碱性水电解系统和碱性水电解系统的运转方法与流程

1.本发明涉及碱性水电解系统和碱性水电解系统的运转方法。


背景技术：

2.近年来，为了解决由二氧化碳等温室效应气体所致的全球变暖、化石燃料储藏量减少等问题，利用可再生能源的风力发电、太阳能发电等技术受到了关注。
3.可再生能源依赖于气候条件而大幅变动。因此，难以将利用可再生能源发电的电力输送到一般电力系统，可能会带来电力供需的不平衡、电力系统的不稳定化等社会影响。因此，研究了对电力进行储藏并转换成可输送的形式来利用，例如，研究了通过水的电分解(电解)产生氢并将氢作为能源或原料进行利用。
4.氢在石油精制、化学合成、金属精制等领域中广泛进行了工业利用，近年来，在面向燃料电池车的加氢站、智慧社区、氢发电厂等中的利用可能性也在扩大。因此，对于开发出从可再生能源得到尤其是氢的技术寄予厚望。
5.作为水的电解法，已知固体高分子膜型水电解法、高温水蒸气电解法、碱性水电解法等，出于从几十多年之前已经进行了工业化、能够大规模地实施、成本低于其他电解法等原因，碱性水电解法被认为是特别有优势的方法之一。碱性水电解法是指下述电解法：使用溶解有碱盐的碱性的水溶液(碱性水)作为电解液，将水电解，由此从阴极产生氢气，从阳极产生氧气。
6.例如，专利文献1中公开了一种制氢设备，该制氢设备具备：水电解装置，其串联或并联地电连接有2个以上电池堆；电力供给单元，其向水电解装置供给电力；电压控制部，其对供给至水电解装置的电压进行可变控制；和堆数控制部，其选择电池堆的使用数目，以使作用于电池堆的电压和电流满足规定范围。由此提高了能量效率。
7.例如，专利文献2中公开了一种制氢系统，该制氢系统具备：发电装置，其将可再生能源转换为电能；2个以上制氢装置，其串联或并联地连接，利用该电能制造氢气；切换元件，其切换2个以上制氢装置的连接构成；电压施加单元，其对制氢装置施加电压；和控制装置，其对切换元件和电压施加单元进行控制。由此抑制了制氢装置中的逆反应的发生。
8.现有技术文献
9.专利文献
10.专利文献1：日本特开2005-126792号公报
11.专利文献2：国际公开第2013/046958号公报


技术实现要素：

12.发明所要解决的课题
13.但是，现有的具备2个以上电解槽的系统存在下述问题：伴随着系统整体的停止，非活性气体的吹扫频率高，难以提高高纯度的氢供给的维持性。
14.鉴于上述情况而进行的本发明的目的在于提供一种能够持续制造高纯度氢的碱
性水电解系统和碱性水电解系统的运转方法。
15.用于解决课题的手段
16.即，本发明如下所述。
17.一个实施方式的碱性水电解系统的特征在于，其具备：
18.整流器，其与可变的电源连接，将交流电变换为直流电；
19.2个以上复极式电解槽，其基于由上述整流器供给的规定的直流电压，使用电解液通过水的电解产生氢和氧；
20.气液分离罐，其与2个以上上述复极式电解槽连接，从上述电解液分离上述氢和上述氧，并存积上述电解液；和
21.开闭阀，其设置于上述气液分离罐与上述复极式电解槽之间。
22.进而，一个实施方式的碱性水电解系统中，其特征在于，其还具备压力调节阀，该压力调节阀对上述气液分离罐的内部的压力进行调节。
23.进而，一个实施方式的碱性水电解系统中，其特征在于，其还具备控制装置，该控制装置决定上述直流电压，控制上述复极式电解槽的工作或停止。
24.进而，一个实施方式的碱性水电解系统中，其特征在于，上述控制装置控制上述复极式电解槽的工作或停止，以使用于使上述碱性水电解系统运转的电流与目标电流一致。
25.进而，一个实施方式的碱性水电解系统中，其特征在于，上述控制装置基于工作中的上述复极式电解槽的电流密度相对于最大电流密度之比，控制上述复极式电解槽的工作或停止。
26.进而，一个实施方式的碱性水电解系统中，其特征在于，上述控制装置在供给至上述碱性水电解系统的电力为第1阈值以上的情况下，使全部上述复极式电解槽工作，
27.在供给至上述碱性水电解系统的电力小于上述第1阈值的情况下，使一部分上述复极式电解槽工作。
28.进而，一个实施方式的碱性水电解系统中，其特征在于，在向上述碱性水电解系统供给电力时，上述控制装置
29.在开始了工作的上述复极式电解槽的电流密度为第2阈值以上的情况下，增加工作的上述复极式电解槽的台数，
30.在开始了工作的上述复极式电解槽的电流密度小于上述第2阈值的情况下，维持工作的上述复极式电解槽的台数。
31.进而，一个实施方式的碱性水电解系统中，其特征在于，其还具备加热装置，该加热装置对存积于上述气液分离罐的内部的上述电解液进行加热。
32.进而，一个实施方式的碱性水电解系统中，其特征在于，供给至上述碱性水电解系统的可再生能源为由风力、太阳能、水力、潮力、波浪力、海流和地热中的至少一种得到的能源。
33.进而，一个实施方式的碱性水电解系统中，其特征在于，2个以上上述复极式电解槽各自具有个别的上述整流器。
34.一个实施方式的碱性水电解系统的运转方法的特征在于，其包括：
35.与可变的电源连接的整流器将交流电变换为直流电的步骤；
36.2个以上复极式电解槽基于由上述整流器供给的规定的直流电压，使用电解液通
过水的电解产生氢和氧的步骤；
37.与2个以上上述复极式电解槽连接的气液分离罐从上述电解液分离上述氢和上述氧，并存积上述电解液的步骤；和
38.设置于上述气液分离罐与上述复极式电解槽之间的开闭阀抑制上述气液分离罐与上述复极式电解槽之间的上述电解液、上述氢和上述氧的导通的步骤。
39.进而，一个实施方式的碱性水电解系统的运转方法中，其特征在于，还包括：控制装置控制2个以上上述复极式电解槽的工作或停止，关闭上述开闭阀中的入口开闭阀和上述开闭阀中的出口开闭阀的步骤，或者，关闭上述入口开闭阀或上述出口开闭阀中的任一者的步骤。
40.进而，一个实施方式的碱性水电解系统的运转方法中，其特征在于，还包括：上述控制装置在上述复极式电解槽的内部充满上述电解液的情况下，关闭上述入口开闭阀和上述出口开闭阀的步骤，或者，关闭上述入口开闭阀或上述出口开闭阀中的任一者的步骤。
41.进而，一个实施方式的碱性水电解系统的运转方法中，其特征在于，还包括：设置于上述气液分离罐的内部的热交换器调节上述电解液的温度的步骤。
42.进而，一个实施方式的碱性水电解系统的运转方法中，其特征在于，上述气液分离罐设置于2个以上上述复极式电解槽的上部。
43.发明的效果
44.根据本发明，能够提供一种能够持续制造高纯度氢的碱性水电解系统和碱性水电解系统的运转方法。
附图说明
45.图1a是示出本实施方式的碱性水电解系统的构成的一例的图。
46.图1b是示出本实施方式的碱性水电解系统的构成的一例的图。
47.图2是示出用于维持本实施方式的高纯度的气体的机理的一例的图。
48.图3a是示出在本实施方式的碱性水电解系统中使全部复极式电解槽工作时的电流负载与杂质浓度的关系的一例的图。
49.图3b是示出在本实施方式的碱性水电解系统中使一部分复极式电解槽工作、一部分复极式电解槽停止时的电流负载与杂质浓度的关系的一例的图。
50.图4是示出本实施方式的复极式电解槽的构成的一例的图。
51.图5a是示出本实施方式的电解单元的构成的一例的图。
52.图5b是示出本实施方式的电解单元的构成的一例的图。
53.图6是示出本实施方式的碱性水电解系统的运转方法的一例的流程图。
具体实施方式
54.以下，参照附图，对本发明的一个实施方式详细地进行说明。需要说明的是，原则上对相同的构成要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。在各图中，为了便于说明，将各构成的纵横比例相对于实际的比例夸张地示出。
55.另外，下述说明中的“纵”是指与在附图中描绘的坐标轴显示的z轴平行的方向，“上”是指该z轴的正方向，“下”是指该z轴的负方向。另外，“横”是指与在附图中描绘的坐标
轴显示的xy平面平行的方向。另外，”倾斜”是指相对于在附图中描绘的坐标轴显示的xy平面，形成规定的角度(除了0
°
、90
°
、180
°
、270
°
以外的角度)的方向。另外，“左”是指在附图中描绘的坐标轴显示的x轴的负方向，“右”是指在附图中描绘的坐标轴显示的x轴的正方向。但是，“纵”、“横”、”倾斜”、“上”、“下”、“右”、“左”只是为了方便而规定的，不应限定性地进行解释。
56.《碱性水电解系统的构成》
57.参照图1a～图5b，对本实施方式的碱性水电解系统70的构成的一例进行说明。
58.碱性水电解系统70具备2个以上整流器74_1～74_n、2个以上复极式电解槽50_1～50_n、开闭阀62、气液分离罐72、热交换器79、控制装置30、温度调节阀61、压力计78、压力调节阀80和循环泵90。需要说明的是，图1a和图1b中，将2个以上复极式电解槽分别与不同的整流器连接的构成作为一例进行说明，但也可以为2个以上复极式电解槽与相同的整流器连接的构成。另外，2个以上复极式电解槽的台数没有特别限定。
59.[整流器]
[0060]
2个以上整流器74_1～74_n分别与2个以上复极式电解槽50_1～50_n电连接。另外，2个以上整流器74_1～74_n与控制装置30电连接。
[0061]
整流器74与可变的电源连接，在从碱性水电解系统70的外部供给可变的电力(例如，可再生能源)时，将交流电变换为直流电。可再生能源例如为由风力、太阳能、水力、潮力、波浪力、海流、地热中的至少1种得到的能源。可再生能源容易发生电力变动，因此向碱性水电解系统70随机供给从低电流密度到高电流密度的大范围的电力。
[0062]
整流器74对复极式电解槽50中的阳极端子与阴极端子之间施加规定的直流电流。规定的直流电压由控制装置30决定。
[0063]
例如，整流器74在复极式电解槽50中的阳极端子与阴极端子之间以由控制装置30决定的10[ka/m2]的电流密度通电。由此，复极式电解槽50以100％的工作率工作。
[0064]
例如，整流器74在复极式电解槽50中的阳极端子与阴极端子之间以由控制装置30决定的5[ka/m2]的电流密度通电。由此，复极式电解槽50以50％的工作率工作。
[0065]
例如，整流器74在复极式电解槽50中的阳极端子与阴极端子之间以由控制装置30决定的3[ka/m2]的电流密度通电。由此，复极式电解槽50以30％的工作率工作。
[0066]
例如，整流器74不在复极式电解槽50中的阳极端子与阴极端子之间施加电压，由此，复极式电解槽50停止。
[0067]
如上所述，通过整流器74在复极式电解槽50中的阳极端子与阴极端子之间施加由控制装置30决定的规定的直流电压，从而控制复极式电解槽50的工作或停止。需要说明的是，本说明书中，控制复极式电解槽50的工作或停止不仅意味着单纯的复极式电解槽50的接通断开控制，还包括复极式电解槽50的工作时的工作率的控制。
[0068]
[复极式电解槽]
[0069]
2个以上复极式电解槽50_1～50_n设置于气液分离罐72的下部，分别与2个以上整流器74_1～74_n电连接。另外，2个以上复极式电解槽50_1～50_n经由开闭阀62o(入口开闭阀62oi、出口开闭阀62oo)与氧分离罐72o连接，经由开闭阀62h(入口开闭阀62hi、出口开闭阀62ho)与氢分离罐72h连接。
[0070]
复极式电解槽50基于由整流器74供给的规定的直流电压，使用电解液通过水的电
解从阳极侧产生氧，从阴极侧产生氢。复极式电解槽50具备2个以上电解单元65(参照图4)。需要说明的是，关于复极式电解槽50和电解单元65的构成的详细情况，如后所述。
[0071]
电解液为溶解有碱盐的碱性的水溶液，例如为naoh水溶液、koh水溶液等。碱盐的浓度优选为20质量％～50质量％，更优选为25质量％～40质量％。考虑到离子电导率、运动粘度、低温下的冻结等，电解液特别优选碱盐的浓度为25质量％～40质量％的koh水溶液、或者10质量％～40质量％的naoh水溶液。
[0072]
2个以上复极式电解槽50_1～50_n通过控制装置30控制工作或停止。例如，2个以上复极式电解槽50_1～50_n通过控制装置30控制各自的工作或停止，以使用于使碱性水电解系统70运转的电流与目标电流一致。例如，2个以上复极式电解槽50_1～50_n基于工作中的复极式电解槽的电流密度相对于最大电流密度之比通过控制装置30控制各自的工作或停止。例如，2个以上复极式电解槽50_1～50_n基于供给至碱性水电解系统70的电力通过控制装置30控制各自的工作或停止。
[0073]
这样，通过控制装置30适当地控制2个以上复极式电解槽50_1～50_n中的各自的工作或停止，由此碱性水电解系统70能够持续地制造高纯度的氢。
[0074]
[开闭阀]
[0075]
开闭阀62设置于复极式电解槽50与气液分离罐72之间。例如，开闭阀62o设置于复极式电解槽50与氧分离罐72o之间。例如，开闭阀62h设置于复极式电解槽50与氢分离罐72h之间。例如，入口开闭阀62oi经由循环泵90设置于复极式电解槽50与气液分离罐72o之间。例如，入口开闭阀62hi经由循环泵90设置于复极式电解槽50与气液分离罐72h之间。
[0076]
开闭阀62通过控制装置30控制开闭。若打开开闭阀62，则电解液在复极式电解槽50与气液分离罐72之间流动。若关闭开闭阀62，则在复极式电解槽50与气液分离罐72之间电解液的流动被阻止。在开闭阀62关闭的情况下，不仅在复极式电解槽50与气液分离罐72之间电解液的流动被阻止，而且通过关闭开闭阀62，复极式电解槽50与气液分离罐72之间的气体扩散被抑制，能够防止气体侵入复极式电解槽内部。其结果，还能减少气体的污染等。
[0077]
开闭阀62在复极式电解槽50的内部充满电解液的状态下关闭，由此，复极式电解槽50的内部的隔膜始终浸渍在电解液中，能够抑制侵入复极式电解槽50的内部的氧气和氢气经由隔膜的气体扩散。其结果，能够进一步减少气体的污染等。
[0078]
入口开闭阀62hi、62oi特别具有下述效果：防止电解液因自重而向气液分离罐72移液，使复极式电解槽50始终为满液，将隔膜始终浸渍在电解液中。出口开闭阀62ho、62oo具有特别是防止氢气、氧气在配管内的扩散的效果。通过全部关闭入口开闭阀62hi、62oi、出口开闭阀62ho、62oo，效果最大，但即使在仅关闭入口开闭阀62hi、62oi的情况下、仅关闭出口开闭阀62ho、62oo的情况下，也能获得效果。
[0079]
循环泵90向复极式电解槽50输送电解液，通过驱动循环泵，具有如下效果：除了用电解液使复极式电解槽50内充满水以外，还补充由电解消耗的水，使电解液浓度均匀化，通过电解液的循环对复极式电解槽50内进行冷却。
[0080]
[气液分离罐]
[0081]
气液分离罐72优选设置于2个以上复极式电解槽50_1～50_n的上部，与2个以上复极式电解槽50_1～50_n连接。气液分离罐72将产生的气体(氢、氧)从电解液分离，并且存积
从2个以上复极式电解槽50_1～50_n流入的电解液。气液分离罐72具备氧分离罐72o和氢分离罐72h。1个氧分离罐72o与2个以上复极式电解槽50_1～50_n连接，1个氢分离罐72h与2个以上复极式电解槽50_1～50_n连接。需要说明的是，气液分离罐72相对于2个以上复极式电解槽50_1～50_n设置的位置没有特别限定。例如，如图1b所示的碱性水电解系统70b那样，气液分离罐72也可以设置于2个以上复极式电解槽50_1～50_n的下部，与2个以上复极式电解槽50_1～50_n连接。
[0082]
氧分离罐72o从由复极式电解槽50流入的氧和电解液的混合物中将氧分离至上层的气相，将电解液分离至下层的液相。所分离的氧从设置于氧分离罐72o的上方的排出口排出。所分离的电解液存积于氧分离罐72o的内部，从设置于氧分离罐72o的下方的流出口流出，再次流入复极式电解槽50。
[0083]
氢分离罐72h从由复极式电解槽50流入的氢和电解液的混合物中将氢分离至上层的气相，将电解液分离至下层的液相。所分离的氢从设置于氢分离罐72h的上方的排出口排出。所分离的电解液存积于氢分离罐72h的内部，从设置于氢分离罐72h的下方的流出口流出，再次流入复极式电解槽50。
[0084]
需要说明的是，从气液分离罐72的排出口排出的氧或氢为包含碱雾的状态。因此，气液分离罐72优选在排出口的下游侧具备例如雾分离器、冷却器等能够使剩余的雾液化并返回气液分离罐72的装置。
[0085]
气液分离罐72的气液分离程度由内部存积的电解液的线束、气体气泡的浮游速度、气体的滞留时间等决定。若气液分离的程度被适当确定，则在电解液等从复极式电解槽50流入气液分离罐72时，能够避免氧和氢混合而使气体纯度降低等不良情况。
[0086]
若考虑设置容积，则气液分离罐72优选容量小，但若容积过小，则由于压力或电流的变化而使存积于气液分离罐72的内部的电解液的液面变动增大。因此，气液分离罐72的容量优选考虑电解液的液面变动而设计。需要说明的是，气液分离罐72也可以进一步具备测量存积于内部的电解液的液面高度的液面计。
[0087]
气液分离罐72只要是至少能够在内部存积电解液的形状即可，例如可以为圆筒形状等。气液分离罐72优选由耐碱性金属材料形成，作为这样的材料，例如可以举出镍、sus等。
[0088]
气液分离罐72优选在内表面具有树脂衬层。气液分离罐72在内表面具有树脂衬层的情况下，优选外表面被保温材料覆盖。
[0089]
树脂衬层的厚度优选为0.5mm～4.0mm、更优选为1.0mm～2.0mm。在薄于0.5mm的情况下，容易因气体和电解液导致气液分离罐72的内表面发生劣化，在厚于4.0mm的情况下，残余应力通过高温和碱被释放，由此引起变形或剥离的可能性提高。通过使树脂衬层的厚度满足该范围，能够提高气液分离罐72的耐久性。
[0090]
树脂衬层的厚度的标准偏差优选为1.0mm以下、更优选为0.5mm以下。通过抑制树脂衬层的厚度的偏差，能够提高气液分离罐72的耐久性。需要说明的是，树脂衬层的厚度的偏差可以通过适当调整在形成树脂衬层前进行的对气液分离罐72的表面的喷砂处理的条件来抑制。
[0091]
树脂衬层优选由2层以上形成。树脂衬层可以利用公知的方法形成。作为这样的方法，可以举出例如旋转烧制法、基于粉体涂装的涂布法、液体涂布法、喷吹法等。需要说明的
是，在形成树脂衬层前，也可以对气液分离罐72的内表面实施脱脂处理、使用砂等的喷砂处理、底涂处理等中的一种或多种。
[0092]
树脂衬层优选由氟系树脂材料形成。作为氟系树脂材料，可以举出例如选自由聚四氟乙烯(ptfe)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(pfa)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(fep)、四氟乙烯-乙烯共聚物(etfe)组成的组中的至少一种。通过由氟系树脂材料形成树脂衬层，能够提高气液分离罐72对于电极液的耐久性。
[0093]
保温材料可以为公知的绝热材料，例如可以为玻璃棉、发泡材料等。气液分离罐72的内表面特别是在高温条件下由气体和电解液引起的劣化变得显著，通过利用保温材料覆盖气液分离罐72的外表面，能够抑制这种劣化。
[0094]
如上所述，气液分离罐72优选设置于2个以上复极式电解槽50_1～50_n的上部。由此，密度大的液体被引导至下侧，密度小的气体被引导至上侧，因此即使向碱性水电解系统70投入可变的电力，也能使电解液稳定地循环，促进自循环。另外，在使复极式电解槽50停止的情况下，由于气液分离罐72与复极式电解槽50之间产生的密度差，能够利用气液分离罐72所保有的电解液使复极式电解槽50的内部为满液，因此能够抑制气体经由隔膜扩散。另外，能够避免杂质气体在氧分离罐72o与氢分离罐72h之间经由复极式电解槽50混合的不良情况。另外，在复极式电解槽50位于气液分离罐72的上部的情况下，在复极式电解槽50的维护中，需要用起重机等将复极式电解槽50吊至气液分离罐72的上部，维护变得繁杂，而在将复极式电解槽50设置于气液分离罐72的下部的情况下，由于不需要用起重机等吊起复极式电解槽50，因此能够顺利地进行维护。
[0095]
另外，如上所述，气液分离罐72与2个以上复极式电解槽50_1～50_n连接，在2个以上复极式电解槽50_1～50_n中产生的高纯度的气体大量流入气液分离罐72。因此，假设在任一个复极式电解槽50中即使杂质浓度变高，也能在气液分离罐72的内部利用大量高纯度的气体一次稀释低纯度的气体，将从气液分离罐72排出的气体制成高纯度的气体(参照图2)。由此，能够降低伴随系统整体停止的非活性气体的吹扫频率，提高高纯度的氢供给的维持性。因此，可以实现能够持续制造高纯度的氢的碱性水电解系统70。
[0096]
[热交换器]
[0097]
热交换器79优选设置于气液分离罐72的内部。热交换器79通过控制装置30控制交换热量，调节存积于气液分离罐72内部的电解液的温度。此时，热交换器79可以基于由流量计(未图示)测量的电解液的流量由控制装置30进行控制。
[0098]
在热交换器79o设置于氧分离罐72o的内部的情况下，热交换器79o调节存积于氧分离罐72o的内部的电解液的温度。通过使氧分离罐72o与2个以上复极式电解槽50_1～50_n连接，热交换器79o能够有效地进行电解液的温度调节。另外，通过将热交换器79o设置于氧分离罐72o的内部，能够降低系统整体的占有面积。
[0099]
在热交换器79h设置于氢分离罐72h的内部的情况下，热交换器79h调节存积于氢分离罐72h的内部的电解液的温度。通过使氢分离罐72h与2个以上复极式电解槽50_1～50_n连接，热交换器79h能够有效地进行电解液的温度调节。另外，通过将热交换器79h设置于氢分离罐72h的内部，能够降低系统整体的占有面积。
[0100]
例如，若使全部复极式电解槽50以100％的工作率工作，则在工作的全部复极式电解槽50中电解液的温度上升，因此，在这种情况下，热交换器79对存积于气液分离罐72的内
部的电解液进行冷却。例如，若使一部分复极式电解槽50以100％的工作率工作，使一部分复极式电解槽50停止，则在停止的复极式电解槽50中电解液的温度下降，因此，在这种情况下，热交换器79对存积于气液分离罐72的内部的电解液进行加热。这样，根据2个以上复极式电解槽50_1～50_n的工作或停止适当地调节电解液的温度，由此能够在系统整体将电解液的温度维持在适当的温度。由此，可以实现能够高效率运转的碱性水电解系统70。
[0101]
如上所述，通过使热交换器79设置于与2个以上复极式电解槽50_1～50_n连接的气液分离罐72的内部，能够容易地将存积于气液分离罐72的内部的电解液的温度保持在适当的温度。例如，即使在碱性水电解系统70停止运转并再次开始运转的情况下，也不会消耗不必用的电力，因此可以实现能够高效率且持续运转的碱性水电解系统70。
[0102]
[控制装置]
[0103]
控制装置30只要是能够通过程序进行规定的处理的计算机即可，例如是操作员使用的笔记本电脑(个人计算机)、智能手机等便携电话、平板终端等。控制装置30控制碱性水电解系统70所具备的各部分。
[0104]
控制装置30具备控制部和存储部。控制部可以由专用的硬件构成，也可以由通用的处理器或专用于特定处理的处理器构成。存储部包含1个以上的存储器，例如可以包含半导体存储器、磁存储器、光存储器等。存储部中包含的各存储器例如可以作为主存储装置、辅助存储装置、或高速缓冲存储器发挥功能。各存储器未必需要存在于控制装置30的内部，也可以构成为存在于控制装置30的外部。
[0105]
控制装置30生成用于控制复极式电解槽50的工作或停止的控制信号，并向整流器74输出。例如，控制装置30向整流器74输出用于使复极式电解槽50以100％的工作率工作的控制信号。例如，控制装置30向整流器74输出用于使复极式电解槽50以50％的工作率工作的控制信号。例如，控制装置30向整流器74输出用于使复极式电解槽50以30％的工作率工作的控制信号。例如，控制装置30向整流器74输出用于使复极式电解槽50停止的控制信号。这样，控制装置30通过适当地决定分别供给至2个以上复极式电解槽50_1～50_n的规定的直流电压，控制2个以上复极式电解槽50_1～50_n各自的工作(或工作率)或停止。
[0106]
例如，如图3a所示，在碱性水电解系统70具备6台复极式电解槽的情况下，控制装置30将复极式电解槽50_1、复极式电解槽50_2、复极式电解槽50_3、复极式电解槽50_4、复极式电解槽50_5、复极式电解槽50_6控制成以100％的工作率工作。在这种情况下，碱性水电解系统70中的电流的负载为(600％/600％)
×
100＝100％。
[0107]
例如，如图3b所示，在碱性水电解系统70具备6台复极式电解槽的情况下，控制装置30将复极式电解槽50_1控制成以30％的工作率工作，将复极式电解槽50_2、复极式电解槽50_3、复极式电解槽50_4、复极式电解槽50_5、复极式电解槽50_6控制成停止。在这种情况下，碱性水电解系统70中的电流的负载为(30％/600％)
×
100＝5％。
[0108]
此处，参照一般的表示电流的负载与杂质浓度的关系的实线曲线图。横轴表示电流的负载[％]，纵轴表示杂质浓度[h2/o2]。优选杂质浓度低，但杂质浓度具有电流的负载越小则越高的倾向。
[0109]
由图3a可知，在复极式电解槽50_1～复极式电解槽50_6中，在电流的负载为100％的情况下，表示杂质浓度的黑圆与表示杂质浓度的容许范围的虚线相比，存在于极低的位置。
[0110]
由图3b可知，在复极式电解槽50_1中，在电流的负载为30％的情况下，表示杂质浓度的黑圆与表示杂质浓度的容许范围的虚线相比，存在于低的位置。另外，在复极式电解槽50_2～复极式电解槽50_6中，在电流的负载为0％的情况下，可知表示杂质浓度的黑圆与表示杂质浓度的容许范围的虚线相比，存在于极低的位置。
[0111]
由图3a和图3b可知，在碱性水电解系统70中，通过由控制装置30适当地控制2个以上复极式电解槽50_1～50_n各自的工作或停止，例如，即使在系统整体中电流的负载从100％减小至5％，也能够将全部复极式电解槽50的内部的杂质浓度维持在极低的状态。因此，可知可以实现能够在宽范围运转的碱性水电解系统70。
[0112]
即，启示了：通过具备在工作中制造高纯度的气体、在停止中成为满液的2个以上复极式电解槽50_1～50_n、以及与2个以上复极式电解槽50_1～50_n连接并能够用大量高纯度的气体一次稀释低纯度的气体的气液分离罐72，可以实现能够持续制造高纯度的氢的碱性水电解系统70。
[0113]
控制装置30控制复极式电解槽50的工作或停止，使用于使碱性水电解系统70运转的电流与目标电流(例如，10[ka])一致。例如，控制装置30向整流器74输出用于使2个以上复极式电解槽50_1～50_n各自工作或停止的控制信号，以使目标电流均匀地分配至工作的复极式电解槽50。例如，控制装置30向整流器74输出用于使2个以上复极式电解槽50_1～50_n各自工作或停止的控制信号，以使目标电流不均匀地分配至工作的复极式电解槽50。
[0114]
控制装置30基于工作中的复极式电解槽50的电流密度相对于最大电流密度(例如，10[ka/m2])之比来控制复极式电解槽50的工作或停止。例如，控制装置30在工作中的复极式电解槽50的电流密度为最大电流密度的40％以下的情况下，向整流器74输出用于使工作中的复极式电解槽50停止的控制信号，在工作中的复极式电解槽50的电流密度大于最大电流密度的40％的情况下，向整流器74输出用于使工作中的复极式电解槽50原样工作的控制信号。例如，控制装置30在工作中的复极式电解槽50的电流密度为最大电流密度的20％以下的情况下，向整流器74输出用于使工作中的复极式电解槽50停止的控制信号，在工作中的复极式电解槽50的电流密度大于最大电流密度的20％的情况下，向整流器74输出用于使工作中的复极式电解槽50原样工作的控制信号。例如，控制装置30在工作中的复极式电解槽50的电流密度为最大电流密度的10％以下的情况下，向整流器74输出用于使工作中的复极式电解槽50停止的控制信号，在工作中的复极式电解槽50的电流密度大于最大电流密度的10％的情况下，向整流器74输出用于使工作中的复极式电解槽50原样工作的控制信号。例如，控制装置30在工作中的复极式电解槽50的电流密度为最大电流密度的5％以下的情况下，向整流器74输出用于使工作中的复极式电解槽50停止的控制信号，在工作中的复极式电解槽50的电流密度大于最大电流密度的5％的情况下，向整流器74输出用于使工作中的复极式电解槽50原样工作的控制信号。需要说明的是，比值不限定于40％、20％、10％、5％，也可以由控制装置30任意设定。
[0115]
控制装置30基于供给至碱性水电解系统70的电力而控制复极式电解槽50的工作或停止。例如，在供给至碱性水电解系统70的电力为第1阈值以上的情况下，控制装置30向整流器74输出用于使全部复极式电解槽50工作的控制信号。在这种情况下，控制装置30可以控制各个复极式电解槽50以使电流均匀地流至全部复极式电解槽50，也可以控制各个复极式电解槽50以使电流不均匀地流至全部复极式电解槽50。例如，在供给至碱性水电解系
统70的电力小于第1阈值的情况下，控制装置30向整流器74输出用于使一部分复极式电解槽50工作的控制信号，并向整流器74输出用于使剩余的复极式电解槽50停止的控制信号。在这种情况下，控制装置30能够任意地控制工作的复极式电解槽50的台数、停止的复极式电解槽50的台数。需要说明的是，第1阈值可以由控制装置30任意设定，其值没有特别限定。
[0116]
控制装置30在向碱性水电解系统70供给电力时，基于开始了工作的复极式电解槽50的电流密度而控制工作的复极式电解槽50的台数。例如，在开始了工作的复极式电解槽50(例如，第3台复极式电解槽)的电流密度为第2阈值以上的情况下，控制装置30决定增加工作的复极式电解槽50的台数。并且，控制装置30向整流器74输出用于使新的复极式电解槽50(例如，第4台复极式电解槽)工作的控制信号、和用于使已经开始了工作的复极式电解槽50(例如，第1台至第3台复极式电解槽)原样工作的控制信号。例如，在开始了工作的复极式电解槽50(例如，第3台复极式电解槽)的电流密度小于第2阈值的情况下，控制装置30决定维持工作的复极式电解槽50的台数。并且，控制装置30向整流器74输出用于使已经开始了工作的复极式电解槽50(例如，第1台至第3台复极式电解槽)原样工作的控制信号。需要说明的是，第2阈值可以由控制装置30任意设定，其值没有特别限定。
[0117]
控制装置30生成用于控制开闭阀62的控制信号，并向开闭阀62输出。例如，若控制装置30向开闭阀62输出用于使开闭阀62成为打开状态的控制信号，则开闭阀62成为打开状态。由此，能够使电解液在复极式电解槽50与气液分离罐72之间流动。例如，若控制装置30向开闭阀62输出用于使开闭阀62成为关闭状态的控制信号，则开闭阀62成为关闭状态。由此，能够阻止复极式电解槽50与气液分离罐72之间的电解液的流动。
[0118]
控制装置30生成用于控制压力调节阀80的控制信号，并向压力调节阀80输出。例如，控制装置30基于测量氧分离罐72o的内部的压力的压力计78o的测量结果来控制与氧分离罐72o连接的压力调节阀80o。由此，氧分离罐72o的内部的压力被调节为适当的压力(例如，100kpa)。例如，控制装置30基于测量氢分离罐72h的内部的压力的压力计78h的测量结果来控制与氢分离罐72h连接的压力调节阀80h。由此，氢分离罐72h的内部的压力被调节为适当的压力(例如，100kpa)。
[0119]
控制装置30生成用于控制温度调节阀61的控制信号，并向温度调节阀61输出。例如，控制装置30基于由流量计测量的电解液的流量来控制与热交换器79o连接的温度调节阀61o。由此，存积于氧分离罐72o的内部的电解液的温度被调节为适当的温度(例如，80度)。例如，控制装置30基于由流量计测量的电解液的流量来控制与热交换器79h连接的温度调节阀61h。由此，存积于氢分离罐72h的内部的电解液的温度被调节为适当的温度(例如，80度)。
[0120]
控制装置30生成用于控制热交换器79的交换热量的控制信号，并向热交换器79输出。例如，控制装置30基于由流量计测量的电解液的流量来控制设置于氧分离罐72o的内部的热交换器79o的交换热量。由此，存积于氧分离罐72o的内部的电解液被冷却、加热或保温。例如，控制装置30基于由流量计测量的电解液的流量来控制设置于氢分离罐72h的内部的热交换器79h的交换热量。由此，存积于氢分离罐72h的内部的电解液被冷却、加热或保温。
[0121]
除了上述的复极式电解槽50、整流器74、开闭阀62、压力调节阀80、温度调节阀61、热交换器79以外，控制装置30还对碱性水电解系统70所具备的各部进行控制。
[0122]
[温度调节阀]
[0123]
温度调节阀61由控制装置30控制。温度调节阀61与热交换器79连接，调节电解液的温度，以使存积于气液分离罐72的内部的电解液的温度在规定范围(例如，50度～90度、优选为60度～80度、进一步优选为75度～85度)。例如，温度调节阀61o与热交换器79o连接，基于由流量计测量的电解液的流量，通过控制装置30进行控制，由此调节存积于氧分离罐72o的内部的电解液的温度。例如，温度调节阀61h与热交换器79h连接，基于由流量计测量的电解液的流量，通过控制装置30进行控制，由此调节存积于氢分离罐72h的内部的电解液的温度。通过由控制装置30适当地控制温度调节阀61，能够抑制电解液的温度过度上升或电解液的温度过度下降，能够使电解液的温度为适当的温度。
[0124]
[压力计]
[0125]
压力计78设置于气液分离罐72的上部，与气液分离罐72连接。例如，压力计78o测量氧分离罐72o的内部的压力，并将测量结果向控制装置30输出。基于该测量结果，控制装置30控制压力调节阀80o，由此将氧分离罐72o的内部的压力维持在适当的压力。例如，压力计78h测量氢分离罐72h的内部的压力，并将测量结果向控制装置30输出。基于该测量结果，控制装置30控制氢分离罐72h，由此将氢分离罐72h的内部的压力维持在适当的压力。
[0126]
[压力调节阀]
[0127]
压力调节阀80由控制装置30控制。压力调节阀80设置于气液分离罐72的上部，与气液分离罐72连接。例如，压力调节阀80o与氧分离罐72o连接，基于由压力计78o测量的氧分离罐72o的内部的压力，通过控制装置30进行控制，由此调节氧分离罐72o的内部的压力。例如，压力调节阀80h与氢分离罐72h连接，基于由压力计78h测量的氢分离罐72h的内部的压力，通过控制装置30进行控制，由此调节氢分离罐72h的内部的压力。
[0128]
通过控制装置30适当地调节压力调节阀80，能够抑制气液分离罐72的内部的压力过度上升或气液分离罐72的内部的压力过度下降，能够使气液分离罐72的内部的压力为适当的压力。另外，即使气液分离罐72的内部的压力因由水的电解产生的气体而超过设计压力，也能够安全地降低压力。
[0129]
[流量计]
[0130]
流量计设置于复极式电解槽50的下部，与复极式电解槽50连接。流量计测量在复极式电解槽50中循环的电解液的流量，将测量结果向控制装置30输出。基于该测量结果，控制装置30控制热交换器79o和温度调节阀61o，由此将存积于氧分离罐72o的内部的电解液维持在适当的温度。另外，基于该测量结果，控制装置30控制热交换器79h和温度调节阀61h，由此将存积于氢分离罐72h的内部的电解液维持在适当的温度。
[0131]
流量计适当地向控制装置30输出测量结果，控制装置30基于该测量结果适当地控制电解液的温度，由此，即使向碱性水电解系统70投入可变的电力，也能够使电解液稳定地循环，促进自循环。由此，可以实现能够高效率运转并且能够制造高纯度的氢的碱性水电解系统70。
[0132]
[加热装置]
[0133]
加热装置设置于气液分离罐72的下部，对存积于气液分离罐72的内部的电解液进行加热。加热装置例如为加热器。通过不仅利用热交换器79和温度调节阀61，而且利用加热装置对存积于气液分离罐72的内部的电解液进行加热，能够例如使变冷的电解液的温度瞬
间恢复到一定的温度。由此，可以实现能够高效率运转的碱性水电解系统70。另外，例如，即使在碱性水电解系统70停止运转并再次开始运转的情况下，也不会消耗不必用的电力，因此可以实现能够高效率且持续运转的碱性水电解系统70。
[0134]
[其他构成]
[0135]
除了上述构成要素以外，碱性水电解系统70还可以具备水补给器、氧浓度计、氢浓度计、检测器等。作为这些构成要素，可以采用公知的构成要素，因此省略详细的说明。
[0136]
本实施方式的碱性水电解系统70通过具有上述构成，能够降低伴随着系统整体停止的非活性气体的吹扫频率，能够提高高纯度的氢供给的维持性。由此，可以实现能够持续制造高纯度的氢的碱性水电解系统70。
[0137]
《复极式电解槽的构成》
[0138]
接着，参照图4、图5a和图5b，对本实施方式的复极式电解槽50的构成的一例进行详细说明。
[0139]
复极式电解槽50中，2个以上复极式元件60配置于阳极端子元件(阳极端子)51a与阴极端子元件(阴极端子)51c之间。阳极端子元件51a和阴极端子元件51c与整流器74电连接。另外，阳极端子元件51a与位于最左端的阳极2a电连接，阴极端子元件51c与位于最右端的阴极2c电连接。电流从阳极端子元件51a经由2个以上复极式元件60包含的阴极2c和阳极2a流向阴极端子元件51c。
[0140]
复极式电解槽50从左向右依次配置有固定头(
ファストヘッド
)51g1、绝缘板51i1、阳极端子元件51a、阳极侧垫片部分7a、隔膜4、阴极侧垫片部分7c、2个以上复极式元件60、阳极侧垫片部分7a、隔膜4、阴极侧垫片部分7c、阴极端子元件51c、绝缘板51i2、活动头(
ルーズヘッド
)51g2。2个以上复极式元件60配置成阴极2c朝向阳极端子元件51a侧、阳极2a朝向阴极端子元件51c侧。复极式电解槽50通过整体以拉杆方式51r紧固而一体化。需要说明的是，作为紧固机构，也可以使用液压缸等。另外，复极式电解槽50无论从阳极侧还是从阴极侧均可以任意地变更配置，不限定于上述顺序。
[0141]
复极式电解槽50与单极式电解槽相比，能够减小电源的电流，能够在短时间内大量地制造化合物、规定的物质等。因此，在工业上，与单极式电解槽相比，使用复极式电解槽能够实现低成本化。
[0142]
[复极式元件]
[0143]
复极式元件60具备阳极2a、阴极2c、将阳极2a和阴极2c隔开的隔壁1、以及将隔壁1镶边的外框3。复极式元件60的一面为阳极2a，另一面为阴极2c。
[0144]
复极式元件60的对数没有特别限定，只要重复配置设计生产量所需的对数即可，优选为50个～500个、更优选为70个～300个、特别优选为100个～200个。
[0145]
复极式元件60的对数少时，可缓和泄漏电流对气体纯度的不良影响。另外，复极式元件60的对数多时，难以将电解液均匀地分配到各电解单元65。另外，复极式元件60的对数过多时，复极式电解槽50的制作变得困难。若堆积大量制作精度差的复极式元件60，则在复极式电解槽50中，密封面压变得不均匀，容易发生电解液的漏出和气体泄漏。因此，通过使复极式元件60的对数满足上述范围，能够降低停止电力供给时产生的自放电，能够实现电气控制系统的稳定化。另外，能够降低泵动力、并且能够降低泄漏电流等，能够以高效率进行电力的储藏。
[0146]
[电解单元]
[0147]
电解单元65具备：相邻的一个复极式元件60所包含的隔壁1、阳极室5a和阳极2a；相邻的另一个复极式元件60所包含的阴极2c、阴极室5c和隔壁1；外框3；隔膜4；和垫片7。阴极室5c具备集流体2r、导电性弹性体2e和整流板6。电解单元65可以具备挡板8。
[0148]
电解单元65的内部的电解液的温度优选为40℃以上、更优选为80℃以上。另外，电解单元65的内部的电解液的温度优选为110℃以下、更优选为95℃以下。通过使电解单元65的内部的电解液的温度满足该范围，能够在维持高的电解效率的同时，有效地抑制碱性水电解系统70所具备的各种部件因热而劣化。
[0149]
电解单元65所提供的电流密度的下限优选为1[ka/m2]以上、更优选为8[ka/m2]以上。另外，电解单元65所提供的电流密度的上限优选为15[ka/m2]以下、更优选为10[ka/m2]以下。特别是，如碱性水电解系统70那样，在使用可变电源的情况下，优选使电流密度的上限为上述范围。
[0150]
电解单元65的内部的压力优选为3[kpa]～1000[kpa]、更优选为3[kpa]～300[kpa]。
[0151]-隔壁-[0152]
隔壁1将阳极2a和阴极2c隔开。隔壁1经由整流板6与集流体2r电连接。
[0153]
隔壁1优选由具有导电性的材料形成。作为具有导电性的材料，可以举出例如在镍、镍合金、软钢、镍合金上实施了镀镍的材料。通过使隔壁1由具有导电性的材料形成，能够实现电力的均匀供给。隔壁1特别优选与电解液接触的部件的材料由镍形成。由此，能够提高耐碱性、耐热性等。
[0154]
隔壁1的形状没有特别限定，优选为具有规定厚度的板状。另外，隔壁1的俯视形状例如可以为矩形、圆形、椭圆形，在为矩形的情况下，角也可以带有圆弧。
[0155]-电极-[0156]
阳极2a设置于阳极室5a，阴极2c设置于阴极室5c。属于1个电解单元65的阳极2a和阴极2c相互电连接。另外，阴极2c经由导电性弹性体2e与集流体2r电连接。
[0157]
为了增加用于水的电解的表面积，另外，为了有效地从电极2表面除去由水的电解产生的气体，电极2优选为多孔体。作为多孔体，可以举出例如平织网、冲孔金属、金属板网、金属发泡体等。
[0158]
电极2可以为基材本身，优选在基材的表面具有反应活性高的催化剂层。
[0159]
从对使用环境的耐性的方面出发，基材优选例如由软钢、不锈钢、镍、镍基合金等材料形成。
[0160]
阳极2a的催化剂层优选由氧产生能力高、耐久性良好的材料形成，作为这样的材料，可以举出例如镍或钴、铁或铂族元素等。进而，作为用于实现所期望的催化活性、耐久性等的材料，可以举出例如钯、铱、铂、金、钌、铑、铈、镍、钴、钨、铁、钼、银、铜、锆、钛、铪、镧系元素等金属单质、氧化物等化合物、由2个以上金属元素构成的复合氧化物或合金、或者它们的混合物、开奖烯等碳材料等。
[0161]
阴极2c的催化剂层优选由氢产生能力高的材料形成，作为这样的材料，可以举出例如镍或钴、铁或铂族元素等。进而，作为用于实现所期望的催化活性、耐久性等的材料，可以举出例如金属单质、氧化物等化合物、由2个以上金属元素构成的复合氧化物或合金、或
者它们的混合物等。具体而言，可以举出例如：以雷尼镍、由镍和铝或者镍和锡等2种以上材料的组合构成的雷尼合金、镍化合物或钴化合物作为原料，通过等离子体喷镀法制作的多孔覆膜；镍与选自钴、铁、钼、银、铜等的元素的合金或复合化合物；氢产生能力高的铂或钌等铂族元素的金属或氧化物；以及这些铂族元素的金属或氧化物与铱、钯等其他铂族元素的化合物、镧或铈等稀土金属的化合物的混合物；开奖烯等碳材料等。为了实现高催化活性、耐久性等，可以将由上述材料形成的催化剂层层积两层以上，也可以在催化剂层中混合存在2种以上材料。另外，为了提高耐久性和与基材的粘接性，材料中也可以包含高分子材料等有机物。
[0162]
电解电压很大程度上依赖于电极2的性能。通过降低电解电压，在碱性水电解系统70中，能够削减能量消耗量。除了理论上要求的水的电解所需要的电压以外，电解电压还包括阳极反应(产生氧)的过电压、阴极反应(产生氢)的过电压、基于阳极2a与阴极2c的电极间距离的电压等。此处，过电压是指在流通一定电流时需要超过理论分解电位而过量施加的电压。通过降低过电压，能够降低电解电压。
[0163]
电极2优选具有导电性高、氧产生能力或氢产生能力高、在电极2表面电解液的润湿性高等性能。通过使电极2具有这样的性能，能够降低上述过电压。另外，电极2优选具有如下性能：即使供给可再生能源之类的不稳定的电力，也难以发生基材和催化剂层的腐蚀、催化剂层的脱落、在电解液中的溶解、含有物在隔膜4的附着等。
[0164]-集流体-[0165]
集流体2r具有下述功能：在向导电性弹性体2e和电极2传导电的同时，支撑从导电性弹性体2e和电极2承受的载荷，使由电极2产生的气体无障碍地通过到隔壁1侧。
[0166]
集流体2r优选具有金属板网、冲压多孔板等形状。集流体2r的开口率优选满足能够使由电极2产生的氢气无障碍地抽出到隔壁1侧的范围。若开口率过大，则容易产生集流体2r强度降低、或者对导电性弹性体2e的导电性降低等问题，若开口率过小，则气体排出变差。因此，集流体2r的开口率优选考虑这些问题而适当设定。
[0167]
从导电性和耐碱性的方面出发，集流体2r优选由例如镍、镍合金、不锈钢、软钢等材料形成。从耐腐蚀性的方面出发，集流体2r优选在镍、软钢、不锈钢镍合金上实施了镀镍。
[0168]-导电性弹性体-[0169]
导电性弹性体2e与集流体2r和电极2接触，设置于集流体2r与阴极2c之间。导电性弹性体2e具有下述功能：通过向电极2均等地施加不损伤隔膜4的程度的适当压力，使隔膜4与电极2密合。
[0170]
导电性弹性体2e优选具有对电极2的导电性，并且不阻碍由电极2产生的气体的扩散。假设气体的扩散被导电性弹性体2e阻碍，则电阻增加，用于水的电解的电极2面积降低，从而电解效率降低。
[0171]
导电性弹性体2e的构成没有特别限定，可以为公知的构成。导电性弹性体2e例如可以是由线径0.05mm～0.5mm左右的镍制线编织而成的物品经波纹加工而成的缓冲垫。
[0172]-外框-[0173]
外框3设置成沿着隔壁1的外缘包围隔壁1。外框3只要是能够包围隔壁1的形状即可，对其形状没有特别限定，但优选为跨及隔壁1的外缘具备沿着与隔壁1的平面垂直的方向的内表面的形状。外框3优选根据隔壁1的俯视形状适当设定。
[0174]
外框3优选由具有导电性的材料形成，作为这样的材料，可以举出例如镍、镍合金、软钢、镍合金等。从耐碱性和耐热性的方面出发，外框3进而优选在例如镍、镍合金、软钢、镍合金上实施镀有镍。
[0175]-隔膜-[0176]
隔膜4划分具有阳极2a的阳极室5a和具有阴极2c的阴极室5c。隔膜4设置于阳极端子元件51a与复极式元件60之间、相邻的复极式元件60之间、以及复极式元件60与阴极端子元件51c之间。隔膜4具有离子透过性，在使离子导通的同时隔离氢气和氧气。隔膜4由具有离子交换能力的离子交换膜、能够渗透电解液的多孔膜等构成。隔膜4优选气体透过性低、离子传导率高、电子电导率小、强度强。
[0177]
‑‑
多孔膜
‑‑
[0178]
多孔膜具有下述结构：具有2个以上微细的贯通孔，使电解液透过。作为具有这种结构的多孔膜，可以举出例如高分子多孔膜、无机多孔膜、织布、无纺布等。这些膜通过应用公知的技术而形成。
[0179]
多孔膜优选包含例如选自由聚砜、聚醚砜和聚苯砜组成的组中的至少1种高分子树脂。由此，能够维持优异的离子透过性。
[0180]
多孔膜通过电解液渗透而表现出离子传导性，因此优选适当地控制孔径、气孔率、亲水性等多孔结构。在多孔膜中，通过适当地控制多孔结构，不仅能够使电解液透过，还能够提高产生气体的阻隔性。
[0181]
多孔膜的厚度没有特别限定，例如优选为200μm以上700μm以下。若多孔膜的厚度为250μm以上，则能够获得更优异的阻隔性，另外能够进一步提高多孔膜对于冲击的强度。从这方面出发，多孔膜的厚度的下限更优选为300μm以上、更优选为350μm以上、进一步优选为400μm以上。另一方面，若多孔膜的厚度为700μm以下，则在碱性水电解系统70的运转时，由于孔内包含的电解液的阻力，离子的透过性不容易受到阻碍，因此能够维持更优异的离子透过性。从这样的方面出发，多孔膜的厚度的上限更优选为600μm以下、更优选为550μm以下、进一步优选为500μm以下。
[0182]
‑‑
离子交换膜
‑‑
[0183]
离子交换膜可以使用选择性地使阳离子透过的阳离子交换膜、选择性地使阴离子透过的阴离子交换膜中的任一种交换膜。
[0184]
离子交换膜的材料没有特别限定，可以使用公知的材料。离子交换膜例如优选由含氟系树脂或聚苯乙烯
·
二乙烯基苯共聚物的改性树脂形成。从耐热性和耐化学药品性等优异的方面出发，离子交换膜特别优选由含氟系树脂形成。
[0185]-电极室-[0186]
电极室5使电解液通过，被隔壁1、外框3、隔膜4等划定。电极室5所被划定的范围根据设置于隔壁1的外端的外框3的结构而变动。电极室5在与外框3的边界处具备向电极室5导入电解液的电解液入口和从电极室5导出电解液的电解液出口。例如，阳极室5a具备向阳极室5a导入电解液的阳极电解液入口和将从阳极室5a导出的电解液导出的阳极电解液出口。例如，阴极室5c具备向阴极室5c导入电解液的阴极电解液入口和将从阴极室5c导出的电解液导出的阴极电解液出口。
[0187]
电极室5也可以在复极式电解槽50的内部具备调节气液比的挡板8。另外，电极室5
也可以在复极式电解槽50的内部具备用于将电解液均匀地分配到电极2面内的内部分配器。另外，为了使电解液的浓度、电解液的温度均匀化、或者为了促进附着在电极2和隔膜4的气体的脱泡，电极室5也可以在复极式电解槽50的内部具备用于制作卡门涡旋的突起物。
[0188]
需要说明的是，不仅在阴极室5c的内部，还可以在阳极室5a的内部设有集流体2r。集流体2r可以为与设置于阴极室5c的内部的集流体同样的材料和构成。另外，也可以使阳极2a自身作为集流体发挥功能。
[0189]-整流板-[0190]
整流板6支撑阳极2a，设置于阳极2a与隔壁1之间。另外，整流板6支撑阴极2c和集流体2r，设置于集流体2r与隔壁1之间。
[0191]
整流板6安装于相邻的电解单元65的一个隔壁1，例如，在阳极室5a中，可以采用从左向右依次重合有隔壁1、整流板6、阳极2a的结构。隔壁1、整流板6和阳极2a可以被电连接且物理上直接连接。作为将这些各构成部件相互直接安装的方法，可以举出焊接等。需要说明的是，在阳极室5a中，当然也可以采用从左向右依次重合有隔壁1、整流板6、集流体2r、导电性弹性体2e、阳极2a的结构。
[0192]
整流板6安装于相邻的电解单元65的另一个隔壁1，例如，在阴极室5c中，可以采用从左向右依次重合有阴极2c、导电性弹性体2e、集流体2r、整流板6、隔壁1的结构。阴极2c、导电性弹性体2e、集流体2r、整流板6和隔壁1可以被电连接且物理上直接连接。作为将这些各构成部件相互直接安装的方法，可以举出焊接等。
[0193]
通过在电解室5设置整流板6，电流容易从隔壁1流向阳极2a、或者从阴极2c流向隔壁1。另外，通过在电解室5设置整流板6，能够降低因电解室5内部的气液流动的紊流而在电解室5的内部产生的对流，抑制局部的电解液温度的上升。
[0194]
整流板6优选由具有导电性的金属材料形成。作为这样的材料，可以举出例如实施了镀镍的软钢、不锈钢、镍等。
[0195]
整流板6优选至少一部分具有导电性，进一步优选全部具有导电性。通过使整流板6具有导电性，能够抑制电极挠曲引起的电解单元65的电压上升。
[0196]-垫片-[0197]
垫片7设置于将隔壁1镶边的外框3。垫片7具有防止电解液和产生的气体向复极式电解槽50的外部漏出、防止阳极室5a与阴极室5c之间的气体混合等的功能。
[0198]
垫片7对应于与外框3相接的面，具有贯穿电极2的四边形状或环状。可以利用2片垫片夹住隔膜4，由此在相邻的复极式元件60之间堆叠隔膜4。
[0199]
垫片7优选具备能够容纳隔膜4的狭缝部，以能够保持隔膜4。另外，垫片7优选具备能够使隔膜4在垫片7的两表面露出的开口部。通过使垫片7具备开口部，能够在狭缝部内收纳隔膜4的缘部，能够覆盖隔膜4的缘部的端面。由此，能够确实地防止电解液和气体从隔膜4的缘部的端面漏出。
[0200]
垫片7的材质没有特别限制，可以选择具有绝缘性的公知的橡胶材料或树脂材料等。作为橡胶材料或树脂材料，具体而言，可以使用天然橡胶(nr)、丁苯橡胶(sbr)、氯丁橡胶(cr)、丁二烯橡胶(br)、丁腈橡胶(nbr)、硅酮橡胶(sr)、乙烯-丙烯橡胶(ept)、三元乙丙橡胶(epdm)、氟橡胶(fr)、异丁烯-异戊二烯橡胶(iir)、聚氨酯橡胶(ur)、氯磺化聚乙烯橡胶(csm)等橡胶材料、聚四氟乙烯(ptfe)或四氟乙烯
·
全氟烷基乙烯基醚共聚物(pfa)、四
氟乙烯
·
乙烯共聚物(etfe)、三氟氯乙烯
·
乙烯共聚物(ectfe)等氟树脂材料、聚苯硫醚(pps)、聚乙烯、聚酰亚胺、聚缩醛等的树脂材料。这些之中，从弹性模量和耐碱性的方面出发，特别优选选择三元乙丙橡胶(epdm)、氟橡胶(fr)。
[0201]-挡板-[0202]
挡板8是具有限制电极室5内部的电解液流动的功能的隔板。挡板8调节电极室5的内部的电解液与气体之比，例如，按照仅电解液流向背面侧、电解液和气体流向正面侧的方式分离电解液与气体。即，通过利用挡板8使气体滞留在规定的部位，能够在电极室5使电解液进行内部循环，能够使电解液的浓度更均匀。
[0203]
挡板8例如设置于阴极室5c的内部。挡板8优选沿着阴极室5c的横向相对于隔壁1倾斜或平行地设置于阴极2c与隔壁1之间。在由挡板8隔开的阴极2c附近的空间，若水的电解进行，则电解液的浓度下降，产生氢。由此，有时会发生气液的比重差的情况，但通过在阴极室5c的内部配置挡板8，能够在阴极室5c中促进电解液的内部循环，能够使阴极室5c中的电解液的浓度分布更均匀。
[0204]
以上，对复极式电解槽50的构成的一例进行了详细说明，但复极式电解槽50并不限定于上述构成。除了上述构成要素以外，复极式电解槽50例如也可以具备对电解液进行配液或集液的集管件(header)等。
[0205]
《碱性水电解系统的运转方法》
[0206]
参照图6，对本实施方式的碱性水电解系统70的运转方法的一例进行说明。
[0207]
在步骤s101中，若从碱性水电解系统70的外部供给可变的电力，则2个以上整流器74_1～74_n将交流电变换为直流电。并且，2个以上整流器74_1～74_n在2个以上复极式电解槽50_1～50_n中的阳极端子与阴极端子之间施加规定的直流电压。
[0208]
在步骤s102中，2个以上复极式电解槽50_1～50_n基于由2个以上整流器74_1～74_n施加的规定的直流电压，使用电解液通过水的电解从阳极侧产生氧，从阴极侧产生氢。各个复极式电解槽50的工作或停止由控制装置30控制。
[0209]
在步骤s103中，氧分离罐72o从由复极式电解槽50流入的氧和电解液的混合物分离氧。所分离的氧从设置于氧分离罐72o的上方的排出口被排出。所分离的电解液存积于氧分离罐72o的内部。另外，氢分离罐72h从由复极式电解槽50流入的氢和电解液的混合物分离氢。所分离的氢从设置于氢分离罐72h的上方的排出口被排出。所分离的电解液存积于氢分离罐72h的内部。
[0210]
在步骤s104中，热交换器79o将存积于氧分离罐72o的内部的电解液调节为适当的温度。另外，热交换器79h将存积于氢分离罐72h的内部的电解液调节为适当的温度。
[0211]
根据本实施方式的碱性水电解系统70的运转方法，即使在系统70整体电流的负载降低，也能在全部复极式电解槽50的内部将杂质浓度维持在极低的状态。由此，能够降低伴随着系统整体停止的非活性气体的吹扫频率，能够提高高纯度的氢供给的维持性。因此，通过应用本实施方式的碱性水电解系统70的运转方法，能够持续地制造高纯度的氢。
[0212]
上述实施方式作为代表例进行了说明，但本领域技术人员显然能够在本公开的主旨和范围内进行许多变更和置换。因此，本发明不应理解为受上述实施方式的限制，能够在不脱离权利要求书的情况下进行各种变形或变更。例如，可以将实施方式的构成图中记载的2个以上构成块组合成一个，或者分割一个构成块。另外，可以将实施方式的流程图中记
载的2个以上工序组合成一个，或者分割一个工序。
[0213]
工业实用性
[0214]
根据本发明，可以实现能够持续制造高纯度的氢的碱性水电解系统，因此，除了石油精制、化学合成、金属精制等领域以外，在面向燃料电池车的加氢站、智慧社区、氢发电厂等用途中也特别有用。
[0215]
符号说明
[0216]
1隔壁
[0217]
2电极
[0218]
2a阳极
[0219]
2c阴极
[0220]
2e导电性弹性体
[0221]
2r集流体
[0222]
3外框
[0223]
4隔膜
[0224]
5电极室
[0225]
5a阳极室
[0226]
5c阴极室
[0227]
6整流板
[0228]
6a阳极整流板
[0229]
6c阴极整流板
[0230]
7垫片
[0231]
8挡板
[0232]
30控制装置
[0233]
50复极式电解槽
[0234]
51g1固定头
[0235]
51g2松脱头
[0236]
51i1绝缘板
[0237]
51i2绝缘板
[0238]
51a阳极端子元件
[0239]
51c阴极端子元件
[0240]
51r拉杆
[0241]
60复极式元件
[0242]
61温度调节阀
[0243]
61o温度调节阀
[0244]
61h温度调节阀
[0245]
62开闭阀
[0246]
62o开闭阀
[0247]
62h开闭阀
[0248]
62oi入口开闭阀
[0249]
62hi入口开闭阀
[0250]
62oo出口开闭阀
[0251]
62ho出口开闭阀
[0252]
65电解单元
[0253]
70碱性水电解系统
[0254]
70b碱性水电解系统
[0255]
72气液分离罐
[0256]
72o氧分离罐
[0257]
72h氢分离罐
[0258]
74整流器
[0259]
78压力计
[0260]
78o压力计
[0261]
78h压力计
[0262]
79热交换器
[0263]
79o热交换器
[0264]
79h热交换器
[0265]
80压力调节阀
[0266]
80o压力调节阀
[0267]
80h压力调节阀
[0268]
90循环泵