JP2006176815A - Hydrogen pump and method for operating it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen pump which provides adequate permeability to gases of hydrides such as water vapor generated at an anode, provides the adequate permeability to gases of hydrogen and an hydrogen isotope generated at a cathode, and thus can increase the amount of the generated gases of hydrogen and the hydrogen isotope, and to provide a method for operating it. <P>SOLUTION: The hydrogen pump 10 comprises: an electrolyte substrate 14 formed of a proton-conducting ceramic; the anode 15 and the cathode 16 formed on both sides of the electrolyte substrate 14; and an anode chamber 12 arranged in an anode 15 side and a cathode chamber 13 arranged in a cathode 16 side. The operation method comprises: storing objective gases such as hydrogen and water vapor in the anode chamber 12; and applying direct voltage between the anode 15 and the cathode 16 while heating the gases to form hydrogen gas and the like in the cathode chamber 13. A porous platinum paste electrode is used for the anode 15 and a platinum-plated electrode of permeating the gases of hydrogen and the hydrogen isotope is used for the cathode 16. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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CaZr0.9In0.13-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。
Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY, Vol.41,No.1,p.95-97(January 2004)
That is, the proton conductive ceramic is formed in a covered cylinder shape with CaZr 0.9 In 0.1 O 3 -α, and the anode and cathode electrodes obtained by the electroless plating method of platinum are provided on the inner and outer peripheral surfaces thereof. Yes. Then, water vapor is supplied to the inside of the proton conductive ceramics, and a direct current voltage of 2 V is applied between the anode electrode and the cathode electrode at 800 ° C. to electrolyze the water vapor. As a result, the platinum-plated electrode has a current value increased from 32 mA to 112 mA and a hydrogen production rate increased to 0.25 ml / min compared to the conventional platinum paste electrode.
Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY, Vol.41, No.1, p.95-97 (January 2004)

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 Document 1 described above, the platinum electrode by the electroless plating method used as the anode electrode and the cathode electrode has good hydrogen permeability, but it is about hydrogen compounds such as water vapor. The permeability was not sufficient and the permeation rate was low. Therefore, generation and permeation of hydrogen ions by electrolysis of water vapor are not sufficiently performed at the anode electrode, and hydrogen ions that permeate the proton conductive ceramics are reduced, resulting in generation of hydrogen gas and the like generated from the cathode electrode. Less. Although the reason is not clear, it is considered that the pore diameter and porosity of the anode electrode and the cathode electrode have the most influence. Accordingly, there is a problem that the amount of hydrogen and hydrogen isotope gas produced by the hydrogen pump is not sufficient.

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 claim 1 can be improved.

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 claims 1 to 3 can be exhibited.

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CaZr0.9In0.13)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 hydrogen pump 10 in the present embodiment. As shown in this figure, an electrolyte substrate 14 made of proton conductive ceramics is fixed at a central position in the hydrogen pump main body 11 so as to be divided into two substantially equally divided into an anode chamber 12 and a cathode chamber 13. . As the proton conductive ceramic constituting the electrolyte substrate 14, a CaZrO-based oxide (for example, CaZr 0.9 In 0.1 O 3 ) or the like is used.

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 anode electrode 15 is provided on one surface (surface on the anode chamber 12 side) of the electrolyte substrate 14, and a cathode electrode 16 is provided on the other surface (surface on the cathode chamber 13 side). The anode electrode 15 is composed of an electrode made of a metal or metal oxide having permeability of a hydrogen compound gas such as water vapor, and is preferably composed of an electrode made of a porous metal or metal oxide. On the other hand, the cathode electrode 16 is made of an electrode made of a metal or metal oxide that transmits hydrogen and a hydrogen isotope gas, and preferably made of an electrode made of polycrystalline metal or metal oxide. Here, the term “polycrystalline” refers to a solid in which minute crystal grains having different sizes and orientations are fixed and assembled. Platinum, gold, silver or the like is used as a metal constituting the anode electrode 15 and the cathode electrode 16. Further, platinum oxide, gold oxide, silver oxide or the like is used as the metal oxide constituting the anode electrode 15 and the cathode electrode 16. The anode electrode 15 is preferably formed by a paste baking method, and the cathode electrode 16 is preferably formed by an electroless plating method. The paste baking method is performed by applying a metal or metal oxide paste on the electrolyte substrate 14 to a predetermined thickness and then baking it. The pore diameter of the anode electrode 15 formed by the paste baking method is 1 to 10 μm, and the pore diameter of the cathode electrode 16 formed by the electroless plating method is 100 nm or more and less than 1 μm.

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 gas introduction pipe 17 is connected to the anode chamber 12, and the target gas is supplied to the anode chamber 12 by an introduction pump 18 provided in the target gas introduction pipe 17. The target gas is a gas containing a hydrogen isotope composed of hydrogen (H) and deuterium (deuterium, D, 2 H) or tritium (tritium, T, 3 H). The target gas includes water vapor (light water, water vapor composed of 1 H and 16 O), as well as heavy water, tritium water, and mixtures thereof. Here, the hydrogen compound is light water, heavy water, tritium water or the like. In this specification, hydrogen and a hydrogen isotope gas mean a gas such as H 2 , D 2 , HD, and HT, and a gas containing hydrogen and a hydrogen isotope means a hydrogen compound such as water vapor or methane gas. Means gas.

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 pipe 19 is further connected to the anode chamber 12 so as to discharge nitrogen gas, oxygen gas and the like in the anode chamber 12. In the middle of the target gas introduction pipe 17, one end of a first connection pipe 20 for supplying the target gas to the cathode chamber 13 is connected, and the other end is connected to the cathode chamber 13. A first opening / closing valve 20 a is provided on one end side of the first connection pipe 20. One end of the second connection pipe 21 for introducing the target gas in the anode chamber 12 into the cathode chamber 13 is connected to the middle of the outlet pipe 19, and the other end is connected to the cathode chamber 13. A second opening / closing valve 21 a is provided on one end side of the second connection pipe 21. In addition, it is enough if either the 1st connection piping 20 or the 2nd connection piping 21 is installed.

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 DC power source 22 is connected to the anode electrode 15, and a negative side of the DC power source 22 is connected to the cathode electrode 16. A DC voltage of preferably 0.1 to 5 V is preferably applied between the anode electrode 15 and the cathode electrode 16. It is designed to be applied. Further, the inside of the hydrogen pump body 11 is configured to be heated to a high temperature of preferably 200 to 1500 ° C., more preferably 300 to 1000 ° C., by a heating device (not shown). Then, by applying a DC voltage between the anode electrode 15 and the cathode electrode 16 in a heated state, electrolysis of water vapor or the like is performed on the anode electrode 15 to generate hydrogen ions or the like, and hydrogen ions are generated on the cathode electrode 16. Hydrogen gas or the like is generated from ions or the like.

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 circulation pipe 23 are connected to the cathode chamber 13, and a tritium monitor 24 is connected to an intermediate portion of the circulation pipe 23 to measure the tritium concentration in the gas flowing through the circulation pipe 23 with a radiation monitor. It is like that. A first adjustment valve 23a and a second adjustment valve 23b are connected to one end and the other end of the circulation pipe 23, and a circulation pump 25 is provided on one end side. In addition, one end of the cathode chamber 13 is connected to a carrier gas cylinder 26 and the other end of a carrier gas supply pipe 28 provided with a valve 27 in the middle is connected. A carrier gas such as argon (Ar) or nitrogen (N 2 ) is supplied from the carrier gas cylinder 26 to the cathode chamber 13 from the carrier gas supply pipe 28. Further, one end of a first exhaust pipe 29 is connected to the cathode chamber 13, and the other end is opened to the outside through a first exhaust valve 30 and an exhaust pump 31. A second exhaust pipe 33 including a second exhaust valve 32 is connected between one end of the first exhaust pipe 29 and the first exhaust valve 30.

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 anode chamber 12 is ionized on the anode electrode 15 by a DC voltage in a heated state, and the ions pass through the electrolyte substrate 14 made of proton conductive ceramics. Then, hydrogen and hydrogen isotope gas are generated on the cathode electrode 16 and accommodated in the cathode chamber 13.

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 hydrogen pump 10 configured as described above will be described.
First, the introduction pump 18 is operated to introduce the target gas into the anode chamber 12 from the target gas introduction pipe 17. In this state, a voltage of 2 V, for example, is applied between the anode electrode 15 and the cathode electrode 16 by the DC power source 22 and heated to 650 ° C., for example. As a result, water vapor, hydrogen, hydrogen isotope, and other gases contained in the target gas in the anode chamber 12 are decomposed on the anode electrode 15 and ionized into hydrogen and hydrogen isotope ions, such as hydrogen ions and tritium ions. Is done. For example, on the anode electrode 15, water vapor is decomposed into hydrogen ions and oxygen gas based on the following reaction formula (1).

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 electrolyte substrate 14. Hydrogen ions, tritium ions, and the like that have permeated through the proton conductive ceramics are generated as hydrogen and hydrogen isotope gases such as hydrogen gas and tritium gas on the cathode electrode 16 and are stored in the cathode chamber 13. For example, hydrogen ions are generated on the cathode electrode 16 as hydrogen based on the following reaction formula (2).

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 cathode chamber 13 from the carrier gas supply pipe 28 in advance. Then, the first adjustment valve 23 a and the second adjustment valve 23 b of the circulation pipe 23 are opened and the circulation pump 25 is operated, so that gas such as hydrogen gas and tritium gas in the cathode chamber 13 is supplied to the tritium monitor 24. The flow is detected there.

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 hydrogen pump 10 is continued in this manner, the proton conductive ceramics forming the electrolyte substrate 14 are reduced by the reducing gas such as hydrogen generated in the cathode chamber 13, and the performance is degraded. In order to suppress this, oxygen or a mixed gas containing oxygen is passed through the cathode electrode 16 to perform an oxidation treatment operation of the proton conductive ceramic. This oxidation treatment operation is preferably performed in a state where a DC voltage is applied between the anode electrode 15 and the cathode electrode 16 in order to promote the penetration of oxygen ions into the proton conductive ceramic. Moreover, it is preferable that the target gas introduced into the anode chamber 12 is also used as the mixed gas containing oxygen. After the oxidation treatment operation, gas such as oxygen gas in the cathode chamber 13 is exhausted from the first exhaust pipe 29 or the second exhaust pipe 33, that is, an oxygen replacement operation is performed.

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CaZr0.9In0.13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 hydrogen pump 10 is shown in FIG. That is, during a steady operation, an oxidation treatment operation is performed for a short time every fixed operation time, and then an oxygen replacement operation is performed. Then, return to steady operation. This is repeated and the operation of the hydrogen pump 10 is continued. As shown in FIG. 3, in the steady operation, the hydrogen ion permeation rate permeating through the proton conductive ceramics constituting the electrolyte substrate 14 gradually decreases, and when the oxidation treatment operation is performed, the hydrogen ion permeation rate shows a recovery. Is repeated. As shown in FIG. 4, regarding the relationship between the oxidation treatment time and the oxidation treatment effect, CaZr 0.9 In 0.1 O 3 was used as proton conductive ceramics, and a direct current of 2 V was applied between the anode electrode 15 and the cathode electrode 16 at 650 ° C. It can be seen that when a voltage is applied, the oxidation treatment effect reaches a substantially sufficient level in 1 to 5 minutes.

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 hydrogen pump 10 is operated, the target gas such as water vapor, hydrogen gas, or tritium gas is heated while being introduced into the anode chamber 12 from the target gas introduction pipe 17, and the anode electrode 15 and the cathode A constant DC voltage is applied between the electrode 16 and a DC power source. Water vapor is decomposed on the anode electrode 15 to generate hydrogen ions, and tritium is ionized to generate tritium ions. At this time, since the anode electrode 15 is a porous material formed by a paste baking method and has a large pore diameter, it has good permeability not only for hydrogen gas and hydrogen isotope gas but also for hydrogen compound gas such as water vapor. Accordingly, hydrogen ions, tritium ions and the like can be sufficiently generated on the anode electrode 15. The generated hydrogen ions, tritium ions, and the like can permeate the proton conductive ceramics of the electrolyte substrate 14.

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 cathode electrode 16. At this time, since the cathode electrode 16 is formed by an electroless plating method and has good permeability to hydrogen and hydrogen isotopes, hydrogen gas, tritium gas, and the like can be sufficiently generated on the cathode electrode 16. The generated hydrogen gas, tritium gas and the like are accommodated in the cathode chamber 13. The cathode electrode 16 is excellent in hydrogen and hydrogen isotope gas permeability because hydrogen ions are combined with electrons and converted into hydrogen atoms, and the micropores present in the polycrystal are hydrogen and It is presumed that the hydrogen isotope is suitable for gas permeation. The generated tritium gas or the like in the cathode chamber 13 is circulated through the circulation pipe 23 and detected by the tritium monitor 24.

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 anode electrode 15 and the platinum plating electrode is used as the cathode electrode 16 as in the hydrogen pump 10 of the present embodiment, the conventional electrode is transmitted through the cathode electrode 16. The hydrogen permeation rate was measured. As a conventional electrode, an electrode using a platinum paste electrode as an anode electrode and a cathode electrode, and an electrode using a platinum plating electrode as an anode electrode and a cathode electrode were used. As a result, in the case of the electrode of this embodiment, the hydrogen permeation rate was 3.2 times that of the conventional electrode.

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 anode chamber 12 at 650 ° C. The relationship between the current value (mA) when a DC voltage of 2 V was applied between the electrode 15 and the cathode electrode 16 and the rate of hydrogen generation from the cathode electrode was measured and is shown in FIG. As a conventional electrode, both an anode electrode and a cathode electrode are platinum paste electrodes. As a result, when the anode electrode 15 and the cathode electrode 16 of the present embodiment are used (marked in the figure), the current value is 110 (mA) at a voltage of 2 V, and the hydrogen generation rate is 0.43 (ml / min). Met. On the other hand, when the conventional anode and cathode electrodes were used (circles in the figure), the voltage was 2 V, the current value was 30 (mA), and the hydrogen production rate was only 0.14 (ml / min). In addition, the dashed-two dotted line in a figure is a theoretical value at the time of using the electrode of this embodiment.

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 hydrogen pump 10 of the present embodiment, a metal or metal oxide electrode having permeability of a hydrogen compound gas such as water vapor is used for the anode electrode 15, and hydrogen and hydrogen isotope gas are used for the cathode electrode 16. An electrode made of a metal or metal oxide having a transparent property is used. For this reason, the permeability of the hydrogen compound gas such as water vapor as well as hydrogen and hydrogen isotopes is improved in the anode electrode 15, and the permeability of the hydrogen and hydrogen isotope gas is improved in the cathode electrode 16. Accordingly, the amount of hydrogen and hydrogen isotope gas produced at the cathode electrode 16 can be increased.

・ 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 anode electrode 15, and an electrode made of polycrystalline metal or metal oxide is used for the cathode electrode 16. Therefore, since the anode electrode 15 is porous and has a large pore diameter, it is possible to further improve the gas permeability of a hydrogen compound such as water vapor, and the cathode electrode 16 is made of hydrogen and hydrogen isotopes with a dense polycrystalline material. Hydrogen and hydrogen isotope gas are efficiently generated from body ions, and the permeability of the generated gas is further improved.

・ 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 anode electrode 15 is formed by a paste baking method, and the cathode electrode 16 is formed by an electroless plating method. For this reason, the porous anode electrode 15 and the cathode electrode 16 with good permeability of hydrogen and hydrogen isotope gas can be easily configured.

・ 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 hydrogen pump 10, hydrogen and hydrogen isotope gas in the target gas in the anode chamber 12 are decomposed on the anode electrode 15 to which a DC voltage is applied, and the generated hydrogen and hydrogen isotope ions Operates so that hydrogen and hydrogen isotope gas are generated on the cathode electrode 16 through the electrolyte substrate 14. Thus, the operation of the hydrogen pump is easy, and the generation amount of hydrogen and hydrogen isotope gas can be increased.

・ 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 hydrogen pump 10, oxygen or a mixed gas containing oxygen is passed through the cathode electrode 16 to oxidize the proton conductive ceramics. By this oxidation treatment, the reduction of the proton conductive ceramics by hydrogen or the like generated from the cathode electrode 16 can be recovered by oxidation. Therefore, it is possible to suppress the performance of the proton conductive ceramics from being deteriorated, the effect of the hydrogen pump 10 can be stably exhibited for a long period of time, and the performance of the proton conductive ceramics from being deteriorated. can do.

・ 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 anode electrode 15 and the cathode electrode 16, it is possible to promote the penetration of oxygen ions into the proton conductive ceramics. Can be performed promptly. In addition, the hydrogen pump 10 can be operated in a stable state without changing the characteristics of the hydrogen pump 10.

・ 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 anode chamber 12 as the mixed gas containing oxygen, the mixed gas containing oxygen can be used also as the target gas contacting the anode electrode 15. Operation can be performed efficiently.

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 hydrogen pump 10, the electrolyte substrate 14 is formed in an inverted U shape, the anode electrode 15 is provided on the inner peripheral surface, the cathode electrode 16 is provided on the outer peripheral surface, and the inner space of the electrolyte substrate 14 is formed in the anode chamber 12. The outer space can be configured as the cathode chamber 13.

・ 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 cathode chamber 13 so that oxygen or a mixed gas containing oxygen is directly supplied into the cathode chamber 13.

・ 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 hydrogen pump 10 can be performed without applying a DC voltage between the anode electrode 15 and the cathode electrode 16.
The porous anode electrode 15 can be formed by firing a metal or a mixture of a metal oxide and an organic material to make it porous.

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.

実施形態における水素ポンプを示す概略説明図。Schematic explanatory drawing which shows the hydrogen pump in embodiment. 水素ポンプの運転方法を示すグラフ。The graph which shows the operating method of a hydrogen pump. 水素ポンプの運転時間とプロトン導電性セラミックスの水素イオン透過速度との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the operation time of a hydrogen pump, and the hydrogen ion permeation rate of proton conductive ceramics. 酸化処理時間と酸化処理効果との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between oxidation treatment time and an oxidation treatment effect. 実施形態の電極と従来の電極について、カソード電極を透過する水素透過速度を比較して示すグラフ。The graph which compares and shows the hydrogen-permeation rate which permeate | transmits a cathode electrode about the electrode of embodiment and the conventional electrode. 電流と水素生成速度との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between an electric current and a hydrogen production rate.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 10 ... Hydrogen pump, 12 ... Anode chamber, 13 ... Cathode chamber, 14 ... Electrolyte substrate, 15 ... Anode electrode, 16 ... Cathode electrode.

Claims (7)

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
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請求項1に記載の水素ポンプ。 2. The hydrogen pump according to claim 1, wherein an electrode made of a porous metal or metal oxide is used for the anode electrode, and an electrode made of a polycrystalline metal or metal oxide is used for the cathode electrode. 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請求項1又は請求項2に記載の水素ポンプ。 The hydrogen pump according to claim 1 or 2, wherein the anode electrode is formed by a paste baking method, and the cathode electrode is formed by an electroless plating method. 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水素ポンプの運転方法。 A gas containing hydrogen and hydrogen isotopes in the target gas in the anode chamber by applying a DC voltage between the anode electrode and the cathode electrode using the hydrogen pump according to any one of claims 1 to 3. And the generated hydrogen and hydrogen isotope ions permeate the electrolyte substrate, generate hydrogen and hydrogen isotope gas on the cathode electrode, and operate in a cathode chamber. The operation method of the hydrogen pump characterized. 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請求項4に記載の水素ポンプの運転方法。 5. The method of operating a hydrogen pump according to claim 4, wherein during the operation, oxygen or a mixed gas containing oxygen is passed through the cathode electrode to oxidize the proton conductive ceramics. 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請求項5に記載の水素ポンプの運転方法。 The method for operating a hydrogen pump according to claim 5, wherein the oxidation treatment is performed in a state where a DC voltage is applied between the anode electrode and the cathode electrode. 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とを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の水素ポンプの運転方法。 The method for operating a hydrogen pump according to claim 5 or 6, wherein a target gas contained in an anode chamber is used as the mixed gas containing oxygen.
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