JP2013531134A

JP2013531134A - ガスを生成するための方法および装置

Info

Publication number: JP2013531134A
Application number: JP2013519197A
Authority: JP
Inventors: アナグノストポウロス，ジョージ
Original assignee: ハイドロクスホールディングスリミテッド
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-08-01
Also published as: CN103237924A; BR112013000539A2; CA2804880A1; RU2013105469A; US20130206609A1; EP2591149A1; WO2012004769A1; ZA201209420B; AU2011275368A1

Abstract

本発明は、含酸素流体および含水素流体を生成するための電解方法および電解装置（１０）に関する。装置（１０）は、双方がポリエチレンからなる第１および第２の外端部材（１２および１４）と、間隔を置いて配置された少なくとも２つの電極（１６および１８）を含む。透過性電極（１６および１８）のそれぞれは、ニッケル発泡シート材などの有孔材または穿孔材からなる。２つの透過性電極（１６および１８）は、概ね互いに平行に配置され、比較的短い間隔で配置されている。そのため、入口チャンバ（２０）が第１および第２の透過性電極（１６および１８）の間に規定される。第１の含酸素流体収集チャンバ（２２）は、第１の透過性電極（１６）と第１の端部部材（１２）との間に配置され、第２の含水素流体収集チャンバ（２４）は、第２の透過性電極（１８）と第２の端部部材（１４）との間に配置される。

Description

本発明は、ガスを生成するための方法および装置に関する。より具体的には、本発明は、限定されないが、水性電解溶液の電気分解により水素ガスや酸素ガスなどの可燃性ガスを生成し、生成の際にそれらを分離された状態で維持する電解セルおよび電解方法に関する。

電解セルは、電気を用いて水を気相中の水素および酸素に変換する。公知の電解セルは、電解プロセスで生成される水素ガスおよび酸素ガスを分離するために、プロトン交換膜を有している。電解セルは、さらに、プロトン交換膜の第１の面に沿って配置されるアノードと、前記プロトン交換膜の第２の反対側面に沿って配置されるカソードとを有している。

公知のプロトン交換膜は、一般にアイオノマーで形成され、酸素および水素などの気体を通さずプロトンを伝導するように設計された半透膜である。プロトン交換膜は、純粋な高分子膜、または、他の材料が高分子マトリクスに埋め込まれた複合膜のいずれかから形成され得る。

公知のプロトン交換膜の第１の欠点は、膜のコストが高いことである。これは、水素の電子とプロトンを分離するために貴金属触媒（通常は、白金）を用いる必要があるためである。白金触媒はまた一酸化炭素中毒に対して非常に敏感であるため、水素がアルコール燃料または炭化水素燃料から得られる場合には、燃料ガス中の一酸化炭素を低減するためにさらなるリアクタを使用する必要がある。そして、このことも、公知のプロトン交換膜を使用する際のコスト高に繋がってしまう。

公知のプロトン交換膜のさらなる欠点としては、比較的低い相対湿度では伝導性が低いこと、約１００℃を上回る温度では機械特性が良好ではないことが挙げられる。これらの膜の動作温度は、比較的低く、１００℃付近の温度は、有用なコジェネレーションを行うには不十分である。

公知のプロトン交換膜の他の欠点は、膜からのガスの取り出しが劣っているため、セル中に印加される電圧が上がるにつれて、それらの膜の効率が低下する点である。また、膜からのガスの取り出しの妨げとなることから、電極同士をあまり接近させて積み重ねることができない。

本明細書において、「可燃性流体」という用語は、その範囲内に、気相中の水素および／または酸素を主として含有する可燃性ガスを含む。

従って、本発明の目的は、上述の欠点を克服し、公知の電解セルおよびガス生成方法の有用な代替である、ガスを生成するための方法および装置を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、電解プロセス中に電解溶液から可燃性流体を生成するための方法であって、
電解溶液を準備する工程と、
その間にチャンバを規定し、間隔を置いて配置された第１および第２の透過性電極を有し、少なくとも１つの入口を有する電解装置を準備する工程と、
前記入口を介して前記チャンバに前記溶液を通す工程と、
前記電極を介して前記装置に電圧を印加して、前記チャンバ内の前記溶液を電気分解し、第１の可燃性流体が前記第１の電極上で形成され、第２の可燃性流体が前記第２の電極上で形成され、前記第１の可燃性流体が前記第１の電極を介して前記チャンバから排出され、前記第２の可燃性流体が前記第２の電極を介して前記チャンバから排出されるようにする工程とを含む方法が提供される。

前記可燃性流体は、含水素流体および含酸素流体であってもよく、より具体的には前記可燃性流体は、水素ガスおよび酸素ガスであり得る。

前記透過性電極のそれぞれは、穿孔状または有孔状であってもよい。

各透過性電極はさらに、メッシュ材または発泡材からなってもよい。

各透過性電極は、３１６ステンレス鋼材またはニッケル材で構成されてもよい。

前記第１および第２の電極は、互いに、比較的近接して設けられてもよく、略平行であってもよい。

前記第１および第２の透過性電極は、前記入口の寸法および前記装置に供給される前記溶液の圧力に影響され得る、閉鎖領域に対する開口領域の適切且つ所定（correct and predetermined）の比（ＰＰＩ（pores per square inch）（平方インチ当たりの細孔）としても知られる）を有していてもよい。

前記第１および第２の透過性電極は一組の透過性電極であってもよく、前記装置は、全てが同様の構成を有する複数組の透過性電極を含み得る。

前記電解装置は、前記入口の全てと流体流動連通（fluid flow communication）する少なくとも１つの入口通路を規定してもよく、前記方法は、前記入口通路を介して全ての前記複数組の透過性電極のチャンバに前記溶液を通す工程を含み得る。

前記第１の可燃性流体出口通路は、全ての前記複数組の透過性電極の全ての前記第１の可燃性流体出口と流体流動連通していてもよく、前記第２の可燃性流体出口通路は、全ての前記複数組の透過性電極の全ての前記第２の可燃性流体出口と流体流動連通していてもよく、前記第１の電極上で形成された前記第１の可燃性流体が前記第１の可燃性流体出口通路を介して前記装置から排出され、かつ前記第２の電極上で形成された前記第２の可燃性流体が、前記第２の可燃性流体出口通路を介して前記装置から排出されるように構成され得る。

本発明の第２の態様によれば、電解プロセス中に電解溶液から可燃性流体が生成される電解装置であって、前記電解装置は、
その間に入口チャンバを規定する、間隔を置いて配置された第１および第２の透過性電極と、
前記入口チャンバに前記電解溶液を通すための前記入口チャンバへの少なくとも１つの入口と、
前記一組の電極の第１の側にある第１の可燃性流体チャンバおよび前記一組の電極の第２の側にある第２の可燃性流体チャンバと、
前記第１の可燃性流体チャンバからの第１の可燃性流体出口および前記第２の可燃性流体チャンバからの第２の可燃性流体出口とを含み、
前記電解溶液が前記入口を介して電気分解が行なわれる前記入口チャンバに通され、第１の可燃性流体が前記第１の電極上で形成され、第２の可燃性流体が前記第２の電極上で形成され、さらに前記第１の可燃性流体が前記第１の電極を通って前記第１の可燃性流体チャンバに通され、前記第２の可燃性流体が前記第２の電極を通って前記第２の可燃性流体チャンバに通され、前記第１の可燃性流体が、前記第１の可燃性流体出口を介して前記第１の可燃性流体チャンバから排出され、前記第２の可燃性流体が、前記第２の可燃性流体出口を介して前記第２の可燃性流体チャンバから排出されるように構成されている電解装置が提供される。

前記第１および第２の電極のそれぞれは、前記電解装置に電圧を供給して前記電解溶液を電気分解するために、電源に接続するための少なくとも１つのコネクタタブを含み得る。

前記第１および第２の電極は、流体封止（fluid sealing）、前記コネクタタブの取り付け、および前記電極の全体に電流を行き渡らせる目的のために、連続する外輪（solid outer ring）を含み得る。

前記第１および第２の透過性電極は、前記入口の寸法および前記装置に供給される前記溶液の圧力に影響され得る、閉鎖領域に対する開口領域の適切且つ所定の比（ＰＰＩ（平方インチ当たりの細孔）としても知られる）を有していてもよい。

前記電解装置は、一組の電極を形成する前記２つの電極の間の周辺領域に配置されるガスケットを含み得る。

前記ガスケットは第１のガスケットであってもよく、前記電解装置は、隣り合う複数組の電極の間の周辺領域にそれぞれ配置される複数の第２のガスケットを含み得る。

前記装置は、それぞれがポリエチレンからなる第１および第２の外端部材を含み得る。

前記装置は、円筒形または多角形であってもよい。

前記装置は、前記装置中に前記溶液を循環させ、前記溶液を前記第１のチャンバに強制的に送るためのポンプなどの循環手段を含み得る。

前記第１の可燃性流体出口は、第１の可燃性流体出口通路を規定するように位置合わせされていてもよく、そのため、全ての前記第１の可燃性流体チャンバ内で生成された第１の可燃性流体が、前記第１の可燃性流体出口通路を介して前記装置から排出され得る。

前記第２の可燃性流体出口は、第２の可燃性流体出口通路を規定するように位置合わせされていてもよく、そのため、全ての前記第２の可燃性流体チャンバ内で生成された第２の可燃性流体が、前記第２の可燃性流体出口通路を介して前記装置から排出され得る。

前記装置は、前記第１の可燃性流体出口通路に接続された第１の可燃性流体収集コンテナと、前記第２の可燃性流体出口通路に接続された第２の可燃性流体収集コンテナとを含み得る。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明を非限定の実施例によってさらに説明する。
図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る電解装置の一部の分解斜視図である。図２は、図１の電解装置の斜視図である。

図面を参照すると、本発明の好ましい実施の形態に係る電解装置は、概して参照符号１０によって示される。

電解装置１０は、電解装置１０に通された電解溶液の電気分解中に形成される含酸素流体および含水素流体を生成するように構成されている。

装置１０は、ポリエチレンからなる第１の外端部材１２と、同じくポリエチレンからなる第２の外端部材１４とを含む。第１および第２の外端部材１２および１４は共に円盤状であり、互いに概ね平行に配置され、間隔を置いて配置されている。前記装置が必ずしも円筒形または円形ではなく、多角形であり得ることが想定される。

装置１０は、間隔を置いて配置された２つの透過性電極である第１の透過性電極１６および第２の透過性電極１８をさらに含む。透過性電極１６および１８はそれぞれ有孔材（foraminous material）または穿孔材（perforated material）からなる。具体的には、透過性電極のそれぞれはニッケル発泡シートからなるが、３１６ステンレス鋼からなることもあり得る。２つの透過性電極１６および１８も、互いに概ね平行に配置され、比較的短い間隔を置いて配置されている。そのため、第１および第２の透過性電極１６および１８の間に入口チャンバ２０が規定されている。第１の含酸素流体収集チャンバ２２は、第１の透過性電極１６と第１の端部部材１２との間に配置され、第２の含水素流体収集チャンバ２４は、第２の透過性電極１８と第２の端部部材１４との間に配置されている。

透過性電極１６と１８との間隔が短いほど、それらの間の抵抗が小さくなる。これは、装置１０に印加する電圧が小さくて済むことを意味するため、装置１０がより効率的なものとなる。

入口チャンバ２０は、同チャンバ２０に電解溶液を通すための２つの入口２６を有する。酸素収集チャンバ２２および水素収集チャンバ２４のそれぞれには流体出口が設けられている。酸素収集チャンバ２２には酸素出口２８が設けられ、水素収集チャンバ２４には水素出口３０が設けられている。

透過性電極１６および１８を通る電解溶液の流れは、正および負（第１および第２）の透過性電極上で生成される酸素ガスおよび水素ガスをそれぞれ搬送する。そのため、水素ガスと酸素ガスとが自然に分離される。電極１６と１８とが近接していると、非常に低い電圧での加水分解も可能となるため、高効率および高純度の水素および酸素とすることができる。

その間に第１のチャンバ２０を規定する第１および第２の透過性電極１６および１８は、一組の透過性電極を形成する。装置１０は、互いに接続されて、前後に配置（back-to-front arrangement）された複数組の透過性電極を含み得る。図２および図３は、第１および第２の外側電極１２および１４の間に３組の透過性部材を含む装置１０を示している。

前記装置は、隣り合う組の間に配置される中間バリア部材４２を複数含む。

電解装置１０は、２つの入口２６を規定する入口リング３２と、酸素出口２８および水素出口３０をそれぞれ規定し、２つの透過性電極１６および１８をはさんで反対側にそれぞれ配置される出口リング３４とをさらに含む。入口リング３２は、第１および第２の透過性電極１６および１８の間の周辺領域に配置されて、２つの電極１６および１８を互いに封止（seal）し、出口リング３４は、透過性電極１６および１８をはさんで反対側の周辺領域に配置される。

第１および第２の電極１６および１８は、電池などの電源（図示せず）に接続するための導電性のコネクタタブ（一方が正端子で他方が負端子）を含む。そのため、電源は、１Ｖ〜６Ｖの電圧を電解装置１０に供給して、溶液を電気分解する。本装置１０は、純粋なＤＣ電圧またはパルスＤＣ電圧のいずれかを前記装置に印加することにより水素および酸素を生成する。

装置１０の入口リングの対応する入口２６は、入口通路４４を規定するように位置合わせされており、そのため、電解溶液が、入口通路４４を介して装置１０の全てのチャンバ２０に通される。酸素出口２８も、酸素出口通路４６を規定するように位置合わせされており、そのため、全ての酸素収集チャンバ２２内に蓄積された含酸素流体が、酸素出口通路４６を介して排出される。同様に、水素出口３０も、水素出口通路４８を規定するように位置合わせされており、そのため、全ての水素収集チャンバ２４内に蓄積された含水素流体が、水素出口通路４８を介して排出される。

装置１０はさらに、装置１０中に溶液を循環させるためのポンプなどの循環手段（図示せず）を含んでいる。入口２６を介してチャンバ２０に流れ込む電解溶液は、ポンプによって装置１０に送り込まれて加圧されるため、溶液は、透過性電極１６および１８を通って水素収集チャンバ２２および酸素収集チャンバ２４に強制的に送られる。電解溶液が入口２６を介して第１のチャンバ２０に流れ込み、透過性電極１６および１８を通って酸素収集チャンバ２２および水素収集チャンバ２４のそれぞれに流れ込むように構成されている。第１および第２の透過性電極１６および１８の間で電解作用がそれぞれ生じる。含酸素流体は、酸素出口２８を介して酸素収集チャンバ２２から排出され、含水素流体は、水素出口３０を介して水素収集チャンバ２４から排出される。

装置１０はさらに、水素出口通路４８に接続された水素収集コンテナ（図示せず）と、酸素出口通路４６に接続された酸素収集コンテナ（同様に図示せず）とを含み得る。酸素収集コンテナおよび水素収集コンテナは、それぞれ、コンテナの有効な底端部となる方に設けられた第２の電解溶液出口と、酸素収集コンテナおよび水素収集コンテナそれぞれの有効な頂端部となる方にそれぞれ設けられた酸素ガス出口および水素ガス排出口とを有する。電解溶液は、酸素収集チャンバ２２および水素収集チャンバ２４から、それぞれのガスと共に、酸素出口２８および水素出口３０を通して排出されて、出口通路４６および４８を介して、酸素収集コンテナおよび水素収集コンテナに送られる。それぞれのコンテナに通される流体内の水素ガスおよび酸素ガスは、重力作用により放出されて、酸素ガス出口および水素ガス出口を介してコンテナから排出され、電解溶液は、第２の電解溶液出口を介してコンテナから排出されるように構成されている。第２の電解溶液出口は入口通路４４に接続されており、溶液はポンプによって装置１０に再び循環される。そのため、ガスは後で用いるために貯蔵される。

装置１０の第１のチャンバ２０から酸素収集チャンバ２２および水素収集チャンバ２４に向かう正方向の流れが存在すると想定される。透過性電極を通り、第１のチャンバ２０から酸素収集チャンバ２２および水素収集チャンバ２４に向かう加圧された電解溶液の流れは、酸素ガスおよび水素ガスが第１および第２の透過性電極１６および１８上で形成された後に、それらが第１のチャンバ２０に入るのを制限する。

前記電解装置は、先行技術の装置の場合のような膜を実質的に有していないことがさらに想定される。これには数多くの利点ある。例えば、湿式膜または乾燥膜の双方のコストが、それらの膜を維持するためのコストと共に解消される。また、膜の使用に通常伴う圧力および温度の制限が解消される。本発明では、透過性電極が用いられるため、電極の表面中をガスが移動することによって生じる影の伝導領域（shaded conduction area）ができない。これにより電極の有効な伝導領域が増えて、実効電圧要件が緩和されるため、効率が向上する。

言うまでもなく、本発明に係る水素ガスおよび酸素ガスを生成するための方法および装置では、添付の特許請求項の範囲から逸脱せずに、詳細の変更が可能である。

Claims

電解プロセス中に電解溶液から可燃性流体を生成するための方法であって、
電解溶液を準備する工程と、
その間にチャンバを規定し、間隔を置いて配置された第１および第２の透過性電極を有し、少なくとも１つの入口を有する電解装置を準備する工程と、
前記入口を介して前記チャンバに前記溶液を通す工程と、
前記電極を介して前記装置に電圧を印加して、前記チャンバ内の前記溶液を電気分解し、第１の可燃性流体が前記第１の電極上で形成され、第２の可燃性流体が前記第２の電極上で形成され、前記第１の可燃性流体が前記第１の電極を介して前記チャンバから排出され、前記第２の可燃性流体が前記第２の電極を介して前記チャンバから排出されるようにする工程とを含む方法。
前記可燃性流体は、含水素流体および含酸素流体であり、より具体的には前記可燃性流体は、水素ガスおよび酸素ガスである、請求項１に記載の方法。
前記透過性電極のそれぞれは、穿孔状または有孔状である、請求項１または２に記載の方法。
各透過性電極は、メッシュ材または発泡材からなる、請求項３に記載の方法。
各透過性電極は、３１６ステンレス鋼材またはニッケル発泡材で構成される、請求項４に記載の方法。
前記第１および第２の電極は、互いに、比較的近接して設けられ、かつ略平行である、前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
前記第１および第２の透過性電極は、前記入口の寸法および前記装置に供給される前記溶液の圧力に影響される、閉鎖領域に対する開口領域の適切且つ所定の比（ＰＰＩ（平方インチ当たりの細孔）としても知られる）を有する、請求項６に記載の方法。
前記第１および第２の透過性電極は一組の透過性電極であり、前記装置は、全てが同様の構成を有する複数組の透過性電極を含む、前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
前記電解装置は、全ての前記入口と流体流動連通する少なくとも１つの入口通路を規定し、前記方法は、前記入口通路を介して全ての前記複数組の透過性電極のチャンバに前記溶液を通す工程を含む、請求項８に記載の方法。
前記第１の可燃性流体出口通路は、全ての前記複数組の透過性電極の全ての前記第１の可燃性流体出口と流体流動連通しており、前記第２の可燃性流体出口通路は、全ての前記複数組の透過性電極の全ての前記第２の可燃性流体出口と流体流動連通しており、前記第１の電極上で形成された前記第１の可燃性流体が前記第１の可燃性流体出口通路を介して前記装置から排出され、かつ前記第２の電極上で形成された前記第２の可燃性流体が、前記第２の可燃性流体出口通路を介して前記装置から排出されるように構成されている、請求項９に記載の方法。
電解プロセス中に電解溶液から可燃性流体が生成される電解装置であって、前記電解装置は、
その間に入口チャンバを規定する、間隔を置いて配置された第１および第２の透過性電極と、
前記入口チャンバに前記電解溶液を通すための前記入口チャンバへの少なくとも１つの入口と、
前記一組の電極の第１の側にある第１の可燃性流体チャンバおよび前記一組の電極の第２の側にある第２の可燃性流体チャンバと、
前記第１の可燃性流体チャンバからの第１の可燃性流体出口および前記第２の可燃性流体チャンバからの第２の可燃性流体出口とを含み、
前記電解溶液が前記入口を介して電気分解が行なわれる前記入口チャンバに通され、第１の可燃性流体が前記第１の電極上で形成され、第２の可燃性流体が前記第２の電極上で形成され、さらに前記第１の可燃性流体が前記第１の電極を通って前記第１の可燃性流体チャンバに通され、前記第２の可燃性流体が前記第２の電極を通って前記第２の可燃性流体チャンバに通され、前記第１の可燃性流体が、前記第１の可燃性流体出口を介して前記第１の可燃性流体チャンバから排出され、前記第２の可燃性流体が、前記第２の可燃性流体出口を介して前記第２の可燃性流体チャンバから排出されるように構成されている電解装置。
前記可燃性流体は、含水素流体および含酸素流体であり、より具体的には前記可燃性流体は、水素ガスおよび酸素ガスである、請求項１１に記載の装置。
前記透過性電極のそれぞれは、穿孔状または有孔状である、請求項１１または１２に記載の装置。
各透過性電極はさらに、メッシュ材または発泡材からなる請求項１３に記載の装置。
各透過性電極は、３１６ステンレス鋼材またはニッケル発泡材で構成される、請求項１４に記載の装置。
前記第１および第２の電極は、互いに、比較的近接して設けられ、かつ略平行である、請求項１１〜１５のいずれかに１項に記載の装置。
前記第１および第２の電極のそれぞれは、前記電解装置に電圧を供給して前記電解溶液を電気分解するために、電源に接続するための少なくとも１つのコネクタタブを含む、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
前記第１および第２の電極は、流体封止、前記コネクタタブの取り付け、および前記電極の全体に電流を行き渡らせる目的のために、連続する外輪を含む、請求項１７に記載の装置。
前記第１および第２の透過性電極は、前記入口の寸法および前記装置に供給される前記溶液の圧力に影響される、閉鎖領域に対する開口領域の適切且つ所定の比（ＰＰＩ（平方インチ当たりの細孔）としても知られる）を有する、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
一組の電極を形成する前記２つの電極の間の周辺領域に配置されるガスケットを含む、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
前記ガスケットは第１のガスケットであり、前記電解装置は、隣り合う複数組の電極の間の周辺領域にそれぞれ配置される複数の第２のガスケットを含む、請求項２０に記載の装置。
それぞれがポリエチレンからなる第１および第２の外端部材を含む、請求項１１〜２１のいずれか１項に記載の装置。
円筒形または多角形である請求項１１〜２２のいずれか１項に記載の装置。
前記装置中に前記溶液を循環させ、前記溶液を前記第１のチャンバに強制的に送るためのポンプなどの循環手段を含む、請求項１１〜２３のいずれか１項に記載の装置。
前記第１の可燃性流体出口は、第１の可燃性流体出口通路を規定するように位置合わせされており、そのため、全ての前記第１の可燃性流体チャンバ内で生成された第１の可燃性流体が、前記第１の可燃性流体出口通路を介して前記装置から排出される、請求項２４に記載の装置。
前記第２の可燃性流体出口は、第２の可燃性流体出口通路を規定するように位置合わせされており、そのため、全ての前記第２の可燃性流体チャンバ内で生成された第２の可燃性流体が、前記第２の可燃性流体出口通路を介して前記装置から排出される、請求項２５に記載の装置。
前記第１の可燃性流体出口通路に接続された第１の可燃性流体収集コンテナと、前記第２の可燃性流体出口通路に接続された第２の可燃性流体収集コンテナとを含む、請求項２６に記載の装置。
実質的に本明細書で説明され、添付の図面に図示された、可燃性流体を生成するための方法。
実質的に本明細書で説明され、添付の図面に図示されたように可燃性流体が生成される電解装置。