(57)【要約】【課題】  水素ガスを得ようとする場合に、水の電気分解に関しては、純度の高い水素ガスが得られる反面、製造コストが高かった。  但し、陰極で水素ガスを発生させる水酸化ナトリウムの水溶液による電気分解の場合には、水素ガスと酸素ガスを混在させた混合ガスとして入手する場合には、比較的安価に入手することが可能であった。【解決手段】  水素ガスの混在している混合ガスが、ガス分離膜８０を通過することでそれぞれの気体が固有に持っているガス分離膜８０の透過するスピードの違いを利用して水素ガスを分離し求めた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスの混在している混合ガスが、ガス分離膜（８０）を通過することでそれぞれの気体が固有に持っている前記ガス分離膜（８０）の透過するスピードの違いを利用して前記水素ガスを分離し求めることを特徴とする水素ガスの製造装置。
【請求項２】
前記混合ガスは水の電気分解装置（２０）によって得られるものであり、酸素ガスを含んだことを特徴とする請求項１に記載の水素ガスの製造装置。
【請求項３】
前記水の電気分解装置（２０）と前記ガス分離膜（８０）の間に、前記混合ガスの圧力を高める増圧弁（６０）を配設したことを特徴とする請求項２に記載の水素ガスの製造装置。
【請求項４】
前記ガス分離膜（８０）の下流に、排出される酸素富化ガス（２０２）の流量を調整する流量調整弁（８１）を配設したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水素ガスの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、水素ガスの製造装置に関する技術であって、更に詳細に述べると、燃料電池等に使用する純度の高い水素ガスを、如何にしたら安定した形で安価に作り出すことが出来るかという技術について述べたものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、水素ガスの製造装置に関する技術としては、水の電気分解によるものや、石炭から得られたコークスによるものや、石油から得られたナフサによるもの等色々な方法があった。【０００３】  その場合、水の電気分解によるものに関しては、水酸化ナトリウムや塩化ナトリウムの水溶液の中に陽極と陰極の２本の電極を入れ直流電流を通じることで、陰極に於いて発生した水素を求めていたのである。【０００４】  また、石炭から得られたコークスによるものに関しては、赤熱したコークスに水蒸気を吹き付けることで、一酸化炭素と水素ガスの混合気体である水性ガスが得られる。  そこで、この水性ガスに水蒸気を加えて、約４００℃に熱した触媒中に通すと、一酸化炭素は酸化されて二酸化炭素となり、それと同時に水素ガスを発生する。  更に、この混合気体を加圧してアルカリ水で洗うと、二酸化炭素は吸収されて水素ガスが得られるのである。【０００５】  一方、石油から得られたナフサによるものに関しては、ナフサを熱分解することで水素ガスが得ているのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  しかしながら、このような従来の水素ガスの製造装置に関しては、以下に示すような課題があった。【０００７】  先ず、水の電気分解に関しては、純度の高い水素ガスが得られる反面、製造コストが高かった。  但し、陰極で水素ガスを発生させる水酸化ナトリウムの水溶液による電気分解の場合には、水素ガスと酸素ガスを混在させた混合ガスとして入手する場合には、比較的安価に入手することが可能であった。【０００８】  一方、石炭から得られたコークスや石油から得られたナフサによるものに関しては、全般的に装置が大型になるという難点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明は、水素ガスの混在している混合ガスが、ガス分離膜８０を通過することでそれぞれの気体が固有に持っている前記ガス分離膜８０の透過するスピードの違いを利用して前記水素ガスを分離し求めることを特徴とし、更には、前記混合ガスは水の電気分解装置２０によって得られるものであり、酸素ガスを含んだことを特徴とし、更には、前記水の電気分解装置２０と前記ガス分離膜８０の間に、前記混合ガスの圧力を高める増圧弁６０を配設したことを特徴とし、更には、前記ガス分離膜８０の下流に、排出される酸素富化ガス２０２の流量を調整する流量調整弁８１を配設したことを特徴とすることによって、上記課題を解決したのである。
【発明の効果】
【００１０】  以上の説明から明らかなように、本発明によって、以下に示すような効果をあげることが出来る。【００１１】  第一に、水素ガスの混在している混合ガスが、特にこの混合ガスが水の電気分解装置によって得られた酸素ガスを含んだものである場合、ガス分離膜を通過することでそれぞれの気体が固有に持っているガス分離膜の透過するスピードの違いを利用して水素ガスを分離し求めることが出来ることで、小形で安価な装置を入手することが可能となり、結果的に安価に水素ガスを作り出す事が可能となった。【００１２】  第二に、ガス分離膜の上流に、混合ガスの圧力を高めることが出来る増圧弁を配設することで、混合ガスの圧力を高めることが容易となり、それによって水素ガスを分離する効率を格段に高めることが可能となった。【００１３】  第三に、ガス分離膜の下流に、排出される酸素富化ガスの流量を調整することが出来る流量調整弁を配設することで、酸素富化ガスの流量を調整することが容易となり、それによって水素ガスの純度を調節し易くなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  以下、本発明の実施の形態を図面と共に詳細に説明する。
ここで、図１は、本発明の全体を示した図であり、図２は、本発明の増圧弁の詳細を示した図である。【００１５】  図１に見られるように、２０は水の電気分解装置であり、白金の陽極板３１と白金の陰極板３２が配線３５によって直流電源３３に接続されている。  この場合には、電解液３９として、水酸化ナトリウムの水溶液を使用している。  但し、電解液３９に関しては、水酸化ナトリウムに限定する必要は無く、硫酸や塩化ナトリウム等の他の水溶液を使用しても構わない。【００１６】  従って、水酸化ナトリウムの水溶液の場合には、ＮａＯＨの電離で生じたＮａ＋とＯＨ−のイオン、および水の電離で生じたＨ＋とＯＨ−のイオンが存在する。  尚、陰極では、Ｎａはイオン化傾向が大きい為に水溶液中では還元されないので、代わりに水の電離で生じたＨ＋が還元され、［数１］に見られるように水素ガスを発生する。  また、陽極では、ＯＨ−が酸化され、［数２］に見られるように酸素ガスを発生する。  結局、２×［数１］＋［数２］で纏めることで、［数３］に見られるように水が電気分解されたことになるのである。【００１７】
【数１】
陰極    ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２↑
【００１８】
【数２】
陽極    ４ＯＨ−  →  ２Ｈ２Ｏ  ＋  Ｏ２↑  ＋  ４ｅ−
【００１９】
【数３】
２Ｈ２Ｏ  →  ２Ｈ２  ＋  Ｏ２
【００２０】  尚、図１に於いては、水の電気分解装置２０で発生した水素ガスと酸素ガスは、混合ガスとして混合ガス配管１０１に送り込まれるようになっているが、厳密に水素ガスと酸素ガスを分けていないような場合の純度が確保されていない水素ガスのみを送り込むことも考えられる。  また、水素ガスと酸素ガスの混合ガスを発生させる装置としては、水の電気分解装置に限定する必要は無く他の装置でも構わない。  更に、混合ガスとして考えた場合、水素ガスと酸素ガスに限定する必要は無く、水素ガスと他のガスを混合したものでも構わない。
【００２１】  ここで、水の電気分解装置２０によって作り出された水素ガスと酸素ガスの混合ガスは、混合ガス配管１０１と、手動によって混合ガスの流れを遮断することが出来る開閉弁２１と、混合ガス配管１０２を経由して、圧力計４２を付設した気体を貯蔵する気体貯蔵タンク４０に一旦貯蔵され、更に混合ガス配管１０３と、手動によって混合ガスの流れを遮断することが出来る開閉弁４１と、混合ガス配管１０４を経由して、気体の圧力を高めることが出来る増圧弁６０に送り込まれるようになっている。
【００２２】  ところで、増圧弁６０を構成している増圧弁本体６２には、圧縮空気を受入れる目的で圧縮空気配管１２１に接続しているＳＵＰポート６２ａと、圧縮空気を排出する目的で圧縮空気配管１２２に接続しているＥＸＨポート６２ｂと、混合ガスを受入れる目的で混合ガス配管１０４に接続しているＩＮポート６２ｃと、増圧した後の高圧の混合ガスを排出する目的で混合ガス配管１０５に接続しているＯＵＴポート６２ｄをそれぞれ形成している。
【００２３】  ここで、図２にみられるように、増圧弁６０は、室イ６２Ａと中央部６２Ｂと室ロ６２Ｃから成る増圧弁本体６２と、ピストンい６３Ａとピストンロッド６３Ｂとピストンろ６３Ｃから成るピストン６３と、ガバナ６４と、切換バルブ６５と、四組のチェック弁６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、６６Ｄによって構成されている。
【００２４】  ここにおいて、増圧弁本体６２の中央部６２Ｂには、真ん中をピストンロッド６３Ｂが摺動可能に形成されていて、ガバナ６４と、切換バルブ６５と、四組のチェック弁６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、６６と、各種の配管がその中に収納されている。
【００２５】  また、ピストン６３は、ピストンい６３Ａが室イ６２Ａの全ストロークを作動するその間に、ピストンろ６３Ｃが室ロ６２Ｃの全ストロークを作動するように配設されているのである。  即ち、室イ６２Ａのストロークと室ロ６２Ｃのストロークが同一に設定されているのである。
【００２６】  更に、ピストンい６３Ａが室イ６２Ａ内を作動する過程で、ピストンい６３Ａは、室イ６２Ａを、ピストンロッド６３Ｂと反対側の駆動室イ６２ＡＡとピストンロッド６３Ｂ側の増圧室イ６２ＡＢの二つの部屋に分けていて、ピストンろ６３Ｃが室ロ６２Ｃを作動する過程で、ピストンろ６３Ｃは、室ロ６２Ｃを、ピストンロッド６３Ｂと反対側の駆動室ロ６２ＣＢとピストンロッド６３Ｂ側の増圧室ロ６２ＣＡの二つの部屋に分けているのである。
【００２７】  尚、図２に示している増圧弁６０は、ピストンい６３Ａの断面積とピストンろ６３Ｃの断面積を等しくしている。  一方、図２には具体的に記載していないが、別の増圧弁６０の構造として考えた場合、ピストンい６３Ａの断面積とピストンろ６３Ｃの断面積を異なるようにして、増圧室イ６２ＡＢを駆動室ロ６２ＣＢとして使用し駆動室ロ６２ＣＢを増圧室イ６２ＡＢとして使用するように各々を入れ替えて、ＩＮポート６２ｃに接続したチェック弁６６ＡとＯＵＴポート６２ｄに接続したチェック弁６６Ｃを増圧室イ６２ＡＢに接続し、ＩＮポート６２ｃに接続したチェック弁６６ＢとＯＵＴポート６２ｄに接続したチェック弁６６Ｄを増圧室ロ６２ＣＡに接続することによって、流量特性を中心に圧力特性や充填特性を変えることが出来るものと考えられるのである。
【００２８】  ところで、増圧弁６０で混合ガスの圧力を高めようとする理由は、混合ガスの圧力を高めることによってこれから説明する下流に設けたガス分離膜８０で、水素ガスを分離する効率を格段に高めることが可能となるからである。
【００２９】  この様にして、増圧弁６０によって増圧された混合ガスは、増圧弁本体６２に形成されたＯＵＴポート６２ｄから、混合ガス配管１０５と、混合ガスから酸素富化ガス２０２を排出するガス分離膜８０を経由することで、高純度の水素ガス２０１を使用することが可能となっているのである。
【００３０】  尚、酸素富化ガス２０２に関しては、ガス分離膜８０の下流に酸素ガス配管１０６を接続し、更に流れて来る酸素富化ガスの流量を調整することが可能な流量調整弁４１と、窒素ガス配管１５５を経由して排出することで可能となっているのである。  ここで、流量調整弁８１は、流れる気体の流量を調整することによって、水素ガス２０１の水素の濃度をある程度調整することが可能となっている。
【００３１】  一方、分離膜８０は、ポリエステル製で孔径３００μ程度の何千ものストロー状の中空糸を一つに束ねたものより構成されたものであり、その中空糸の内部に混合ガス等の各種の気体が混合したものを通すことで、それぞれの気体が固有に持っている中空糸の膜の透過するスピードの違いを利用して、混合している各々の気体を分離することが出来るようになっているのである。
【００３２】  この場合、混合ガスを構成している各気体の成分が、ガス分離膜８０である中空糸の膜に対する（放出という視点から見た）透過量の差を利用して、早く放出する気体と放出しにくい気体がある中で、放出しにくくて残った気体が下流の方に流れていくことになるのである。
【００３３】  特に、中空糸の膜がポリエステル製の場合には、水蒸気が一番透過しやすく、以下水素ガスやヘリウムガスが透過しやすく、最後に酸素ガスとアルゴンガスと窒素ガスが一番透過しにくく、その中でも窒素ガスが一番透過しにくい気体ということで、水素ガスと酸素ガスを前提としている混合ガスを流している本願発明のような装置では、酸素ガス配管１０６と流量調整弁８１と酸素ガス配管１０７を経由して酸素富化ガス２０２を排出させ、従ってそれ以前に透過した水素ガス２０１を純度の高いものとして使用することが出来る訳である。
【００３４】  尚、中空糸の膜としては、ポリエステルの他に、ポリイミドやポリオレフィンやポリプロピレン等の樹脂も考えられる。
【００３５】  本発明による、水素ガスの製造装置は前述したように構成されており、以下にその動作について説明する。
【００３６】  先ず、水の電気分解装置２０の陽極板３１と陰極板３２に直流電源３３を流すようにすると、陽極板３１より酸素ガスが陰極板３２より水素ガスが発生する。  この場合、本願発明の装置では、酸素ガスと水素ガスが混合ガスとなって混合ガス配管１０１に送られ、開閉弁２１と混合ガス配管１０２を経由し、気体貯蔵タンク４０に一旦貯蔵された後に、混合ガス配管１０３と開閉弁４１と混合ガス配管１０４を経由して増圧弁６０に送り込まれるようになっている。
【００３７】  尚、図１に於いては、気体貯蔵タンク４０には圧力計４２しか示されていないが、気体貯蔵タンク４０が、一定の圧力まで上昇したら、直流電源３３の接続を自動的に切断したり、一定の圧力まで下降したら、直流電源３３の接続を自動的に行う等の方法は考えられる。
【００３８】  ところで、増圧弁６０は、混合ガス配管１０４が増圧弁本体６２に形成されているＩＮポート６２ｃに接続していることで、酸素ガスと水素ガスが混在している混合ガスが送り込まれるようになっている。
【００３９】  また、増圧弁本体６２に形成されているＩＮポート６２ｃに混合ガスが送り込まれるということは、更にチェック弁６６Ａ、６６Ｂを経由して増圧室イ６２ＡＢと増圧室ロ６２ＣＡにもそのまま混合ガスが供給されることになる訳である。
【００４０】  この様な状況の中で、圧縮空気配管１２１より圧縮空気をＳＵＰポート６２ａに流すと、ガバナ６４と切換バルブ６５を経由して駆動室ロ６２ＣＢに圧縮空気が供給されることになる。  すると、駆動室ロ６２ＣＢに供給された圧縮空気配管１２１からの圧縮空気と増圧室イ６２ＡＢに供給された混合ガス配管１０４からの混合ガスがピストン６３に作用し、増圧室ロ６２ＣＡの混合ガスを増圧する。  そこで、ピストン６３が作動することによって、増圧室ロ６２ＣＡ内の増圧した混合ガスをチェック弁６６Ｄから増圧弁本体６２に形成されているＯＵＴポート６２ｄの方に送り出すようになっているのである。
【００４１】  また、ピストン６３がストロークエンドに来ると、切換バルブ６５は、駆動室ロ６２ＣＢが排気、駆動室イ６２ＡＡが供給の状態に切換わる。  すると、ピストン６３が反転して、今度は増圧室ロ６２ＣＡと駆動室イ６２ＡＡの圧力で、増圧室イ６２ＡＢの混合ガスを増圧しながら増圧弁本体６２に形成されているＯＵＴポート６２ｄの方に送り出すようになっている。  この様にして、以上に示された動作を繰り返すことによって、増圧弁本体６２に形成されているＯＵＴポート６２ｄに、増圧弁本体６２に形成されているＩＮポート６２ｃに送り込まれた混合ガスより高い圧力の高圧の混合ガスを連続的に作り出すことが出来るようになっているのである。
【００４２】  この場合、増圧弁本体６２に形成されているＯＵＴポート６２ｄでの圧力は、その圧力をフィードバックさせているガバナ６４機構をハンドル操作で任意に設定することが出来るようになっている。  尚、各々のピストン６３Ａ、６３Ｃの断面積を変え増圧室イ６２ＡＢと駆動室ロ６２ＣＢの位置を相互に入れ替えた場合の動作に関しても前述と同じ働きをするようになっている。
【００４３】  尚、常に混合ガスの圧力を圧縮空気配管１２１からの圧縮空気の圧力より高くしておくことによって、ピストンい６３Ａとピストンろ６３Ｃに於いて、圧縮空気が混合ガスの側に洩れて来ることもなく、常に純度の高い圧力の混合ガスを得ることが出来るようになっているのである。
【００４４】  このようにして、増圧された混合ガスは、混合ガス配管１０５を経由し、ガス分離膜８０で混合ガスから酸素富化ガス２０２を排出することで分離された純度の高い水素ガス２０１を使用することが可能となっているのである。  当然のことながら、増圧弁６０の使用と流量調整弁８１の調整によって、純度の高い酸素ガスを作り出すことも十分に可能である。
【００４５】  また、ガス分離膜８０に於いては、下流に配設した流量調整弁８１の働きによって、水素ガスの透過する際の分離能力を一層高めることが可能である。
【００４６】  ところで、図１では、水の電気分解装置２０で発生した水素ガスと酸素ガスは混合した状態で混合ガスが混合ガス配管に流れるようにしているが、当然のことながら、水素ガスだけを分離して、水素ガスだけをより純度を高めることを目的に増圧弁６０を経由してガス分離膜８０に送り込んでも構わない。
【００４７】  また、混合ガスの場合でも、水素ガスを分離して送り込んだ場合でも、増圧弁６０を配設しない構成も考えられる。
【００４８】  更に、増圧弁６０またはガス分離膜８０に送り込まれる気体は、一酸化炭素と水素ガスの混合気体である水性ガスや、水性ガスに水蒸気を加え約４００℃に熱した触媒中に通すことで一酸化炭素は酸化され二酸化炭素となり同時に水素ガスを発生した混合気体等も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】  本発明の全体を示した図
【図２】  本発明の増圧弁の詳細を示した図
【符号の説明】
【００５０】  ２０・・・・・・水の電気分解装置
２１・・・・・・開閉弁
３１・・・・・・陽極板
３２・・・・・・陰極板
３３・・・・・・直流電源
３５・・・・・・配線
３９・・・・・・電解液
４０・・・・・・気体貯蔵タンク
４１・・・・・・開閉弁
４２・・・・・・圧力計
６０・・・・・・増圧弁
６２・・・・・・増圧弁本体
６２Ａ・・・・・室イ
６２ＡＡ・・・・駆動室イ
６２ＡＢ・・・・増圧室イ
６２Ｂ・・・・・中央部
６２Ｃ・・・・・室ロ
６２ＣＡ・・・・増圧室ロ
６２ＣＢ・・・・駆動室ロ
６２ａ・・・・・ＳＵＰポート
６２ｂ・・・・・ＥＸＨポート
６２ｃ・・・・・ＩＮポート
６２ｄ・・・・・ＯＵＴポート
６３・・・・・・ピストン
６３Ａ・・・・・ピストンい
６３Ｂ・・・・・ピストンロッド
６３Ｃ・・・・・ピストンろ
６４・・・・・・ガバナ
６５・・・・・・切換バルブ
６６Ａ・・・・・チェック弁
６６Ｂ・・・・・チェック弁
６６Ｃ・・・・・チェック弁
６６Ｄ・・・・・チェック弁
８０・・・・・・ガス分離膜
８１・・・・・・流量調整弁
１０１・・・・・混合ガス配管
１０２・・・・・混合ガス配管
１０３・・・・・混合ガス配管
１０４・・・・・混合ガス配管
１０５・・・・・混合ガス配管
１０６・・・・・酸素ガス配管
１０７・・・・・酸素ガス配管
１２１・・・・・圧縮空気配管
１２２・・・・・圧縮空気配管
２０１・・・・・水素ガス
２０２・・・・・酸素富化ガス
【図１】
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【図２】
2006232649.tif 000004