JP4660853B2 - 水素ガス生成装置及び水素ガスの生成方法 - Google Patents

Description

本願発明は、水を効率よく電気分解して水素を生成する装置に関する。

近年、化石燃料に代わるエネルギーとして水素が注目されている。水素は燃やすと水が出来るだけで、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や有害な窒素酸化物などを排出しない為、将来のエネルギーとして期待されている。水素ガス生成については、メタン等の化石燃料から生成する方法と水を電気分解して生成する方法が試みられているが、ＣＯ２の排出を伴わない後者が最終的な手段であり、中でも安定的かつ地域普遍的な手段としては太陽光発電を利用した水の電気分解による水素ガス生成がもっとも確実な手段であると言われている。これにより太陽光エネルギーは化学的なエネルギーとして貯蔵出来ることとなり、太陽光エネルギーの利用範囲を大きく広げることになる。尚、太陽光エネルギーからより直接的に水素を生成する方法として光触媒（本多藤島効果）による水素ガス生成も研究されているが、現在まだ太陽エネルギーのわずか３％程度を占めるに過ぎない紫外線領域の光しか利用できない等の問題があり実用化の目処は立っていない。その他原子力を利用した水の熱分解による水素の生成やバイオマスを利用した水素ガス生成が試みられているがまだ研究段階である。

水の電気分解反応による多量の水素ガス生成は、長時間連続で水を電気分解する必要があるため、これまでの取り組みとしては電極として化学的に安定な白金・パラジウム・ロジウムなどの貴金属、電解液としては高濃度のアルカリ（ＫＯＨ等）を使用してきた。現在は、固体高分子膜を用いた純水の直接電気分解、鉄の廃材を使用し水の電気分解により水素を生成する方法等も試みられている。（非特許文献１、非特許文献２及び特許文献１参照）

より直接的な水素ガス生成方法として、アルミニウムの微細粉粒により水を分解し水素を生成する方法も報告されている。（特許文献２参照）
ＷＥ-ＮＥＴプロジェクト(World Energy Network：水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術研究開発)資料

株式会社神鋼環境ソリューション商品カタログの水電解式水発生装置−ＨＨＯＧ

特開平５−１９７２８７号公報 特開２００６−０４５００４号公報

金属により水の電気分解反応が起こることは古くから知られ多くの研究がなされてきた。しかしながら、水素ガス生成を目的とした水の電気分解については、近年の資源エネルギー問題やＣＯ2排出による気候温暖化の問題を背景に取り組まれはじめたばかりと言える段階である。将来の燃料電池車や一般家庭・企業のコージェネなど急速な水素需要拡大を考えるとより経済的で環境にやさしい装置の開発が急務である。

本発明は、微弱な電力例えば太陽光発電を利用し、これまで不適切と考えられていた貴金属以外のイオン化傾向の強い金属により水を効率よく分解して水素を生成させる装置に関するものである。水素ガス生成の為の電力消費を極力抑え、より豊富な金属資源でより多くの水素を生成し、電極の消費を最小限にとどめつつ必要な補給を行ない、消費した資源を回収し環境問題への対応も含めたコストのかからない装置の開発が急務であると考え、あらたに実験をとおし太陽光発電の利用を想定した水素ガス生成装置の開発を目指した。装置の開発にあたっては将来予測されている一般家庭での水素ガス生成と消費を目標とした。

図１により本発明の原理を説明する。本発明は、電解液２を入れた生成槽１と当該生成槽内の水から電気分解によって水素ガス３を生成する為、陰極４及び陽極５に電圧を印加する為の電源とを含み、当該陰極と陽極がアルミニウム素材を主素材として構成してあり、当該アルミニウムはアルミニウム素材から酸化アルミニウム皮膜を金属ブラシで除去し非酸化面を露出する事により得られるものである。尚、酸化アルミニウム皮膜除去の方法については別の方法であってもかまわない。即ち、本発明は、水を入れた水素ガス生成槽内の水から電気分解によって水素ガスを生成する為の陽極及び陰極を含み、当該陰極がアルミニウムを主素材として構成してあることを特徴とする水素ガス生成装置であることを特徴とし、水素は陰極と陽極双方で生成される。

本発明により、小規模低コストで安全な水素ガス生成装置の提供が可能になる。

図１は水素ガス生成の原理を説明したものであるが、水素ガスを生成する素子の構造は、生成される水素気泡の上昇によって起こる水の強い上昇流を利用し、新たに発生する気泡及び生成される酸化アルミニウム・水酸化アルミニウムを基板表面からすばやく除去して反応を促進する図３の構造とし、さらに陰極を陽極で挟む図４の構造とし、より円滑な水の上昇流を発生させるために図５の円筒状の形状とした。図５の電極構造は、構造の外観を形成する円筒状の陽極２０と陽極内部に配される陰極２１と、さらに陰極の内部に配される円筒状の陽極２２の３層の円筒によって構成してある。単純な構造ではあるが水素ガス生成量を増加させるのに必須である。さらに分解反応を促進するには、電極に細かい振動を与えることも同じ理由で有効である。

図２により本発明の水素ガス生成装置（以下、「生成装置」という）について説明する。生成装置全体は、水を入れる生成槽７と、生成槽の底部にあるアルミニウム電極を支持する支持構造９と、支持構造によって着脱自在に支持され生成槽内に配された電極構造１１と、電極構造に電圧を印加するための電源１０とから概ね構成してある。生成槽の上端は天板によって閉鎖され天板と中に入れた水の水面との間に発生させた水素を一時的に貯留できる空間１４を構成してある。生成槽の上部には貯留空間と通気する排気パイプ６を取り付けてあり、この排気パイプを介して貯留空間に貯留された水素ガスを取り出せるように構成してある。

本発明における図２の水素ガス生成装置では、電極に１.５Ｖ〜５Ｖ程度の低電圧をかけ、電解液として０.５〜２％の低濃度の塩化ナトリウムを使用することにより水素が生成される。

本発明に先行して、貴金属以外の一般的な金属により図１と同様の水素ガス生成実験を実施し水素生成量を測定した。陰陽両電極を２.０ｃｍ＊２.５ｃｍ角の同一金属で作成し、設定条件は塩分濃度１.０％、水温２３℃とし、印加する電圧毎に測定した。表３はその測定結果である。

上記結果より、明らかにアルミニウムは水素ガス生成効率が良い。但し６.０Ｖ以上では短時間で水素の生成が見られなくなる。表３中の微量とは、気泡を目視で確認できるが生成量を把握するには相当時間が必要な状況を言っている。

本発明では、さらに以下の諸条件を設定することにより水素ガス生成量３.０ＣＣ／分を確認することが出来た。
ａ．太陽光発電素子１個
・最適動作電圧＝１.４Ｖ 最適動作電流＝４１０ｍＡ、最大出力＝０.５７Ｗ
・アイコー電子株式会社製 ＶＳＳ-１５４０
・受光面積は２４ｃｍ2
・直射日光下（５月）
ｂ．電解液
・水道水８００ｃｃ
・水温＝２３℃（常温）
・塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）濃度＝重量比 １.０％
・容器はガラス製
ｃ．アルミニウム電極
・アルミニウム純度９９.５％
・各３.０ｃｍ×２.０ｃｍの基板（厚さ０.５ｍｍ）の陽極２枚と陰極１枚
・基板間の距離は２ｍｍとし円筒状に形成（図５参照）。
・陽極はアルミ素材表面の酸化アルミニウムを除去し片面の酸化アルミニウムを残し、陰極は酸化アルミニウムを全面除去する。

なお、前記実施例２での水素ガス生成効率は、７日間継続して測定したものであるが、下記表４より現在最も一般的に水素発生素子として使われている白金素子の効率と比較換算すると、白金は４.３０ＫＷｈ/Ｎｍ3（表１のＮ社値）、アルミニウムは３.１７ＫＷｈ/Ｎｍ3（＝０.５７Ｗ、３.０ｃｃ／分）という結果になり、本願発明の装置は約３/４の電力で同量の水素ガス生成が可能であり、白金素子を使った水素ガス生成装置の効率を大きく上回ることになる。尚、Ｎ社値及びＷ社値は、非特許文献１の資料に基づく。

アルミ素材は通常、化学的に安定した酸化アルミニウムにより表面を覆われているが、酸化アルミニウムは絶縁体でありその状態では水素ガス生成を見ることは出来ない。前記実施例２では表面の酸化アルミニウムを金属ブラシで除去して水槽内に配置することで非酸化面を電解液に露出し接触面を拡大し、陽極は片面のみ酸化アルミニウムを残して素子を作成した。

水の電気分解反応は一般的に印加する電圧に比例して水素ガス生成量は増加すると考えられるが、アルミニウムを陰陽両極に使用した場合、水素ガス生成反応を維持する為には３.０Ｖ以下の電圧に抑える必要がある。発明者が行なった実験によれば３.０Ｖを超えると陽極では酸化アルミニウム皮膜が形成され水素ガス生成反応の継続が妨げられる。一方、低電圧（０.８Ｖ〜３Ｖ）の場合、陽極では酸化アルミニウムが生成されてもアルミニウム基板の表面を離脱し酸化アルミニウム皮膜を形成することはない。尚、陽極にアルミニウムを使用する例としては、陽極酸化による酸化アルミニウム皮膜の形成方法として実用化されているが、陽極酸化は電圧を１０Ｖ〜６０Ｖかけ溶媒としては硫酸又は蓚酸を使用して酸化アルミニウム皮膜の形成を促進するものである。

水の導電性を上げる為導電性溶媒として塩化ナトリウムを投入する。なお塩分濃度は０.５％〜２.０％と微量にとどめると良い。それ以上の濃度の場合、アルミニウム化合物が図５内部の上昇流を妨げ水素ガス生成反応が抑えられる。

単位時間の生成量をより上げるには、従来技術と同様に水温を６０℃にするなどにより１２ｃｃ／分（常温での単位時間の生成量をさらに４倍に）まで引き上げることが可能である。図６によれば、水温が高い程水素ガス生成効率が高いと思われ、その為に太陽光エネルギー等により水温をあげる設備を設けることが好ましい。実施例では常温によるものとして水素ガス生成量を測定した。

本発明においてはアルミニウム１ｇの消費により１２８４ｃｃの水素を得ることが出来た。水素ガス生成時の陰陽極基板の消費を比較すると陽極側のアルミニウムの消費が早く、陰極はその半分程度である。生成素子の補給サイクルを長くしたい場合には電極の基板の板厚を厚くすることで調整が出来るが、基板の消費速度が偏る点については、陽極基板の板厚を陰極より厚くすることや流す電流のプラス・マイナスを逆にするなどで基板消費サイクルの均一化を図ることも可能である。尚、白金を水素ガス生成素子として使用した場合の消費データは公表されていない為比較は出来ないが白金基板の消費は極めて少量と考えられる。

陽極のアルミニウム基板は消費により穴があく等の浸蝕が進むが、陽極アルミニウム板の片面に残された酸化アルミニウム皮膜１７がバインダーの役割を果たす。従って素子の加工や製造に当って特定の溶解性の低いバインダー等を必要としない。

アルミニウム素材は白金などに比較して極めて安価であり、金属素材の単価を比較すると、白金は１ｇ￥３、０００.-（２００５.０４現在）、アルミニウム１ｋg￥２０.-（２００５.０４現在）であり、明らかに素材コスト面ではアルミニウムが優っている。今後の水素ガス生成装置の利用拡大を考えた場合、アルミ廃材の活用も可能であり経済的に大きな差がある。又、資源問題から見てもアルミニウムは地球上で3番目に多い元素であり、将来的に資源の問題に直面することはない。（１位：酸素５０％、２位：ケイ素２６％、３位アルミニウム８％）尚、高分子電解質のコストは明らかでない。

両極にアルミニウムを使用することにより消費に伴い生成される物質が水酸化アルミニウム及び酸化アルミニウムという同一金属の化合物であり、他の金属と化合しないというメリットがあり回収リサイクルが比較的容易になる。図２においては白濁ゲル状の水酸化アルミニウム１３は電解液の表面に浮上し、電解液を還流浄化する過程でフィルター８により容易に回収できる。尚、水酸化アルミニウムは脱水により容易に酸化アルミニウムとなり、水素ガス生成に伴う金属生成物は酸化アルミニウムのみとも言える。

本発明の水素ガス生成装置は、将来家庭用太陽光発電の余剰電気エネルギーを水素で蓄積する装置とする事が出来る。

本発明の水素ガス生成の原理を説明する正面図。 水素ガス生成装置全体を示す正面図。 同電解液の上昇流を発生させる電極の正面図。 同電解液の上昇流を発生させる電極の正面図。 円筒形の形状にした電極の斜視図。 水温変化による水素生成量の測定結果のグラフ。

符号の説明

１ 容器
２ 電解液
３ 水素気泡
４ 陰極アルミニウム基板
５ 陽極アルミニウム基板
６ 水素排気口
７ 水素生成槽
８ フィルターと酸化アルミニウム排出口
９ 電極の支持構造
１０ 太陽光発電素子
１１ 水素生成素子
１２ 電解液補給口と加温装置
１３ 白濁ゲル状の水酸化アルミニウム
１４ 集気室
１５ 水素気泡とゲル状の水酸化アルミニウム
１６ 塩化ナトリウム溶液
１７ 酸化アルミニウム皮膜
１８ 陽極アルミニウム基板
１９ 陰極アルミニウム基板
２０ 円筒状陽極
２１ 円筒状陰極
２２ 内部円筒状陽極

Claims (4)

1. 水を入れた水素ガス生成槽内の水から電気分解によって水素ガスを生成する為の陽極及び陰極を含み、当該陽極及び陰極がアルミニウムで構成してあり、該陽極と陰極が１ｍｍ〜３ｍｍの間隔を置いて縦方向に設置されており、水の強制循環装置を設置することなく前記水素ガス生成槽の上部に接続された管とフィルターにより構成された水酸化アルミニウムを回収する溶液還流浄化装置とからなることを特徴とする水素ガス生成装置。
2. 前記陽極及び陰極は酸化アルミニウム皮膜が除去されたものでなることを特徴とする請求項１記載の水素ガス生成装置。
3. 水素ガスを生成する為のアルミニウムを素材として構成している陽極及び陰極が、１ｍｍ〜３ｍｍの間隔を置いて縦方向に設置し、水を入れた水素ガス生成槽内の水から電気分解によって生成する水素ガスにより、前記陽極と陰極の間に上昇流を発生させ、該水素ガス生成槽の上部の浮上した水酸化アルミニウムを該水素ガス生成槽の上部に接続された管により吸入し、フィルターにより回収しながら、電気分解により水素ガスを生成させることを特徴とする水素ガスの生成方法。
4. 水素ガス生成槽に、０．５〜２重量％の塩化ナトリウムを含む水を入れて、請求項３記載の水素ガス生成を行うことを特徴とする水素ガスの生成方法。

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