JPS6238223A - ガス分離モジユ−ル - 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、水溶液の電気分解およびガスの精製ルに関す
るものである。

「従来の技術」 水溶液の電気分解等に用いられる電解装置は、従来、溶
液が貯えられる容器と、この容器内に設けられた陰極お
よび陽極と、これら陽極、陰極間に設けられた隔膜とか
ら構成されていた。この電解装置では、隔壁によって各
欄に発生する電解生成物の混合が防止されている。この
種の電解装置にあっては、通常、陽極・陰極かニッケル
メッキの施された鋼板等で形成され、隔膜がアスベスト
などで形成されている。

このような電解装置でのアルカリ水溶液（苛性ソーダ２
０％溶液や苛性カリ２５％溶液など）の電解は、極間に
電圧約１．９Ｖ〜２．２Ｖ、電流約５〜ＩＯＡ／ｄｙ”
を印加することによって行なわれている。

「発明の解決しようとする問題点」 このような従来の電解装置にあっては、次のような問題
があった。

１　）県１和ｉ　　　１金起６ｚこ　をル　１４−　雷
色ｌ津　曲物　の　４１イ■　が１１解液中に滞留する
ため、大きな過電圧を生じる。

このため、電気分解を行うのに高電圧が必要になる。

２）また、電解生成物の混合防止のために設けられた隔
膜によって、陽極、陰極間の距離が大きく、電流効率が
低い。

３）さらに、このような隔膜で電解生成物の混合を防止
する電解装置にあっては、生成物である水素ガスや酸素
ガスを高圧で生産しようとして高圧下で電解を行うと、
陽極から発生ずるガスの量と陰極から発生するガスの量
の差により生じる圧力差の制御が困難となり、陽極と陰
極に発生したガスが隔膜を通して混合してしまう問題が
あった。このため、従来の隔膜を備えた電解装置で高圧
のガスを得るには、生成ガスを改めて圧縮しなければな
らなかった。

４）また、アスベストは発ガン性を有する等の間層か指
摘されており、このようなアスベストからなる隔膜を備
えた電解装置の設置には、様々な制限が伴う不満があっ
た。

「問題点を解決するための手段」 本発明のガス分離モジュールは、溶液を収容する溶液室
と、この溶液室に隔壁を介して連接された気室とを備え
、上記隔壁の少なくとも一部が、導電性を有す微粒子か
結合されてなり口径８００Ａ以下の孔を有する多孔性の
ガス浸透層と、このガス浸透層の表面に設けられかつ触
媒が担持せしめられた反応層とを具備するガス浸透膜に
よって形成されると共に、このガス浸透膜を電極として
用いることで、上記問題点の解消を図るものである。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明のガス分離モノニールを詳
しく説明する。

第１図は、本発明のガス分離モジュールの第一実施例を
示すもので、図中符号ｌは溶液室である。

溶液室１は、電解液が貯えられる部分で、幅の狭い空間
によって形成されている。この溶液室１の幅は、通常１
．５〜０８■程度に形成されるが、この値に制限される
ことはなく、装置の組み立て精度や電解液の貯留に支障
なければさらに狭くすることも可能である。この例のガ
ス分離モジュールにあっては、溶液室１．の両端部にそ
れぞれ外部に通じる開口１ａ、ｌｂが設けられており、
溶液室ｌを電解液が流通するように形成されている。こ
の溶液室１の狭い間隔で向き合う側壁１ｑ、ｌｄのうち
、一方の側壁ＩＣには電極２が取り付けられている。こ
の電極２は金属製のもので、ニッケルメッキが施された
鋼板が好適に用いられる。また、他方の側壁１ｄには、
電極２に対向する位置に隔壁３を介して気室４が設けら
れている。この気室４は、分離、発生したガスを回収す
る室で、隔壁３と対向する側に外部に通じる流路４ａが
形成されている。

この例のガス分離モジュールにあっては、隔壁３の全体
がガス浸透膜５によって形成されている。

このガス浸透膜５は導電性とガス透過性を有するしので
、第２図に示すように、ガス浸透層５ａと反応層５ｂと
から形成されている。そして、このゼフＬＬ鳶端Ｃ，ｌ
−）はつ椹Ｃ，ｌ＋Ａ（涜渡宏１１−石十スようにガス
分離モジュールに取り付けられている。

ガス浸透膜５のガス浸透層５ａは、導電性を有す微粒子
（以下、導電性微粒子と略称する）が結合されてなる多
孔性の層である。このガス浸透層５ａに形成される孔は
、口径０．５μ次以下、好ましく８００Å以下の連続し
た孔であることが望ましい。孔の口径が０．５μπを越
えるとガス浸透層５ａは、気体状態の分子だけでなく液
体状態の分子をも透過し得るものとなり、気液分離機能
が低下する不都合を生じる。

また、ガス浸透層５ａの空孔率は４０％〜８０％程度で
あることが望ましい。ガス浸透層５ａの空孔率が８０％
を越えると得られるガス浸透膜５の耐水圧強度が不十分
となり、また空孔率が４０％未満になるとガス浸透層５
ａのガス透過速度が低下して分解生成ガスを効率良く放
出できなくなるので、いずれの場合も好ましくない。

このガス浸透層５ａをなす導電性微粒子の材料には、鉄
、ニッケル、銀、銅等の金属、無定形炭素、黒鉛等の炭
素、導電性酸化チタン、ホウ素化合物［ランタンポライ
ド（Ｌ　ａＢ　８）、チタンポライド（Ｔ　ｉＢ　２）
　］等の導電性セラミックスなど種々のものを用いるこ
とができる。その中でも、炭素は、優れた撥水性と耐食
性を有し、得られるガス浸透膜５が長寿命でかつ良好な
耐薬品性を有するものとなるので好ましく用いられる。

ここで用いられる導電性微粒子としては、粒径０．１μ
ｍ以下ものが好適である。粒径が０．１μｌを越えると
、ガス浸透層５ａに口径の大きな孔が形成される不都合
を生じる。

ガス浸透層５ａをなすこれら導電性微粒子は、バインダ
ーを介して、あるいは焼結等により結合されている。こ
の実施例のガス浸透膜５のガス浸透層５ａにあっては、
バインダーとしての有機高分子化合物によって導電性微
粒子が結合されている。

このガス浸透層５ａの導電性微粒子を結合する有機高分
子化合物には、フッ素樹脂、ケイ樹脂、ポリエチレン、
ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニ
ル、ボ、リカーボネート、ポリエチレンテレフタレート
等種々の合成樹脂材料を利用することができる。中でも
、ポリテトラフルオロエチレン（Ｐ　Ｔ　Ｆ　Ｅ　）、
ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフル
オライド、四フッ化エチレンー六フッ化プロピレン共重
合体（ＦＥＰ）等のフッ素樹脂、その中でも特にＰＴＦ
Ｅは、酸にもアルカリにも侵されない優れた耐食性を有
すると共に優れた撥水性を有し、得られるガス浸透膜５
が長寿命でかつ耐薬品性を有するものとなるので、好ま
しく用いられる。また、ＰＴＦＥにＦＥＰ等の２種以上
の合成樹脂材料が混合されたものも好適に用いられる。

このように有機高分子化合物を用いて導電性微粒子を結
合する場合、有機高分子化合物の添加量は、有機高分子
化合物にＰＴＦＥ、導電性微粒子にカーボンブラックを
用いた場合を例にとると、通常、それらの合計量に対す
る重量比でＰＴＰＥがＩＯ％〜６０％程度とされる。有
機高分子化合物の添加量が６０％を越えると、形成され
るガス浸透層５ａの電気抵抗が大きくなるうえ、ガス浸
透層５ａのガス透過性が悪化する。また、添加量が１０
％未満になると導電性微粒子の結合が不十分になり、ガ
ス浸透層５ａの強度が低下する。

このガス浸透層５ａは、厚さ２■程度以下に形成される
ことが望ましい。このガス浸透層５ａの厚さが２■を越
えると、ガス浸透層５ａのガス透過速度が低下する不都
合が生じる。また、このガス浸透層５ａの厚さが０．３
ｘｘ未満になると、ガス浸透層５ａの強度が低下する不
都合が生じる場合がある。ただし、製造条件によっては
０　、１　ｘｍ以下でも十分な強度を有するガス浸透層
５ａを得ることが可能である。

このガス浸透層５ａの表面に形成された反応層５ｂ鵠、
触媒が担持せしめられてなるものである。

反応層５ｂに用いる触媒としては、電気分解等の化学反
応を促進するニッケル（Ｎ　Ｄ、コバルト（Ｃｏ）、鉄
（Ｆｅ）等の鉄族元素あるい１よ、白金（Ｐｔ）、ルテ
ニウム（Ｒｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）
、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍ　ｎ）、パラジウム（
Ｐｄ）れらの合金等からなる触媒など各種のものを利用
できる。中でも、水溶液等の電気分解には、Ｎｉ１Ｐｔ
、Ｒｕなどからなる触媒が、電解効率を大幅に向上し得
る点で、好ましく用いられる。

反応層５ｂにおいて、これら触媒は、担体に担持せしめ
られて固定されている。担体には様々のものを利用でき
る。この反応層５ｂを形成する担体には、より多くの触
媒を担持し得る点で、多孔質のものが好ましく用いられ
る。その場合、孔の口径は、０．５μ度〜０．Ｏ１μ屑
程度とされ、反応層５ｂの空孔率は４０％〜８０％程度
とされる。

反応層５ｂの口径が０．５μ肩を越えると、反応層５ｂ
の強度が低下する。また、口径が０．０１μ屑未満にな
ると反応層５ｂに溶液が浸透し難くなり、反応層５ｂの
表面のみしか電気分解等の反応に寄与せず、反応効率が
低下する不都合が生じる。

また、反応層５ｂをなす担体の空孔率が８０％を越える
と、得られる反応層５ｂは耐久性が不十分なもなとなり
好ましくない。空孔率が４０％未に吉２こ　な　Ｘ、Ｃ
＋＋　な　量の　齢り丈本粕　ト瞥什　１　め　ス　７
　ル　ｈ（できず好ましくない。

この反応層５ｂをなす担体には、アルミナ（ＡｌＯ２）
、ンリカ（ＳｔＯｔ）等のセラミックスや導電性微粒子
などをバインダーや焼結処理により結合したものを各種
利用できる。中でも、導電性微粒子が結合されてなるも
のは、反応層５ｂの電気抵抗を小さくできる点で好まし
い。

反応層５ｂの導電性微粒子としては、銀、銅、ニッケル
、金等の金属や無定形炭素、黒鉛等の炭素など、ガス浸
透層５ａをなす導電性微粒子と同様のものを用いること
ができる。

この導電性微粒子としては、粒径０．５μ肩以下ものが
好適に用いられる。粒径が０．５μｍを越えると、ガス
浸透層５ａに口径の大きな孔が形成される不都合を生じ
る。

そして、この実施例の膜の反応層５ｂは、上記ガス浸透
層５ａと同様、バインダとしての有機高分子化合物によ
って導電性微粒子が結合されている。この有機高分子化
合物としては、上記ガス浸透層５ａに用いた有機高分子
化合物と同様のものを利用できる。

また、この反応層５ｂは、水溶液と適度に接触し得るよ
うに、親水性の部分と撥水性の部分が網目状に微細に分
布した構造であることが望ましい。

このような構造の反応層５ｂは、担体を親水性の微粒子
と撥水性の微粒子との混合物で作成することにより形成
される。このような微粒子としては、例えば撥水性のも
のとして一般のアセチレンブラック、親水性の６のとし
てＶｕｌｃａｎＸ　Ｃ−７２Ｒ（ｔａ水性カーボン、商
品名；キャボット社製）などが挙げられる。

この反応層５ｂは、厚さが約１　、０　ｍａ以下に形成
されることが望ましい。この反応層５ｂの厚さが１．０
ｍｍを越えると、反応層５ｂで生成されたガスがガス浸
透層５ａへ透過し難くなる不都合が生じる。

次に、本発明のガス分離モジュールに用いられるのガス
浸透膜５の製造方法の一例を説明する。

説明は、バインダとしての有機高分子化合物にＰＴＦＥ
を用い、導電性微粒子にカーボンブラックを用いたガス
浸透膜を例にして行なう。

このガス浸透膜を製造するには、まず、平均粒径０．０
４２μＩのカーボンブラック７０重量部と、平均粒径０
，２５μｍのＰＴＦＥ３０重量部とを十分混合して混合
物Ａを作成する。また、親水性を有するＶｕｌｃａｎＸ
　Ｃ−７２Ｒ１７０重量部と平均粒径０．２５μ肩のＰ
ＴＦＥとを十分混合して混合物Ｂを作成する。ついで、
これら混合物ＡＳＢをＡ：Ｂ＝４：６の比で混合し、有
機溶媒（ナフサ）を加えて、均一に混練する。これを加
圧して厚さ０．４ｍ肩のシートＡを成形する。

これとは別に、平均粒径０．０４２μ肩のカーボンブラ
ック７０重量部と平均粒径０．２５μ肩のＰＴＦＥ３０
重量部を十分混合した混合物Ｃを作成し、これに有機溶
媒（ナフサ）を加えペースト状にし、均一になるように
十分混練する。このものを加圧して、厚さ２．５ｘｘの
シートＢを成形する。

このように成形された２種類のシートＡ、Ｂを重ね合わ
せてローラで圧接して一体に接合しつつて用いた溶媒を
揮散させ、ついで２８０°Ｃの加熱炉中で熱処理する。

次に、このものを３８０℃で所定時間ホットプレスして
、厚さ０．８１のソート状に成形する。ついで、上記シ
ートＡにより形成された部分に触媒を担持せしめる。

触媒を担持せしめる方法としては、触媒が溶かされた溶
液（触媒溶液）を、シート表面に塗布あるいはスプレー
してシート内に浸透せしめ、この後これを乾燥する方法
が簡便である。このようにすると、反応層５ｂの内部に
まで触媒を担持させることができる。

なお、このガス浸透膜５には必要により金属網を貼着す
る。金属網を貼着する場合、その位置は、ガス浸透層５
ａ側の表面、反応層５ｂ側の表面、ガス浸透層５ａと反
応層５ｂとの間のいずれであってもよい。金属網として
は、銅、ニッケル、金メッキされた銅、ＤＳＡ型チクチ
タン電気伝導性の良い金属からなるものが好適に用いら
れる。また、金属網のメツシュは３０〜ＩＯθ程度であ
ることｐ　ｐ〜５００μｍ程度のものが好適に用いられ
る。

また、ガス浸透層５ａと反応層５ｂとの間あるいは反応
層５ｂの表面に金属網を設けた場合には、ガス浸透層５
ｂは導電性である必要がない。そのため、担体としてフ
ッ化カーボン、疎水性シリカ等の導電性のないものを使
用することができる。

このような金属網の貼着は、例えば上記シートＡ、Ｂを
重ね合わせる際に適宜な位置に金属網をセントし、これ
をホットプレスすることにより行なわれる。

このようなガス浸透膜５を備えた本発明のガス分離モジ
ュールは、第３図に示すような電解装置に組み込まれて
、実用に供される。第３図に示す電解装置は、ガス分離
モノニールの溶液室ｌの開口＋ａ、Ｉｂと電解液タンク
６が連結されて、閉じた電解液流路７が形成されたもの
である。ガス分離モジュールの開口１ａと電解液タンク
６の間の電解液流路７には、電解液中の異物を除去する
フィルター８と、電解液を循環せしめるポンプ９が設け
られている。他方、ガス分離モジュールの開口　Ｉｂと
電解液タンク６との間の電解液流路７には、ガス分離モ
ジュールの溶液室ｌの電極２で発生したガスを分離する
気液分離器ＩＯと電解液を所定の温度に維持する冷却器
１１が設けられている。

また、ガス分離モジュールの気室４の流路４ａには得ら
れたガスを冷却する冷却器１２が連設されている。

「作用」 次に、本発明のガス分離モジュールの作用を、第３図に
示した電解装置の動作に沿って説明する。

第３図の電解装置で水の電気分解を行う場合には、まず
、ポンプ９を駆動してガス分離モジュールの溶液室１に
電解溶液を循環させる。この状態で、溶液室ｌに設けら
れた電極２と隔壁３をなすガス浸透膜５に通電し電気分
解を行う。すると、ガス分離モジュールの電極２および
ガス浸透膜５の反応層５ｂには、極性に応じて酸素ガス
、水素ガスが発生する。この時、ガス浸透膜５の反応層
５ｂに発生したガスは、ガス浸透層５ａに形成された口
径８００Å以下の孔を通過して気室４に放出される。こ
の気室４に放出されるガスの圧力は、溶液室ｌの電解溶
液の圧力とほぼ等しい。他方、電極２に発生したガスは
電解溶液と共に溶液室ｌの開口１ｂから流出し、次段に
設けられた気液分離器１０で電解溶液から分離されて取
り出される。

「実施例２　」 第４図は本発明のガス分離モジュールの第二実施例を示
すもので、上記第一実施例のものと同一構成部分には同
一符号を付して説明を簡略化する。

この例のガス分離モジュールにあっては、溶液室ｌにメ
ツシュ状の電極２が設けられており、このメツシュ状の
電極２と対向する位置に第３の開口１ｅが形成されてい
る。

この例のガス分離モジュールにあっては、電解溶液が開
口１ａ、ｌｂから゛溶液室ｌに供給され、電極２を通過
して開口１ｅから排出される。そして、メツシュ状の電
極２で発生した電解生成物は、この電極２を通過して電
解溶液と共に開口１ｅから排出される。この結果、この
ガス分離モジュールにあっては、電極２に発生した電解
生成物の排出効率が良好となる。

「実施例３　」 第５図は本発明のガス分離モジュールの第三実施例を示
すもので、上記第一実施例のものと同一構成部分には同
一符号を付して説明を簡略化する。

この例のガス分離モジュールにあっては、溶液室ｌに二
つの気室４．４が、互いに対向するように設けられてお
り、それぞれガス浸透膜５．５のなず隔壁３．３によっ
て、溶液室１と仕切られている。

この例のガス分離モジュールにあっては、２箇所にガス
浸透膜５．５が設けられているので、これらをそれぞれ
陰極、陽極とすることにより電気分解を行うことができ
る。そして、電気分解により各ガス浸透膜５．５で発生
したガスは、それぞれガス浸透層５ａ、５ａの口径８０
０Å以下の孔を通過して気室４．４に放出される。この
例のガス分離モジュールにあっては、陰極、陽極の生成
ガスがいずれも溶液室１から気室４．４に放出されるの
で、上記第一実施例のモジュールのように気液分離器１
０を連接する必要がない。

「実施例４　」 第６図は本発明のガス分離モジュールの第四実施例を示
すもので、上記第一実施例のものと同一構成部分には同
一符号を付して説明を簡略化する。

この例のガス分離モジュールは、ガスの分離や精製に好
適に用いられるもので、溶液室ｌに二つの気室４．４が
連設れている。これら気室４にはそれぞれ２箇所ずつ外
部に通じる流路４ａ、４ａが設けられており、一方の流
路４ａからガスを供給して他方の流路４ａからガスを流
出せしめることで気室４内に精製・分離に供する原料ガ
スを循環させることができる。

このガス分離モジュールでガスの分離あるいは精製を行
う場合、一方の気室４には分離・精製される原料ガスが
供給される。そして溶液室ｌには適当な電解溶液が流通
あるいは貯えられる。このようにしてガス浸透膜５．５
間に所定の電圧を印加すると、原料ガスから分離あるい
は精製されたガスが他方の気室４に回収される。この際
、ガス浸透膜５．５間に印加する電圧は、溶液室ｌの電
解溶液を電気分解しない低い電圧に設定される。

「実験例ＩＪ 第６図に示したガス分離モジュールを試作して、空気か
ら酸素を分離した。試作したガス分離モジュールの溶液
室１の幅は約１ｚｚであった。

この実験に用いた２枚のガス浸透膜５．５の仕様は以下
の通りである。（以下、２枚のガス浸透膜５．５を区別
するために、一方のガス浸透膜をＡ、他方をＢとする。

） ■）ガス浸透膜Ａ 構造：厚さＯ，１ｍｍの反応層５ｂと厚さＱ、５ｍｍの
ガス浸透層５ａと銅製の網とが順次積層されてなる３層
構造。

面積：９００ｃｚ２ ａ）反応層５ｂ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径００３８μｍＰＴ
ＦＥ３０重量部、平均粒径０２５μ肩触媒：白金系、平
均粒径５０人 ｂ）ガス浸透層５ａ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μ震Ｐ
ＴＦＥ７０重量部、平均粒径０．２５μ置空孔率＝６５
％ 孔の口径；平均４５０人 ■）ガス浸透膜Ｂ 構造：厚さ０．ｌｉＲの反応層５ｂと厚さ０．５ｔｘｘ
のガス浸透層５ａと銅製の網とが順次積層されてなる３
層構造。

面積＋９００ｃｍ” ａ）反応層５ｂ 組成：カーボン３０重量部、平均粒径０．０４８μ屑Ｐ
ＴＦＥ３０重量部、平均粒径０．２５μ屑触媒二ニツケ
ル系、平均粒径３００人 ｂ）ガ、ス浸透層５ａ 組成：カーボン６５重量部、平均粒径０．０４２μ虞Ｐ
ＴＦＥ３５重量部、平均粒径０．２５μ肩空孔率：６５
％ 孔の口径：平均４５０人 このようなガス浸透膜ＡＳＢが取り付けられたゼ７ム舗
工６−−　ｄ、小癒瀘宏１ノー　十給ｌし南ＩＩ　ｒ’
＋ム（ＫＯＨ）の２０ｗｔ％溶液を０，１２ρ／分、２
．２ｋｇ／ｃｍ”・Ｇ（ゲージ圧）で供給した。また、
ガス浸透膜Ａ側の気室４に０　、　ＯＩ　ｋｇ７ｃｍ”
・Ｇの空気を８０ｅ／分で供給した。そして、ガス浸透
膜Ａを陰極、ガス浸透膜Ｂを陽極とし、ガス浸透膜Ａ、
　Ｂ間に電圧０．９６Ｖ（この値は水の電解に必要な電
圧１．２５Ｖよりも低い）と、電流４５０Ａを印加した
。

以上の条件で装置を運転したところ、ガス浸透膜Ｂ側の
気室４から純度９９．９９％（水分を除く）圧力２　ｋ
ｃｉ／ｃｍ”　−Ｇ　（約３　ａｔｍ）の酸素が毎分１
．５ｆｉ（標準状態）得られた。

この実験によって、本発明のガス分離モジュールでガス
の分離・精製および精製・分離ガスの昇圧を行えること
が判明した。

ついで、上記水酸化カリウム溶液の代わりに、２０ｗｔ
％水酸化ナトリウム溶液を用いて同様の実験を行ったと
ころ、空気から標準状態で１．５５ａ／分の酸素（純度
９９．９９％）を分離することができた。

「実験例２　」 実験例１と同様のガス分離モジュールを用いて、水素ガ
スの精製を行った。

この実験に用いられたガス浸透膜Ａ、Ｈの仕様は以下の
通りである。

■）ガス浸透膜Ａ 構造：厚さ０．１ｍｍの反応層５ｂと厚さ０　、５ｍｍ
のガス浸透層５ａと銅製の網とが順次積層されてなる３
層構造。

面積　９００　ｃｚ” ａ）反応層５ｂ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０３８μ肩Ｐ
ＴＦ’Ｅ２５重量部、平均粒径０．２５μ肩ＰＥＰ　　
５重量部、平均粒径０．２μｙｒ触媒白金系、粒径５０
人 ｂ）ガス浸透層５ａ 組成；カーボン５０重量部、平均粒径０．０４２μｍフ
ッ化カーボン２０重量部、 平均粒径０，０１μ肩 ＰＴＦＥ３０重量部、平均粒径０．２５μ次空孔率二６
４％ 孔の口径：平均４４０人 ■）ガス浸透膜Ｂ 構造：厚さ０．Ｉｍ、ｍの反応層５ｂと厚さ０．５ｉｌ
ｌ！のガス浸透層５ａと銅製の網とが順次積層されてな
る３層構造。

面積：９００ｃｘ” ａ）反応層５ｂ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０３８μｍＰ
　Ｔ　Ｆ’　Ｅ　３０重量部、平均粒径０．２５μｍ触
媒：白金系、粒径５０人 ｂ）ガス浸透層５ａ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μ次Ｐ
　Ｔ　Ｆ　Ｅ　３０重量部、平均粒径０．２５μス空孔
率：６４％ 孔の口径：平均４４０人 このようなガス浸透膜Ａ、Ｂが極間隔０．５ｘｙ、で取
り付けられたガス分離モジュールの溶液１１　ニ５重量
％の希硫酸溶液を０．２ｆ２／分、２　、２　ｋｇ／ｃ
ｔｔｒ”　−Ｇで供給した。まだ、ガス浸透膜Ａ側の気
室４に酸素と窒素を含む純度９９％の水素ガス８Ｃ／分
を０　、０　Ｉ　ｋｇ／ｃｍ”・Ｇで供給した。そして
、ガス浸透膜Ａを陽極、ガス浸透膜Ｂを陰極とし、ガス
浸透膜Ａ、Ｂ間に電圧０．２　Ｖ（この値は水電解に最
低必要な電圧 １．２５Ｖよりも低い）と、電流９００Ａを印加した。

以上の条件で装置を運転したところ、ガス浸透膜Ｂ側の
気室４から純度９９．９９９％（水分を除く）、圧力２
　ｋｇ／ｃｒｓ２・Ｇの水素ガスが標準状態に換算して
毎分６．２６１２得られた。

この装置において、標準状態で１ｍ”の水素ガスを精製
するのに要したエネルギーは０．４８ＫＷ・ｈｒであっ
た。これに対して、従来のパラジウム膜を利、用した水
素精製の場合は１　、０　Ｋｌｌ　−ｈｒ／ｘ３、深冷
水素精製の場合はＩ　、　２　ＫＷ　−ｈｒ／ｊ＋３で
あり、本発明のガス分離モジュールによれば水素ガスの
精製を効率良（行えることが確認できた。

また、本発明のガス分離モジュールにおいては、膜Ａ、
Ｂ間の距離をさらに狭めることにより、エネルギー効率
をより向上できるものと考えられる。

「実験例３　」 第５図に示したガス分離モジュールを試作して、水の電
気分解を行い水素ガスと酸素ガスを生産した。ガス浸透
膜Ａ、Ｂ間の距離は１　ｍｍに設定した。

この実験に用いられたガス浸透膜Ａ、Ｈの仕様は以下の
通りである。

■）ガス浸透膜Ａ 構造：厚さ０．１ｍｍの反応層５ｂと厚さ０．５ＪＩ麓
のガス浸透層５ａと銅製の網とが順次積層されてなる３
層構造。

面積＋９００ｃｚ” ａ）反応層５ｂ 組成：カーボン６５重量部、平均粒径０．０４２μ肩Ｐ
ＴＦＥ３５重量部、平均粒径０，２５μ厘触媒：Ｒｕ０
ｔ系、粒径１０〇人 ｂ）ガス浸透層５ａ 組成；カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μｍＰ
ＴＦＥ３０重量部、平均粒径０．２５μ肩空孔率＝６５
％ 孔の口径：平均４６０人 ■）ガス浸透膜Ｂ 構造：厚さ０．１ｕの反応層５ｂと厚さ０．５１のガス
浸透層５ａと銅製の網とが順次積層されてなる３層構造
。

面積：９００ｃｍ” ａ）反応層５ｂ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０３８μ肩Ｐ
　Ｔ　Ｆ　Ｅ　３０重量部、平均粒径０．２５μ次触媒
：白金系、粒径５〇人 ｂ）ガス浸透層５ａ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μ肩Ｐ
　Ｔ　Ｆ　Ｅ　３０重量部、平均粒径０．２５μ次空孔
率：６５％ 孔の口径：平均４５０人 このようなガス浸透膜Ａ、Ｂが取り付けられたガス分離
モジュールの溶液室ｌに２０ｍｏ１％の希硫酸溶液を０
．１Ｍ／分で供給しつつ、ガス浸透膜Ａ、Ｂ間に電圧１
．８　Ｖ、電流９００Ａを印加した。この際、ガス浸透
膜Ａを陽極、ガス浸透膜Ｂを陽極とした。

以上の条件で装置を運転したところ、気室４．４からそ
れぞれ酸素ガス３．１３Ｃ／分（標準状態下）と、水素
ガス６．２５Ｃ／分（標準状態下）とを得ることができ
た。

ついで、上記硫酸溶液の代わりに、アルカリ溶液（２５
ｗｔ％水酸化カリウム溶液）、中性溶液（２０ｗｔ％硫
酸ナトリウム溶液）等を用いて同様の実験を行ったとこ
ろ、同様に酸素ガス、水素ガスを生産することができた
。これら酸素ガス、水素ガスの純度は９９．９９９％で
あった。

この実験の間に、ガス分離モジュールの溶液室ｌの圧力
を２　、２　ｋｇ／ｃｍ”　−Ｇに上げたところ、気室
４．４から回収されるガスの圧力はいずれら２　、０　
ｋｇ／ｃｆｆ”　−Ｇとなった。ついでさらに溶液室ｌ
の圧力を７　、２　ｋｇ／ｃｙｔｔ”　−Ｇとしたとこ
ろ、得られたガスの圧力はいずれも７　、０　ｋｇ／ａ
ｍ”・Ｇとなり、本発明のガス分離モジュールは溶液室
１の圧力を高めることで気室４．４から得られるガスを
昇圧できることが判明した。そして、溶液室ｌの圧力を
徐々に上げたところ、圧力２０　ｋ！ｉＩ／ｃｍ２・Ｇ
までガス浸透膜５．５からの溶液の透過は見られず、本
発明のガス分離モジュールは溶液室ｌを高圧に維持でき
ることが確認できた。溶液室ｌの圧力を２０　ｋｇ７ａ
ｍ”・Ｇとしたとき、得られたガスの圧力はｌ　９．Ｏ
ｋｇ／ｃｘ”−Ｇであった。

なお、浸透膜Ａ、Ｈのうち一方をメツシュ状の白金メッ
キチタン製電極に取り替えてガス分離モジュールを運転
したところ、同様に酸素ガス、水素ガスを得ることがで
きた。このようにモジュールを運転したところ膜５の寿
命を延ばすことができた。

「実験例４　」 実験例３で試作したガス分離モジュールを用いて、炭酸
ガスと水素ガスを生産を行った。

この実験に用いられたガス浸透膜Ａ、Ｂの仕様は以下の
通りである。

■）ガス浸透膜Ａ 構造：厚す０．１ｘ１１（Ｄ反応層５ｂと厚さ０．５ｕ
ｍのガス浸透層５ａと銅製の網とが順次積層されてなる
３層構造。

面積：９００ｃｍ” ａ）反応層５ｂ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μ肩Ｐ
ＴＦＥ３０重量部、平均粒径０．２５μｍ触媒二粒径５
０への白金系触媒および粒径１００へのＲｕ　Ｏを系触
媒 ｂ）ガス浸透層５ａ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μ肩Ｐ
　Ｔ　Ｆ　Ｅ　３０重量部、平均粒径０．２５μｙｔｔ
空孔率：６５％ 孔の口径；平均４５０人 ■）ガス浸透膜Ｂ 構造：厚さ０．１■の反応層５ｂと厚さ０．５ｍｍのガ
ス浸透層５ａと銅製の網とが順次積層されてなる３層構
造。

面積：９００ｃｍ″ ａ）反応層５ｂ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０３８μ肩Ｐ
ＴＦＥ３０重量部、平均粒径０．２５μ肩触媒：白金系
、粒径５０人 ｂ）ガス浸透層５ａ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μｍＰ
ＴＦＥ３０重量部、平均粒径０．２５μ屑空孔率、６５
％ 孔の口径：平均４５０人 実験に際してまず、０　、５　ｍｏｌ／（２希硫酸溶液
にメタノールを１ｏｖｏ１％混合して原料溶液を作成し
た。そして、ガス分離モジュール溶液室ｌにこの原料溶
液を０　、１　（／分、２　、０　ｋｇ／ｃＩ”　−Ｇ
で供給しつつ、ガス浸透膜Ａ、Ｂ間に電圧０．６〜０．
７　Ｖ。

電流４５０Ａを印加した。この際、ガス浸透＠Ａを陽極
、ガス浸透膜Ｂを陰極とした。また、原料溶液の温度は
６５°Ｃであった。

以上の条件で装置を運転したところ、陽極であるガス浸
透膜Ａ側の気室４から純度９９．９％、圧力１　、５　
ｋｇ／ｃｔｘ’−Ｇの炭酸ガスを標準状態に換算して毎
分１．０３Ｑ得られ、陰極であるガス浸透膜Ｂ側の気室
４から純度９９．９％、圧力１　、５　ｋｇ／ｃｆｆ２
・Ｇの水素ガスを標準状態に換算して毎分６．２４σ得
ることができた。

この装置にあっては、メタノールが減極作用を果し、電
力使用量を大幅に低減できた。

「実験例５　」 第４図に示したガス分離モジュールを試作して、水電解
を行なった。

ガス分離モジュールの電極２には、白金メッキされたチ
タン製メツシュ状電極を用いた。

また、ガス浸透膜５には、次の仕様のものを用いた。

構造：厚さＯ，１ｍｍの反応層５ｂと厚さ０．５ｘＲの
ガス浸透層５ａと銅製の網とが順次積層されてなる３層
構造。

面積＋９００ｃｍ” ａ）反応層５ｂ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径Ｑ、０３８μｍＰ
　Ｔ　Ｆ　Ｅ　２５重量部、平均粒径０，２５μ１ＦＥ
Ｐ　５重量部、平均粒径０．２μ厘触媒：ニッケル系、
平均粒径３００人 ｂ）ガス浸透層５ａ 組成；カーボンＳｒＪＭ　置部、平均粒径０．０４２μ
渭フフ化力−ボン２０重量部、 平均粒径０．０１μＸ Ｐ　Ｔ　Ｆ　Ｅ　３０重量部、平均粒径０，２５μス空
孔率：６４％ 孔の口径：平均４４０人 これら電極２とガス浸透膜５との間隔は１ｊＩＲであっ
た。

このようなガス分離モジュールにより、電極２を陽極、
ガス分離膜５を陰極とし、電流密度５゜Ａ　／ｄｍ’、
浴電圧２，３Ｖで５％硫酸溶液を電解したところ、気室
４から純度９９．９９９％の水素ガスを得ることができ
た。

この状態でガス分離モジュールを３０日間連続運転した
ところ、浴電圧は２．３Ｖで一定であった。この結果、
このガス分離モジュールは実用に十分耐え得るものであ
ることが判明した。

また、このメツシュ状の電極２を用いたガス分離モジュ
ールにあっては、電極２で発生したガスが硫酸溶液に流
れに乗って開口１ｅから速やかに月に出六第１ナー− さらに、この実験にあっては、電解溶液として硫酸溶液
を用いたので、気液分離を良好に行なうことができた。

この実験に際して、電流密度を２０ＯＡまで順次変化さ
けたところ、第７図に示すように、電流密度に比例して
浴電圧が上昇した。

また、この実験と逆に電極２を陰極、ガス浸透膜５を陽
極として電解を行ない、電流密度を変化させたところ、
第８図に示すように、電流密度の上昇と共に浴電圧が低
下した。

なお、本発明のガス分離モジュールは上記実施例に限ら
れるものではない。例えば、本発明のガス分離モジュー
ルによれば、イオン化できる気体であれば、酸素ガスや
水素ガスだけですく、塩素ガスなどの各種のガスを生産
、精製できる。

また、本発明のガス分離モジュールを実用に供する場合
は、モジュールを複数個連設して用いても良いことは勿
論である。

さらに、本発明のガス分離モジュールは、水の電解やガ
スの分離・精製だけでなく、燃料電池等にも利用できる
利用範囲の広いものである。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明のガス分離モジュールは、
導電性を有す微粒子が結合されてなる多孔性のガス浸透
層とこのガス浸透層の表面に形成された触媒を担持する
反応層とを具備するガス浸透膜によって溶液室と気室を
仕切ると共に、このガス浸透膜を電極としたものなので
、溶液の電気分解やガスの精製・分離を効率良くなしう
るちのとなる。

そして、本発明のガス分離モジュールを電解装置に用い
た場合、電極としてのガス浸透膜の反応層で発生したガ
スは、そのガス浸透膜のガス浸透層を透過して系外に速
やかに放出される。この結果、電極としてのガス浸透膜
の表面が気泡で覆われたり、溶液室内に生成ガスが滞留
するといったことがなく、生成ガスによる減極や過電圧
を低減できる。従って、本発明のガス分離モジュールに
よれば、より低い電圧で電流効率良＜（９９，５％以上
の電流効率を実現できる）電気分解を行うことができる
。また、電流密度を１００〜５００Ａ／ｄｉ’と大幅に
向上できる（従来、一般の水電解装置に有っては最高ｌ
Ｏ〜２０　Ａ／ｄａ’程度）。

また、本発明のガス分離モジュールにあっては、ガス浸
透膜から生成ガスを直ちに系外に放出できるので、陽極
・陰極間に隔膜を設ける必要がない。

従って、本発明のガス分離モジュールにあっては、陽極
・陰極間の距離を十分に小さくでき、これによっても装
置の電流効率の向上、極間電圧の低下を図ることができ
る。さらに、隔膜を設ける必要がないので、溶液室を縮
小でき、電解装置の小型化を実現できる。

さらに、本発明のガス分離モジュールにあっては、発生
したガスが直ちにガス浸透膜から系外に放出されるので
、陽極、陰極で得られる各生成ガスの差圧の管理が不要
であるうえ、溶液室の圧力とほぼ等しい圧力のガスを得
ることができる。従って、本発明のガス分離モジュール
は溶液室の圧力を昇圧して、高圧のガスを生産、精製す
ることができ、ガスの昇圧装置として利用することも可
能である。また、本発明のガス分離モジュールを構成す
るガス浸透膜は、強い耐圧強度を有するので、かなり高
圧のガスを容易に生産することができる。

さらに、本発明のガス分離モジュールを構成するガス浸
透膜は気液分離機能を有するので、本発明のガス分離モ
ジュールによればこのガス浸透膜でガスが精製され、純
度の高い（９９，９９９％以上）ガスを得ることができ
る。

また、本発明のガス分離モジュールにあっては、隔膜が
不要なので、発ガン性を有するアスベストを用いる必要
がなく、電解装置の設置を任意に行うことができる。

加えて、本発明のガス分離モジュールは、ガス浸透膜に
触媒を薄く分散して担持せしめることができるので、高
価な白金等の触媒の使用量を低減でき、電解装置の製造
コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガス分離モジュールの一実施例を示す
断面図、第２図は本発明のガス分離モジュールに用いら
れるガス浸透膜の一例を示す断面図、第３図は第一実施
例のガス分離モジュールを備えた電解装置の一例を示す
概略構成図、第４図ないし第６図はそれぞれ本発明のガ
ス分離モジュールの第二、第三、第四の実施例を示す断
面図、第７図および第８図は実験例５で調べた電流密度
と浴電圧の関係を示すグラフである。 ｌ・・・溶液室、２・・・電極、３・・・隔壁、４・・
・気室、５・・・ガス浸透膜、５ａ・・・ガス浸透層、
５ｂ・・・反応層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電極を備え溶液を収容する溶液室と、この溶液室に隔壁
   を介して連接された一室以上の気室とからなり、 上記隔壁の少なくとも一部が、導電性を有する微粒子が
   結合されてなり口径８００Å以下の孔を有する多孔性の
   ガス浸透層とこのガス浸透層の表面に設けられ触媒を担
   持する反応層とを具備するガス浸透膜によって形成され
   ると共に、このガス浸透膜が上記溶液室の電極の陰極・
   陽極の少なくとも一方を構成していることを特徴とする
   ガス分離モジュール。