JP3901139B2 - Solid electrolyte type hydrogen treatment system - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質型水素処理装置に関するものであり、特に、プロトン導電性を有する固体電解質を利用し、水素センサ、燃料電池、エネルギー変換材料、及び水素ポンプなどの種々の産業分野に応用可能なプロトン電解セルを用いた固体電解質型水素処理装置に関するものである。   The present invention relates to a solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus, and particularly applicable to various industrial fields such as a hydrogen sensor, a fuel cell, an energy conversion material, and a hydrogen pump using a solid electrolyte having proton conductivity. The present invention relates to a solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus using a simple proton electrolysis cell.

従来から、特にペロブスカイト構造を有するセラミックス材料の中に、優れたプロトン(水素イオン)導電性を有する固体電解質(一般に「プロトン導電体」と呼称される)が知られている。このプロトン導電体は、水素センサ、水素ポンプ、及び燃料電池などの応用が期待され、一部において既に実用化されている。   Conventionally, solid electrolytes (generally referred to as “proton conductors”) having excellent proton (hydrogen ion) conductivity are known, particularly among ceramic materials having a perovskite structure. This proton conductor is expected to be applied to hydrogen sensors, hydrogen pumps, fuel cells, and the like, and has already been put into practical use in part.

ここで、プロトン導電体は、主に起電機能及びプロトン選択透過機能の二つの特徴的な機能を備えることが知られている。さらに、具体的に説明すると、起電機能とは、上述のプロトン導電体を隔壁として使用し、該隔壁によって仕切られた双方の空間に異なる濃度の水素ガスを流すことにより、
<ネルンストの式>
E=(RT/2F)ln(PH(1)/PH(2))
に従った起電力(EMF:Electromotive Force)を生じるものであり、プロトン導電体の表裏面にそれぞれ取着された電極から電力を得るものである。ここで、”E:理論起電力”、”R:気体定数”、”F:ファラデー定数”、”T:絶対温度”、及び”PH(1)・PH(2):水素ガス濃度(水素ガス分圧)、※PH(1)>PH(2)の関係を有する”を示している。これにより、燃料電池分野及びエネルギー変換材料分野への応用が可能となる。
Here, it is known that the proton conductor mainly has two characteristic functions of an electromotive function and a proton selective permeation function. More specifically, the electromotive function is the use of the proton conductor described above as a partition wall, and by flowing different concentrations of hydrogen gas into both spaces partitioned by the partition wall,
<Nernst equation>
E = (RT / 2F) ln (PH 2 (1) / PH 2 (2))
The electromotive force (EMF) is generated, and power is obtained from the electrodes attached to the front and back surfaces of the proton conductor. Here, “E: theoretical electromotive force”, “R: gas constant”, “F: Faraday constant”, “T: absolute temperature”, and “PH 2 (1) · PH 2 (2): hydrogen gas concentration ( Hydrogen gas partial pressure), * PH 2 (1)> PH 2 (2) ”. Thereby, application to the fuel cell field and the energy conversion material field becomes possible.

さらに、上述のネルンストの式を応用することにより、一方の水素ガス濃度(例えば、PH(1))と当該温度(T)とが既知の場合、発生した起電力(E)から他方の水素ガス濃度(ここでは、PH(2))を算出することができる。すなわち、プロトン導電体を水素ガス検出用のセンサ、所謂「水素センサ」として応用することができる。 Furthermore, by applying the above-described Nernst equation, when one hydrogen gas concentration (for example, PH 2 (1)) and the temperature (T) are known, the other hydrogen is generated from the generated electromotive force (E). The gas concentration (here, PH 2 (2)) can be calculated. That is, the proton conductor can be applied as a sensor for detecting hydrogen gas, so-called “hydrogen sensor”.

一方、プロトン選択透過機能とは、プロトン導電体に触媒機能を有する白金或いはパラジウムなどの金属材料からなる電極(アノード電極及びカソード電極)を取着したプロトン電解セルを形成し、電極間に電流を流し、プロトン導電体を通電状態とすることにより、アノード電極からカソード電極に向かってプロトン導電体内部をプロトンが選択的に透過するものである。   On the other hand, the proton permeation function is a proton electrolysis cell in which electrodes (anode electrode and cathode electrode) made of a metal material such as platinum or palladium having a catalytic function are formed on a proton conductor, and a current is passed between the electrodes. The proton conductor is selectively permeated through the proton conductor from the anode electrode to the cathode electrode by flowing the proton conductor into the energized state.

これにより、アノード電極に存在する種々のガス(水蒸気ガス、窒素ガス、及びメタンガスなど)から、水素ガスのみを選択的にカソード電極から回収することができる、「水素ポンプ」として応用することができるものである。なお、アノード電極及びカソード電極において進行する反応は、それぞれ下記に示す通りである。
<アノード電極側>
→ 2H + 2e
<カソード電極側>
2H + 2e → H
Thereby, it can be applied as a “hydrogen pump” that can selectively recover only hydrogen gas from the cathode electrode from various gases (such as water vapor gas, nitrogen gas, and methane gas) present in the anode electrode. Is. The reactions proceeding at the anode electrode and the cathode electrode are as shown below.
<Anode electrode side>
H 2 → 2H + + 2e
<Cathode electrode side>
2H + + 2e → H 2

このとき、上述したアノード電極及びカソード電極において各々生じる反応は、一般に高温になるにつれて速やかに進行することが知られている。そのため、水素ポンプ等へプロトン電解セルを適用する場合には、例えば、ペロブスカイト型酸化物の場合では、600℃以上、アルミナ系プロトン導電体の場合では、1200℃程度の高温に処理条件を調整する必要があった。   At this time, it is known that the reactions that occur in the anode electrode and the cathode electrode described above generally proceed rapidly as the temperature rises. Therefore, when applying a proton electrolysis cell to a hydrogen pump or the like, for example, the processing conditions are adjusted to a high temperature of about 600 ° C. or more in the case of a perovskite oxide and about 1200 ° C. in the case of an alumina-based proton conductor. There was a need.

ところで、核融合発電を行う核融合施設では、核融合反応によってトリチウム(三重水素)が発生する。係るトリチウムは、放射性物質であるため、法律によって排出量が規制されている。また、トリチウムは、核融合反応の原料として利用されるものであるため、核融合反応の過程で生じたトリチウムを回収し、再び核融合燃料として利用することが求められていた。   By the way, in a fusion facility that performs fusion power generation, tritium (tritium) is generated by the fusion reaction. Since such tritium is a radioactive material, its emission is regulated by law. In addition, since tritium is used as a raw material for a fusion reaction, it has been required to collect tritium generated in the process of the fusion reaction and use it again as a fusion fuel.

そこで、核融合反応の過程で発生したトリチウムによってトリチウム化された水蒸気ガス(トリチウム化水蒸気ガス)或いはメタンガス(トリチウム化メタンガス)などを、予め改質触媒充填塔を通過させ、さらにパラジウム合金膜を透過させることにより、トリチウム化水素ガスとして回収することが行われている。   Therefore, water vapor tritiated by tritium generated during the fusion reaction (tritiated water vapor gas) or methane gas (tritiated methane gas) is passed through the reforming catalyst packed tower in advance and further permeated through the palladium alloy membrane. Thus, recovery as tritiated hydrogen gas is performed.

以上の従来技術は、当業者として当然として行われているものであり、出願人はこの従来技術が記載された文献等を本願出願時における現段階では特に知見するものではない。   The above prior art is naturally performed by those skilled in the art, and the applicant is not particularly aware of the literature or the like describing the prior art at the time of filing the present application.

しかしながら、上述したプロトン導電体による起電機能及びプロトン選択透過機能の効率を高めるためには、供給する水素ガス濃度や通電する電流値など種々のパラメータを最適にする必要があった。さらに、プロトン電解セルに取付けられるアノード電極及びカソード電極に利用される触媒機能を有する金属材料(白金或いはパラジウムなど)の種類、取着(若しくは被覆)の手法、及びアノード電極に作用させるガスの組成等により、カソード電極での水素ガスの回収効率が大きく変化することが知られていた。   However, in order to increase the efficiency of the electromotive function and the proton selective permeation function by the proton conductor described above, it is necessary to optimize various parameters such as the concentration of hydrogen gas to be supplied and the current value to be energized. Furthermore, the type of metal material (platinum or palladium) having a catalytic function used for the anode and cathode electrodes attached to the proton electrolysis cell, the method of attachment (or coating), and the composition of the gas that acts on the anode electrode For example, it has been known that the recovery efficiency of hydrogen gas at the cathode electrode changes greatly.

特に、水素ポンプとして使用する場合、アノード電極側で生じる転化反応(シフト反応)は、反応を促進する触媒として利用される金属の種類、及び被覆方法に大きく依存することが知られ、処理を行う温度条件もアノード電極側での反応を速やかに進行させるために、ペロブスカイト型酸化物の場合で約600℃、アルミナ系プロトン導電体の場合で約1200℃程度の高温に設定されることが必要であった。そのため、水素ガスを効率的に回収することが可能な金属材料の被覆方法、及び処理温度を低温化するための研究が行われていた。   In particular, when used as a hydrogen pump, the conversion reaction (shift reaction) occurring on the anode electrode side is known to greatly depend on the type of metal used as a catalyst for promoting the reaction and the coating method, and the treatment is performed. In order to allow the reaction on the anode electrode side to proceed promptly, the temperature condition must be set to a high temperature of about 600 ° C. for the perovskite oxide and about 1200 ° C. for the alumina proton conductor. there were. For this reason, research has been conducted on a method for coating a metal material capable of efficiently recovering hydrogen gas and for reducing the processing temperature.

加えて、核融合反応に伴って発生するトリチウムを、上述のパラジウム合金膜を利用して回収する方法は、予め改質触媒充填塔において水蒸気ガス及びメタンガスから二酸化炭素ガス及び水素ガスを生成した後、さらに水素ガスを、パラジウム合金膜を通して真空引きする処理を行っていた。そのため、真空引きのための設備及び処理操作が必要となり、また改質触媒充填塔における水蒸気改質反応が可逆的に進行するため、パラジウム合金膜で回収されなかった水蒸気ガス等を再びリサイクル処理し、改質触媒充填塔に通す必要があった。核融合研究施設などでは、核融合反応に伴って発生するトリチウムを水質汚染などの虞の少ない水素ガスの状態で効率的に回収することが望まれていた。   In addition, the method of recovering tritium generated by the fusion reaction using the above-described palladium alloy film is obtained by previously generating carbon dioxide gas and hydrogen gas from water vapor gas and methane gas in a reforming catalyst packed tower. Further, a process of evacuating hydrogen gas through the palladium alloy film was performed. Therefore, equipment for vacuuming and processing operations are required, and the steam reforming reaction in the reforming catalyst packed tower proceeds reversibly, so that the steam gas that has not been recovered by the palladium alloy membrane is recycled again. It was necessary to pass through a reforming catalyst packed tower. In fusion research facilities, etc., it has been desired to efficiently recover tritium generated by the fusion reaction in the state of hydrogen gas with little risk of water pollution.

そこで本発明は、上記実情に鑑み、起電機能及びプロトン選択透過機能を低温で効率的に作用させることが可能なプロトン電解セルを有する固体電解質型水素処理装置を提供することを第一の課題とし、さらにプロトン電解セルを応用した水素ポンプを核融合分野におけるトリチウムガス回収に利用可能な固体電解質型水素処理装置を提供することを第二の課題とするものである。   Therefore, in view of the above circumstances, the present invention is to provide a solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus having a proton electrolysis cell capable of efficiently operating an electromotive function and a proton selective permeation function at a low temperature. Furthermore, it is a second object to provide a solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus that can use a hydrogen pump to which a proton electrolysis cell is applied for tritium gas recovery in the nuclear fusion field.

上記の課題を解決するため、本発明の固体電解質型水素処理装置は、「プロトン導電性を有する固体酸化物型の固体電解質、及び無電解メッキ法を利用し、前記固体電解質の表面に金属材料をメッキにより被覆してなる多孔性のアノード電極及びカソード電極を有し、前記アノード電極に水蒸気及びメタンガスの混在する混合ガスが供給される触媒電極部を備えて構成されるプロトン電解セル」を具備するものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus of the present invention uses a solid oxide type solid electrolyte having proton conductivity and a metal material on the surface of the solid electrolyte using an electroless plating method. Proton electrolysis cell comprising a porous anode electrode and a cathode electrode coated by plating with a catalyst electrode portion to which a mixed gas containing water vapor and methane gas is supplied. To do.

ここで、触媒電極部に利用される金属材料は、前述した水蒸気改質反応等の転化反応を促進する触媒として作用するものであり、例えば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)等の金属が挙げられる。さらに、無電解メッキ法とは、「化学メッキ法」とも呼ばれ、金属塩の水溶液中での還元反応を利用して固体表面に金属材料を被覆するものである。なお、還元剤としては、ホルムアルデヒド水溶液(ホルマリン)、次亜燐酸、ホウ化水素ナトリウムなどが代表例として用いられる。これにより、固体電解質の表面に薄く、かつ多孔性状を呈した状態で触媒電極部が形成される。また、CVD等の薄膜形成装置を用いて類似の特性を有する触媒電極を形成することも可能であるが、無電解めっきに比べコストが増大するという問題がある。   Here, the metal material used for the catalyst electrode portion acts as a catalyst for promoting the conversion reaction such as the steam reforming reaction described above, and for example, platinum (Pt), palladium (Pd), silver (Ag) ) And nickel (Ni). Furthermore, the electroless plating method is also referred to as “chemical plating method”, and is a method in which a metal material is coated on a solid surface using a reduction reaction in an aqueous solution of a metal salt. In addition, as a reducing agent, formaldehyde aqueous solution (formalin), hypophosphorous acid, sodium borohydride etc. are used as a representative example. As a result, the catalyst electrode portion is formed in a thin and porous state on the surface of the solid electrolyte. Further, although it is possible to form a catalyst electrode having similar characteristics using a thin film forming apparatus such as CVD, there is a problem that the cost is increased as compared with electroless plating.

したがって、本発明の固体電解質型水素処理装置によれば、プロトン電解セルのアノード電極及びカソード電極からなる触媒電極部に金属材料が利用され、係る金属材料が固体電解質の表面に無電解メッキ法により被覆して形成されている。無電解メッキ法により形成された緻密な多孔性を有する触媒電極部は、処理対象となるガスとの接触表面積が増大するため、前述した白金などの金属材料による触媒活性がさらに高くなる。これにより、電極抵抗を低減することができ、プロトンの発生が効率的に行われ、プロトン電解セルの性能が高められる。   Therefore, according to the solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus of the present invention, a metal material is used for the catalyst electrode portion including the anode electrode and the cathode electrode of the proton electrolysis cell, and the metal material is applied to the surface of the solid electrolyte by an electroless plating method. It is formed by coating. Since the catalyst electrode portion having a dense porosity formed by the electroless plating method has an increased contact surface area with the gas to be treated, the catalytic activity of the above-described metal material such as platinum is further increased. Thereby, electrode resistance can be reduced, generation | occurrence | production of a proton is performed efficiently, and the performance of a proton electrolysis cell is improved.

さらに、従来から実施されているペースト法などによって金属材料を被覆して触媒電極部を形成する場合に比べ、薄膜を均一に形成することが可能となる。その他のCVD法、PVD法、及びイオンスパッタリング法などの従来から周知の薄膜生成技術を適用して類似の触媒電極を形成することも可能である。しかし、薄膜生成に係る設備等が大規模となり、触媒電極部の作成にかかるコストが無電解めっきに比べて著しく増大する。その結果、無電解めっきの適用により、電極抵抗が低減されたプロトン電解セルを利用して水素ポンプ及び水素ガス検出センサなどの幅広い分野で適用が可能となる。   Furthermore, it is possible to form a thin film more uniformly than in the case where a catalyst material is formed by coating a metal material by a conventional paste method or the like. It is also possible to form a similar catalyst electrode by applying conventionally well-known thin film production techniques such as CVD, PVD, and ion sputtering. However, the equipment for producing the thin film becomes large-scale, and the cost for producing the catalyst electrode portion is remarkably increased as compared with electroless plating. As a result, application of electroless plating enables application in a wide range of fields such as a hydrogen pump and a hydrogen gas detection sensor using a proton electrolysis cell with reduced electrode resistance.

さらに、本発明の固体電解質型水素処理装置は、「前記アノード電極及び前記カソード電極を電気的に接続し、前記固体電解質を通電状態にする通電手段と、前記プロトン電解セルの前記アノード電極に、水蒸気ガス及びメタンガスの混在する混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、前記アノード電極によって転化反応が促進され、前記固体電解質内を透過するプロトンを前記カソード電極から水素ガスとして回収する回収手段と」を具備するものであっても構わない。   Furthermore, the solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus of the present invention includes: “a current supply means for electrically connecting the anode electrode and the cathode electrode to bring the solid electrolyte into an energized state; and the anode electrode of the proton electrolysis cell, A mixed gas supply means for supplying a mixed gas containing water vapor gas and methane gas, and a recovery means for recovering protons that pass through the solid electrolyte as hydrogen gas from the cathode electrode, with the conversion reaction being promoted by the anode electrode. May be provided.

したがって、本発明の固体電解質型水素処理装置によれば、プロトン電解セルに取付けられたアノード電極及びカソード電極を電気的に接続し、さらに電流を流して通電状態とすることにより、プロトン電解セルを上述した水素ポンプとして奏させることが可能となる。ここで、通電状態の固体電解質に取付けられたアノード電極には、水素ガス及びメタンガスの混在(共存)する混合ガスが混合ガス供給手段によって供給される。これにより、一般に水蒸気ガス或いはメタンガスが単独で存在する雰囲気下と比較して、アノード電極の触媒電極部の表面で生じる水蒸気改質反応(転化反応:下記の式参照)が顕著となり、アノード電極側で水素ガスが効率的に生成され、さらに固体電解質を透過したプロトンをカソード電極から水素ガスとして選択的に回収することが行われる。
<転化反応>
CH + 2HO ⇔ CO + 4H
Therefore, according to the solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus of the present invention, the anode electrode and the cathode electrode attached to the proton electrolysis cell are electrically connected, and further, the current is passed to bring the proton electrolysis cell into an energized state. The above-described hydrogen pump can be achieved. Here, a mixed gas in which hydrogen gas and methane gas coexist (coexists) is supplied to the anode electrode attached to the solid electrolyte in an energized state by the mixed gas supply means. As a result, the steam reforming reaction (conversion reaction: see the following formula) that occurs on the surface of the catalyst electrode portion of the anode electrode becomes more prominent as compared with the atmosphere in which steam gas or methane gas is generally present alone. Thus, hydrogen gas is efficiently generated, and protons that permeate the solid electrolyte are selectively recovered as hydrogen gas from the cathode electrode.
<Conversion reaction>
CH 4 + 2H 2 O⇔CO 2 + 4H 2

さらに、本発明の固体電解質型水素処理装置は、「前記混合ガスは、分子中の少なくとも一つの水素原子がトリチウムで置換されたトリチウム化水蒸気ガス及びトリチウム化メタンガスの少なくともいずれか一つを含んでなる」ものであっても構わない。   Further, the solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus of the present invention is as follows: "The mixed gas contains at least one of tritiated water vapor gas and tritiated methane gas in which at least one hydrogen atom in the molecule is substituted with tritium. It does not matter.

したがって、本発明の固体電解質型水素処理装置によれば、上述した転化反応に従い、分子中にトリチウム化された水素原子を少なくとも一つ含んで構成されたガス状物質であるトリチウム化水蒸気ガス(TO or HTO)、或いはトリチウム化メタンガス(CT,CTH,CT,CTH)から、固体電解質を介してトリチウムを含むトリチウム化水素ガス(HT or T)を気体の状態で回収することが可能となる。ここで、”T”は、トリチウム化された水素原子を示している。これにより、常温で易液化性を示し、水質汚染などを引起こす可能性の高いトリチウム化水蒸気ガスから、常温で難液化性を示す、気体状態のトリチウム化水素ガスに変換して回収することが可能となる。これにより、核融合反応の過程で発生するトリチウムを効率的に回収し、さらに回収されたトリチウム化水素ガスを再び核融合反応の燃料として利用することが可能となるため、核融合研究施設などで採用されることが特に好適である。 Therefore, according to the solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus of the present invention, the tritiated water vapor gas (T), which is a gaseous substance containing at least one tritiated hydrogen atom in the molecule in accordance with the conversion reaction described above. 2 O or HTO) or tritiated hydrogen gas (HT or T 2 ) containing tritium from a tritiated methane gas (CT 4 , CTH 3 , CT 2 H 2 , CT 3 H) via a solid electrolyte It becomes possible to collect by. Here, “T” represents a tritiated hydrogen atom. As a result, it can be recovered from tritiated water vapor gas that is easily liquefiable at room temperature and highly likely to cause water pollution, etc., and converted to gaseous tritiated hydrogen gas that is difficult to liquefy at room temperature. It becomes possible. As a result, it is possible to efficiently recover tritium generated in the process of fusion reaction and to use the recovered tritiated hydrogen gas again as fuel for the fusion reaction. It is particularly preferred that it be adopted.

さらに、本発明の固体電解質型水素処理装置は、「前記混合ガス供給手段は、前記トリチウム化水蒸気ガス及び前記水蒸気ガスの少なくともいずれか一方に前記メタンガスを添加するメタンガス添加手段と、前記トリチウム化メタンガス及び前記メタンガスの少なくともいずれか一方に前記水蒸気ガスを添加する水蒸気ガス添加手段との少なくともいずれか一方を含んで構成されている」ものであっても構わない。   Further, the solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus of the present invention is as follows: “The mixed gas supply means includes methane gas addition means for adding the methane gas to at least one of the tritiated water vapor gas and the water vapor gas; and the tritiated methane gas. And / or a water vapor gas adding means for adding the water vapor gas to at least one of the methane gas.

したがって、本発明の固体電解質型水素処理装置によれば、メタンガス添加手段及び水蒸気ガス添加手段の少なくともいずれか一つを含んでいる。これにより、アノード電極の触媒電極部にガスを作用させ、転化反応を促進させる場合において、仮に、水蒸気ガス(トリチウム化水蒸気ガスを含む)若しくはメタンガス(トリチウム化メタンガスを含む)がそれぞれ単独で供給される場合、前述のメタンガス添加手段及び水蒸気ガス添加手段を利用し、”水蒸気ガス+メタンガス”から構成される混合ガスを生成することが可能となる。これにより、前述したように、互いが混在することによってさらに転化反応を促進させる作用を享受することが可能となる。これにより、水素ポンプとしての機能がさらに高められるようになる。   Therefore, according to the solid oxide hydrogen treatment apparatus of the present invention, at least one of methane gas addition means and water vapor gas addition means is included. As a result, when gas is allowed to act on the catalyst electrode portion of the anode electrode and the conversion reaction is promoted, water vapor gas (including tritiated water vapor gas) or methane gas (including tritiated methane gas) is supplied individually. In this case, it is possible to generate a mixed gas composed of “water vapor gas + methane gas” by using the methane gas addition means and the water vapor gas addition means. Thereby, as described above, it is possible to enjoy the effect of further promoting the conversion reaction by mixing each other. Thereby, the function as a hydrogen pump comes to be further improved.

さらに、本発明の固体電解質型水素処理装置は、「前記固体電解質は、アルミナ化合物が適用される」ものであっても構わない。   Furthermore, the solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus of the present invention may be one in which “alumina compound is applied to the solid electrolyte”.

したがって、本発明の固体電解質型水素処理装置によれば、固体電解質として、アルミナ系化合物が適用される。ここで、アルミナ系化合物としては、例えば、アルカリ土類金属の酸化物(例えば、酸化マグネシウム)がドープされたαアルミナなどが挙げられる。これにより、水素センサとして使用する場合、作動温度を約700℃程度に緩和することが可能となる。   Therefore, according to the solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus of the present invention, an alumina compound is applied as the solid electrolyte. Examples of the alumina compound include α-alumina doped with an alkaline earth metal oxide (for example, magnesium oxide). As a result, when used as a hydrogen sensor, the operating temperature can be relaxed to about 700 ° C.

以上のように、本発明の処理装置(固体電解質ガス水素処理装置)は、無電解メッキ法によりアノード電極及びカソード電極が表面に被覆して形成されたプロトン導電体(固体電解質)からなるプロトン電解セルを利用し、固体電解質内にプロトンを選択的に透過させ、カソード電極から水素ガスとして回収することが可能な水素ポンプとして利用することができる。特に、メタンガス及び水蒸気ガスの混在した混合ガスを処理することにより、転化反応を効率的に行うことができる。また、トリチウムを含むガス(トリチウム化メタンガスなど)を処理し、トリチウムガスを回収することができるため、核融合研究施設などで本発明の処理装置を採用することが特に好適である。さらに、係るプロトン電解セルを隔壁として利用し、水素センサや水素ガス濃度の違いによって起電力を生じさせ、燃料電池やエネルギー変換材料としての応用も可能となる。   As described above, the treatment apparatus (solid electrolyte gas hydrogen treatment apparatus) of the present invention is a proton electrolysis composed of a proton conductor (solid electrolyte) formed by coating an anode electrode and a cathode electrode on the surface by an electroless plating method. The cell can be used as a hydrogen pump capable of selectively permeating protons into the solid electrolyte and recovering as hydrogen gas from the cathode electrode. In particular, the conversion reaction can be efficiently performed by treating a mixed gas in which methane gas and water vapor gas are mixed. Further, since the tritium-containing gas (tritiated methane gas or the like) can be processed and the tritium gas can be recovered, it is particularly preferable to employ the processing apparatus of the present invention in a fusion research facility or the like. Further, the proton electrolysis cell is used as a partition wall, and an electromotive force is generated by a difference in hydrogen sensor or hydrogen gas concentration, so that application as a fuel cell or energy conversion material is possible.

以下、本発明の第一実施形態である固体電解質型水素処理装置1(以下、単に「処理装置1」と称す)について、図1及び図2に基づいて説明する。ここで、図1は第一実施形態の処理装置1の概略構成を示す模式図であり、図2は処理装置における混合ガスの処理例を模式的に示す説明図である。   Hereinafter, a solid oxide hydrogen treatment apparatus 1 (hereinafter simply referred to as “treatment apparatus 1”) according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Here, FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the processing apparatus 1 of the first embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing an example of processing of mixed gas in the processing apparatus.

第一実施形態の処理装置1は、図1に示すように、ペロブスカイト型プロトン導電体(ここでは、SrCeOを使用)から主に組成され、略平板状に形成されたプロトン導電体3、及び無電解メッキ法を利用してプロトン導電体3の各々の表裏面4a,4bに、水蒸気改質反応等の転化(シフト)反応を促進するための触媒機能を有する白金(Pt)を被覆して形成されたアノード電極5a及びカソード電極5cから構成される触媒電極部5を有するプロトン電解セル2と、プロトン電解セル2のプロトン導電体3に電流を流し、通電状態とするためにアノード電極5a及びカソード電極5cと電気的に接続された直流電源部6と、プロトン電解セル2のアノード電極5aに対して混合ガス7(詳細は後述する)を供給する混合ガス供給部8と、通電状態にあるプロトン電解セル2のアノード電極5aから選択的に透過するプロトン16をカソード電極5cから水素ガス10として回収するガス回収部9とを具備して主に構成され、所謂「水素ポンプ」として適用されるものである。 As shown in FIG. 1, the processing apparatus 1 of the first embodiment is composed mainly of a perovskite proton conductor (here, SrCeO 3 is used), and a proton conductor 3 formed in a substantially flat plate shape. The front and back surfaces 4a and 4b of the proton conductor 3 are coated with platinum (Pt) having a catalytic function for promoting a conversion reaction such as a steam reforming reaction using an electroless plating method. A proton electrolysis cell 2 having a catalyst electrode portion 5 composed of the formed anode electrode 5a and cathode electrode 5c, and the anode electrode 5a and A DC power supply unit 6 electrically connected to the cathode electrode 5c and a mixed gas supply unit for supplying a mixed gas 7 (details will be described later) to the anode electrode 5a of the proton electrolysis cell 2 8 and a gas recovery unit 9 that recovers protons 16 selectively transmitted from the anode electrode 5a of the proton electrolysis cell 2 in an energized state as the hydrogen gas 10 from the cathode electrode 5c. It is applied as a “hydrogen pump”.

さらに、混合ガス供給部8は、分子中にトリチウム化された水素原子を少なくとも一つ含むトリチウム化水蒸気ガス12tに”ノーマル”なメタンガス13n(ここで、「ノーマル」とは、分子中にトリチウム化された水素原子を自然濃度以上に含まないものと本明細書において定義する:以下同じ)を添加するメタンガス添加部11と、トリチウム化メタンガス13t(トリチウム化された水素原子を含む)にノーマルな水蒸気ガス12nを添加する水蒸気ガス添加部14とを含んで構成されている。   Further, the mixed gas supply unit 8 is configured so that “normal” methane gas 13n is added to the tritiated water vapor gas 12t containing at least one tritiated hydrogen atom in the molecule (where “normal” means tritiated in the molecule). Normal water vapor in the methane gas addition section 11 for adding a hydrogen atom that is not contained above the natural concentration: the same applies hereinafter) and a tritiated methane gas 13t (including a tritiated hydrogen atom). A water vapor gas addition unit 14 for adding the gas 12n is included.

これにより、プロトン電解セル2のアノード電極5aに供給される混合ガス7は、水蒸気ガス12n,12t及びメタンガス13n,13aが必ず混在することになる。ここで、プロトン導電体3が本発明における固体電解質に相当し、直流電源部6が本発明における通電手段に相当し、混合ガス供給部8が本発明における混合ガス供給手段に相当し、ガス回収部9が本発明における回収手段に相当し、メタンガス添加部11が本発明のおけるメタンガス添加手段に相当し、水蒸気ガス添加部14が本発明における水蒸気ガス添加手段に相当する。   Thereby, the mixed gas 7 supplied to the anode electrode 5a of the proton electrolysis cell 2 always contains the water vapor gases 12n and 12t and the methane gases 13n and 13a. Here, the proton conductor 3 corresponds to the solid electrolyte in the present invention, the DC power supply unit 6 corresponds to the energizing means in the present invention, the mixed gas supply unit 8 corresponds to the mixed gas supply means in the present invention, and the gas recovery The section 9 corresponds to the recovery means in the present invention, the methane gas addition section 11 corresponds to the methane gas addition means in the present invention, and the water vapor gas addition section 14 corresponds to the water vapor gas addition means in the present invention.

次に、第一実施形態の処理装置1におけるトリチウム化水蒸気ガス13tまたはトリチウム化メタンガス13tの処理の例について、図2に基づいて説明する。ここで、処理対象となるトリチウム化水蒸気ガス12tまたはトリチウム化メタンガス13tは、いずれも核融合研究施設の核融合反応の過程で生成されたトリチウム(三重水素)によって分子中の少なくとも一つの水素原子が置換されたものである。   Next, an example of processing of the tritiated water vapor gas 13t or the tritiated methane gas 13t in the processing apparatus 1 of the first embodiment will be described based on FIG. Here, the tritiated water vapor gas 12t or the tritiated methane gas 13t to be treated is such that at least one hydrogen atom in the molecule is generated by tritium (tritium) generated in the course of the fusion reaction in the nuclear fusion research facility. Has been replaced.

始めに、トリチウム化水蒸気ガス12t及びトリチウム化メタンガス13tの少なくともいずれか一方を含む原料ガスSGが処理装置1の混合ガス供給部8に外部から送入される。このとき、混合ガス供給部8に送入される原料ガスSGがトリチウム化水蒸気ガス12tのみから構成される場合、上述した混合ガス供給部8内のメタンガス添加部11を稼働させ、”ノーマル”なメタンガス13nをトリチウム化水蒸気ガス12tに対して添加する(図2における”Case 1”に相当)。一方、原料ガスSGがトリチウム化メタンガス13tのみから構成される場合、水蒸気ガス添加部14を稼働させ、”ノーマル”な水蒸気ガス12nをトリチウム化メタンガス13tに対して添加する(図2における”Case 2”に相当)。   First, the raw material gas SG containing at least one of the tritiated water vapor gas 12t and the tritiated methane gas 13t is sent into the mixed gas supply unit 8 of the processing apparatus 1 from the outside. At this time, when the raw material gas SG fed into the mixed gas supply unit 8 is composed only of the tritiated water vapor gas 12t, the above-described methane gas addition unit 11 in the mixed gas supply unit 8 is operated, and “normal” is set. Methane gas 13n is added to the tritiated water vapor gas 12t (corresponding to “Case 1” in FIG. 2). On the other hand, when the source gas SG is composed only of the tritiated methane gas 13t, the water vapor gas addition unit 14 is operated, and the “normal” water vapor gas 12n is added to the tritiated methane gas 13t (“Case 2” in FIG. 2). "Equivalent to").

これにより、混合ガス供給部8からプロトン電解セル2のアノード電極5aに供給される混合ガス7は、必然的に水蒸気ガス12n,12t及びメタンガス13n,13aが混在していることになる。なお、原料ガスSGが既に水蒸気ガス12n,12t及びメタンガス13n,13tが混在した構成を有している場合、メタンガス添加部11及び水蒸気ガス添加部13はいずれも稼働せず、原料ガスSGに対するガスの添加がない状態で(図2における”Case 3”に相当)、混合ガス供給部8を介して混合ガス7がプロトン電解セル2に供給される。なお、混合ガス供給部8で調整される水蒸気ガス12n,12t及びメタンガス13n,13tの混合比率は、プロトン導電体3を構成する成分組成、及び通電する電流値等によって適宜変更することが可能である。   As a result, the mixed gas 7 supplied from the mixed gas supply unit 8 to the anode electrode 5a of the proton electrolysis cell 2 inevitably contains water vapor gases 12n and 12t and methane gases 13n and 13a. Note that when the raw material gas SG already has a configuration in which the water vapor gases 12n and 12t and the methane gas 13n and 13t are mixed, the methane gas addition unit 11 and the water vapor gas addition unit 13 do not operate, and the gas for the raw material gas SG In a state in which there is no addition (corresponding to “Case 3” in FIG. 2), the mixed gas 7 is supplied to the proton electrolysis cell 2 via the mixed gas supply unit 8. The mixing ratio of the water vapor gas 12n, 12t and the methane gas 13n, 13t adjusted by the mixed gas supply unit 8 can be appropriately changed depending on the component composition constituting the proton conductor 3, the current value to be energized, and the like. is there.

その後、混合ガス供給部8から供給された混合ガス7は、プロトン電解セル2の一方の表面4aに形成されたアノード電極5aの表面に到達する。ここで、無電解メッキ法によりそれぞれ形成されたアノード電極5a及びカソード電極5cから構成される触媒電極部5は、各々の表裏面4a,4bに薄膜状に形成され、さらに直流電源部6によって電気的に接続されている。加えて、係る直流電源部6によってプロトン電解セル2には電流が流された状態(通電状態)にある。ところで、電子顕微鏡(SEM)等で観察することにより、触媒電極部5の表面は微細で、かつ多孔性状を為して形成されていることが確認されている。その結果、到達した混合ガス7との接触表面積が大となり、白金による触媒活性を高めるとともに、後述するプロトン16の透過性を良好なものとすることができる。   Thereafter, the mixed gas 7 supplied from the mixed gas supply unit 8 reaches the surface of the anode electrode 5 a formed on the one surface 4 a of the proton electrolysis cell 2. Here, the catalyst electrode portion 5 composed of the anode electrode 5 a and the cathode electrode 5 c formed by the electroless plating method is formed in a thin film shape on each of the front and back surfaces 4 a and 4 b, and is further electrically connected by the DC power source portion 6. Connected. In addition, the direct current power supply unit 6 is in a state (energized state) in which a current is passed through the proton electrolysis cell 2. By the way, by observing with an electron microscope (SEM) or the like, it is confirmed that the surface of the catalyst electrode portion 5 is fine and formed in a porous shape. As a result, the contact surface area with the reached mixed gas 7 is increased, and the catalytic activity of platinum can be enhanced, and the permeability of protons 16 described later can be improved.

そして、混合ガス7は、アノード電極5aにおいて転化反応(前述)が促進され、水蒸気ガス12n等及びメタンガス13n等から二酸化炭素ガス18及び水素ガス10が生成される(図2における式a)参照)。さらに、係るアノード電極5aの界面では、水素ガス10からプロトン16及び電子(e)が生成される(図2における式b)参照)。そして、生成されたプロトン16は、アノード電極5aの内部を透過し、さらにプロトン導電性を有するプロトン電解セル2のプロトン導電体3の内部を移動し、プロトン導電体3の裏面4bに同じく無電解メッキ法により被覆して形成されたカソード電極5cに到達する。 Then, the conversion reaction (described above) of the mixed gas 7 is promoted at the anode electrode 5a, and the carbon dioxide gas 18 and the hydrogen gas 10 are generated from the water vapor gas 12n and the like, the methane gas 13n and the like (see the formula a in FIG. 2). . Furthermore, protons 16 and electrons (e ) are generated from the hydrogen gas 10 at the interface of the anode electrode 5a (see formula b in FIG. 2). Then, the generated proton 16 passes through the anode electrode 5a, moves inside the proton conductor 3 of the proton electrolysis cell 2 having proton conductivity, and is also electrolessly applied to the back surface 4b of the proton conductor 3. The cathode electrode 5c formed by coating by the plating method is reached.

このとき、アノード電極5aでプロトン16とともに生成した電子(e)は、アノード電極5a及びカソード電極5cが直流電源部6によって電気的に接続されているため、電流の流れと逆方向に電子(e)が動き、アノード電極5aからカソード電極5cに向かって直流電源部6を通ってカソード電極5cに移動しようとする。そして、カソード電極5cに到達したプロトン16に直流電源部6と電気的に接続されたカソード電極5cから電子(e)が供給され、カソード電極5cの界面で水素ガス10の生成する反応が生じる(図2における式c)参照)。このとき、カソード電極5cの界面で生成される水素ガス10には、原料ガスSGに含まれていたトリチウムを少なくとも一部に含んでいることになる。すなわち、アノード電極5a側からプロトン16のみが選択的に透過され、トリチウムを水素ガス10としてガス回収部9で回収することができる。 At this time, the electrons (e ) generated together with the protons 16 in the anode electrode 5a are electrons (e-) in the opposite direction to the current flow because the anode electrode 5a and the cathode electrode 5c are electrically connected by the DC power supply unit 6. e ) moves and tries to move from the anode electrode 5a toward the cathode electrode 5c through the DC power source 6 to the cathode electrode 5c. Then, electrons (e ) are supplied to the protons 16 that have reached the cathode electrode 5c from the cathode electrode 5c that is electrically connected to the DC power supply unit 6, and a reaction in which hydrogen gas 10 is generated at the interface of the cathode electrode 5c occurs. (See equation c in FIG. 2). At this time, the hydrogen gas 10 generated at the interface of the cathode electrode 5c contains at least part of the tritium contained in the source gas SG. That is, only the proton 16 is selectively permeated from the anode electrode 5 a side, and tritium can be recovered as hydrogen gas 10 by the gas recovery unit 9.

なお、転化反応によって生成されたプロトン16のみが透過した後のアノード電極5aの近傍では、反応に関与しなかった余剰ガス成分17(すなわち、ノーマルな水蒸気ガス12nまたはメタンガス13nなど)とともに、転化反応の過程で生じた二酸化炭素ガス18が残存している。そして、該余剰ガス成分17及び二酸化炭素ガス18は、人体に対する影響がほとんどないため、そのままの状態で外気に排気される。一方、ガス回収部9によって難液化性の高い水素ガス10として回収されたトリチウムは、再び核融合研究施設によって引き取られ、再び核融合反応のための燃料として再利用される。   In addition, in the vicinity of the anode electrode 5a after only the proton 16 generated by the conversion reaction permeates, the conversion reaction is performed together with the surplus gas component 17 (that is, normal water vapor gas 12n or methane gas 13n, etc.) that has not participated in the reaction. The carbon dioxide gas 18 generated in the process remains. Since the surplus gas component 17 and the carbon dioxide gas 18 have almost no influence on the human body, they are exhausted to the outside air as they are. On the other hand, the tritium recovered as the highly liquefiable hydrogen gas 10 by the gas recovery unit 9 is again taken up by the fusion research facility and reused again as a fuel for the fusion reaction.

以上述べたように、第一実施形態の処理装置1によれば、水蒸気ガス12n,12t及びメタンガス13n,13tを混在させた混合ガス7を、無電解メッキ法によりプロトン導電体3に被覆されたアノード電極5a及びカソード電極5cを有する触媒電極部5を備えたプロトン電解セル2を利用して水素ガス10(トリチウムを含む)を選択的に回収することができる。これにより、従来のパラジウム合金膜を利用した回収方法(回収装置)に比べ、真空設備等の複雑な構成を有することがなく、効率的に水素ガス10を得ることができる。   As described above, according to the processing apparatus 1 of the first embodiment, the proton conductor 3 is coated with the mixed gas 7 in which the water vapor gas 12n, 12t and the methane gas 13n, 13t are mixed by the electroless plating method. The hydrogen gas 10 (including tritium) can be selectively recovered using the proton electrolysis cell 2 including the catalyst electrode portion 5 having the anode electrode 5a and the cathode electrode 5c. Thereby, compared with the collection | recovery method (collection apparatus) using the conventional palladium alloy film | membrane, it does not have complicated structure, such as a vacuum installation, but can obtain the hydrogen gas 10 efficiently.

そのため、前述したように、核融合研究施設などから排出されるトリチウム化水蒸気ガス12t及びトリチウム化メタンガス13tからのトリチウム回収に本実施形態の処理装置1は特に優れた効果を発揮することができる。加えて、回収されたトリチウムをさらに核融合反応の原料として利用することが可能となり、核融合反応システムにおける燃料供給の効率化を図ることができる。   Therefore, as described above, the treatment apparatus 1 of the present embodiment can exhibit particularly excellent effects in collecting tritium from the tritiated water vapor gas 12t and the tritiated methane gas 13t discharged from a fusion research facility or the like. In addition, the recovered tritium can be further used as a raw material for the fusion reaction, and the efficiency of fuel supply in the fusion reaction system can be improved.

さらに、回収されるトリチウムが、水素ガス10の状態、換言すれば、難液化性の気体で回収されるため、水蒸気ガス12t等のように常温で容易に液化することがない。これにより、人体に放射性物質であるトリチウムが摂取される危険性を未然に回避することができる。   Furthermore, since the recovered tritium is recovered in the state of the hydrogen gas 10, in other words, a hardly liquefiable gas, the tritium is not easily liquefied at room temperature unlike the water vapor gas 12t. As a result, it is possible to avoid the risk of ingesting tritium, which is a radioactive substance, into the human body.

次に、本発明の第二実施形態の処理装置30について、図3に基づいて説明する。ここで、図3は第二実施形態の処理装置30の概略構成、及び混合ガス7の処理例を模式的に示す説明図である。なお、第二実施形態の処理装置30は、プロトン電解セル2を利用して、メタンガス13nから水素ガス10を回収するものであり、第一実施形態で示した例と異なり、いずれのガス(メタンガス13n、水蒸気ガス12n、及び水素ガス10)も分子中にトリチウムを含まないものである。なお、第二実施形態の処理装置30において、第一実施形態の処理装置1と同一の機能及び構成を有するものは、同一番号を付し詳細な説明は省略するものとする。   Next, the processing apparatus 30 of 2nd embodiment of this invention is demonstrated based on FIG. Here, FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of the processing apparatus 30 of the second embodiment and a processing example of the mixed gas 7. In addition, the processing apparatus 30 of 2nd embodiment collect | recovers hydrogen gas 10 from methane gas 13n using the proton electrolysis cell 2, Unlike the example shown in 1st embodiment, any gas (methane gas) 13n, water vapor gas 12n, and hydrogen gas 10) also contain no tritium in the molecule. In addition, in the processing apparatus 30 of 2nd embodiment, what has the same function and structure as the processing apparatus 1 of 1st embodiment attaches | subjects the same number, and shall omit detailed description.

第二実施形態の処理装置30は、図3に示すように、第一実施形態において示した処理装置1と比較し、原料ガスSGとしてメタンガス13nを利用し、プロトン電解セル2を水素ポンプとして適用して水素ガス10を回収することを目的として構成されてものである。つまり、核融合研究施設などにおけるトリチウム回収を目的とするものではなく、例えば、燃料電池の原料として利用可能な高純度な水素ガス10をメタンガス13nから効率的に生成することができるものである。   As shown in FIG. 3, the processing apparatus 30 of the second embodiment uses methane gas 13n as the source gas SG and applies the proton electrolysis cell 2 as a hydrogen pump, as compared with the processing apparatus 1 shown in the first embodiment. Thus, it is configured for the purpose of recovering the hydrogen gas 10. That is, it is not intended to recover tritium in a fusion research facility or the like, but can, for example, efficiently produce high-purity hydrogen gas 10 that can be used as a raw material for a fuel cell from methane gas 13n.

したがって、処理装置30における基本的な構成は、第一実施形態の処理装置1とほとんど変わることがなく、混合ガス供給部31に水蒸気ガス添加部32のみを備え、第一実施形態で示したメタンガス添加部11の構成を有していない点が異なっている。さらに、第二実施形態の処理装置30は、混合ガス供給部31及びプロトン電解セル2の間に、転化反応を促進するために従来から利用される改質触媒充填塔33が配設されている。   Accordingly, the basic configuration of the processing apparatus 30 is almost the same as that of the processing apparatus 1 of the first embodiment, and the methane gas shown in the first embodiment is provided with only the water vapor gas addition section 32 in the mixed gas supply section 31. The point which does not have the structure of the addition part 11 differs. Furthermore, in the processing apparatus 30 of the second embodiment, a reforming catalyst packed tower 33 that is conventionally used to promote the conversion reaction is disposed between the mixed gas supply unit 31 and the proton electrolysis cell 2. .

次に、本発明の第二実施形態の処理装置30におけるメタンガス13nからの水素ガス10の回収について説明する。まず、原料ガスSGとしてメタンガス13nが外部から処理装置30の混合ガス供給部31に対して送出される。そして、該混合ガス供給部31によってメタンガス13nに水蒸気ガス12nが添加される。これにより、メタンガス13nに水蒸気ガス12nが所定比率で混合した混合ガス7が生成され、混合ガス供給部31から改質触媒充填塔33に送られる。   Next, the collection | recovery of the hydrogen gas 10 from the methane gas 13n in the processing apparatus 30 of 2nd embodiment of this invention is demonstrated. First, methane gas 13n is sent from the outside to the mixed gas supply unit 31 of the processing apparatus 30 as the source gas SG. Then, the mixed gas supply unit 31 adds the water vapor gas 12n to the methane gas 13n. Thereby, the mixed gas 7 in which the water vapor gas 12n is mixed with the methane gas 13n at a predetermined ratio is generated and sent from the mixed gas supply unit 31 to the reforming catalyst packed tower 33.

ここで、改質触媒充填塔33は、図3に示すように、プロトン電解セル2に送出される途中に設けられており、メタンガス13n及び水蒸気ガス12nから触媒作用によって二酸化炭素ガス18と水素ガス10とが生成される(図3における式a’)参照)。しかしながら、係る改質触媒充填塔33では、混合ガス7に含まれるメタンガス13n及び水蒸気ガス12nを完全に転化させることは困難であり、少なくとも一部は残存した状態でプロトン電解セル2に送出される。そして、メタンガス13nをプロトン電解セル2のアノード電極5aに接触させるように流すことにより、改質触媒充填塔33において処理されなかったメタンガス13n等を含む混合ガス7の転化反応(図3における式a)参照)が促進され、係る箇所で二酸化炭素ガス18と水素ガス10が発生する。   Here, as shown in FIG. 3, the reforming catalyst packed tower 33 is provided in the middle of being sent to the proton electrolysis cell 2, and from the methane gas 13n and the water vapor gas 12n, the carbon dioxide gas 18 and the hydrogen gas are catalyzed. 10 is generated (see equation a ′ in FIG. 3). However, in the reforming catalyst packed tower 33, it is difficult to completely convert the methane gas 13n and the water vapor gas 12n included in the mixed gas 7, and at least a part of the methane gas 13n and the steam gas 12n are sent to the proton electrolysis cell 2 in a remaining state. . Then, by flowing the methane gas 13n so as to contact the anode electrode 5a of the proton electrolysis cell 2, the conversion reaction of the mixed gas 7 including the methane gas 13n that has not been treated in the reforming catalyst packed tower 33 (formula a in FIG. 3). )) Is promoted, and carbon dioxide gas 18 and hydrogen gas 10 are generated at such locations.

さらに、係るアノード電極5aの界面では、水素ガス10からプロトン16及び電子(e)が生成される(図3における式b)参照)。そして、既に述べたように、プロトン16のみがアノード電極5a→プロトン導電体3→カソード電極5cの順で選択的に透過され、さらにアノード電極5a及びカソード電極5cが電気的に接続されていることによって電流と逆方向に流れる電子(e)と透過したプロトン16が反応し、水素ガス10が生成される(図3における式c)参照)。これにより、回収された水素ガス10を燃料電池などのエネルギー変換材料の原料として使用することができる。すなわち、従来から行われている水素ガスの生成装置または生成方法に比べ、より簡便にかつ効率的に純度の高い水素ガス10を本発明の処理装置30は生成することができる。 Furthermore, protons 16 and electrons (e ) are generated from the hydrogen gas 10 at the interface of the anode electrode 5a (see formula b in FIG. 3). As described above, only the proton 16 is selectively transmitted in the order of the anode electrode 5a → the proton conductor 3 → the cathode electrode 5c, and the anode electrode 5a and the cathode electrode 5c are electrically connected. As a result, the electrons (e ) flowing in the direction opposite to the current react with the transmitted protons 16 to generate hydrogen gas 10 (see formula c in FIG. 3). Thereby, the recovered hydrogen gas 10 can be used as a raw material for an energy conversion material such as a fuel cell. That is, the treatment apparatus 30 of the present invention can produce the hydrogen gas 10 having a high purity more easily and efficiently than the conventional hydrogen gas production apparatus or production method.

次に、本発明に係る処理装置40を水素センサとして適用する例について、図4に基づいて説明する。第三実施形態の処理装置40は、図4に示すように、前述の第一実施形態及び第二実施形態の処理装置1,30と異なり、処理管部41の管路42を閉塞するように、ペロブスカイト型プロトン導電体43aから主に構成されたプロトン電解セル43が取付けられている。なお、プロトン電解セル43については、第一実施形態及び第二実施形態と略同一の構成を呈するため、ここでは詳細な説明は省略する。そして、プロトン電解セル43を隔壁として仕切られた一方(図4において紙面左側方向)から混合原料ガスMG(メタンガス、水蒸気ガス、水素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、及びアルゴンガス)が供給され、プロトン電解セル43の触媒電極部44aに接するように送られる。   Next, the example which applies the processing apparatus 40 which concerns on this invention as a hydrogen sensor is demonstrated based on FIG. As shown in FIG. 4, the processing device 40 of the third embodiment is different from the processing devices 1 and 30 of the first embodiment and the second embodiment described above so as to block the pipe line 42 of the processing pipe portion 41. A proton electrolysis cell 43 mainly composed of a perovskite proton conductor 43a is attached. The proton electrolysis cell 43 has substantially the same configuration as that of the first embodiment and the second embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here. Then, the mixed raw material gas MG (methane gas, water vapor gas, hydrogen gas, carbon monoxide gas, carbon dioxide gas, and argon gas) is supplied from one side (left side direction in FIG. 4) partitioned with the proton electrolysis cell 43 as a partition wall. And sent so as to be in contact with the catalyst electrode portion 44 a of the proton electrolysis cell 43.

また、プロトン電解セル43を隔壁として仕切られた他方(図4において紙面右側に相当)からは、アルゴンガスArが触媒電極部44bに向かって供給される。すなわち、プロトン電解セル43で仕切られたそれぞれの領域A、領域Bは、異なる水素濃度である。ここで、温度といずれか一方の水素濃度(例えば、領域B)とが既知の場合、既に説明したネルンストの式に従って、他方の水素濃度(この場合、領域Aに相当)を算出することができる。これにより、第一実施形態の処理装置40を、水素ガス検出用の水素センサとして使用することができる。なお、このとき触媒電極部44a,44bの間には、電位差が生じるため、燃料電池として応用することもできる。   Argon gas Ar is supplied toward the catalyst electrode portion 44b from the other side (corresponding to the right side in FIG. 4) partitioned by the proton electrolysis cell 43 as a partition wall. That is, each region A and region B partitioned by the proton electrolysis cell 43 has different hydrogen concentrations. Here, when the temperature and one of the hydrogen concentrations (for example, the region B) are known, the other hydrogen concentration (in this case, corresponding to the region A) can be calculated according to the Nernst equation already described. . Thereby, the processing apparatus 40 of 1st embodiment can be used as a hydrogen sensor for hydrogen gas detection. At this time, since a potential difference is generated between the catalyst electrode portions 44a and 44b, it can be applied as a fuel cell.

ここで、前述した第一実施形態及び第二実施形態の処理装置1,30(水素ポンプとしての適用)と、第三実施形態の処理装置40(水素センサとして適応)とでは、それぞれ使用可能な温度領域が異なっている。さらに、プロトン電解セル2,43に用いられるプロトン導電体3,43aの組成及び触媒電極部5a,5b,44a,44bへの取付け方によっても使用可能温度領域が大きく異なる。   Here, the processing devices 1 and 30 (application as a hydrogen pump) of the first embodiment and the second embodiment described above and the processing device 40 of the third embodiment (adapted as a hydrogen sensor) can be used respectively. The temperature range is different. Furthermore, the usable temperature range varies greatly depending on the composition of the proton conductors 3 and 43a used in the proton electrolysis cells 2 and 43 and the manner of attachment to the catalyst electrode portions 5a, 5b, 44a and 44b.

第一実施形態乃至第三実施形態の処理装置1,30,40では、プロトン導電体3,43aとして、ペロブスカイト型酸化物からなるものを適用し、さらに触媒電極部5,44a,44b等が白金を無電解めっきによって形成されている。これにより、水素センサとして200℃以上、水素ポンプとして400℃以上の使用可能温度を得ることができる。一方、係るプロトン導電体として、αーアルミナから主に構成されるアルミナ系導電体を適用することにより、白金を無電解めっきして電極を構成した場合、水素センサとして700℃以上、水素ポンプとして1000℃以上で使用することが可能である。すなわち、従来よりも水素センサ及び水素ポンプの作動温度を低温化することが可能となり、より広い分野でのプロトン導電体の適用が可能となる。   In the processing apparatuses 1, 30, and 40 of the first to third embodiments, the proton conductors 3, 43a are made of a perovskite oxide, and the catalyst electrode portions 5, 44a, 44b, etc. are made of platinum. Is formed by electroless plating. Thereby, the usable temperature of 200 ° C. or more as a hydrogen sensor and 400 ° C. or more as a hydrogen pump can be obtained. On the other hand, when an electrode is configured by electroless plating of platinum by applying an alumina-based conductor mainly composed of α-alumina as the proton conductor, 700 ° C. or more as a hydrogen sensor and 1000 as a hydrogen pump. It can be used at a temperature of 0 ° C. or higher. That is, it becomes possible to lower the operating temperature of the hydrogen sensor and the hydrogen pump as compared with the prior art, and the proton conductor can be applied in a wider field.

次に、本発明の第一実施形態の処理装置1におけるメタンガス13n及び水蒸気ガス12nの混合の効果について、図5(a)及び図5(b)のグラフに基づいて説明する。ここで、図5(a)は、直流電源部6によって与えられる電流値に応じてカソード電極5c側で生成される水素ガス10の発生効率を水蒸気ガス未添加(Dry)と、水蒸気ガス添加(Wet)と比較したグラフであり、一方、図5(b)は電流値に対してアノード電極5a・カソード電極5cのそれぞれにおける水蒸気ガス12n等、メタンガス13n等、及び水素ガス10の各濃度を示したものである。   Next, the effect of mixing the methane gas 13n and the water vapor gas 12n in the processing apparatus 1 of the first embodiment of the present invention will be described based on the graphs of FIGS. 5 (a) and 5 (b). Here, FIG. 5A shows the generation efficiency of the hydrogen gas 10 generated on the cathode electrode 5c side in accordance with the current value given by the DC power supply unit 6 with no steam gas added (Dry) and with the steam gas added ( On the other hand, FIG. 5 (b) shows the respective concentrations of water vapor gas 12n, methane gas 13n, etc., and hydrogen gas 10 in each of the anode electrode 5a and the cathode electrode 5c with respect to the current value. It is a thing.

これにより、図5(a)から明らかに示されるように、水蒸気を添加しない”Dry”に対して、水蒸気ガス12nを添加した”Wet”の方が、カソード電極5c側における水素ガス10の発生効率が著しく高いことが示された。すなわち、メタンガス13n等及び水蒸気ガス12n等の混合雰囲気下において、水素処理を行うことにより、従来の水素ポンプとは異なり、非常に効率良くカソード電極5c側で水素ガス10を回収することができる。さらに、図5(b)においても、係る傾向が強いことが示された。   Thus, as clearly shown in FIG. 5 (a), the generation of the hydrogen gas 10 on the cathode electrode 5c side is generated in “Wet” in which water vapor gas 12n is added to “Dry” in which water vapor is not added. The efficiency was shown to be significantly higher. That is, by performing hydrogen treatment in a mixed atmosphere of methane gas 13n and the like and water vapor gas 12n and the like, unlike the conventional hydrogen pump, the hydrogen gas 10 can be recovered very efficiently on the cathode electrode 5c side. Further, FIG. 5B also shows that such a tendency is strong.

一方、図6(a)及び図6(b)は、第三実施形態において示した処理装置40(水素センサとして適用)による試験例を示したものである。ここで、図6(a)は混合原料ガスMGが導入される領域Aの入口付近のガス組成を測定したガスクロマトグラフィーのチャートであり、一方、図6(b)は領域Aを経た出口付近のガス組成(残留ガス成分)を測定したガスクロマトグラフィーのチャートである。これにより、導入された混合原料ガスMGには、水素ガスやメタンガスなどのピークが顕著に観察されるのに対し、残留ガスには水素ガスのピークしか観察されないことが示される。すなわち、領域A及び領域Bを仕切るように隔壁として設けられたプロトン電解セル43によって、水蒸気ガス及びメタンガスなどの転化反応が進行し、プロトン電解セル43からは水素ガスのみが検出されることが示される。つまり、導入された混合ガス原料MGに含まれるメタンガスや酸素(水蒸気ガスに由来する)に相当するピークは検出されない。これにより、プロトン電解セルによって選択的に水素ガスの回収が行われていることが示される。 On the other hand, FIG. 6A and FIG. 6B show test examples by the processing apparatus 40 (applied as a hydrogen sensor) shown in the third embodiment. Here, FIG. 6A is a gas chromatography chart in which the gas composition in the vicinity of the inlet of the region A where the mixed raw material gas MG is introduced is measured, while FIG. 6B is the vicinity of the outlet through the region A. It is the chart of the gas chromatography which measured the gas composition (residual gas component). Thereby, it is shown that peaks of hydrogen gas, methane gas, etc. are remarkably observed in the introduced mixed raw material gas MG, whereas only a peak of hydrogen gas is observed in the residual gas. That is, the proton electrolysis cell 43 provided as a partition so as to partition the region A and the region B causes the conversion reaction of water vapor gas and methane gas to proceed, and only hydrogen gas is detected from the proton electrolysis cell 43. It is. That is, a peak corresponding to methane gas or oxygen (derived from water vapor gas) contained in the introduced mixed gas raw material MG is not detected. This shows that hydrogen gas is selectively recovered by the proton electrolysis cell.

以上、本発明について好適な第一実施形態乃至第三施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。 The present invention has been described with reference to the preferred first to third embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and departs from the gist of the present invention as described below. Various improvements and design changes are possible without departing from the scope.

すなわち、第一実施形態の処理装置1において、混合ガス供給部8にメタンガス添加部11及び水蒸気ガス添加部14の双方を設けたものを示したがこれに限定されるものではなく、いずれか一方のみを設けるものであっても構わない。つまり、処理する原料ガスSGが予めトリチウム化水蒸気ガス12t或いはトリチウム化メタンガス13tのいずれか一方であることが既知である場合は、混合ガス7を生成するために供給される原料ガスSGに対応する(すなわち、逆に相当するガス)のみを供給すれば足りるため、いずれか一方の構成を省略することができる。これにより、処理装置1の全体の構成を簡略化することができる。 That is, in the processing apparatus 1 of the first embodiment, the mixed gas supply unit 8 is provided with both the methane gas addition unit 11 and the water vapor gas addition unit 14, but the present invention is not limited to this. You may provide only. That is, when it is known in advance that the raw material gas SG to be processed is either the tritiated water vapor gas 12t or the tritiated methane gas 13t, it corresponds to the raw material gas SG supplied to generate the mixed gas 7. Since it is sufficient to supply only (that is, the gas corresponding to the opposite), either one of the configurations can be omitted. Thereby, the whole structure of the processing apparatus 1 can be simplified.

さらに、第一実施形態乃至第三実施形態の処理装置1,30,40において示したように、プロトン電解セル2に利用するプロトン導電体3として、ペロブスカイト型酸化物からなるものを示したが、これ限定されるものではなく、上述したように、α−アルミナなどのプロトン導電体を使用するものであってもよい。この場合、それぞれを水素ポンプ及び水素センサに適用した場合、作動温度にペロブスカイト型酸化物と比して差異が生じることがある。また、その他のプロトン導電性を有する、例えば、CaZrOなどの固体電解質からなる金属酸化物を利用することも可能である。 Further, as shown in the processing apparatus 1,30,40 in the first embodiment to third embodiment, as a proton conductor 3 to be used for proton electrolytic cell 2, showed that the perovskite-type oxide, This is not limited, and as described above, a proton conductor such as α-alumina may be used. In this case, when each is applied to a hydrogen pump and a hydrogen sensor, there may be a difference in operating temperature compared to the perovskite oxide. Further, it is also possible to use a metal oxide having other proton conductivity, for example, a solid electrolyte such as CaZrO 3 .

また、第一実施形態及び第二実施形態の処理装置1,30において、プロトン電解セル2を通電状態とし、水素ポンプとして利用するものを示したが、これに限定されるものではなく、第三実施形態に示したように、プロトン電解セル43を隔壁として使用し、水素センサや燃料電池の一部として用いるものであっても構わない。   Further, in the processing apparatuses 1 and 30 of the first embodiment and the second embodiment, the proton electrolysis cell 2 is energized and used as a hydrogen pump. However, the present invention is not limited to this. As shown in the embodiment, the proton electrolysis cell 43 may be used as a partition wall and used as a part of a hydrogen sensor or a fuel cell.

第一実施形態の処理装置の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the processing apparatus of 1st embodiment. 第一実施形態の処理装置における混合ガスの処理例を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the example of a process of the mixed gas in the processing apparatus of 1st embodiment. 第二実施形態の処理装置の概略構成、及び混合ガスの処理例を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the schematic structure of the processing apparatus of 2nd embodiment, and the process example of mixed gas. 第三実施形態の処理装置の概略構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically schematic structure of the processing apparatus of 3rd embodiment. プロトン電解セルにおける(a)電流−水素ガス発生効率、(b)電流−ガス濃度を示すグラフである。It is a graph which shows (a) current-hydrogen gas generation efficiency and (b) current-gas concentration in a proton electrolysis cell. (a)混合原料ガス、及び(b)残留ガスのガス組成を示すガスクロマトグラフィーのチャート図である。It is a chart of gas chromatography which shows gas composition of (a) mixed source gas and (b) residual gas.

符号の説明Explanation of symbols

1,30,40 処理装置(固体電解質型水素処理装置)
2,43 プロトン電解セル
3,43a プロトン導電体(固体電解質)
4a 表面
4b 裏面
5,44a,44b 触媒電極部
5a アノード電極
5c カソード電極
6 直流電源部(通電手段)
7 混合ガス
8,31 混合ガス供給部(混合ガス供給手段)
9 ガス回収部(回収手段)
10 水素ガス
11 メタンガス添加部(メタンガス添加手段)
12n 水蒸気ガス
12t トリチウム化水蒸気ガス
13n メタンガス
13t トリチウム化メタンガス
14,32 水蒸気ガス添加部(水蒸気ガス添加手段)
16 プロトン
17 余剰ガス成分
18 二酸化炭素ガス
33 改質触媒充填塔
E 起電力
SG 原料ガス
MG 混合原料ガス
1,30,40 treatment equipment (solid electrolyte hydrogen treatment equipment)
2,43 proton electrolysis cell 3,43a proton conductor (solid electrolyte)
4a Front surface 4b Back surface 5, 44a, 44b Catalyst electrode portion 5a Anode electrode 5c Cathode electrode 6 DC power supply portion (energization means)
7 Mixed gas 8,31 Mixed gas supply section (mixed gas supply means)
9 Gas recovery unit (recovery means)
10 Hydrogen gas 11 Methane gas addition part (methane gas addition means)
12n water vapor gas 12t tritiated water vapor gas 13n methane gas 13t tritiated methane gas 14,32 water vapor gas addition section (water vapor gas addition means)
16 Proton 17 Excess gas component 18 Carbon dioxide gas 33 Reforming catalyst packed tower E Electromotive force SG Raw material gas MG Mixed raw material gas

Claims (5)

プロトン導電性を有する固体酸化物型の固体電解質、及び無電解メッキ法を利用し、前記固体電解質の表面に金属材料をメッキにより被覆してなる多孔性のアノード電極及びカソード電極を有し、前記アノード電極に水蒸気及びメタンガスの混在する混合ガスが供給される触媒電極部を備えて構成されるプロトン電解セルを具備することを特徴とする固体電解質型水素処理装置。 A solid oxide type solid electrolyte having proton conductivity, and a porous anode electrode and a cathode electrode formed by coating a metal material on the surface of the solid electrolyte by using an electroless plating method ; A solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus comprising a proton electrolysis cell configured to include a catalyst electrode portion to which a mixed gas containing water vapor and methane gas is supplied to an anode electrode . 前記アノード電極及び前記カソード電極を電気的に接続し、前記固体電解質を通電状態にする通電手段と、
前記プロトン電解セルの前記アノード電極に、水蒸気ガス及びメタンガスの混在する混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、
前記アノード電極によって転化反応が促進され、前記固体電解質内を透過するプロトンを前記カソード電極から水素ガスとして回収する回収手段と
を具備することを特徴とする請求項1に記載の固体電解質型水素処理装置。
An energization means for electrically connecting the anode electrode and the cathode electrode to bring the solid electrolyte into an energized state;
A mixed gas supply means for supplying a mixed gas of water vapor gas and methane gas to the anode electrode of the proton electrolysis cell;
The solid electrolyte hydrogen treatment according to claim 1, further comprising a recovery unit that promotes a conversion reaction by the anode electrode and recovers protons that pass through the solid electrolyte as hydrogen gas from the cathode electrode. apparatus.
前記混合ガスは、
分子中の少なくとも一つの水素原子がトリチウムで置換されたトリチウム化水蒸気ガス及びトリチウム化メタンガスの少なくともいずれか一つを含んでなることを特徴とする請求項2に記載の固体電解質型水素処理装置。
The mixed gas is
3. The solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus according to claim 2, comprising at least one of tritiated water vapor gas and tritiated methane gas in which at least one hydrogen atom in the molecule is substituted with tritium.
前記混合ガス供給手段は、
前記トリチウム化水蒸気ガス及び前記水蒸気ガスの少なくともいずれか一方に前記メタンガスを添加するメタンガス添加手段と、
前記トリチウム化メタンガス及び前記メタンガスの少なくともいずれか一方に前記水蒸気ガスを添加する水蒸気ガス添加手段と
の少なくともいずれか一方を含んで構成されていることを特徴とする請求項3に記載の固体電解質型水素処理装置。
The mixed gas supply means includes
Methane gas addition means for adding the methane gas to at least one of the tritiated water vapor gas and the water vapor gas;
4. The solid electrolyte type according to claim 3, comprising at least one of the tritiated methane gas and the water vapor gas adding means for adding the water vapor gas to at least one of the methane gas. 5. Hydrogen treatment equipment.
前記固体電解質は、
アルミナ系化合物が適用されることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載の固体電解質型水素処理装置。
The solid electrolyte is
The solid electrolyte type hydrogen treatment apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein an alumina-based compound is applied.
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