JPH06321501A - 電気化学装置および水素発生方法 - Google Patents

電気化学装置および水素発生方法

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JPH06321501A
JPH06321501A JP5108394A JP10839493A JPH06321501A JP H06321501 A JPH06321501 A JP H06321501A JP 5108394 A JP5108394 A JP 5108394A JP 10839493 A JP10839493 A JP 10839493A JP H06321501 A JPH06321501 A JP H06321501A
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良雄 岡
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な装置によって、メタノールおよび水を
含む燃料から一酸化炭素をほとんど発生させずに水素ガ
スを生成する。 【構成】 陽イオン交換膜101の両側に設けられた触
媒を含む電極102に、メタノールと水を少なくとも含
む燃料を接触させる。電極102から電子を取出すこと
によって、電極上でメタノールおよび水から水素イオン
を発生させる。水素イオンは陽イオン交換膜101を通
過し、他方の電極103において電子を供給され、水素
分子に変換される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気化学装置、特に水
素発生装置に関し、さらに電気化学装置を用いた水素発
生方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、炭化水素燃料から水素を発生
させるための装置として、リフォーマがある。
【0003】リフォーマにおいて行なわれる水素発生方
法には、原料ガスに水蒸気を加えて原料炭化水素を水
素、一酸化炭素および二酸化炭素に変換させる水蒸気改
質法と、原料炭化水素の一部を燃焼させて水素、一酸化
炭素および二酸化炭素を得る部分酸化法(部分燃焼法)
とがある。
【0004】炭化水素を一般にCn m で表わせば、水
蒸気改質法において起こる反応を[化1]、部分酸化法
において起こる反応を[化2]にそれぞれ示すことがで
きる。
【0005】
【化1】
【0006】
【化2】
【0007】これらの反応において、一酸化炭素の一部
は次に示す反応を起こし、これらの反応は平衡を保って
進行する。
【0008】
【化3】
【0009】
【化4】
【0010】[化1]は吸熱反応で、他の反応は発熱反
応である。したがって、[化1]の反応では外部から加
熱する必要があり、通常、ニッケル系の触媒を充填した
耐熱金属製の反応管で、温度800℃〜900℃におい
て反応が行なわれる。一方、このような温度では、[化
3]および[化4]の反応はあまり右側に進行せず、た
とえば850℃での反応の場合、二酸化炭素の濃度は1
3〜14%、メタンの濃度は3〜4%である。
【0011】また、炭化水素の代わりにアルコールの一
種であるメタノールを用いた場合は、水と次式のような
反応で改質が進行する。
【0012】
【化5】
【0013】この反応は、0〜20kg/cm2 の圧
力、200〜600℃の温度に設定することが好ましい
とされている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】上述した反応を行なっ
た後、リフォーマを出るガス中には、かなりの濃度の一
酸化炭素が含まれている。
【0015】このため、ガス漏れが万一発生した場合、
一酸化炭素中毒の危険が伴う。また、リフォーマを出る
ガスを触媒反応に用いる際、このガス中に含まれる一酸
化炭素が触媒を被毒し、正常な反応を妨げる場合があ
る。
【0016】そこで、一酸化炭素の残存量を低くするた
め、[化3]の反応を右に押し進めるべく、一酸化炭素
転化器という装置が用いられる。一酸化炭素転化器で
は、発熱反応である[化3]の反応を押し進めるため
に、まず350℃〜370℃程度に反応温度を設定し、
反応速度を高めるため鉄−クロム系などの触媒を用い
て、いわゆる高温転化(Hot Shift)を行な
い、さらに、銅−亜鉛系の触媒を用いて、200〜23
0℃程度で低温転化(Cold Shift)を行なわ
せる。これにより一酸化炭素濃度を減少させることがで
きる。
【0017】燃料がアルコールの場合は、この改質反応
の後、改質ガスのCOをさらに低減するため、COシフ
ト触媒が用いられる。COシフト処理では、COがH2
Oとの反応により1%程度の濃度にまで低減される。ま
た、さらにCO濃度を引き下げるためには、第2のCO
低減装置によって、改質ガスをさらに空気と反応させる
ことにより、100ppmまで低減が可能である。しか
し、このような方法では、装置が複雑になり、高温を要
するなどという問題がある。
【0018】本発明の目的は、上記のような複雑なフロ
ーシステムを用いず、燃料から、一酸化炭素をほとんど
発生させずに水素ガスを生成できる電気化学装置を提供
することにある。
【0019】本発明のさらなる目的は、メタノールおよ
び水を含む燃料から、電気化学的に一酸化炭素をほとん
ど発生させずに、水素を生成できる方法を提供すること
にある。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明の電気化学装置
は、対向する1対の表面を有する陽イオン交換膜と、陽
イオン交換膜の対向する1対の表面にそれぞれ設けら
れ、触媒を含む材料からなる1対の電極と、1対の電極
の一方に燃料を供給するための燃料供給手段とを備え
る。本発明の電気化学装置では、燃料を供給される一方
の電極において、燃料から陽イオンを発生させ、発生さ
れた陽イオンを陽イオン交換膜を介して1対の電極の他
方上で電子供給により分子に変換させる。
【0021】本発明において、陽イオン交換膜は、陽イ
オンを選択的に透過させるものであれば特に限定される
ものではない。陽イオン交換膜として、固体高分子電解
質膜、リン酸を含むマトリックスからなる膜、硫酸を含
むマトリックスからなる膜、固体電解質よりなる膜など
を挙げることができる。また、陽イオン交換基として、
スルホン酸、ホスホン酸、硫酸エステル、リン酸エステ
ルなどを有するイオン交換膜を用いることができる。
【0022】本発明において、電極に含有される触媒に
は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、金、イ
リジウムおよびこれらの元素の少なくともいずれかを含
む合金等を用いることができる。
【0023】1対の電極は、白金、パラジウム、ロジウ
ム、ルテニウム、金、イリジウムおよびこれらの元素の
少なくともいずれかを含む合金等の触媒材料自体から形
成してもよいし、導電性のカーボン電極等に触媒材料を
担持させたもの等から形成してもよい。
【0024】本発明に従う電極は、たとえば、陽イオン
交換膜の膜表面の多孔構造内に、電極材料を析出させる
ことによって形成することができる。その他、本発明に
従う電極は、導電性電極基材に触媒材料を電解または無
電解メッキすること等により形成することができる。
【0025】本発明の装置において、燃料供給手段は、
たとえば、電極の一方に燃料を接触させるため、燃料を
収容する容器もしくは槽、該容器もしくは槽に燃料を所
定の圧力で送り込むためのポンプ等を備えることができ
るが、これらに限定されず、電極に燃料を供給する機構
であれば、いかなるものを用いることもできる。
【0026】本発明の装置において、燃料には少なくと
もメタノールおよび水を含むものを用い、一方の電極か
ら水素イオン、他方の電極から水素分子を発生させるこ
とができる。このような装置において、電極に含まれる
触媒として、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウ
ム、金、イリジウムおよびこれらの元素の少なくともい
ずれかを含む合金等が好ましく用いられる。
【0027】また、上述した水素を発生させる装置にお
いて、他方の電極側に、水素を選択的に透過させること
ができる材料からなる膜を設けることができる。このよ
うな膜は、水素透過膜として名づけることができ、水素
分子の透過率が、他の物質の透過率に比べて高いもので
ある。このような膜として、たとえば、ポリイミド、ポ
リスチレン等の高分子からなる膜、Pd合金からなる
膜、Ti系、Mm系(Mmはミッシュメタルを示す)、
La系、Mg系等の水素吸蔵合金などからなる膜を用い
ることができる。
【0028】また、上述した装置により水素を発生する
方法を提供することができ、この方法は、陽イオン交換
膜の対向する1対の面の一方に設けられた触媒を含む電
極に、メタノールと水を少なくとも含む燃料を接触さ
せ、電極から電子を取り出すことによって電極上でメタ
ノールおよび水から水素イオンを発生させる反応を進行
させ、発生された水素イオンを陽イオン交換膜の対向す
る1対の面の他方に設けられた電極において、電子の供
給により水素分子に変換することを特徴とする。
【0029】
【作用】本発明の作用機構を図を用いて以下に説明す
る。
【0030】図1は、本発明に従う電気化学装置の一例
を示す模式図である。電気化学装置100において、た
とえば、固体高分子電解質膜からなる陽イオン交換膜1
01の両側には、白金触媒をそれぞれ担持させた燃料用
電極102および対向電極103が設けられる。
【0031】このような陽イオン交換膜と1対の電極か
らなる接合体は、たとえば、セパレータ106と107
の間に挟むことができる。燃料用電極102側のセパレ
ータには、燃料供給用兼CO2 排出用溝108a〜eが
さらに形成され、対向電極103側のセパレータ107
には、水素排出用溝109a〜eがさらに形成されてい
る。
【0032】燃料用電極102には、燃料を液体または
気体の状態で燃料供給用兼CO2 排出用溝108a〜e
に通過させることにより、燃料が供給され、かつ電極に
接触される。
【0033】燃料用電極102と対向電極103は、セ
パレータ106および107をそれぞれ介して、外部回
路104に電気的に接続される。両電極の間には、電圧
が印加され、燃料用電極102側がプラス、対向電極1
03側がマイナスとされる。
【0034】上述した装置において、燃料用電極102
に燃料であるメタノールとともに水または水蒸気を供給
し、外部回路104を通じて、燃料用電極102から電
子を引き抜くように電圧を印加する。その結果、燃料用
電極102では、次の反応が進行する。
【0035】
【化6】
【0036】このようにして発生した水素イオンは、陽
イオン交換膜を通過し、対向電極103で次のように変
換される。
【0037】
【化7】
【0038】このようなプロセスにより、対向電極10
3側で、水素を選択的に生成させることができる。した
がって、本発明のプロセスおよび装置によれば、COの
生成は抑制される。
【0039】また、対向電極で生じたガスを、上述した
水素透過膜を介して採集すれば、水蒸気や他の不純物の
濃度を低下させ、純度の高い水素ガスを得ることができ
る。
【0040】
【実施例】
実施例1 図1に示す装置を用いて水素ガスを製造した。
【0041】本実施例において、電極は次のようにして
形成した。固体高分子電解質膜からなる陽イオン交換膜
として、NAFION117R (デュポン社製)を用い
た。金属塩として、3%塩化白金酸液、還元剤として1
%NaBH4 溶液を用い、陽イオン交換膜に還元剤を浸
透させた後、膜表面を塩化白金酸溶液に接触させて、白
金層を析出させた。この方法により、膜の両面に、多孔
質の白金触媒層を形成し、1対の電極とした。
【0042】このように膜の両側に電極が形成された接
合体を組込んだ図1の装置において、燃料用電極102
側に、モル比がメタノール:水=1:2のメタノール−
水混合液を供給し、接合体からなるセルの温度を30℃
に設定した。そして、燃料用電極102側をプラスと
し、燃料用電極102と対向電極103の間に0.2V
の電圧を加えたところ、1.0mA/cm2 の電流が流
れ、燃料用電極102からCO2 が、対向電極103か
ら水素ガスが発生した。発生した水素中には一酸化炭素
は検出されなかった。
【0043】実施例2 実施例1の装置において、対向電極上に水素透過膜とし
てポリイミド高分子膜を設け、この膜を介して水素を採
集した。実施例1と同様な条件にて、燃料用電極と対向
電極の間に0.2Vの電圧を印加したところ、1.0m
A/cm2 の電流が流れ、燃料用電極からCO2 が、対
向電極から水素ガスが発生した。ポリイミド高分子膜を
介して採集された水素中には、一酸化炭素は検出されな
かった。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来のような複雑な反応系およびフローシステムは必要
でなく、非常にシンプルな装置によって、純度の高い水
素を生成させることができる。本発明によれば、CO等
の不純物の生成は抑制される。
【0045】このため、一酸化炭素による中毒の危険が
回避されるとともに、生成される水素ガスについて、触
媒の被毒による化学反応性の低下も防止される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従う電気化学装置の一具体例を示す概
略断面図である。
【符号の説明】
100 電気化学装置 101 陽イオン交換膜 102 燃料用電極 103 対向電極 104 外部回路 106 セパレータ 107 セパレータ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 対向する1対の表面を有する陽イオン交
    換膜と、 前記陽イオン交換膜の前記対向する1対の表面のそれぞ
    れに設けられ、触媒を含む材料からなる1対の電極と、 前記1対の電極の一方に燃料を供給するための燃料供給
    手段とを備え、かつ前記燃料を供給される一方の電極に
    おいて、前記燃料から陽イオンを発生させ、 発生された前記陽イオンを前記陽イオン交換膜を介して
    前記1対の電極の他方上で電子の供給により分子に変換
    させることを特徴とする、電気化学装置。
  2. 【請求項2】 前記燃料が少なくともメタノールおよび
    水を含み、かつ前記一方の電極から水素イオン、前記他
    方の電極から水素分子が発生される、請求項1記載の電
    気化学装置。
  3. 【請求項3】 前記他方の電極側に、水素を選択的に透
    過させることができる材料からなる膜をさらに備える、
    請求項2記載の電気化学装置。
  4. 【請求項4】 陽イオン交換膜の対向する1対の面の一
    方に設けられた触媒を含む電極に、メタノールと水を少
    なくとも含む燃料を接触させ、 前記電極から電子を取出すことによって前記電極上で前
    記メタノールおよび水から水素イオンを発生させる反応
    を進行させ、 発生された前記水素イオンを、前記陽イオン交換膜の対
    向する1対の面の他方に設けられた電極において、電子
    の供給により水素分子に変換することを特徴とする、水
    素発生方法。
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