JP2020505218A - 高純度水素同位体二原子分子を提供する方法および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
他の特徴、利点および詳細は、単なる例として、以下の実施形態の詳細な説明において明らかにされる。詳細な説明は以下の図面を参照する。
有利には、本明細書に記載の装置およびプロセスにおける本発明は、これまで可能ではなかった、リサイクル装置において使用される、水中心的な(H2O)プロトン交換膜電気化学セルから比較的純粋なD2を得る能力を提供する。
電気化学的ポンプ内の同位体交換を調べるための試験を行った。ポンプおよび加湿器を、D2Oで前処理し、D2のポンピングに使用した。電気化学的ポンプを出るまたは電気化学的ポンプから出力されるガスにおいて、高い同位体純度が観察された。D2O前処理済み加湿器の使用からH2O加湿器への切り替え時に、ポンプを出るガスにおいてHの急激な増加が観察された。これによって、電気化学装置および支援サブシステム内で同位体がいかに速やかに交換されるかがはっきりと示された。
図2を参照すると、水素の同位体8(例えば、DまたはT)をリサイクルまたは再生利用するための水素同位体リサイクル装置10の実施形態が開示されている。この装置は、水素の同位体の二原子分子(例えば、D2またはT2、または場合によりD2OまたはT2Oも)に富むガス流6を受け取るように構成される。一実施形態では、ガス流6は、利用されている水素の前記同位体の二原子分子のみを備えることができる。他の実施形態では、ガス流6は混合ガス流であり、1つ以上の他のガス状成分(例えばN2)を含む。混合ガス流を含め、同位体に富むガス流は、任意の工業プロセスのガス成分流出物を備えることができ、その工業プロセスには、一実施形態では半導体デバイス製造またはアニール炉などの熱処理またはアニール炉または処理オーブン、光ファイバー材料の製造または熱処理の一部として使用される炉またはオーブン、あるいは医薬品の製造において使用される炉またはオーブン、あるいは水素の前記同位体のガス成分流出物を含む任意の工業プロセスであって、水素のガス状同位体による処理がその工業プロセスによって処理される1つまたは複数の材料に対して強化された特性を与える工業プロセスが含まれる。図2に示す水素同位体リサイクル装置10はプロトン交換ユニット12を含む。プロトン交換ユニット12は、一実施形態では本明細書に記載の電気化学プロトン交換ユニット20である本明細書に記載のタイプのものを含む任意の適切なプロトン交換ユニットであってよい。
Claims (18)
- 電気化学的リサイクルユニットを備える、水素の同位体をリサイクルするための電気化学的水素同位体リサイクル装置であって、前記電気化学的リサイクルユニットは、
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に作動可能に配置された、同位体処理されたプロトン交換膜とを備え、前記同位体処理されたプロトン交換膜は、水素の前記同位体を含有する重水(D2OまたはT2O)をその中に有しており、前記装置は、水素の前記同位体を含有する供給流を受け取るように構成される、
前記装置。 - 加湿器または飽和器をさらに備え、前記加湿器または飽和器は、前記電気化学的リサイクルユニットと流体連通しかつ前記電気化学的リサイクルユニットの上流に配置され、水素の前記同位体を含有する重水で前記供給流を加湿するように構成され、前記加湿器または飽和器は、水素の前記同位体を含有する重水をその中に有する同位体処理されたプロトン交換膜を備えており、前記飽和器は、前記電気化学的リサイクルユニットと流体連通しかつ前記電気化学的リサイクルユニットの下流に配置され、前記カソードから生じた前記水素同位体を含有する前記重水を捕捉するように構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学的リサイクルユニットと流体連通しかつ前記電気化学的リサイクルユニットの下流に配置された除湿器をさらに備え、前記除湿器は、コールドトラップ、吸着剤、ポリマー膜、セラミック膜、フィルム、パラジウムセパレータ、または、圧力スイング吸収ユニットを備えており、前記除湿器は、水素の前記同位体を含有する重水をその中に有する同位体処理されたプロトン交換膜を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記同位体が重水素または三重水素である、請求項1に記載の装置。
- 前記同位体処理されたプロトン交換膜が、ペルフルオロスルホン酸膜を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記アノード、または前記カソード、または前記アノードおよび前記カソードの一方または両方に関連する界面層が、水素の前記同位体を含有する重水をその中に有する、アイオノマーまたは他の含水層を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記装置で利用される重水を生成するための重水生成器をさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 前記カソードが能動的または受動的な重水循環用に構成され、前記カソードが重水で能動的に冠水される、請求項1に記載の装置。
- 水素の前記同位体を備えるガスと少なくとも1つの他のガスとが含まれる入力混合ガスフローストリームを受け取るように構成されたプレフィルタトラップをさらに備え、前記プレフィルタトラップは、前記少なくとも1つの他のガスを捕捉するように構成され、
カソード入口と前記重水を収容するリザーバとに流体連通する循環ポンプをさらに備え、このポンプは前記重水を前記カソード入口に向けてポンピングするように構成され、前記リザーバはカソード出口とも流体連通しており、前記カソード出口で生じた重水を受け取るように構成され、
前記重水を収容するリザーバをさらに備え、このリザーバは、カソード入口の上方に配置されかつ前記カソード入口と流体連通する出口を有しており、前記カソード入口に前記重水を供給するように構成され、このリザーバは、当該リザーバのヘッドスペースに配置され、カソード出口と流体連通する入口を有し、前記カソード出口で生じた前記重水をバブルリフト法によって受け取るように構成される、請求項1に記載の装置。 - 重水(D2OまたはT2O)を利用するプロトン交換装置を使用して高純度水素同位体生成物を製造するプロセスにおいて、前記装置のすべての通常水含有構成要素が、前記生成物の水素同位体を含有する重水を使用して、水素を前記水素同位体と交換するために前処理される、前記プロセス。
- 前記プロトン交換装置は、プロトン交換膜、またはプロトン交換膜を備える電気化学的ポンプを備え、前記プロトン交換膜はペルフルオロスルホン酸膜を備え、前記プロトン交換装置は重水を生成し、その装置から生成された前記重水は、それがアノード、カソード、または任意の流体流であるかどうかにかかわらず、コールドトラップ、吸着剤、圧力スイング吸収器、温度スイング吸収器、エンタルピー交換ユニット、エンタルピーホイール、パラジウム膜などの金属系セパレータなどの方法を含むがそれらに限定されない水回収技術によって回収される、請求項10に記載のプロセス。
- プロトンを交換するために構成される前記プロトン交換装置の構成要素を前記重水にさらすことを備える、請求項10に記載のプロセス。
- 前記プロトン交換装置は、重水電気化学的ユニットの上流に重水加湿器を備え、前記プロセスは、前記重水加湿器からの前記重水(D2またはT2)を備えるガス状同位体を、前記重水電気化学的スタックに供給することを備え、
前記プロトン交換装置は、重水電気化学的ユニットの下流に重水飽和器を備え、前記プロセスは、前記重水電気化学的スタックから前記重水加湿器に向かう前記重水(D2またはT2)を備える前記ガス状同位体を受け取ることを備え、
前記プロトン交換装置は、前記カソードの下流に、前記カソードから生じた前記重水を吸着するように構成される圧力スイング吸収器を備え、前記圧力スイング吸収器は、前記プロセス内の前記重水または水蒸気をリサイクルするように構成され、当該リサイクル重水または水蒸気は、重水加湿器または飽和器または前記アノードに向けてリサイクルされる、請求項10に記載のプロセス。 - アノードおよびカソードの排気流または出力流が重水(D2OまたはT2O)を含有し、それによって前記重水が前記アノードおよび前記カソードで水回収システムによって回収される、請求項10に記載のプロセス。
- 前記プロトン交換装置は重水生成器を備え、前記重水生成器は前記プロトン交換装置の他の構成要素による利用のために重水を生成し、前記カソードは前記重水で能動的に冠水され、前記カソードはバブルリフト法により前記重水で受動的に冠水される、請求項10に記載のプロセス。
- 前記プロトン交換装置は、カソード入口と前記重水を収容するリザーバとに流体連通する循環ポンプをさらに備え、このポンプは前記重水を前記カソード入口に向けてポンピングするように構成され、前記リザーバはカソード出口とも流体連通しており、前記カソード出口で生じた重水を受け取るように構成され、
前記プロトン交換装置は、前記重水を収容するリザーバをさらに備え、このリザーバは、カソード入口の上方に配置されかつ前記カソード入口と流体連通する出口を有しており、前記カソード入口に前記重水を供給するように構成され、このリザーバは、当該リザーバのヘッドスペースに配置されカソード出口と流体連通する入口を有し、前記カソード出口で生じた前記重水を前記バブルリフト法を用いて受け取るように構成される、請求項15に記載のプロセス。 - 前記装置は、水素の前記同位体を備えるガスと少なくとも1つの他のガスとが含まれる入力混合ガスフローストリームを受け取るように構成されたプレフィルタトラップをさらに備え、前記プロセスは、前記少なくとも1つの他のガスを捕捉することを備える、請求項1に記載のプロセス。
- 水素の同位体をリサイクルするための水素同位体リサイクル装置であって、プロトン交換ユニットを備え、このプロトン交換ユニットは、
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に作動可能に配置された、同位体処理されたプロトン交換媒体とを備え、前記同位体処理されたプロトン交換媒体は、水素の前記同位体を含有する重水(D2OまたはT2O)をその中に有し、前記装置は、水素の前記同位体を含有する供給流を受け取るように構成される、水素同位体リサイクル装置。
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