JP4223010B2 - 高純度水素の製造方法およびそれに用いる装置 - Google Patents

Description

本発明は、水の電気分解により酸素および水素を発生させる装置を用い、高純度な水素を製造することができる高純度水素の製造方法およびそれに用いる装置に関するものである。

従来から、半導体関連分野等の各種工業分野に利用されている水素を製造する方法として、部分酸化法，水蒸気改質法，アルカリ電気分解法等の各種方法が行われているが、アルカリ電気分解法としては、水を電気分解して酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置を用いることがよく行われている。この酸水素発生装置を用いて水素を製造する場合には、通常、図６に示すように、純水５２を電気分解して酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置５１と、純水供給装置（図示せず）から供給される純水５２を溜める純水タンク５３とを用い、この純水タンク５３内に溜まる純水５２を酸水素発生装置５１に供給してここで酸素および水素を発生させ、この発生させた酸素および水素を製品として取り出すようにしている。

このような方法では、通常、純水５２を用い、これを酸水素発生装置５１に導入するようにしているが、純水供給装置から供給される純水５２中に微量の空気成分（窒素，酸素，アルゴン等）が溶解しているうえ、純水５２が純水タンク５３内に溜められている間に純水５２の水面が純水タンク２３の上部空間の空気と接しているため、純水５２中に空気成分が溶解するという現象が起こる（ヘンリーの法則）。したがって、酸水素発生装置５１で電気分解により酸素および水素を発生させる際に、酸素や水素に空気成分が不純物として混入してしまい、発生する酸素および水素の純度が低くなる（９９．９９％程度）。そこで、酸水素発生装置５１に導入する純水５２を、この導入前に減圧下で脱気し、純水５２中から空気成分を除去することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特公平３−２２３７号公報

しかしながら、上記の方法では、純水５２を減圧下で脱気するために大掛りな装置が必要となるうえ、この装置により製造コストが高価になるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、簡単構造で、小形化が可能であり、しかも、製造コストが安価な高純度水素の製造方法およびそれに用いる装置の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、貯水タンクに溜めた水を、水の電気分解により酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置に供給して酸素と水素とを発生させるようにした方法であって、上記酸水素発生装置で発生させた水素を酸水素発生装置から取り出してその一部を貯水タンクに導入し、貯水タンク内の水と接触させて脱気し、その残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記水素の一部を上記脱気後に貯水タンクから取り出して上記精製部にこの精製部の再生ガスとして供給するようにした高純度水素の製造方法を第１の要旨とし、貯水タンクに溜めた水を、水の電気分解により酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置に供給して酸素と水素とを発生させるようにした方法であって、上記酸水素発生装置で発生させた水素を酸水素発生装置から取り出してその一部を貯水タンクに導入し、貯水タンク内の水と接触させて脱気し、その残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記導入に先立って、上記水素の一部を上記精製部にこの精製部の再生ガスとして供給するようにした高純度水素の製造方法を第２の要旨とし、水の電気分解により酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置と、水を溜める貯水タンクとを備え、この貯水タンク内の水を酸水素発生装置に供給して酸素と水素とを発生させる装置であって、上記酸水素発生装置で発生させた水素を上記酸水素発生装置から取り出す取出路と、この取出路で取り出した水素の一部を貯水タンクに導入し貯水タンク内の水と接触させて脱気する導入路とを設け、上記取出路で取り出した水素の残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記水素の一部を上記脱気後に貯水タンクから取り出して上記精製部にこの精製部の再生ガスとして供給する供給路を設けている高純度水素の製造装置を第３の要旨とし、水の電気分解により酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置と、水を溜める貯水タンクとを備え、この貯水タンク内の水を酸水素発生装置に供給して酸素と水素とを発生させる装置であって、上記酸水素発生装置で発生させた水素を上記酸水素発生装置から取り出す取出路と、この取出路で取り出した水素の一部を貯水タンクに導入し貯水タンク内の水と接触させて脱気する導入路とを設け、上記取出路で取り出した水素の残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記導入路を、上記取出路で取り出した水素の一部を上記精製部にこの精製部の再生ガスとして導入する第１導入路と、上記精製部で再生を終えた上記水素の一部を上記精製部から取り出して貯水タンクに導入する第２導入路とで構成している高純度水素の製造装置を第４の要旨とする。

すなわち、本発明の第１および第２の高純度水素の製造方法は、貯水タンクに溜めた水を、水の電気分解により酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置に供給して酸素と水素とを発生させるようにした方法であり、上記酸水素発生装置で発生させた水素を酸水素発生装置から取り出してその一部を貯水タンクに導入し、貯水タンク内の水の中に送り込んでこの水中でバブリングさせることにより、貯水タンク内の水と接触させるようにしている。このため、上記接触で、貯水タンク内の水に溶け込んでいる酸素，窒素等の空気成分が、水中でバブリングする水素側に移動し、この水素とともに貯水タンクの上部空間に追い出され（すなわち、脱気され）、水中から空気成分が除去される。したがって、酸水素発生装置で発生させた水素中に不純物が混入しなくなり、高純度（９９．９９９％以上）の水素を製造することができる。しかも、上記酸水素発生装置から取り出した水素の一部を貯水タンクに導入するだけの簡単な構造であり、小形化が可能であるうえ、簡単な構造である分、製造コストが安価になる。

一方、本発明の第１および第２の高純度水素の製造装置は、水の電気分解により酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置と、水を溜める貯水タンクとを備え、この貯水タンク内の水を酸水素発生装置に供給して酸素と水素とを発生させる装置であり、上記酸水素発生装置で発生させた水素を上記酸水素発生装置から取り出す取出路と、この取出路で取り出した水素の一部を貯水タンクに導入し貯水タンク内の水と接触させて脱気する導入路とを設けている。したがって、本発明の第１および第２の高純度水素の製造装置でも、上記両製造方法と同様に、酸水素発生装置から取り出した水素の一部を貯水タンク内の水と接触させて脱気することができ、上記製造方法と同様の効果を奏する。

本発明の第１の高純度水素の製造方法では、上記酸水素発生装置から取り出した水素の残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記水素の一部を貯水タンク内の水と接触させて脱気したのち、貯水タンクから取り出して上記精製部にこの精製部の再生ガスとして供給するようにしたため、また、本発明の第１の高純度水素の製造装置では、上記取り出し路で取り出した水素の残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記水素の一部を上記脱気後に貯水タンクから取り出して上記精製部にこの精製部の再生ガスとして供給する供給路を設けているため、上記酸水素発生装置から取り出した高純度の水素を水素精製装置で精製して、さらに超高純度（９９．９９９９９％）の水素を製造することができる。

また、本発明の第２の高純度水素の製造方法では、上記酸水素発生装置から取り出した水素の残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記水素の一部を貯水タンクに導入する前に、上記精製部にこの精製部の再生ガスとして供給するようにしたため、また、本発明の第２の高純度水素の製造装置では、上記取り出し路で取り出した水素の残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記導入路を、上記取り出し路で取り出した水素の一部を上記精製部にこの精製部の再生ガスとして導入する第１導入路と、上記精製部で再生を終えた上記水素の一部を上記精製部から取り出して貯水タンクに導入する第２導入路とで構成しているため、上記酸水素発生装置から取り出した高純度の水素を水素精製装置で精製して、さらに超高純度（９９．９９９９９％）の水素を製造することができる。しかも、酸水素発生装置から取り出した水素の一部を直接に水素精製装置の精製部に供給しているため、水素精製装置の精製部を超高純度の水素で再生することができ、その分水素精製装置の精製部に不純物がほとんど付着することがなく（例えば、精製部に吸着材が充填されている場合に、この吸着材に不純物がほとんど吸着されることがなく）、これにより、精製部における精製能力が長期にわたって低下しない。

また、本発明において、上記精製部が、上記酸水素発生装置から取り出した水素中の水分を吸着除去する水分除去用吸着塔である場合には、上記精製部で水素中の水分を吸着除去することができる。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

図１は本発明の高純度水素の製造装置の基本構造を示している。図において、１は純水２を溜める純水タンク（貯水タンク）であり、純水２が純水供給装置（図示せず）から純水送給管３を介して供給されもしくは補給され、一定の液面に保持されている。４はそれ自体の電気分解層（図示せず）で純水２を電気分解して酸素と水素とを発生させる水素発生装置（酸水素発生装置）であり、従来公知のものが用いられている。５は上記純水タンク１内の純水２を水素発生装置４に供給する純水供給管である。６は製品水素導出管であり、水素発生装置４から延びる水素取出管（取出路）４ａに開閉弁６ａを介して連結している。７は製品酸素導出管であり、水素発生装置４から延びる酸素取出管４ｂに開閉弁７ａを介して連結している。

８は上記水素取出管４ａの途中部から延びて純水タンク１内の純水２中に（より詳しく説明すると、純水タンク１内の、純水送給管３の送給口３ａより下側部分に）開口する開閉弁８ａ付き水素導入管（導入路）であり、水素発生装置４から水素取出管４ａに取り出した水素の一部を純水タンク１内の純水２中に送り込み、純水２中でバブリングさせて脱気するようにしている。９は水１０を溜めた水槽であり、１１は上記純水タンク１の上部空間１ａを所定の圧力に保持するために、上記純水タンク１の上部空間１ａに溜まる（水素を多量に含んだ）ガスを取り出して水槽９内の水１０中に送り込む連通管であり、この連通管１１で水槽９内に送り込まれたガスは、水１０中でバブリングしたのち水槽９外に放出される。図において、１２は溶存酸素計である。

上記構成において、純水タンク１に溜めた純水２を水素発生装置１の電気分解層に供給し、この電気分解層において、純水２を電気分解して酸素と水素とを発生させ、水素を水素取出管４ａから取り出して製品水素導出管６に製品水素として供給し、酸素を酸素取出管４ｂから取り出して製品酸素導出管７に製品酸素として供給する。また、水素取出管４ａを通る水素の一部を水素導入管８に導入して純水タンク１内の純水２中に送り込み、純水２中でバブリングさせる。これにより、純水タンク１内の純水２中に溶け込んでいる酸素，窒素等の空気成分が、純水２中でバブリングする水素側に移動し、この水素とともに純水タンク１の上部空間１ａに追い出され（脱気され）、純水２中から空気成分が除去される。このため、水素発生装置１で発生させた水素中に不純物が混入しなくなり、高純度（９９．９９９％以上）の水素を製造することができる。

上記のように、この基本構造では、高純度の水素を製造することが可能になる。しかも、水素発生装置１で発生させた水素の一部を水素導入管８により取り出して純水タンク１内の純水２中に送り込むだけでよく、従来のものに比べて、簡単構造で、小形になるうえ、製造コストが安価になる。

図２は本発明の高純度水素の製造装置の一実施の形態を示している。この実施の形態では、上記基本構造において、水素発生装置４から延びる水素取出管４ａに、この水素取出管４ａにより導入される水素中の水分を除去して水素を精製する水素精製装置１５を接続し（すなわち、水素発生装置４から取り出される水素の流れの下流側に水素精製装置１５を設け）、かつ、この水素精製装置１５の水分除去塔（精製部）１６，１７（図３参照）の再生ガスとして、製品水素の一部（純水タンク１内の純水２の脱気を終えて純水タンク１の上部空間１ａに溜まるガス）を利用している。

より詳しく説明すると、上記水素精製装置１５は、合成ゼオライト（図示せず）が充填された左右一対の水分除去塔１６，１７と、これら両水分除去塔１６，１７に接続管１８を介して接続されるゲッター塔１９とを備えている。上記両水分除去塔１６，１７は、ＴＳＡ法（温度スイング吸着法）により運転されており、純水タンク１への製品水素の連続供給のために２塔切り替え方式が採用されている。また、上記両水分除去塔１６，１７には、その入口管１６ａ，１７ａに、開閉弁２１ａ，２２ａ付き水素流入管２１，２２を介して水素取出管４ａが連結されているとともに、開閉弁２３ａ，２４ａ付き再生ガス流出管２３，２４を介して外部放出管２９が連結されており、一方、その出口管１６ｂ，１７ｂには、開閉弁２５ａ，２６ａ付き水素流出管２５，２６を介して接続管１８が連結されているとともに、開閉弁２７ａ，２８ａ付き再生ガス流入管２７，２８を介して開閉弁３０ａ付き再生ガス供給管（供給路）３０が連結されている。この再生ガス供給管３０は、上記純水タンク１の上部空間１ａと両再生ガス流入管２７，２８とを連通し、純水タンク１の上部空間１ａに溜まる（水素を多量に含んだ）ガスを再生ガス流入管２７（もしくは２８）を介して水分除去塔１６（もしくは１７）に供給する作用をする。図において、１９ａはゲッター塔１９の出口管である。それ以外の部分は上記基本構造と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。

そして、左側（もしくは右側）の水分除去塔１６（もしくは１７）で水素を精製し、右側（もしくは左側）の水分除去塔１７（もしくは１６）を再生する場合には、上記各開閉弁２１ａ，２４ａ，２５ａ，２８ａ，３０ａ（もしくは２２ａ，２３ａ，２６ａ，２７ａ，３０ａ）を開弁し、上記各開閉弁２２ａ，２３ａ，２６ａ，２７ａ（もしくは２１ａ，２４ａ，２５ａ，２８ａ）を閉弁し、左側（もしくは右側）の水分除去塔１６（もしくは１７）に、水素取出管４ａにより供給される水素を導入して水素中の水分を合成ゼオライトに吸着させて水分除去したのち、ゲッター塔１９で水素中に残留した窒素，酸素，一酸化炭素，二酸化炭素等を除去し、出口管１９ａから導出して製品水素導出管６に製品水素として供給する。一方、再生ガス供給管３０により、純水タンク１の上部空間１ａに溜まるガスを再生ガスとして右側（もしくは左側）の水分除去塔１７（もしくは１６）に供給し、合成ゼオライトに吸着させた水分を除去して合成ゼオライトを再生したのち、外部放出管２９により外部に放出することを行う。

上記のように、この実施の形態では、上記水素発生装置４で製造した水素を精製して、さらに超高純度（９９．９９９９９％）の水素にすることができ、半導体工場向け用等として利用することができる。また、水素精製装置１５入口の水素純度がアップするため、水素精製装置１５の負荷が軽減され、水素精製装置１５の精製効率がアップする。

図４は本発明の高純度水素の製造装置の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、水素発生装置４から延びる水素取出管４ａに、この水素取出管４ａにより導入される水素中の水分を除去して水素を精製する水素精製装置１５を接続し、かつ、この水素精製装置１５の水分除去塔１６，１７（図５参照）の再生ガスとして、製品水素の一部（水素取出管４ａを通る水素の一部）を利用している。

より詳しく説明すると、上記水素精製装置１５は、上記実施の形態と同様に、左右一対の水分除去塔１６，１７と、これら両水分除去塔１６，１７に接続管１８を介して接続されるゲッター塔１９とを備えている。上記両水分除去塔１６，１７には、その入口管１６ａに、開閉弁２１ａ，２２ａ付き水素流入管２１，２２を介して水素取出管４ａが連結されているとともに、開閉弁２３ａ，２４ａ付き再生ガス流出管２３，２４を介して第２再生ガス導入管（第２導入路）３２が連結されており、一方、その出口管１６ｂ，１７ｂには、開閉弁２５ａ，２６ａ付き水素流出管２５，２６を介して接続管１８が連結されているとともに、開閉弁２７ａ，２８ａ付き再生ガス流入管２７，２８を介して開閉弁３３ａ付き第１再生ガス導入管（第１導入路）３３が連結されている。上記第１再生ガス導入管３３は、上記水素取出管４ａの途中部と両再生ガス流入管２７，２８とを連結し、上記水素取出管４ａを通る水素の一部を再生ガス流入管２７（もしくは２８）に導入する作用をする。また、上記第２再生ガス導入管３２は、上記両再生ガス流出管２３，２４から延びて純水タンク１内の純水２中に（より詳しく説明すると、純水タンク１内の、純水送給管３の送給口３ａより下側部分に）開口しており、水分除去塔１６（もしくは１７）を再生ガスとして経由した水素を、純水タンク１に溜まる純水２中に送り込む作用をする。図において、１９ａはゲッター塔１９から延びる出口管である。それ以外の部分は、上記基本構造と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。

そして、右側（もしくは左側）の水分除去塔１６（もしくは１７）で水素を精製し、左側（もしくは右側）の水分除去塔１７（１６）を再生する場合には、上記開閉弁２１ａ，２４ａ，２５ａ，２８ａ，３３ａ（もしくは２２ａ，２３ａ，２６ａ，２７ａ，３３ａ）を開弁し、上記開閉弁２２ａ，２３ａ，２６ａ，２７ａ（もしくは２１ａ，２４ａ，２５ａ，２８ａ）を閉弁し、右側（もしくは左側）の水分除去塔１６（もしくは１７）に、水素取出管４ａにより供給される水素を導入して水素中の水分を合成ゼオライトに吸着させて水分除去したのち、ゲッター塔１９で水素中に残留した窒素，酸素，一酸化炭素，二酸化炭素等を除去し、出口管１９ａから導出して製品水素導出管６に製品水素として供給する。一方、左側（もしくは右側）の水分除去塔１７（もしくは１６）に第１再生ガス導入管３３を介して、上記水素取出管４ａを通る水素の一部を再生ガスとして導入し、合成ゼオライトに吸着させた水分を除去したのち、第２再生ガス導入管３２に流出して純水タンク１内の純水２中に送り込み、純水２中でバブリングさせて脱気し、純水２中から空気成分を除去することを行う。

上記のように、この実施の形態でも、上記実施の形態と同様に、上記水素発生装置４で製造した水素を精製して、さらに超高純度（９９．９９９９９％）の水素にすることができ、半導体工場向け用等として利用することができる。また、水素精製装置１５入口の水素純度がアップするため、水素精製装置１５の負荷が軽減され、水素精製装置１５の精製効率がアップする。しかも、上記水素取出管４ａから取り出した超高純度の水素を再生ガスとして直接水分除去塔１６，１７に導入しているため、水分除去塔１６，１７の合成ゼオライトに不純物がほとんど付着することがなく、長期にわたって水分除去塔１６，１７の水素の精製能力が低下しない。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

［実施例，比較例］
実施例では、上記基本構造において、４ｍ³ ／Ｈの水素発生能力を有する水素発生装置１を用い、水素取出管４ａ内の製品水素の一部を純水タンク１内の純水２中に送り込み、純水２中でバブリングを行うことにより、純水２中の酸素，窒素等を追い出した純水２を上記水素発生装置１の電気分解層に供給した。このときの純水２中の溶存酸素は０．１ｍｇ／リットルで、純水タンク１に供給する水素流量は１リットル／Ｈで、純水２の使用量は４リットル／Ｈであった。一方、比較例では、純水タンク１に製品水素の一部を供給しなかった。このときの純水２中の溶存酸素は８ｍｇ／リットルで、純水２の使用量は４リットル／Ｈであった。

そして、実施例および比較例における、製品水素中の酸素濃度（ｐｐｍ），製品水素中の窒素濃度（ｐｐｍ），製品水素の純度（％）および製品水素の収率を測定した。その結果を、下記の表１に示す。この表１で明らかなように、実施例では、製品水素の純度が９９．９９９８％であり、比較例より高純度であることが判る。

なお、上記実施の形態では、水素中の水分を除去することにより、水素を精製しているが、これに限定するものではなく、例えば、窒素，酸素，一酸化炭素，二酸化炭素等を除去することにより、水素を精製してもよい。

本発明の高純度水素の製造装置の基本構造を示す構成図である。 本発明の高純度水素の製造装置の一実施の形態を示す構成図である。 水素精製装置の説明図である。 本発明の高純度水素の製造装置の他の実施の形態を示す構成図である。 水素精製装置の説明図である。 従来例を示す構成図である。

符号の説明

１ 純水タンク
２ 純水
４ 水素発生装置

Claims (6)

1. 貯水タンクに溜めた水を、水の電気分解により酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置に供給して酸素と水素とを発生させるようにした方法であって、上記酸水素発生装置で発生させた水素を酸水素発生装置から取り出してその一部を貯水タンクに導入し、貯水タンク内の水と接触させて脱気し、その残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記水素の一部を上記脱気後に貯水タンクから取り出して上記精製部にこの精製部の再生ガスとして供給するようにしたことを特徴とする高純度水素の製造方法。
2. 貯水タンクに溜めた水を、水の電気分解により酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置に供給して酸素と水素とを発生させるようにした方法であって、上記酸水素発生装置で発生させた水素を酸水素発生装置から取り出してその一部を貯水タンクに導入し、貯水タンク内の水と接触させて脱気し、その残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記導入に先立って、上記水素の一部を上記精製部にこの精製部の再生ガスとして供給するようにしたことを特徴とする高純度水素の製造方法。
3. 上記精製部が、上記酸水素発生装置から取り出した水素中の水分を吸着除去する水分除去用吸着塔である請求項１または２記載の高純度水素の製造方法。
4. 水の電気分解により酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置と、水を溜める貯水タンクとを備え、この貯水タンク内の水を酸水素発生装置に供給して酸素と水素とを発生させる装置であって、上記酸水素発生装置で発生させた水素を上記酸水素発生装置から取り出す取出路と、この取出路で取り出した水素の一部を貯水タンクに導入し貯水タンク内の水と接触させて脱気する導入路とを設け、上記取出路で取り出した水素の残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記水素の一部を上記脱気後に貯水タンクから取り出して上記精製部にこの精製部の再生ガスとして供給する供給路を設けていることを特徴とする高純度水素の製造装置。
5. 水の電気分解により酸素と水素とを発生させる酸水素発生装置と、水を溜める貯水タンクとを備え、この貯水タンク内の水を酸水素発生装置に供給して酸素と水素とを発生させる装置であって、上記酸水素発生装置で発生させた水素を上記酸水素発生装置から取り出す取出路と、この取出路で取り出した水素の一部を貯水タンクに導入し貯水タンク内の水と接触させて脱気する導入路とを設け、上記取出路で取り出した水素の残部を水素精製装置の精製部に供給して精製し、上記導入路を、上記取出路で取り出した水素の一部を上記精製部にこの精製部の再生ガスとして導入する第１導入路と、上記精製部で再生を終えた上記水素の一部を上記精製部から取り出して貯水タンクに導入する第２導入路とで構成していることを特徴とする高純度水素の製造装置。
6. 上記精製部が、上記酸水素発生装置から取り出した水素中の水分を吸着除去する水分除去用吸着塔である請求項４または５記載の高純度水素の製造装置。

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