JP2006176815A - Hydrogen pump and method for operating it - Google Patents
Hydrogen pump and method for operating it Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006176815A JP2006176815A JP2004369922A JP2004369922A JP2006176815A JP 2006176815 A JP2006176815 A JP 2006176815A JP 2004369922 A JP2004369922 A JP 2004369922A JP 2004369922 A JP2004369922 A JP 2004369922A JP 2006176815 A JP2006176815 A JP 2006176815A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hydrogen
- electrode
- cathode
- anode
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
本発明は、例えばトリチウムを含む対象ガス中のトリチウム濃度を検出するトリチウムモニターとして利用され、或いはトリチウム及び水素を回収するために用いられる水素ポンプ及びその運転方法に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen pump that is used, for example, as a tritium monitor for detecting a tritium concentration in a target gas containing tritium, or to recover tritium and hydrogen, and an operation method thereof.
核融合炉の燃料であるトリチウム(三重水素、T、3H)は放射性の水素同位体であるため、管理された環境で使用しなければならない。現在、トリチウムの濃度測定には主に液体シンチレーション法が利用されているが、測定はバッチ処理であり、作業性やリアルタイム性が良くない。そこで、プロトン導電性セラミックスの両面に白金電極を備え、水素を生成させる水素ポンプが提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。 Tritium (tritium, T, 3 H), a fuel for fusion reactors, is a radioactive hydrogen isotope and must be used in a controlled environment. At present, the liquid scintillation method is mainly used for measuring the concentration of tritium, but the measurement is batch processing, and workability and real-time performance are not good. Therefore, a hydrogen pump that has platinum electrodes on both sides of proton conductive ceramics and generates hydrogen has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
すなわち、プロトン導電性セラミックスはCaZr0.9In0.1O3-αによって有蓋筒状に形成され、その内周面及び外周面には白金の無電解メッキ法により得られるアノード電極及びカソード電極が設けられている。そして、プロトン導電性セラミックスの内側に水蒸気を供給し、800℃でアノード電極及びカソード電極間に2Vの直流電圧を印加して、水蒸気の電気分解を行う。その結果、白金メッキ電極は、従来の白金ペースト電極に比べて、電流値が32mAから112mAに増大し、水素生成速度が0.25ml/minに増大する。
ところが、上記の非特許文献1に記載された従来技術において、アノード電極及びカソード電極として用いられている無電解メッキ法による白金電極は、水素についての透過性が良いものの、水蒸気等の水素化合物についての透過性が十分ではなく、その透過速度が低いものであった。そのため、アノード電極で水蒸気の電気分解による水素イオンの生成及び透過が十分になされず、プロトン導電性セラミックスを透過する水素イオン等が少なくなって、結果としてカソード電極から生成される水素ガス等の生成が少なくなる。その理由は明確ではないが、アノード電極及びカソード電極の気孔径及び気孔率が最も影響しているものと考えられる。従って、水素ポンプにより得られる水素及び水素同位体のガスの生成量が十分ではないという問題があった。
However, in the prior art described in Non-Patent
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、アノード電極における水素化合物のガスの透過性が良く、かつカソード電極における水素及び水素同位体のガスの透過性が良く、水素及び水素同位体のガスの生成量を増大させることができる水素ポンプ及びその運転方法を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to such problems existing in the prior art. The purpose is to have good hydrogen compound gas permeability at the anode electrode and good hydrogen and hydrogen isotope gas permeability at the cathode electrode, increasing the amount of hydrogen and hydrogen isotope gas produced. It is an object of the present invention to provide a hydrogen pump and a method of operating the same.
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の発明の水素ポンプは、プロトン導電性セラミックスで形成された電解質基板の両面にアノード電極及びカソード電極を形成するとともに、アノード電極側にアノード室を設け、カソード電極側にカソード室を設け、前記アノード室に水素及び水素同位体を含む対象ガスを収容し、両電極間に直流電圧を印加することにより対象ガス中の水素及び水素同位体を含むガスをアノード電極上で分解し、生成した水素及び水素同位体のイオンが電解質基板を透過し、カソード電極上で水素及び水素同位体のガスを生成し、カソード室に収容する水素ポンプにおいて、前記アノード電極には水素化合物のガスの透過性を有する金属又は金属酸化物による電極を用い、カソード電極には水素及び水素同位体のガスの透過性を有する金属又は金属酸化物による電極を用いることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the hydrogen pump according to the first aspect of the present invention includes an anode electrode and a cathode electrode on both surfaces of an electrolyte substrate formed of proton conductive ceramics, and an anode chamber on the anode electrode side. A cathode chamber is provided on the cathode electrode side, a target gas containing hydrogen and hydrogen isotopes is accommodated in the anode chamber, and a DC voltage is applied between the electrodes to remove hydrogen and hydrogen isotopes in the target gas. In the hydrogen pump that decomposes the gas containing on the anode electrode, the generated hydrogen and hydrogen isotope ions pass through the electrolyte substrate, generates hydrogen and hydrogen isotope gas on the cathode electrode, and accommodates in the cathode chamber, A metal or metal oxide electrode having hydrogen gas permeability is used for the anode electrode, and hydrogen and hydrogen isotopes are used for the cathode electrode. And it is characterized in that using an electrode with a metal or metal oxide having a gas permeability.
請求項2に記載の発明の水素ポンプは、請求項1に係る発明において、前記アノード電極には多孔質の金属又は金属酸化物による電極を用い、カソード電極には多結晶質の金属又は金属酸化物による電極を用いることを特徴とするものである。 A hydrogen pump according to a second aspect of the present invention is the hydrogen pump according to the first aspect, wherein the anode electrode is an electrode made of a porous metal or metal oxide, and the cathode electrode is a polycrystalline metal or metal oxide. It is characterized by using an electrode made of material.
請求項3に記載の発明の水素ポンプは、請求項1又は請求項2に係る発明において、前記アノード電極はペースト焼付け法によって形成されたものであり、カソード電極は無電解メッキ法によって形成されたものである。 A hydrogen pump according to a third aspect of the present invention is the hydrogen pump according to the first or second aspect, wherein the anode electrode is formed by a paste baking method, and the cathode electrode is formed by an electroless plating method. Is.
請求項4に記載の発明の水素ポンプの運転方法は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の水素ポンプを用い、アノード電極とカソード電極との間に直流電圧を印加し、アノード室内の対象ガス中の水素及び水素同位体を含むガスをアノード電極上で分解し、生成した水素及び水素同位体のイオンが電解質基板を透過し、カソード電極上で水素及び水素同位体のガスを生成し、カソード室に収容するように運転することを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for operating the hydrogen pump, wherein the hydrogen pump according to any one of the first to third aspects is used, a DC voltage is applied between the anode electrode and the cathode electrode, The gas containing hydrogen and hydrogen isotopes in the target gas in the anode chamber is decomposed on the anode electrode, the generated hydrogen and hydrogen isotope ions pass through the electrolyte substrate, and the hydrogen and hydrogen isotope gas are formed on the cathode electrode. And is operated so as to be housed in the cathode chamber.
請求項5に記載の発明の水素ポンプの運転方法は、請求項4に係る発明において、前記運転中にカソード電極に対して酸素又は酸素を含む混合ガスを通気し、プロトン導電性セラミックスの酸化処理を行うことを特徴とするものである。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method of operating a hydrogen pump according to the fourth aspect of the present invention, wherein oxygen or a mixed gas containing oxygen is vented to the cathode electrode during the operation to oxidize the proton conductive ceramic. It is characterized by performing.
請求項6に記載の発明の水素ポンプの運転方法は、請求項5に係る発明において、前記酸化処理を、アノード電極とカソード電極との間に直流電圧が印加された状態で行うことを特徴とするものである。 A method for operating a hydrogen pump according to a sixth aspect of the invention is characterized in that, in the invention according to the fifth aspect, the oxidation treatment is performed in a state where a DC voltage is applied between an anode electrode and a cathode electrode. To do.
請求項7に記載の発明の水素ポンプの運転方法は、請求項5又は請求項6に係る発明において、前記酸素を含む混合ガスとして、アノード室に処理される対象ガスを用いることを特徴とするものである。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for operating a hydrogen pump according to the fifth or sixth aspect, wherein the target gas to be processed in the anode chamber is used as the mixed gas containing oxygen. Is.
本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項1に記載の発明の水素ポンプにおいては、アノード電極には水蒸気等の水素化合物のガスの透過性を有する金属又は金属酸化物による電極を用い、カソード電極には水素及び水素同位体のガスの透過性を有する金属又は金属酸化物による電極を用いている。アノード電極では、水素及び水素同位体はもとより水蒸気等の水素化合物を含むガスの透過性が改善されるとともに、カソード電極では水素及び水素同位体のガスの透過性が改善される。従って、カソード電極における水素及び水素同位体のガスの生成量を増大させることができる。
According to the present invention, the following effects can be exhibited.
In the hydrogen pump according to the first aspect of the present invention, a metal or metal oxide electrode having permeability of a hydrogen compound gas such as water vapor is used for the anode electrode, and hydrogen and hydrogen isotope gas are used for the cathode electrode. An electrode made of a metal or metal oxide having a transparent property is used. The permeability of the gas containing hydrogen and hydrogen isotopes as well as hydrogen compounds such as water vapor is improved at the anode electrode, and the permeability of hydrogen and hydrogen isotopes is improved at the cathode electrode. Therefore, the amount of hydrogen and hydrogen isotope gas produced at the cathode electrode can be increased.
請求項2に記載の発明の水素ポンプにおいては、アノード電極には多孔質の金属又は金属酸化物による電極を用い、カソード電極には多結晶質の金属又は金属酸化物による電極を用いている。このため、アノード電極は多孔質で気孔径が大きいため、水蒸気等の水素化合物のガスの透過性が一層改善されるとともに、カソード電極では多結晶質の材料により水素及び水素同位体のガスの透過性が一層改善される。従って、請求項1に係る発明の効果を向上させることができる。
In the hydrogen pump according to the second aspect of the invention, a porous metal or metal oxide electrode is used for the anode electrode, and a polycrystalline metal or metal oxide electrode is used for the cathode electrode. For this reason, the anode electrode is porous and has a large pore size, so that the permeability of hydrogen compound gas such as water vapor is further improved, and the cathode and the gas of hydrogen and hydrogen isotopes are permeated by the polycrystalline material. The property is further improved. Therefore, the effect of the invention according to
請求項3に記載の発明の水素ポンプにおいては、アノード電極がペースト焼付け法によって形成され、カソード電極が無電解メッキ法によって形成されたものである。このため、多孔質のアノード電極と水素及び水素同位体のガスの透過性が良いカソード電極とを容易に形成することができる。 In the hydrogen pump according to the third aspect of the present invention, the anode electrode is formed by a paste baking method, and the cathode electrode is formed by an electroless plating method. For this reason, it is possible to easily form a porous anode electrode and a cathode electrode having good permeability of hydrogen and hydrogen isotope gas.
請求項4に記載の発明の水素ポンプの運転方法においては、アノード電極とカソード電極との間に直流電圧を印加し、アノード室内の対象ガス中の水素化合物を含むガスをアノード電極上で分解し、生成した水素及び水素同位体のイオンが電解質基板を透過し、カソード電極上で水素及び水素同位体のガスを生成し、カソード室に収容するように運転する。従って、水素ポンプの運転が容易であるとともに、請求項1から請求項3のいずれかに係る発明の効果を発揮させることができる。
In the operation method of the hydrogen pump according to the fourth aspect of the present invention, a DC voltage is applied between the anode electrode and the cathode electrode, and the gas containing the hydrogen compound in the target gas in the anode chamber is decomposed on the anode electrode. The generated hydrogen and hydrogen isotope ions permeate the electrolyte substrate, generate hydrogen and hydrogen isotope gas on the cathode electrode, and operate so as to be accommodated in the cathode chamber. Therefore, the operation of the hydrogen pump is easy, and the effects of the invention according to any one of
請求項5に記載の発明の水素ポンプの運転方法においては、運転中にカソード電極に対して酸素又は酸素を含む混合ガスを例えば間欠的に通気し、プロトン導電性セラミックスの酸化処理を行う。この酸化処理により、プロトン導電性セラミックスがカソード電極から生成する水素等によって徐々に還元され、透過性能が低下するのを酸化によって回復させることができる。従って、請求項4に係る発明の効果に加え、プロトン導電性セラミックスの性能が低下することを抑制することができる。 In the operation method of the hydrogen pump of the invention described in claim 5, during the operation, for example, oxygen or a mixed gas containing oxygen is intermittently ventilated to the cathode electrode, and the proton conductive ceramic is oxidized. By this oxidation treatment, the proton conductive ceramic is gradually reduced by hydrogen or the like generated from the cathode electrode, and the reduction in permeation performance can be recovered by oxidation. Therefore, in addition to the effect of the invention according to claim 4, it is possible to suppress the performance of the proton conductive ceramic from being deteriorated.
請求項6に記載の発明の水素ポンプの運転方法では、上記の酸化処理を、アノード電極とカソード電極との間に直流電圧が印加された状態で行う。このため、請求項5に係る発明の効果に加えて、プロトン導電性セラミックス内への酸素イオンの浸透を促進させることができ、酸化処理を速やかに行うことができるとともに、水素ポンプの特性を変えることなく、安定した状態で水素ポンプを運転することができる。 In the operation method of the hydrogen pump according to the sixth aspect of the invention, the oxidation treatment is performed in a state where a DC voltage is applied between the anode electrode and the cathode electrode. For this reason, in addition to the effect of the invention according to claim 5, the penetration of oxygen ions into the proton conductive ceramics can be promoted, the oxidation treatment can be performed quickly, and the characteristics of the hydrogen pump are changed. The hydrogen pump can be operated in a stable state.
請求項7に記載の発明の水素ポンプの運転方法では、前記酸素を含む混合ガスとして、アノード室に収容される対象ガスを用いる。この場合、酸素を含む混合ガスをアノード室に供給される対象ガスと兼用することができ、請求項5又は請求項6に係る発明の効果に加え、水素ポンプの運転を効率良く行うことができる。 In the operation method of the hydrogen pump according to the seventh aspect of the present invention, the target gas accommodated in the anode chamber is used as the mixed gas containing oxygen. In this case, the mixed gas containing oxygen can also be used as the target gas supplied to the anode chamber, and in addition to the effect of the invention according to claim 5 or 6, the operation of the hydrogen pump can be performed efficiently. .
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は本実施形態における水素ポンプ10を示す概略説明図である。この図に示すように、水素ポンプ本体11内の中央位置には、アノード室12とカソード室13にほぼ2等分して区画するようにプロトン導電性セラミックスよりなる電解質基板14が固定されている。電解質基板14を構成するプロトン導電性セラミックスとしては、CaZrO系酸化物(例えばCaZr0.9In0.1O3)等が用いられる。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing a
電解質基板14の一方の面(アノード室12側の面)にはアノード電極15が設けられ、他方の面(カソード室13側の面)にはカソード電極16が設けられている。アノード電極15は水蒸気等の水素化合物のガスの透過性を有する金属又は金属酸化物による電極で構成され、好ましくは多孔質の金属又は金属酸化物による電極で構成されている。一方、カソード電極16は水素及び水素同位体のガスを透過する金属又は金属酸化物による電極で構成され、好ましくは多結晶質の金属又は金属酸化物による電極で構成されている。ここで多結晶質とは、大きさや方位の異なる微少な結晶粒子が固着して集合している固体を指す。アノード電極15及びカソード電極16を構成する金属としては白金、金、銀等が用いられる。また、アノード電極15及びカソード電極16を構成する金属酸化物としては酸化白金、酸化金、酸化銀等が用いられる。アノード電極15はペースト焼付け法によって形成することが好ましく、カソード電極16は無電解メッキ法によって形成することが好ましい。ペースト焼付け法は、金属又は金属酸化物のペーストを電解質基板14上に所定厚みで塗布形成した後、焼付けることによって行われる。このようなペースト焼付け法により形成されるアノード電極15の細孔径は1〜10μmであり、無電解メッキ法によって形成されるカソード電極16の細孔径は100nm以上で1μm未満である。
An
前記アノード室12には対象ガス導入配管17が接続され、その対象ガス導入配管17に設けられた導入用ポンプ18によって対象ガスがアノード室12に供給されるようになっている。対象ガスは、水素(H)及びジュウテリウム(重水素、D、2H)又はトリチウム(三重水素、T、3H)よりなる水素同位体を含むガスである。この対象ガスには、水蒸気(軽水、1H及び16Oからなる水の蒸気)のほか、重水、トリチウム水及びそれらの混合物のガスが含まれる。ここで、水素化合物は軽水、重水、トリチウム水等である。本明細書では、水素及び水素同位体のガスとは、H2、D2、HD、HT等のガスを意味し、水素及び水素同位体を含むガスとは、水蒸気やメタンガス等の水素化合物のガスを意味する。
A target
アノード室12にはさらに導出配管19が接続され、アノード室12内の窒素ガス、酸素ガス等を排出するようになっている。対象ガス導入配管17の途中には、対象ガスをカソード室13へ供給するための第1接続配管20の一端が連結され、その他端がカソード室13に連結されている。この第1接続配管20の一端側には第1開閉バルブ20aが設けられている。また、上記導出配管19の途中には、アノード室12内の対象ガスをカソード室13に導入するための第2接続配管21の一端が連結され、その他端がカソード室13に連結されている。この第2接続配管21の一端側には第2開閉バルブ21aが設けられている。なお、第1接続配管20と第2接続配管21とはどちらかが設置されれば十分である。
A lead-out
アノード電極15には直流電源22のプラス側が接続され、カソード電極16には直流電源22のマイナス側が接続され、アノード電極15とカソード電極16との間に好ましくは0.1〜5Vの直流電圧を印加するようになっている。また、水素ポンプ本体11内は図示しない加熱装置によって好ましくは200〜1500℃、さらに好ましくは300〜1000℃の高温に加熱されるように構成されている。そして、加熱状態で、アノード電極15及びカソード電極16間に直流電圧を印加することにより、アノード電極15上で水蒸気等の電気分解が行われて水素イオン等が生成され、カソード電極16上で水素イオン等から水素ガス等が生成されるようになっている。
A positive side of the
カソード室13には循環配管23の一端及び他端が接続されるとともに、循環配管23の中間部にはトリチウムモニター24が接続されて循環配管23を流れるガス中のトリチウム濃度を放射線モニターで測定するようになっている。循環配管23の一端及び他端には第1調整バルブ23a及び第2調整バルブ23bが接続されるとともに、一端側には循環用ポンプ25が設けられている。また、カソード室13には、一端がキャリアガスボンベ26に接続され、中間部にバルブ27が設けられたキャリアガス供給用配管28の他端が接続されている。そして、キャリアガスボンベ26からアルゴン(Ar)、窒素(N2)等のキャリアガスがキャリアガス供給用配管28からカソード室13へ供給されるようになっている。さらに、カソード室13には第1排気用配管29の一端が接続され、その他端は第1排気用バルブ30及び排気用ポンプ31を介して外部へ開放されている。その第1排気用配管29の一端と第1排気用バルブ30との間には、第2排気用バルブ32を備えた第2排気用配管33が接続されている。
One end and the other end of the
そして、アノード室12に収容された水素及び水素同位体を含む対象ガスが、加熱状態にて直流電圧によりアノード電極15上でイオン化され、そのイオンがプロトン導電性セラミックスよりなる電解質基板14中を透過し、カソード電極16上で水素及び水素同位体のガスが生成され、カソード室13に収容されるようになっている。
Then, the target gas containing hydrogen and a hydrogen isotope contained in the
次に、上記のように構成された水素ポンプ10の運転方法について説明する。
まず、導入用ポンプ18を作動させ、対象ガス導入配管17から対象ガスをアノード室12内に導入する。その状態で直流電源22によりアノード電極15とカソード電極16との間に例えば2Vの電圧を印加するとともに、例えば650℃に加熱する。これにより、アノード室12内の対象ガス中に含まれる水蒸気及び水素、水素同位体等のガスが、アノード電極15上で分解され、水素イオン、トリチウムイオン等の水素及び水素同位体のイオンにイオン化される。例えば、アノード電極15上で、水蒸気が下記の反応式(1)に基づいて水素イオンと酸素ガスに分解される。
Next, an operation method of the
First, the
2H2O → 4H+ +4e- + O2 ・・・(1)
生成した水素イオン、トリチウムイオン等の水素及び水素同位体のイオンが電解質基板14を構成するプロトン導電性セラミックス中を透過する。プロトン導電性セラミックス中を透過した水素イオン、トリチウムイオン等はカソード電極16上で水素ガス、トリチウムガス等の水素及び水素同位体のガスとなって生成され、カソード室13に収容される。例えば、カソード電極16上で水素イオンが下記の反応式(2)に基づいて水素となって生成される。
2H 2 O → 4H + + 4e − + O 2 (1)
Hydrogen and hydrogen isotope ions such as generated hydrogen ions and tritium ions permeate through proton conductive ceramics constituting the
2H+ + 2e- → H2 ・・・(2)
この際、キャリアガス供給用配管28からキャリアガスがカソード室13内に予め供給、充填されている。そして、循環配管23の第1調整バルブ23a及び第2調整バルブ23bが開かれ、循環用ポンプ25が作動されることにより、カソード室13中の水素ガス、トリチウムガス等のガスがトリチウムモニター24に流れ、そこで検出される。
2H + + 2e − → H 2 (2)
At this time, the carrier gas is supplied and filled in the
このように水素ポンプ10の運転を続けると、カソード室13で生成される水素等の還元ガスにより電解質基板14を形成するプロトン導電性セラミックスが還元され、その性能が低下する。これを抑制するために、カソード電極16に対して酸素又は酸素を含む混合ガスを通気し、プロトン導電性セラミックスの酸化処理運転を行う。この酸化処理運転は、プロトン導電性セラミックス内への酸素イオンの浸透を促進させるために、アノード電極15とカソード電極16との間に直流電圧が印加された状態で行うことが好ましい。また、前記酸素を含む混合ガスとして、アノード室12へ導入される対象ガスを兼用することが好ましい。酸化処理運転の後には、第1排気用配管29又は第2排気用配管33からカソード室13中の酸素ガス等のガスの排気、すなわち酸素置換運転を行う。
If the operation of the
水素ポンプ10の典型的な運転方法を図2に示す。すなわち、定常運転中において、一定の運転時間毎に短時間酸化処理運転を行い、次いで酸素置換運転を行う。その後、定常運転に戻す。これを繰り返して行い、水素ポンプ10の運転が継続される。図3に示すように、定常運転では電解質基板14を構成するプロトン導電性セラミックスを透過する水素イオン透過速度は徐々に低下し、酸化処理運転を行うとその水素イオン透過速度は回復を示し、それが繰り返される。図4に示すように、酸化処理時間と酸化処理効果との関係については、プロトン導電性セラミックスとしてCaZr0.9In0.1O3を用い、650℃で、アノード電極15及びカソード電極16間に2Vの直流電圧を印加した場合、酸化処理時間が1〜5分で酸化処理効果がほぼ十分なレベルに達することがわかる。
A typical operation method of the
さて、水素ポンプ10を運転する場合には、水蒸気、水素ガス、トリチウムガス等の対象ガスが対象ガス導入配管17からアノード室12に導入された状態で、加熱されるとともに、アノード電極15とカソード電極16との間に直流電源から一定の直流電圧が印加される。アノード電極15上では水蒸気が分解されて水素イオンが生成し、トリチウムがイオン化されてトリチウムイオンが生成する。このとき、アノード電極15はペースト焼付け法によって形成された多孔質のもので気孔径が大きいため、水素ガス及び水素同位体のガスは勿論、水蒸気等の水素化合物のガスについても透過性が良い。従って、アノード電極15上で水素イオン、トリチウムイオン等を十分に生成させることができる。生成した水素イオン、トリチウムイオン等は、電解質基板14のプロトン導電性セラミックスを透過することができる。
When the
プロトン導電性セラミックスを透過した水素イオン、トリチウムイオン等は、カソード電極16上において、水素ガス、トリチウムガス等の水素及び水素同位体のガスに変換される。このとき、カソード電極16は無電解メッキ法によって形成され、水素及び水素同位体のガスの透過性が良いため、カソード電極16上で水素ガス、トリチウムガス等を十分に生成させることができる。生成した水素ガス、トリチウムガス等は、カソード室13に収容される。カソード電極16が水素及び水素同位体のガスの透過性に優れているのは、水素イオンが電子と結合して水素原子に変換される効率が高く、また多結晶中に存在するミクロポアーが水素及び水素同位体のガスの透過には適しているためと推測される。そして、生成されたカソード室13内のトリチウムガス等は、循環配管23により循環されてトリチウムモニター24で検出される。
Hydrogen ions, tritium ions, and the like that have passed through the proton conductive ceramics are converted to hydrogen and hydrogen isotope gases such as hydrogen gas and tritium gas on the
ちなみに、図5に示すように、本実施形態の水素ポンプ10のようにアノード電極15として白金ペースト電極、カソード電極16として白金メッキ電極を用いた場合と従来の電極とについて、カソード電極16を透過する水素透過速度を測定した。従来の電極としては、アノード電極及びカソード電極としてともに白金ペースト電極を用いた電極と、アノード電極及びカソード電極としてともに白金メッキ電極を用いた電極とを使用した。その結果、本実施形態の電極の場合には、従来の電極の場合に比べて3.2倍の水素透過速度を示した。
Incidentally, as shown in FIG. 5, when the platinum paste electrode is used as the
さらに、本実施形態の電極と従来の電極とについて、アノード室12内の対象ガスとして1.2体積%の水蒸気、19.5体積%の酸素及びアルゴンを含むガスを用い、650℃で、アノード電極15及びカソード電極16間に2Vの直流電圧を印加した場合の電流値(mA)とカソード電極からの水素生成速度との関係を測定し、図6に示した。従来の電極としては、アノード電極、カソード電極ともに白金ペースト電極を用いたものである。その結果、本実施形態のアノード電極15及びカソード電極16を用いた場合(図中□印)には、電圧2Vで電流値が110(mA)、水素生成速度が0.43(ml/min)であった。一方、従来のアノード電極及びカソード電極を用いた場合(図中○印)には、電圧2Vで電流値が30(mA)、水素生成速度が0.14(ml/min)にすぎなかった。なお、図中の二点鎖線は本実施形態の電極を用いた場合の理論値である。
Further, with respect to the electrode of this embodiment and the conventional electrode, a gas containing 1.2% by volume of water vapor, 19.5% by volume of oxygen and argon was used as the target gas in the
以上詳述した本実施形態により発揮される効果を以下にまとめて記載する。
・ 本実施形態の水素ポンプ10においては、アノード電極15には水蒸気等の水素化合物のガスの透過性を有する金属又は金属酸化物による電極を用い、カソード電極16には水素及び水素同位体のガスの透過性を有する金属又は金属酸化物による電極を用いている。このため、アノード電極15では、水素及び水素同位体はもとより水蒸気等の水素化合物のガスの透過性が改善され、カソード電極16では水素及び水素同位体のガスの透過性が改善される。従って、カソード電極16における水素及び水素同位体のガスの生成量を増大させることができる。
The effects exhibited by the embodiment described in detail above will be collectively described below.
In the
・ また、アノード電極15には多孔質の金属又は金属酸化物による電極を用い、カソード電極16には多結晶質の金属又は金属酸化物による電極を用いている。従って、アノード電極15は多孔質で気孔径が大きいことから、水蒸気等の水素化合物のガスの透過性を一層改善させることができ、カソード電極16では緻密な多結晶質の材料により水素及び水素同位体のイオンから水素及び水素同位体のガスが効率良く生成するとともに、生成したガスの透過性が一層改善される。
In addition, an electrode made of a porous metal or metal oxide is used for the
・ 上記アノード電極15はペースト焼付け法によって形成され、カソード電極16は無電解メッキ法によって形成されている。このため、多孔質のアノード電極15と、水素及び水素同位体のガスの透過性が良いカソード電極16とを容易に構成することができる。
The
・ 水素ポンプ10の運転方法においては、アノード室12内の対象ガス中の水素及び水素同位体のガスを直流電圧が印加されたアノード電極15上で分解し、生成した水素及び水素同位体のイオンが電解質基板14を透過し、カソード電極16上で水素及び水素同位体のガスが生成されるように運転する。このように、水素ポンプの運転が容易であるとともに、水素及び水素同位体のガスの生成量を増大させることができる。
In the operation method of the
・ 水素ポンプ10を運転する際、カソード電極16に対して酸素又は酸素を含む混合ガスを通気し、プロトン導電性セラミックスの酸化処理を行う。この酸化処理により、プロトン導電性セラミックスがカソード電極16から生成する水素等によって還元されるのを酸化によって回復させることができる。従って、プロトン導電性セラミックスの性能が低下することを抑制することができ、前記水素ポンプ10の効果を長期間安定して発揮させることができるとともに、プロトン導電性セラミックスの性能が低下することを抑制することができる。
When operating the
・ 上記の酸化処理を、アノード電極15とカソード電極16との間に直流電圧が印加された状態で行うことにより、プロトン導電性セラミックス内への酸素イオンの浸透を促進させることができ、酸化処理を速やかに行うことができる。しかも、水素ポンプ10の特性を変えることなく、安定した状態で水素ポンプ10を運転することができる。
-By performing the above oxidation treatment in a state in which a DC voltage is applied between the
・ さらに、前記酸素を含む混合ガスとして、アノード室12に収容される対象ガスを用いることにより、酸素を含む混合ガスをアノード電極15に接触する対象ガスと兼用することができ、水素ポンプ10の運転を効率良く行うことができる。
Furthermore, by using the target gas stored in the
尚、前記各実施形態を次のように変更して実施することも可能である。
・ 水素ポンプ10の構造として、電解質基板14を逆U字状に形成し、その内周面にアノード電極15を設け、外周面にカソード電極16を設け、電解質基板14の内側空間をアノード室12とし、外側空間をカソード室13とするように構成することもできる。
It should be noted that the embodiments described above can be modified as follows.
As the structure of the
・ カソード室13に酸素又は酸素を含む混合ガスを通気するための配管を接続し、カソード室13内に酸素又は酸素を含む混合ガスを直接供給するように構成することもできる。
A pipe for ventilating oxygen or a mixed gas containing oxygen may be connected to the
・ 水素ポンプ10の運転における酸化処理を、アノード電極15及びカソード電極16間に直流電圧を印加しない状態で行うことも可能である。
・ 多孔質のアノード電極15を、金属又は金属酸化物と有機物との混合物を焼成し、多孔質化して形成することもできる。
The oxidation treatment in the operation of the
The
次に、前記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
・ 前記酸化処理を行った後に、カソード室内から酸素を排気するように運転することを特徴とする請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の水素ポンプの運転方法。この運転方法によれば、カソード電極での水素等の生成を速やかに回復させることができる。
Next, the technical idea that can be grasped from the embodiment will be described below.
The operation method of the hydrogen pump according to any one of claims 5 to 7, wherein the operation is performed so that oxygen is exhausted from the cathode chamber after the oxidation treatment. According to this operation method, the production of hydrogen or the like at the cathode electrode can be quickly recovered.
・ 前記酸化処理を一定時間毎に繰り返して行うことを特徴とする請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の水素ポンプの運転方法。この運転方法によれば、プロトン導電性セラミックスを透過する水素イオンの透過速度を維持しつつ、運転を継続することができる。 The method for operating a hydrogen pump according to any one of claims 5 to 7, wherein the oxidation treatment is repeated at regular intervals. According to this operation method, the operation can be continued while maintaining the permeation rate of hydrogen ions that permeate the proton conductive ceramics.
10…水素ポンプ、12…アノード室、13…カソード室、14…電解質基板、15…アノード電極、16…カソード電極。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記アノード電極には水素化合物のガスの透過性を有する金属又は金属酸化物による電極を用い、カソード電極には水素及び水素同位体のガスの透過性を有する金属又は金属酸化物による電極を用いることを特徴とする水素ポンプ。 An anode electrode and a cathode electrode are formed on both surfaces of an electrolyte substrate made of proton conductive ceramics, an anode chamber is provided on the anode electrode side, a cathode chamber is provided on the cathode electrode side, and hydrogen and hydrogen isotopes are provided in the anode chamber. Gas containing hydrogen and hydrogen isotopes is decomposed on the anode electrode by applying a DC voltage between both electrodes, and the generated hydrogen and hydrogen isotope ions are electrolytes. In a hydrogen pump that passes through the substrate, generates hydrogen and hydrogen isotope gas on the cathode electrode, and accommodates them in the cathode chamber,
A metal or metal oxide electrode having hydrogen gas permeability is used for the anode electrode, and a metal or metal oxide electrode having hydrogen and hydrogen isotope gas permeability is used for the cathode electrode. A hydrogen pump characterized by
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004369922A JP4436751B2 (en) | 2004-12-21 | 2004-12-21 | How to operate the hydrogen pump |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004369922A JP4436751B2 (en) | 2004-12-21 | 2004-12-21 | How to operate the hydrogen pump |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006176815A true JP2006176815A (en) | 2006-07-06 |
JP4436751B2 JP4436751B2 (en) | 2010-03-24 |
Family
ID=36731184
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004369922A Active JP4436751B2 (en) | 2004-12-21 | 2004-12-21 | How to operate the hydrogen pump |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4436751B2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009263708A (en) * | 2008-04-23 | 2009-11-12 | Tokyo Yogyo Co Ltd | Hydrogen separation method in gaseous phase and hydrogen separation apparatus in gaseous phase |
JP2012522899A (en) * | 2009-04-06 | 2012-09-27 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア | Method for converting natural gas to an aromatic compound by electrochemically removing hydrogen |
JP2018139183A (en) * | 2017-02-24 | 2018-09-06 | 住友電気工業株式会社 | Solid electrolytic member, solid oxide type fuel cell, water electrolysis device, hydrogen pump and method for manufacturing solid electrolytic member |
JP2018139182A (en) * | 2017-02-24 | 2018-09-06 | 住友電気工業株式会社 | Solid electrolytic member, solid oxide type fuel cell, water electrolysis device, hydrogen pump and method for manufacturing solid electrolytic member |
-
2004
- 2004-12-21 JP JP2004369922A patent/JP4436751B2/en active Active
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009263708A (en) * | 2008-04-23 | 2009-11-12 | Tokyo Yogyo Co Ltd | Hydrogen separation method in gaseous phase and hydrogen separation apparatus in gaseous phase |
JP2012522899A (en) * | 2009-04-06 | 2012-09-27 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア | Method for converting natural gas to an aromatic compound by electrochemically removing hydrogen |
JP2018139183A (en) * | 2017-02-24 | 2018-09-06 | 住友電気工業株式会社 | Solid electrolytic member, solid oxide type fuel cell, water electrolysis device, hydrogen pump and method for manufacturing solid electrolytic member |
JP2018139182A (en) * | 2017-02-24 | 2018-09-06 | 住友電気工業株式会社 | Solid electrolytic member, solid oxide type fuel cell, water electrolysis device, hydrogen pump and method for manufacturing solid electrolytic member |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4436751B2 (en) | 2010-03-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2014532119A (en) | Method for generating hydrogen and oxygen by electrolysis of water vapor | |
JP2009007655A (en) | Ozone generating method | |
JP6221067B2 (en) | Formic acid production apparatus and method | |
JP6931769B2 (en) | Electrolyzers and methods that electrochemically reduce carbon dioxide to produce ethylene | |
JP3708924B2 (en) | Chemical hydrogen production method using both heat and electricity | |
EP1609886B1 (en) | Process for the production of hydrogen | |
JP4436751B2 (en) | How to operate the hydrogen pump | |
JP2015226903A (en) | Method and apparatus for decomposing nitrogen oxide | |
Tanaka et al. | Hydrogen extraction using one-end closed tube made of CaZrO3-based proton-conducting ceramic for tritium recovery system | |
Zhang et al. | A carbon-efficient bicarbonate electrolyzer | |
KR101900752B1 (en) | Device and method for treating indoor carbon dioxide | |
GB959846A (en) | An electrolytic process for producing halogen gases and the apparatus therefor | |
JP2009263708A (en) | Hydrogen separation method in gaseous phase and hydrogen separation apparatus in gaseous phase | |
JP4671398B2 (en) | Water decomposition method and apparatus, and water decomposition catalyst | |
JP3901139B2 (en) | Solid electrolyte type hydrogen treatment system | |
He et al. | High temperature oxygen separation for the sulphur family of thermochemical cycles–Part II: Sulphur poisoning and membrane performance recovery | |
CN109371415A (en) | A kind of ozone production method | |
JPH032236B2 (en) | ||
JP2017087087A (en) | Hydrogen water production apparatus | |
US20070080058A1 (en) | Electrode for electrochemical cell and electrochemical cell | |
JP2009174018A (en) | Hydrogen production device | |
JP4677614B2 (en) | Sulfuric acid electrolysis hydrogen production method and apparatus | |
JP7164882B2 (en) | Method for producing water or aqueous solution enriched with hydrogen isotope, method and apparatus for producing hydrogen gas with reduced hydrogen isotope concentration | |
Tanaka et al. | Effect of plated platinum electrode on hydrogen extraction performance using CaZrO3-based proton-conducting ceramic for tritium recovery system | |
Dalbeck et al. | TDS study of the anodic layer on emersed polycrystalline platinum |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20061012 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20081001 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090915 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20091023 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20091201 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20091228 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4436751 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130108 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160108 Year of fee payment: 6 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |