設けられている。水素ガス検出部３３，３４は、陽極側で万が一水素ガスが発生した場合に備えてこれを監視するために設けられている。水素ガスが検出された場合には管理者や制御装置にその旨の警告がなされるように構成されている。なお、陽極側タンク４に水素ガス検出部が上述のｐＨ計測部３１と併設されていてもよい。

（電解装置の構成）
　次いで、図２を参照して電解装置９０の構成について説明する。同図に示すように、電解装置９０は、電解槽９１と、イオン交換膜４０と、陽極４１（陽極触媒）と、陰極４２（陰極触媒）と、陽極側給電体４３と、陰極側給電体４４と、セパレータ４５と、を有している。

　イオン交換膜４０は、電解槽９１内を陰極室５２側と陽極室５１側とに区画している。イオン交換膜４０としては、１価のアニオン選択性、又はＯＨ－選択性を有する陰イオン交換膜が最も好適に用いられる。

　イオン交換膜４０の陽極側の表面には陽極４１が設けられている。また、陰極側の表面には陰極４２が設けられている。陽極４１、陰極４２としては、例えば鉄、ニッケル、コバルト等の遷移金属や、白金、イリジウム等の貴金属から選択された材料が適宜用いられる。

　陽極４１には陽極側給電体４３が当接している。また、陰極４２には陰極側給電体４４が当接している。陽極側給電体４３、及び陰極側給電体４４は多孔質系給電体である。陽極側給電体４３、及び陰極側給電体４４は、陽極室５１、又は陰極室５２の内部空間を埋めるように組み合わせられた複数の導電性のワイヤから構成されている。例えば、陽極側給電体４３、及び陰極側給電体４４は、格子状に組み合わされているワイヤからなる複数のメッシュと、メッシュ同士を接続する複数のワイヤと、から形成することができる。面状をなすメッシュは陽極４１、又は陰極４２と平行に配置されて、メッシュ同士を接続するワイヤは陽極４１、又は陰極４２と直交する方向に延在している。また、陽極側給電体４３、及び陰極側給電体４４としてカーボンペーパーやカーボンフェルトを用いることも可能である。

　陽極室５１には、陽極液供給部４６を通じて上述の陽極液が供給される。陰極室５２には、陰極液供給部４７を通じて上述の陰極液が供給される。これら陽極液、及び陰極液は、それぞれ陽極液排出部４８、及び陰極液排出部４９を通じて外部に排出される。なお、セパレータ４５は、隣接する電解槽同士を区画するために設けられた金属製の板材である。

（作用効果）
　続いて、上記の電解システム１００、及び電解装置９０の動作について説明する。陰極室５２及び陽極室５１に水溶液が流入している状態で、陽極４１、及び陰極４２に電力を供給すると、陰極室５２内の水が電気分解される。陰極室５２では、正反応として式（１）に示すような反応が起こる。
４Ｈ_２Ｏ　＋　４ｅ^－　→　２Ｈ_２　＋　４ＯＨ^－　・・・（１）
即ち、陰極室５２で水（Ｈ_２Ｏ）が電気分解されることにより、水素（Ｈ２）と水酸化物イオン（陰イオン、ＯＨ^－）が発生する。換言すれば、水と陰極側給電体４４から供給される電子（ｅ^－）とが反応して水素が発生する。陰極室５２で生成された水素及び水は、陰極側タンク３に導入されて気液分離される。陰イオンである水酸化物イオンは、イオン交換膜４０を通過して陽極室５１に移動する。陽極室５１では、正反応として式（２）に示すような反応が起こる。
４ＯＨ^－　→　Ｏ_２　＋　２Ｈ_２Ｏ　＋　４ｅ^－　・・・（２）
即ち、水酸化物イオンから酸素及び水が生成される。陽極室５１で生成された酸素と水は、陽極側タンク４に導入されて気液分離される。

　ところで、上記のような電解装置９０では、陽極４１（陽極触媒）と陰極４２（陰極触媒）とでは最適なｐＨが異なる。具体的には、陽極４１ではｐＨが高いほど電解性能が高まり、陰極４２ではｐＨが低いほど電解性能が高まる。したがって、陽極室５１、及び陰極室５２に同じｐＨの水を供給した場合、陽極４１、又は陰極４２のいずれか一方で電解性能が低下してしまうことがある。その結果、電解装置９０のエネルギー効率に影響が及ぶ可能性がある。そこで、本実施形態では上述のようにｐＨの異なる水溶液をそれぞれ陽極室５１、及び陰極室５２に供給する構成を採っている。

　上記構成によれば、陰極液のｐＨが陽極液のｐＨよりも小さいことから、陰極４２、及び陽極４１のそれぞれで活性化過電圧が適正化される。その結果、電気分解反応がそれぞれの電極で促進され、電解装置９０の性能を向上させることができる。つまり、水素の生成量をさらに拡大することが可能となる。

　また、上記の電解装置９０では、陰極液、及び陽極液は、物質Ａと物質Ｂとを含む水溶液である。ここで、物質Ａは、超純水、純水、イオン交換水、蒸留水、工業用水、及びろ過水を含む群から選択された少なくとも一つの物質であり、前記物質Ｂは、アルカリ金属の水酸化物（ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ）、テトラアルキルアンモニウムの水酸化物（Ｎ（ＣＨ３）４ＯＨ、Ｎ（Ｃ２Ｈ５）４ＯＨ、炭酸塩（ＫＨＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３），アルカリ土類金属の水酸化物（Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２）を含む群から選択された少なくとも一つの物質である。なお、陰極液、陽極液がともに物質Ａと物質Ｂを含む構成を採ることも可能である。この場合、陰極液に含まれる物質Ｂは陽極液に含まれる物質Ｂよりも濃度が低く設定される。

　上記構成によれば、ｐＨの調整された水溶液を容易かつ安価に得ることができる。また、水単体ではなく水溶液であることから、イオン交換膜４０の表面でアルカリ成分が析出してしまう可能性を低減することもできる。これにより、電解装置９０をさらに長期にわたって安定的に運用することが可能となる。また、メンテナンスに要するコストや時間を削減することもできる。

　さらに、上記の電解装置９０では、陰極液は、ｐＨ緩衝能を有するｐＨ緩衝材をさらに含む水溶液である。

　上記構成によれば、陰極液がｐＨ緩衝材を含むことから、陰極室５２側での急激なｐＨの変化が抑制され、電解装置９０の運転制御をより容易かつ安定的に行うことができる。

　加えて、上記の電解装置９０では、イオン交換膜４０は、１価のアニオン選択性を有する陰イオン交換膜である。

　上記構成によれば、１価のアニオン選択制を有する陰イオン交換膜を用いることから、陰極室５２側から陽極室５１側へのクロスオーバー量を低減することができる。その結果、より長期にわたってさらに安定的に電解装置９０を運用することが可能となる。

＜第二実施形態＞
（電解装置の構成）
　次いで、図３を参照して本開示の第二実施形態に係る電解装置９０の構成について説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図３に示すように、電解装置９０は、電解槽９１と、イオン交換膜４０と、陽極４１（陽極触媒）と、陰極４２（陰極触媒）と、陽極側給電体４３と、陰極側給電体４４と、セパレータ４５と、を有している。

　図３では，イオン交換膜４０は、１価のアニオン選択性を有する陰イオン交換膜４０１と１価のカチオン選択性を有する陽イオン交換膜４０２を貼り合わせたバイポーラ膜であり，陰極室５２側に陰イオン交換膜４０１を配置し、陽極室５１側に陽イオン交換膜４０２を配置している。このイオン交換膜４０は電解槽内を陰極室５２側と陽極室５１側とに区画している。

　陰イオン交換膜４０１の陰極側の表面には陰極４２が設けられている。また、陽イオン交換膜４０２の陽極側の表面には陽極４１が設けられている。陽極４１、陰極４２としては、例えば鉄、ニッケル、コバルト等の遷移金属や、白金、イリジウム等の貴金属から選択された材料が適宜用いられる。

（作用効果）
　続いて、本形態の電解装置９０の動作について説明する。陰極室５２及び陽極室５１に水溶液が流入している状態で、陽極４１、及び陰極４２に電力を供給すると、陰極室５２内の水が電気分解される。陰極室５２では、正反応として式（３）に示すような反応が起こる。
４Ｈ_２Ｏ　＋　４ｅ^－　→　２Ｈ_２　＋　４ＯＨ^－　・・・（３）
　即ち、陰極室５２で水（Ｈ_２Ｏ）が電気分解されることにより、水素（Ｈ２）と水酸化物イオン（陰イオン、ＯＨ^－）が発生する。換言すれば、水と陰極側給電体４４から供給される電子（ｅ^－）とが反応して水素が発生する。
　ここで，陽極液が中性付近になると陽極室５１の主反応として式（４）に示すような反応が起こる。
２Ｈ_２Ｏ　→　４Ｈ⁺　+　Ｏ_２　＋４ｅ^－　・・・（４）
　即ち、陽極室で水（Ｈ_２Ｏ）が電気分解されることにより、酸素（Ｏ_２）と水素イオン（陽イオン，Ｈ＋）が発生する。
　電流は陽極から陰極に向かって流れているため，陰極で生じた水酸化物イオンは陰極室から陰イオン交換膜を通って，陽イオン交換膜表面まで移動し，陽極で生じた水素イオンは陽極室から陽イオン交換膜を通って，陰イオン交換膜表面まで移動する。
　陽イオン交換膜と陰イオン交換膜の界面で出会った水酸化物イオンと水素イオンは中和され，水（Ｈ_２Ｏ）が生成し，陽極室又は陰極室に移動する。

　上記構成によれば、陰極液のｐＨが陽極液のｐＨよりも小さいことから、陰極４２、及び陽極４１のそれぞれで活性化過電圧が適正化される。
　さらには，陰極液のｐＨ上昇，陽極液のｐＨ低下を抑制しつつ，陰極４２、及び陽極４１のそれぞれで活性化過電圧が適正化される。
　その結果、電解装置９０の性能を向上させることができる。

＜第三実施形態＞
（電解装置の構成）
　次いで、図４を参照して本開示の第三実施形態に係る電解装置９０の構成について説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４に示すように、電解装置９０は、電解槽９１と、イオン交換膜４０と、陽極４１（陽極触媒）と、陰極４２（陰極触媒）と、陽極側給電体４３と、陰極側給電体４４と、セパレータ４５と、を有している。

　図４では，イオン交換膜４０は、１価のアニオン選択性を有する陽イオン交換膜４０３と１価のカチオン選択性を有する陰イオン交換膜４０４を貼り合わせたバイポーラ膜であり，陰極室５２側に陽イオン交換膜４０３が配置され、陽極室５１側に陰イオン交換膜４０４が配置されている。イオン交換膜４０は、電解槽９１内を陰極室５２側と陽極室５１側とに区画している。

　陽イオン交換膜４０３の陰極側の表面には陰極４２が設けられている。また、陰イオン交換膜４０４の陽極側の表面には陽極４１が設けられている。陽極４１、陰極４２としては、例えば鉄、ニッケル、コバルト等の遷移金属や、白金、イリジウム等の貴金属から選択された材料が適宜用いられる。

（作用効果）
　続いて、本形態の電解装置９０の動作について説明する。陰極室５２及び陽極室５１に水溶液が流入している状態で、陽極４１、及び陰極４２に電力を供給すると、電解槽内の水が電気分解される。
　このような構成で電気分解した場合，膜内部の水（Ｈ_２Ｏ）が水素イオン（Ｈ⁺）と水酸化物イオン（ＯＨ－）に分解される現象が知られている。
電流は陽極から陰極に向かって流れているため，膜内部で生じた水酸化物イオンは陰イオン交換膜を通って陽極室まで移動し，膜内部で生じた水素イオンは陽イオン交換膜を通って陰極室まで移動する。
　陰極室５２では、中性～酸性水溶液の主反応として式（５）に示すような反応が起こる。
４Ｈ⁺　＋　４ｅ^－　→　２Ｈ_２　・・・（５）
　即ち、陰極室５２で水素イオン（Ｈ⁺）が電気分解されることにより、水素（Ｈ２）と水素（Ｈ_２　）が発生する。換言すれば、水素イオンと陰極側給電体４４から供給される電子（ｅ^－）とが反応して水素が発生する。
　ここで，陽極液がアルカリ性の場合，陽極室５１の主反応は式（６）に示すような反応が起こる。
４ＯＨ^－　→　Ｏ_２　＋　２Ｈ_２Ｏ　＋　４ｅ^－　　・・・（６）
　即ち、水酸化物イオンから酸素及び水が生成される。

　上記構成によれば，陰極液のｐＨが陽極液のｐＨよりも小さいことから、陰極４２、及び陽極４１のそれぞれで活性化過電圧が適正化される。
　さらには，陰極室にＨ+が供給されることから，陰極室におけるＨ＋消費によるｐＨ上昇を抑制し，さらには，陽極室にＯＨ－が供給されることから，陽極室におけるＯＨ－消費によるｐＨ低下を抑制しつつ，陰極４２、及び陽極４１のそれぞれで活性化過電圧が適正化される。
　その結果、電解装置９０の性能を向上させることができる。

（その他の実施形態）
　以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

＜実施例＞
　次に、上記の各実施形態に係る電解装置９０の実施例、及び比較例について図５から図８を参照して説明する。

　発明者らは、図５に示す各条件の下で、電解装置９０による試験を行い、各条件下での電解電圧を測定した。具体的には、比較例１は、上記の各実施形態とは異なり、陽極液と陰極液が同等のｐＨの場合である。これに対して、実施例１では、陽極液としてｐＨ１４相当、陰極液としてｐＨ１２相当のＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液を用いた。実施例２では、陽極液としてｐＨ１４相当のＫＯＨ水溶液を用い、陰極液としてＨ_２Ｏ（水）を用いた。なお、いずれの例においても、これら陽極液、及び陰極液の特性を除いては同一の条件下で試験を行った。具体的には、陽極触媒として酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）（ＳＡ１００　田中貴金属社製）が用いられ、陽極給電体としてはＳＳ（ステンレス）　ＦｉｂｅｒＰａｐｅｒが用いられた。イオン交換膜としては、アニオン交換膜（Fumasep FAA-3　Fumatech社製）が用いられた。陰極触媒としては、白金担持カーボン（Pt／C　田中貴金属社製）が用いられ、陰極給電体としては、カーボンペーパー（SIGACET 39BB　 SGL社製）が用いられた。いずれの場合も、液の温度は６０℃である。

　上記試験の結果、図６に示すように、陽極液と陰極液のｐＨが同等である比較例１に比べて、陰極液のｐＨが陽極液のｐＨよりも小さい実施例１、２では、電解電圧（電解電圧計測結果のオーム損補正値、以下同様）がいずれも小さくなり、電解性能が向上したことが確認された。特に、実施例１と実施例２の比較により、陰極液のｐＨが小さいほど電解電圧が低下し、電解性能がさらに向上することが確認された。

　さらに、他の比較例２～５として、図７と図８に示すような陽極液と陰極液のｐＨが互いに同等である場合には、上記の実施例１、２に比べて、電解電圧が大きくなり、電解性能が低下してしまうことが確認された。比較例２では、陽極液、陰極液がともにｐＨ１４相当のＫＯＨ水溶液であり、比較例３ではこれらがともにｐＨ１２相当のＫＯＨ水溶液である。また、比較例４では、陽極液、陰極液がともにｐＨ１０相当のＫＯＨ水溶液であり、比較例５では、これらがともに水（Ｈ_２Ｏ）である。

　以上、実施例、及び比較例から、上述の各実施形態で説明した構成をとることによって、電解装置９０の電解性能が向上し、さらに効率的に水素を生成できることが確認された。

＜付記＞
　各実施形態に記載の電解装置９０は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る電解装置９０は、電解槽と、該電解槽を陰極室５２と陽極室５１に区画するイオン交換膜４０と、前記陰極室５２に陰極液としての電解液を供給する陰極液供給部４７と、前記陰極室５２から前記陰極液を排出する陰極液排出部４９と、前記陽極室５１に陽極液としての電解液を供給する陽極液供給部４６と、前記陽極室５１から前記陽極液を排出する陽極液排出部４８と、前記イオン交換膜４０の前記陰極室５２側の面に設けられた陰極４２と、前記イオン交換膜４０の前記陽極室５１側の面に設けられた陽極４１と、前記陰極室５２内に設けられ、前記陰極４２に電力を供給する陰極側給電体４４と、前記陽極室５１内に設けられ、前記陽極４１に電力を供給する陽極側給電体４３と、を備え、前記陰極液のｐＨは、前記陽極液のｐＨよりも小さい。

　上記構成によれば、陰極液のｐＨが陽極液のｐＨよりも小さいことから、陰極４２、及び陽極４１のそれぞれで活性化過電圧が適正化される。その結果、電解装置９０の性能を向上させることができる。

（２）第２の態様に係る電解装置９０は、前記陰極液は物質Ａ、及び前記陽極液は前記物質Ａ、及び物質Ｂを含む水溶液である（１）の電解装置９０である。なお、前記物質Ａは、超純水、純水、イオン交換水、蒸留水、工業用水、及びろ過水を含む群から選択された少なくとも一つの物質であり、前記物質Ｂは、アルカリ金属の水酸化物（ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ）,テトラアルキルアンモニウムの水酸化物（Ｎ（ＣＨ３）４ＯＨ、Ｎ（Ｃ２Ｈ５）４ＯＨ、炭酸塩（ＫＨＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３），アルカリ土類金属の水酸化物（Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２）を含む群から選択された少なくとも一つの物質である。

　上記構成によれば、ｐＨの調整された水溶液を容易かつ安価に得ることができる。また、水溶液であることから、イオン交換膜４０の表面でアルカリ成分が析出してしまう可能性を低減することもできる。

（３）第３の態様に係る電解装置９０は、前記陰極液は前記物質Ａと前記物質Ｂ、及び前記陽極液は前記物質Ａと前記物質Ｂを含む水溶液であり、前記陰極液に含まれる物質Ｂは前記陽極液に含まれる前記物質Ｂよりも濃度が低い（２）の電解装置９０である。

（４）第４の態様に係る電解装置９０は、前記陽極液は、前記物質Ａと前記物質Ｂを含む水溶液であり，前記陰極液は、ｐＨ緩衝能を有するｐＨ緩衝材を含む水溶液である（２）の電解装置９０である。

　上記構成によれば、陰極液がｐＨ緩衝材を含むことから、急激なｐＨの変化が抑制され、電解装置９０の運転制御をより容易かつ安定的に行うことができる。

（５）第５の態様に係る電解装置９０は、前記ｐＨ緩衝材は，１×１０^―６ｍｏｌ／Ｌ～１０ｍｏｌ／ＬのＫＨＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、リン酸、ホウ酸、Ｔｒｉｓ　Ｈ２ＮＣ（ＣＨ２ＯＨ）３　（ｔｒｉｓ　（ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ）ａｍｉｎｏｍｅｔｈａｎｅ）、ＨＥＰＥＳ［２－［４－（２－Ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ）－１－ｐｉｐｅｒａｚｉｎｙｌ］　ｅｔｈａｎｅ　ｓｕｌｆｏｎｉｃ　ａｃｉｄ、クエン酸、から選択された少なくとも１種類以上の物質を含む、（４）の電解装置９０である。

（６）第６の態様に係る電解装置９０は、前記イオン交換膜４０は、１価のアニオン選択性を有する陰イオン交換膜である（１）から（５）のいずれか１つの電解装置９０である。

　上記構成によれば、１価のアニオン選択制を有する陰イオン交換膜を用いることから、陰極室５２側から陽極室５１側へのクロスオーバー量を低減することができる。

（７）第７の態様に係る電解装置９０は、前記イオン交換膜は、１価のアニオン選択性を有する陰イオン交換膜と１価のカチオン選択性を有する陽イオン交換膜を貼り合わせたバイポーラ膜であり，前記陰極室側には前記陰イオン交換膜が配置され、前記陽極室側には前記陽イオン交換膜が配置されている（１）から（５）のいずれか１つの電解装置９０である。

（８）第８の態様に係る電解装置９０は、前記イオン交換膜は、１価のアニオン選択性を有する陰イオン交換膜と１価のカチオン選択性を有する陽イオン交換膜を貼り合わせたバイポーラ膜であり，前記陽極室には前記陰イオン交換膜が配置され、前記陰極室側には前記陽イオン交換膜が配置されている（１）から（５）のいずれか１つの電解装置９０である。

（９）第９の態様に係る電解装置９０は、前記陰イオン交換膜がOH-伝導性のある陰イオン交換膜であり，前記陽イオン交換膜がプロトン伝導性を有するプロトン交換膜である（７）又は（８）の電解装置９０である。

１００　電解システム
９０　電解装置
９１　電解槽
１　陰極側ポンプ
２　陽極側ポンプ
３　陰極側タンク
４　陽極側タンク
５，６　薬品タンク
７，８　給水タンク
９　陰極側ガス貯留部
１０　陽極側ガス貯留部
１１　電源装置
１２　陰極側供給ライン
１３　陽極側供給ライン
１４　陰極側排出ライン
１５　陽極側排出ライン
１６，１７　薬品ライン
１８，１９　給水ライン
２０　陰極側ガス排出ライン
２１　陽極側ガス排出ライン
３１，３２　ｐＨ計測部
３３，３４　水素ガス検出部
４０　イオン交換膜
４１　陽極（陽極触媒）
４２　陰極（陰極触媒）
４３　陽極側給電体
４４　陰極側給電体
４５　セパレータ
４６　陽極液供給部
４７　陰極液供給部
４８　陽極液排出部
４９　陰極液排出部
４０１，４０４　陰イオン交換膜
４０２，４０３　陽イオン交換膜

Claims

　電解槽と、
　該電解槽を陰極室と陽極室に区画するイオン交換膜と、
　前記陰極室に陰極液としての電解液を供給する陰極液供給部と、
　前記陰極室から前記陰極液を排出する陰極液排出部と、
　前記陽極室に陽極液としての電解液を供給する陽極液供給部と、
　前記陽極室から前記陽極液を排出する陽極液排出部と、
　前記イオン交換膜の前記陰極室側の面に設けられた陰極と、
　前記イオン交換膜の前記陽極室側の面に設けられた陽極と、
　前記陰極室内に設けられ、前記陰極に電力を供給する陰極側給電体と、
　前記陽極室内に設けられ、前記陽極に電力を供給する陽極側給電体と、
を備え、
　前記陰極液のｐＨは、前記陽極液のｐＨよりも小さい電解装置。
　前記陰極液は物質Ａ、及び前記陽極液は前記物質Ａ、及び物質Ｂ、
を含む水溶液である請求項１に記載の電解装置。なお、前記物質Ａは、超純水、純水、イオン交換水、蒸留水、工業用水、及びろ過水を含む群から選択された少なくとも一つの物質であり、前記物質Ｂは、アルカリ金属の水酸化物（ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ）,テトラアルキルアンモニウムの水酸化物（Ｎ（ＣＨ３）４ＯＨ、Ｎ（Ｃ２Ｈ５）４ＯＨ、炭酸塩（ＫＨＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３），アルカリ土類金属の水酸化物（Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２）を含む群から選択された少なくとも一つの物質である。
　前記陰極液は前記物質Ａと前記物質Ｂ、及び前記陽極液は前記物質Ａと前記物質Ｂを含む水溶液であり、
　前記陰極液に含まれる物質Ｂは前記陽極液に含まれる前記物質Ｂよりも濃度が低い請求項２に記載の電解装置。
　前記陽極液は、前記物質Ａと前記物質Ｂを含む水溶液であり，
　前記陰極液は、ｐＨ緩衝能を有するｐＨ緩衝材を含む水溶液である請求項２に記載の電解装置。
　前記ｐＨ緩衝材は，
１×１０^―６ｍｏｌ／Ｌ～１０ｍｏｌ／ＬのＫＨＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、リン酸、ホウ酸、Ｔｒｉｓ　Ｈ２ＮＣ（ＣＨ２ＯＨ）３　（ｔｒｉｓ　（ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ）ａｍｉｎｏｍｅｔｈａｎｅ）、ＨＥＰＥＳ［２－［４－（２－Ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ）－１－ｐｉｐｅｒａｚｉｎｙｌ］　ｅｔｈａｎｅ　ｓｕｌｆｏｎｉｃ　ａｃｉｄ、クエン酸、から選択された少なくとも１種類以上の物質を含む、請求項４に記載の電解装置。
　前記イオン交換膜は、１価のアニオン選択性を有する陰イオン交換膜である請求項１から５のいずれか一項に記載の電解装置。
　前記イオン交換膜は、１価のアニオン選択性を有する陰イオン交換膜と１価のカチオン選択性を有する陽イオン交換膜を貼り合わせたバイポーラ膜であり，
　前記陰極室側には前記陰イオン交換膜が配置され、前記陽極室側には前記陽イオン交換膜が配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の電解装置。
　前記イオン交換膜は、１価のアニオン選択性を有する陰イオン交換膜と１価のカチオン選択性を有する陽イオン交換膜を貼り合わせたバイポーラ膜であり，
　前記陽極室には前記陰イオン交換膜が配置され、前記陰極室側には前記陽イオン交換膜が配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の電解装置。
　前記陰イオン交換膜が水酸化物イオン伝導性のある陰イオン交換膜であり，前記陽イオン交換膜がプロトン伝導性を有するプロトン交換膜である請求項７又は８に記載の電解装置。