JP3719153B2 - Hydrogen gas production method and apparatus, and hydrogen gas production unit - Google Patents

Hydrogen gas production method and apparatus, and hydrogen gas production unit Download PDF

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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスの製造方法及びその装置並びにこれを備えた水素ガス製造ユニットに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
水素ガスの工業的な製造方法として、主に以下の方法が挙げられる。
【0003】
1)水電解法 15〜20%苛性ソーダ溶液を、ニッケルメッキ電極を用いて、電解し、純水素とともに副生酸素をも得る方法である。
【0004】
2)コークスのガス化 コークスを原料として水性ガスを製造する方法である。通常、赤熱コークスに空気を送入して燃焼させ、炉温を上げるブローと水蒸気を送入してガスを発生させるランを短い周期で間欠式水素発生炉が古くから知られているが、その後に、酸素と水蒸気の混合気を送入する連続式水性ガス発生炉が登場した。ここで、水性ガスは除塵、水洗浄、脱硫などの、精製工程を経て、ガス中の一酸化炭素を、水性ガス転化反応を利用して、水素に転化させ、同時に生成する二酸化炭素を吸着除去し微量の一酸化炭素を除いて、不純物のない水素としている。
【0005】
3)石炭の完全ガス化 微細炭または微粉炭に酸素と水蒸気を送入してガス化する方法で、その主反応は炭化水素と酸素及び水蒸気の反応で、これにより水素、一酸化炭素、あるいはメタンを主成分とするガスを製造させている。ウインクラーガス発生炉、コッパース−トチェックガス発生炉、オットー−ルンメルガス発生炉など最近発展した方法はほとんどが、これに属する。生成ガスの性状や精製方法、変成方法は、ほとんど2)の方法と同じである。
【0006】
4)石油類のガス化、天然ガス、コークス炉ガス、石油精製廃ガスなどの変成原料が液体燃料のときはガス化といい、ガス体燃料のときは変成というが、これらは、反応の本質が炭化水素と酸素または水蒸気の反応により同一性状のガスを得る点で、同一である。また、前述の石炭の完全ガス化は固体炭化水素である石炭を原料とし、同一反応といえる。コッパース−トチェックガス発生炉、ファウザー−モンテカチニガス発生炉など、常圧のガス発生炉に対し、最近はテキサコガス発生炉、シェルガス発生炉など加圧ガス発生炉の進展が著しい。ガス体炭化水素の変成には触媒使用の接触分解法も広く行われている。
【0007】
5)コークスガスよりの分離 コークスガス発生炉からのガスを圧縮冷却して、水素以外のガスの全て液化除去し、水素を分離する方法である。炉ガスから常法によりイオウ化合物を除去し、約12気圧に圧縮して水及び苛性ソーダ溶液で洗浄し、二酸化炭素を除去、−40℃で水、−60℃でメタンその他の炭化水素、一酸化炭素を凝縮除去し、水素を分離している。
【0008】
6)鉄と水蒸気との反応 この手段はメーサシュミット法と呼ばれる。すなわち、リョウテツ鉱(FeCO3)を焼いてFe3O4とし、さらにこれを水性ガス(CO+H2)などで還元してFeOとし、これにH2Oを反応させることで、FeOが酸化され、これに伴い、純水素が得られる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、1)の水素ガス製造方法においては、水を原料とするところに長所があるが、以下の短所がある。すなわち、純水を必要とする、多数の電解槽を必要とする、電流の過不足に対する適応性が十分でない、電解液の炭酸化による老化、床面積、イニシャルコストなどに多くの問題があり、経済的に不利となる。そこで、近年においては、重油や天然ガスなどの廃ガスを水素源として利用するようになったので、2〜5)の方法が主流となっているのが現状である。
【0010】
一方、2〜6)の方法においては、設備が大掛かりとなり、イニシャルコスト及びランニングコストが増大する原因となる。また、水素ガス製造過程においては、一酸化炭素や二酸化炭素等の炭酸ガスを副生成させてしまい、これを除去する工程を具備せざるを得なく、水素ガスの生成効率が上がらない。
【0011】
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、その目的は、低廉かつ効率的な水素ガスの製造が可能な、水素ガスの製造方法及びその装置並びにそのユニットの提供、にある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明に係る水素ガス製造方法は、第一電極と第二電極とを設けた固体電解質の前記第一電極に水蒸気を接触させ、かつ前記第二電極にイオン供給源物質を接触させると同時に、これら電極間に電圧を印加することで、前記水蒸気を水素に変換する水素ガス製造方法であって、前記第一及び第二電極間に、水素ガス製造時と逆の電位を印加することで、前記第一電極に析出したイオン供給源物質を、前記固体電解質を介して、前記第二電極に移行させることにより、前記イオン供給源物質を再生することを特徴とする。
【0013】
ここで、固体電解質としては、ナトリウム導電体がある。他の固体電解質として、リチウム導電体も考えられるが、低廉な水素ガス製造の実現を考慮すると、ナトリウム導電体を採用するとよい。このときのイオン供給源物質としては、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム若しくは水酸化ナトリウムが用いられる。また、ナトリウムイオン導電体としては、β−アルミナ(Na2O・11Al2O3)やNASICON(Na1+XZr2P3-XSiXO12,Xは実数,0<X<3)等がある。
【0014】
第一及び第二電極は、多孔質で、一般的に用いられている導電性材料、Pt、Au、Cr、Cu及びNi若しくはこれらの酸化物等を基本材料としている。
【0015】
電圧を印加するするための電源は、一般の定電位電源(ポテンションスタット等)を用いることができるが、充放電できるものが望ましい。また、炭酸ガス放出時に電位を逆転させる操作で対応できるものは、なおよい。
【0016】
水素ガス製造時に印加する電圧は、−0.5〜3V程度である。また、イオン供給源物質再生時の電圧(放電電圧)は、+0.5〜3V程度である。印加及び放電電圧は、前記の値に限定されない。
【0017】
前述のように、水素ガス製造時においては、水蒸気(H2O)水素ガス(H2)に変換される。このとき、水蒸気に一酸化炭素と二酸化炭素とが含まれている場合、これらは炭酸塩(炭酸ナトリウム)の形態で第一電極の表面に分離除去される。これらの工程は約350℃のもとで行われる。
【0018】
また、イオン供給源物質再生時においては、第一及び第二電極間に、炭酸ガス吸蔵工程時と逆の電位を印加することで、第一電極に析出させた前記イオン供給源物質を第二電極側に移行させると同時に、分離した炭酸成分を系外移送することができる。これにより、イオン供給源物質が再生され、薬品コストの浪費が回避される。このときは、約650〜850℃のもとで行うことで、水素ガス製造工程への移行が可能となっている。
【0019】
尚、イオン供給源物質再生時、第二電極側に水蒸気(H2O)を供給するとよい(請求項4記載の水素ガス製造方法)。これにより、イオン供給源物質の再生が促進される共に、水素ガス(H2)の生成も可能となる。
【0020】
固体電解質は、いかなる形状のものでもよいが、イオン供給源物質の充填量の確認や、水蒸気の負荷量に応じた電極の接触表面積の適宜な調整等の、メンテナンス面と考慮すると、後述の水素ガス製造装置及び水素ガス製造ユニットのように、器状に形成するとよい。そして、その断面形状も、例えば、円形、楕円形、多種多角形の他、ガスの流通抵抗等を考慮して流線形とするなど、使用状況等の各種条件が適宜考慮される。
【0021】
すなわち、本発明に係る水素ガス製造方法を実施するための装置は、水蒸気が流通する配管と、この配管内において単数または複数設置され、器状に形成した固体電解質と、この固体電解質の外側面に覆設され前記水蒸気が接触する第一電極と、前記固体電解質の空洞面に覆設されイオン供給源物質が充填される第二電極とからなる、水素ガス生成器と、前記第一及び第二電極と導通し、印加電位の切り替えが自在な電源と、を具備し、前記固体電解質がナトリウムイオン導電体である場合、前記イオン供給源物質は炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム若しくは水酸化ナトリウムからなる、水素ガス製造装置であって、前記電源は、水素ガス製造時において、負極を前記第一電極と導通させると共に正極を前記第二電極と導通させることで前記第一電極と接触した水蒸気を水素に変換することを特徴とする。
【0022】
例えば、水素ガス製造装置は、水蒸気が流通する配管内に、前記第一及び第二電極を備えた器状の水素ガス生成器が複数垂下設置されて構成される。このとき、前記配管内においては、水素ガス生成器の下端を通過するガスの流れを迂回させる障害手段を、配置するとよい。前記障害手段は、前記固体電解質に効率よくガスを接触させるための手段であり、前記固体電解質の下端と配管内壁面との隙間を通過するガスの流れを迂回させるための迂流板がある。前記水素ガス製造装置において、水素ガス生成器の設置数は、水蒸気の負荷量によって定まる。
【0023】
前記水素ガス製造装置において、電源は正極を前記第一電極と導通させると共に負極を前記第二電極と導通させることで前記第一電極に析出させた前記イオン供給源物質を、前記固体電解質を介して、前記第二電極側に移行させている。これにより、吸蔵した炭酸ガスの放出と同時に、イオン供給源が再生されるので、薬品コストの浪費が回避される。
【0024】
また、前記水素ガス生成器において、第二電極側のイオン供給源物質に水蒸気を供給するための配管と、イオン供給源物質再生時に生成した水素ガスを排出するための配管を具備するとよい。
【0025】
さらに、本発明に係る水素ガス製造装置を備えた水素ガス製造ユニットは、一定時間毎に水蒸気が供給される水素ガス製造装置を少なくとも二つ備えた水素ガス製造ユニットであって、前記水素ガス製造装置は、水蒸気が流通する配管と、この配管内において単数または複数設置され、器状に形成した固体電解質と、この固体電解質の外側面に覆設され前記水蒸気が接触すると共に直流電源と導通する第一電極と、前記固体電解質の空洞面に覆設されイオン供給源物質が充填され直流電源と導通する第二電極とからなる、水素ガス生成器と、を具備し、前記固体電解質がナトリウムイオン導電体である場合、前記イオン供給源物質は炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム若しくは水酸化ナトリウムからなり、水蒸気が供給される一方の水素ガス製造装置は、前記直流電源の負極を前記第一電極と導通させると共に前記直流電源の正極を前記第二電極と導通させることで前記第一電極に接触した水蒸気を水素に変換すること、水蒸気が供給されない他方の水素ガス製造装置は、前記直流電源の負極を前記第二電極と導通させると共に前記直流電源の正極を前記第一電極と導通させることで前記第一電極に析出した前記イオン供給源物質を、前記固体電解質を介して、前記第二電極側に移行させることにより、前記イオン供給源物質を再生することを特徴とする。
【0026】
ここで、水素ガス製造装置は、バルブ手段を介して、各々並列に接続される。例えば、水素ガス製造装置が並列に接続されて配置された場合には、一方の水素ガス製造装置が本発明に係る水素ガス製造を、他方の水素ガス製造装置が水素ガス製造時に分離固定した炭酸ガスの取出しを、交互に行うことで、連続な水素ガス製造と炭酸ガス除去を可能としている。このとき、直流電源は、接続相を変換させることが可能で、各水素ガス製造装置の共有設備とするとよい。また、三つ並列された場合には、例えば、固定、放出を各々1/2づつタイミングをずらせるなど、その数等に応じて、切換えのタイミングは適宜設定できる。但し、三つ以上の水素ガス製造ユニットを設置する場合には、切換えのタイミング等に応じて、適宜に複数の電源を設ける必要がある。
【0027】
このように、本発明に係る水素ガス製造方法及びその装置においては、理想的な二次電池の構成を成すため、系外から水蒸気が供給される限り、蓄電も可能となり、また当該水素ガス生成器の電解質の両極で起こる酸化還元反応は可逆的な反応であり、放電現象を起させることで、イオン供給源物質は再生されるので、薬品コストの消費量を最小限に抑えることができる。しかも、この放電により電気エネルギーを取出すことも可能であるから、ランニングコストも低く抑えることができる。さらに、電解質は固体であるため、液漏れの心配がないばかりでなく、装置として小型化が可能となる。これより、イニシャルコストの低減が可能となるばかりでなく、水蒸気ガス負荷量に応じて有効反応容量を調整できるため、小規模から大規模な施設までの用途が広がる。また、被処理ガスに一酸化炭素や二酸化炭素が含れている場合であっても、水素ガス製造時に、これらを炭酸塩として捕獲できるので、炭酸ガスを除去する工程を具備させる必要はない。
【0028】
特に、本発明に係る水素ガス製造装置を具備した水素ガス製造ユニットにおいては、本発明に係る水素ガス製造装置を複数設け、交互に水素ガス製造とイオン供給源物質再生とを行っているので、低廉で連続的な水素ガスの製造が可能となる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0030】
図1は本発明に係る水素ガス製造方法の概略を説明した図で、(a)に本発明の原理の概説を、(b)は水素ガス生成時に各電極表面で起こる反応を示す。
【0031】
本発明に係る水素ガス製造装置は、被処理ガスが流通する配管10に、水素ガス生成器11を備えて構成される。
【0032】
水素ガス生成器11は、図1(a)に示したように、固体電解質11と、これに設置される二つの電極22a,22bと、電極22a,22bに接続される電源(直流)24とから成る。
【0033】
固体電解質21は、電極22a表面においてナトリウムイオンの導電体が用いられる。ナトリウムの導電体としては、β−アルミナ(Na2O・11Al2O3)やNASICON(Na1+XZr2P3-XSiXO12,Xは実数,0<X<3)等)がある。
【0034】
また、ナトリウムイオンの供給源物質としては、水酸化ナトリウム(NaOH)や炭酸ナトリウム(Na2CO3)または炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)がある。
【0035】
固体電解質21は、いかなる形状のものでもよく、例えば図1(a)のように、器状に形成される場合がある。このとき、該電解質の空洞部面に覆設された電極22b側にはイオン供給源物質23として例えば水酸化ナトリウム(NaOH)が供給され、該電解質の外側面に覆設された電極22aには水蒸気が供給される。
【0036】
電極22a,22bは、既知の導電性材料(Pt、Au、Cr、Cu及びNi、若しくはこれらの酸化物等)を基本素材とする、多孔質性の電極が用いられ、固体電解質21に蒸着によって設けられる。尚、蒸着以外に、溶射、ディップコーティング等により形成してよい。
【0037】
図1(a)(b)を用いて本発明における水素ガス製造の原理について説明する。ここでは、イオン供給源物質に水酸化ナトリウムを採用し、被処理ガスに水蒸気ガス(H2O)とした場合について説明する。
【0038】
水素ガス生成器11における水素ガスの生成は、生成器11の両極22a,22b間に電圧(直流)を印加すること、具体的には、直流電源24の正極を電極22bに、該電源の負極を電極22aに接続することにより行う(図1(a))。このとき、電極22b上では反応(1)が起こり、電極22a上では反応(2)が起こる(図1(b))。さらに、同極22a上では、反応(3)が起こり、反応(4)も起こる(図1(b))。
【0039】
すなわち、直流電源24から電圧が印加されると、電極22b表面においては、以下の反応によって、ナトリウムイオン(Na+)と電子(e-)とが遊離される。
【0040】
2NaOH → 2Na++2H2O+1/2O2+2e- …(1)
そして、遊離されたナトリウムイオン(Na+)は、電極22bを通過した後、固体電解質21内を泳動して、電極22aに達する。一方、Na2CO3から遊離した電子(e-)は、直流電源24を経由して、電極22aに達する。そして、電極22aの表面おいては、以下の反応が起こる。
【0041】
2Na++H2O+2e- → Na2O +H2 …(2)
そして、系内に導入された水蒸気が電極22aと接触すると以下の反応を起す。
【0042】
2H2O+2e- → 2OH- +H2 …(3)
また、反応(2)で生成したNa2Oの一部は、さらに気相中の水蒸気と反応して、NaOHを生成させる。
【0043】
Na2O +H2O → 2NaOH …(4)
尚、水素ガス生成器11は、水蒸気中に一酸化炭素(CO)や二酸化炭素(CO2)が含まれていいても、これら炭酸ガスを捕獲しながら水素ガスを生成する。すなわち、水蒸気中に炭酸ガス(一酸化炭素、二酸化炭素)が含まれていると、水素ガス生成器11は、これを炭酸ナトリウムの形態で分離固定する。
【0044】
例えば、配管10内に一酸化炭素(CO)が滞留している場合、電極22a上において以下の反応が起こる。
【0045】
2Na++CO+2H2O+2e- → Na2CO3 +2H2
また、配管3内に二酸化炭素(CO2)が滞留している場合、電極22a上において以下の反応が起こる。
【0046】
2Na++CO2+H2O+2e- → Na2CO3 +H2
ところで、水素ガス生成器11は、所定温度(約650〜850℃)の下で、イオン供給源物質の再生も可能としている。
【0047】
イオン供給源物質の再生は、電極22a,22bに接続される電源を、炭酸ガス固定時と逆相に接続することにより行う。すなわち、直流電源24の正極を電極22aに、同電源24の負極を電極22bに接続する。または、電極22a,22b間に外部負荷を接続して放電することにより、イオン供給源物質を再生してもよい。このとき、水素ガス生成時とは逆の反応が進行し、電極22a側では反応(1)が、電極22bでは反応(2)(3)(4)が起こり、NaOHが再生される。
【0048】
尚、イオン供給源物質再生時、電極22b側に水蒸気(H2O)を供給するとよい(図1(a))。イオン供給源物質の再生が促進される共に、水素ガス(H2)の生成も可能となるからである。
【0049】
次に、本発明に係る水素ガス製造方法の実施形態について説明する。
(実施形態1)
図3は、本発明に係る水素ガス製造装置の一実施形態の概略構成図である。(a)は該装置の平面図で、(b)は該装置のA−A断面図である。尚、かかる実施形態は、これに限定されない。
【0050】
当該水素ガス製造装置は、被処理ガスが流通する配管40内に、水素ガス生成器41と、を具備して構成される。尚、図示されていないが、水素ガス生成器41に電圧を印加するために充電現象を起させる機能と、電極22aの表面に既出した水酸化ナトリウムを電極22bに移行させるため及び同電極22aの表面に固定した炭酸ガスを取出すために放電現象を起させる機能と、を備えた、電源(直流)が具備される。
【0051】
水素ガス生成器41は、前述(図1(b))のように器状を成し、ここでは図4(a)のように、横断面が円形となるように形成されている。そして、配管40内において、複数垂下支持される。水素ガス生成器41は、脱着自在であり、被処理ガスの負荷量に応じて、配管40内に任意の数設置される。また、水素ガス生成器41には、イオン供給源物質(例えば、水酸化ナトリウム等)が適宜補充される。尚、配管40内には、水素ガス生成器41の下端を通過するガスの流れを迂回させるための障害手段が設置されている。かかる構成によれば、水素ガス生成器41と被処理ガスの接触効率が高まるため、気相中の一酸化炭素及び二酸化炭素は効率的に分離除去される。障害手段としては、図3においては、迂流板42が設置されている。板42の高さは適宜調整される。
【0052】
また、図示省略したが、水素ガス生成器41において、第二電極側のイオン供給源物質に水蒸気を供給するための配管と、イオン供給源物質再生時に生成した水素ガスを排出するための配管とを、具備する場合がある。これは、前述したように、イオン供給源物質再生時に、系外から水蒸気を導入することで、同物質の再生を促進と、水素ガスの生成をも実行させるためである。
【0053】
図4は、本発明に係る水素ガス製造装置から排出されるガス成分の経時的変化を示した特性図である。
【0054】
実験に係る水素ガス製造装置は、図3記載の水素ガス製造装置を採用した。水素ガス生成器41は、固体電解質にNASICONを、イオン供給源物質に水酸化ナトリウムを、電極に白金(Pt)を採用している。該水素ガス製造装置における水素ガス生成器の充填率は80%とした。また、水蒸気(H2O)の供給流量は1.0m3/h、動作温度は約350℃とした。尚、水素ガス製造時における印加電圧を−3V、イオン供給源物質再生時における印加電圧を+3Vとしている。図4から明らかなように、導入された水蒸気のほぼ100%が約20分で水素ガスに変換されていることから、当該水素ガス製造装置は水蒸気を水素ガスに変換することができることが示された。
【0055】
尚、本実験において、水素ガス製造時に印加する電圧を−3V、イオン供給源物質再生時に印加する電圧を+3Vとしているが、印加電圧はこららの値に限定するものではなく、適宜に設定されるものとする。
【0056】
また、動作温度は、使用するイオン供給源物質等の各種条件に応じて任意の温度を設定すればよく、例えば後段に設置された燃料電池設備等からの排熱を利用することによって、水素ガス製造装置自体を加熱することで、確保するようにしてもよい。
【0057】
このように、本発明に係る水素ガス製造装置における水素ガス生成器は、理想的な二次電池の構成を成すため、系外から水蒸気が供給される限り、蓄電も可能となり、また当該水素ガス生成器の電解質の両極で起こる酸化還元反応は可逆的な反応であり、放電現象を起させることで、イオン供給源物質は再生されるので、薬品コストの消費量を最小限に抑えることができる。しかも、この放電により電気エネルギーを取出すことも可能であるから、ランニングコストも低く抑えることができる。さらに、電解質は固体であるため、液漏れの心配がないばかりでなく、装置として小型化が可能となる。これより、イニシャルコストの低減が可能となるばかりでなく、水蒸気ガス負荷量に応じて有効反応容量を調整できるため、小規模から大規模な施設までの用途が広がる。また、仮に被処理ガスに一酸化炭素や二酸化炭素が含れている場合でも、水素ガス製造時に、これらを炭酸塩として捕獲できるので、炭酸ガスを除去する工程を具備させる必要はない。
(実施形態2)
図2も、本発明に係る水素ガス製造方法の実施形態の一例で、当該水素ガス製造方法を導入したユニットの一例である。ここで、(a)は該水素ガス製造ユニットの一実施形態の概略で、(b)は該ユニットの動作タイムスケジュールの一例である。尚、かかる実施形態は、これに限定されない。
【0058】
水素ガス製造ユニットは、複数の本発明に係る水素ガス製造装置30及びバルブ手段(V0〜V3)と、直流電源31とを備え、タイムスケジュールを格納した制御手段(図示省略)によって動作制御される。
【0059】
水素ガス製造ユニットは、本発明に係る水素ガス製造装置を2基(30a,30b)並列に配置させ、交互に、水素ガス製造と、イオン供給源物質の再生と、を実行している。図2(a)において、水素ガス製造装置30a,30bは、上流側経路にバルブ手段V0(以下、V0)を、下流側経路にバルブ手段V3(以下、V3)を介して並列に配置される。また、水素ガス製造装置30aの下流側経路にはバルブ手段V1(以下、V1)が、さらに水素ガス製造装置30bの下流側経路にはバルブ手段V2(以下、V2)が設置され、V1,V2にはガス貯留タンク32へのガス排出経路321が接続される。尚、水素ガス製造装置30a,30bの下流側(図2においては、V3の下流側)には、一酸化炭素、二酸化炭素濃度計33が付帯され、水素ガス製造装置30a,30b内の炭酸ガス濃度が監視される。
【0060】
直流電源31は、水素ガス製造装置30aと水素ガス製造装置30bの共有設備であり、接続相の切り替えを可能としている。すなわち、直流電源31は、水素ガス製造時には、電源31の正極を水素ガス製造装置30a,30bのガス側電極(以下、正極)に接続させ、電源31の負極を同装置30a,30bのイオン供給源物質側電極(以下、負極)に接続させる(以下、充電接続)。また、イオン供給源物質再生時には、電源31の正極を水素ガス製造装置30a,30bの負極に接続させ、電源31の負極を同装置30a,30bの正極に接続させる(以下、放電接続)。
【0061】
水素ガス製造ユニットは、水素ガス製造装置30a,30bを二つ設けることに限らない。例えば、水素ガス製造装置30を三つ並列に設置した場合には、固定、放出を各々1/2づつタイミングをずらせるなど、その設置数等に応じて、切換えのタイミングは適宜設定できる。但し、三つ以上の水素ガス製造装置を設置する場合には、切換えのタイミング等に応じて、適宜に複数の電源31を設ける必要がある。
【0062】
水素ガス製造ユニットは、水素ガス製造工程とイオン供給源物質再生工程とを有するタイムスケジュール(図2(b))に基づき、水素ガス製造を交互に行なって、連続的な水素ガス製造とイオン供給源物質再生を可能としている。ここで、水蒸気の流量は、水素ガス製造装置30に供給されるガスの滞留時間が一定となるように調整される。また、水素ガス製造の切替時間は、水蒸気負荷量に応じて任意に設定される。
【0063】
図2(b)において、水素ガス製造装置30aは水素ガス製造工程を終了させるとイオン供給源物質再生工程に、水素ガス製造装置30bは水素ガス製造工程に移行する。このとき、水蒸気の供給路はV0によって水素ガス製造装置30b側に設定され、さらに水素ガス製造装置30bからの濃縮水素ガスの排出経路はV2,V3によって系外移送側に設定される。
【0064】
イオン供給源物質再生工程に移行した水素ガス製造装置30aにおいては、電源31の接続は放電接続に切り替わる。このとき、V1は経路321側に設定され、放電により、遊離した二酸化炭素や、生成した酸素や水蒸気が、ブロワ等により吸引され、系外(例えば、図2においては、ガス貯留タンク32)に移送される。尚、一部の水蒸気は、経路322を介し水素ガス製造装置30a,bに供給され、再度、水素ガス製造及びイオン供給源物質再生に供される。
【0065】
一方、水素ガス製造工程に移行した水素ガス製造装置30bにおいては、電源31の接続は充電接続に切り替わる。ここでの水素ガス製造の説明は、図1での原理に説明に譲る。水素ガス製造装置30bで濃縮された水素ガスは、ブロワ等によって吸引され、系外に移送される。そして、水素ガス製造工程が消化されると、水素ガス製造装置30bはイオン供給源物質再生工程に移行し、水素ガス製造装置30aは水素ガス製造工程に移行する。
【0066】
このように、当該水素ガス製造ユニットは、本発明に係る水素ガス製造装置を複数並列に配置させて、交互に水素ガス製造と、イオン供給源物質の除去と、を実行しているので、高濃度の水素ガスを低廉かつ連続に生産することができる。
【0067】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、以下の効果を奏する。
【0068】
本発明に係る水素ガス製造方法及びその装置によれば、理想的な二次電池の構成を成すため、系外から水蒸気が供給される限り、蓄電も可能となり、また当該水素ガス生成器の電解質の両極で起こる酸化還元反応は可逆的な反応であり、放電現象を起させることで、イオン供給源物質は再生されるので、薬品コストの消費量を最小限に抑えることができる。しかも、この放電により電気エネルギーを取出すことも可能であるから、ランニングコストも低く抑えることができる。さらに、電解質は固体であるため、液漏れの心配がないばかりでなく、装置として小型化が可能となる。これより、イニシャルコストの低減が可能となるばかりでなく、水蒸気ガス負荷量に応じて有効反応容量を調整できるため、小規模から大規模な施設までの用途が広がる。また、被処理ガスに一酸化炭素や二酸化炭素が含れている場合であっても、水素ガス製造時に、これらを炭酸塩として捕獲できるので、炭酸ガスを除去する工程を具備させる必要がないばかりでなく、炭酸ガスの系外排出を抑制させることができ、地球温暖化対策に大いに貢献できる。
【0069】
特に、本発明に係る水素ガス製造装置を具備した水素ガス製造ユニットによれば、本発明に係る水素ガス製造装置を複数設け、交互に水素ガス製造とイオン供給源物質再生とを行っているので、低廉で連続的な水素ガスの製造が可能となる。
【0070】
このように、本発明に係る水素生成方法及びその装置並びにそのユニットによれば、低廉かつ効率的な水素ガスの製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る水素ガス製造方法の概略説明図で、(a)は本発明の原理を概説し、(b)は水素ガス生成時に各電極表面で起こる反応を示す。
【図2】水素ガス生成ユニットの一例。(a)は水素ガス製造ユニットの一実施形態の概略で、(b)は該ユニットの動作タイムスケジュールの一例
【図3】本発明に係る水素ガス製造装置の一例を示した概略構成図で、(a)は該装置の平面図で、(b)は該装置のA−A断面図である。
【図4】本発明から排出されたガス成分の経時的変化。
【符号の説明】
10…配管
11…水素ガス生成器
21…固体電解質
22a,22b…電極
23…イオン供給源物質
24,31…直流電源
30a,30b…水素ガス製造装置
33…一酸化炭素、二酸化炭素濃度計
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for producing hydrogen gas, and a hydrogen gas production unit including the same.
[0002]
[Prior art]
The following methods are mainly mentioned as an industrial manufacturing method of hydrogen gas.
[0003]
1) Water electrolysis method In this method, 15 to 20% caustic soda solution is electrolyzed using a nickel plating electrode to obtain by-product oxygen along with pure hydrogen.
[0004]
2) Gasification of coke This is a method for producing water gas using coke as a raw material. Normally, intermittent hydrogen generation furnaces have been known for a long period of time in which air is blown into red-hot coke and burned, and blows that raise the furnace temperature and steam that feeds steam to generate gas have been known for a long time. In addition, a continuous water gas generation furnace that introduces a mixture of oxygen and water vapor has appeared. Here, the water gas undergoes purification steps such as dust removal, water washing, and desulfurization, and carbon monoxide in the gas is converted to hydrogen using a water gas conversion reaction, and carbon dioxide produced at the same time is removed by adsorption. Except for a small amount of carbon monoxide, it is hydrogen without impurities.
[0005]
3) Full gasification of coal This is a method of gasification by sending oxygen and water vapor into fine coal or pulverized coal, and the main reaction is a reaction of hydrocarbon, oxygen and water vapor, so that hydrogen, carbon monoxide, or A gas mainly composed of methane is produced. Most recently developed methods such as winker gas generator, copper soot gas generator, and Otto-Rummel gas generator belong to this. The properties of the product gas, the purification method, and the modification method are almost the same as the method 2).
[0006]
4) Gasification when petroleum is gasified, natural gas, coke oven gas, petroleum refining waste gas, etc. is a liquid fuel, and gasification is called gasification. Are the same in that a gas having the same property is obtained by the reaction of hydrocarbon and oxygen or water vapor. Moreover, the above-mentioned complete gasification of coal can be said to be the same reaction using coal, which is a solid hydrocarbon, as a raw material. In contrast to normal pressure gas generators such as copper soot check gas generators and fauser-Montecatini gas generators, the development of pressurized gas generators such as texaco gas generators and shell gas generators has been remarkable recently. Catalytic catalytic cracking methods are widely used to transform gaseous hydrocarbons.
[0007]
5) Separation from coke gas This is a method in which gas from a coke gas generator is compressed and cooled to liquefy and remove all gas other than hydrogen to separate hydrogen. Remove sulfur compounds from the furnace gas in a conventional manner, compress to about 12 atmospheres, wash with water and caustic soda solution, remove carbon dioxide, water at -40 ° C, methane and other hydrocarbons at -60 ° C, monoxide Carbon is condensed and removed, and hydrogen is separated.
[0008]
6) Reaction between iron and water vapor This method is called the Methaschmitt method. That is, Ryotetsu ore (FeCOThree) To Fe3O4, which is further converted into water gas (CO + H2) Etc. to reduce to FeO,2By reacting O, FeO is oxidized, and pure hydrogen is obtained accordingly.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the hydrogen gas production method 1) has advantages in using water as a raw material, but has the following disadvantages. In other words, it requires pure water, requires a large number of electrolytic cells, is not sufficiently adaptable to excess or shortage of current, has many problems in aging due to carbonation of the electrolyte, floor area, initial cost, Economic disadvantage. Therefore, in recent years, waste gas such as heavy oil and natural gas has been used as a hydrogen source, and therefore, the method 2-5) has become the mainstream.
[0010]
On the other hand, in the methods 2 to 6), the facility becomes large, which causes an increase in initial cost and running cost. Further, in the hydrogen gas production process, carbon dioxide such as carbon monoxide and carbon dioxide is by-produced, and a process for removing this must be provided, so that the production efficiency of hydrogen gas is not increased.
[0011]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a hydrogen gas production method, an apparatus thereof, and a unit thereof capable of producing hydrogen gas at low cost and efficiency.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  there,The method for producing hydrogen gas according to the present invention comprises a solid electrolyte provided with a first electrode and a second electrode.SaidBringing water vapor into contact with the first electrode; andSaidBy bringing the ion source material into contact with the second electrode and simultaneously applying a voltage between these electrodes,SaidConvert water vapor to hydrogenIn the hydrogen gas production method, an ion source material deposited on the first electrode is applied via the solid electrolyte by applying a potential opposite to that at the time of hydrogen gas production between the first and second electrodes. Regenerating the ion source material by transferring to the second electrodeIt is characterized by.
[0013]
Here, as the solid electrolyte, there is a sodium conductor. As another solid electrolyte, a lithium conductor is also conceivable, but a sodium conductor may be adopted in consideration of the realization of inexpensive hydrogen gas production. At this time, sodium carbonate, sodium bicarbonate or sodium hydroxide is used as the ion source material. Moreover, as a sodium ion conductor, β-alumina (Na2O ・ 11Al2OThree) Or NASICON (Na1 + XZr2P3-XSiXO12, X is a real number, 0 <X <3).
[0014]
The first and second electrodes are porous, and are based on a commonly used conductive material, such as Pt, Au, Cr, Cu and Ni or their oxides.
[0015]
As a power source for applying the voltage, a general constant potential power source (potentiostat or the like) can be used, but a power source capable of charging and discharging is desirable. Moreover, what can respond | correspond by the operation which reverses an electric potential at the time of carbon dioxide gas discharge | release is still better.
[0016]
The voltage applied at the time of hydrogen gas manufacture is about -0.5-3V. Further, the voltage (discharge voltage) at the time of regeneration of the ion source material is about +0.5 to 3V. The application and discharge voltages are not limited to the above values.
[0017]
As described above, during the production of hydrogen gas, water vapor (H2O) Hydrogen gas (H2). At this time, when the water vapor contains carbon monoxide and carbon dioxide, these are separated and removed on the surface of the first electrode in the form of carbonate (sodium carbonate). These steps are performed at about 350 ° C.
[0018]
In addition, when the ion source material is regenerated, the ion source material deposited on the first electrode is applied to the second electrode by applying a reverse potential between the first and second electrodes. Simultaneously with the transfer to the electrode side, the separated carbonic acid component can be transferred out of the system. This regenerates the ion source material and avoids waste of chemical costs. At this time, it is possible to shift to a hydrogen gas production process by carrying out at about 650 to 850 ° C.
[0019]
When regenerating the ion source material, water vapor (H2O) may be supplied (hydrogen gas production method according to claim 4). As a result, regeneration of the ion source material is promoted and hydrogen gas (H2) Can also be generated.
[0020]
The solid electrolyte may have any shape, but considering the maintenance aspect such as confirmation of the filling amount of the ion source material and appropriate adjustment of the contact surface area of the electrode in accordance with the load of water vapor, it will be described later. It is good to form in a container shape like a gas production apparatus and a hydrogen gas production unit. In addition, for example, various conditions such as use conditions are appropriately taken into account, such as a circular shape, an elliptical shape, a multi-polygonal shape, and a streamline shape in consideration of gas flow resistance and the like.
[0021]
  That is, an apparatus for carrying out the hydrogen gas production method according to the present invention includes a pipe through which water vapor flows,thisA single or a plurality of solid electrolytes formed in a pipe and formed into a vessel shape;thisCovered on the outer surface of the solid electrolyteSaidA first electrode in contact with water vapor;The solid electrolyteA hydrogen gas generator comprising a second electrode that is covered on the cavity surface of the first electrode and is filled with an ion source material;SaidWhen the solid electrolyte is a sodium ion conductor, comprising a power source that is electrically connected to the first and second electrodes and is capable of switching the applied potential.SaidThe ion source material is a hydrogen gas production apparatus consisting of sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate or sodium hydroxide,SaidThe power supply is used for hydrogen gas production.By connecting the negative electrode with the first electrode and the positive electrode with the second electrode,The first electrodeIt is characterized in that water vapor in contact with water is converted into hydrogen.
[0022]
  For example, the hydrogen gas production apparatus is configured by dropping a plurality of vessel-shaped hydrogen gas generators having the first and second electrodes in a pipe through which water vapor flows. At this time,SaidIn the pipe, an obstacle means for bypassing the gas flow passing through the lower end of the hydrogen gas generator may be arranged.SaidThe obstacle means is means for efficiently bringing gas into contact with the solid electrolyte,SaidThere is a bypass plate for bypassing the gas flow passing through the gap between the lower end of the solid electrolyte and the inner wall surface of the pipe.SaidIn the hydrogen gas production apparatus, the number of hydrogen gas generators installed is determined by the amount of steam load.
[0023]
  SaidIn hydrogen gas production equipment,The power supply connects the positive electrode with the first electrode and the negative electrode with the second electrode.,SaidThe ion source material deposited on the first electrode through the solid electrolyte,SaidIt is made to transfer to the 2nd electrode side.ThisSimultaneously with the release of the occluded carbon dioxide, the ion supply source is regenerated, so that waste of chemical costs is avoided.
[0024]
  Also,In the hydrogen gas generator, a pipe for supplying water vapor to the ion source material on the second electrode side and a pipe for discharging the hydrogen gas generated during the regeneration of the ion source material may be provided.
[0025]
  Furthermore, the hydrogen gas production unit provided with the hydrogen gas production apparatus according to the present invention is a hydrogen gas production unit comprising at least two hydrogen gas production apparatuses to which water vapor is supplied at regular intervals,SaidThe hydrogen gas production apparatus has a pipe through which water vapor flows,thisA single or a plurality of solid electrolytes formed in a pipe and formed into a vessel shape;thisCovered on the outer surface of the solid electrolyteSaidA first electrode that is in contact with the DC power source while being in contact with water vapor;The solid electrolyteWhen the solid electrolyte is a sodium ion conductor, comprising a hydrogen gas generator comprising a second electrode that is covered with an ion source material and that is filled with an ion source material and is connected to a DC power source,SaidThe ion source material consists of sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate or sodium hydroxide and is supplied with water vaporOneHydrogen gas production equipmentBy connecting the negative electrode of the DC power supply with the first electrode and connecting the positive electrode of the DC power supply with the second electrode,SaidConverting water vapor in contact with the first electrode into hydrogen, water vapor is not suppliedThe otherHydrogen gas production equipmentBy connecting the negative electrode of the DC power supply with the second electrode and connecting the positive electrode of the DC power supply with the first electrode,,SaidThe ion source material deposited on the first electrode, through the solid electrolyte,SaidBy moving to the second electrode side,SaidThe ion source material is regenerated.
[0026]
Here, the hydrogen gas production apparatuses are connected in parallel through valve means. For example, when hydrogen gas production apparatuses are connected in parallel, one hydrogen gas production apparatus performs hydrogen gas production according to the present invention, and the other hydrogen gas production apparatus separates and fixes carbon dioxide during hydrogen gas production. By taking out gas alternately, continuous hydrogen gas production and carbon dioxide gas removal are possible. At this time, the DC power source can convert the connection phase, and is preferably shared equipment for each hydrogen gas production apparatus. Further, when three are arranged in parallel, for example, the timing of switching can be set as appropriate according to the number and the like, such as shifting the timing of fixing and discharging by 1/2 each. However, when three or more hydrogen gas production units are installed, it is necessary to appropriately provide a plurality of power sources according to the switching timing or the like.
[0027]
As described above, in the hydrogen gas production method and the apparatus thereof according to the present invention, an ideal secondary battery is configured, so that it is possible to store electricity as long as water vapor is supplied from the outside of the system. The redox reaction that occurs at both ends of the electrolyte of the vessel is a reversible reaction, and by causing a discharge phenomenon, the ion source material is regenerated, so that the consumption of chemical costs can be minimized. Moreover, since the electric energy can be taken out by this discharge, the running cost can be kept low. Furthermore, since the electrolyte is solid, there is no risk of liquid leakage, and the apparatus can be miniaturized. As a result, not only can the initial cost be reduced, but also the effective reaction capacity can be adjusted according to the amount of water vapor gas load, so that applications from small to large facilities are expanded. Further, even when carbon monoxide or carbon dioxide is contained in the gas to be treated, these can be captured as carbonates during the production of hydrogen gas, so there is no need to provide a step for removing carbon dioxide.
[0028]
In particular, in the hydrogen gas production unit equipped with the hydrogen gas production device according to the present invention, a plurality of hydrogen gas production devices according to the present invention are provided, and hydrogen gas production and ion source material regeneration are performed alternately. Low-cost and continuous production of hydrogen gas becomes possible.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
FIG. 1 is a diagram for explaining the outline of a method for producing hydrogen gas according to the present invention. FIG. 1 (a) shows an outline of the principle of the present invention, and FIG. 1 (b) shows a reaction that occurs on the surface of each electrode during hydrogen gas generation.
[0031]
The hydrogen gas production apparatus according to the present invention is configured by including a hydrogen gas generator 11 in a pipe 10 through which a gas to be treated flows.
[0032]
As shown in FIG. 1A, the hydrogen gas generator 11 includes a solid electrolyte 11, two electrodes 22a and 22b installed on the solid electrolyte 11, and a power source (direct current) 24 connected to the electrodes 22a and 22b. Consists of.
[0033]
The solid electrolyte 21 uses a sodium ion conductor on the surface of the electrode 22a. Sodium conductors include β-alumina (Na2O ・ 11Al2OThree) Or NASICON (Na1 + XZr2P3-XSiXO12, X is a real number, 0 <X <3).
[0034]
Sodium ion source materials include sodium hydroxide (NaOH) and sodium carbonate (Na2COThree) Or sodium bicarbonate (NaHCO 3)Three)
[0035]
The solid electrolyte 21 may have any shape, and may be formed in a container shape, for example, as shown in FIG. At this time, for example, sodium hydroxide (NaOH) is supplied as the ion source material 23 to the side of the electrode 22b covered on the cavity surface of the electrolyte, and the electrode 22a covered on the outer surface of the electrolyte is supplied to the electrode 22a. Steam is supplied.
[0036]
As the electrodes 22a and 22b, porous electrodes based on known conductive materials (Pt, Au, Cr, Cu and Ni, or oxides thereof) are used, and are deposited on the solid electrolyte 21 by vapor deposition. Provided. In addition to vapor deposition, it may be formed by thermal spraying, dip coating, or the like.
[0037]
The principle of hydrogen gas production in the present invention will be described with reference to FIGS. Here, sodium hydroxide is used as the ion source material, and water vapor gas (H2The case of O) will be described.
[0038]
Generation of hydrogen gas in the hydrogen gas generator 11 is performed by applying a voltage (direct current) between both electrodes 22a and 22b of the generator 11. Specifically, the positive electrode of the DC power source 24 is used as the electrode 22b, and the negative electrode of the power source is used. Is connected to the electrode 22a (FIG. 1A). At this time, reaction (1) occurs on the electrode 22b, and reaction (2) occurs on the electrode 22a (FIG. 1B). Furthermore, reaction (3) occurs on the same polarity 22a, and reaction (4) also occurs (FIG. 1 (b)).
[0039]
That is, when a voltage is applied from the DC power supply 24, the surface of the electrode 22b has sodium ions (Na+) And electrons (e-) And are released.
[0040]
2NaOH → 2Na++ 2H2O + 1 / 2O2+ 2e-  ... (1)
And the liberated sodium ion (Na+) Migrates through the solid electrolyte 21 after passing through the electrode 22b and reaches the electrode 22a. On the other hand, Na2COThreeElectrons released from (e-) Reaches the electrode 22 a via the DC power supply 24. The following reaction occurs on the surface of the electrode 22a.
[0041]
2Na++ H2O + 2e-  → Na2O + H2  ... (2)
When the water vapor introduced into the system comes into contact with the electrode 22a, the following reaction occurs.
[0042]
2H2O + 2e-  → 2OH-  + H2  ... (3)
Further, Na produced in the reaction (2)2A part of O further reacts with water vapor in the gas phase to generate NaOH.
[0043]
Na2O + H2O → 2NaOH (4)
In addition, the hydrogen gas generator 11 includes carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2), Hydrogen gas is generated while capturing these carbon dioxide gases. That is, when carbon dioxide (carbon monoxide, carbon dioxide) is contained in the water vapor, the hydrogen gas generator 11 separates and fixes this in the form of sodium carbonate.
[0044]
For example, when carbon monoxide (CO) stays in the pipe 10, the following reaction occurs on the electrode 22a.
[0045]
2Na++ CO + 2H2O + 2e-  → Na2COThree  + 2H2
In addition, carbon dioxide (CO2) Is retained, the following reaction occurs on the electrode 22a.
[0046]
2Na++ CO2+ H2O + 2e-  → Na2COThree  + H2
By the way, the hydrogen gas generator 11 can also regenerate the ion source material at a predetermined temperature (about 650 to 850 ° C.).
[0047]
The regeneration of the ion source material is performed by connecting a power source connected to the electrodes 22a and 22b in a phase opposite to that when carbon dioxide is fixed. That is, the positive electrode of the DC power supply 24 is connected to the electrode 22a, and the negative electrode of the power supply 24 is connected to the electrode 22b. Alternatively, the ion source material may be regenerated by connecting and discharging an external load between the electrodes 22a and 22b. At this time, a reaction reverse to that at the time of hydrogen gas generation proceeds, reaction (1) occurs on the electrode 22a side, and reactions (2), (3), and (4) occur on the electrode 22b, and NaOH is regenerated.
[0048]
During regeneration of the ion source material, water vapor (H2O) may be supplied (FIG. 1A). While regeneration of the ion source material is promoted, hydrogen gas (H2This is because the generation of) is also possible.
[0049]
Next, an embodiment of the method for producing hydrogen gas according to the present invention will be described.
(Embodiment 1)
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a hydrogen gas production apparatus according to the present invention. (A) is a top view of this apparatus, (b) is AA sectional drawing of this apparatus. Note that this embodiment is not limited to this.
[0050]
The hydrogen gas production apparatus includes a hydrogen gas generator 41 in a pipe 40 through which a gas to be treated flows. Although not shown in the figure, the function of causing a charging phenomenon to apply a voltage to the hydrogen gas generator 41, the transition of sodium hydroxide already exposed on the surface of the electrode 22a to the electrode 22b, and the electrode 22a A power source (direct current) having a function of causing a discharge phenomenon to take out carbon dioxide gas fixed on the surface is provided.
[0051]
The hydrogen gas generator 41 has a container shape as described above (FIG. 1B), and is formed so as to have a circular cross section as shown in FIG. 4A. In the pipe 40, a plurality of hangings are supported. The hydrogen gas generator 41 is detachable, and an arbitrary number of hydrogen gas generators 41 are installed in the pipe 40 in accordance with the load amount of the gas to be processed. The hydrogen gas generator 41 is appropriately supplemented with an ion supply source material (for example, sodium hydroxide). In the pipe 40, obstacle means for bypassing the gas flow passing through the lower end of the hydrogen gas generator 41 is installed. According to this configuration, since the contact efficiency between the hydrogen gas generator 41 and the gas to be processed is increased, carbon monoxide and carbon dioxide in the gas phase are efficiently separated and removed. As the obstacle means, a bypass plate 42 is installed in FIG. The height of the plate 42 is adjusted as appropriate.
[0052]
Although not shown, in the hydrogen gas generator 41, a pipe for supplying water vapor to the ion source material on the second electrode side, and a pipe for discharging the hydrogen gas generated during the ion source material regeneration May be provided. This is because, as described above, by introducing water vapor from the outside of the system during the regeneration of the ion supply source material, the regeneration of the material is promoted and the generation of hydrogen gas is also executed.
[0053]
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the change over time of the gas components discharged from the hydrogen gas production apparatus according to the present invention.
[0054]
The hydrogen gas production apparatus shown in FIG. 3 was adopted as the hydrogen gas production apparatus related to the experiment. The hydrogen gas generator 41 employs NASICON as a solid electrolyte, sodium hydroxide as an ion source material, and platinum (Pt) as an electrode. The filling rate of the hydrogen gas generator in the hydrogen gas production apparatus was 80%. In addition, water vapor (H2O) supply flow rate is 1.0mThree/ H, the operating temperature was about 350 ° C. The applied voltage at the time of hydrogen gas production is −3 V, and the applied voltage at the time of ion source material regeneration is +3 V. As is apparent from FIG. 4, since almost 100% of the introduced water vapor is converted into hydrogen gas in about 20 minutes, it is shown that the hydrogen gas production apparatus can convert water vapor into hydrogen gas. It was.
[0055]
In this experiment, the voltage applied during hydrogen gas production is −3 V, and the voltage applied during ion source material regeneration is +3 V. However, the applied voltage is not limited to these values, and is set appropriately. Shall.
[0056]
The operating temperature may be set at an arbitrary temperature according to various conditions such as the ion source material to be used. For example, by utilizing the exhaust heat from the fuel cell equipment installed at the subsequent stage, the hydrogen gas You may make it ensure by heating manufacturing apparatus itself.
[0057]
As described above, the hydrogen gas generator in the hydrogen gas production apparatus according to the present invention forms an ideal secondary battery, and therefore can store electricity as long as water vapor is supplied from outside the system. The redox reaction that takes place at both ends of the electrolyte of the generator is a reversible reaction, and by causing a discharge phenomenon, the ion source material is regenerated, so that the chemical cost consumption can be minimized. . Moreover, since the electric energy can be taken out by this discharge, the running cost can be kept low. Furthermore, since the electrolyte is solid, there is no risk of liquid leakage, and the apparatus can be miniaturized. As a result, not only can the initial cost be reduced, but also the effective reaction capacity can be adjusted according to the amount of water vapor gas load, so that applications from small to large facilities are expanded. Moreover, even if carbon monoxide and carbon dioxide are contained in the gas to be treated, these can be captured as carbonates during the production of hydrogen gas, so there is no need to provide a step for removing carbon dioxide.
(Embodiment 2)
FIG. 2 is also an example of an embodiment of the method for producing hydrogen gas according to the present invention, and is an example of a unit in which the method for producing hydrogen gas is introduced. Here, (a) is an outline of one embodiment of the hydrogen gas production unit, and (b) is an example of the operation time schedule of the unit. Note that this embodiment is not limited to this.
[0058]
The hydrogen gas production unit includes a plurality of hydrogen gas production apparatuses 30 and valve means (V0 to V3) according to the present invention, and a DC power supply 31, and is controlled by a control means (not shown) storing a time schedule. .
[0059]
In the hydrogen gas production unit, two hydrogen gas production apparatuses according to the present invention (30a, 30b) are arranged in parallel, and hydrogen gas production and ion source material regeneration are performed alternately. In FIG. 2A, hydrogen gas production apparatuses 30a and 30b are arranged in parallel via valve means V0 (hereinafter referred to as V0) in the upstream path and valve means V3 (hereinafter referred to as V3) in the downstream path. . Further, the valve means V1 (hereinafter referred to as V1) is installed in the downstream path of the hydrogen gas production apparatus 30a, and the valve means V2 (hereinafter referred to as V2) is installed in the downstream path of the hydrogen gas production apparatus 30b. Is connected to a gas discharge path 321 to the gas storage tank 32. A carbon monoxide and carbon dioxide concentration meter 33 is attached downstream of the hydrogen gas production apparatuses 30a and 30b (on the downstream side of V3 in FIG. 2), and carbon dioxide in the hydrogen gas production apparatuses 30a and 30b. The concentration is monitored.
[0060]
The DC power supply 31 is a shared facility of the hydrogen gas production device 30a and the hydrogen gas production device 30b, and enables switching of the connection phase. That is, the DC power supply 31 connects the positive electrode of the power supply 31 to the gas side electrode (hereinafter, positive electrode) of the hydrogen gas production apparatuses 30a and 30b and supplies the negative electrode of the power supply 31 to the ions of the apparatuses 30a and 30b during the hydrogen gas production. It connects with a source material side electrode (henceforth, negative electrode) (henceforth, charge connection). Further, at the time of ion source material regeneration, the positive electrode of the power supply 31 is connected to the negative electrode of the hydrogen gas production apparatuses 30a and 30b, and the negative electrode of the power supply 31 is connected to the positive electrode of the apparatus 30a and 30b (hereinafter referred to as discharge connection).
[0061]
The hydrogen gas production unit is not limited to providing two hydrogen gas production apparatuses 30a and 30b. For example, when three hydrogen gas production apparatuses 30 are installed in parallel, the timing of switching can be appropriately set according to the number of installations, such as shifting the timing of fixing and releasing by 1/2 each. However, when three or more hydrogen gas production apparatuses are installed, it is necessary to appropriately provide a plurality of power sources 31 according to the switching timing or the like.
[0062]
The hydrogen gas production unit performs hydrogen gas production alternately on the basis of a time schedule (FIG. 2B) having a hydrogen gas production process and an ion source material regeneration process, so that continuous hydrogen gas production and ion supply are performed. Source material regeneration is possible. Here, the flow rate of the water vapor is adjusted so that the residence time of the gas supplied to the hydrogen gas production apparatus 30 is constant. Moreover, the switching time of hydrogen gas production is arbitrarily set according to the steam load.
[0063]
2B, when the hydrogen gas production apparatus 30a finishes the hydrogen gas production process, the hydrogen gas production apparatus 30b proceeds to the ion supply source material regeneration process, and the hydrogen gas production apparatus 30b proceeds to the hydrogen gas production process. At this time, the water vapor supply path is set on the hydrogen gas production apparatus 30b side by V0, and the concentrated hydrogen gas discharge path from the hydrogen gas production apparatus 30b is set on the out-of-system transfer side by V2 and V3.
[0064]
In the hydrogen gas production apparatus 30a that has shifted to the ion supply source material regeneration step, the connection of the power source 31 is switched to the discharge connection. At this time, V1 is set on the path 321 side, and the carbon dioxide liberated and the generated oxygen and water vapor are sucked by a blower or the like due to the discharge, and out of the system (for example, the gas storage tank 32 in FIG. 2). Be transported. A part of the water vapor is supplied to the hydrogen gas production apparatuses 30a and 30b via the path 322, and again used for hydrogen gas production and ion source material regeneration.
[0065]
On the other hand, in the hydrogen gas production apparatus 30b that has shifted to the hydrogen gas production process, the connection of the power source 31 is switched to the charge connection. The description of hydrogen gas production here will be left to the principle in FIG. The hydrogen gas concentrated by the hydrogen gas production apparatus 30b is sucked by a blower or the like and transferred out of the system. And if a hydrogen gas manufacturing process is digested, the hydrogen gas manufacturing apparatus 30b will transfer to an ion supply source material reproduction | regeneration process, and the hydrogen gas manufacturing apparatus 30a will transfer to a hydrogen gas manufacturing process.
[0066]
Thus, the hydrogen gas production unit arranges a plurality of hydrogen gas production apparatuses according to the present invention in parallel and alternately performs hydrogen gas production and removal of the ion source material. Concentration hydrogen gas can be produced inexpensively and continuously.
[0067]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention has the following effects.
[0068]
According to the method and apparatus for producing hydrogen gas according to the present invention, it is possible to store electricity as long as water vapor is supplied from outside the system in order to form an ideal secondary battery, and the electrolyte of the hydrogen gas generator. The oxidation-reduction reaction that occurs at both electrodes is a reversible reaction, and by causing a discharge phenomenon, the ion source material is regenerated, so that the consumption of chemical costs can be minimized. Moreover, since the electric energy can be taken out by this discharge, the running cost can be kept low. Furthermore, since the electrolyte is solid, there is no risk of liquid leakage, and the apparatus can be miniaturized. As a result, not only can the initial cost be reduced, but also the effective reaction capacity can be adjusted according to the amount of water vapor gas load, so that applications from small to large facilities are expanded. Further, even when carbon monoxide or carbon dioxide is contained in the gas to be treated, since these can be captured as carbonates during the production of hydrogen gas, there is no need to provide a process for removing the carbon dioxide gas. In addition, carbon dioxide emissions outside the system can be suppressed, greatly contributing to global warming countermeasures.
[0069]
In particular, according to the hydrogen gas production unit equipped with the hydrogen gas production apparatus according to the present invention, a plurality of hydrogen gas production apparatuses according to the present invention are provided, and hydrogen gas production and ion source material regeneration are performed alternately. This makes it possible to produce hydrogen gas continuously at a low cost.
[0070]
Thus, according to the hydrogen generation method and apparatus and unit thereof according to the present invention, it is possible to produce hydrogen gas at low cost and efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a method for producing hydrogen gas according to the present invention, wherein (a) outlines the principle of the present invention, and (b) shows a reaction that occurs on the surface of each electrode when hydrogen gas is generated.
FIG. 2 shows an example of a hydrogen gas generation unit. (A) is an outline of one embodiment of the hydrogen gas production unit, and (b) is an example of an operation time schedule of the unit.
3A and 3B are schematic configuration diagrams showing an example of a hydrogen gas production apparatus according to the present invention, in which FIG. 3A is a plan view of the apparatus, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA of the apparatus.
FIG. 4 shows a change with time of gas components discharged from the present invention.
[Explanation of symbols]
10 ... Piping
11 ... Hydrogen gas generator
21 ... Solid electrolyte
22a, 22b ... electrodes
23 ... Ion source material
24, 31 ... DC power supply
30a, 30b ... Hydrogen gas production equipment
33 ... Carbon monoxide, carbon dioxide concentration meter

Claims (6)

第一電極と第二電極とを設けた固体電解質の前記第一電極に水蒸気を接触させ、かつ前記第二電極にイオン供給源物質を接触させると同時に、これら電極間に電圧を印加することで、前記水蒸気を水素に変換する水素ガス製造方法であって、
前記第一及び第二電極間に、水素ガス製造時と逆の電位を印加することで、前記第一電極に析出した前記イオン供給源物質を、前記固体電解質を介して、前記第二電極に移行させることにより、前記イオン供給源物質を再生すること
を特徴とする水素ガス製造方法。
By contacting the steam with the first electrode of a solid electrolyte provided with a first electrode and a second electrode, and at the same time contacting the ion source material to the second electrode, a voltage is applied between the electrodes , a hydrogen gas production process for converting the vapor into hydrogen,
By applying a reverse potential between the first and second electrodes during the production of hydrogen gas, the ion source material deposited on the first electrode is transferred to the second electrode via the solid electrolyte. A method for producing hydrogen gas , wherein the ion source material is regenerated by transferring .
請求項1記載の水素ガス製造方法において、
前記固体電解質が、ナトリウム導電体である場合、前記イオン供給源物質は、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム若しくは水酸化ナトリウムからなることからなること
を特徴とする水素ガス製造方法。
In the hydrogen gas manufacturing method of Claim 1,
The method for producing hydrogen gas , wherein when the solid electrolyte is a sodium conductor, the ion source material is made of sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate or sodium hydroxide .
請求項1または2記載の水素ガス製造方法において、
前記イオン供給源物質の再生時に、前記第二電極側に水蒸気(H 2 O)を供給すること
を特徴とする水素ガス製造方法。
The method for producing hydrogen gas according to claim 1 or 2,
Wherein during regeneration of the ion source material, producing hydrogen gas wherein the <br/> supplying water vapor (H 2 O) to the second electrode side.
水蒸気が流通する配管と、
この配管内において単数または複数設置され、器状に形成した固体電解質と、この固体電解質の外側面に覆設され前記水蒸気が接触する第一電極と、前記固体電解質の空洞面に覆設されイオン供給源物質が充填される第二電極とからなる、水素ガス生成器と、
前記第一及び第二電極と導通し、印加電位の切り替えが自在な電源と、を具備し、
前記固体電解質がナトリウムイオン導電体である場合、前記イオン供給源物質は炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム若しくは水酸化ナトリウムからなる、水素ガス製造装置であって、
前記電源は、水素ガス製造時において、負極を前記第一電極と導通させると共に正極を前記第二電極と導通させることで前記第一電極と接触した水蒸気を水素に変換すること
を特徴とする水素ガス製造装置。
Piping through which water vapor flows;
Within the pipe is s installation, a solid electrolyte formed on the vessel shape, a first electrode of the solid electrolyte is Kutsugae設the outer surface of the contact is the water vapor, is Kutsugae設the cavity surface of the solid electrolyte ion A hydrogen gas generator consisting of a second electrode filled with a source material;
The conductive with the first and second electrodes, comprising a power supply and freely switch between applied potential and,
If the solid electrolyte is a sodium ion conductor, the ion source material is sodium carbonate, the sodium bicarbonate or sodium hydroxide, a hydrogen gas production apparatus,
The power source is configured to convert water vapor in contact with the first electrode into hydrogen by conducting a negative electrode with the first electrode and a positive electrode with the second electrode during hydrogen gas production. Hydrogen gas production equipment.
請求項記載の水素ガス製造装置において、
前記電源は、正極を前記第一電極と導通させると共に負極を前記第二電極と導通させることで前記第一電極に析出させた前記イオン供給源物質を、前記固体電解質を介して、第二電極側に移行させることにより、前記イオン供給源物質を再生すること
を特徴とする水素ガス製造装置。
The hydrogen gas production apparatus according to claim 4 , wherein
Wherein the power source, by conduction with the second electrode a negative electrode causes conduct positive electrode and the first electrode, the said ion source material is deposited on the first electrode, through the solid electrolyte, the second An apparatus for producing hydrogen gas, wherein the ion source material is regenerated by shifting to the electrode side.
一定時間毎に水蒸気が供給される水素ガス製造装置を少なくとも二つ備えた水素ガス製造ユニットであって、
前記水素ガス製造装置は、
水蒸気が流通する配管と、
この配管内において単数または複数設置され、器状に形成した固体電解質と、この固体電解質の外側面に覆設され前記水蒸気が接触すると共に直流電源と導通する第一電極と、前記固体電解質の空洞面に覆設されイオン供給源物質が充填され前記直流電源と導通する第二電極とからなる、水素ガス生成器と、を具備し、
前記固体電解質がナトリウムイオン導電体である場合、前記イオン供給源物質は炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム若しくは水酸化ナトリウムからなり、
水蒸気が供給される一方の水素ガス製造装置は、前記直流電源の負極を前記第一電極と導通させると共に前記直流電源の正極を前記第二電極と導通させることで前記第一電極に接触した水蒸気を水素に変換すること、
水蒸気が供給されない他方の水素ガス製造装置は、前記直流電源の負極を前記第二電極と導通させると共に前記直流電源の正極を前記第一電極と導通させることで前記第一電極に析出した前記イオン供給源物質を、前記固体電解質を介して、前記第二電極側に移行させることにより、前記イオン供給源物質を再生すること
を特徴とする水素ガス製造ユニット。
A hydrogen gas production unit comprising at least two hydrogen gas production apparatuses to which water vapor is supplied at regular intervals,
The hydrogen gas production apparatus is
Piping through which water vapor flows;
Within the pipe is s installation, a solid electrolyte formed on the vessel shape, a first electrode that conducts a DC power supply together with the water vapor is Kutsugae設the outer surface of the solid electrolyte is in contact, the cavity of the solid electrolyte ion source material is Kutsugae設the surface is filled consists of a second electrode for conducting said DC power source, comprising a hydrogen gas generator,
If the solid electrolyte is a sodium ion conductor, the ion source material becomes sodium carbonate, from sodium bicarbonate or sodium hydroxide,
One of the hydrogen gas production apparatus steam is supplied, by the positive electrode of the DC power supply causes conduct negative electrode of the DC power supply and the first electrode is electrically connected to the second electrode, in contact with the first electrode Converting water vapor to hydrogen,
The other of the hydrogen gas production apparatus steam is not supplied, by conducting the positive electrode of the DC power supply and the first electrode causes a negative electrode of the DC power source is electrically connected to the second electrode, said deposited on the first electrode the ion source material, via the solid electrolyte, by shifting to the second electrode side, the hydrogen gas production unit, characterized in that for reproducing the ion source material.
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