(57)【要約】本発明では、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から水素を精製して得る水素精製装置、並びにその使用方法を提供する。本発明の水素精製装置は、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体が流通する、混合流体流路；混合流体流路に隣接しており、且つ気体水素及び気体酸素を含有する混合気体が流通する、第１の気体流路；第１の気体流路に隣接しており、且つ気体水素又は酸素が流通する、第２の気体流路；混合流体流路と第１の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ混合流体流路の混合流体から混合気体を分離して、第１の気体流路に提供する、気液分離膜；並びに第１の気体流路と第２の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ第１の気体流路の混合気体から気体水素又は酸素を分離して、第２の気体流路に提供する、水素又は酸素分離膜を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体が流通する、混合流体流路；
前記混合流体流路に隣接しており、且つ気体水素及び気体酸素を含有する混合気体が流通する、第１の気体流路；
前記第１の気体流路に隣接しており、且つ気体水素又は酸素が流通する、第２の気体流路；
前記混合流体流路と前記第１の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ前記混合流体流路の混合流体から前記混合気体を分離して、前記第１の気体流路に提供する、気液分離膜；並びに
前記第１の気体流路と前記第２の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ前記第１の気体流路の混合気体から気体水素又は酸素を分離して、前記第２の気体流路に提供する、水素又は酸素分離膜；
を有する、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から水素を精製して得る水素精製装置。
【請求項２】
前記気液分離膜の少なくとも一部が、前記混合流体流路の鉛直上方の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ
前記混合流体流路が、前記混合流体流路の鉛直上方の壁面から下方に延在する混合気体捕集部材を有し、それによって前記混合気体捕集部材が、前記混合流体流路を流通する前記混合流体から、前記混合気体を捕集して、前記気液分離膜に接触させるようにされている、
請求項１に記載の水素精製装置。
【請求項３】
前記混合流体流路が、前記混合流体を撹拌する撹拌機構を有する、請求項１又は２に記載の水素精製装置。
【請求項４】
前記混合流体流路の圧力が、前記第１の気体流路の圧力よりも大きく、且つ前記第１の気体流路の圧力が、第２の気体流路の圧力よりも大きい、請求項１〜３のいずれかに記載の水素精製装置。
【請求項５】
前記気液分離膜の少なくとも一部が、前記混合流体流路の鉛直上方の壁面の少なくとも一部を構成している、請求項１〜４のいずれかに記載の水素精製装置。
【請求項６】
前記混合流体を、前記混合流体流路に供給すること、
前記混合流体流路の前記混合流体のうちの前記気体水素及び気体酸素を、前記気液分離膜によって分離して前記第１の気体流路に提供して、前記混合気体とすること、そして
前記第１の気体流路の前記混合気体のうちの水素を、前記水素分離膜によって分離して第２の気体流路に提供して、精製された水素を前記第２の気体流路から得ること、又は前記第１の気体流路の前記混合気体のうちの酸素を、前記酸素分離膜によって分離して第２の気体流路に提供して、精製された水素を前記第１の気体流路から得ること
を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の水素精製装置を用いて気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から水素を精製する方法。
【請求項７】
水を分解して、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体を得ること、及び
請求項６に記載の方法によって、前記混合流体から水素を精製すること、
を含む、水から水素を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から水素を精製して得る水素精製装置、特に液体水中に気体水素及び気体酸素の気泡を含有する混合流体から水素を精製して得る水素精製装置に関する。また、本発明は、この水素精製装置を使用して水素を精製及び製造する方法に関する。
〈関連技術〉【０００２】
近年、クリーンエネルギーである水素をエネルギー源として用いることが多く提案されている。【０００３】
水素の製造のためには、炭化水素燃料を用いた水蒸気改質が一般的に行われている。また、近年では、水の分解、特に太陽光エネルギーを用いる水の分解によって、水から水素を得ることも考慮されている。水の分解によって水素を得る場合、得られる生成物は、水素、酸素及び水の混合物となることがある。この場合、水素を得るためには、この混合物から水素のみを分離して取り出す必要がある。【０００４】
このような水素、酸素及び水の混合物からの水素の分離に関して、特開２００４−３５３５６及び特開２００４−２９２２８４では、水素のみを選択的に透過させる水素分離膜を用いることを提案している。なお、特開２００８−２０７９６９では、炭化水素燃料を用いる水蒸気改質によって得た混合ガスからの水素の分離のために、水素分離膜を用いることを提案している。
【発明の概要】
【０００５】
本発明では、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から水素を効率的に精製して得る水素精製装置を提供する。また、本発明では、この水素精製装置を使用して水素を精製及び製造する方法を提供する。
【０００６】
本発明の水素精製装置は、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体が流通する、混合流体流路；混合流体流路に隣接しており、且つ気体水素及び気体酸素を含有する混合気体が流通する、第１の気体流路；第１の気体流路に隣接しており、且つ気体水素又は酸素が流通する、第２の気体流路；混合流体流路と第１の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ混合流体流路の混合流体から混合気体を分離して、第１の気体流路に提供する、気液分離膜；並びに第１の気体流路と第２の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ第１の気体流路の混合気体から気体水素又は酸素を分離して、第２の気体流路に提供する、水素又は酸素分離膜を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
図１は、本発明の水素精製装置の第１の態様を説明する図である。
図２は、本発明の水素精製装置の第２の態様を説明する図である。
図３は、本発明の水素精製装置の混合流体流路の例を示す図である。
図４は、本発明の水素精製装置の混合流体流路の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の水素精製装置は、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から水素を精製して得るために用いられるものである。より具体的には、本発明の水素精製装置では、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から、気液分離膜によって気体水素及び気体酸素を含有する混合気体を分離し、そしてこの混合気体から、水素又は酸素分離膜によって水素又は酸素を分離して、水素を得るものである。ここで、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体は例えば、水を分解すること、特に水を電気分解することによって得ることができ、またこの混合流体は例えば、液体水中に気体水素及び気体酸素の気泡を含有している。
【０００９】
この本発明の水素精製装置によれば、水素又は酸素分離膜によって、気体水素及び気体酸素を含有する混合気体から水素又は酸素を分離する前に、気液分離膜によって、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から液体水を分離しておくことができる。これによれば、水素又は酸素分離膜上に水の被膜が形成されることを抑制でき、それによって水素又は酸素分離膜上の水の被膜による水素又は酸素分離効率の低下を抑制できる。
【００１０】
気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体においては、比重の差によって、気体水素及び気体酸素が鉛直上方に比較的多く存在する。したがって、気液分離膜の少なくとも一部が、混合流体流路の鉛直上方の壁面の少なくとも一部を構成していることは、気液分離膜による混合気体の分離を促進するために好ましい。
【００１１】
本発明の水素精製装置によって水素の分離を達成するためには、混合流体流路の圧力が、第１の気体流路の圧力よりも大きく、且つ第１の気体流路の圧力が、第２の気体流路の圧力よりも大きくなるようにすることができる。具体的な圧力は、本発明の水素精製装置の作動温度、使用する膜の分離性能及び強度等に依存するが、例えば混合流体流路の圧力を１気圧以上とし、第１の気体流路の圧力を１気圧未満であって０．０１気圧以上とし、且つ水素又は酸素分離膜によって分離する水素又は酸素の第２の気体流路における分圧を、水素又は酸素の第１の気体流路における分圧よりも小さい圧力とすることが特に好ましい。
【００１２】
また、本発明の水素精製装置による水素の精製の前に、他の装置によって、混合流体から水素及び／又は酸素の一部を予め取り出しておくことができる。また更に、本発明の水素精製装置による水素の精製の後で、他の装置によって、混合流体から残部の水素及び／又は酸素の一部を取り出すこともできる。この場合の他の水素精製装置としては、重力や遠心力等を利用した容器式の気液分離装置を挙げることができる。
【００１３】
なお、本発明の水素精製装置、及び随意の他の装置で処理した後の混合流体は、実質的に水からなっており、したがって廃棄すること、及び／又は再度分解して気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体にすることができる。
【００１４】
本発明において用いられる「気液分離膜」としては、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から、気体成分である気体水素及び気体酸素を選択的に透過させることができる任意の膜を用いることができる。ここで、気体水素及び気体酸素の透過量と液体水の透過量とのモル比｛（Ｈ２＋Ｏ２）／Ｈ２Ｏ｝は例えば、操作温度において２以上、１０以上、５０以上、１００以上、又は１，０００以上であってよい。
【００１５】
このような気液分離膜としては多くのものが知られており、例えば多孔質セラミック体に撥水性のコーティングを行ったものを用いることができる。また、多孔質セラミック体や金属メッシュ等の通気性の支持体を気液分離膜に積層して用いることが、強度に関して好ましいことがある。
【００１６】
本発明において用いられる「水素分離膜」としては、気体水素及び気体酸素を含有する混合気体から、酸素よりも水素を優先的に透過させることができる任意の膜を用いることができる。ここで、水素の透過量と酸素の透過量とのモル比（Ｈ２／Ｏ２）は例えば、操作温度において２以上、１０以上、５０以上、１００以上、又は１，０００以上であってよい。
【００１７】
このような水素分離膜としては多くのものが知られており、例えば特開２００８−０５５２９５、特開２００２−１２８５１２、特開２００４−００８９７１、特開２００５−３１９３８３、特開２００６−２９０６８６号公報等を参照することができる。また、多孔質セラミック体や金属メッシュ等の通気性の支持体を水素分離膜に積層して用いることが、強度に関して好ましいことがある。
【００１８】
本発明において用いられる「酸素分離膜」としては、気体水素及び気体酸素を含有する混合気体から、水素よりも酸素を優先的に透過させることができる任意の膜を用いることができる。ここで、酸素の透過量と水素の透過量とのモル比（Ｏ２／Ｈ２）は例えば、操作温度において２以上、１０以上、５０以上、１００以上、又は１，０００以上であってよい。
【００１９】
このような酸素分離膜としては多くのものが知られており、例えば特開２００８−０６２１８８号公報等を参照することができる。具体的な酸素分離膜としては、ＣａＴｉＯ３のような酸素イオンと電子の混合伝導体を有する複合酸化物からなる酸素分離膜を用いることができる。また、多孔質セラミック体や金属メッシュ等の通気性の支持体を酸素分離膜に積層して用いることが、強度に関して好ましいことがある。
【００２０】
（水素精製装置の第１の態様）
本発明の水素精製装置は、第１の態様において、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体が流通する、混合流体流路；混合流体流路に隣接しており、且つ気体水素及び気体酸素を含有する混合気体が流通する、第１の気体流路；第１の気体流路に隣接しており、且つ気体水素が流通する、第２の気体流路；混合流体流路と第１の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ混合流体流路の混合流体から混合気体を分離して、第１の気体流路に提供する、気液分離膜；及び第１の気体流路と第２の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ第１の気体流路の混合気体から気体水素を分離して、第２の気体流路に提供する、水素分離膜を有する。
【００２１】
本発明の水素精製装置の第１の態様を用いて、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から水素を精製して得る場合、例えば図１で示すように、この混合流体（Ｈ２＋Ｏ２＋Ｈ２Ｏ）を、混合流体流路（１２）に供給し、この混合流体の気体成分（Ｈ２＋Ｏ２）を、混合流体流路と第１の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成している気液分離膜（１３）によって分離して、第１の気体流路（１４）に提供して、気体水素及び気体酸素を含有する混合気体（Ｈ２＋Ｏ２）とし、そしてこの混合気体（Ｈ２＋Ｏ２）のうちの水素を、第１の気体流路と第２の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成している水素分離膜（１５）によって分離して、第２の気体流路（１６）に提供する。
【００２２】
この態様では、水素は、第２の気体流路（１６）から得ることができる。なお、第１の気体流路（１４）から得られる画分は、比較的多量の酸素を含有する画分として、廃棄すること、再循環させて更に水素を取り出すこと、他の用途に利用すること等ができる。
【００２３】
この第１の態様は、酸素と水素とを分離する水素分離膜を透過した気体成分を水素として回収することによって、得られた水素に混入する酸素の量を少なくすることが容易である点で好ましい。
【００２４】
（水素精製装置の第２の態様）
本発明の水素精製装置の第２の態様では、第１の態様の水素分離膜の代わりに、酸素分離膜を用いている。ここでこの酸素分離膜は、第１の気体流路の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ第１の気体流路の混合気体から気体酸素を分離して、第２の気体流路に提供する。
【００２５】
この本発明の水素精製装置の第２の態様を用いて、気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体から水素を精製して得る場合、例えば図２で示すように、この混合流体（Ｈ２＋Ｏ２＋Ｈ２Ｏ）を、混合流体流路（２２）に供給し、この混合流体の気体成分（Ｈ２＋Ｏ２）を、混合流体流路と第１の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成している気液分離膜（２３）によって分離して、第１の気体流路（２４）に提供して、気体水素及び気体酸素を含有する混合気体（Ｈ２＋Ｏ２）とし、そしてこの混合気体（Ｈ２＋Ｏ２）のうちの酸素を、第１の気体流路と第２の気体流路との間の壁面の少なくとも一部を構成している酸素分離膜（２５）によって分離して、第２の気体流路（２６）に提供する。
【００２６】
この態様では、水素は、第１の気体流路（２４）から得ることができる。なお、第２の気体流路（２６）から得られる画分は、比較的多量の酸素を含有する画分として、廃棄すること、再循環させて更に水素を取り出すこと、他の用途に利用すること等ができる。
【００２７】
気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体が水の分解によって得られている場合、理論的な水素と酸素のモル比は２：１となる。したがって、この第２の態様は、酸素と水素とを分離する気体分離膜を透過させなければならない気体の量を比較的少なくできる点で好ましい。
【００２８】
（分離促進機構）
本発明の水素精製装置の混合流体流路は、液体水からの気体水素及び気体酸素の分離を促進するための分離促進機構を有することができる。このような分離促進機構としては、例えば、図３及び図４に示すような機構を挙げることができる。
【００２９】
図３に示す水素精製装置では、気液分離膜（１３）の少なくとも一部が、混合流体流路（１２）の鉛直上方の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ混合流体流路（１２）が、混合流体流路の鉛直上方の壁面から下方に延在する混合気体捕集部材（５１）を有し、それによって混合気体捕集部材（５１）が、混合流体流路を流通する混合流体から、水素及び酸素を含有する混合気体、特にこの混合気体の気泡（４２）を捕集して、気液分離膜（１３）に接触させるようにされている。
【００３０】
この図３に示すような水素精製装置によれば、混合流体流路を流れる混合流体に含有される混合気体、特に混合気体の気泡を気体捕集部材によって保持して、気液分離膜と気体水素及び気体酸素との接触を確実にし、それによって気液分離膜による混合流体からの気体水素及び気体酸素の分離を促進することができる。
【００３１】
この混合気体捕集部材は特に、混合流体に含有される混合気体の捕集を促進するために、図３に示すように、混合流体流路中の混合流体の流れの方向に向かって斜め下方に延在していてよい。また、この混合気体捕集部材は特に、混合流体流路中の混合流体の流れの方向に対して略垂直に又は流れの方向に沿って斜め下方に延在していてよい。
【００３２】
図４に示す水素精製装置では、混合流体流路が、混合流体を撹拌する撹拌機構（６１）を有する。
【００３３】
混合流体を撹拌する撹拌機構を有する水素精製装置によれば、例えば図４に示すように、混合流体流路（１２）を流れる混合流体に含有される混合気体の気泡（４２）と気液分離膜（１３）との接触を促進し、それによって気液分離膜による混合流体からの混合気体の分離を促進することができる。また、この図４に示すような水素精製装置によれば、混合流体に含有される複数の気泡を結合させて、比較的大きい気泡にすることを促進できる。
【００３４】
この撹拌機構は特に、混合流体に含有される混合気体の気泡（４２）と気液分離膜（１３）との接触を促進するために、図４の矢印（６２）で示すように、混合流体流路中の混合流体を気液分離膜（１３）に向けて流すことができるものであってよい。
【００３５】
（混合流体）
本発明の水素精製装置に供給される混合流体、すなわち気体水素、気体酸素及び液体水を含有する混合流体は、任意の方法で得られた混合流体であってよい。したがって例えば、この混合流体は、水の分解、特に水の直接熱分解、熱化学分解、又は光触媒分解によって得られた混合流体であってよい。これらの水の分解については、以下で説明する。
【００３６】
水の直接熱分解は、水を分解して水素と酸素とを得るための最も基本的な方法であり、数千℃の高温下で直接に水を水素と酸素とに分解する方法である。この反応は本来、数千℃の温度を必要とするが、触媒を利用することによって２，０００℃前後の温度で達成することができる。
【００３７】
水の熱化学分解法は、化学反応を組み合わせることによって直接熱分解の場合よりも低い温度で水の分解を行わせる方法である。熱化学分解法、特に金属と金属酸化物との間の酸化還元反応を用いる熱化学分解法、又は酸化状態の異なる金属酸化物間の酸化還元反応を用いる熱化学分解法は、スケールアップ可能であり、実用化の目処も立ちつつある。
【００３８】
金属と金属酸化物との間の酸化還元反応を用いる熱化学分解法としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）等の金属とその金属酸化物との間の酸化還元反応を利用する方法が知られている。また、酸化状態の異なる酸化金属間の酸化還元反応を用いる熱化学分解法としては、異なる酸化状態の酸化鉄の酸化還元反応を利用する方法が知られている。また、他の熱化学分解法としては、Ｉ−Ｓ（ヨウ素−イオウ）サイクル法と呼ばれる方法が知られている。
【００３９】
水の光触媒分解法は、水に接触している酸化チタン等の光触媒に光を照射することによって、水を水素と酸素とに分解する方法である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2013021508.tif 000007
2013021508.tif 000008
2013021508.tif 000009
2013021508.tif 000010