(57)【要約】具体的には酸水素ガスである１種以上のガスを生成する方法。本方法では、好ましくは水（９）である液体を電解処理する。この種の方法の効率を上げるために、前記生成ガスが付着する物質が前記液体（９）中に存在する。その物質は具体的にはイオン交換体（１０）である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体（９）を電解処理することによって１種以上のガスを生成する方法であって、
前記生成ガスが付着する物質（１０）が前記液体（９）中に存在する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記生成ガスは水素である。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法において、前記生成ガスは水素および酸素である。
【請求項４】
先の請求項のいずれか１つに記載の方法において、前記生成ガスを含む前記液体（９）は水である。
【請求項５】
先の請求項のいずれか１つに記載の方法において、前記生成ガスが付着する前記物質（１０）はイオン交換体である。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、前記イオン交換体（１０）は酸性イオン交換体である。
【請求項７】
先の請求項のいずれか１つに記載の方法において、前記生成ガスが付着する前記物質すなわちイオン交換体（１０）はゲル状である。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１つに記載の方法において、前記イオン交換体（１０）は基質、活性基および交換されるイオンを含む。
【請求項９】
先の請求項のいずれか１つに記載の方法において、前記生成ガスが付着する前記物質すなわちイオン交換体（１０）は触媒作用物質を含む。
【請求項１０】
先の請求項のいずれか１つに記載の方法において、前記生成ガスが付着する前記物質すなわちイオン交換体（１０）は触媒作用酵素および／またはガス運搬酵素を含む。
【請求項１１】
先の請求項のいずれか１つに記載の方法において、前記生成ガスが付着する前記物質すなわちイオン交換体（１０）は流動状態に保たれている。
【請求項１２】
先の請求項のいずれか１つに記載の方法において、前記生成ガスが付着する前記物質すなわちイオン交換体（１０）は前記液体（９）中に懸濁した状態で保たれている。
【請求項１３】
先の請求項のいずれか１つに記載の方法において、前記生成ガスが付着する前記物質すなわちイオン交換体（１０）は連続的に供給される。
【請求項１４】
先の請求項のいずれか１つに記載の方法において、前記方法は多段階的に実施される。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１つに記載の方法を実施するための装置であって、
前記生成ガスが付着する物質（１０）がその中に存在する液体（９）を含む容器（１）と
電源（１３）に接続可能または接続されている陽極（７）および陰極（６）とを有する
ことを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置において、電極（７）は管状に設計されている。
【請求項１７】
請求項１５又は１６に記載の装置において、フィラー材料が、前記生成ガスおよび前記生成ガスが付着する物質（１０）を含む液体（９）中、特に管状電極（７）の内側に存在する。
【請求項１８】
請求項１７に記載の装置において、前記フィラー材料中に酸が存在する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１種以上のガスを生成する方法およびこの種の方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
本方法では、生成されるガスを含む液体が電解処理される。電気分解によって１種以上のガスが生成される。具体的には、本方法は水素または水素および酸素を生成するものであり、後者は特に混合物（酸水素ガス）として生成される。
【背景技術】
【０００３】
水素、水素および酸素または酸水素ガスの生成方法はすでに公知である。典型的な電気分解法では水が使用される。水分子は水素および酸素を含む。しかしながら、これまでに知られている方法の効率および反応速度には改良の余地がある。
【０００４】
電気分解により水素および酸素を生成する装置はＵＳ−Ａ  ５，８７９，５２２により公知である。この装置はアノード室およびカソード室を備え、その中にはいずれの場合においてもカソードおよび電極に接触し、導電性を高めて過電圧を最小化する導電性超微小電極分子が存在する。
【０００５】
水の電気分解方法は、ＪＰ２００２−３２２５８４  Ａにより公知である。この方法では、反応は微細な宝石粉末または岩石粉末、あるいは異なる種類の鉱物または金属の微細粉末に支持される。これらの微細粉末は導電性を向上させるためのものである。
【０００６】
ＤＥ  １００  １６  ５９１  Ｃ２には、水素の生成方法が開示されている。この方法では、第１の電解質が中空マイクロファイバの内側の空間に設けられ、第２の電解質が中空マイクロファイバの外側に設けられる。中空マイクロファイバは、その壁面にアノードおよびカソードを個別に支持する。
【０００７】
ＵＳ  ２００１／００５０２３４  Ａ１には、第１電極および第２電極を備え、それらの間に電解質メンブレンを設けた電解槽が開示されている。この電解質メンブレンとしては電子交換樹脂が使用可能である。
【発明の開示】
【０００８】
本発明の目的は、冒頭で述べた種類の方法の改良版を提供することである。
【０００９】
この目的は、本発明に基づき、請求項１の特徴によって達成される。電気分解によって生成される１種以上のガスが付着する物質が液体中に存在する。このガスは好ましくはイオン結合により該物質に付着する。
【００１０】
本発明の有利な技術成果は従属クレームに記載される。
【００１１】
水素が好ましくはイオン結合によって前記液体中に存在する前記物質に付着することが有利である。
【００１２】
前記生成ガスは水素であることが好ましい。
【００１３】
前記生成ガスは水素および酸素であってもよい。このプロセスでは、水素および酸素を別々に生成することが可能である。しかしながら、水素および酸素を混合物（酸水素ガス）として生成することもまた可能である。この特有の酸水素ガスの生成は特に有利である。本発明の方法によれば、酸水素ガスを適切な（化学量論的な）混合比で生成することができる。とりわけ、このガスはこの形態でエネルギー生産に利用することができる。
【００１４】
前記生成ガスを含む前記液体は水であることが好ましい。
【００１５】
さらに有利な技術成果の特徴として、前記生成ガスが付着する前記物質はイオン交換体である。この物質は具体的にはイオン交換樹脂であってもよい。
【００１６】
前記イオン交換体は酸性イオン交換体であることが好ましく、具体的には強酸性イオン交換体である。
【００１７】
前記生成ガスが付着する前記物質すなわち前記イオン交換体はゲル状であってもよい。
【００１８】
前記イオン交換体が基質、活性基および交換されるイオンを含むかまたはそれらにより構成されていることが有利である。前記基質は具体的には架橋プラスチック、特に架橋ポリスチレンであってもよい。前記活性基はスルホン酸基（ＳＯ3）であることが好ましい。前記交換されるイオンは水素イオン（Ｈ）であることが好ましい。前記イオン交換体は特に一般化学式Ｒ−ＳＯ3−Ｈを有していてもよい。
【００１９】
さらに有利な技術成果の特徴として、前記生成ガスが付着する前記物質すなわち前記イオン交換体、特に基礎イオン交換体材料は、触媒作用物質を含む。前記触媒作用物質は、具体的には導電性物質、特に導電性フィルムであってもよい。前記触媒作用物質は、前記物質、前記イオン交換体または前記基礎イオン交換体材料に混合されていてもよい。
【００２０】
さらに有利な技術成果によれば、前記生成ガスが付着する前記物質すなわち前記イオン交換体、あるいは基礎イオン交換体材料は、触媒作用酵素および／またはガス運搬酵素を含む。有機酸、特に酒石酸がこのような酵素として使用される。前記酵素は前記物質、前記イオン交換体、前記イオン交換樹脂または基礎イオン交換材料に添加されていてもよい。
【００２１】
本発明の方法を実施するための本発明による装置は、請求項１５に記載の要件によって特徴づけられる。この装置は液体ならびに電流源に接続可能または接続されている陽極および陰極を有する。前記液体中には電気分解によって生成されるガスが付着する物質が存在する。
【００２２】
電極は管状に設計されていることが好ましい。
【００２３】
フィラー材料が、前記生成ガスおよび前記生成ガスが付着する前記物質を含む前記液体中、特に管状電極の内側に存在していてもよい。この材料は詰め物であることが好ましい。
【００２４】
ＵＳ  ２００１／００５０２３４  Ａ１とは異なり、本発明はプロトン伝導性メンブレンを必要としない。本発明では、生成ガスが付着する物質、具体的にはイオン交換体をメンブレンに一体化しないようにすることができる。この物質すなわちイオン交換体は、アノード、カソードおよび液体に連通するように配置することができる。さらに、生成ガスが付着する非導電性物質、具体的には非導電性イオン交換体を使用することができる。本発明によって、生成ガスが付着する物質、具体的にはイオン交換体を使用することが可能になり、イオン結合および／またはファンデルワールス力によってそれに付着している周辺基（marginal groups）が電気分解によって放出される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の実施形態を同封の図面を参照しながら以下に説明する。図１は、酸水素ガス生成装置の概略図を示す。
【００２６】
図１に示す装置は、中心軸２に関して回転可能かつ対称に設計された容器１を有し、上部カバー４および下部カバー５によって閉じられる管状ハウジング３を有する。装置全体は図示されているよりも長尺に形成されることが好ましい。
【００２７】
ハウジング３の内壁には、環状外側電極６が設けられている。ハウジング３内部には管状内側電極７が置かれている。容器１には水位８まで水９が入っている。
【００２８】
電極６および７の間には、ゲル状のイオン交換体１０が水位１１まで入っている。
【００２９】
外側電極６は、例えば１２Ｖカーバッテリ等の電源１３のプラス極にスイッチ１２を介して接続されている。電源１３のマイナス極は内側電極７に接続されている。しかしながらこの極性は逆であってもよい。
【００３０】
図１に示す実施形態において、水位８はゲル状イオン交換体１０の水位１１よりも上にあり、上向きに開口する管状の内側電極７よりも上にある。電極７は閉じられていてもよい。電極７は水位８を超えて突出していてもよい。また、図示する実施形態において、ゲル状イオン交換体１０の水位１１は、外側電極６の上端部のすぐ下にある。しかしながら、この装置は水位１１が電極６の上端部よりも上にくるように設計されていてもよい。内側電極７は下向きに閉じられていてもよいし、開いていてもよい。内側電極は下端部が開口していてもよいし、下部カバー５に封止接続されていてもよい。
【００３１】
スイッチ１２が閉じられると容器１内で電解反応が起こり、負に帯電した電子およびイオンが陽極である外側電極６に引き付けられる。陽イオンは陰極である内側電極７へと流動する。このように、酸水素ガスが水位８と上部カバー４との間の空間１４で生成される。これは特有の酸水素ガス生成に関する事柄である。この反応は実質的にイオン交換体１０によって促進される。酸水素ガスは化学量論比で存在し、空間１４から抜き取られる（図示せず）。これは不連続的（バッチ運転）または連続的に行ってもよい。生成された水素および酸素は、容器１の対応するデザインにより、別々に回収および排出することができる。
【００３２】
イオン交換体１０は、強酸性のゲル状イオン交換体であり、活性基としてスルホン酸基を有する。イオン交換体は一般化学式Ｒ−ＳＯ3−Ｈを有する。式中Ｒは基質、具体的には架橋ポリスチレン基質であり、ＳＯ3はスルホン酸活性基、Ｈは水素である。
【００３３】
イオン交換体１０は流動状態で保たれていることが好ましい。これは好ましくはイオン交換体１０を沈殿させないために行われる。イオン交換体は流動床プロセスによって流動状態に保たれていてもよい。イオン交換体が流動状態で保たれれば、ガス生成および電子流動が向上する。
【００３４】
さらに有利な技術成果によれば、イオン交換体は液体中に懸濁した状態で保たれている。これはイオン交換体または基礎イオン交換体材料が水９である液体中にそれ自体が懸濁状態で留まるように生成されるという点で好ましく行われる。
【００３５】
本方法は連続的に行ってもよい。そのためにイオン交換体１０は連続的に供給および排出されてもよい（図示せず）。排出されたイオン交換体は再生され、再び供給される。
【００３６】
本方法は多段階的に行ってもよい。
【００３７】
生成ガスは空間１４から吸出してもよい。そのために空間１４内に真空を発生させてもよい。さらに、上方へ漏出するガスはイオン交換体１０を伴って流れるため、イオン交換体１０を混合および拡散させることができる。
【００３８】
圧力および温度は、プロセスを理想的な効率で達成できるように設定することができる。
【００３９】
以下の表１に示す測定値は実際の実験によって算出されたものである。
【実施例１】
【００４０】
【表１】
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【００４１】
実験１は、イオン交換体を含まない水中で行った比較実験である。実験２では少量のイオン交換体を使用し、実験３では大量のイオン交換体を使用した。実験４では少量の塩酸をさらに追加した。
【００４２】
実験１では、１．０Ａの電流を１０．２Ｖの電圧で供給し、供給電力が１０．２Ｗとなるようにする。このプロセスでは、１０ｍｌ／分の酸水素ガスが生成される。これは時間あたりのエネルギー量１．８Ｗに相当する。このときの効率は（１．８：１０．２＝）０．１７６である。
【００４３】
イオン交換体を加えることにより、追加量に従ってアンペア数が３．０から７．５Ａに増加するが、これに応じて電圧は９．２Ｖから６．５Ｖに減少する。生成された酸水素ガスの量は４０ｍｌ／分から１００ｍｌ／分に増加する。効率は０．２６０から０．３７０に増加する。
【００４４】
実験４で少量の塩酸を加えることにより、アンペア数はさらに８．１Ａに増加し、電圧はさらに５．７Ｖに減少する。生成された酸水素ガスの量はさらに１１５ｍｌ／分に増加し、効率は０．４４８に増加する。
【実施例２】
【００４５】
図１に示す実験装置を使用したが、極性は逆にした。マイナス電極を形成するハウジング３は長さ１１６ｍｍ、内径２６ｍｍおよび外径２８ｍｍの管状に設計されている。プラス電極を形成する内側電極７は、長さ１１６ｍｍ、内径１４ｍｍおよび外径１６ｍｍの管状に設計されている。バッテリー充電器１３は電源として使用され、ＤＣ電流を電圧１２Ｖで発生させる。濃琥珀色の球体として入手できるＡｍｂｅｒｌｉｔ社のスチレン−ＤＶＢをイオン交換体として使用した。このイオン交換体の官能基はスルホン酸から形成される。内側電極７の内部には詰め物が充填されている（その他の添加物はなし）。
【００４６】
実験を行う際、電極装置は５０ｍｌの飲料水で満たされる。これは２．７５モルの物質量に相当する。電極装置全体が完全に「水中」に置かれるため、液交換が内側電極７の内部と、内側電極７とハウジング３との間の環状空間との間で、実際には内側電極７の上端部の上の空間と、その下端部の上つまり内側電極７の下端部と下部カバー５との間の空間の両方で生じる。上記飲料水のｐＨは７．０、導電性は２６６μS／ｃｍ（２５℃）、硬度は５．４ｄＨ°である。ＤＣ電流が印加されると、イオン交換体の添加量に左右されるアンペア数、電圧、電力、標準体積としての酸水素ガス（ＫＧ）の時間あたりの生成量に関する表２に示す値が得られる。先に記載したイオン交換体を使用した。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
１番目の実験ではイオン交換体を加えなかった。５．０ｍｌ／分の酸水素ガスが生成された。この量は１ｍｌのイオン交換体を添加することによって２倍になる。１分間に生成される酸水素ガスの量はイオン交換体の量が増加するにつれて増加する。
【実施例３】
【００４９】
ハウジング３および内側電極７の長さを１１６ｍｍから２７０ｍｍに増加したこと以外は実施例２と同様の実験装置を使用した。実験装置のそれ以外の変更はしていない。得られた測定値は表３の通りである。
【００５０】
【表３】
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【００５１】
本発明の方法によれば、電気分解において、例えば酸性カチオン交換体のような、生成ガスが特にイオン結合によって付着する物質を、具体的には水である液体に触媒およびドナーとして添加する。これにより、例えば水等の分解対象物質の分解を同義因子によって促進させることができる。添加する物質は酸、塩基またはイオン交換メンブレンのいずれでもない。固有の観点において、イオン交換体、とりわけカチオン交換樹脂および／またはアニオン交換樹脂は、例えば水素および酸素または酸水素ガスを生成するための水の電気分解のような、それ自体が周知である電気分解工程に添加されて触媒として作用し、電流フローを増加させる。また同時に、水素および／または酸素のドナーとして同工程の実施に貢献する。このように、上記実施形態によれば、例えば電流強度３，９００Ｃ／分で０．６から０．８５の効率を実現することができる。対応する装置は、１４．６ｌ／ｈの酸水素ガスを生成することができる。この酸水素ガス生成装置は、エンジンの構成要素であってもよく、エンジンに必要な酸水素ガスを特有の方法で生成する。このようにすると、必要量の酸水素ガスを連続的に生成することができるため、酸水素ガスの液化および貯蔵が不要となる。しかしながら、水素および酸素を別々に生成および使用することも可能である。
【００５２】
管状電極７の内部にフィラー材料、具体的には詰め物を入れてもよい。この材料または詰め物は酸で湿らせた状態であってもよく、好ましくは塩酸が用いられる。これにより、実施例１の実験４で記載したように収量が実質的に増加する。
【００５３】
電解処理される液体は水であってもよい。しかしながら、例えば水素やその他の物質等の生成ガスを含むその他の液体を使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】酸水素ガス生成装置の概略図を示す。
【図１】
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【国際調査報告】
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