隔膜元件、电解槽以及气体制造方法与流程

本发明涉及隔膜元件、电解槽以及气体制造方法，更详细而言，涉及能够适合在加压条件下的电解反应(例如碱性水的电解)中使用的隔膜元件、电解槽以及使用该电解槽的气体制造方法。

背景技术：

1、作为氢气和氧气的制造方法，公知有碱性水电解法。在碱性水电解法中，将碱金属氢氧化物(例如naoh、koh等)溶解后的碱性的水溶液(碱性水)用作电解液来对水进行电解，由此从阴极产生氢气，从阳极产生氧气。作为碱性水电解用的电解槽，公知如下的电解槽：其具备由离子透过性的隔膜划分开的阳极室和阴极室，在阳极室配置有阳极，在阴极室配置有阴极。

2、现有技术文献

3、专利文献

4、专利文献1：国际公开2013/191140号公报

5、专利文献2：日本特开2002-332586号公报

6、专利文献3：日本特许第4453973号公报

7、专利文献4：国际公开2014/178317号公报

8、专利文献5：日本特许第6093351号公报

9、专利文献6：日本特开2015-117417号公报

10、专利文献7：国际公开2019/188261号公报

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、图1是对一实施方式的以往的碱性水电解槽900示意性地进行说明的局部剖视图。零间隙型电解槽900包括：电解元件(极室单元)910、910、…，其具备凸缘部912以及将阳极室a和阴极室c分隔开的导电性的分隔壁911；离子透过性的隔膜920，其配置于相邻的电解元件910、910之间；垫片930、930，其配置于隔膜920与电解元件910的凸缘部912之间，夹入隔膜920的周缘部；阳极940，其保持于从分隔壁911立起设置的导电性的肋913、913、…；集电体950，其保持于从分隔壁911立起设置的导电性的肋914、914、…；以及柔软的阴极970，其保持于导电性的弹性体960，该弹性体960与该集电体950接触地配置。阴极970的周缘部和导电性的弹性体960的周缘部固定于集电体950的周缘部。在电解槽900中，通过导电性的弹性体960将柔软的阴极970朝向隔膜920和阳极940按压，在相邻的阴极970与阳极940之间夹入隔膜920。

3、通过碱性水的电解产生的气体通常在压缩至预定的压力的状态下进行商业性的流通。在极室内部的压力大致为常压的情况下，从该极室回收的气体也大致为常压，因此，需要在电解槽的外部将从电解槽回收的气体压缩至预定的压力的外部压缩装置。若极室内的压力高于常压，则可以认为，这样的外部压缩装置的能力较低即可，或不需要这样的外部压缩装置，能够降低气体的制造成本。另外，若提高极室内的压力，则极室内所产生的气体在极液中形成的气泡变小，因此电极间的电阻降低，因而可以认为，即使电流密度相同，也能够降低电解电压，能够省能量化。

4、但是，在图1所示的以往的电解槽900中，为了提高极室内部的压力，期望密封性的进一步的提高。例如在电解槽900中，电解液和/或气体会经由多孔的隔膜920本身和/或隔膜920与垫片930的接触面向电解槽900外部泄漏。因此，隔膜的周缘部以及隔膜与垫片的接触部优选为不与电解槽外部连通。虽然如此，但将隔膜完全收纳在电解槽内部的构造在电解槽的组装工艺中会产生作业性的问题。

5、关于以往的电解槽900，将安装有除隔膜920以外的结构要素(垫片930、阳极940、阴极集电体950、弹性体960、阴极970)的电解元件910、910纵向立起(即，如图1的纸面的姿势)，一边利用另外的临时保持手段(例如作业者的手)在纵向上临时保持隔膜920，一边利用该立起的电解元件910、910夹住该被保持的隔膜920，由此组装以往的电解槽900。在组装后的电解槽900中，成为隔膜920的周缘部从电解槽900的外周部稍微突出的构造。与此相对，在组装将隔膜完全收纳于电解槽内部的构造的电解槽时，无法采用利用电解元件夹住由其他的临时保持手段临时保持的隔膜的做法。其原因在于隔膜的临时保持手段与电解元件相互干扰。因而以如下方法等实施：将电解元件910沿水平方向放置，在其面上依次载置隔膜920以及相邻的电解元件910，当堆积一定数量(通常为5～15个元件左右)时，将其纵向立起并装入、层叠。但在该方法中，在所述纵向立起时，对处于柔软的性状的隔膜920的夹持力不足，容易产生一部分向下方偏移落下的不良。

6、这样，期望能够提高适合加压运转的电解槽的组装作业性。

7、本发明的课题在于提供一种能够提高适合加压运转的电解槽的组装作业性的隔膜元件。另外，提供具备该隔膜元件的电解槽以及使用该电解槽的气体制造方法。

8、用于解决问题的方案

9、本发明包括如下的[1]～[5]的技术方案。

10、[1]一种隔膜元件，其特征在于，

11、该隔膜元件具备：

12、离子透过性的隔膜，其具有第1面和第2面；

13、垫片，其夹持所述隔膜的周缘部；以及

14、框状的保护构件，其将夹持有所述隔膜的所述垫片收容并保持，

15、所述保护构件具备电绝缘性的框状的基体、框状的盖构件以及多个螺钉，

16、所述框状的基体具备：

17、收容部，其设于该基体的内周侧，收容所述垫片和所述盖构件；和

18、支承部，其从所述收容部朝向所述基体的内周侧突出地延伸，在与所述隔膜的主面交叉的方向上支承收容于所述收容部的所述垫片，

19、所述盖构件具有能够收容于所述基体的收容部的形状和尺寸，

20、所述盖构件和夹持有所述隔膜的所述垫片收容于所述基体的收容部，由此，夹持有所述隔膜的所述垫片被夹持在所述基体的支承部与所述盖构件之间，

21、所述框状的基体的支承部具备多个螺孔，该多个螺孔设为朝向所述垫片开口并能够与所述螺钉螺纹结合，

22、所述盖构件具备设于与所述框状的基体的多个螺孔对应的位置并能够供所述螺钉贯穿的多个第1贯通孔，

23、所述垫片具备设于与所述框状的基体的多个螺孔对应的位置并能够供所述螺钉贯穿的多个第2贯通孔，

24、所述隔膜具备设于与所述框状的基体的多个螺孔对应的位置并能够供所述螺钉贯穿的多个第3贯通孔，

25、所述框状的基体的多个螺孔、所述盖构件的多个第1贯通孔、所述垫片的多个第2贯通孔以及所述隔膜的多个第3贯通孔彼此连通，

26、所述多个螺钉分别贯穿所述盖构件的第1贯通孔、所述垫片的第2贯通孔以及所述隔膜的第3贯通孔，并与所述框状的基体的螺孔螺纹结合，由此，夹持有所述隔膜的垫片由所述盖构件和所述框状的基体的支承部紧固，且所述盖构件、所述垫片以及所述隔膜以能够装卸的方式固定于所述框状的基体。

27、[2]一种电解槽，其特征在于，

28、该电解槽具备：

29、多个电解元件，该多个电解元件被层叠起来，所述多个电解元件各自依次具备阳极、导电性的分隔壁以及阴极，所述阳极和所述阴极均与所述分隔壁电连接；以及

30、权利要求1所述的隔膜元件，其配置于各相邻的所述电解元件之间，

31、所述多个电解元件以各电解元件的阳极出现在所述导电性的分隔壁的同一侧的方式层叠，

32、在所述隔膜元件的所述隔膜与相邻于该隔膜元件的一电解元件之间划分出收纳所述阳极的阳极室，

33、在所述隔膜元件的所述隔膜与相邻于该隔膜元件的另一电解元件之间划分出收纳所述阴极的阴极室。

34、[3]一种气体制造方法，其特征在于，

35、通过碱性水的电解至少制造氢气，

36、该气体制造方法包括工序(a)，在该工序(a)中，使用权利要求2所述的电解槽对碱性水进行电解，

37、所述工序(a)包括：

38、向所述电解槽的各阳极室和各阴极室供给碱性水作为电解液；

39、向所述电解槽通入直流电流；以及

40、从所述阴极室回收氢气。

41、[4]根据[3]所述的气体制造方法，其特征在于，所述工序(a)还包括从所述阳极室回收氧气。

42、[5]根据[3]或[4]所述的气体制造方法，其特征在于，在所述工序(a)中，所述阳极室和/或所述阴极室内部的压力保持为相对于大气压高20kpa以上。

43、发明的效果

44、在本发明的隔膜元件中，通过在框状的基体的收容部收容盖构件和夹持有隔膜的垫片，从而夹持有隔膜的垫片被夹持在基体的支承部与盖构件之间。而且，螺钉贯穿盖构件、垫片以及隔膜分别所具备的第1贯通孔、第2贯通孔以及第3贯通孔，并与框状的基体的螺孔螺纹结合，由此，夹持有隔膜的垫片由盖构件和框状的基体的支承部紧固，且盖构件、垫片以及隔膜以能够装卸的方式固定于框状的基体。根据本发明的隔膜元件，利用电解元件夹住本发明的隔膜元件从而能够组装电解槽，因此，能够提高适合加压运转的电解槽的组装作业性。

45、在本发明的电解槽中，在各相邻的电解元件之间配置有本发明的隔膜元件。因此，根据本发明的电解槽，能够提高适合加压运转的电解槽的组装作业性。特别是，即使按照所述隔膜完全收纳在电解槽内部的构造的电解槽的以往的组装方法，实施当沿水平方向堆积一定数量(通常为5～15个元件左右)的上述电解元件时将其纵向立起并层叠的方法，在进行上述纵向立起时，也不会由于夹持力不足导致在一部分的电解元件中产生隔膜向下方偏移落下的不良。

46、本发明的气体制造方法使用本发明的电解槽进行电解，因此，在需要将伴随着使用而劣化的隔膜10更换为新的隔膜10的作业时，也能够减少电解槽无法运转的时间，或者能够降低更换作业所需的费用。