(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水電解を利用して水素ガスを生成する水電解部と、
該水電解部によって生成された水素ガスを取り出す水素ガス配管と、
該水素ガス配管に介挿された脱酸素触媒部と、
該脱酸素触媒部に熱量を供給する熱量供給部とを備えていることを特徴とする水電解生成ガス純化システム。
【請求項２】
前記熱量供給部は、前記水電解部によって水電解を行った際に発生する熱量を前記脱酸素触媒部に供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の水電解生成ガス純化システム。
【請求項３】
前記水電解部は、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルと、前記電解セルに供給すべき純水を貯留する純水タンクと、前記純水タンクから前記電解セルに向かって純水を供給する供給ライン、及び前記電解セルに供給された純水のうち，水電解されなかった純水を前記純水タンクへ戻す排出ラインを有する循環ラインとを備え、前記電解セル，純水タンク及び循環ラインによって閉回路が形成されており、
前記熱量供給部は、前記閉回路を循環する純水が有する熱量を、前記脱酸素触媒部に供給し得るように構成されている請求項１又は２に記載の水電解生成ガス純化システム。
【請求項４】
前記熱量供給部は、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱酸素触媒部の近傍を通って該閉回路へ戻す熱量供給ラインを備えていることを特徴とする請求項３に記載の水電解生成ガス純化システム。
【請求項５】
水電解を利用して酸素ガスを生成する水電解部と、
該水電解部によって生成された酸素ガスを取り出す酸素ガス配管と、
該酸素ガス配管に介挿された脱水素触媒部と、
該脱水素触媒部に熱量を供給する熱量供給部とを備えていることを特徴とする水電解生成ガス純化システム。
【請求項６】
前記熱量供給部は、前記水電解部によって水電解を行った際に発生する熱量を前記脱水素触媒部に供給するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の水電解生成ガス純化システム。
【請求項７】
前記水電解部は、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルと、前記電解セルに供給すべき純水を貯留する純水タンクと、前記純水タンクから前記電解セルに向かって純水を供給する供給ライン、及び前記電解セルに供給された純水のうち，水電解されなかった純水を前記純水タンクへ戻す排出ラインを有する循環ラインとを備え、前記電解セル，純水タンク及び循環ラインによって閉回路が形成されており、
前記熱量供給部は、前記閉回路を循環する純水が有する熱量を、前記脱水素触媒部に供給し得るように構成されている請求項５又は６に記載の水電解生成ガス純化システム。
【請求項８】
前記熱量供給部は、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱水素触媒部の近傍を通って該閉回路へ戻す熱量供給ラインを備えていることを特徴とする請求項７に記載の水電解生成ガス純化システム。
【請求項９】
水電解を利用して生成された水素ガス及び酸素ガスの取り出す水素ガス配管及び酸素ガス配管に、それぞれ、脱酸素触媒部及び脱水素触媒部を介挿し、
前記脱酸素触媒部及び脱水素触媒部に、前記水電解時に生成する熱量を供給するようにしたことを特徴とする水電解生成ガス純化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水電解作用を利用して高純度な水素ガス及び／又は酸素ガスを生成する水電解生成ガス純化システム及び純化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、水電解作用を利用して水素ガス及び／又は酸素ガスを生成する方法が知られている。斯かる水素／酸素生成方法は、高純度の酸素や水素を使用の都度製造でき、ボンベやコールドエバポレータ等の貯留手段での保管の必要がなく、安全面の向上等を図り得る為に、広く利用されている。
例えば、固体高分子電解質膜等のイオン交換膜によって陽極室及び陰極室を画してなる電解セルを用いて水素ガス及び／又は酸素ガスを生成する方法が広く利用されているが、斯かる方法においては、陽極室で生成される酸素ガスの一部が前記イオン交換膜を通過して陰極室へ入り込む可能性がある。斯かる酸素ガスは陰極室で生成される水素ガスに対する不純物となる。同様に、陰極室で生成される水素ガスの一部が前記イオン交換膜を通過して陽極室に入り込む可能性がある。斯かる水素ガスは陽極室で生成される酸素ガスに対する不純物となる。
【０００３】
このような生成ガス中の不純物を取り除く為に、特許第２７３５７２３号公報には、前記水素ガス中の酸素不純物及び／又は酸素ガス中の水素不純物を除去すべく、陰極室から水素ガスを取り出す水素ガス配管及び／又は陽極室から酸素ガスを取り出す酸素ガス配管中に、触媒を備えた純化器を備えることが記載されている。
【０００４】
しかしながら、近年、水電解を利用して生成した水素ガスを半導体産業や、さらには、最近、注目を集めている燃料電池分野に適用する試みが行われており、より高純度な水素ガス及び／又は酸素ガスの必要性が高まっている。このような要求に応えるためには、単に、水素ガス配管及び／又は酸素ガス配管中に触媒を備えるだけでは、前記要求に応えることが困難である。
【０００５】
特に、本件発明者は、前記イオン交換膜として、白金系電解触媒をホットプレスしてなる固体高分子電解質膜を用いた場合、白金系電解触媒を無電解メッキしてなる固体高分子電解質膜を用いた場合に比して、電解電圧を低く抑えることができ、ランニングコストを低廉化させることが可能であるが、その一方、水素ガス中の酸素不純物、及び／又は酸素ガス中の水素不純物が高くなるという問題を発見した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、水電解作用を利用して高純度な水素ガス及び／又は酸素ガスを生成し得る水電解生成ガス純化システム及び純化方法を提供することを一の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成する為に、水電解を利用して水素ガスを生成する水電解部と、該水電解部によって生成された水素ガスを取り出す水素ガス配管と、該水素ガス配管に介挿された脱酸素触媒部と、該脱酸素触媒部に熱量を供給する熱量供給部とを備えた水電解生成ガス純化システムを提供する。
好ましくは、前記熱量供給部は、前記水電解部によって水電解を行った際に発生する熱量を前記脱酸素触媒部に供給するように構成されているものとすることができる。
【０００８】
又、前記水電解部は、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルと、前記電解セルに供給すべき純水を貯留する純水タンクと、前記純水タンクから前記電解セルに向かって純水を供給する供給ライン、及び前記電解セルに供給された純水のうち，水電解されなかった純水を前記純水タンクへ戻す排出ラインを有する循環ラインとを備え、前記電解セル，純水タンク及び循環ラインによって閉回路が形成されており、前記熱量供給部は、前記閉回路を循環する純水が有する熱量を、前記脱酸素触媒部に供給し得るように構成することができる。より好ましくは、前記熱量供給部は、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱酸素触媒部の近傍を通って該閉回路へ戻す熱量供給ラインを備えるものとすることができる。
【０００９】
又、本発明は、前記目的を達成する為に、水電解を利用して酸素ガスを生成する水電解部と、該水電解部によって生成された酸素ガスを取り出す酸素ガス配管と、該酸素ガス配管に介挿された脱水素触媒部と、該脱水素触媒部に熱量を供給する熱量供給部とを備えた水電解生成ガス純化システムを提供する。
好ましくは、前記熱量供給部は、前記水電解部によって水電解を行った際に発生する熱量を前記脱水素触媒部に供給するように構成されているものとすることができる。
【００１０】
又、前記水電解部は、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルと、前記電解セルに供給すべき純水を貯留する純水タンクと、前記純水タンクから前記電解セルに向かって純水を供給する供給ライン、及び前記電解セルに供給された純水のうち，水電解されなかった純水を前記純水タンクへ戻す排出ラインを有する循環ラインとを備え、前記電解セル，純水タンク及び循環ラインによって閉回路が形成されており、前記熱量供給部は、前記閉回路を循環する純水が有する熱量を、前記脱水素触媒部に供給し得るように構成されているものとすることができる。
より好ましくは、前記熱量供給部は、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱水素触媒部の近傍を通って該閉回路へ戻す熱量供給ラインを備えることができる。
【００１１】
さらに、本発明は、前記目的を達成する為に、水電解を利用して生成された水素ガス及び酸素ガスの取り出す水素ガス配管及び酸素ガス配管に、それぞれ、脱酸素触媒部及び脱水素触媒部を介挿し、前記脱酸素触媒部及び脱水素触媒部に、前記水電解時に生成する熱量を供給するように構成された水電解生成ガス純化方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る水電解生成ガス純化システム１の好ましい実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施の形態に係る水電解生成ガス純化システム１のブロック図である。
【００１３】
前記水電解生成ガス純化システム１は、水電解作用を利用して水素ガス／酸素ガスを生成する水電解部１０を備えている。
本実施の形態においては、該水電解部１０は、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルが複数直列に連結されてなる電解モジュール１１と、前記電解モジュール１１に供給すべき純水を貯留する純水タンク１２と、前記純水タンク１２から前記電解モジュール１１への純水の供給路となる供給ライン１３ａ、及び前記電解セル１１に供給された純水のうち，水電解されなかった純水を前記純水タンク１２へ戻す排出ライン１３ｂを有する循環ライン１３とを備え、前記電解モジュール１１，純水タンク１２及び循環ライン１３が閉回路を構成するようになっている。
【００１４】
図１に示すように、前記供給ライン１３ａには、前記閉回路間において純水を循環させるためのポンプ１４と、該閉回路中の純水の水質を維持する為のイオン交換樹脂１５とが介挿されている。なお、図中、符号１６は前記純水タンク１２への純水補給配管、符号１７は前記純水タンク１２からのドレン配管である。
【００１５】
前記水電解生成ガス純化システム１は、さらに、前記水電解部１０によって生成された水素ガス及び酸素ガスをそれぞれ取り出す為の水素ガス配管２０ａ及び酸素ガス配管２０ｂと、該水素ガス配管２０ａ及び酸素ガス配管２０ｂにそれぞれ介挿された脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂと、該脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂにそれぞれ熱量を供給する熱量供給部４０とを備えている。
【００１６】
前記脱酸素触媒部３０ａは、図２に示すように、前記水素ガス配管２０ａに介挿される筒状のハウジング３１ａと、該ハウジング３１ａ内に収容された脱酸素触媒３２ａとを備えており、前記水素ガス配管２０ａを流れる水素ガス中の酸素ガス不純物による水生成反応を促進させ、これにより、水素ガス中から酸素ガス不純物を除去し得るようになっている。前記脱酸素触媒３２ａとしては、例えば、Ｐｄを担持させたＡｌ２Ｏ３を用いることができる。Ａｌ２Ｏ３に対するＰｄの担持量は、例えば、０．３重量％〜０．７重量％、好ましくは、０．５重量％とすることができる。
【００１７】
同様に、前記脱水素触媒部３０ｂは、前記酸素ガス配管２０ｂに介挿される筒状のハウジング３１ｂと、該ハウジング内に収容された脱水素触媒３２ｂとを備えており、前記酸素ガス配管を流れる酸素ガス中の水素ガス不純物による水生成反応を促進させ、これにより、酸素ガス中から水素ガス不純物を除去し得るようになっている。前記脱水素触媒３２ｂとしては、例えば、Ｐｔを担持させたＡｌ２Ｏ３を用いることができる。Ａｌ２Ｏ３に対するＰｔの担持量は、例えば、０．１重量％〜０．３重量％、好ましくは、０．２重量％とすることができる。
【００１８】
前記脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂにおける触媒量は、水素ガス配管２０ａ及び酸素ガス配管２０ｂをそれぞれ流れるガス流量と、各触媒のＳＶ値とにより適宜設定される。
又、前記ハウジング３１ａ，３２ｂは、好ましくは、（収容する触媒の配管長手方向長さＬ）／（該触媒の直径Ｄ）がＬ／Ｄ＝３〜５、より好ましくは、Ｌ／Ｄ＝４となるように形成される。ハウジング３１ａ，３２ｂをこのように構成することによって、水素ガス配管２０ａ及び酸素ガス配管２０ｂを流れる水素ガス及び酸素ガスの圧力損失を有効に抑えつつ、該水素ガス及び酸素ガスと各触媒との接触効率を有効に向上させることができる。
【００１９】
本実施の形態においては、前記電解モジュール１１で生成された酸素ガスは、残余の純水と共に前記排出ライン１３ｂを介して、前記純水タンク１２に戻されるように構成されており、前記酸素ガス配管２０ｂは基端部が前記純水タンク１２の気体領域に接続されている。
好ましくは、前記酸素ガス配管２０ｂには、前記脱水素触媒部３０ｂの前段に、除湿器２１を備えることができる。前記除湿器２１は、酸素ガス配管中の酸素ガスの湿度を低減化させ、前記脱水素触媒３２ｂの表面に水分が付着して該脱水素触媒３２ｂによる触媒作用効率が悪化するのを防止するものである。なお、図１において、符号２５ｂ，２６ｂは酸素ガス配管の後端部から分岐されたガスサンプリングライン及び大気解放ラインであり、各ライン２５ｂ，２６ｂにはそれぞれニードル弁２７が備えられている。
【００２０】
一方、前記水素ガス配管２０ａは、基端部が前記電解モジュール１１における電解セルの陰極室に連通されている。好ましくは、該水素ガス配管２０ａには、前記脱酸素触媒部３０ａの前段部に、気液分離タンク２３，フィルター２２び除湿器２１を備えることができる。該気液分離タンク２３は、水素ガス配管２０ａ中の水素ガスと水とを分離するものである。又、該除湿器２１は、前記脱酸素触媒部３０ａの触媒作用の悪化を防止する為に備えられる。なお、図１において、符号２５ａ，２６ａは水素ガス配管２０ａの後端部から分岐されたガスサンプリングライン及び大気解放ラインであり、各ライン２５ａ，２６ａにはそれぞれニードル弁２７が備えられている。
【００２１】
本実施の形態において、前記熱量供給部は、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱酸素触媒部及び前記脱水素触媒部の近傍を通過させて、該閉回路へ戻す熱量供給配管４１を備えている。
図２に示すように、前記熱量供給配管４１は、一部が前記脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂのハウジング３１ａ，３１ｂの外周に巻き回され、これにより、前記閉回路から取り出された純水が前記脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂの近傍を通過するようになっている。
【００２２】
斯かる構成を備えた水電解生成ガス純化システム１においては、以下の効果を奏する。即ち、前記水素ガス配管２０ａ及び酸素ガス配管２０ｂに、それぞれ、脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂを介挿させ、さらに、該脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂに熱量を供給するように構成したので、前記脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂによる水生成反応が促進され、結果的に、高純度な水素ガス及び酸素ガスを得ることができる。
特に、水電解部１０が白金系電解触媒をホットプレスしてなる固体高分子電解質膜を用いた場合、白金系電解触媒を無電解メッキしてなる固体高分子電解質膜を用いた場合に比して、電解電圧を低く抑えることができ、ランニングコストを低廉化させ得る一方、水素ガス中の酸素不純物、及び／又は酸素ガス中の水素不純物が高くなるが、本実施の形態においては、ホットプレス法による固体高分子電解質を用いた場合であっても斯かる不純物を有効に除去して、高純度の水素ガス及び／又は酸素ガスを得ることができる。
なお、本実施の形態が有効に適用され得る固体高分子電解質膜としては、前記ホットプレス法の他に、化学メッキ法やマグネトロンスパッタ法が例示される。又、好ましくは、前記両触媒部３０ａ，３０ｂに、生成された水を排出するドレン機構を備えることができる。斯かるドレン機構を備えることによって、該水生成ガス純化システムを長時間に亘って有効に作動させることができる。
【００２３】
さらに、本実施の形態においては、前記閉回路から純水を取り出し、前記脱酸素触媒部３０ａ及び前記脱水素触媒部３０ｂの近傍を通過させて、該閉回路へ戻す熱量供給配管４１により、前記閉回路中の純水が有する熱量を前記脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂに供給すると共に、熱量が奪われて低温となった純水を前記閉回路に戻すように構成しているので、別途、熱源を備えることなく、前記効果を得ることができる。即ち、電解モジュール１１における水電解時や、閉回路に介挿された循環ポンプ１４によって、該閉回路中の純水は高温となる。本実施の形態においては、斯かる閉回路内の純水が有する熱量を、前記脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂに供給しており、従って、別途、熱源を備える必要が無いので、熱量供給部を備えることによるコスト高騰を有効に抑えることができる。好ましくは、前記触媒部近傍を通過させる純水の温度は、５０℃〜６０℃とすることができる。
【００２４】
又、前記閉回路には、通常、純水の水質を保持する為のイオン交換樹脂１５が備えられるが、該イオン交換樹脂１５は処理対象となる純水が高温となると、有効に作用しなくなる。又、電解モジュールに供給される純水の温度が変動すると、電解効率が変動するおそれがある。従って、一般的には、イオン交換樹脂１５の前段部に熱交換器を備え、閉回路中の純水の温度を下降させているが、本実施の形態においては、閉回路中の純水が有する熱量を脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒３０ｂに供給し、低温となった純水を前記閉回路に戻すように構成している為、該閉回路中の純水の温度上昇を有効に抑えることができ、前記熱交換器の小型化又は不要化を図ることができる。
【００２５】
なお、本実施の形態においては、前記閉回路中の純水を温度を下げるべく、前記脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂに熱量を供給した後の純水を、再度、前記閉回路中に戻すように構成したが、前記両触媒部の作用を促進させるという効果のみを得る場合には、触媒部に熱量を供給した後の純水を系外に排出することも可能である。
又、本実施の形態においては、一本の熱量供給配管４１を分岐して、脱酸素触媒部３０ａ及び脱水素触媒部３０ｂに熱量を供給するように構成したが、これに代えて、別体の熱量供給配管によって脱酸素触媒部及び脱水素触媒部にそれぞれ熱量を供給するように構成することも当然に可能である。
【００２６】
【実施例】
以下に、前記実施の形態に係る水電解生成ガス純化システム１を用いた実験結果を示す。
本実施例は、図１に示すフローに基づいて行った。脱酸素触媒部３０ａの触媒としてＰｄを０．５重量％担持させたＡｌ２Ｏ３を用い、脱水素触媒部３０ｂの触媒としてＰｔを０．２重量％担持させたＡｌ２Ｏ３を用いた。又、各触媒は、Ｌ／Ｄ＝４となるように各ハウジング３１ａ，３１ｂに収容させた。
前記水電解部１１におけるイオン交換膜としては、デュポン社のナフィオン（商標）の両面にＰｔ，ＩｒＯ２をホットプレスしたものを用いた。
【００２７】
又、前記水電解部に印加する電流密度は１．４Ａ／ｃｍ２とし、陰極室における水素ガス発生圧力は０．１ＭＰａに設定した。
前記熱量供給配管４１によって両触媒部３０ａ，３０ｂの近傍を通過される純水の温度は、５０℃であった。
前記条件下において、水素ガス配管２０ａの後段のサンプリングライン２５ａにおける酸素ガス不純物量、及び酸素ガス配管２０ｂの後段のサンプリングライン２５ｂにおける水素ガス不純物量を測定した。該測定結果を表１に示す。
【００２８】
又、比較例として、前記実施例と同条件において、脱酸素触媒部及び脱水素触媒部を備えない場合（比較例１）と、脱酸素触媒部及び脱水素触媒部を備えるが、該両触媒部に熱量を供給しない場合（比較例２）とにおける前記酸素ガス不純物量及び水素ガス不純物量を測定した。該測定結果を表１に併せて示す。
【００２９】
【表１】
0003604620.tif 000002
【００３０】
表１から明らかなように、図１に示す水電解生成ガス純化システム１においては、高純度の水素ガス及び酸素ガスを得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係る水電解生成ガス純化システム及び純化方法によれば、水電解を利用して水素ガス及び／又は酸素ガスを生成する水電解部と、該水電解部によって生成された水素ガス及び／又は酸素ガスを取り出す水素ガス配管及び／又は酸素ガス配管と、該水素ガス配管及び／又は酸素ガス配管にそれぞれ介挿された脱酸素触媒部及び／又は脱酸素触媒部と、前記脱酸素触媒部及び／又は脱水素触媒部に熱量を供給する熱量供給部とを備えるようにしたので、前記触媒部が水生成反応を促進し、これにより、前記水素ガス配管及び酸素ガス配管中における酸素ガス不純物及び水素ガス不純物を有効に除去することができる。
【００３２】
さらに、前記水電解部における水電解時に発生する熱量を前記触媒部に供給するように構成すれば、別途、熱源を備える必要がないので、コスト高騰を招くことなく、前記効果を得ることができる。
【００３３】
又、前記水電解部を、固体電解質膜によって陽極室及び陰極室に画された電解セルと、前記電解セルに供給すべき純水を貯留する純水タンクと、前記純水タンクから前記電解セルに向かって純水を供給する供給ライン、及び前記電解セルに供給された純水のうち，水電解されなかった純水を前記純水タンクへ戻す排出ラインを有する循環ラインとを備えるものとし、前記電解セル，純水タンク及び循環ラインによって形成される閉回路中の純水が有する熱量を前記触媒部に供給すると共に、熱量を奪われた純水を前記閉回路に戻すように構成すれば、該閉回路中の純水温度を下げることができ、純水の温度上昇による水電解効率の悪化や、該閉回路中に備えられるイオン交換樹脂の効率悪化を有効に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る水電解生成ガス純化システムの一形態のブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す水電解生成ガス純化システムにおける各触媒部の一部縦断正面図である。
【符号の説明】
１        水電解生成ガス純化システム
１０      水電解部
１１      電解セル（電解モジュール）
１２      純水タンク
１３ａ    供給ライン
１３ｂ    排出ライン
２０ａ    水素ガス配管
２０ｂ    酸素ガス配管
３０ａ    脱酸素触媒部
３０ｂ    脱水素触媒部
４０      熱量供給部
【図１】
0003604620.tif 000003
【図２】
0003604620.tif 000004