JP3604620B2 - 水電解生成ガス純化システム及び純化方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水電解作用を利用して高純度な水素ガス及び/又は酸素ガスを生成する水電解生成ガス純化システム及び純化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、水電解作用を利用して水素ガス及び/又は酸素ガスを生成する方法が知られている。斯かる水素/酸素生成方法は、高純度の酸素や水素を使用の都度製造でき、ボンベやコールドエバポレータ等の貯留手段での保管の必要がなく、安全面の向上等を図り得る為に、広く利用されている。
例えば、固体高分子電解質膜等のイオン交換膜によって陽極室及び陰極室を画してなる電解セルを用いて水素ガス及び/又は酸素ガスを生成する方法が広く利用されているが、斯かる方法においては、陽極室で生成される酸素ガスの一部が前記イオン交換膜を通過して陰極室へ入り込む可能性がある。斯かる酸素ガスは陰極室で生成される水素ガスに対する不純物となる。同様に、陰極室で生成される水素ガスの一部が前記イオン交換膜を通過して陽極室に入り込む可能性がある。斯かる水素ガスは陽極室で生成される酸素ガスに対する不純物となる。
【0003】
このような生成ガス中の不純物を取り除く為に、特許第2735723号公報には、前記水素ガス中の酸素不純物及び/又は酸素ガス中の水素不純物を除去すべく、陰極室から水素ガスを取り出す水素ガス配管及び/又は陽極室から酸素ガスを取り出す酸素ガス配管中に、触媒を備えた純化器を備えることが記載されている。
【0004】
しかしながら、近年、水電解を利用して生成した水素ガスを半導体産業や、さらには、最近、注目を集めている燃料電池分野に適用する試みが行われており、より高純度な水素ガス及び/又は酸素ガスの必要性が高まっている。このような要求に応えるためには、単に、水素ガス配管及び/又は酸素ガス配管中に触媒を備えるだけでは、前記要求に応えることが困難である。
【0005】
特に、本件発明者は、前記イオン交換膜として、白金系電解触媒をホットプレスしてなる固体高分子電解質膜を用いた場合、白金系電解触媒を無電解メッキしてなる固体高分子電解質膜を用いた場合に比して、電解電圧を低く抑えることができ、ランニングコストを低廉化させることが可能であるが、その一方、水素ガス中の酸素不純物、及び/又は酸素ガス中の水素不純物が高くなるという問題を発見した。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、水電解作用を利用して高純度な水素ガス及び/又は酸素ガスを生成し得る水電解生成ガス純化システム及び純化方法を提供することを一の目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成する為に、水電解を利用して水素ガスを生成する水電解部と、該水電解部によって生成された水素ガスを取り出す水素ガス配管と、該水素ガス配管に介挿された脱酸素触媒部と、該脱酸素触媒部に熱量を供給する熱量供給部とを備えた水電解生成ガス純化システムを提供する。
好ましくは、前記熱量供給部は、前記水電解部によって水電解を行った際に発生する熱量を前記脱酸素触媒部に供給するように構成されているものとすることができる。
【0008】
又、前記水電解部は、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルと、前記電解セルに供給すべき純水を貯留する純水タンクと、前記純水タンクから前記電解セルに向かって純水を供給する供給ライン、及び前記電解セルに供給された純水のうち,水電解されなかった純水を前記純水タンクへ戻す排出ラインを有する循環ラインとを備え、前記電解セル,純水タンク及び循環ラインによって閉回路が形成されており、前記熱量供給部は、前記閉回路を循環する純水が有する熱量を、前記脱酸素触媒部に供給し得るように構成することができる。より好ましくは、前記熱量供給部は、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱酸素触媒部の近傍を通って該閉回路へ戻す熱量供給ラインを備えるものとすることができる。
【0009】
又、本発明は、前記目的を達成する為に、水電解を利用して酸素ガスを生成する水電解部と、該水電解部によって生成された酸素ガスを取り出す酸素ガス配管と、該酸素ガス配管に介挿された脱水素触媒部と、該脱水素触媒部に熱量を供給する熱量供給部とを備えた水電解生成ガス純化システムを提供する。
好ましくは、前記熱量供給部は、前記水電解部によって水電解を行った際に発生する熱量を前記脱水素触媒部に供給するように構成されているものとすることができる。
【0010】
又、前記水電解部は、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルと、前記電解セルに供給すべき純水を貯留する純水タンクと、前記純水タンクから前記電解セルに向かって純水を供給する供給ライン、及び前記電解セルに供給された純水のうち,水電解されなかった純水を前記純水タンクへ戻す排出ラインを有する循環ラインとを備え、前記電解セル,純水タンク及び循環ラインによって閉回路が形成されており、前記熱量供給部は、前記閉回路を循環する純水が有する熱量を、前記脱水素触媒部に供給し得るように構成されているものとすることができる。
より好ましくは、前記熱量供給部は、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱水素触媒部の近傍を通って該閉回路へ戻す熱量供給ラインを備えることができる。
【0011】
さらに、本発明は、前記目的を達成する為に、水電解を利用して生成された水素ガス及び酸素ガスの取り出す水素ガス配管及び酸素ガス配管に、それぞれ、脱酸素触媒部及び脱水素触媒部を介挿し、前記脱酸素触媒部及び脱水素触媒部に、前記水電解時に生成する熱量を供給するように構成された水電解生成ガス純化方法を提供する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る水電解生成ガス純化システム1の好ましい実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施の形態に係る水電解生成ガス純化システム1のブロック図である。
【0013】
前記水電解生成ガス純化システム1は、水電解作用を利用して水素ガス/酸素ガスを生成する水電解部10を備えている。
本実施の形態においては、該水電解部10は、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルが複数直列に連結されてなる電解モジュール11と、前記電解モジュール11に供給すべき純水を貯留する純水タンク12と、前記純水タンク12から前記電解モジュール11への純水の供給路となる供給ライン13a、及び前記電解セル11に供給された純水のうち,水電解されなかった純水を前記純水タンク12へ戻す排出ライン13bを有する循環ライン13とを備え、前記電解モジュール11,純水タンク12及び循環ライン13が閉回路を構成するようになっている。
【0014】
図1に示すように、前記供給ライン13aには、前記閉回路間において純水を循環させるためのポンプ14と、該閉回路中の純水の水質を維持する為のイオン交換樹脂15とが介挿されている。なお、図中、符号16は前記純水タンク12への純水補給配管、符号17は前記純水タンク12からのドレン配管である。
【0015】
前記水電解生成ガス純化システム1は、さらに、前記水電解部10によって生成された水素ガス及び酸素ガスをそれぞれ取り出す為の水素ガス配管20a及び酸素ガス配管20bと、該水素ガス配管20a及び酸素ガス配管20bにそれぞれ介挿された脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bと、該脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bにそれぞれ熱量を供給する熱量供給部40とを備えている。
【0016】
前記脱酸素触媒部30aは、図2に示すように、前記水素ガス配管20aに介挿される筒状のハウジング31aと、該ハウジング31a内に収容された脱酸素触媒32aとを備えており、前記水素ガス配管20aを流れる水素ガス中の酸素ガス不純物による水生成反応を促進させ、これにより、水素ガス中から酸素ガス不純物を除去し得るようになっている。前記脱酸素触媒32aとしては、例えば、Pdを担持させたAl2O3を用いることができる。Al2O3に対するPdの担持量は、例えば、0.3重量%〜0.7重量%、好ましくは、0.5重量%とすることができる。
【0017】
同様に、前記脱水素触媒部30bは、前記酸素ガス配管20bに介挿される筒状のハウジング31bと、該ハウジング内に収容された脱水素触媒32bとを備えており、前記酸素ガス配管を流れる酸素ガス中の水素ガス不純物による水生成反応を促進させ、これにより、酸素ガス中から水素ガス不純物を除去し得るようになっている。前記脱水素触媒32bとしては、例えば、Ptを担持させたAl2O3を用いることができる。Al2O3に対するPtの担持量は、例えば、0.1重量%〜0.3重量%、好ましくは、0.2重量%とすることができる。
【0018】
前記脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bにおける触媒量は、水素ガス配管20a及び酸素ガス配管20bをそれぞれ流れるガス流量と、各触媒のSV値とにより適宜設定される。
又、前記ハウジング31a,32bは、好ましくは、(収容する触媒の配管長手方向長さL)/(該触媒の直径D)がL/D=3〜5、より好ましくは、L/D=4となるように形成される。ハウジング31a,32bをこのように構成することによって、水素ガス配管20a及び酸素ガス配管20bを流れる水素ガス及び酸素ガスの圧力損失を有効に抑えつつ、該水素ガス及び酸素ガスと各触媒との接触効率を有効に向上させることができる。
【0019】
本実施の形態においては、前記電解モジュール11で生成された酸素ガスは、残余の純水と共に前記排出ライン13bを介して、前記純水タンク12に戻されるように構成されており、前記酸素ガス配管20bは基端部が前記純水タンク12の気体領域に接続されている。
好ましくは、前記酸素ガス配管20bには、前記脱水素触媒部30bの前段に、除湿器21を備えることができる。前記除湿器21は、酸素ガス配管中の酸素ガスの湿度を低減化させ、前記脱水素触媒32bの表面に水分が付着して該脱水素触媒32bによる触媒作用効率が悪化するのを防止するものである。なお、図1において、符号25b,26bは酸素ガス配管の後端部から分岐されたガスサンプリングライン及び大気解放ラインであり、各ライン25b,26bにはそれぞれニードル弁27が備えられている。
【0020】
一方、前記水素ガス配管20aは、基端部が前記電解モジュール11における電解セルの陰極室に連通されている。好ましくは、該水素ガス配管20aには、前記脱酸素触媒部30aの前段部に、気液分離タンク23,フィルター22び除湿器21を備えることができる。該気液分離タンク23は、水素ガス配管20a中の水素ガスと水とを分離するものである。又、該除湿器21は、前記脱酸素触媒部30aの触媒作用の悪化を防止する為に備えられる。なお、図1において、符号25a,26aは水素ガス配管20aの後端部から分岐されたガスサンプリングライン及び大気解放ラインであり、各ライン25a,26aにはそれぞれニードル弁27が備えられている。
【0021】
本実施の形態において、前記熱量供給部は、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱酸素触媒部及び前記脱水素触媒部の近傍を通過させて、該閉回路へ戻す熱量供給配管41を備えている。
図2に示すように、前記熱量供給配管41は、一部が前記脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bのハウジング31a,31bの外周に巻き回され、これにより、前記閉回路から取り出された純水が前記脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bの近傍を通過するようになっている。
【0022】
斯かる構成を備えた水電解生成ガス純化システム1においては、以下の効果を奏する。即ち、前記水素ガス配管20a及び酸素ガス配管20bに、それぞれ、脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bを介挿させ、さらに、該脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bに熱量を供給するように構成したので、前記脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bによる水生成反応が促進され、結果的に、高純度な水素ガス及び酸素ガスを得ることができる。
特に、水電解部10が白金系電解触媒をホットプレスしてなる固体高分子電解質膜を用いた場合、白金系電解触媒を無電解メッキしてなる固体高分子電解質膜を用いた場合に比して、電解電圧を低く抑えることができ、ランニングコストを低廉化させ得る一方、水素ガス中の酸素不純物、及び/又は酸素ガス中の水素不純物が高くなるが、本実施の形態においては、ホットプレス法による固体高分子電解質を用いた場合であっても斯かる不純物を有効に除去して、高純度の水素ガス及び/又は酸素ガスを得ることができる。
なお、本実施の形態が有効に適用され得る固体高分子電解質膜としては、前記ホットプレス法の他に、化学メッキ法やマグネトロンスパッタ法が例示される。又、好ましくは、前記両触媒部30a,30bに、生成された水を排出するドレン機構を備えることができる。斯かるドレン機構を備えることによって、該水生成ガス純化システムを長時間に亘って有効に作動させることができる。
【0023】
さらに、本実施の形態においては、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱酸素触媒部30a及び前記脱水素触媒部30bの近傍を通過させて、該閉回路へ戻す熱量供給配管41により、前記閉回路中の純水が有する熱量を前記脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bに供給すると共に、熱量が奪われて低温となった純水を前記閉回路に戻すように構成しているので、別途、熱源を備えることなく、前記効果を得ることができる。即ち、電解モジュール11における水電解時や、閉回路に介挿された循環ポンプ14によって、該閉回路中の純水は高温となる。本実施の形態においては、斯かる閉回路内の純水が有する熱量を、前記脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bに供給しており、従って、別途、熱源を備える必要が無いので、熱量供給部を備えることによるコスト高騰を有効に抑えることができる。好ましくは、前記触媒部近傍を通過させる純水の温度は、50℃〜60℃とすることができる。
【0024】
又、前記閉回路には、通常、純水の水質を保持する為のイオン交換樹脂15が備えられるが、該イオン交換樹脂15は処理対象となる純水が高温となると、有効に作用しなくなる。又、電解モジュールに供給される純水の温度が変動すると、電解効率が変動するおそれがある。従って、一般的には、イオン交換樹脂15の前段部に熱交換器を備え、閉回路中の純水の温度を下降させているが、本実施の形態においては、閉回路中の純水が有する熱量を脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒30bに供給し、低温となった純水を前記閉回路に戻すように構成している為、該閉回路中の純水の温度上昇を有効に抑えることができ、前記熱交換器の小型化又は不要化を図ることができる。
【0025】
なお、本実施の形態においては、前記閉回路中の純水を温度を下げるべく、前記脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bに熱量を供給した後の純水を、再度、前記閉回路中に戻すように構成したが、前記両触媒部の作用を促進させるという効果のみを得る場合には、触媒部に熱量を供給した後の純水を系外に排出することも可能である。
又、本実施の形態においては、一本の熱量供給配管41を分岐して、脱酸素触媒部30a及び脱水素触媒部30bに熱量を供給するように構成したが、これに代えて、別体の熱量供給配管によって脱酸素触媒部及び脱水素触媒部にそれぞれ熱量を供給するように構成することも当然に可能である。
【0026】
【実施例】
以下に、前記実施の形態に係る水電解生成ガス純化システム1を用いた実験結果を示す。
本実施例は、図1に示すフローに基づいて行った。脱酸素触媒部30aの触媒としてPdを0.5重量%担持させたAl2O3を用い、脱水素触媒部30bの触媒としてPtを0.2重量%担持させたAl2O3を用いた。又、各触媒は、L/D=4となるように各ハウジング31a,31bに収容させた。
前記水電解部11におけるイオン交換膜としては、デュポン社のナフィオン(商標)の両面にPt,IrO2をホットプレスしたものを用いた。
【0027】
又、前記水電解部に印加する電流密度は1.4A/cm2とし、陰極室における水素ガス発生圧力は0.1MPaに設定した。
前記熱量供給配管41によって両触媒部30a,30bの近傍を通過される純水の温度は、50℃であった。
前記条件下において、水素ガス配管20aの後段のサンプリングライン25aにおける酸素ガス不純物量、及び酸素ガス配管20bの後段のサンプリングライン25bにおける水素ガス不純物量を測定した。該測定結果を表1に示す。
【0028】
又、比較例として、前記実施例と同条件において、脱酸素触媒部及び脱水素触媒部を備えない場合(比較例1)と、脱酸素触媒部及び脱水素触媒部を備えるが、該両触媒部に熱量を供給しない場合(比較例2)とにおける前記酸素ガス不純物量及び水素ガス不純物量を測定した。該測定結果を表1に併せて示す。
【0029】
【表1】
【0030】
表1から明らかなように、図1に示す水電解生成ガス純化システム1においては、高純度の水素ガス及び酸素ガスを得ることができる。
【0031】
【発明の効果】
本発明に係る水電解生成ガス純化システム及び純化方法によれば、水電解を利用して水素ガス及び/又は酸素ガスを生成する水電解部と、該水電解部によって生成された水素ガス及び/又は酸素ガスを取り出す水素ガス配管及び/又は酸素ガス配管と、該水素ガス配管及び/又は酸素ガス配管にそれぞれ介挿された脱酸素触媒部及び/又は脱酸素触媒部と、前記脱酸素触媒部及び/又は脱水素触媒部に熱量を供給する熱量供給部とを備えるようにしたので、前記触媒部が水生成反応を促進し、これにより、前記水素ガス配管及び酸素ガス配管中における酸素ガス不純物及び水素ガス不純物を有効に除去することができる。
【0032】
さらに、前記水電解部における水電解時に発生する熱量を前記触媒部に供給するように構成すれば、別途、熱源を備える必要がないので、コスト高騰を招くことなく、前記効果を得ることができる。
【0033】
又、前記水電解部を、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルと、前記電解セルに供給すべき純水を貯留する純水タンクと、前記純水タンクから前記電解セルに向かって純水を供給する供給ライン、及び前記電解セルに供給された純水のうち,水電解されなかった純水を前記純水タンクへ戻す排出ラインを有する循環ラインとを備えるものとし、前記電解セル,純水タンク及び循環ラインによって形成される閉回路中の純水が有する熱量を前記触媒部に供給すると共に、熱量を奪われた純水を前記閉回路に戻すように構成すれば、該閉回路中の純水温度を下げることができ、純水の温度上昇による水電解効率の悪化や、該閉回路中に備えられるイオン交換樹脂の効率悪化を有効に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係る水電解生成ガス純化システムの一形態のブロック図である。
【図2】図2は、図1に示す水電解生成ガス純化システムにおける各触媒部の一部縦断正面図である。
【符号の説明】
1 水電解生成ガス純化システム
10 水電解部
11 電解セル(電解モジュール)
12 純水タンク
13a 供給ライン
13b 排出ライン
20a 水素ガス配管
20b 酸素ガス配管
30a 脱酸素触媒部
30b 脱水素触媒部
40 熱量供給部
Claims (9)
- 水電解を利用して水素ガスを生成する水電解部と、
該水電解部によって生成された水素ガスを取り出す水素ガス配管と、
該水素ガス配管に介挿された脱酸素触媒部と、
該脱酸素触媒部に熱量を供給する熱量供給部とを備えていることを特徴とする水電解生成ガス純化システム。 - 前記熱量供給部は、前記水電解部によって水電解を行った際に発生する熱量を前記脱酸素触媒部に供給するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の水電解生成ガス純化システム。
- 前記水電解部は、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルと、前記電解セルに供給すべき純水を貯留する純水タンクと、前記純水タンクから前記電解セルに向かって純水を供給する供給ライン、及び前記電解セルに供給された純水のうち,水電解されなかった純水を前記純水タンクへ戻す排出ラインを有する循環ラインとを備え、前記電解セル,純水タンク及び循環ラインによって閉回路が形成されており、
前記熱量供給部は、前記閉回路を循環する純水が有する熱量を、前記脱酸素触媒部に供給し得るように構成されている請求項1又は2に記載の水電解生成ガス純化システム。 - 前記熱量供給部は、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱酸素触媒部の近傍を通って該閉回路へ戻す熱量供給ラインを備えていることを特徴とする請求項3に記載の水電解生成ガス純化システム。
- 水電解を利用して酸素ガスを生成する水電解部と、
該水電解部によって生成された酸素ガスを取り出す酸素ガス配管と、
該酸素ガス配管に介挿された脱水素触媒部と、
該脱水素触媒部に熱量を供給する熱量供給部とを備えていることを特徴とする水電解生成ガス純化システム。 - 前記熱量供給部は、前記水電解部によって水電解を行った際に発生する熱量を前記脱水素触媒部に供給するように構成されていることを特徴とする請求項5に記載の水電解生成ガス純化システム。
- 前記水電解部は、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルと、前記電解セルに供給すべき純水を貯留する純水タンクと、前記純水タンクから前記電解セルに向かって純水を供給する供給ライン、及び前記電解セルに供給された純水のうち,水電解されなかった純水を前記純水タンクへ戻す排出ラインを有する循環ラインとを備え、前記電解セル,純水タンク及び循環ラインによって閉回路が形成されており、
前記熱量供給部は、前記閉回路を循環する純水が有する熱量を、前記脱水素触媒部に供給し得るように構成されている請求項5又は6に記載の水電解生成ガス純化システム。 - 前記熱量供給部は、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱水素触媒部の近傍を通って該閉回路へ戻す熱量供給ラインを備えていることを特徴とする請求項7に記載の水電解生成ガス純化システム。
- 水電解を利用して生成された水素ガス及び酸素ガスの取り出す水素ガス配管及び酸素ガス配管に、それぞれ、脱酸素触媒部及び脱水素触媒部を介挿し、
前記脱酸素触媒部及び脱水素触媒部に、前記水電解時に生成する熱量を供給するようにしたことを特徴とする水電解生成ガス純化方法。
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