WO2024252801A1

WO2024252801A1 - 水素ガス製造システム及び水素ガス製造方法

Info

Publication number: WO2024252801A1
Application number: PCT/JP2024/015484
Authority: WO
Inventors: 巧染谷; 祐太土橋; 雄輔三木; 譲宮澤; 健治福田
Original assignee: Nippon Sanso Holdings Corp
Current assignee: Nippon Sanso Holdings Corp
Priority date: 2023-06-07
Filing date: 2024-04-18
Publication date: 2024-12-12
Anticipated expiration: 2025-12-07
Also published as: KR20260021608A; JP7571197B1; JP2024176104A

Abstract

原料水と同等以上の重水素Ｄの含有比率を有する水素ガスを高い回収率で製造することが可能な水素ガス製造システムを提供する。本発明の水素ガス製造システム１００は、重水を含む原料水を収容する第１タンク１０と、原料水を電気分解して水素ガスを発生させる電気分解装置３０と、水素ガスを貯留する貯留器５０と、原料水を第１タンク１０から電気分解装置３０に送液する送液装置２０と、電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留器５０に送気する送気装置４０と、を有し、送液装置２０が、電気分解装置３０内に残存する原料水の減少に伴い、第１タンク１０から電気分解装置３０に原料水を補充するように制御され、送気装置４０が、補充の前後にわたり継続的に、電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留器５０に送気するように制御され、貯留器５０が、補充の前後にわたり電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留する。

Description

水素ガス製造システム及び水素ガス製造方法

　本発明は、水を電気分解することにより水素ガスを製造する水素ガス製造システム及び水素ガス製造方法に関する。

　天然に存在する水や水素ガス等を構成する水素原子の安定同位体として、質量数が１である（原子核が１個の陽子のみからなる）水素^１Ｈ（以下、Ｈとも記す）と、質量数が２である（原子核が１個の陽子と１個の中性子からなる）重水素^２Ｈ（以下、Ｄとも記す）と、質量数が３である（原子核が１個の陽子と２個の中性子からなる）三重水素^３Ｈ（以下、Ｔとも記す）があり、Ｄ又はＴの含有比率はＨに比べて圧倒的に小さい。半導体製造分野や原子力分野においては、Ｄが特に有効となる用途が知られている。このため、Ｄの含有比率を高めた水や水素ガスを低コストで製造することが求められている。

　ところで、一般的な水素ガスの製造方法としては、水を電気分解して酸素ガスと水素ガスとを発生させる電気分解法がよく用いられている。電気分解法において、重水素濃縮水（通常の純水よりも重水素Ｄの含有比率が高められた水）を原料水として用いることで、重水素濃縮水素ガス（通常の水素ガスよりも重水素Ｄの含有比率が高められた水素ガス）を製造することが可能であることが知られている。特許文献１には、バッチ式の電気分解装置を用いて重水素濃縮水素ガスを発生させる技術が提案されている。

特開平８－３２３１５４号公報

　しかしながら、原料水としての重水素濃縮水を電気分解して重水素濃縮水素ガスを得る場合、同位体効果により、原料水に含まれる軽水（Ｈ_２Ｏ）が先に分解される。そのため、得られる水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率は、電気分解開始直後は低く、徐々に上昇していくという経時変化が生じる。従来、重水素濃縮水素ガスを製造する際は、目的とするＤの含有比率に達するまでに発生させた水素ガスを廃棄していたため、水素ガスの回収率が低く、製造コストが高くなるという課題があった。

　また、理論上は、電気分解装置に一度投入した重水素濃縮水（原料水）に含まれるＤの全量を水素ガスに変換できれば、最終的に得られる水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率は、原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率と同等となる。しかし、実際の電気分解装置の運用においては、特許文献１に記載されるようなバッチ式の電気分解装置の場合は電極が原料水に浸かる必要があり、フロー式の電気分解装置の場合は送液ポンプを駆動させるために最低限の液量を確保する必要があり、電気分解装置内に原料水が残留することが避けられない。そのため、投入した原料水の全量を電気分解することは不可能であり、前述した経時変化が生じる事象も踏まえると、従来の水素ガス製造方法では、得られる水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率は、原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率よりも低くなるという課題があった。

　上記課題を鑑みて、本発明は、原料水中の全水素原子に占める重水素Ｄの含有比率と同等以上の重水素Ｄの含有比率を有する水素ガスを高い回収率で製造することが可能な水素ガス製造システム及び水素ガス製造方法を提供することを目的とする。

　本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、以下の知見を得た。電気分解装置から得られる水素ガスを貯留器で貯留することで、水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率を経時的に平均化することができる。また、電気分解装置の運用上、装置内に残留した原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率は、電気分解開始前よりも高くなっているため、電気分解装置内の原料水の量の減少に伴い、電気分解装置に重水素濃縮水（原料水）を補充することによって、Ｄの含有比率がより高い水素ガスを継続的に発生させることができる。これらを組み合わせることで、発生した水素ガスを廃棄することなく、原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率と同等以上のＤの含有比率を有する水素ガスを製造することができる。

　すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。

　［１］重水を含む原料水を収容する第１タンクと、
　前記原料水を電気分解して水素ガスを発生させる電気分解装置と、
　前記水素ガスを貯留する貯留器と、
　前記原料水を前記第１タンクから前記電気分解装置に送液する送液装置と、
　前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを前記貯留器に送気する送気装置と、
を有し、
　前記送液装置が、前記電気分解装置内に残存する前記原料水の量の減少に伴い、前記第１タンクから前記電気分解装置に前記原料水を補充するように制御され、
　前記送気装置が、前記補充の前後にわたり継続的に、前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを前記貯留器に送気するように制御され、前記貯留器が、前記補充の前後にわたり前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを貯留することを特徴とする水素ガス製造システム。

　［２］前記電気分解装置が、
　　陽極を収容する陽極室と陰極を収容する陰極室とがイオン交換膜を介して隣り合う電気分解セルと、
　　前記第１タンクから供給される前記原料水を収容する第２タンクと、
　　前記第２タンクと前記陽極室とを連結し、前記第２タンクから前記陽極室に前記原料水を供給するための送液配管と、
　前記陽極室と前記第２タンクとを連結し、前記陽極室から前記第２タンクに前記原料水を返送するための返送配管と、
　　前記送液配管及び前記返送配管を介して、前記第２タンクと前記陽極室との間で前記原料水を循環させる循環装置と、
を有する、上記［１］に記載の水素ガス製造システム。

　［３］重水を含む原料水を第１タンクに収容する工程と、
　前記原料水を前記第１タンクから電気分解装置に送液する工程と、
　前記電気分解装置にて前記原料水を電気分解して水素ガスを発生させる電気分解工程と、
　前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを貯留器に送気する工程と、
を有し、
　前記電気分解装置内に残存する前記原料水の量の減少に伴い、前記第１タンクから前記電気分解装置に前記原料水を補充し、
　前記補充の前後にわたり継続的に、前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを前記貯留器に送気し、前記貯留器が、前記補充の前後にわたり前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを貯留することを特徴とする水素ガス製造方法。

　［４］前記電気分解装置が、陽極を収容する陽極室と陰極を収容する陰極室とがイオン交換膜を介して隣り合う電気分解セルと、前記第１タンクから供給される前記原料水を収容する第２タンクと、を有し、
　前記電気分解工程では、前記第２タンクと前記陽極室とを連結する送液配管を介して、前記第２タンクから前記陽極室に前記原料水を供給しつつ、前記陽極室と前記第２タンクとを連結する返送配管を介して、前記陽極室から前記第２タンクに前記原料水を返送することで、前記送液配管及び前記返送配管を介して、前記第２タンクと前記陽極室との間で前記原料水を循環させる、上記［３］に記載の水素ガス製造方法。

　本発明の水素ガス製造システム及び水素ガス製造方法によれば、原料水中の全水素原子に占める重水素Ｄの含有比率と同等以上の重水素Ｄの含有比率を有する水素ガスを高い回収率で製造することが可能である。

本発明の一実施形態における水素ガス製造システムの装置構成を示す模式図である。本発明の一実施形態における、フロー式の電気分解装置を有する水素ガス製造システムの装置構成を示す模式図である。本発明の一実施形態における、バッチ式の電気分解装置を有する水素ガス製造システムの装置構成を示す模式図である。比較例における、電気分解装置の運転時間に対して得られた水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率を示すグラフである。

　以下、本発明に係る水素ガス製造システム及び水素ガス製造方法の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。

　［水素ガス製造システム及び水素ガス製造方法］
　図１に本発明の一実施形態における水素ガス製造システム１００の装置構成を示す。水素ガス製造システム１００は、重水を含む原料水を収容する第１タンク１０と、原料水を電気分解して水素ガスを発生させる電気分解装置３０と、水素ガスを貯留する貯留器５０と、原料水を第１タンク１０から電気分解装置３０に送液する送液装置２０と、電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留器５０に送気する送気装置４０と、を有する。水素ガス製造システム１００はさらに、送液装置２０が、電気分解装置３０内に残存する原料水の量の減少に伴い、第１タンク１０から電気分解装置３０に原料水を補充するように制御され、送気装置４０が、補充の前後にわたり継続的に、電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留器５０に送気するように制御され、貯留器５０が、原料水の補充の前後にわたり電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留することを特徴とする。

　図１において、配管６０は、第１タンク１０と送液装置２０とを連結し、原料水が送液される流路を区画する配管である。配管６２は、送液装置２０と電気分解装置３０とを連結し、原料水が送液される流路を区画する配管である。配管６４は、電気分解装置３０と送気装置４０とを連結し、水素ガスが送気される流路を区画する配管である。配管６６は、送気装置４０と貯留器５０とを連結し、水素ガスが送気される流路を区画する配管である。

　本発明の一実施形態に係る水素ガス製造方法は、水素ガス製造システム１００を用いて好適に実施することができ、重水を含む原料水を第１タンク１０に収容する工程と、原料水を第１タンク１０から電気分解装置３０に送液する工程と、電気分解装置３０にて原料水を電気分解して水素ガスを発生させる電気分解工程と、電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留器５０に送気する工程と、を有する。水素ガス製造方法はさらに、電気分解装置３０内に残存する原料水の量の減少に伴い、第１タンク１０から電気分解装置３０に原料水を補充し、補充の前後にわたり継続的に、電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留器５０に送気し、貯留器５０が、補充の前後にわたり電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留することを特徴とする。

　（原料水）
　原料水は、重水（Ｄ_２Ｏ）を含む水とする。原料水（重水素濃縮水）中の全水素原子に占めるＤの含有比率が９０［ａｔｏｍ％Ｄ］以上であると、Ｄが十分に濃縮された水素ガスを得ることができ、好ましい。原料水（重水素濃縮水）中の全水素原子に占めるＤの含有比率の上限は特に限定されないが、工業的な観点から、原料水（重水素濃縮水）中の全水素原子に占めるＤの含有比率は、概ね９９．９８［ａｔｏｍ％Ｄ］以下である。なお、原料水は、半重水（ＨＤＯ）を一部含んでいてもよく、半重水に含まれるＤも上記含有比率に含まれる。また、使用する電気分解装置に応じて原料水に水酸化カリウムや次亜塩素酸塩などの支持塩が含まれていてもよい。

　原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率は、原料水を核磁気共鳴分光装置（例えば日本電子製）による分析に供して、Ｈ原子及びＤ原子の面積を測定し、Ｈ原子及びＤ原子の総面積に対するＤ原子の面積の比率を計算することで求めることができる。

　（第１タンク１０）
　第１タンク１０は、原料水を収容する装置であり、送液装置２０と配管６０により連結されたものとする。第１タンク１０の材質は特に限定されないが、例えば樹脂などの空気成分を透過しやすい材質は、空気中の水分を透過させることで第１タンク１０内の原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率が下がってしまう恐れがあるため、空気成分を透過しないＳＵＳやガラス材料を使用することが好ましい。

　（送液装置２０及び送液工程）
　送液装置２０は、原料水を第１タンク１０から電気分解装置３０に送液する装置であり、第１タンク１０と配管６０により連結され、電気分解装置３０と配管６２により連結されたものとする。送液装置２０は、例えば送液ポンプであり得る。送液工程は、原料水を第１タンク１０から電気分解装置３０に、送液装置２０を用いて送液する工程である。原料水を送液して電気分解装置３０内の水量を増やし、電気分解装置３０が稼働できるようにする。送液する液量は、電気分解装置３０の収容できる上限量とすることが好ましい。

　送液装置２０は、電気分解装置３０による原料水の電気分解の過程で、電気分解装置３０内に残存する原料水の量の減少に伴い、第１タンク１０から電気分解装置３０に原料水を補充するように制御されるものとする。原料水を補充する制御としては、限定されるものではないが、以下のような態様が好ましい。電気分解装置３０は、液面センサーが設置されていることが好ましい。液面センサーは、電気分解装置３０内の原料水の液面（すなわち、残留している原料水の液量）を感知し、液面高さが所定の閾値まで下がると信号を出力する。液面センサーの出力信号は制御部（ＣＰＵ等）に送られ、制御部は、液面センサーからの信号の入力を受けて、送液装置２０を稼働し、原料水を電気分解装置３０に補充する。あるいは、液面センサーの出力信号は光や音等の形式でもよく、作業員が液面センサーの出力信号を認識して、作業員が送液装置２０を稼働することで、原料水を電気分解装置３０に補充してもよい。

　原料水を補充するタイミングとしては、上記のような液面センサーが電気分解装置３０に設置されている場合は、液面高さが所定の閾値まで下がった時とすることが好ましい。ここで、液面高さの閾値とは、後述する電気分解装置３０の運転限界の液面としてもよく、運転限界に達する前に原料水を補充できるように、運転限界よりも高い値を設定してもよい。液面センサーが電気分解装置３０に設置されていない場合は、作業員が定期的に液量を確認し、液量が減少していると判断した場合に、送液装置２０を稼働して原料水を補充してもよい。原料水の消費速度は、電気分解装置３０の容量や電気分解の条件等によって求めることができるため、あらかじめ原料水の消費量を計算し、一定時間電気分解を行った後に、送液装置２０を制御部が自動で稼働し、又は作業員が稼働して、原料水を補充してもよい。なお、原料水を補充するタイミングは特に限定されず、電気分解中に常時補充を行ってもよい。

　電気分解装置３０が水素ガスを発生させる際、同位体効果により原料水に含まれる軽水（Ｈ_２Ｏ）が先に分解される。そのため、電気分解装置３０に残留する原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率は、経時的に高くなる。電気分解装置３０による原料水の電気分解の過程で、送液装置２０によって原料水を電気分解装置３０に補充することで、電気分解装置３０はＤの含有比率がより高い原料水を電気分解することが可能となり、結果として、原料水補充前に得られた水素ガスよりもＤの含有比率が高い水素ガスが得られる。

　（配管６０，６２）
　水素ガス製造システム１００は、第１タンク１０と送液装置２０とを連結し、原料水が第１タンク１０から送液装置２０に送液される流路を区画する配管６０を有する。水素ガス製造システム１００はさらに、送液装置２０と電気分解装置３０とを連結し、原料水が送液装置２０から電気分解装置３０に送液される流路を区画する配管６２を有する。配管６０，６２の材質は特に限定されないが、例えば樹脂などの空気成分を透過しやすい材質は、空気中の水分を透過させることで配管６０，６２内の原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率が下がってしまう恐れがあるため、空気成分を透過しないＳＵＳやガラス材料を使用することが好ましい。

　（電気分解装置３０）
　電気分解装置３０は、原料水を電気分解する装置であり、送液装置２０と配管６２によって連結され、送気装置４０と配管６４によって連結されたものとする。電気分解装置３０は、原料水を電気分解して水素ガスを発生させるものであれば特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。一般に、電気分解装置３０はフロー式とバッチ式の２種が広く使用されている。

　図２に、本発明の一実施形態における、フロー式の電気分解装置３０Ａを有する水素ガス製造システム１０２の模式図を示す。電気分解装置３０Ａ以外の構成については図１と同様である。電気分解装置３０Ａは電気分解セル８０を有し、電気分解セル８０は、陽極を収容する陽極室８２と陰極を収容する陰極室８４とがイオン交換膜８６を介して隣り合う構成を有する。さらに、電気分解装置３０Ａは、第１タンク１０から送液装置２０により供給される原料水を収容する第２タンク３２と、送液配管３４及び返送配管３６を介して第２タンク３２と陽極室８２との間で原料水を循環させる循環装置３８と、を有する。送液配管３４は、第２タンク３２と陽極室８２とを連結し、第２タンク３２から陽極室８２に原料水を供給するための配管である。返送配管３６は、第２タンク３２と陽極室８２とを連結し、陽極室８２から第２タンク３２に原料水を返送するための配管である。循環装置３８は、例えば送液ポンプであり得る。循環装置３８の設置位置は特に限定されないが、図２に示すように、例えば送液配管３４に設置される。

　図３に、本発明の一実施形態における、バッチ式の電気分解装置３０Ｂを有する水素ガス製造システム１０４の模式図を示す。電気分解装置３０Ｂ以外の構成については図１と同様である。電気分解装置３０Ｂは電気分解セル９０を有し、電気分解セル９０内には、陽極９２及び陰極９４が収容され、陽極９２及び陰極９４は、同じく電気分解セル９０に収容される原料水９６に浸かる。配管６８は、電気分解セル９０の陽極９２にて副生する酸素ガスが排出される際に用いる配管である。

　（電気分解工程）
　電気分解工程は、電気分解装置３０を用いて水素ガスを発生させる工程である。図２に示すフロー式の電気分解装置３０Ａを使用する場合は、電気分解を行っている間、常時循環装置３８を稼働させて、第２タンク３２と陽極室８２との間で原料水を循環させることが好ましい。

　図２に示すフロー式の電気分解装置３０Ａを用いて電気分解を行う場合、電気分解セル８０内の陽極室８２においては、以下の式（１）に示す酸化反応により、原料水は酸素ガスと水素イオンとに分解される。陽極室８２で発生した水素イオンはイオン交換膜８６を透過して陰極室８４に移動し、以下の式（２）に示す還元反応により水素ガスとなる。陰極室８４で発生した水素ガスは送気装置４０により配管６４及び配管６６を介して貯留器５０に送気される。なお、陽極室８２で発生した酸素ガスの大半はイオン交換膜８６を透過しないが、透過したごく微量の酸素ガスも、陰極室８４の還元条件下で水素イオンと反応し水になるため、陰極室８４で発生した水素ガスには含まれない。
　Ｈ_２Ｏ→１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－・・・（１）
　２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２・・・（２）

　なお、重水（Ｄ_２Ｏ）の電気分解により得られる水素ガスは重水素ガス（Ｄ_２）である。また、原料水が半重水（ＨＤＯ）を含む場合、半重水の電気分解により得られる水素ガスは、半重水素ガス（ＨＤ）である。原料水が重水素濃縮水の場合、得られる水素ガスも重水素濃縮水素ガス（通常の水素ガスよりも重水素Ｄの存在比率が多い水素ガス）となる。

　図３に示すバッチ式の電気分解装置３０Ｂを使用した場合も同様に、電気分解セル９０において、陽極９２で上記式（１）に示す酸化反応、陰極９４で上記式（２）に示す還元反応が起こる。電気分解セル９０はイオン交換膜８６を有さないが、図３に示すように陽極側及び陰極側の上部にそれぞれ空間が設けられている。このような構造をとることで、陽極９２で発生した酸素ガスと陰極９４で発生した水素ガスとは、互いに混ざることなく、酸素ガスは陽極９２側上部の空間へ、水素ガスは陰極９４側上部の空間へ移動する。水素ガスは、送気装置４０によって配管６４及び配管６６を介して貯留器５０へ送気される。電気分解セル９０の陽極９２にて副生した酸素ガスは、配管６８を介して排出される。

　電気分解装置３０がその上限量まで原料水を収容した段階で電気分解工程を開始すると、電気分解装置３０内の原料水は分解されて徐々に減少する。そこで、電気分解装置３０による原料水の電気分解の過程で、電気分解装置３０内に残存する原料水の量の減少に伴い、送液装置２０により第１タンク１０から電気分解装置３０に原料水を補充する。原料水の補充は、電気分解装置３０内に残存する原料水の量が電気分解装置３０の運転限界の液量となる前に行う。運転限界とは、フロー式の電気分解装置３０Ａの場合は循環装置３８を駆動させるために必要な原料水の最低量に達してしまった状態や、バッチ式の電気分解装置３０Ｂの場合は陽極９２又は陰極９４が原料水の液面から出てしまう液量に達してしまった状態等を指す。

　電気分解工程において水素ガスを発生させる際、同位体効果により原料水に含まれる軽水（Ｈ_２Ｏ）が先に分解される。そのため、電気分解装置３０に残留する原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率は、経時的に高くなる。電気分解装置３０による原料水の電気分解の過程で、送液装置２０によって原料水を電気分解装置３０に補充することで、電気分解装置３０はＤの含有比率がより高い原料水を電気分解することが可能となり、結果として、原料水補充前に得られた水素ガスよりもＤの含有比率が高い水素ガスが得られる。

　（送気装置４０）
　送気装置４０は、水素ガスを電気分解装置３０から貯留器５０に送気する装置であり、電気分解装置３０に配管６４により連結され、貯留器５０に配管６６により連結されたものとする。送気装置４０は、送液装置２０が原料水を電気分解装置３０に補充する前後にわたり継続的に、電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留器５０に送気するように制御されるものとする。送気装置４０としては、昇圧器を使用することができる。

　（送気工程）
　送気工程は、電気分解装置３０で発生した水素ガスを、送気装置４０を用いて貯留器５０に送気する工程である。貯留器５０への送気は、送液装置２０が原料水を電気分解装置３０に補充する前後にわたり継続的に行う。これにより、貯留器５０に貯留された水素ガスは、継続的に得られた水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率が平均化されたものとなる。電気分解装置３０で発生した水素ガスは、一般に０．３ＭＰａ程度の圧力を有する。そのため、送気工程の一例としては、電気分解装置３０の稼働前に貯留器５０内を減圧状態にして、電気分解装置３０の稼働直後は発生した水素ガスの自圧で貯留器５０に充填し、さらに送気装置４０で水素ガスを昇圧して貯蓄器５０へ充填することができる。

　（配管６４）
　水素ガス製造システム１００は、電気分解装置３０と送気装置４０とを連結し、水素ガスが電気分解装置３０から送気装置４０に送気される流路を区画する配管６４を有する。配管６４の材質は特に限定されないが、例えば樹脂などの空気成分を透過しやすい材質は、得られる水素ガスの純度の低下につながるため、空気成分を透過しないＳＵＳやガラス材料を使用することが好ましい。

　また、電気分解装置３０から発生した水素ガスを貯留器５０へ送気する流路の間には、マスフローコントローラーや背圧弁などの水素ガス送気量を制御する機器や、発生した水素ガス中の水分や空気成分を除去する精製器、発生した水素ガスを昇圧させるための圧縮機などを適宜設けてよい。

　（貯留器５０）
　貯留器５０は、電気分解により得られた水素ガスを貯留する装置であり、送気装置４０と配管６６により連結されたものとする。貯留器５０は、送液装置２０が原料水を電気分解装置３０に補充する前後にわたり継続的に、電気分解装置３０で発生した水素ガスを貯留するものとする。貯留器５０が水素ガスを継続的に貯留することによって、貯留された水素ガスにおける全水素原子に占めるＤの含有比率が平均化される。

　貯留器５０の材質は特に限定されないが、例えば樹脂などの空気成分を透過しやすい材質は、得られる水素ガスの純度の低下につながるため、空気成分を透過しないＳＵＳやガラス材料を使用することが好ましい。

　（配管６６）
　水素ガス製造システム１００は、送気装置４０と貯留器５０を連結し、水素ガスが送気装置４０から貯留器５０に送気される流路を区画する配管６６を有する。配管６６の材質は特に限定されないが、例えば樹脂などの空気成分を透過しやすい材質は、得られる水素ガスの純度の低下につながるため、空気成分を透過しないＳＵＳやガラス材料を使用することが好ましい。

　（水素ガス）
　以上説明した本発明の実施形態に係る水素ガス製造システム及び水素ガス製造方法によれば、初期に発生した水素ガスを廃棄することなく、原料水（重水素濃縮水）中の全水素原子に占める重水素Ｄの含有比率と同等以上のＤの含有比率を有する水素ガスが得られる。特に、原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率が９０［ａｔｏｍ％Ｄ］以上であると、水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率が９０［ａｔｏｍ％Ｄ］以上である水素ガスが得られるため好ましい。水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率の上限は特に限定されず、水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率は１００．００［ａｔｏｍ％Ｄ］以下であり得る。既述のとおり、工業的な観点から、原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率の上限は９９．９８［ａｔｏｍ％Ｄ］であり、この場合には、得られる水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率は９９．９８［ａｔｏｍ％Ｄ］以上となり得る。また、水素ガスは、半重水素ガス（ＨＤ）を一部含んでいてもよく、半重水に含まれるＤも上記含有比率に含まれる。なお、水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率は、原料水と同様にして求めることができる。

　なお、本発明に記載されていない工程及び条件については定法を使用することができる。

　［実施例１］
　図２と同様の構成の装置を用いて、初めに電気分解装置内にＤの含有比率が９９．８４ａｔｏｍ％Ｄである原料水（重水素濃縮水）を９４０ｇ投入し、１回目の装置運転を開始した。運転開始から６時間後に、貯留器に貯留した水素ガスのＤの含有比率を測定すると、９９．８１ａｔｏｍ％Ｄであった。この時、電気分解装置内には４００ｇの原料水が残留しており、残留していた原料水におけるＤの含有比率は９９．９２ａｔｏｍ％Ｄであった。

　次に、第１タンクからＤの含有比率が９９．８４ａｔｏｍ％Ｄである原料水５４０ｇを投入して電気分解装置内の原料水におけるＤの含有比率を９９．８７ａｔｏｍ％Ｄとし、２回目の装置運転を開始し水素ガスを発生させた。運転開始から６時間後に貯留器に貯留した水素ガスのＤの含有比率を測定すると９９．８３ａｔｏｍ％Ｄであった。この時、電気分解装置内には４００ｇの原料水が残留しており、残留していた原料水におけるＤの含有比率は９９．９５ａｔｏｍ％Ｄであった。

　そこで、同様に第１タンクからＤの含有比率が９９．８４ａｔｏｍ％Ｄである原料水５４０ｇを投入して電気分解装置内の原料水におけるＤの含有比率を９９．８８ａｔｏｍ％Ｄとし、３回目の装置運転を開始し水素ガスを発生させた。運転開始から６時間後に貯留器に貯留した水素ガスのＤの含有比率を測定すると９９．８４ａｔｏｍ％Ｄであった。この時、電気分解装置内には４００ｇの原料水が残留しており、残留していた原料水におけるＤの含有比率は９９．９５ａｔｏｍ％Ｄであった。

　さらに、同様に第１タンクからＤの含有比率が９９．８４ａｔｏｍ％Ｄである原料水５４０ｇを投入して電気分解装置内の原料水におけるＤの含有比率を９９．８８ａｔｏｍ％Ｄとし、４回目の装置運転を開始し水素ガスを発生させた。運転開始から６時間後に貯留器に貯留した水素ガスのＤの含有比率を測定すると９９．８５ａｔｏｍ％Ｄであった。この時、電気分解装置内には４００ｇの原料水が残留しており、残留していた原料水におけるＤの含有比率は９９．９５ａｔｏｍ％Ｄであった。表１に各測定結果を示す。

　電気分解装置より発生した水素ガスに対する、貯留器での原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率と同等以上のＤの含有比率を有する水素ガスとしての回収率は≧９９％となった。なお、回収率は以下のようにして計算した。
回収率［％］＝（貯留器での水素ガス回収量［Ｌ］／電気分解装置より発生した水素ガス総量［Ｌ］）×１００［％］

　［実施例２］
　図３と同様の構成の装置を用いて、初めに電気分解装置内にＤの含有比率が９９．８４ａｔｏｍ％Ｄである原料水（重水素濃縮水）１００ｇを投入し、１回目の装置運転を開始した。運転開始から１時間後に、貯留器に貯留した水素ガスのＤの含有比率を測定すると、９９．８３ａｔｏｍ％Ｄであった。この時、電気分解装置内には１２ｇの原料水が残留しており、残留していた原料水におけるＤの含有比率は９９．９７ａｔｏｍ％Ｄであった。

　次に、第１タンクからＤの含有比率が９９．８４ａｔｏｍ％Ｄである原料水８８ｇを投入して電気分解装置内の原料水におけるＤの含有比率を９９．８５ａｔｏｍ％Ｄとし、２回目の装置運転を開始し水素ガスを発生させた。運転開始から１時間後に貯留器に貯留した水素ガスのＤの含有比率を測定すると９９．８４ａｔｏｍ％Ｄであった。この時、電気分解装置内には１２ｇの原料水が残留しており、残留していた原料水におけるＤの含有比率は９９．９７ａｔｏｍ％Ｄであった。

　そこで、同様に第１タンクからＤの含有比率が９９．８４ａｔｏｍ％Ｄである原料水８８ｇを投入して電気分解装置内の原料水におけるＤの含有比率を９９．８５ａｔｏｍ％Ｄとし、３回目の装置運転を開始し水素ガスを発生させた。運転開始から１時間後に貯留器に貯留した水素ガスのＤの含有比率を測定すると９９．８５ａｔｏｍ％Ｄであった。この時、電気分解装置内には１２ｇの原料水が残留しており、残留していた原料水におけるＤの含有比率は９９．９７ａｔｏｍ％Ｄであった。表２に各測定結果を示す。

　実施例１と同様に、回収率を計算した。電気分解装置より発生した水素ガスに対する、貯留器での原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率と同等以上のＤの含有比率を有する水素ガスとしての回収率は≧９９％となった。

　［比較例１］
　実施例１で使用した装置のうち、第１タンクと貯留器を用いずに、電気分解装置を用いてＤの含有比率が９９．８４ａｔｏｍ％Ｄである原料水（重水素濃縮水）の電気分解を行った。発生した水素ガスを定期的にサンプリングして、Ｄの含有比率を測定した。図４に、電気分解装置の運転時間に対して得られた水素ガス中の全水素原子に占めるＤの含有比率を示す。その結果、発生した水素ガスのＤの含有比率が原料水におけるＤの含有比率である９９．８４ａｔｏｍ％Ｄに到達するまで３．８時間以上の運転が必要であった。すなわち、貯留器を使用しない場合は、Ｄの含有比率が９９．８４ａｔｏｍ％Ｄである水素ガスを得るためには、到達するまでの３．８時間分の水素ガスは廃棄する必要がある。３．８時間分の水素ガスを廃棄したと仮定して、実施例１と同様に回収率を計算すると、貯留器での原料水中の全水素原子に占めるＤの含有比率と同等以上のＤの含有比率を有する水素ガスとしての回収率は３７％となった。

　１００　　水素ガス製造システム
　１０２　　フロー式電気分解装置を有する水素ガス製造システム
　１０４　　バッチ式電気分解装置を有する水素ガス製造システム
　　１０　　第１タンク
　　２０　　送液装置
　　３０　　電気分解装置
　　３０Ａ　フロー式電気分解装置
　　３０Ｂ　バッチ式電気分解装置
　　３２　　第２タンク
　　３４　　送液配管
　　３６　　返送配管
　　３８　　循環装置
　　４０　　送気装置
　　５０　　貯留器
　　６０　　配管
　　６２　　配管
　　６４　　配管
　　６６　　配管
　　６８　　配管
　　８０　　フロー式電気分解セル
　　８２　　陽極室
　　８４　　陰極室
　　８６　　イオン交換膜
　　９０　　バッチ式電気分解セル
　　９２　　陽極
　　９４　　陰極
　　９６　　原料水

Claims

　重水を含む原料水を収容する第１タンクと、
　前記原料水を電気分解して水素ガスを発生させる電気分解装置と、
　前記水素ガスを貯留する貯留器と、
　前記原料水を前記第１タンクから前記電気分解装置に送液する送液装置と、
　前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを前記貯留器に送気する送気装置と、
を有し、
　前記送液装置が、前記電気分解装置内に残存する前記原料水の量の減少に伴い、前記第１タンクから前記電気分解装置に前記原料水を補充するように制御され、
　前記送気装置が、前記補充の前後にわたり継続的に、前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを前記貯留器に送気するように制御され、前記貯留器が、前記補充の前後にわたり前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを貯留することを特徴とする水素ガス製造システム。
　前記電気分解装置が、
　　陽極を収容する陽極室と陰極を収容する陰極室とがイオン交換膜を介して隣り合う電気分解セルと、
　　前記第１タンクから供給される前記原料水を収容する第２タンクと、
　　前記第２タンクと前記陽極室とを連結し、前記第２タンクから前記陽極室に前記原料水を供給するための送液配管と、
　前記陽極室と前記第２タンクとを連結し、前記陽極室から前記第２タンクに前記原料水を返送するための返送配管と、
　　前記送液配管及び前記返送配管を介して、前記第２タンクと前記陽極室との間で前記原料水を循環させる循環装置と、
を有する、請求項１に記載の水素ガス製造システム。
　重水を含む原料水を第１タンクに収容する工程と、
　前記原料水を前記第１タンクから電気分解装置に送液する工程と、
　前記電気分解装置にて前記原料水を電気分解して水素ガスを発生させる電気分解工程と、
　前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを貯留器に送気する工程と、
を有し、
　前記電気分解装置内に残存する前記原料水の量の減少に伴い、前記第１タンクから前記電気分解装置に前記原料水を補充し、
　前記補充の前後にわたり継続的に、前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを前記貯留器に送気し、前記貯留器が、前記補充の前後にわたり前記電気分解装置で発生した前記水素ガスを貯留することを特徴とする水素ガス製造方法。
　前記電気分解装置が、陽極を収容する陽極室と陰極を収容する陰極室とがイオン交換膜を介して隣り合う電気分解セルと、前記第１タンクから供給される前記原料水を収容する第２タンクと、を有し、
　前記電気分解工程では、前記第２タンクと前記陽極室とを連結する送液配管を介して、前記第２タンクから前記陽極室に前記原料水を供給しつつ、前記陽極室と前記第２タンクとを連結する返送配管を介して、前記陽極室から前記第２タンクに前記原料水を返送することで、前記送液配管及び前記返送配管を介して、前記第２タンクと前記陽極室との間で前記原料水を循環させる、請求項３に記載の水素ガス製造方法。