JP2010254512A - Method for producing ultrahigh purity hydrogen gas - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a refining method and a producing apparatus where hydrogen gas containing a large amount of impurities becomes highly pure inexpensively and efficiently. <P>SOLUTION: Ultrapure water 32 is charged into a primary hydrogen gas filtrating tank 10, hydrogen gas introduced into the primary hydrogen gas filtrating tank 10 is refined to highly purified primary hydrogen gas while passing through an ultrapure water layer 11 and then introduced to a secondary high purity hydrogen gas filtrating tank 15 passing through a high purity hydrogen gas connecting pipe. In the secondary high purity hydrogen gas filtrating tank 15, a mixing room 16 of the high purity hydrogen gas and the ultrapure water is located downward, an ultrahigh purity hydrogen gas room 19 is located upward. The secondary high purity hydrogen gas filtrating tank 15 has a parting plate 18 which is made of a mesh plate and the like and where a gas and a liquid pass through freely is placed downward, a parting plate 18' which is made of a mesh plate and the like and where the gas and the liquid pass through freely is placed upward and the purity of hydrogen is enhanced by forming a layer where curled wires are filled between the parting plates. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、超高純度水素ガスの製法並びにその製造装置に関する。特には、本発明は、不純物を含有している既存の水素ガスから、安価で且つ簡単な手法、安全で且つ効率的な手法で、燃料電池等に使用することのできる、少なくとも96〜97容量%(Vol%)以上の純度を持つ超高純度水素ガスの製法並びにその製造装置に関するものである。   The present invention relates to a method for producing ultra-high purity hydrogen gas and an apparatus for producing the same. In particular, the present invention provides at least 96 to 97 capacity that can be used for fuel cells and the like from existing hydrogen gas containing impurities by an inexpensive and simple method, a safe and efficient method. The present invention relates to a method for producing ultra-high purity hydrogen gas having a purity of at least% (Vol%) and an apparatus for producing the same.

水素は、化学工業及び石油精製などに使用される重要な工業ガスである。最近では、環境負荷の少ないクリーンエネルギー源として注目されている。特には、家庭用や自動車用の燃料電池等の用途に期待されている。燃料電池の発展に伴い、拡大する水素需要に答える、安価で且つ効率的な、そうして容易な手法での、水素の高品質化が不可欠となっている。   Hydrogen is an important industrial gas used in the chemical industry and petroleum refining. Recently, it has attracted attention as a clean energy source with low environmental impact. In particular, it is expected to be used for fuel cells for home use and automobiles. With the development of fuel cells, it is indispensable to improve the quality of hydrogen in an inexpensive and efficient and easy way to answer the growing demand for hydrogen.

ガスを高純度化するには、膜分離あるいは比重分離などの方法があった。しかしながら、水素は元素中最も軽くしかも粒径が小さいために、従来の比重分離では、その高純度化は困難を極めた。また、膜分離も効率上必ずしも満足のいくものではなかった。例えば、Pd膜透過法等などが用いられている。Pd膜透過法は、一定以上の温度において、Pd合金の組織内を原子状水素のみが拡散透過するという現象を利用したもので、Pd合金膜の一次側へ原料水素を流し圧力をかけ、約420℃程度に加熱する。水素ガスは、Pd合金膜表面へ物
理吸着されて、表面で水素原子に解離し、さらに水素イオンの状態でPd合金の格子内に侵入し、水素ガスの濃度差により、Pd合金膜を拡散透過し、二次側に純粋な水素ガスとして透過する。水素以外の不純物はPd合金膜を透過できず、Pd合金膜の一次側でブリードガスとともに排気される。本Pd膜透過法は、精製ガス流量当りの装置コストが高く、さらに、大量の水素ガスを効率よく且つ安価に得るには問題がある。
To purify the gas, there have been methods such as membrane separation or specific gravity separation. However, since hydrogen is the lightest element and has a small particle size, it has been extremely difficult to achieve high purity by conventional specific gravity separation. Moreover, membrane separation was not always satisfactory in terms of efficiency. For example, a Pd membrane permeation method or the like is used. The Pd membrane permeation method utilizes the phenomenon that only atomic hydrogen diffuses and permeates through the structure of the Pd alloy at a temperature above a certain level. Heat to about 420 ° C. The hydrogen gas is physically adsorbed on the surface of the Pd alloy film, dissociates into hydrogen atoms on the surface, further penetrates into the lattice of the Pd alloy in the form of hydrogen ions, and diffuses and permeates the Pd alloy film due to the concentration difference of the hydrogen gas. And passes through the secondary side as pure hydrogen gas. Impurities other than hydrogen cannot permeate the Pd alloy film and are exhausted together with the bleed gas on the primary side of the Pd alloy film. This Pd membrane permeation method has a high apparatus cost per purified gas flow rate, and there is a problem in obtaining a large amount of hydrogen gas efficiently and inexpensively.

さらに、圧力を変化させて吸着と脱着を繰り返すことを利用する圧力スイング吸着(Puressure Swing Adsorption: PSA)を含めたガス吸着による分離法もあるが、効率が悪く産
業利用に耐えるものではなかった。水素ガスの精製法は、特開平6-31104号公報〔特許文
献1〕、特開平7-242401号公報〔特許文献2〕、特開平10-203803号公報〔特許文献3〕
、特開平11-29301号公報〔特許文献4〕、特開2003-170018号公報〔特許文献5〕にも開
示がある。
In addition, there are gas adsorption separation methods including pressure swing adsorption (PSA) that uses repeated adsorption and desorption by changing the pressure, but the efficiency is poor and it cannot withstand industrial use. The method for purifying hydrogen gas is disclosed in JP-A-6-31104 [Patent Document 1], JP-A-7-242401 [Patent Document 2], and JP-A-10-203803 [Patent Document 3].
Japanese Patent Laid-Open No. 11-29301 [Patent Document 4] and Japanese Patent Laid-Open No. 2003-170018 [Patent Document 5].

特開平6-31104号公報JP-A-6-31104 特開平7-242401号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-242401 特開平10-203803号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-203803 特開平11-29301号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-29301 特開2003-170018号公報JP 2003-170018 A

水素ガスを発生させる方法は種々あるが、生成される水素ガスはいずれも不純物が含まれた状態のガスのために、そのままでは燃料電池等に使用するのには問題があり、高純度化が要請されており、それに応えることが求められている。
水素は元素中最も軽くかつイオン半径も小さいことによって、不純物からの完全分離は産業規模においては事実上不可能に近かった。また、不純物の主なものはとしては、窒素
、酸素、炭酸ガス、有機ガスの中にはメタン、エタン、プロパン、その他の有機物等である。これらの不純物は水素に比べると比重もイオン半径も大きいことから容易に分離できそうに思えるが、水素原子のガスとしてミーンフリーパス(mean Free path:平均自由飛程)が長いために不純物の中に多量の水素ガスが混入して分離が難しいのである。
燃料電池等に使用するにも十分な純度を有する水素ガスを、簡単で、経済的で、さらに安全に且つ効率的に取得する技術の開発が求められている。
There are various methods for generating hydrogen gas, but all of the generated hydrogen gas is a gas containing impurities, so there are problems in using it as it is in fuel cells, etc. There is a demand, and there is a need to respond to it.
Because hydrogen is the lightest element and has a small ionic radius, complete separation from impurities was virtually impossible on an industrial scale. The main impurities are nitrogen, oxygen, carbon dioxide, organic gas such as methane, ethane, propane, and other organic substances. These impurities seem to be easily separated because they have larger specific gravity and ionic radius than hydrogen, but they have a long mean free path as a hydrogen atom gas. A large amount of hydrogen gas is mixed in and is difficult to separate.
There is a need for the development of a technique for obtaining hydrogen gas having sufficient purity for use in fuel cells and the like in a simple, economical, safe and efficient manner.

本発明者は上記の課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、水素ガスの高純度化については、不純物を含有する水素ガスが通過するタンク内に超純水を入れておき、タンク内の超純水をポンプにて強制循環することによっていとも簡単に超高純度化することができることを知見し、また、超純水を入れたタンク内にステンレスカール線材を充填した層を設置し、当該カール線材充填層を、強制循環せしめられている超純水が通過せしめるようにされており、一方、該超純水の流れに向流接触するように、不純物を含有している水素ガスが当該カール線材充填層を通過するようにせしめられることにより、より効率よく水素ガスを高純度化することが可能であることを見出した。
水素ガス中の不純物の特性を逆に捉えることによって、上記不純物と水の親和性を利用して、不純物の除去を優先させることが可能である。
The present inventor has intensively studied to solve the above problems. As a result, high purity hydrogen gas can be easily achieved by placing ultrapure water in a tank through which hydrogen gas containing impurities passes and forcibly circulating the ultrapure water in the tank with a pump. Knowing that it can be ultra-pure, and installing a layer filled with stainless curl wire in a tank filled with ultra-pure water, ultra-pure water that is forced to circulate the curl wire packed layer On the other hand, hydrogen gas containing impurities is allowed to pass through the curled wire packed bed so as to counter-contact the flow of the ultrapure water. It was found that hydrogen gas can be highly purified efficiently.
By grasping the characteristics of the impurities in the hydrogen gas in reverse, it is possible to give priority to the removal of the impurities by utilizing the affinity between the impurities and water.

かくして、本発明は次なる態様を提供している。
〔1〕超純水相を有する超純水タンクであるガス濾過槽内に不純物を含有した水素ガスを導入し、且つ、超純水相を通過させることによって、水素ガスの水素の純度を高めることを特徴とする水素ガス精製法。
〔2〕超純水タンクであるガス濾過槽内の上下の部分にステンレスのパンチングメタル板を置き、その間にステンレスカール線材を充填し、そこに超純水を満たした超純水相を設け、ガス濾過槽内に導入された不純物を含有した水素ガスが当該超純水相中を通過するようにせしめ、水素ガスの水素の純度を高めることを特徴とする上記〔1〕に記載の水素ガス精製法。
〔3〕原料水素ガス中に含まれる不純物が超純水により除去できることを利用し、気体である水素ガスと液体である超純水との接触を含めた相互作用を効率的に行おうとする水素ガス製造装置で、当該水素ガス製造装置は、不純物を含有している原料水素ガスから不純物含有量の低減化されている高純度水素ガスを製造する高純度水素ガス製造装置であって、不純物を含有している原料水素ガスを供給する原料水素ガス供給ラインと、精製された高純度水素ガスを取り出す高純度水素ガスラインと、超純水を供給する超純水供給ラインと、使用済みの水を排出する水排出ラインと、超純水を収容している水素ガス濾過槽であり、且つ、超純水で満たされた空間である超純水層に気体である水素ガスを放出するための水素ガス出口ノズルを備え、超純水層を通過した気体である水素ガスが貯留する高純度水素ガス室を有している水素ガス濾過槽とを備えることを特徴とする水素ガス製造装置。〔4〕該水素ガス濾過槽は、3段構造とされており、下段に超純水の貯留槽(超純水室)、上段に精製された水素ガス槽(高純度化水素ガス室)を備え、中段部の上下の位置に気液通過が自由な仕切り板が配置され且つその中間部にカール線材が充填されている中間槽(中間室)を備えたものであることを特徴とする上記〔3〕に記載の水素ガス製造装置。〔5〕一次水素ガス濾過槽、二次水素ガス濾過槽、及び、高純度化された超高純度水素ガスを貯留する水素ガス槽を少なくとも備えていることを特徴とする高純度水素ガス発生装置であることを特徴とする上記〔3〕又は〔4〕に記載の水素ガス製造装置。
Thus, the present invention provides the following aspects.
[1] Improve the purity of hydrogen in hydrogen gas by introducing hydrogen gas containing impurities into a gas filtration tank, which is an ultrapure water tank having an ultrapure water phase, and passing the ultrapure water phase. A hydrogen gas purification method characterized by that.
[2] A stainless steel punching metal plate is placed on the upper and lower parts of the gas filtration tank, which is an ultrapure water tank, filled with stainless curl wire, and an ultrapure water phase filled with ultrapure water is provided there. The hydrogen gas as described in [1] above, wherein hydrogen gas containing impurities introduced into the gas filtration tank is allowed to pass through the ultrapure water phase to increase the purity of hydrogen in the hydrogen gas. Purification method.
[3] Hydrogen that efficiently performs interaction including contact between gaseous hydrogen gas and liquid ultrapure water, utilizing the fact that impurities contained in the raw hydrogen gas can be removed by ultrapure water. In the gas production apparatus, the hydrogen gas production apparatus is a high-purity hydrogen gas production apparatus for producing a high-purity hydrogen gas having a reduced impurity content from a source hydrogen gas containing impurities, wherein the impurities are removed. Raw hydrogen gas supply line for supplying the raw hydrogen gas contained therein, high purity hydrogen gas line for extracting purified high purity hydrogen gas, ultra pure water supply line for supplying ultra pure water, and used water A water discharge line for discharging water and a hydrogen gas filtration tank containing ultrapure water, and for releasing hydrogen gas, which is a gas, into an ultrapure water layer that is a space filled with ultrapure water Equipped with hydrogen gas outlet nozzle Hydrogen gas production apparatus is characterized in that hydrogen gas is a gas which has passed through the ultrapure water layer and a hydrogen gas filtration tank having a high purity hydrogen gas chamber for storing. [4] The hydrogen gas filtration tank has a three-stage structure. The lower stage is an ultrapure water storage tank (ultra pure water chamber), and the upper stage is a purified hydrogen gas tank (high purity hydrogen gas chamber). And an intermediate tank (intermediate chamber) in which a partition plate that allows free passage of gas and liquid is disposed at the upper and lower positions of the middle stage portion and the intermediate portion is filled with a curled wire. [3] The hydrogen gas production apparatus according to [3]. [5] A high-purity hydrogen gas generator comprising at least a primary hydrogen gas filtration tank, a secondary hydrogen gas filtration tank, and a hydrogen gas tank for storing highly purified ultra-high purity hydrogen gas The hydrogen gas production apparatus according to [3] or [4] above, wherein

本発明によれば、極めて簡単な手法であり、且つ、経済的に優れ、さらに、環境負荷の点でも有利に、不純物を含有している水素ガスを高純度の水素ガスにすることが可能であり、得られる高純度化された高純度水素ガスや超高純度水素ガスは、それを燃料電池用水
素ガスとして好適に使用可能であるばかりか、その他の用途に使用できる。
本発明のその他の目的、特徴、優秀性及びその有する観点は、以下の記載より当業者にとっては明白であろう。しかしながら、以下の記載及び具体的な実施例等の記載を含めた本件明細書の記載は本発明の好ましい態様を示すものであり、説明のためにのみ示されているものであることを理解されたい。本明細書に開示した本発明の意図及び範囲内で、種々の変化及び/又は改変(あるいは修飾)をなすことは、以下の記載及び本明細書のその他の部分からの知識により、当業者には容易に明らかであろう。本明細書で引用されている全ての特許文献は、説明の目的で引用されているもので、それらは本明細書の一部としてその内容はここに含めて解釈されるべきものである。
According to the present invention, it is an extremely simple method, is economically excellent, and can advantageously convert hydrogen gas containing impurities into high-purity hydrogen gas from the viewpoint of environmental load. In addition, the highly purified high purity hydrogen gas and ultrahigh purity hydrogen gas obtained can be suitably used as hydrogen gas for fuel cells, and can be used for other purposes.
Other objects, features, excellence and aspects of the present invention will be apparent to those skilled in the art from the following description. However, it is understood that the description of the present specification, including the following description and the description of specific examples and the like, show preferred embodiments of the present invention and are presented only for explanation. I want. Various changes and / or modifications (or modifications) within the spirit and scope of the present invention disclosed herein will occur to those skilled in the art based on the following description and knowledge from other parts of the present specification. Will be readily apparent. All patent documents cited herein are cited for illustrative purposes and are to be construed in their entirety as part of this specification.

本発明に従った高純度水素ガス発生装置において用いられる超純水による水素ガス精製装置の一例の概略を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the outline of an example of the hydrogen gas refinement | purification apparatus by the ultrapure water used in the high purity hydrogen gas generator according to this invention. 本発明に従った高純度水素ガス発生装置の一例の概略を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the outline of an example of the high purity hydrogen gas generator according to this invention. 実施例1で使用された超純水による不純水素ガス濾過装置の概略を示す。The outline of the impure hydrogen gas filtration apparatus by the ultrapure water used in Example 1 is shown. 実施例1の〔1〕の反応で発生させた水素ガスを直接捕集したガス試料(試料No.1)のトータルイオンクロマトグラフィーを示すチャートである。図4の下段のチャートは、上段のチャートの拡大図である。図4中、ピーク1:推定成分2,2,4-トリメチルペンタン、ピーク2: 推定成分2,5,9-トリメチルデカン、ピーク3: 推定成分2,5,9-トリメチルデカン、ピーク4: 推定成分3,5,5-トリメチルヘキセン-1、ピーク5: 推定成分デカナール、そして6: 推定成分n-ヘキサデカン酸である。2 is a chart showing total ion chromatography of a gas sample (sample No. 1) obtained by directly collecting hydrogen gas generated by the reaction of [1] in Example 1. The lower chart of FIG. 4 is an enlarged view of the upper chart. In FIG. 4, peak 1: estimated component 2,2,4-trimethylpentane, peak 2: estimated component 2,5,9-trimethyldecane, peak 3: estimated component 2,5,9-trimethyldecane, peak 4: estimated Component 3,5,5-trimethylhexene-1, peak 5: putative component decanal, and 6: putative component n-hexadecanoic acid. 実施例1の〔2〕で超純水精製処理後に超純水上で捕集された水素ガス試料(試料No.2)のトータルイオンクロマトグラフィーを示すチャートである。図5の下段のチャートは、上段のチャートの拡大図である。図5中、3: 推定成分2,5,9-トリメチルデカン、そして5: 推定成分デカナールである。It is a chart which shows the total ion chromatography of the hydrogen gas sample (sample No. 2) collected on the ultrapure water after the ultrapure water purification process of [1] in Example 1. The lower chart in FIG. 5 is an enlarged view of the upper chart. In FIG. 5, 3: estimated component 2,5,9-trimethyldecane, and 5: estimated component decanal. 図4中のピーク1の成分検索の結果を示す。上段は、ピーク1の質量スペクトル、下段は、検索成分である2,2,4-トリメチルペンタンの質量スペクトルを示す。The component search result of peak 1 in FIG. 4 is shown. The upper row shows the mass spectrum of peak 1, and the lower row shows the mass spectrum of 2,2,4-trimethylpentane, which is the search component. 図4中のピーク2の成分検索の結果を示す。上段は、ピーク2の質量スペクトル、下段は、検索成分である2,5,9-トリメチルデカンの質量スペクトルを示す。The result of the component search of peak 2 in FIG. 4 is shown. The upper part shows the mass spectrum of peak 2, and the lower part shows the mass spectrum of 2,5,9-trimethyldecane, which is the search component. 図4中のピーク3の成分検索の結果を示す。上段は、ピーク3の質量スペクトル、下段は、検索成分である2,5,9-トリメチルデカンの質量スペクトルを示す。The result of the component search of peak 3 in FIG. 4 is shown. The upper part shows the mass spectrum of peak 3, and the lower part shows the mass spectrum of 2,5,9-trimethyldecane, which is the search component. 図4中のピーク4の成分検索の結果を示す。上段は、ピーク4の質量スペクトル、下段は、検索成分である3,5,5-トリメチルヘキセン-1の質量スペクトルを示す。The result of the component search of peak 4 in FIG. 4 is shown. The upper part shows the mass spectrum of peak 4, and the lower part shows the mass spectrum of 3,5,5-trimethylhexene-1, which is the search component. 図4中のピーク5の成分検索の結果を示す。上段は、ピーク5の質量スペクトル、下段は、検索成分であるデカナールの質量スペクトルを示す。The result of the component search of peak 5 in FIG. 4 is shown. The upper part shows the mass spectrum of peak 5, and the lower part shows the mass spectrum of decanal, which is the search component. 図4中のピーク6の成分検索の結果を示す。上段は、ピーク6の質量スペクトル、下段は、検索成分であるn-ヘキサデカン酸の質量スペクトルを示す。The result of the component search of peak 6 in FIG. 4 is shown. The upper row shows the mass spectrum of peak 6, and the lower row shows the mass spectrum of n-hexadecanoic acid, which is a search component.

本発明は、様々な方法によって発生させたあらゆる水素ガスには、必ず多量の不純物が含まれているが、その不純物を、簡単な手法で取り除いて水素ガスを超高純度にする方法を教示するものである。
水の構造については、川田薫理学博士によって1997年、次のように明らかにされている(Kaoru Kawada, Advances in Colloid and Interface Science, 71-72 (1997), pp.299-316)。超純水は水分子が合体して平均2nmの1次粒子をつくり、1次粒子が合体して平均20nmの2次粒子を形成し、この2次粒子がさらに、合体して平均100nmの3次粒子を形成し、これらの粒子の離合集散を激しく繰返しているのが水の実体であると言うものである。
つまり、水は球形粒子の離合集散を繰り返しているために、水の粒子と粒子の間は隙間だらけであり、その隙間に水以外のものを容易に取り込むことができるという。水のこの
様な特徴を利用すると、水素ガスを、超純水の中を通過させるだけで、水素ガス中の不純物を取り除くことが極めて簡単にできることが分かる。
水だけで水素ガス中の不純物が除けない場合には、水中にパンチングメタル板やステンレスカール線材の充填材を詰め込んで、そこに水素ガスを通過させることで、実用上ほとんど問題のない超純粋の水素ガスを容易に得ることができる。
The present invention teaches a method in which hydrogen gas generated by various methods always contains a large amount of impurities, but the impurities are removed by a simple method to make the hydrogen gas highly pure. Is.
The water structure was clarified in 1997 by Dr. Satoshi Kawada (Kaoru Kawada, Advances in Colloid and Interface Science, 71-72 (1997), pp.299-316). In ultrapure water, water molecules combine to form primary particles with an average of 2 nm, and primary particles combine to form secondary particles with an average of 20 nm. It is said that it is the substance of water that forms secondary particles and vigorously repeats the separation and concentration of these particles.
In other words, since water is repeatedly separated and concentrated of spherical particles, there are plenty of gaps between the water particles, and anything other than water can be easily taken into the gaps. By utilizing such characteristics of water, it can be seen that impurities in hydrogen gas can be removed very simply by passing hydrogen gas through ultrapure water.
If the impurities in the hydrogen gas cannot be removed with water alone, it is possible to pack a punching metal plate or stainless curl wire filler into the water and let the hydrogen gas pass through it. Hydrogen gas can be easily obtained.

水素の製造方法としては、様々な方法が知られており、その各水素製造法に応じて水素ガスに含まれる不純物も異なっている。不純物の主なものはとしては、窒素、酸素、炭酸ガス、有機ガスなどが挙げられ、有機ガスの中にはメタン、エタン、プロパン、その他の有機物等が挙げられる。本発明では、原料水素ガス中に含まれる不純物としては、これらの成分の全てを含むという限定的な意味ではなくて、それらのうちの少なくとも一部を含む場合も包含するという趣旨である。世界的には、水素はその大部分が熱化学的方法で製造され、残りは電気化学的な方法などで得られている。
熱化学的方法では、水蒸気改質法、部分酸化法、自己加熱改質法などが挙げられる。水蒸気改質法は、天然ガス(メタン)、LPG、ナフサ、石炭などの資源(主に化石資源を包含
する)を触媒存在下に高温のもとで水蒸気と反応させて合成ガスを得る方法で、得られた合成ガスには、炭酸ガス(CO2)と水素(H2)が主として含まれる他、未反応の原料炭化水素
、一酸化炭素、窒素、酸素、その他の不純物が含まれる。水蒸気改質プロセスとしては、ICI(Imperial Chemical Industries, Ltd.)法やトプソ(Haldor Topsoe法などが挙げられ
、プロセスは一般的には原料脱硫工程、改質工程、精製工程からなっている。本水蒸気改質プロセスを経て得られる製品水素は、通常、純度95〜97%程度である。
Various methods are known as methods for producing hydrogen, and impurities contained in hydrogen gas vary depending on the respective methods for producing hydrogen. The main impurities include nitrogen, oxygen, carbon dioxide gas, organic gas, and the like, and the organic gas includes methane, ethane, propane, and other organic substances. In the present invention, the impurity contained in the source hydrogen gas is not limited to include all of these components, but includes the case where at least a part of them is included. Worldwide, most of the hydrogen is produced by thermochemical methods, and the rest is obtained by electrochemical methods.
Examples of the thermochemical method include a steam reforming method, a partial oxidation method, and a self-heating reforming method. The steam reforming method is a method for obtaining synthesis gas by reacting natural gas (methane), LPG, naphtha, coal, and other resources (mainly including fossil resources) with steam in the presence of a catalyst under high temperature. The obtained synthesis gas mainly contains carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ), and also contains unreacted raw material hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen, oxygen, and other impurities. Examples of the steam reforming process include ICI (Imperial Chemical Industries, Ltd.) method and Topso (Haldor Topsoe method), and the process generally includes a raw material desulfurization step, a reforming step, and a purification step. Product hydrogen obtained through the steam reforming process usually has a purity of about 95 to 97%.

部分酸化法は、炭化水素などの原料を部分酸化させることにより発生させた熱を利用し、残りの原料炭化水素と水蒸気とを反応させて合成ガスを得る方法である、原料としては、主に、重質油や石炭などが利用される。重質油ガス化プロセスとしては、GE(General Electric)法(Texaco法)、Shell法などが挙げられる。自己加熱改質法は、炭化水素などの
原料の一部を酸素あるいは空気で燃焼させ、その発熱により炭化水素と水蒸気を触媒存在下で改質反応させ、合成ガス(一酸化炭素と水素の混合ガス)を製造するプロセスであり、改質反応は吸熱反応であるが、反応に必要な熱量を炭化水素自らの酸化によって供給するため、自己熱(オートサーマル)改質と呼ばれるもので、熱を供給する設備の小型化が可能となるものである。原料としては、メタノールを使用したり、最近では、バイオマス由来のエタノールを使用する技術開発も盛んである。
電気化学的水素製造法としては、水の電気分解が挙げられる。水電解法としては、アルカリ水電気分解法、固体高分子電解質水電気分解法などが包含され、原子力発電や太陽光発電などの自然エネルギー起源の電力を利用したものも含められる。
The partial oxidation method uses heat generated by partial oxidation of a raw material such as hydrocarbon, and reacts the remaining raw material hydrocarbon with water vapor to obtain a synthesis gas. Heavy oil and coal are used. Examples of the heavy oil gasification process include a GE (General Electric) method (Texaco method) and a Shell method. In the self-heating reforming method, a part of raw materials such as hydrocarbons are combusted with oxygen or air, and the heat generation causes the reforming reaction of hydrocarbons and water vapor in the presence of a catalyst to produce synthesis gas (mixed carbon monoxide and hydrogen). Gas), and the reforming reaction is endothermic. However, since the amount of heat required for the reaction is supplied by the oxidation of the hydrocarbon itself, it is called autothermal reforming. The equipment to be supplied can be downsized. As a raw material, methanol has been used, and recently, technology development using biomass-derived ethanol has been active.
Electrochemical hydrogen production includes water electrolysis. The water electrolysis method includes an alkaline water electrolysis method, a solid polymer electrolyte water electrolysis method, and the like, and includes those using power derived from natural energy such as nuclear power generation and solar power generation.

本発明の水素ガス精製法では、超純水が利用される。該超純水とは、極めて純度の高い水のことであり、その中の不純物を取り除いて純度を限りなくH2Oに近づけたものである

H2Oの25℃における電気抵抗率(比抵抗)の理論値は、18.25MΩ・cm(その逆数である電
気伝導率(導電率)は、0.05479μS/cm)とされており、この値に近いほど電解質濃度が
低いものであることになる。本水素ガス精製法における超純水としては、15MΩ・cm以上
(0.067μS/cm以下)の水であってよく、典型的な場合、17MΩ・cm以上(0.0588μS/cm以下)の水、好適には、18MΩ・cm以上(0.0555μS/cm以下)の水が挙げられる。より好適
には、0.05μS/cm以下の水を使用できる。さらに、水質は、TOC(Total Organic Carbon, μg/L)、微粒子数(個/L)、生菌数(個/L)、溶存酸素(μg/L)、シリカ(μg/L〜ng/L)、陽イオン、陰イオン(μg/L〜ng/L)、重金属(μg/L〜ng/L)、その他の元素、イオン、分子(μg/L〜ng/L)などについても、指標とされる。当該超純水のTOCとしては、例えば、少なくとも50μg/L未満のものが挙げられる。
In the hydrogen gas purification method of the present invention, ultrapure water is used. The ultrapure water is water with extremely high purity, and impurities are removed from the ultrapure water so that the purity is as close as possible to H 2 O.
The theoretical value of the electrical resistivity (resistivity) of H 2 O at 25 ° C is 18.25 MΩ · cm (the electrical conductivity (conductivity), which is the inverse thereof, is 0.05479 μS / cm). The closer it is, the lower the electrolyte concentration. The ultrapure water used in the hydrogen gas purification method may be 15 MΩ · cm or more (0.067 μS / cm or less), typically 17 MΩ · cm or more (0.0588 μS / cm or less). Includes water of 18 MΩ · cm or more (0.0555 μS / cm or less). More preferably, water of 0.05 μS / cm or less can be used. Furthermore, the water quality is TOC (Total Organic Carbon, μg / L), the number of fine particles (pieces / L), the number of viable bacteria (pieces / L), dissolved oxygen (μg / L), silica (μg / L to ng / L) ), Cations, anions (μg / L to ng / L), heavy metals (μg / L to ng / L), other elements, ions, molecules (μg / L to ng / L), etc. Is done. Examples of the TOC of the ultrapure water include at least less than 50 μg / L.

一つの具体的な態様では、本水素ガス精製法で使用される超純水としては、比抵抗18M
Ω・cm以上、TOC 5ppb以下、イオン状シリカ 1 ppb以下、金属類 5ppb以下の純度のもの
、好ましくは比抵抗18MΩ・cm以上、TOC 1ppb以下、イオン状シリカ 0.1 ppb以下、金属
類 5ppb以下の純度のものが挙げられる。ここで、該金属類5ppb以下とは、Na, Ca, Fe, Cu等の各金属の濃度がそれぞれ5ppb以下であることを指す。電気抵抗率(比抵抗)、電気
伝導率(導電率)は、JIS K0552を参照でき、TOCはJIS K0551、微粒子数はJIS K0554、生菌数はJIS K0550、シリカはJIS K0555、陽イオン、陰イオンについてはJIS K0553、JIS K0556、重金属はJIS K0553を参照できる。
In one specific embodiment, the ultrapure water used in the hydrogen gas purification method has a specific resistance of 18M.
Ω · cm or more, TOC 5 ppb or less, ionic silica 1 ppb or less, metals 5 ppb or less in purity, preferably 18 MΩ · cm or more, TOC 1 ppb or less, ionic silica 0.1 ppb or less, metals 5 ppb or less Examples of purity may be mentioned. Here, the metal of 5 ppb or less means that the concentration of each metal such as Na, Ca, Fe and Cu is 5 ppb or less. For electrical resistivity (specific resistance) and electrical conductivity (conductivity), refer to JIS K0552, TOC for JIS K0551, fine particle count for JIS K0554, viable count for JIS K0550, silica for JIS K0555, cation, anion Refer to JIS K0553 and JIS K0556 for ions, and JIS K0553 for heavy metals.

超純水の製造は、通常、水道水、井戸水(地下水)、洗浄排水等を原水とし、前処理システムにより微粒子等を除去した後、一次純水処理システム(一次純水製造装置)及び二次純水処理システム(二次純水製造装置)からなる超純水製造装置で溶解成分を極限まで除去することにより行われる。
前処理システムは、凝集沈殿装置、砂濾過装置、活性炭濾過装置等から構成され、原水は本前処理システムの当該装置を通過する過程で除濁されて前処理水となる。
得られた前処理水は、一般的には、2床3塔式イオン交換装置、逆浸透膜装置、混床式イオン交換装置、真空脱気装置、精密フィルター、有機物分解装置(紫外線照射装置)、活性炭塔等から構成される一次純水処理システムでイオン性の不純物や微粒子状の不純物を除去せしめて一次純水とし、次に、有機物分解装置(紫外線照射装置)、混床式ポリッシャー、限外濾過膜装置、逆浸透膜装置等から構成される二次純水処理システムで、更に、微量残留する微粒子、コロイダル物質、有機物、金属及びイオン等の不純物を除去せしめて、二次純水、すなわち、超純水となる。該混床式ポリッシャーにおいては、通常、強酸性カチオン交換樹脂と強塩基性アニオン交換樹脂を混床としたカートリッジが使用されて、極微量の金属イオン、炭酸イオン、炭酸水素イオン、シリカイオンの他、他のイオン交換樹脂からの溶出物等を捕捉している。
The production of ultrapure water usually uses tap water, well water (groundwater), washing wastewater, etc. as raw water, and after removing fine particles etc. by a pretreatment system, primary pure water treatment system (primary pure water production equipment) and secondary It is carried out by removing dissolved components to the limit with an ultrapure water production apparatus comprising a pure water treatment system (secondary pure water production apparatus).
The pretreatment system is composed of a coagulation sedimentation device, a sand filtration device, an activated carbon filtration device, and the like, and the raw water is turbidized in the process of passing through the device of the present pretreatment system to become pretreatment water.
The obtained pretreated water is generally a two-bed / three-column ion exchange device, a reverse osmosis membrane device, a mixed bed ion exchange device, a vacuum deaeration device, a precision filter, an organic matter decomposition device (ultraviolet irradiation device). In the primary pure water treatment system composed of activated carbon towers, etc., ionic impurities and particulate impurities are removed to make primary pure water, and then organic matter decomposition equipment (ultraviolet irradiation equipment), mixed bed polisher, limited In a secondary pure water treatment system composed of an outer filtration membrane device, a reverse osmosis membrane device, etc., further, impurities such as fine particles remaining, colloidal substances, organic substances, metals and ions are removed to obtain secondary pure water, That is, it becomes ultrapure water. In the mixed bed type polisher, a cartridge in which a strongly acidic cation exchange resin and a strongly basic anion exchange resin are mixed is usually used, and a very small amount of metal ions, carbonate ions, hydrogen carbonate ions, silica ions and the like are used. The effluent from other ion exchange resins is captured.

一つの具体的な態様では、本水素ガス精製法で使用される超純水としては、上記二次純水処理システム(二次純水製造装置)を通すことにより製造されたものを意味してよい。
超純水製造装置及びプラントは、当該分野で知られた製造業者・販売業者から入手できる。当該業者としては、例えば、(株)日立プラントテクノロジー、野村マイクロ・サイエンス(株)、(株)トップウォーターシステムズ、(株)ティエスピー、川崎化工機(株)、旭硝子(株)、栗田工業(株)、オルガノ(株)、日本ミリポア(株)、米国Barnstead社、小松電子(株)などを挙げることができるが、これらに限定されるものではな
い。本水素ガス精製法で使用される超純水としては、こうした超純水製造装置又は超純水製造プラントを通すことにより製造されたものを意味してよい。
In one specific aspect, the ultrapure water used in the hydrogen gas purification method means one produced by passing through the secondary pure water treatment system (secondary pure water production apparatus). Good.
Ultrapure water production equipment and plants can be obtained from manufacturers and distributors known in the art. For example, Hitachi Plant Technology, Nomura Micro Science Co., Ltd., Top Water Systems Co., Ltd., TSP Co., Ltd., Kawasaki Koki Co., Ltd., Asahi Glass Co., Ltd. Co., Ltd., Organo Co., Ltd., Nippon Millipore Co., Ltd., US Barnstead, Komatsu Electronics Co., Ltd., and the like, but are not limited thereto. The ultrapure water used in the present hydrogen gas purification method may mean that produced by passing through such an ultrapure water production apparatus or ultrapure water production plant.

本発明においては、不純物を含有している水素ガス(すなわち、不純水素ガス)は、超純水と接触させることで、水素ガス中の当該不純物を除去せしめ、それにより水素ガス精製処理が達成される。一般的には、不純水素ガスは、不純物を不可避的に含有している水素ガスである。本発明の対象となる不純水素ガスは、不純物を含有している既存の水素ガスであってよい。典型的な場合、不純物が少なくとも5〜3容量%(Vol%)含まれている水素ガス、あるいは、不純物が少なくとも3〜1容量%(Vol%)含まれている水素ガスなどが挙げられる。典型的な一つの態様では、超純水と不純水素ガスとの接触は、超純水を保有している超純水タンク、すなわち、超純水ガス濾過槽(超純水相を有する超純水タンクであるガス濾過槽)内に、不純水素ガスを導入し、超純水中を水素ガスが通過するようにせしめて行われる。
本発明に従った高純度水素ガス発生装置において用いられる超純水による水素ガス精製装置の一例の概略を示すフロー図を、図1に示す。
In the present invention, hydrogen gas containing impurities (that is, impure hydrogen gas) is brought into contact with ultrapure water to remove the impurities in the hydrogen gas, thereby achieving a hydrogen gas purification process. The In general, impure hydrogen gas is hydrogen gas that inevitably contains impurities. The impure hydrogen gas that is the subject of the present invention may be an existing hydrogen gas containing impurities. Typical examples include hydrogen gas containing at least 5 to 3% by volume (Vol%) of impurities, hydrogen gas containing at least 3 to 1% by volume (Vol%) of impurities, and the like. In a typical embodiment, the contact between the ultrapure water and the impure hydrogen gas is performed by an ultrapure water tank holding ultrapure water, that is, an ultrapure water gas filtration tank (ultrapure water having an ultrapure water phase). Impurity hydrogen gas is introduced into a gas filtration tank (water tank), and hydrogen gas is allowed to pass through ultrapure water.
FIG. 1 is a flowchart showing an outline of an example of a hydrogen gas purification apparatus using ultrapure water used in the high purity hydrogen gas generator according to the present invention.

図1において、水素ガス濾過槽55は超純水タンクであり、配管71より補給水(超純水)
が系内の配管に供給され、洗浄水循環ポンプ70により、水素ガス濾過槽内の上方部に配置された水吐出口61から槽内に入れられる。超純水は、槽内に充填されて、水位センサー51の監視を受けながら、ほぼ当該水位センサー51より少し上となる水位となるように保持される。水吐出口61から槽内に入れられた超純水は、槽内を下降するように流れ、水吸込み口56より水素ガス濾過槽55外に出る。通常の態様では、超純水は、槽内を上方から下方に絶えず流れるようにされる。本水素ガス精製装置の例では、制御盤72があり、水位センサー51、洗浄水循環ポンプ70、供給水バルブ、ブロー用バルブ、水質センサー74などと連関せしめられ、必要に応じて、信号を受容したり、制御信号を送って、それぞれを制御できるようにされている。
In FIG. 1, the hydrogen gas filtration tank 55 is an ultrapure water tank.
Is supplied to the piping in the system, and is put into the tank by the washing water circulation pump 70 from the water discharge port 61 arranged at the upper part in the hydrogen gas filtration tank. The ultrapure water is filled in the tank and is held so that the water level is slightly above the water level sensor 51 while being monitored by the water level sensor 51. The ultrapure water put into the tank from the water discharge port 61 flows down in the tank and comes out of the hydrogen gas filtration tank 55 through the water suction port 56. In a normal mode, the ultrapure water is made to flow continuously from the top to the bottom in the tank. In this hydrogen gas purification device, there is a control panel 72, which is linked to the water level sensor 51, the washing water circulation pump 70, the supply water valve, the blow valve, the water quality sensor 74, etc., and receives signals as necessary. Or send control signals to control each.

不純水素ガスは、通常は加圧された上で、ガス入口53より、ノズル54より超純水に満たされている槽内の水素ガス-超純水混合室56に噴射される。水素ガス濾過槽55内へ導入さ
れた水素ガスは小さな泡(バブル)となって槽内超純水中を上昇していき、精製化された水素ガスの溜まる高純度化水素ガス室59に至る。水素ガス室59に溜まった高純度化された水素ガスは、水素ガス出口63より取り出される。
水素ガスを超純水で処理する場合の温度は、特に限定されず、適宜最適な温度を選択できるが、通常は常温で行うことができる。水素ガス濾過槽内へ導入される場合の水素ガスの圧力は、典型的には、大気圧以上とすることが好適で、特に限定されず、適宜最適な圧力を選択できるが、例えば、0.15MPa〜100Mpaの範囲から選択でき、ある場合には0.15MPa〜70Mpaの範囲から選択でき、さらには0.2MPa〜35Mpaの範囲から選択でき、好適には0.2MPa〜20Mpaの範囲、より好適には0.5MPa〜10Mpaの範囲、さらにより好適には1.0MPa〜3.0Mpaの範囲から選択できる。例えば、1.5Mpaを採用することができる。
The impure hydrogen gas is usually pressurized and then injected from the gas inlet 53 into the hydrogen gas-ultra pure water mixing chamber 56 in the tank filled with ultra pure water from the nozzle 54. The hydrogen gas introduced into the hydrogen gas filtration tank 55 becomes small bubbles and rises in the ultrapure water in the tank and reaches the highly purified hydrogen gas chamber 59 where purified hydrogen gas accumulates. . The highly purified hydrogen gas accumulated in the hydrogen gas chamber 59 is taken out from the hydrogen gas outlet 63.
The temperature when hydrogen gas is treated with ultrapure water is not particularly limited, and an optimum temperature can be selected as appropriate. However, it can usually be performed at room temperature. The pressure of hydrogen gas when introduced into the hydrogen gas filtration tank is typically preferably not less than atmospheric pressure, and is not particularly limited, and an optimal pressure can be selected as appropriate, for example, 0.15 MPa Can be selected from the range of ~ 100Mpa, in some cases can be selected from the range of 0.15MPa ~ 70Mpa, and further can be selected from the range of 0.2MPa ~ 35Mpa, preferably in the range of 0.2MPa ~ 20Mpa, more preferably 0.5MPa It can be selected from the range of ~ 10Mpa, and more preferably from the range of 1.0MPa ~ 3.0Mpa. For example, 1.5 Mpa can be employed.

本発明に従えば、もっとも単純な態様では、下記で説明する図2の一次水素ガス濾過槽10におけるように、超純水の溜められている槽内の超純水層に不純水素ガスを吹き入れることにより、精製処理を行うことが可能である。この手法では、例えば、88vol%の純度
の水素ガスを、単純且つ簡単は手法で、95.5〜96vol%の純度の水素ガスに精製できるし
、より高純度の水素ガスに精製することも可能である。
According to the present invention, in the simplest embodiment, impure hydrogen gas is blown into the ultrapure water layer in the tank in which ultrapure water is stored, as in the primary hydrogen gas filtration tank 10 described below with reference to FIG. By adding it, it is possible to carry out a purification treatment. In this method, for example, 88 vol% purity hydrogen gas can be purified to a 95.5 to 96 vol% purity hydrogen gas by a simple and simple method, or can be purified to a higher purity hydrogen gas. .

別の態様では、図1に示されるように、水素ガス濾過槽55内の上部の位置及び下部の位置にメッシュ板又はパンチングメタル板58', 58を配置し、その間にカール線材57を充填
して、超純水の水流に乱流が発生するようにして、水素ガスのバブルとの接触が増大するようにされて、より不純物が除去できるようにしてあることができる。
かくして、本発明では、超純水ガス濾過槽内に不純物を含有した水素ガスを通過せしめ、超純水で水素ガスから不純物を除去することによって少なくとも95〜96vol%以上に水
素ガスの純度を上げることを特徴とする水素ガス精製法が提供される。
In another embodiment, as shown in FIG. 1, mesh plates or punching metal plates 58 ′ and 58 are arranged at an upper position and a lower position in the hydrogen gas filtration tank 55, and a curled wire material 57 is filled therebetween. Thus, the turbulent flow is generated in the ultrapure water flow so that the contact with the hydrogen gas bubble is increased so that impurities can be further removed.
Thus, in the present invention, the purity of the hydrogen gas is increased to at least 95 to 96 vol% by allowing the hydrogen gas containing impurities to pass through the ultrapure water gas filtration tank and removing the impurities from the hydrogen gas with ultrapure water. A hydrogen gas purification method is provided.

上記より明らかなように、本発明では極めて簡単な手法であり、且つ、経済的に優れており、さらに、環境負荷の点でも有利である、高純度水素ガス又は超高純度水素ガス製造装置が提供できる。
当該水素ガス製造装置は、原料水素ガス中に含まれる不純物が超純水により除去できることを利用し、気体である水素ガスと液体である超純水との接触などを含めた相互作用を効率的に行おうとするもので、不純物を含有している原料水素ガスから不純物含有量の低減化されている高純度水素ガスを製造する高純度水素ガス製造装置、あるいは、ある程度精製されており不純物含有量の低減化されている高純度水素ガスから不純物含有量の極めて少ない超高純度水素ガスを製造する超高純度水素ガス製造装置であって、不純物を含有している原料水素ガスを供給する原料水素ガス供給ライン(あるいは不純物を含有している高純度水素ガスを供給する原料高純度水素ガス供給ライン)と、精製された高純度水素ガスを取り出す高純度水素ガスライン(あるいは精製された超高純度水素ガスを取り出す超高純度水素ガスライン)と、超純水を供給する超純水供給ラインと、使用済みの水を排
出する水排出ラインと、超純水を収容している水素ガス濾過槽であり、且つ、超純水で満たされた空間である超純水層(あるいは超純水を満たしてある超純水室(超純水槽))に気体である水素ガスを放出するための水素ガス出口ノズルを備え、超純水層を通過した気体である水素ガスが貯留する高純度水素ガス室(高純度水素ガス槽)〔あるいは超高純度水素ガス室(超高純度水素ガス槽)〕を有している水素ガス濾過槽を有しており、該水素ガス濾過槽内で気体である水素ガスと液体である超純水との接触などを含めた相互作用を行うことが可能であるようされているものであることを特徴とする。
As is clear from the above, the present invention provides a high-purity hydrogen gas or ultra-high-purity hydrogen gas production apparatus that is a very simple method, is economically superior, and is also advantageous in terms of environmental burden. Can be provided.
The hydrogen gas production equipment uses the fact that impurities contained in the raw hydrogen gas can be removed by ultra pure water, and efficiently performs interaction including contact between gaseous hydrogen gas and liquid ultra pure water. A high-purity hydrogen gas production apparatus that produces high-purity hydrogen gas with reduced impurity content from raw hydrogen gas that contains impurities, or to some extent purified impurity content Is a high-purity hydrogen gas production apparatus that produces ultra-high purity hydrogen gas with a very low impurity content from high-purity hydrogen gas that has been reduced, and supplies raw hydrogen gas that contains impurities Gas supply line (or raw material high-purity hydrogen gas supply line for supplying high-purity hydrogen gas containing impurities) and high-purity hydrogen gas for extracting purified high-purity hydrogen gas IN (or ultra-high purity hydrogen gas line that extracts purified ultra-high purity hydrogen gas), ultra-pure water supply line that supplies ultra-pure water, water discharge line that discharges used water, and ultra-pure water And a hydrogen gas filtration tank containing ultrapure water, or an ultrapure water layer (or an ultrapure water chamber filled with ultrapure water (ultra pure water tank)) filled with ultrapure water. A high-purity hydrogen gas chamber (high-purity hydrogen gas tank) that contains hydrogen gas outlet nozzles for discharging certain hydrogen gas and stores hydrogen gas that has passed through the ultra-pure water layer [or ultra-high-purity hydrogen gas chamber] (Ultra high purity hydrogen gas tank)], including contact between hydrogen gas as a gas and ultra pure water as a liquid in the hydrogen gas filtration tank Characterized by being able to interact To.

該水素ガス濾過槽内では、導入された水素ガスに含まれる不純物が超純水により除去さることが果たされるよう、水素ガスが通り抜ける超純水層の距離が実質的にあるように図られるが、それは超純水中の水素ガスの気体の泡のサイズを小さいものとしたり、超純水の流れに乱流を発生させるなどして、より効率的にしたり、及び/又は、超純水層の厚みを大きくして(水深を深いものとして)達成するものであってもよい。通常、精製作業中は、超純水は、水素ガス濾過槽内に絶えず供給され且つ使用済みの水は絶えず排出されて、水素ガス濾過槽内では超純水層に水流が存在するようにされている。一般的には、気体である水素ガスと液体である超純水とは、水素ガス濾過槽内の超純水層で向流接触される。
該水素ガス濾過槽は、水位センサーを備えて、超純水の濾過槽内での水位が監視及び/又は制御可能とされている。水の移動速度は、特に限定されず、適宜最適な水流速度を選択できるが、通常は1.0 cm/sec〜10m/secの範囲から選択でき、ある場合には、0.5m/sec
〜5m/secの範囲から選択でき、典型的な例では、1.0m/sec〜3.0m/secの範囲から選択できる。
In the hydrogen gas filtration tank, the ultrapure water layer through which the hydrogen gas passes is substantially spaced so that impurities contained in the introduced hydrogen gas are removed by the ultrapure water. It can be made more efficient by reducing the size of hydrogen gas gas bubbles in ultra pure water, generating turbulence in the flow of ultra pure water, and / or ultra pure water layer It may be achieved by increasing the thickness of the water (assuming a deep water depth). Normally, during the refining operation, ultrapure water is constantly supplied into the hydrogen gas filtration tank and used water is constantly discharged so that a water flow exists in the ultrapure water layer in the hydrogen gas filtration tank. ing. In general, hydrogen gas that is a gas and ultrapure water that is a liquid are in countercurrent contact with each other in an ultrapure water layer in a hydrogen gas filtration tank.
The hydrogen gas filtration tank includes a water level sensor so that the water level in the ultrapure water filtration tank can be monitored and / or controlled. The movement speed of water is not particularly limited, and an optimal water flow speed can be selected as appropriate, but it can usually be selected from the range of 1.0 cm / sec to 10 m / sec.
It can be selected from a range of ˜5 m / sec, and in a typical example, can be selected from a range of 1.0 m / sec to 3.0 m / sec.

一つの態様では、該水素ガス濾過槽は、3段構造とされており、下段に超純水の貯留槽(超純水室)、上段に精製された水素ガス槽(高純度化水素ガス室)を備え、中段部の上下の位置に気液通過が自由な仕切り板が配置され且つその中間部にカール線材が充填されている中間槽(中間室)を備えたものであることができる。ここで超純水の水流は下段方向に流れる場合に、カール線材によりかく乱されて、上昇してくる水素ガスのバブルと、より効率よい水素ガス中の不純物を除去せしめるように作用する。本水素ガス製造装置は、水質濃度センサーが備えられ、超純水の濾過槽内での水質の監視及び/又は制御可能とされている。本水素ガス製造装置は、自動運転が可能なように、及び/又は、運転状態の監視及び/又は制御が可能なように、制御システムとリンクされている。   In one embodiment, the hydrogen gas filtration tank has a three-stage structure, and a ultrapure water storage tank (ultra pure water chamber) is in the lower stage and a purified hydrogen gas tank (high purity hydrogen gas chamber) is in the upper stage. ), And an intermediate tank (intermediate chamber) in which a partition plate that allows free passage of gas and liquid is disposed at the upper and lower positions of the middle step portion and the intermediate portion is filled with a curled wire rod. Here, when the flow of ultrapure water flows in the lower direction, it is disturbed by the curled wire and acts to remove the rising bubbles of hydrogen gas and the impurities in the hydrogen gas more efficiently. This hydrogen gas production apparatus is provided with a water quality concentration sensor, and can monitor and / or control the water quality in the filtration tank of ultrapure water. The present hydrogen gas production apparatus is linked to a control system so that automatic operation can be performed and / or operation status can be monitored and / or controlled.

本発明に従い、より効率的で且つより実用的な高純度水素ガス発生装置を構築できる。本発明に従った高純度水素ガス発生装置の一例の概略を示すフロー図を図2に示す。
図2中、1は水素発生タンクで、10は一次水素ガス濾過槽、15は二次高純度水素ガス濾
過槽で、24は高純度水素ガス槽である。
水素発生タンク1では、ナトリウム化合物補給槽6よりナトリウム化合物送圧ポンプ7を
使用して注入されたナトリウム化合物の水性液を酸化ニッケル触媒などのニッケル触媒ユニット2の存在下に水素発生反応を行う。図2中、31は水位センサーであり、ナトリウム
化合物補給槽6では液状のナトリウム化合物の量を検知し、水素発生タンク1では、ナトリウム化合物含有の反応性水性液の量を検知している。水素発生タンク1は、海水・真水投
入口3及び水質濃度弁4に連なる水質濃度センサー5が備えられており、タンク1内への水を供給したり、水質管理のためのモニターが可能となっている。水素発生タンク1で生成せ
しめられた水素ガスは発生ガス加圧装置8を介して水素ガス接続管9を通って一次水素ガス濾過槽10に導入される。水素ガスの量は、反応槽1の容量と反応物質の量とその純度等に
よって自由に変えることができる。
According to the present invention, a more efficient and more practical high-purity hydrogen gas generator can be constructed. FIG. 2 is a flowchart showing an outline of an example of the high-purity hydrogen gas generator according to the present invention.
In FIG. 2, 1 is a hydrogen generation tank, 10 is a primary hydrogen gas filtration tank, 15 is a secondary high-purity hydrogen gas filtration tank, and 24 is a high-purity hydrogen gas tank.
In the hydrogen generation tank 1, an aqueous solution of a sodium compound injected from the sodium compound replenishing tank 6 using a sodium compound pressure pump 7 is subjected to a hydrogen generation reaction in the presence of a nickel catalyst unit 2 such as a nickel oxide catalyst. In FIG. 2, 31 is a water level sensor, which detects the amount of liquid sodium compound in the sodium compound replenishing tank 6, and detects the amount of reactive aqueous liquid containing sodium compound in the hydrogen generation tank 1. The hydrogen generation tank 1 is equipped with a water quality sensor 5 connected to the seawater / fresh water inlet 3 and the water quality valve 4 to supply water into the tank 1 and to monitor for water quality management. ing. The hydrogen gas generated in the hydrogen generation tank 1 is introduced into the primary hydrogen gas filtration tank 10 through the hydrogen gas connection pipe 9 through the generation gas pressurizing device 8. The amount of hydrogen gas can be freely changed depending on the capacity of the reaction tank 1, the amount of reactants, their purity, and the like.

ナトリウム化合物として、加水分解反応により水素生成が可能な水素化ホウ素ナトリウムを好適に使用できる。水素発生源とする化合物としては、無機水素化物などの水素化物
から選択して使用することもできる。該水素化物としては、特開2001-19401号公報や特開2002-241102号公報などに開示の金属水素錯化合物から選択されたものであってもよい。
水素化ホウ素ナトリウムはアルカリ水溶液中や乾燥空気中で安定であり、金属の塩類、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、白金、ロジウム、ルテニウムなどの塩が共存すると、水中での水素発生反応が促進される。水素化ホウ素ナトリウムが加水分解して水素を発生するのを触媒するものとしては、ラネーニッケル触媒などのNi触媒、ラネーコバルト触媒などのCo触媒、スポンジNi-Co合金触媒などの合金触媒、酸化ニッケル触媒など、当該分
野で知られたものから適宜選択して使用されてよい。
As the sodium compound, sodium borohydride capable of generating hydrogen by a hydrolysis reaction can be suitably used. The compound used as the hydrogen generation source can be selected from hydrides such as inorganic hydrides. The hydride may be one selected from metal hydride complex compounds disclosed in JP-A-2001-19401 and JP-A-2002-241102.
Sodium borohydride is stable in alkaline aqueous solution and in dry air, and the presence of metal salts such as iron, cobalt, nickel, platinum, rhodium, ruthenium, etc. promotes hydrogen generation reaction in water. The Catalysts that catalyze the generation of hydrogen by hydrolysis of sodium borohydride include Ni catalysts such as Raney nickel catalysts, Co catalysts such as Raney cobalt catalysts, alloy catalysts such as sponge Ni-Co alloy catalysts, nickel oxide catalysts Etc. may be appropriately selected from those known in the art.

一次水素ガス濾過槽10内には超純水32が入れられており、一次水素ガス濾過槽10に導入された水素ガスは超純水層11を通る間に精製され高純度化一次水素ガスとなり、次いで、高純度水素ガス接続管を通って二次高純度水素ガス濾過槽15に導入される。一次水素ガス濾過槽10内には、タンクの高さのおおよそ三分の一ぐらいに超純水32が入れてある。
一次水素ガス濾過槽10は、超純水投入口33及び弁12に連なるセンサー13が備えられており、濾過槽10内への超純水を供給したり、水質管理のためのモニターすることが可能となっている。また、濾過槽10は水位センサー31があり、槽内の水の量を監視できる。
二次高純度水素ガス濾過槽15は、超純水補給管21が備えられており、ポンプ20を介して超純水が供給並びに排出できるようになっており、槽15内の超純水の水位を監視できるように水位センサー31も設けられている。二次高純度水素ガス濾過槽15において、下方は高純度水素ガス・超純水混合室16が位置し、上方は超高純度水素ガス室19が位置する。
Ultrapure water 32 is placed in the primary hydrogen gas filtration tank 10, and the hydrogen gas introduced into the primary hydrogen gas filtration tank 10 is purified while passing through the ultrapure water layer 11 to become highly purified primary hydrogen gas. Then, it is introduced into the secondary high-purity hydrogen gas filtration tank 15 through the high-purity hydrogen gas connection pipe. In the primary hydrogen gas filtration tank 10, ultrapure water 32 is placed at about one third of the height of the tank.
The primary hydrogen gas filtration tank 10 is provided with a sensor 13 connected to the ultrapure water inlet 33 and the valve 12 to supply ultrapure water into the filtration tank 10 and to monitor for water quality management. It is possible. Moreover, the filtration tank 10 has a water level sensor 31 and can monitor the amount of water in the tank.
The secondary high-purity hydrogen gas filtration tank 15 is provided with an ultrapure water replenishment pipe 21 so that ultrapure water can be supplied and discharged via the pump 20, and the ultrapure water in the tank 15 is supplied. A water level sensor 31 is also provided so that the water level can be monitored. In the secondary high purity hydrogen gas filtration tank 15, a high purity hydrogen gas / ultra pure water mixing chamber 16 is positioned below, and an ultra high purity hydrogen gas chamber 19 is positioned above.

本発明の一つの好ましい具体的な態様では、二次高純度水素ガス濾過槽15は3段構造に
なっており、下段の一段目は超純水の貯留槽があり、そこに一次水素ガス濾過槽10を通過した水素ガスが送られてくる。例えば、この段階で96〜97vol%の水素ガスの純度になっ
ている。この二次水素ガス濾過槽は上部槽から循環ポンプにより超純水が下部槽へ流れ、水素ガスは下部槽から上部槽へ流れ対流する。二次高純度水素ガス濾過槽15において、下方にメッシュ板(あるいはパンチングメタル板)などの気体や液体の通過が自由な仕切り板18を設けると共に、その上方にも、メッシュ板(あるいはパンチングメタル板)などの気体や液体の通過が自由な仕切り板18'を設け、その間にカール線材を充填してある層を
形成しておくことができる。上部槽と下部槽のパンチングメタル仕切り板にサンドイッチされたステンレスカール線材17の作用で水素ガスと超純水の接触効率が上がり、水の球形粒子の隙間に不純物は吸着され、水素ガスは99.9vol%と超高純度化されて超高純度水素
ガス糟24に送られる。当該カール線材を充填してある層は、上方から下方に流れる超純水の水流と下方から上方に移動する水素ガスなどガス流との間の相互作用が増大するとか、水素ガス中の不純物がより低減化されるように工夫されたものであってよく、同様な作用効果が達成できるものであれば、上記に限定されるものではなく、当該分野で知られた技術・手法の中から選んで適用してもよい。上記メッシュ板やパンチングメタル板、さらにカール線材などとしては、耐食性の材料などからなるもの、例えば、ステンレス鋼(ステンレススチール)などを好適に使用できる。二次高純度水素ガス濾過槽15の超純水の水位は、通常の動作中では、メッシュ板18'の少し上方に位置するように制御せしめられてい
る。二次高純度水素ガス濾過槽15にも、弁22に連なるセンサー13が備えられており、濾過槽15内の水質管理のためのモニターをすることが可能となっている。
In one preferred specific embodiment of the present invention, the secondary high-purity hydrogen gas filtration tank 15 has a three-stage structure, and the first stage of the lower stage has an ultrapure water storage tank, in which the primary hydrogen gas filtration tank is provided. Hydrogen gas that has passed through the tank 10 is sent. For example, the purity of hydrogen gas is 96 to 97 vol% at this stage. In this secondary hydrogen gas filtration tank, ultrapure water flows from the upper tank to the lower tank by a circulation pump, and hydrogen gas flows from the lower tank to the upper tank and is convected. In the secondary high-purity hydrogen gas filtration tank 15, a partition plate 18 through which a gas or a liquid such as a mesh plate (or punching metal plate) can freely pass is provided below, and a mesh plate (or punching metal plate) is also provided above the partition plate 18. A partition plate 18 'through which a gas or liquid such as) can freely pass is provided, and a layer filled with a curled wire can be formed between them. The contact efficiency of hydrogen gas and ultrapure water is increased by the action of the stainless steel curled wire 17 sandwiched between the punching metal partition plates in the upper and lower tanks. Impurities are adsorbed in the gaps between the spherical particles of water, and the hydrogen gas is 99.9vol. % Ultra-high purity and sent to ultra-high purity hydrogen gas tank 24. The layer filled with the curled wire increases the interaction between the flow of ultrapure water flowing from the upper side to the lower side and the gas flow such as hydrogen gas moving from the lower side to the upper side, or impurities in the hydrogen gas are increased. As long as it can be devised so that it can be further reduced and can achieve the same effect, it is not limited to the above, and is selected from the techniques and methods known in the field. May be applied. As the mesh plate, the punching metal plate, and the curled wire, those made of a corrosion-resistant material such as stainless steel (stainless steel) can be preferably used. The level of ultrapure water in the secondary high-purity hydrogen gas filtration tank 15 is controlled to be positioned slightly above the mesh plate 18 ′ during normal operation. The secondary high-purity hydrogen gas filtration tank 15 is also provided with a sensor 13 connected to the valve 22 so that it is possible to monitor the water quality in the filtration tank 15.

一般的には、本水素ガスの超純水による精製法では、超純水流と不純物を含有する水素ガス流とは向流的に相互作用せしめられて、水素ガスを高純度化するようにせしめられる。超純水流と不純物を含有する水素ガス流との間の相互作用は、水中を泡(バブル)となって移動する水素ガス流のバブルのサイズ及び/又は数を制御することにより調節することも可能である、一般的には、バブルのサイズを小さくしたり、バブルの数を多くすると、水素ガス中の不純物をより低減できる。
超純水層を通過して精製されて得られた超高純度水素ガスは、次に、水素ガス接続管23
を通って水素ガス槽24に送られる。水素ガス槽24には、排水弁28、そしてそれに連なる検知装置29やポンプが備えられていてよい。
こうして得られた超高純度水素ガスは、水素燃料電池25や水素燃料燃焼炉26に超高純度水素ガス接続管27を介して供給される。
In general, in the purification method of this hydrogen gas with ultrapure water, the ultrapure water stream and the hydrogen gas stream containing impurities are allowed to interact countercurrently, so that the hydrogen gas is highly purified. It is done. The interaction between the ultrapure water stream and the hydrogen gas stream containing impurities can also be adjusted by controlling the size and / or number of bubbles in the hydrogen gas stream moving as bubbles in the water. In general, when the bubble size is reduced or the number of bubbles is increased, impurities in the hydrogen gas can be further reduced.
The ultra-high purity hydrogen gas obtained by purification through the ultra-pure water layer is then supplied to the hydrogen gas connecting pipe 23.
It is sent to the hydrogen gas tank 24 through. The hydrogen gas tank 24 may be provided with a drain valve 28, and a detection device 29 and a pump connected thereto.
The ultrahigh purity hydrogen gas thus obtained is supplied to the hydrogen fuel cell 25 and the hydrogen fuel combustion furnace 26 via the ultrahigh purity hydrogen gas connection pipe 27.

上記した一つの具体的な態様に従うと、例えば、出発ガスである不純物を含有する水素ガスとして、水素の純度が85〜89vol%の不純水素ガスを上記一次水素ガス濾過槽10に通
すことにより、水素ガスの純度が95vol%以上、例えば、95〜98vol%のいずれかあるいはそれ以上に上げられている高純度水素ガスが得られ、こうして得られた95vol%以上、例
えば、少なくとも95〜98vol%のいずれかあるいはそれ以上に水素ガスの純度が上げられ
ている高純度水素ガスを上記二次高純度水素ガス濾過槽15に通すことにより、水素ガスの純度が97〜99.999999vol%のいずれかあるいはそれ以上に上げられている高純度水素ガスが得られる。一つの好ましい態様では、少なくとも96〜97vol%のいずれかあるいはそれ
以上に水素ガスの純度が上げられている高純度水素ガスを上記二次高純度水素ガス濾過槽15に通すことにより、水素ガスの純度が97〜99.9vol%のいずれかあるいはそれ以上に上
げられている高純度水素ガスが得られる。
According to one specific embodiment described above, for example, by passing an impure hydrogen gas having a hydrogen purity of 85 to 89 vol% as the hydrogen gas containing impurities as a starting gas through the primary hydrogen gas filtration tank 10, A high-purity hydrogen gas having a purity of hydrogen gas of 95 vol% or higher, for example, 95 to 98 vol% or higher is obtained, and thus obtained 95 vol% or higher, for example, at least 95 to 98 vol% By passing high purity hydrogen gas whose purity of hydrogen gas is raised to one or more through the secondary high purity hydrogen gas filtration tank 15, the purity of hydrogen gas is either 97 to 99.999999 vol% or more. The high purity hydrogen gas raised above is obtained. In one preferred embodiment, the high purity hydrogen gas having a purity of hydrogen gas of at least 96 to 97 vol% or more is passed through the secondary high purity hydrogen gas filtration tank 15 to pass hydrogen gas. A high-purity hydrogen gas having a purity of 97-99.9 vol% or higher is obtained.

一つの具体例では、上記一次水素ガス濾過槽10にはタンクのタンクの三分の一ぐらいとなるように超純水32が入れられており、その中を、加圧装置8を通って送られた水素ガス
純度89vol%のガスが通過せしめられる。一次水素ガス濾過槽10を通った高純度水素ガス
は、次に二次高純度水素ガス濾過槽15を通る。二次高純度水素ガス濾過槽15は3段構造に
なっており、下段の一段目は超純水の貯留槽があり、そこに一次水素ガス濾過槽10を通過した水素ガスが送られてくる。この段階で96〜97vol%の水素ガスの純度になっている。
この二次水素ガス濾過槽は上部槽から循環ポンプにより超純水が下部槽へ流れ、水素ガスは下部槽から上部槽へ流れ対流する。上部槽と下部槽のパンチングメタル仕切り板にサンドイッチされたステンレスカール線材17の作用で水素ガスと超純水の接触効率が上がり、水の球形粒子の隙間に不純物は吸着され、水素ガスは99.9vol%と超高純度化されて超高
純度水素ガス糟24に送られる。
かくして、本発明に従えば、超純水ガス濾過槽内の該槽の上下にステンレスのパンチングメタル板を置き、その間にステンレスカール線材を充填し、該ガス濾過槽内のカール線材充填部を満たすように超純水を該ガス濾過槽内に入れ、少なくとも95〜96vol%のいず
れかあるいはそれ以上に水素ガスの純度が上げられている高純度水素ガスを通過させることによって純度99.9vol%以上の超高純度水素ガスを得ることを特徴とする水素ガス精製
法が提供される。
In one specific example, the primary hydrogen gas filtration tank 10 is filled with ultrapure water 32 so as to be about one-third of the tank of the tank. The gas having a purity of 89 vol% is passed through. The high purity hydrogen gas that has passed through the primary hydrogen gas filtration tank 10 then passes through the secondary high purity hydrogen gas filtration tank 15. The secondary high-purity hydrogen gas filtration tank 15 has a three-stage structure, and the first stage of the lower stage has a storage tank for ultrapure water, and hydrogen gas that has passed through the primary hydrogen gas filtration tank 10 is sent to it. . At this stage, the purity of hydrogen gas is 96 to 97 vol%.
In this secondary hydrogen gas filtration tank, ultrapure water flows from the upper tank to the lower tank by a circulation pump, and hydrogen gas flows from the lower tank to the upper tank and is convected. The contact efficiency of hydrogen gas and ultrapure water is increased by the action of the stainless steel curled wire 17 sandwiched between the punching metal partition plates in the upper and lower tanks. Impurities are adsorbed in the gaps between the spherical particles of water, and the hydrogen gas is 99.9vol. % Ultra-high purity and sent to ultra-high purity hydrogen gas tank 24.
Thus, according to the present invention, stainless steel punching metal plates are placed on the upper and lower sides of the ultrapure water gas filtration tank, and the stainless curl wire is filled between them to fill the curl wire filling portion in the gas filtration tank. As described above, ultrapure water is put into the gas filtration tank, and a purity of 99.9 vol% or more is obtained by passing high purity hydrogen gas in which the purity of hydrogen gas is increased to at least 95 to 96 vol% or more. Provided is a hydrogen gas purification method characterized by obtaining ultra-high purity hydrogen gas.

上記から明らかな如く、本発明では、超高純度水素ガス発生装置が提供される。
当該超高純度水素ガス発生装置は、超純水による水素ガス精製処理を少なくとも2段階行って、極めて簡単な手法であり、且つ、経済的に優れており、さらに、環境負荷の点でも有利であるもので、水素の発生から高純度化までを行うことのできるものである。当該超高純度水素ガス発生装置は、水素発生タンク、一次水素ガス濾過槽、二次水素ガス濾過槽、及び、高純度化された超高純度水素ガスを貯留する水素ガス槽を備えており、さらに、水素ガス発生タンクにおいて発生させられた水素ガスを加圧装置により加圧した上で一次水素ガス濾過槽に導入するための水素ガス接続ライン、一次水素ガス濾過槽で精製されて得られた高純度水素ガスを二次水素ガス濾過槽に設けられたノズルを介して二次水素ガス濾過槽に導入するための高純度水素ガス接続ライン、及び、二次水素ガス濾過槽で精製されて得られた超高純度水素ガスを超高純度水素ガス貯留用水素ガス槽に導くための超高純度水素ガス接続ラインを備えており、該一次水素ガス濾過槽及び該二次水素ガス濾過槽は、共に、超純水供給ライン及び水排出ラインを備え、当該水素ガス濾過槽中の超純水層を水素ガスが通ることにより精製処理がなされることを特徴としている。
該水素ガス濾過槽は、水位センサーを備えて、超純水の濾過槽内での水位が監視及び/
又は制御可能とされている。
As is apparent from the above, the present invention provides an ultra-high purity hydrogen gas generator.
The ultra high purity hydrogen gas generator is an extremely simple method by performing hydrogen gas purification treatment with ultra pure water in at least two stages, is economically superior, and is also advantageous in terms of environmental load. There is something that can be performed from generation of hydrogen to high purity. The ultra-high purity hydrogen gas generator includes a hydrogen generation tank, a primary hydrogen gas filtration tank, a secondary hydrogen gas filtration tank, and a hydrogen gas tank for storing highly purified ultra-high purity hydrogen gas. Furthermore, the hydrogen gas generated in the hydrogen gas generation tank was pressurized by a pressurizing device and then purified by the hydrogen gas connection line for introducing the hydrogen gas generation tank into the primary hydrogen gas filtration tank. Purified by high purity hydrogen gas connection line for introducing high purity hydrogen gas into secondary hydrogen gas filtration tank through nozzle provided in secondary hydrogen gas filtration tank, and secondary hydrogen gas filtration tank An ultra-high purity hydrogen gas connection line for introducing the ultra-high purity hydrogen gas into a hydrogen gas tank for ultra-high purity hydrogen gas storage, the primary hydrogen gas filtration tank and the secondary hydrogen gas filtration tank, Both ultrapure water supply Comprising a down and water discharge lines, it is characterized in that purification by passing ultrapure water layer of the hydrogen gas filtration tank hydrogen gas is made.
The hydrogen gas filtration tank is equipped with a water level sensor to monitor and / or monitor the water level in the ultrapure water filtration tank.
Or it can be controlled.

一つの典型的な態様では、該二次水素ガス濾過槽は、3段構造とされており、下段に超純水の貯留槽(超純水室)、上段に精製された水素ガス槽(超高純度化水素ガス室)を備え、中段部の上下の位置に気液通過が自由な仕切り板が配置され且つその中間部にカール線材が充填されている中間槽(中間室)を備えたものであることができる。ここで超純水の水流は下段方向に流れる場合に、カール線材によりかく乱されて、上昇してくる水素ガスのバブルと、より効率よい水素ガス中の不純物を除去せしめるように作用する。本超高純度水素ガス発生装置は、水質濃度センサーが備えられ、超純水の濾過槽内での水質の監視及び/又は制御可能とされている。本超高純度水素ガス発生装置は、自動運転が可能なように、及び/又は、運転状態の監視及び/又は制御が可能なように、制御システムとリンクされている。   In one typical embodiment, the secondary hydrogen gas filtration tank has a three-stage structure. The ultrapure water storage tank (ultra pure water chamber) is in the lower stage, and the purified hydrogen gas tank (ultra pure water chamber) is in the upper stage. High-purity hydrogen gas chamber), with an intermediate tank (intermediate chamber) in which a partition plate that allows free passage of gas and liquid is arranged at the upper and lower positions of the middle stage portion, and the intermediate portion is filled with curled wire Can be. Here, when the flow of ultrapure water flows in the lower direction, it is disturbed by the curled wire and acts to remove the rising bubbles of hydrogen gas and the impurities in the hydrogen gas more efficiently. The ultra high purity hydrogen gas generator is provided with a water quality concentration sensor, and can monitor and / or control the water quality in a filtration tank of ultra pure water. The ultra-high purity hydrogen gas generator is linked to a control system so that automatic operation is possible and / or monitoring and / or control of operating conditions is possible.

本発明の超純水による水素ガス精製技術で得られる水素ガス生成物は、燃料電池用のクリーンエネルギー源として使用可能であり、定置用燃料電池、自動車用燃料電池、家庭用燃料電池、携帯型燃料電池などの用途、水素燃料エンジン、水素燃料タービン、石油精製(分解・脱硫)など、アンモニア、メタノール、半導体用シリコン、光ファイバーなどの製造に際しての化学原料、製鉄工業、半導体工業、電子工業などで利用可能である。
得られる水素ガスは、小規模分散型水素製造装置により製造された水素ガスの精製に利用されることも可能である。
以下に実施例を掲げ、本発明を具体的に説明するが、この実施例は単に本発明の説明のため、その具体的な態様の参考のために提供されているものである。これらの例示は本発明の特定の具体的な態様を説明するためのものであるが、本願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。本発明では、本明細書の思想に基づく様々な実施形態が可能であることは理解されるべきである。
全ての実施例は、他に詳細に記載するもの以外は、標準的な技術を用いて実施したもの、又は実施することのできるものであり、これは当業者にとり周知で慣用的なものである。
The hydrogen gas product obtained by the hydrogen gas purification technology using ultrapure water of the present invention can be used as a clean energy source for a fuel cell, and is a stationary fuel cell, an automobile fuel cell, a household fuel cell, a portable type Applications such as fuel cells, hydrogen fuel engines, hydrogen fuel turbines, petroleum refining (decomposition and desulfurization), ammonia, methanol, silicon for semiconductors, chemical raw materials for the production of optical fibers, etc., in the steel industry, semiconductor industry, electronics industry, etc. Is available.
The obtained hydrogen gas can also be used for purification of hydrogen gas produced by a small-scale distributed hydrogen production apparatus.
The present invention will be described in detail with reference to the following examples, which are provided merely for the purpose of illustrating the present invention and for reference to specific embodiments thereof. These exemplifications are for explaining specific specific embodiments of the present invention, but are not intended to limit or limit the scope of the invention disclosed in the present application. In the present invention, it should be understood that various embodiments based on the idea of the present specification are possible.
All examples were performed or can be performed using standard techniques, except as otherwise described in detail, and are well known and routine to those skilled in the art. .

〔1〕 水中に粉末状ニッケル合金触媒(3kg)を入れ、そこに1kgの水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)を添加すると、水中で激しく化学反応が進行して多量の水素ガスを容易に得る
ことができる。得られた水素を主とした混合ガスが5分間で約2,660リットル発生する。
この反応で得られる水素ガスの純度は89vol%である。
[1] When a powdered nickel alloy catalyst (3 kg) is placed in water and 1 kg of sodium borohydride (NaBH 4 ) is added thereto, a chemical reaction proceeds vigorously in water to easily obtain a large amount of hydrogen gas. Can do. About 2,660 liters of gas mixture mainly containing hydrogen is generated in 5 minutes.
The purity of the hydrogen gas obtained by this reaction is 89 vol%.

〔2〕 上記〔1〕で発生させて得られた水素ガスを「不純水素ガス」として水素ガス濾過装置に導入して精製処理を行った。該水素ガス濾過装置の概要は図3に示してある。
図3において、不純水素ガスは入口83よりガス濾過装置85に導入される。ノズル84より不純水素ガスを超純水中に吹き入れることができる。該ガス濾過装置85は、一次フィルター94、二次フィルター93、そして超純水用メンブレンフィルター92を通ることにより得られる超純水(少なくとも電気抵抗が18メガオーム以下とされたもの)が、洗浄用超純水循環ポンプ90を介して、連続的に導入されるように構成できる。図3において、水配管系には、クッションタンク96、自動エアー抜き弁97、ブロー98が備えられており、補給水99の配管を有し、水質濃度センサー95により水質はモニターされることができる。
[2] The hydrogen gas obtained in the above [1] was introduced as “impure hydrogen gas” into a hydrogen gas filtration device for purification. The outline of the hydrogen gas filter is shown in FIG.
In FIG. 3, the impure hydrogen gas is introduced into the gas filtration device 85 from the inlet 83. Impure hydrogen gas can be blown into the ultrapure water from the nozzle 84. The gas filtration device 85 uses a primary filter 94, a secondary filter 93, and an ultrapure water obtained by passing through an ultrapure water membrane filter 92 (at least an electrical resistance of 18 megaohms or less) for cleaning. It can be configured to be continuously introduced via the ultrapure water circulation pump 90. In FIG. 3, the water piping system is provided with a cushion tank 96, an automatic air vent valve 97, and a blow 98, has a piping for makeup water 99, and the water quality can be monitored by a water quality concentration sensor 95. .

該ガス濾過装置85内の超純水の水位は、下位水位センサー81と上位水位センサー82とを使用して、さらに流量計91を監視しながら、所定の位置となるよう、調節されることができる。水位は、通常は、動作中は、下位水位センサー81と上位水位センサー82との間の位置となるようにされている。該ガス濾過装置85中には、下部と上部にそれぞれメッシュ板88, 88'が設けられており、その上部メッシュ板88'と下部メッシュ板88の間にはカール線
が空間を埋めて満たすように充填されている。該メッシュ板及びカール線は、ステンレス鋼を使用することができ、例えば、SUS304メッシュ板やSUS304カール線を好適に使用できる。ノズル84より吹き込まれた水素ガスは、超純水-水素ガス混合室86を経て、該ガス濾
過装置85中を上昇するように流れて精製され、その精製された水素ガスは、超高純度水素ガス室89を経てガス出口93より、超高純度水素ガスとして得られる。
The level of ultrapure water in the gas filtration device 85 can be adjusted to a predetermined position while monitoring the flow meter 91 using the lower water level sensor 81 and the upper water level sensor 82. it can. Normally, the water level is positioned between the lower water level sensor 81 and the upper water level sensor 82 during operation. In the gas filtration device 85, mesh plates 88 and 88 'are provided at the lower and upper portions, respectively, and a curl line fills the space between the upper mesh plate 88' and the lower mesh plate 88 so as to fill the space. Is filled. For the mesh plate and the curled wire, stainless steel can be used. For example, a SUS304 mesh plate or a SUS304 curled wire can be suitably used. The hydrogen gas blown from the nozzle 84 passes through the ultrapure water-hydrogen gas mixing chamber 86 and flows and is purified so as to rise in the gas filtration device 85, and the purified hydrogen gas is ultrapure hydrogen. Ultra high purity hydrogen gas is obtained from the gas outlet 93 through the gas chamber 89.

〔3〕 上記〔1〕の反応で発生させた水素ガス(不純物を含有している水素ガス、すなわち、不純水素ガス)を直接捕集したものを、ガス試料No.1とした。また、図3に示された水素ガス濾過装置において、メッシュ板88, 88'並びにその間のカール線が、いずれも
設置してない状態の装置であること、さらに、超純水は装置内に溜めた状態として使用されていることを除いては、上記したのと同一の手法で以って処理してあり、超純水でもって精製処理後に超純水上で捕集された超高純度水素ガスを、ガス試料No.2とした。両試料を検体として、無機ガスについては、ガスクロマトグラフ/熱伝導度検出器(GC-TCD)で、有機ガスについては、ガスクロマトグラフ/質量分析計(GC-MS)及び水素炎イオン化検出
器付ガスクロマトグラフ(GC-FID)で分析した。
検体ガス中の有機ガス成分の定性分析結果を、図4〜11に示す。図4及び5に試料のトータルイオンクロマトグラムを示し、図6〜11に主な検出ピークの質量スペクトルを示す。表1に成分検索結果を示す。
[3] A gas sample No. 1 was obtained by directly collecting the hydrogen gas (hydrogen gas containing impurities, ie, impure hydrogen gas) generated by the reaction of [1]. Further, in the hydrogen gas filtration device shown in FIG. 3, the mesh plates 88, 88 ′ and the curled wire therebetween are not installed, and ultrapure water is stored in the device. The ultra-high purity hydrogen collected in ultrapure water after purification with ultrapure water, except that it is used in the same state as above. The gas was designated as gas sample No.2. Using both samples as specimens, gas chromatograph / thermal conductivity detector (GC-TCD) for inorganic gas, gas chromatograph / mass spectrometer (GC-MS) and gas chromatograph with flame ionization detector for organic gas Analyzed by a graph (GC-FID).
The qualitative analysis results of the organic gas components in the sample gas are shown in FIGS. 4 and 5 show the total ion chromatogram of the sample, and FIGS. 6 to 11 show mass spectra of main detection peaks. Table 1 shows the component search results.

Figure 2010254512
Figure 2010254512

注1)表中の推定成分は、装置内臓の標準物質との照合により検索された成分。
注2)ピーク2、3は、同じ成分が検索されたことから、類似構造の物質と予想される。
注3)m/z35〜500の範囲を観測した。メタンは、他の検出器により確認した。
検体ガス中のガス成分の定量分析結果を、表2及び3に示す。
Note 1) The estimated component in the table is the component retrieved by collating with the standard substance built in the device.
Note 2) Peaks 2 and 3 are expected to have similar structures because the same components were searched.
Note 3) The range of m / z 35-500 was observed. Methane was confirmed by another detector.
Tables 2 and 3 show the results of quantitative analysis of the gas components in the sample gas.

Figure 2010254512
Figure 2010254512

Figure 2010254512
*)T-HC(炭化水素類の総量;メタン換算量):GC-MS測定による主な検出ピークの質量
スペクトルから脂肪族炭化水素類(分岐構造のある脂肪族炭化水素、アルデヒド類、脂肪酸類などの混合物)と推定される。
Figure 2010254512
*) T-HC (total amount of hydrocarbons; methane equivalent amount): aliphatic hydrocarbons (branched aliphatic hydrocarbons, aldehydes, fatty acids) from the mass spectrum of the main detection peaks by GC-MS measurement Etc.).

以上より、超純水を使用して、簡単な手法で、水素ガスの純度96vol%程度まで精製で
きることが認められた。この超高純度水素ガスはそのまま燃焼塔に繋いでも良いし、別途燃料電池に利用しても十分通用する内容のものになっている。
From the above, it was confirmed that the purity of hydrogen gas can be purified to about 96 vol% by a simple method using ultrapure water. This ultra-high purity hydrogen gas may be connected to the combustion tower as it is, or has a content that can be sufficiently applied even if it is separately used for a fuel cell.

〔1〕 実施例1と同様にして、水中に粉末状ニッケル合金触媒を入れ、そこに水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)を添加して、水中で化学反応を進行せしめて、多量の水素ガスを
得る。得られた水素を主とした混合ガスを「不純水素ガス」として水素ガス濾過装置に導入して精製処理を行った。該水素ガス濾過装置の概要は図3に示したとおりのものである。
図3において、不純水素ガスは入口83よりガス濾過装置85に導入される。ノズル84より不純水素ガスが超純水中に吹き入れられる。該ガス濾過装置85には、一次フィルター94、二次フィルター93、そして超純水用メンブレンフィルター92を通ることにより得られる超純水(少なくとも電気抵抗が18メガオーム以下とされたもの)が、洗浄用超純水循環ポンプ90を介して、連続的に導入されている。図3において、水配管系には、クッションタンク96、自動エアー抜き弁97、ブロー98が備えられており、補給水99の配管を有し、水質濃度センサー95により水質はモニターされている。
[1] In the same manner as in Example 1, a powdered nickel alloy catalyst is placed in water, sodium borohydride (NaBH 4 ) is added thereto, and the chemical reaction proceeds in water, so that a large amount of hydrogen gas is generated. obtain. The obtained mixed gas mainly composed of hydrogen was introduced as “impure hydrogen gas” into a hydrogen gas filtration apparatus and purified. The outline of the hydrogen gas filter is as shown in FIG.
In FIG. 3, the impure hydrogen gas is introduced into the gas filtration device 85 from the inlet 83. Impure hydrogen gas is blown into the ultrapure water from the nozzle 84. The gas filter 85 is cleaned with ultrapure water (at least having an electrical resistance of 18 megaohms or less) obtained by passing through a primary filter 94, a secondary filter 93, and a membrane filter 92 for ultrapure water. It is continuously introduced through an ultrapure water circulation pump 90 for use. In FIG. 3, the water piping system is provided with a cushion tank 96, an automatic air vent valve 97, and a blow 98, has a piping for makeup water 99, and the water quality is monitored by a water quality concentration sensor 95.

該ガス濾過装置85内の超純水の水位は、下位水位センサー81と上位水位センサー82とを使用して、さらに流量計91を監視しながら、所定の位置となるよう、調節される。水位は、通常は、動作中は、下位水位センサー81と上位水位センサー82との間の位置となるようにされている。該ガス濾過装置85中には、下部と上部にそれぞれメッシュ板88, 88'が設
けられており、その上部メッシュ板88'と下部メッシュ板88の間にはカール線が空間を埋
めて満たすように充填されている。該メッシュ板及びカール線は、ステンレス鋼を使用することができ、例えば、SUS304メッシュ板やSUS304カール線を好適に使用できる。本実施例の精製処理においては、超純水の下降流速は、2m/sec以上として実施され、ノズル84より吹き込まれた水素ガスは、該ガス濾過装置85内で、超純水と向流して接触する。ノズル84より吹き込まれた水素ガスは、超純水-水素ガス混合室86を経て、該ガス濾過装置85中
を上昇するように流れて精製され、その精製された水素ガスは、超高純度水素ガス室89を経てガス出口93より、超高純度水素ガスとして得られる。
本発明は、水素ガス中の不純物を除去するという難問を、水の構造に注目することによって産業レベルで、高純度水素ガスを容易に得る画期的な方法であることが明らかである。
The level of ultrapure water in the gas filtration device 85 is adjusted to a predetermined position while monitoring the flow meter 91 using the lower water level sensor 81 and the upper water level sensor 82. Normally, the water level is positioned between the lower water level sensor 81 and the upper water level sensor 82 during operation. In the gas filtration device 85, mesh plates 88 and 88 'are provided at the lower and upper portions, respectively, and a curl line fills the space between the upper mesh plate 88' and the lower mesh plate 88 so as to fill the space. Is filled. For the mesh plate and the curled wire, stainless steel can be used. For example, a SUS304 mesh plate or a SUS304 curled wire can be suitably used. In the purification process of the present embodiment, the flow rate of ultrapure water is set to 2 m / sec or more, and the hydrogen gas blown from the nozzle 84 flows countercurrently to the ultrapure water in the gas filtration device 85. Contact. The hydrogen gas blown from the nozzle 84 passes through the ultrapure water-hydrogen gas mixing chamber 86 and flows and is purified so as to rise in the gas filtration device 85, and the purified hydrogen gas is ultrapure hydrogen. Ultra high purity hydrogen gas is obtained from the gas outlet 93 through the gas chamber 89.
It is clear that the present invention is an epoch-making method for easily obtaining high-purity hydrogen gas at an industrial level by focusing on the structure of water to solve the difficult problem of removing impurities in hydrogen gas.

家庭用や自動車用の燃料電池等の高い純度が要求される用途の要求に応えることができ
、簡単で、経済的で、安全な手法で、高純度の水素ガスを提供することが可能となり、水素ガスをエネルギー源や工業原料とする産業・技術の発達に貢献できる。安価且つ大量に水素ガスを簡単に精製できて、高純度の水素ガスとすることができるので、自動車産業、半導体産業、電子機器産業、化学工業、石油精製など様々な産業での利用に適している。
本発明は、前述の説明及び実施例に特に記載した以外も、実行できることは明らかである。上述の教示に鑑みて、本発明の多くの改変及び変形が可能であり、従ってそれらも本件添付の請求の範囲の範囲内のものである。
It is possible to meet the demands of applications that require high purity, such as fuel cells for home use and automobiles, and it is possible to provide high-purity hydrogen gas in a simple, economical and safe manner. It can contribute to the development of industries and technologies that use hydrogen gas as an energy source and industrial raw material. Because hydrogen gas can be easily purified at high cost and in large quantities, it can be made into high-purity hydrogen gas, making it suitable for use in various industries such as the automobile industry, semiconductor industry, electronic equipment industry, chemical industry, and oil refining. Yes.
It will be apparent that the invention may be practiced otherwise than as particularly described in the foregoing description and examples. Many modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings, and thus are within the scope of the claims appended hereto.

1:水素発生タンク
9:水素ガス接続管
10:一次水素ガス濾過槽
11:超純水層
14:高純度水素ガス接続管
15:二次高純度水素ガス濾過槽
16:高純度水素ガス・超純水混合室
17:カール線材
21:超純水補給管
23:水素ガス接続管
24:高純度水素ガス槽
32:超純水
33:超純水投入口
55:水素ガス濾過槽
84:ノズル
85:水素ガスガス濾過装置
1: Hydrogen generation tank 9: Hydrogen gas connection pipe
10: Primary hydrogen gas filtration tank
11: Ultrapure water layer
14: High purity hydrogen gas connection pipe
15: Secondary high purity hydrogen gas filtration tank
16: High purity hydrogen gas / ultra pure water mixing chamber
17: Curl wire
21: Ultrapure water supply pipe
23: Hydrogen gas connection pipe
24: High purity hydrogen gas tank
32: Ultrapure water
33: Ultrapure water inlet
55: Hydrogen gas filtration tank
84: Nozzle
85: Hydrogen gas filter

Claims (5)

超純水相を有する超純水タンクであるガス濾過槽内に不純物を含有した水素ガスを導入し、且つ、超純水相を通過させることによって、水素ガスの水素の純度を高めることを特徴とする水素ガス精製法。 Introducing hydrogen gas containing impurities into a gas filtration tank, which is an ultrapure water tank having an ultrapure water phase, and passing the ultrapure water phase to increase the purity of hydrogen in hydrogen gas Hydrogen gas purification method. 超純水タンクであるガス濾過槽内の上下の部分にステンレスのパンチングメタル板を置き、その間にステンレスカール線材を充填し、そこに超純水を満たした超純水相を設け、ガス濾過槽内に導入された不純物を含有した水素ガスが当該超純水相中を通過するようにせしめ、水素ガスの水素の純度を高めることを特徴とする請求項1に記載の水素ガス精製法。 A stainless steel punching metal plate is placed in the upper and lower parts of the gas filtration tank, which is an ultrapure water tank, and a stainless curl wire is filled between them, and an ultrapure water phase filled with ultrapure water is provided there. 2. The hydrogen gas refining method according to claim 1, wherein the hydrogen gas containing impurities introduced therein is allowed to pass through the ultrapure water phase to increase the purity of hydrogen in the hydrogen gas. 原料水素ガス中に含まれる不純物が超純水により除去できることを利用し、気体である水素ガスと液体である超純水との接触を含めた相互作用を効率的に行おうとする水素ガス製造装置で、当該水素ガス製造装置は、不純物を含有している原料水素ガスから不純物含有量の低減化されている高純度水素ガスを製造する高純度水素ガス製造装置であって、不純物を含有している原料水素ガスを供給する原料水素ガス供給ラインと、精製された高純度水素ガスを取り出す高純度水素ガスラインと、超純水を供給する超純水供給ラインと、使用済みの水を排出する水排出ラインと、超純水を収容している水素ガス濾過槽であり、且つ、超純水で満たされた空間である超純水層に気体である水素ガスを放出するための水素ガス出口ノズルを備え、超純水層を通過した気体である水素ガスが貯留する高純度水素ガス室を有している水素ガス濾過槽とを備えることを特徴とする水素ガス製造装置。 A hydrogen gas production system that efficiently performs interaction including contact between gaseous hydrogen gas and liquid ultrapure water, utilizing the fact that impurities contained in the raw hydrogen gas can be removed by ultrapure water. The hydrogen gas production apparatus is a high-purity hydrogen gas production apparatus for producing a high-purity hydrogen gas having a reduced impurity content from a source hydrogen gas containing impurities, the impurity-containing hydrogen gas production apparatus. The raw hydrogen gas supply line that supplies the raw hydrogen gas, the high purity hydrogen gas line that extracts the purified high purity hydrogen gas, the ultra pure water supply line that supplies ultra pure water, and the used water are discharged. A hydrogen gas outlet for discharging a hydrogen gas, which is a gas, into the ultrapure water layer, which is a hydrogen gas filtration tank containing ultrapure water and a space filled with ultrapure water. With nozzle, ultra-pure Hydrogen gas production apparatus of hydrogen gas is a gas which has passed through the layer, characterized in that it comprises a hydrogen gas filtration tank having a high purity hydrogen gas chamber for storing. 該水素ガス濾過槽は、3段構造とされており、下段に超純水の貯留槽、上段に精製された水素ガス槽を備え、中段部の上下の位置に気液通過が自由な仕切り板が配置され且つその中間部にカール線材が充填されている中間槽を備えたものであることを特徴とする請求項3に記載の水素ガス製造装置。 The hydrogen gas filtration tank has a three-stage structure, and includes a storage tank for ultrapure water in the lower stage and a purified hydrogen gas tank in the upper stage, and a partition plate that allows gas-liquid passage freely at the upper and lower positions of the middle stage. The hydrogen gas production apparatus according to claim 3, further comprising an intermediate tank in which a curled wire is filled in an intermediate portion thereof. 一次水素ガス濾過槽、二次水素ガス濾過槽、及び、高純度化された超高純度水素ガスを貯留する水素ガス槽を少なくとも備えていることを特徴とする高純度水素ガス発生装置であることを特徴とする請求項3又は4に記載の水素ガス製造装置。
A high-purity hydrogen gas generator comprising at least a primary hydrogen gas filtration tank, a secondary hydrogen gas filtration tank, and a hydrogen gas tank for storing highly purified ultra-high purity hydrogen gas. The hydrogen gas production apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that:
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