JP2005054266A - 水素ガス製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄と硫酸による直接の反応を利用した水素発生ではなく、またガスなどのコストの掛かる原料を用いないで水素を得ることのできる水素ガス製造方法および装置を提供する。
【解決手段】正電極２，負電極３を有する電気分解槽１と、この電気分解槽１に酸液５を供給および排出するポンプ８，１０と、電気分解槽１の上部に収集された水素ガスに含まれる不純物ガスを除去するガス除去装置１４と、水素分子を透過する多孔質セラミックフィルタ１５と、その多孔質セラミックフィルタ１５によって精製された水素を収集する水素貯蔵部１６とを備えた水素ガス製造装置。電気分解槽１内に貯留した酸液５に鉄材６を浸漬させるとともに電気分解により水素ガスを生成し、生成した水素ガス中の不純物ガスをガス除去装置１４で除去し、多孔質セラミックフィルタ１５により水素分子のみを透過させて高純度の水素ガスを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸性泉を電気分解して得た水素を高純度に精製する水素ガス製造方法および装置に関する。

従来の化石燃料に代わるクリーンな燃料として、水素が着目を浴びている。水素は、そのまま燃料として使用するほか、燃料電池の原料としても使用する。
今後、水素燃料や燃料電池が普及するかどうかは、この水素を如何に高純度かつ低コストで製造できるかにかかっている。

特開平７−１９７２８８号公報（特許文献１）には、金属加工の廃材である廃鉄を硫酸等の酸液に溶解させて水素を発生させ、発生する水素を水素吸蔵合金に吸蔵させるとともに、さらに廃鉄を溶解した溶解液を電気分解して高純度鉄を製造する水素の製造方法が開示されている。

また、特開２００２−１６６１２２号公報（特許文献２）には、水素含有ガスをポリイミドを主成分とする高分子膜またはゼオライトなどの多孔質セラミックス等の無機膜からなる分離膜、ＣＯ選択酸化層、水素貯蔵材層の順に通して高純度の水素に精製し、水素貯蔵材層に貯蔵する水素精製、貯蔵方法が開示されている。

特開平７−１９７２８８号公報 特開２００２−１６６１２２号公報

前掲の特許文献１に開示された水素の製造方法は、鉄を硫酸等の酸液に溶解させて水素を発生させる方法であるため、使用する廃鉄は、できるだけ細かく刻んだ鉄屑である必要がある。

また特許文献２に開示された水素精製、貯蔵方法では、メタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス、その他の炭化水素ガスやメタノールなどのアルコール類を水蒸気によって改質して水素リッチな改質ガスを精製する方法であるため、原料として、前記のような化石燃料ガスを用いる必要があり、ガス自体はクリーンであるが、原料自体にコストが掛かるという問題がある。

本発明は、鉄と硫酸による直接の反応を利用した水素発生ではなく、またガスなどのコストの掛かる原料を用いないで水素を得ることのできる水素ガス製造方法および装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の構成は、電気分解槽内に貯留した酸液に鉄材を浸漬させるとともに電気分解により水素ガスを生成し、生成した水素ガスを水素分子が通過する程度の孔を有する高分子膜、多孔質セラミックフィルタ等の水素透過膜を通して高純度の水素ガスを得ることを特徴とする水素ガス製造方法である。
また、本発明の第２の構成は、前記水素透過膜は、孔の径が２ｎｍ以下の細孔を有するものである。

この第１の構成においては、電気分解槽内に酸液を貯留し、その中に鉄材を浸漬すると、酸液のイオン化が活発になる。電気分解層に設けられた電極を直流電源につなぐと、次のような電解反応が起きる。
酸液がＨ₂ＳＯ₄の場合： Ｈ₂ＳＯ₄＋Ｆｅ→Ｈ₂↑＋ＦｅＳＯ₄
酸液がＨＣｌの場合： ２ＨＣｌ＋Ｆｅ→Ｈ₂↑＋ＦｅＣｌ₂
酸液がＨＮＯ₃の場合： ２ＨＮＯ₃＋Ｆｅ→Ｈ₂↑＋Ｆｅ（ＮＯ₃）₂
このような電解反応により、陰極には水素ガスが生成される。

この水素ガスには、酸液の硫酸ガス、亜硫酸ガス、塩素ガス、塩化水素ガス、硝酸ガス等の不純ガスが含まれている。これらのガスや水蒸気の分子の大きさは３ｎｍ以上であるが、水素ガスの分子の大きさは０．２ｎｍ程度であるので、前記第２の構成のように、細孔の径が２ｎｍ以下の、水素分子を透過する程度の孔を有する水素透過膜を用いて高純度の水素ガスを得る。

本発明の第３の構成は、前記電気分解槽に貯留する酸液は、硫酸泉、塩酸泉、硝酸泉からの温泉水としたものである。温泉水は、地域によっては豊富に湧き出してくるので、この温泉水を酸液として用いることで、特別な製造工程や薬剤を使用しなくても天然の資源を利用することができる。

本発明の第４の構成は、前記鉄材を廃鉄としたものである。廃鉄は、工場や産業廃棄物から多量に得られ、従来はその処理に困窮していたが、これを有効に資源として利用することができる。

本発明の第５の構成は、前記電気分解により生成した水素ガスを、一旦ガス除去装置に通して水素ガスの純度を高めた後に、前記水素透過膜を通すようにしたものである。水素透過膜に通す前に、ガス除去装置で改質するという前処理を行うことで、水素透過膜の負担が軽くなり、目詰まりなどによるメンテナンス、交換の頻度を軽減することができる。

本発明の第６の構成は、正極および負極の電極を有する電気分解槽と、この電気分解槽に酸液を供給および排出する手段と、前記電気分解槽の上部に設けられた水素分子を透過する高分子膜、多孔質セラミックフィルタ等の水素透過膜と、前記水素透過膜によって精製された水素を収集する水素貯蔵部とを備えた水素ガス製造装置である。
この第６の構成の製造装置における電気分解槽に、酸液と鉄材を入れ、電気分解することにより、第１の構成に係る方法を実施して水素ガスを得ることができる。

本発明の第７の構成は、前記電解槽の上部と前記水素透過膜との間に、水素ガス以外の不純物ガスを除去するガス除去装置を備えたもので、これにより前記第５の構成の方法を実施することができる。

本発明によれば、電気分解槽内に貯留した酸液に鉄材を浸漬させるとともに電気分解により水素ガスを生成し、生成した水素ガスを水素分子が通過する程度の孔を有する水素透過膜を通して高純度の水素ガスを得るようにしたので、鉄と硫酸による直接の反応を利用した水素発生ではなく、またガスなどのコストの掛かる原料を用いないで水素を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態を示す概略構成図である。図１に示されるように、本実施の形態の水素ガス製造装置は、容器部分１ａと蓋部分１ｂが分離可能な電気分解槽１を備えており、この電気分解槽１には、正電極２と、負電極３が設置されており、それらは直流電源４に接続されている。電気分解槽１の内部には、酸液５と廃鉄（鉄屑）６が収容されており、酸液５は、外部の酸液供給槽７からポンプ８により供給される。また、劣化した酸液は、外部の廃液槽９にポンプ１０により排出される。正電極２と負電極３との間には、これらの電極２，３から発生する水素と酸素が混合しないように隔壁１ｃが設けられている。隔壁１ｃの下部は、酸液５中でのイオンの流れを妨げないように電気分解槽１の底面よりも上部に位置するように設けられている。廃鉄６は水素生成を促進するため、負電極３と接触するように、また水素気泡が正電極２側に混入しないように、隔壁１ｃから離して入れる。
酸液としては、温泉の泉質が酸性の硫酸塩泉、塩化物泉、炭酸泉、硝酸塩等の、鉄と化合して鉄塩を作り、水素を放出するものを使用する。

電気分解槽１の上部には隔壁１ｃを境にして負電極３側に水素収集ダクト１１が設けられており、第１バルブ１２と第２バルブ１３が設置されている。第１バルブ１２と第２バルブの間には、ガス除去装置１４の入口が接続され、ガス除去装置１４の出口とつながった水素収集ダクト１１の先端部には多孔質セラミックフィルタ１５が設けられている。多孔質セラミックフィルタ１５を通過した水素ガスは、水素ガス貯蔵部１６に貯蔵される。第１バルブ１２は、電気分解槽１の上部に溜まる水素ガスを水素収集ダクト１１に取り込んだり止めたりするためのバルブであり、第２バルブ１３は、水素収集ダクト１１をガス除去装置１４側に切り替えたり多孔質セラミックフィルタ１５に直接つなぐためのバルブである。

多孔質セラミックフィルタ１５は、孔の径が２ｎｍ以下の細孔を有するメッシュ状あるいは蓮根状の穴を有するもので、分子の径が３ｎｍ以上の硫酸ガス、亜硫酸ガス、塩素ガス、塩化水素ガス、硝酸ガス等の不純ガス、あるいはＨ₂Ｏの水分子は通過できないようになっている。この多孔質セラミックフィルタ１５は単層あるいは多層積層のものを用いることができる。

ガス除去装置１４は、本来は水素ガス以外の炭酸ガスおよび発生する酸性ガス等を中和し、水素ガスを変質させるガスを除去し、水素含有ガス中の水素の含有率を高めるためのものである。これは、メタンガス等から燃料電池のための水素を分離する作用がある。しかし、水素の含有率を高めるもので、水素のみを抽出する機能は有しない。このガス除去装置１４としては、石灰板等のアルカリ性板に微細孔を開けたものを使用することができる。さらに、そのアルカリ性板の上部に多孔質セラミックフィルタを単層あるいは多層積層して組み合わせたものを用いることができる。

本実施の形態では、ガス除去装置１４と多孔質セラミックフィルタ１５を組み合わせることで、水素の精製を効率的に行う。

また、電気分解槽１の上部には隔壁１ｃを境にして正電極２側に酸素収集ダクト１７が設けられており、第３バルブ１８を開けることで、酸素が収集される。収集された酸素は、多孔質セラミックフィルタ１９を通過して酸素ガス貯蔵部１６に貯蔵される。このときの多孔質セラミックフィルタ１９の細孔は、酸素分子を通過し、それ以上の大きさの不純ガスを通過しない大きさとする。

次に、以上の構成の水素ガス製造装置を用いた水素ガス製造過程について説明する。
まず、電気分解槽１内に温泉水から採った酸液５を貯留し、その中に鉄材６を浸漬し、密封する。鉄材６の存在により、酸液５のイオン化が活発になる。電気分解層１に設けられた正電極２，負電極３に直流電源４から直流電圧を印加すると、酸液５においては次のような電解反応が起きる。

酸液がＨ₂ＳＯ₄の場合： Ｈ₂ＳＯ₄＋Ｆｅ→Ｈ₂↑＋ＦｅＳＯ₄
酸液がＨＣｌの場合： ２ＨＣｌ＋Ｆｅ→Ｈ₂↑＋ＦｅＣｌ₂
酸液がＨＮＯ₃の場合： ２ＨＮＯ₃＋Ｆｅ→Ｈ₂↑＋Ｆｅ（ＮＯ₃）₂
なお、水溶液中の水の電気分解により、同時に次の電解反応も生じる。
２Ｈ₂Ｏ→２Ｈ₂↑＋Ｏ₂↑

このような電解反応により、負電極３の周囲には水素ガスが生成される。水素ガスは、空気その他のガスよりも軽いため電気分解槽１の上部に上昇し、蓋部分１ｂに溜まる。第１バルブ１２を開け、第２バルブ１３を閉めておくと、水素ガスはガス除去装置１４に送られる。ガス除去装置１４では、水素ガスに含まれる、酸液の硫酸ガス、亜硫酸ガス、塩素ガス、塩化水素ガス、硝酸ガス、炭酸ガス等の不純ガスを分離し、水素リッチなガスに改質する。ガス除去装置１４を出たガスは、多孔質セラミックフィルタ１５により水素ガスのみが透過し、水素ガス貯蔵部１６に貯められる。

なお、水素ガスがガス除去装置１４、多孔質セラミックフィルタ１５を透過する際の圧力が不足する場合は、必要に応じて圧送ポンプないし吸引ポンプを設けることができる。
このようにして、純度の高い水素ガスを水素ガス貯蔵部１６に貯めることができる。水素ガス貯蔵部１６に貯められた水素ガスは、そのまま燃料電池の原料として供給されるか、図示しないボンベに詰めて貯蔵し、他の場所に輸送して使用することができる。

また、正電極２の回りには、酸素ガスが生成し、浮上する。第３バルブ１８を開いて酸素ガスを酸素ガス収集ダクト１７に収集し、多孔質セラミックフィルタ１９で不純物ガスを分離して酸素ガスのみを通過させ、酸素ガス貯蔵部２０に貯める。

上記の実施の形態においては、水素透過膜として多孔質セラミックフィルタ１５を用いた例を示したが、高分子膜を用いることもできる。

本発明は、水素ガス自動車、燃料電池などの原料として用いられる水素ガスを高純度で安価に製造する方法および装置として利用することができる。

本発明の実施の形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 電気分解槽
１ａ 容器部分
１ｂ 蓋部分
１ｃ 隔壁
２ 正電極
３ 負電極
４ 直流電源
５ 酸液
６ 廃鉄
７ 酸液供給槽
８ ポンプ
９ 廃液槽
１０ ポンプ
１１ 水素収集ダクト
１２ 第１バルブ
１３ 第２バルブ
１４ ガス除去装置
１５ 多孔質セラミックフィルタ
１６ 水素ガス貯蔵部
１７ 酸素収集ダクト
１８ 第３バルブ
１９ 多孔質セラミックフィルタ
２０ 酸素ガス貯蔵部

Claims (7)

1. 電気分解槽内に貯留した酸液に鉄材を浸漬させるとともに電気分解により水素ガスを生成し、生成した水素ガスを水素分子が通過する程度の孔を有する高分子膜、多孔質セラミックフィルタ等の水素透過膜を通して高純度の水素ガスを得ることを特徴とする水素ガス製造方法。
2. 前記水素透過膜は、孔の径が２ｎｍ以下の細孔を有するものである請求項２記載の水素ガス製造方法。
3. 前記電気分解槽に貯留する酸液は、硫酸泉、塩酸泉、硝酸泉からの温泉水である請求項１または２に記載の水素ガス製造方法。
4. 前記鉄材は、廃鉄である請求項１から３のいずれかの項に記載の水素ガス製造方法。
5. 前記電気分解により生成した水素ガスを、一旦ガス除去装置に通して水素ガスの純度を高めた後に、前記水素透過膜を通すことを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の水素ガス製造方法。
6. 正極および負極の電極を有する電気分解槽と、この電気分解槽に酸液を供給および排出する手段と、前記電気分解槽の上部に設けられた水素分子を透過する高分子膜、多孔質セラミックフィルタ等の水素透過膜と、前記水素透過膜によって精製された水素を収集する水素貯蔵部とを備えた水素ガス製造装置。
7. 前記電解槽の上部と前記水素透過膜との間に、水素ガス以外の不純物ガスを除去するガス除去装置を備えたことを特徴とする請求項６記載の水素ガス製造装置。

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