JPS61199087A - カチオン交換膜を固体電解質とする電気化学的酸素分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、カチオン交換膜を固体電解質とげる電気化学
的酸素分離装置に関するものである。さらに詳しくは本
発明＆夷、カチオン交換膜に含水される水の有効利用を
図ることのできる構造を有するカチオン交換膜を固体、
電解質とする電気化学的酸素分離装置に関するものであ
る。

従来の技術 電気化学的酸素分離装置の基本原理は、レンジャーらに
よって発明された（特公昭４３−２５００１＠公報）。

すなわら、酸素を電解還元し得るガス拡散電極を陰極と
し、酸素発生電極を陽極とし、水酸化アルカリ、酸ある
いはイオン交換膜を電解質とする電気化学セルの陰極に
酸素を含む混合ガス、例えば空気を供給し、陰、間両極
間に直流電流を通電すると、陰極でａ素が選択的に電解
還元されて消費され、１ＩＩＩ４１！から酸素が発生す
る。換言すると、あたかも酸素を含む混合ガスから酸素
が分離精製されることになる。レンジャーらは、陽極か
ら発生する酸素を目的対象物としたために、この電気化
学的酸素弁ｍ装買は、酸素発生装置あるいは酸素濃縮装
置としてのみ捉えらでいた。これに対して、陰極での酸
素が消費された残りの気体に着目すると、この電気化学
的酸素分離装置は、脱酸素装置として機能することにな
る（特公昭５６−３３９７９号）。

電気化学的酸素弁１１ｉ装置に用いる電解質として何を
選択するかは極めて重要な問題である。例えば、水酸化
アルカリの水溶液を用いた場合には、一般に大電流密度
での作動が可能という点で有利であるが、ｒＡ極に供給
すべき酸素を含む混合気体中に炭酸ガスが含まれている
場合には、炭酸アルカリが生成するという問題がある。

これに対して、硫酸のような酸性溶液を用いた場合には
、炭酸ガスに対づる耐性はあるものの、陰極での酸素の
電解還元反応が遅いために大電流密度での作動が困難で
あるし、陽極の寿命が一般に短いという難点がみられる
。このような観点からすると、カチオン交換膜、殊にパ
ーフルオロカーボンスルフオン酸樹脂膜が最も優れてい
ることが最近になってわかってきた。

カチオン交換膜を固体電解質とする電気化学的酸素弁ｌ
ｌｌ１装置では、一般にカチオン交換膜の片面に陰極が
、他面に陽極がそれぞれ一体に接合されていて、陰極の
背面に陰極室が、陽極の背面に陽極室がそれぞれ設けら
れている。また別途に水タンクが設けられていて、この
水タンクから水が陽極室に供給され、カチオン交換膜に
含水されるようになっている（特公昭５１−４５５５７
号公報）。

発明が解決しようとする問題点 しかし、上記のようなカチオン交換膜を固体電解質とす
る電気化学的酸素分離［！？を作動させると、陰極室に
水が溜まると共に、水タンクの水が減ってしまい、陰極
室に溜まった水のために酸素の陰極への拡散が阻害され
るし、水タンクに新たな水を補給しなければならないと
いう煩雑さが出てくる。

問題点を解決するための手段 本発明は、酸素と水とを分離する機能を有する第一の水
タンクと脱酸素された残余気体と水とを分離するＲ能を
右する第二の水タンクとを設け、第一の水タンクから水
を陽極室に供給し、酸素を含む混合気体を陰極室に供給
し、陽極と陰極との間に直流電流を流すことによって陽
極から発生する酸素を陽極室の水と共に第一の水タンク
に戻し、第一の水タンクで水と分離された酸素を酸素導
出口から導出すると共に、陰極において脱酸素された残
余気体を陰極室に溜まる水と共に第二の水タンクに送り
、第二の水タンクで水と分離された脱酸素された残余気
体を脱酸素残余気体導出口から導出すると共に、第一の
水タンクと第二の水タンクとをそれぞれ下部で連通せし
めて水が往来できるように構成せしめることによって、
上述の如き問題点を解決せんとするものである。

作　、用 カチオン交換膜を固体電解質とする電気化学的酸素分離
装置の電極反応は次の通りである。

ｌＩ３　　極　　：　　　　　　０２”＋４Ｈ”　　　
＋４ｅ　　　−＋　　２１−１２　　０陽極：　　２Ｈ
２Ｃ）→０２十４８”　＋４ｅ　−したがって、陰極で
水が生成し、陽極で水が消費される。電解質が水溶液の
場合には、陰極で生成する水は陽極側へ容易に拡散して
いくが、カチオン交換膜の場合には、陰極で生成した水
は電解質側へはほとんど拡散せずに、多孔性である陰極
の背面側に漏出してくる。陰極での水の生成量は、３．
１１　Ｘ１０””モル／Ａｎｉｎである。一方、カチオ
ン交換膜を固体電解質とする場合には、陰極反応による
水の生成だけでなく、水素イオンの陽極側から陰極側へ
の移行の際、電気泳動による水分子の随伴がある。水分
子の随伴量は、例えばカチオン交換膜として、パーフル
オロカーボンスルフオン酸樹脂膜の一種であるデュポン
（Ｄｕ　Ｐｏｎｔ　）社製のナフィオン（ＮＡＦ　ｒＯ
Ｎ＞−１１７を用いた場合には、水素イオン１ヶ当り３
．２モル、換言すると２．１６　Ｘ１０　　モル／　Ａ
　ｗｉｎとなる。この電気泳動による水分子の随伴量は
、陰極反応による水の生成間の約７倍にもなる。いずれ
にしても、カチオン交換膜を固体電解質とする電気化学
的酸素分離装置を作動させると、陽極側の水は減り、陰
極室に水が溜まってくる。

これに対して本発明の手段をとると、陰極室に溜まった
水は、脱酸素された残余気体と共に第二の水タンクに送
られ、ざらに第二の水タンクと連通されている第一の水
タンクに戻され、酸素あるいは脱酸素された残余気体の
流れの中に水蒸気の形で僅かに取り込まれる水以外は全
体として減らないことになる。したがって、第一の水タ
ンクへの水の補給量は、極めて僅かになるばかりか、陰
極室が水で充満することがないので、酸素を含む混合気
体の陰極への拡散の阻害という現象は排除される。

なお、本発明の構成においては、陽極室にはその上部に
水供給口および下部に水兼酸素排出口を、陰極室にはそ
の上部に酸素を含む混合気体の供給口および下部に脱酸
素された残余気体兼水排出口を設けることが望ましい。

また第一の水タンクと水供給口との間には逆止弁を設け
、陽極室に水が供給される方向の流れだけにするのがよ
い。このようにすると、水兼酸素排出口と第一の水タン
クとを結ぶ経路においては、酸素が水を押し上げていく
。また陰極室の下部に溜まり始める水は、脱酸素された
残余気体によって第二の水タンクに押し上げられる。ま
た陰極室と第二の水タンクとの間には逆止弁を介在させ
て、水が陰極室に逆流しないようにするのが望ましい。

さらに第一の水タンクと第二の水タンクの気液分離機構
は、いずれの場合も次のようにすればよい。すなわち、
陽極室あるいは陰極室から還流される気体と水との混合
流体を水タンクの上部から供給し、水だけが水タンクの
下部に落下するようにし、気体はこれらの水タンクの上
部に設けられた酸素導出口あるいは脱酸素残余気体導出
口からそれぞれ導出するようにすればよい。

実施例 図は本発明の一実施例にかかるカチオン交換膜を固体電
解質とする電気化学的酸素分離装置の断面構造略図を示
す。

本装置は、主としてセル本体部１と、酸素と水とを分離
する機能を有する第一の水タンク２と、脱酸素された残
余気体と水とを分離するＦ１１能を有する第二の水タン
ク３とから構成されている。セル本体部１は、パーフル
オロカーボンスルフオン酸樹脂膜からなるカチオン交換
膜４．酸素を選択的に電解還元し１！？る陰極５．酸素
発生電極として働く陽極６．白金メッキを施したエキス
パンデッドチタンからなる陰極集電体７．白金メッキを
施したエキスパンデッドチタンからなる陽極集電体８、
陰極集電体７の空隙部に形成される陰極室９゜陽極集電
体８の空隙部に形成される陽極室１０．セル枠体１１お
よび酸素を含む混合気体供給口１２から構成されている
。陰極５および陽極６は何れもカチオン交換膜４に一体
に接合されている。また第一の水タンク２と陽極室１０
とは、水供給管１３および酸素兼水排出管１４によって
連結されている。また第二の水タンク３と陰極室９とは
、脱酸素残余気体兼水排出管１５によって連結されてい
る。また第一の水タンク２と第二の水タンク３とはそれ
ぞれの下部で連通管１６を介して連通されている。さら
に第一の水タンク２には酸素導出口１７が、第二の水タ
ンク３には脱酸素残余気体導出口１８がそれぞれ設けら
れている。

かかる本発明実施例において、酸素を含む混合気体を混
合気体供給口１２から供給し、第一の水タンク２から水
を水供給管１３を介して陽極室１０に供給し、陰極集電
体７と陽極集電体８との間に直流電流を通電すると、陽
極６から酸素が発生し、この酸素が陽極ｖ１０の中の水
と共に酸素兼水排出管１４を通って第一の水タンク２に
移行づると共に、陰極５で酸素の電解還元反応が起り、
その結果として生成する脱ＩＩ素残余気体が陰極５で生
成する水および電気泳動によって陰極５に移行してくる
水と共に脱酸素残余気体兼水排出管１５を通って第二の
水タンク３に送られる。前記のようにして第一の水タン
ク２に送られる酸素と水との混合物は、このタンクで気
液分離され、水だけがこのタンクに残り、酸素は酸素導
出口１７から導出される。また第二の水タンク３に送ら
れる脱酸素残余気体と水との混合物は、気液分離され、
水だけがこのタンクに残り、脱酸素残余気体は脱酸素残
余気体導出口１８から導出される。さらに第一の水タン
ク２と第二の水タンク３とは連通管１６を介して連通し
ているため、第一の水タンク２の水が減っても第二の水
タンク３の水が移動する。このため第一の水タンク２の
水のレベルは第二の水タンク３のそれと絶えず同じにな
る。

発明の効果 上記本発明実施例において、セル本体部の作用面積を１
００−とし、酸素を含む混合気体として空気を用い、２
００■Ａ／ａＡの電流密度で１０００時間作動させた際
、第一の水タンクと第二の水タンクの水の減量は、１０
０　ｃｃに過ぎなかった。またセル本体の電圧は、終始
１．４Ｖを保ち、安定していた。

これに対して、上記本発明実施例から第二の水タンクを
取り去ったような構造の従来の電気化学的酸素分離装置
の場合には、上述した条件と同一の条件で作動させた際
、水タンクの中の水の減量は９６０　ｃｃであり、セル
本体の電圧は最終的には１．７Ｖにまで上界し、陰極で
酸素の電解還元反応の代りに水素の発生反応が起った。

このように従来のものにおいて水の減量が多いのは、脱
Ｉ！！素残余気体が水を随伴して持ち去ったからであり
、セル電圧が上界して水素が発生したのは、陰極が水に
覆われて、空気の拡散が妨害されたからである。

以上述べたように本発明は、カチオン交換膜を固体電解
質とする電気化学的酸素分離装置において、水の減量を
少なく抑え、しかも水による陰極反応の阻害を回避する
土で著しい効果を示し、その工業的価値は極めて大であ
る。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例にかかるカチオン交換膜を固体電
解質とする電気化学的酸素分離装置の断面構造略図であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固体電解質としてのカチオン交換膜の片面に陽極を、他
   面に陰極をそれぞれ一体に接合し、陽極側に陽極室を、
   陰極側に陰極室をそれぞれ設けると共に、酸素と水とを
   分離する機能を有する第一の水タンクと脱酸素された残
   余気体と水とを分離する機能を有する第二の水タンクと
   を設け、前記第一の水タンクから水を陽極室に供給し、
   陰極室に酸素を含む混合気体を供給すると共に、陽極と
   陰極との間に直流電流を流すことによって陽極から発生
   する酸素を陽極室の水と共に第一の水タンクに戻し、該
   水タンクで水と分離された酸素を該水タンクに設けられ
   た酸素導出口から導出すると共に、陰極において脱酸素
   された残余気体を陰極反応によって生成する水および電
   気泳動によって陽極側から陰極側に移動する水と共に前
   記第二の水タンクに送り、該水タンクで水と分離された
   脱酸素された残余気体を該水タンクに設けられた脱酸素
   された残余気体の導出口から導出すると共に、第一の水
   タンクと第二の水タンクとをそれぞれ下方部で連通せし
   めるように構成せしめてなることを特徴とするカチオン
   交換膜を固体電解質とする電気化学的酸素分離装置。