JP2911376B2 - 水素・酸素発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体の製造工程の際
の酸化被膜生成処理及び各種熱処理工程、ならびに、原
子力発電装置の冷却水配管の腐食防止用など各種工業分
野において必要とされる高純度の酸素ガス及び水素ガス
を製造するための水素・酸素発生装置に関する。

【０００２】より詳細には、水素・酸素発生装置におけ
る水電解セルへの純水供給経路システムの改良に関す
る。

【０００３】

【従来の技術】従来より、前述した各種工業分野に使用
する酸素ガス及び水素ガスは、水素ガスについては、食
塩電解や石油精製の際に発生する副成ガスを、触媒燃焼
精製法などを用いてある程度の純度の水素ガスに精製し
た後、ガスボンベに高圧にして充填して、使用者に供給
され使用されている。

【０００４】一方、酸素ガスについては、空気をジュー
ルトムソン法により液化し、深冷分離法により沸点差を
利用して分離し、ある程度の高純度の酸素ガスが作ら
れ、これを液体酸素の状態で工場のコールドエバポレー
タ（酸素ガス発生装置）に供給し、 これを気化して使用
したり、ガスボンベに高圧にして充填して、使用者に供
給され使用されている。

【０００５】しかしながら、このように供給される酸素
及び水素等のガスには、窒素、炭酸ガス、一酸化炭素、
炭化水素、水分等の不純物も含まれており、これらは完
全には除去されず、そのためにさらに不純物を除去・精
製するため、吸着材による吸着処理やパラジューム膜透
過法等のような高度の純化処理法により、個別に純化処
理して精製して使用しているのが実状である。ところ
が、このような純化処理法によっても除去が困難な窒素
等の不純物があり、例えば、半導体分野などにおいて
は、昨今の半導体の高集積化においては、このような残
存不純物が問題となっていた。

【０００６】又、酸素や水素は、ボンベに高圧に充填し
て供給されたり、液体状態で保管されており、輸送や貯
蔵時、地震等の非常時に、ガス漏洩して引火、爆発する
おそれもあり、安全の面でも問題となっていた。

【０００７】このような、従来における問題を解決する
ために、本発明者等は、特開平5-287570号において、図
3 に示したように、固体電解質28、例えば、カチオン交
換膜（フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜、例え
ば、デュポン社製「ナフィオン１１７」）の両面に白金
属族金属等からなる多孔質の陽極22及び陰極23を接合し
た構造の固体高分子電解質膜21を隔膜として用い、陽極
室と陰極室とに分離した構造の水電解セルを用いて、陽
極室に純水を供給しながら電気分解して、陽極室から酸
素ガスを、陰極室から水素ガスをそれぞれ発生するよう
に構成した水電解セルを用いた水素・酸素発生装置を提
案した。

【０００８】これらの水電解セルを用いた水素・酸素発
生装置の全体構成は、図4 に示したように、一定量の水
を貯留するための水タンク102 と、水タンク102 よりの
水をポンプ104 を介して、イオン交換樹脂、逆浸透膜(R
O)装置などから構成される純水装置106 を介して、水電
解セル108 の陽極側に供給するように構成するととも
に、水電解セル108 より排出される水を、循環水とし
て、循環経路110 を介して、水タンク102 に環流させる
ようにした構成である。また、水電解セル108 における
電気分解において消費される水量を補充するために、水
タンク102 には、補充水が補充水ライン112 を介して供
給されるようになっている。この場合、純水装置106
は、水電解セル108 を通過した循環水に、水電解セル10
8 及び配管からのカチオンイオン、アニオンイオンなど
の不純物を含むため、ならびに補給水に、ある程度のカ
チオンイオン、アニオンイオンなどの不純物が混入して
いるために、これを水電解セル108 に供給する前に除去
するために設けられるものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した水
素・酸素発生装置では、循環水には、水の電気分解に必
要な水量の他に、水電解セル108 の冷却に必要な水量が
必要であるために、循環する水の量が多量になり、循環
ラインに設置する純水装置106 の規模が大きくなるため
にコンパクト化、コスト低減が図れないという問題があ
った。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、このような
現状に鑑みて、鋭意研究した結果、水電解セルを通過し
た循環水に含まれる水電解セル及び配管からの不純物
は、濃度でppt 程度と極微量であって、循環水の量から
すれば希釈化され、さほど問題となるレベルではなく、
しかも、水電解で消費される純水を補充するための補充
水の水量が、実施例1 に記載したように、発生水素1Nm
³ 当たり約1L程度と極微量であるので、従来のように、
純水装置を水素・酸素発生装置の循環経路内に配設する
のではなく、補充水を純水タンクに供給する前に純水装
置を配設することによって、純水装置がよりコンパクト
な純水装置で十分であることを知見して本発明を完成し
たものである。

【００１１】すなわち、本発明の水素・酸素発生装置
は、一定量の純水を貯留するための純水タンクと、純水
タンクから純水を水電解セルの陽極側に供給するための
陽極側純水供給経路と、電解質膜を隔膜として用いて、
陽極側と陰極側とに分離して、純水タンクから陽極側純
水供給経路を介して、純水を陽極側に供給しながら純水
を電気分解して、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水
素ガスをそれぞれ発生するように構成した水電解セル
と、水電解セルより排出される純水を純水タンクに環流
するための純水環流経路とを有する水素・酸素発生装置
において、水電解セルにて電気分解することによって消
耗した水量に相当する純水を、陽極側純水供給経路及び
純水環流経路の系外に配設した純水製造装置で製造した
後に補給するように構成したことを特徴とする水素・酸
素発生装置である。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいてより
詳細に説明する。

【００１３】図1 は、本発明の水素・酸素発生装置の一
実施例の全体構成を示す概略図で、図2 は、その水電解
セルの部分を拡大した状態を示す概略図である。

【００１４】図1 において、１は全体で、本発明の水素
・酸素発生装置を示しており、本水素・酸素発生装置１
では、一定量の純水を貯留する純水タンク10から、純水
がポンプ12によって、陽極側純水供給経路14を介して、
水電解セル16の陽極側（純水供給口24a ）に供給される
ようになっている。また、水電解セル16の陽極側には、
水電解セル16の陽極室で発生した酸素を気液分離するた
めに、酸素ガス用気液分離装置30が接続されており、水
電解セル16の陽極側から生じ、気液分離装置30で気液分
離された純水は、純水環流経路18を介して、純水タンク
10に環流されるようになっている。

【００１５】同様に、水電解セル16の陰極側には、水電
解セル16の陰極室で発生した水素を気液分離するため
に、水素ガス用気液分離装置40が接続されており、水電
解セル16の陰極側から生じ、気液分離装置40で気液分離
された純水は、陽極側と同じ純水環流経路18を介して、
純水タンク10に環流されるようになっている。

【００１６】ところで、これらの両気液分離装置30、 40
を介して、水素側、酸素側からそれぞれ水素、酸素を溶
存する純水が、純水タンク10に戻された場合には、純水
タンク10内で、水素、酸素が気体として出てくると好ま
しくないものである。従って、これを防止するために、
後述する表1 からも明らかなように、酸素側からの純水
の排出が約97％と圧倒的に多く、且つ酸素ガス用気液分
離装置30から気液分離された純水中に含まれる溶存酸素
の濃度は低いために配管などの構成部材に悪影響を及ぼ
すこともないので、水素ガス用気液分離装置40からの水
量の少ない溶存水素を含む純水を脱気した後に、純水環
流経路18を介して、純水タンク10に環流するのが好まし
い。このためには、図示していないが、水素ガス用気液
分離装置40からの純水には、約4kg/m ² の圧力がかかっ
ているので、充填塔などの簡易な脱気装置を用いて大気
圧に減圧すれば、簡単に溶存する気体である水素が、気
体となって排出できるものである。

【００１７】また、純水タンク10には、水電解セル16に
て純水を電気分解することによって消耗した水量に相当
する純水を補給水として、純水タンクに供給するための
純水製造装置20が接続されており、純水タンク10に付設
された光センサーなどの液面センサー11の検知結果に基
づいて、バルブ19が開放されて、純水製造装置20から純
水が純水タンク10に補給されるようになっている。

【００１８】この場合、水電解セル16としては、その陽
極側に供給された純水を電気分解して、陽極室から酸素
ガスを、陰極室から水素ガスをそれぞれ発生するよう
に、例えば、図3 に示したような構造を有するものであ
る。具体的には、固体電解質28、例えば、カチオン交換
膜（フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜、例え
ば、デュポン社製「ナフィオン117 」）の両面に白金族
金属等からなる陽極22及び陰極23を化学的に無電解メッ
キで接合した構造の固体高分子電解質膜21を隔膜として
用いた陽極室24と陰極室25とに分離した構造の水電解セ
ル16によって、陽極室24に純水を供給しながら電気分解
して、陽極室24から酸素ガスを、陰極室25から水素ガス
をそれぞれ発生するように構成したものである。また、
この水電解セル10は、図2 に示したように、陽極室24に
は、純水供給口24a と酸素ガス排出口24b が、陰極室25
には、水素ガス排出口25b が設けられた構造をしてい
る。

【００１９】さらに、この水電解セル16の陽極室24の酸
素ガス排出口24b には、水電解セル16の陽極室で発生し
た酸素を気液分離するための酸素ガス用気液分離装置30
が、接続される一方、前述したように、水電解セル16の
陰極室25の水素ガス排出口25b には、水電解セル16の陰
極室で発生した水素を気液分離するための水素ガス用気
液分離装置40が接続されている。

【００２０】そして、この両気液分離装置30,40 におい
て気液分離された酸素ガス及び水素ガスはそれぞれ、例
えば、モレキュラーシーブなどから構成される除湿装置
50,51 に導入され、ガスに含まれる水分がそれぞれ除去
された後、酸素ガス及び水素ガス利用施設（図示せず）
に適宜供給されるようになっている。

【００２１】なお、この場合、配管、純水タンク等の構
成部材の好ましい材質としては、これらの構成部材か
ら、金属イオンや有機物（TOC ）が溶出しないように、
PVDF（ポリフッ化ビニリデン）、又は、ステンレス鋼を
電解研磨した後、酸化性雰囲気中で加熱処理して着色酸
化被膜を溶解除去したもの等から構成するのが好まし
い。

【００２２】また、本実施例では、酸素ガス用気液分離
装置30ならびに水素ガス用気液分離装置40から気液分離
された純水の両方を、純水環流経路18を介して、純水タ
ンク10に環流されるようにしたが、前述したように、酸
素側からの純水の排出が約97％と圧倒的に多いので、酸
素ガス用気液分離装置30から気液分離された純水のみ
を、純水環流経路18を介して、純水タンク10に環流する
ように構成することも勿論可能である。

【００２３】このように構成される本発明の水素・酸素
発生装置の運転状態について、以下に説明する。

【００２４】先ず、水素・酸素発生装置1 の通常の運転
時においては、一定量の純水を貯留する純水タンク10か
ら純水が、ポンプ12によって、陽極側純水供給経路14を
介して、水電解セル16の陽極側に供給される。

【００２５】ところで、水電解セル16においては、水を
陽極側に供給しながら電気分解することにより、図3 に
示したように、陽極側では、2H₂ O →O ₂ ＋4H⁺ ＋4e^-
のような反応が起こり酸素ガスが発生し、陰極側では、
4H⁺ ＋4e^- →2H₂ の反応が起こり水素ガスが発生するも
のである。

【００２６】そして、水電解セル16の陽極室で発生した
水を含んだ酸素ガスは、酸素ガス用気液分離装置30にて
気液分離され、気液分離された純水は、純水環流経路18
を介して、純水タンク10に環流されるようになってい
る。また、気液分離された酸素ガスは、除湿装置50を介
して、酸素ガス利用施設に適宜供給される。一方、水電
解セル16の陰極室で発生した水を含んだ水素ガスは、水
素ガス用気液分離装置40にて気液分離され、気液分離さ
れた純水は、図示しない脱気装置により脱気され、陽極
側と同様に、純水環流経路18を介して、純水タンク10に
環流されるようになっており、気液分離された水素ガス
は、除湿装置51を介して、水素ガス利用施設に適宜供給
される。

【００２７】一方、水電解セル16の水の電気分解によっ
て純水が消費されることによって、純水タンク10に付設
された液面センサー11で、純水タンク10内の純水量が、
予め定められた水量以下になったことを検知した場合に
は、バルブ19が開放されて、純水製造装置20から純水が
純水タンク10に補給されるようになっている。

【００２８】そして、液面センサー11が、純水タンク10
に、所定の量の純水が貯留されたことを検知することに
より、バルブ19が閉鎖されて、純水製造装置20から純水
が純水タンク10に補給されないようになっている。

【００２９】（実施例1 ）フッ素樹脂系スルフォン酸カ
チオン交換膜（デュポン社製「ナフィオン117 」）厚さ
180 μm の両面に、白金からなる多孔質の陽極及び陰極
を化学的に無電解メッキで接合（厚さ数μm ）した構造
の固体高分子電解質膜を、2 枚並設した構造の水電解セ
ルに対して、水電解セルの陽極側に純水（比抵抗17M Ω
・ cm（25℃換算）、水温35℃）を1.0 l/min の流量で供
給するとともに、5V、300Aで運転した。この場合、水素
1Nm ³ 当たり800cc/hrの純水の補給が必要であった。こ
の場合の陽極側に供給した水に対する、陽極側、陰極側
から発生する酸素ガス、水素ガス、純水の割合を下記の
表1 に示した。表1 の結果から明らかなように、酸素側
からの純水(97 ％）に比較して、水素側からの純水が極
めて少ない(2.7％) ことがわかる。

【００３０】また、この場合に、2.8 時間通電後の酸素
側、水素側からの純水に含まれる元素の分析を実施し
た。その結果を下記の表2 に示した。表2 の結果から、
酸素側からの純水には、Ptが含まれているが、これは固
体高分子電解質膜にメッキされているPt電極の溶出によ
る影響と思われるが、この程度であれば水電解に何ら影
響を及ぼすレベルではなく、その他の元素はppt レベル
であり殆ど水電解に影響を及ぼすレベルではないことが
わかる。一方、水素側からの純水中には、Na、 Feが含ま
れているが、表1 に示したように、酸素側からの純水(9
7 ％）に比較して、水素側からの純水が極めて少ない
(2.7％) ため、酸素側の純水と混ぜ合わせた場合に、pp
t レベルまで濃度が低下するので、問題にはならないこ
とがわかる。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【発明の作用効果】本発明によれば、従来のように、純
水装置を水素・酸素発生装置の循環経路内に配設するの
ではなく、補充水を純水タンクに供給する前に純水装置
を配設したので、下記に示したような顕著で特有な作用
効果を奏する極めて優れた発明である。

【００３４】（１）水電解セルを通過した循環水に含ま
れる水電解セル及び配管からの不純物は、ppt 程度と極
微量であって、循環水の量からすれば希釈化され、さほ
ど問題となるレベルではなく、しかも、循環経路で消費
される純水を補充するための補充水の水量が発生水素1N
m ³ 当たり約1L程度と極微量であるので、純水装置がよ
りコンパクトな純水装置で十分となり、水素・酸素発生
装置全体が大規模となることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明の水素・酸素発生装置の一実
施例の全体構成を示す概略図である。

【図２】 図２は、図１の水電解セルの部分を拡大した
状態を示す概略図である。

【図３】 図３は、従来の水電解セルの部分を拡大した
状態を示す概略図である。

【図４】 図４は、水素・酸素発生装置の従来例の全体
構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１…水素・酸素発生装置 10…純水タンク 11…液面センサー 12…ポンプ 14…陽極側純水供給経路 16…水電解セル 18…純水環流経路 19…バルブ 20…純水発生装置 21…固体高分子電解質膜 22…陽極 23…陰極 24…陽極室 24a …純水供給口 24b …酸素ガス排出口 25…陰極室 25b …水素ガス排出口 28…固体電解質 30…酸素ガス用気液分離装置 40…水素ガス用気液分離装置 50、 51…除湿装置 52…排水バルブ

フロントページの続き (72)発明者 長尾 衛 大阪府大阪市東淀川区井高野２丁目７番 18−102号 (72)発明者 小林 宏子 兵庫県神戸市長田区名倉町５丁目８番11 号 (72)発明者 原田 宙幸 東京都練馬区西大泉２−25−43 (56)参考文献 特開 平５−287570（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−346685（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−177591（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C25B 1/00 - 9/04 C25B 13/00 - 15/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定量の純水を貯留するための純水タン
   クと、 純水タンクから純水を水電解セルの陽極側に供給するた
   めの陽極側純水供給経路と、 電解質膜を隔膜として用いて、陽極側と陰極側とに分離
   して、純水タンクから陽極側純水供給経路を介して、純
   水を陽極側に供給しながら純水を電気分解して、陽極側
   から酸素ガスを、陰極側から水素ガスをそれぞれ発生す
   るように構成した水電解セルと、 水電解セルより排出される純水を純水タンクに環流する
   ための純水環流経路とを有する水素・酸素発生装置にお
   いて、 水電解セルにて電気分解することによって消耗した水量
   に相当する純水を、陽極側純水供給経路及び純水環流経
   路の系外に配設した純水製造装置で製造した後に補給す
   るように構成したことを特徴とする水素・酸素発生装
   置。