(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）第１のアルカリ水電解装置と第１のアルカリ燃料電池を連結し、
（２）トリチウム水を含む原料水とアルカリ水溶液とを混合し、所望のアルカリ濃度に調整した電解液と、前記アルカリ濃度を初期濃度に維持しながら連続電解処理を行うための前記原料水とを前記第１のアルカリ水電解装置に供給し、前記原料水を含む電解液を循環させながら連続電解処理を行い、前記原料水を減容化するとともに、該第１のアルカリ水電解装置の陽極室より酸素ガスを生成し、陰極室より水素ガスを生成し、
（３）前記第１のアルカリ燃料電池に、所望の濃度に調整したアルカリ水溶液よりなる電解液と前記第１のアルカリ水電解装置により生成した酸素ガスと水素ガスを供給し、該酸素ガスと水素ガスの少なくとも一部を利用して、該第１のアルカリ燃料電池により発電し、電気エネルギー及び水を回収し、
（４）前記第１のアルカリ水電解装置と前記第１のアルカリ燃料電池に対して、第２、第３・・・第ｎのアルカリ水電解装置と第２、第３・・・第ｎのアルカリ燃料電池とをカスケード方式により接続し、
（５）前記第１のアルカリ水電解装置により電解処理し、減容化された原料水を含む電解液と、前記アルカリ濃度を初期濃度に維持しながら連続電解処理を行うための前記原料水とを、順次、前記第２、第３・・・第ｎのアルカリ水電解装置に供給し、前記第１のアルカリ水電解装置と同様にして電解処理を行い、前記第１、第２、第３・・・第ｎのアルカリ水電解装置より生成する酸素ガスと水素ガスを、前記第１、第２、第３・・・第ｎの少なくとも一つのアルカリ燃料電池に供給し、該酸素ガスと水素ガスの少なくとも一部を利用して前記第１、第２、第３・・・第ｎの少なくとも一つのアルカリ燃料電池により発電し、電気エネルギーを回収するとともに水を生成し、
（６）回収した電気エネルギーを前記第１、第２、第３・・・第ｎのアルカリ水電解装置の少なくとも一つに供給して、電解処理を継続し、前記第１、第２、第３・・・第ｎの少なくとも一つのアルカリ燃料電池による前記発電の際に生成される水を、前記第１、第２、第３・・・第ｎのアルカリ水電解装置の少なくとも一つの電解液の循環ラインに供給し、前記第１のアルカリ水電解装置によって減容化された原料水を、前記第２、第３・・・第ｎのアルカリ水電解装置によって更に減容化し、
前記第１、第２、第３・・・第ｎのアルカリ水電解装置において必要とされる電力エネルギーと、前記第１、第２、第３・・・第ｎのアルカリ水電解装置の連続電気分解によって消失する水及び電解液の大部分又は一部を、水処理システム内において効率的に循環使用し、有効利用するように構成してなることを特徴とするアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システム。
【請求項２】
前記トリチウム水を含む原料水が、塩化物イオンを含む不純物を含有することを特徴とする請求項１に記載のアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システム。
【請求項３】
前記第１、第２、第３・・・第ｎのアルカリ水電解装置が、Ｎｉ又は鉄基材よりなる電極又は前記基材の表面に、ラネーニッケル、Ｎｉ系分散メッキ若しくは貴金属系の熱分解法コーティングを施した電極よりなる陽極及び陰極と隔膜よりなる隔膜型アルカリ水電解装置であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システム。
【請求項４】
前記アルカリ燃料電池が、カーボンブラック担体上に白金触媒又はルテニウム−白金合金触媒を担持した電極材料よりなる正極及び負極と陰イオン交換膜よりなるアルカリ膜型燃料電池であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システム。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載のアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムを用いた水処理方法であって、前記原料水として、塩化物イオンを含む不純物を含有するトリチウム水を含む原料水を使用し、前記第１のアルカリ水電解装置によるアルカリ水電解工程の前工程として、前記不純物を除去するための蒸留工程を設け、該蒸留工程に前記塩化物イオンを含む不純物を含有する原料水を供給し、前記不純物を塩スラリーとして除去し、前記不純物を除去した後のトリチウム水を含む原料水を前記第１のアルカリ水電解装置に供給することを特徴とするアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理方法。
【請求項６】
前記蒸留工程において、前記塩スラリーを濃縮し、固形物として分離回収することを特徴とする請求項５に記載のアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理方法。
【請求項７】
前記アルカリ水電解装置による電解処理及び前記アルカリ燃料電池に使用するアルカリ水溶液よりなる電解液として、アルカリ濃度が５〜６０質量％のアルカリ水溶液を使用する請求項５又は６に記載のアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共にアルカリ水溶液を電解液とした、アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池とを組み合わせ、アルカリ燃料電池の原料としてアルカリ水電解装置により生成する水素と酸素を使用して発電し、得られた電気エネルギーと水とを用いてアルカリ水電解装置により電解処理を行う、アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムに関するものである。
更に、本発明は、アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池に対して、第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置と第２、第３・・・ｎ個のアルカリ燃料電池とをカスケード方式により接続し、連続的に電解を行い、アルカリ水電解装置によって原料水を減容化するアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムに関するものである。
更に、本発明は、原料水として、トリチウム水を含む原料水を用いて、共にアルカリ水溶液を電解液とした、アルカリ水電解とアルカリ燃料電池とを組み合わせ、アルカリ燃料電池の原料としてアルカリ水電解装置により生成する水素と酸素を使用して発電し、得られた電気エネルギーと水とを用いてアルカリ水電解装置により電解処理を行うとともに、アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池に対して、第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置と第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池をカスケード方式により接続し、電解を連続的に行い、高濃度のトリチウム水を含む原料水を順次濃縮し、少量の濃縮された汚染水を回収するアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムに関するものである。
更に、本発明は、トリチウム水を含む原料水として、塩化物イオン等の不純物を多量に含有する原料水を用い、該不純物を除去した後、電解を行うアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地上に存在するトリチウムのほとんどは、酸化物である三重水素水、トリチウム水として存在する。大気循環しているトリチウム水濃度はおおまかに古今東西で動植物も含め一定値と考えられており、水中濃度の低下量から大気循環からはずれた期間を検知でき、地下水の年代測定が可能である。土木、農業方面での地下水流動の実証的な調査に役立てられている。トリチウムは酸素と結びついたトリチウム水として水に混在しており、水圏中に気相、液相、固相で、蒸気・降水・地下水・河川水・湖沼水・海水・飲料水・生物中に広く拡散分布している。
【０００３】
天然のトリチウムは宇宙線と大気との反応により生成されるが、生成確率が低いためにその量はごくわずかしかない。一方で、１９５０年代の核実験や原子炉及び核燃料再処理により発生したトリチウムが環境中に大量に放出されて存在している（フォールアウトトリチウム）。また、原子炉関連施設内では、炉の運転・整備、核燃料再処理時に発生して外界に比べると高いレベルのトリチウムが蓄積されて局在するが、化学的な性質が水素とほぼ変わらないことを理由に、大気圏や海洋へ計画放出されている。
【０００４】
日本国内で測定された最高値は、原発事故を起こした福島第一原発敷地内の専用港にて２０１３年６月２１日に検出された１，１００Ｂｑ／Ｌである。トリチウムは、水素との化学的な分離が困難なため、物理的に分離する方法が試みられているものの、いまだ実験レベルであり実用化されるには至っていない。このため原発事故等で環境中に放出されたトリチウムによる放射能は、現在の技術では除染できない。福島第一原発において発生しているトリチウムを含む汚染水は、今後８０万ｍ3規模に至るといわれており、その有効な処理方法の早期確立が期待されている。
【０００５】
トリチウムの回収方法としては、Ｈ2Ｏ、ＨＴＯ、Ｔ2Ｏの蒸気圧を利用した水蒸留法、Ｈ、Ｔ原子の交換反応を利用した水−水素交換法、同位体化学平衡シフトを利用した二重温度交換法、ガス発生電位差を利用した水電解法が考えられるが、水電解法以外は、効率的なトリチウムの分離が困難である。
【０００６】
一方、電解法によると、分離係数が格段に高く、効率的にトリチウムを分離することができる。
しかるに、トリチウム濃度は極低レベルであるため、その濃度を測定する場合には、測定精度の向上のため電解濃縮することが一般的である。ここで、従来から重水の電解濃縮は、電解質を溶解させた試料溶液を作製し、板状の平板を向かい合わせて電解する方法が知られている。電解液中に含まれる水には、Ｈ2Ｏの他にＨＤＯやＨＴＯがあり、これらは通常の水電解に従って水素と酸素に分解されるが、同位体効果によりＨ2Ｏの分解がＨＤＯやＨＴＯの分解に対して優先し、電解液中のデューテリウムやトリチウムの濃度が上昇し、濃縮が行われる。この電解濃縮に使用する陽極としてはニッケルが、また、陰極としては、鋼、鉄及びニッケル等が使用されている。そして、これらの電極を洗浄し、希薄苛性ソーダを支持塩として重水を含む水の溶液に添加して調製した試料水をガラス容器に入れ、通電して電解を行う。その際、電流密度を１〜１０Ａ／ｄｍ2程度とし、発熱による水の蒸発を防止するために液温を５℃以下に維持しながら、通常、液量が１０分の１以下になるまで電解を継続して重水素の濃縮を行っている。
【０００７】
即ち、トリチウムの電解濃縮は、上記重水素の場合と同様、トリチウム水の方が軽水素水より電解されにくい性質を利用したものである。アルカリ水溶液に金属電極を挿入して電解する方法については、すでに多くの研究が行われ、標準的な手法として公にマニュアル化されている。この方法ではトリチウム濃度を１段で濃縮している。しかし、実際面となると、従来の電解濃縮法にはいくつかの間題がある。それらは、実験操作が煩雑であること、トリチウム濃縮倍率が電解質濃度の上限に制限されること、水素と酸素の混合ガスが発生し爆発の危険性があること、電解に時間がかかること、電力消費量が膨大となり、大容量の処理に適していないことである。
【０００８】
本発明者は、アルカリ水電解によるトリチウム水を多量に含有する原料水の処理方法として、従来技術の問題点を解決し、アルカリ水電解方法により多量の重水を含有する原料水を電解濃縮、分画するとともに、高純度の水素ガス及び／又は高純度の酸素ガスを製造することのできる重水の電解濃縮方法を開発して出願した（特許文献１）。
【０００９】
特許文献１の方法によれば、陽極を収容する陽極室と、陰極を収容する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜とよりなるアルカリ水電解槽を用いて重水を電解濃縮する重水の電解濃縮方法において、トリチウムを含有する重水よりなる原料水に高濃度のアルカリ水を添加した電解液を収納する循環タンクより、前記電解液を前記陽極室と前記陰極室との両電解室に循環供給するとともに、前記陽極室及び前記陰極室にそれぞれ陽極側気液分離装置及び陽極側水封装置並びに陰極側気液分離装置及び陰極側水封装置を接続し、前記陽極側気液分離装置及び前記陰極側気液分離装置によって発生ガスを分離した前記電解液を、前記循環タンクに循環供給することにより、前記両電解室内に供給する電解液のアルカリ濃度を常に一定濃度に維持しながら電解を継続し、前記電解液中の重水を濃縮するとともに、前記陰極側気液分離装置より、水素ガスを回収又は廃棄し、前記陽極側気液分離装置より、酸素ガスを回収又は廃棄することを特徴とする重水の電解濃縮方法を提供することができる。
更に、特許文献１に記載の方法によれば、多量のトリチウムを含有する放射性廃棄物をアルカリ水による電解によって、効率的に濃縮、分画することができるとともに、高濃度、高純度の水素ガス及び又は酸素ガスを効率的に回収できる。
【００１０】
然しながら、特許文献１に記載の方法では、前述したように、電力消費量が膨大となる欠点を有しており、電解法が採用されるための最大の障壁となっている。
【００１１】
上記の欠点を解消するための手段として、本発明者は、アルカリ水電解方法と燃料電池との組み合わせによる電力消費量の削減を検討した。
即ち、水電解方法によれば、水素ガスと酸素ガスが生成される。従来、これらは、廃棄されていたが、これまで廃棄されていた水素ガスと酸素ガスは、燃料電池の原料として使用できるため、本発明者は、水電解方法の電源として、水電解方法によって生成される水素ガスと酸素ガスを原料とする燃料電池を使用する方法を検討した。
【００１２】
燃料電池としては、電気化学反応と電解質の種類により、以下のようタイプに分類されている。
（１）アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）
（２）燐酸燃料電池（ＰＡＦＣ）
（３）溶融炭酸燃料電池（ＭＣＦＣ）
（４）固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）
（５）プロトン伝導燃料電池（ＰＥＦＣ）
（６）直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）
（７）バイオ燃料電池（ＭＦＣ）
（８）直接蟻酸型燃料電池（ＤＦＡＦＣ）
【００１３】
現在、主流の燃料電池は、プロトン伝導燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、水素燃料で十分な発電性能を有するものであるが、用いられる触媒は、その強酸性雰囲気のため白金系貴金属にほぼ限定されており、貴金属の高コストと少資源量が課題となっている。
ＰＥＦＣは、燃料極、酸素極、電解質層から構成され、電解質層は、強酸性の電解質水溶液を含む固体高分子（陽イオン交換膜）が使用されており、燃料極に水素ガス、酸素極に酸素ガスを導入し、各電極で次のような反応が起こり、全体として、以下の反応式により水が生成される。
全体            ２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ
燃料極（負極）  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
酸素極（正極）  ４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
燃料極で生成されるプロトン（Ｈ+）は、固体高分子膜（陽イオン交換膜）中を拡散して酸素極側に移動し、酸素（Ｏ2）と反応して生成されたミスト（Ｈ2Ｏ）は、酸素極側から排出される。
【００１４】
一方、燃料電池としては、アルカリ電解質形燃料電池（ＡＦＣ：Ａｌｋａｌｉｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）が知られており、アルカリ電解質形燃料電池は、水酸化物イオンをイオン伝導体とし、アルカリ電解液を電極間のセパレーターに含浸させてセルを構成している。ＰＥＦＣと同様、高分子膜を用いるタイプも報告されている。最も構造が簡単であり、アルカリ雰囲気での使用であることから、ニッケル酸化物等の安価な電極触媒を利用することができること、常温にて液体電解質を用いることからセル構成も単純にできるため、信頼性が高く、宇宙用途などに実用化されている燃料電池である。
【００１５】
一方、改質した炭化水素系燃料から水素を取り出す場合、炭化水素が混入しているとアルカリ性電解液が炭酸塩を生じて劣化する。同様に空気を酸化剤として用いると電解液が二酸化炭素を吸収して劣化するため、純度の高い酸素を酸化剤として用いる必要がある。水素の純度を高めるためには、パラジウムの膜を透過させることにより純度を高める。電解質が水溶液であるため、作動温度域は電解液が凍結・蒸発しない温度に制限される。また、温度によりイオンの移動度（拡散係数）が変わり、発電力に影響するため、温度条件が厳しい。ニッケル系触媒は配位性のある一酸化炭素、炭化水素、酸素および水蒸気等により活性が下がるので水素燃料の純度は重要である。これらを不純物として含む改質水素の使用は望ましくなく、酸素及び水素としては、ＣＯ2を含まない純粋な酸素及び水素原料が必要されている。
【００１６】
ＡＦＣの各電極における化学反応式は、以下の通りである。
全体            ２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ
燃料極（負極）  ２Ｈ2＋４ＯＨ-→４Ｈ2Ｏ＋４ｅ-
酸素極（正極）  Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ-
このようにＡＦＣは、電解質がアルカリ性のために、電極材料として、高価な白金を使う必要がなく、ニッケル、コバルト又は鉄などの比較的安価な金属材料を使用することができるという利点がある。一方で、原料の水素中に炭酸ガス等が混入すると、アルカリ性電解液が炭酸塩となり、劣化する。このため、高出力を実現純度の高い酸素を酸化剤として用いる必要がある。
【００１７】
本発明者は、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）において、原料ガスとして、純粋な水素及び酸素として、特に炭素質を含まない原料が必要であることに着目し、アルカリ水電解装置によって生成される水素ガス及び酸素ガスが最適であること見出した。
一方では、アルカリ水電解装置においては、大量の電気エネルギーを必要とするため、その電気エネルギーをすべて外部から調達しなければならないとすると、莫大な費用が必要となっていた。
本発明者は、上記の点に着目し、アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池（ＡＦＣ）を組み合わせることにより、前記アルカリ水電解装置及び前記アルカリ燃料電池において必要とされる電力、該電力の原料となる水素ガス及び酸素ガス、前記電解処理により消失する水並びに前記アルカリ水溶液からなる電解液を、外部より新たに供給することなく、プロセス内における循環システムにより、有効利用するアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムを発明したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２０１５−０２９９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の目的は、上記の点に着目し、アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池（ＡＦＣ）を組み合わせることにより、前記アルカリ水電解装置及び前記アルカリ燃料電池において必要とされる電力、該電力の原料となる水素ガス及び酸素ガス、前記アルカリ水溶液からなる電解液及び前記電解処理によって消失する水に相当する量の水の一部を、水処理システム内において循環使用し、原料成分、中間製品を相互に有効活用し、アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を効率よく運転することができるアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明における第１の解決手段は、上記の目的を達成するため、
（１）アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を連結し、
（２）原料水とアルカリ水溶液とを混合し、所望の濃度に調整した電解液と電解処理によって消失する水に相当する量の水を前記アルカリ水電解装置に供給し、前記アルカリ濃度を初期濃度に維持し、前記電解液を循環させながら連続電解処理を行い、原料水を減容化するとともに、該アルカリ水電解装置の陽極室より酸素ガスを生成し、陰極室より水素ガスを生成し、
（３）前記アルカリ燃料電池に、所望の濃度に調整したアルカリ水溶液よりなる電解液と前記アルカリ水電解装置により生成した酸素ガスと水素ガスを供給し、該酸素ガスと水素ガスの少なくとも一部を利用して、該アルカリ燃料電池により発電し、電気エネルギー及び水を回収し、
（４）前記アルカリ水電解装置に、その電源として、回収した前記電気エネルギーを供給するとともに、前記回収した水の一部又は全部を前記アルカリ水電解装置の前記電解液の循環ラインに供給して、電解処理を継続することにより、
前記アルカリ水電解装置及び前記アルカリ燃料電池において必要とされる電力エネルギー、該電力エネルギーの原料となる水素ガス、酸素ガス、前記電解処理によって消失する水及び電解液の大部分又は一部を、水処理システム内において効率的に循環使用し、有効利用することを特徴とするアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムにある。
【００２１】
本発明における第２の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記アルカリ水電解装置と前記アルカリ燃料電池に対して、第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置と第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池とをカスケード方式により接続し、前記アルカリ水電解装置により電解処理し濃縮された電解液を、順次前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置に供給し、前記アルカリ水電解装置と同様にして電解処理を行い、生成する酸素ガスと水素ガスを前記アルカリ燃料電池及び前記第２、第３・・・第ｎ個の少なくとも一つのアルカリ燃料電池に供給し、該酸素ガスと水素ガスの少なくとも一部を利用して前記アルカリ燃料電池及び前記第２、第３・・・第ｎ個の少なくとも一つのアルカリ燃料電池により発電し、電気エネルギーを回収するとともに、水を生成し、回収した電気エネルギーを前記アルカリ水電解装置及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置の少なくとも一つに供給して、電解処理を継続し、前記アルカリ燃料電池及び前記第２、第３・・・第ｎ個の少なくとも一つのアルカリ燃料電池による前記発電の際に生成される水を破棄又は前記アルカリ水電解装置及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置の少なくとも一つのアルカリ水電解装置の電解液の循環ラインに供給し、前記アルカリ水電解装置によって減容化された原料水を、前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置によって更に減容化するアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムにある。
【００２２】
本発明における第３の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記原料水として、純水を用いたアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムにある。
【００２３】
本発明における第４の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記原料水として、トリチウム水を含む原料水を用いたアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムを提供することにある。
【００２４】
本発明における第５の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記原料水として、多量の塩化物イオンを含む不純物を含有するトリチウム水を含む原料水を使用したアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムにある。
【００２５】
本発明における第６の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記アルカリ水電解装置及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置が、Ｎｉ又は鉄基材よりなる電極又は前記基材の表面に、ラネーニッケル、Ｎｉ系分散メッキ若しくは貴金属系の熱分解法コーティングを施した電極よりなる陽極及び陰極と隔膜よりなる隔膜型アルカリ型水電解装置にある。
【００２６】
本発明における第７の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記アルカリ燃料電池及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池が、カーボンブラック担体上に白金触媒又はルテニウム−白金合金触媒を担持した電極材料よりなる正極及び負極と陰イオン交換膜よりなるアルカリ膜型燃料電池にある。
【００２７】
本発明における第８の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記トリチウム水を含む原料水として、多量の塩化物イオンを含む不純物を含有する原料水を使用する場合に、前記アルカリ水電解装置によるアルカリ水電解工程の前工程として、前記不純物を除去するための蒸留工程を設け、該蒸留工程に前記塩化物イオンを含む不純物を含有する原料水を供給し、前記不純物を塩スラリーとして除去するとともに、前記不純物を除去した後のトリチウム水を含む原料水を使用するアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムにある。
【００２８】
本発明における第９の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記蒸留工程において、前記塩スラリーを濃縮し、固形物として分離回収するアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムにある。
【００２９】
本発明における第１０の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記アルカリ水電解装置及び前記第２、第３・・・ｎ個のアルカリ水電解装置による電解処理及び前記アルカリ燃料電池及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池に使用するアルカリ水溶液よりなる電解液として、５〜６０質量％のアルカリ水を使用するアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムにある。
【発明の効果】
【００３０】
（１）本発明によるアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムによれば、アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池とを組み合わせ、アルカリ水電解装置で必要となる電力を、該アルカリ水電解装置、自らの電解により生成される水素ガスと酸素ガスを原料としてアルカリ燃料電池により生成された電力を活用してアルカリ水電解を行うので、アルカリ水電解用の電力としては、電解を開始後は、システム内部で生成される電力を活用してアルカリ水電解を継続することができ、電力を再生しながら電解を行うことができ、水処理に要する電力費用を大幅に削減することができる。
【００３１】
（２）本発明によるアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムによれば、アルカリ燃料電池の原料としての水素ガス及び酸素ガスは、アルカリ水電解装置の電解により生成される水素ガスと酸素ガスを使用するので、これら水素ガス及び酸素ガスを外部から調達する必要がなく、アルカリ水電解の電源として使用する電気エネルギーをシステム内部で循環使用することができ、効率的にエネルギーを利用することができる。
【００３２】
（３）本発明によるアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムによれば、アルカリ燃料電池の原料としての水素ガス及び酸素ガスは、アルカリ水電解装置の電解により生成される水素ガスと酸素ガスを使用すればよく、これら水素ガス及び酸素ガスを外部から調達する必要がないので、電解に使用する電力費を大幅に削減することができる。
【００３３】
（４）本発明によるアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムによれば、アルカリ燃料電池の原料としての水素ガス及び酸素ガスは、アルカリ水電解装置の電解により生成される水素ガスと酸素ガスを使用するので、炭素質、炭酸ガス等の不純物のない純粋な酸素及び水素を原料とすることができ、アルカリ燃料電池を効率的に行うことができる。
【００３４】
（５）本発明によるアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムによれば、アルカリ燃料電池の原料として、水素ガス及び酸素ガスだけでなく、アルカリ水溶液からなる電解液もまた、アルカリ水電解装置の電解に使用する電解液を使用することができ、アルカリ燃料電池の原料の全ては、アルカリ水電解槽装置により使用又は生成される材料の全てを循環使用することができる。
【００３５】
（６）本発明によるアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムによれば、アルカリ水電解装置の電解に使用する電力は、電解開始後においては、部分的に、アルカリ燃料電池から供給され、アルカリ燃料電池によって生成される水は、アルカリ電解装置の電解により消失する水の補助水として使用され、アルカリ水電解槽装置の原料の全ては、アルカリ燃料電池により生成される電力及び水によって補充することができる。
【００３６】
（７）本発明によるアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムによれば、多量の塩化物イオン等の不純物を含有するトリチウム水を含む原料水についても、前工程として、蒸留器に連続的に供給する蒸留工程を設けることで、前記不純物を塩スラリーとして除去することで、前記に挙げた効果が得られる処理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムの一態様を示す概念図。
【図２】本発明に係るアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムの一態様に使用するアルカリ水処理装置の一例を示すフロー図。
【図３】本発明に係るアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムの一態様に使用するアルカリ燃料電池の一例を示すフロー図。
【図４】本発明の他の実施態様を示すアルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システムの１例を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面とともに本発明の１実施態様を示す。
図１は、本発明に係る水処理システムの実施態様を示す概念図である。
本発明の第１の実施態様においては、図１に示すように、
（１）アルカリ水電解装置１とアルカリ燃料電池２が連結されている。
（２）前記アルカリ水電解装置１には、所望の濃度に調整したアルカリ水溶液よりなる電解液３と原料水４と該電解処理によって消失する原料水に相当する量の水５を供給し、前記アルカリ水電解装置１において、前記アルカリ濃度を初期濃度に維持し、前記電解液３を循環させながら電解処理を行うことにより、原料水４を減容化するとともに、該アルカリ水電解装置１より、酸素ガス６及び水素ガス７を生成する。
（３）前記アルカリ燃料電池２には、前記アルカリ水電解装置１により生成した酸素ガス６と水素ガス７と所望の濃度に調整したアルカリ水溶液よりなる電解液３とを供給し、該アルカリ燃料電池２により発電を行い、電気エネルギー９及水１０を回収する。
（４）回収した前記電気エネルギー９は、前記アルカリ水電解装置１に、その電源として供給するとともに、該アルカリ燃料電池２より回収した水１０は、前記アルカリ水溶液からなる電解液の循環ラインに供給され、アルカリ濃度を調整したり、次のカスケードのアルカリ水電解槽に供給するための水として使用することができ、不純物含む場合には、破棄することもできる。
このようにして、アルカリ水電解装置１とアルカリ燃料電池２（ＡＦＣ）を組み合わせることにより、前記アルカリ水電解装置１及び前記アルカリ燃料電池２において必要とされる電力エネルギー９、該電力の原料となる水素ガス６及び酸素ガス７、前記アルカリ水溶液からなる電解液８及び前記電解液を前記解処理によって消失する原料水に相当する一部の量の水１０を、水処理システム内における循環使用により、原料成分、中間製品を相互に循環活用し、アルカリ水電解装置１とアルカリ燃料電池２を効率よく運転することができ、電力費を大幅に削減し、原料水を効率的に減容化でき、アルカリ水電解装置１により生成される水素ガスも酸素ガスも、破棄されることなく、アルカリ燃料電池の純粋な燃料として使用することができ、無駄がなく、効率的な水処理システムを行うことができる。
【００３９】
本発明においては、原料水として純水、又は微量の不純物を含有する原料水を使用する場合において、アルカリ水電解装置１の電源として使用するアルカリ燃料電池２の燃料の大部分を、自らのアルカリ水電解装置１によって発生する水素ガスと酸素ガスを使用して電解処理することができるので、大容量の電力エネルギーを外部から調達する必要がなく、電解液を循環し電解することにより、アルカリ燃料電池の燃料となる水素ガスと酸素ガスを連続的に生成し、前記アルカリ燃料電池に継続的に供給し、前記アルカリ水電解装置の運転を継続することができ、安価に効率よく水処理を行うことができる。
尚、アルカリ水電解装置により生成される水素ガス、酸素ガスの利用率は、前記アルカリ燃料電池の触媒とのガスの接触状況などによって、一回の電池内通過反応では６０％前後となる。第２、第３・・第ｎ個のアルカリ水電解装置より発生する生成ガスの利用率は、同様に一回の電池内通過反応では、６０％前後である。
【００４０】
更に、アルカリ水電解装置において、アルカリ濃度を初期濃度に維持して行うため、電解途中において系外より原料水を補給したり、純水をを補給しているが、本発明によれば、この水として、前記アルカリ燃料電池２によって生成される水を使用することができるので、新たに外部より補充する水の投入量を低減できる。この場合の水の利用率は、ガスの利用率と同様であり、生成ガスの利用率が６０％の場合、水の利用率も６０％程度なる。
【００４１】
更に、アルカリ水電解装置及びアルカリ燃料電池においては、アルカリ水溶液からなる電解液を使用する必要があるが、使用するアルカリ水の濃度は、いずれの場合も、本発明によれば、５〜６０質量％のアルカリ水が使用され、両装置において共用することができる。
【００４２】
以上の通り、本発明による水処理システムは、アルカリ燃料電池とアルカリ水電解装置とを連結したものである。先ず、本発明におけるアルカリ水電解装置について説明する。
本発明は、該原料水としてトリチウム水含有汚染水を処理する場合に、特に有用であり、以下、トリチウムを含む汚染水よりなる原料水を使用した場合について説明するが、該原料水として純水を用いた場合も同様である。
（１）アルカリ水電解装置
図２は、塩化物イオン等の不純物が含まれていないか、含まれていても電解システムの運転に支障の無いトリチウム水を含む原料水に適用できる、本発明の水処理システムに使用するアルカリ水電解装置の１実施態様を示したものである。この場合は、不純物を除去する前工程を設けることなく、トリチウム水を含む原料水を、アルカリ濃度を一定に保持して連続的にアルカリ水電解処理を行う。
【００４３】
図２は、アルカリ水電解装置を示したものであって、原料水貯蔵タンク１１、原料水処理槽１２、アルカリ水電解槽１３、循環タンク１４、電解液循環パイプ１９、供給ポンプ１８より構成されており、アルカリ水電解槽１３は、陽極を収容する陽極室１５と、陰極を収容する陰極室１６と、前記陽極室１５と前記陰極室１６とを区画する隔膜１７により構成されている。隔膜１７としては、中性隔膜が好ましいが、陽イオン交換膜を使用することもできる。
【００４４】
この実施態様では、トリチウム水を含む原料水として、原料水中に含まれる塩化物イオン等の不純物を除去するための後述する蒸留工程は不要であり、トリチウム水を含む原料水を直接、アルカリ水電解装置の循環タンク１４に供給すればよい。この際、図２に示したように、例えば、保存用の原料水貯蔵タンク１１から、その一部を処理対象として移した原料水処理槽１２を経て循環タンク１４に供給するように構成してもよい。
塩化物イオン等の不純物が含まれていないトリチウム水を含む原料水は、図２に示すアルカリ水電解装置により処理できる。
尚、塩化物イオン等の不純物が含まれているトリチウム水を含む原料水を用いた場合においても、処理量、処理時間が短い場合、不純物の量が少ない場合、或いは、連続電解の途中で不純物を除去する構成とした場合は、この実施態様により、トリチウム水を含む原料水を処理することができる。
【００４５】
以下、トリチウム水を含む原料水として、８０万ｍ3の、塩化物イオン等の不純物が少量しか含まれていない原料水をアルカリ水電解システム（Ｉ）で処理する場合について説明する。
【００４６】
（ａ）本実施態様においては、アルカリ水電解装置での処理対象を、原料水貯蔵タンク１１内に貯蔵されている、トリチウム水を含む原料水８０万ｍ3がとする。この原料水の一部として、４００ｍ3／日の原料水を、原料水貯蔵タンク１１より原料水処理槽１２を経てポンプ１８により、循環タンク１４に供給する。これとともに、循環タンク１４にアルカリ水を供給する（不図示）。
尚、原料水貯蔵タンク１１内の原料水は、その全量を、原料水処理槽１２を経て循環タンク１４に送り、電解処理することが好ましいが、原料水貯蔵タンク１１内の原料水が多量の場合は、これを複数回に分けて、原料水処理槽１２に送って、原料水処理槽１２内の原料水を連続処理するように構成することが好ましい。これは、以下の実施態様及び実施例においても同様である。
また、前記アルカリ水電解装置及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置の陽極及び陰極は、Ｎｉ若しくは鉄基材、又はこれらの基材に表面にニッケルメッキした、更に電極過電圧を低減するためにラネーニッケルや貴金属の各種コーティングを施したものが好ましい。
【００４７】
（ｂ）次いで、循環タンク１４内において、循環タンク１４内の原料水とアルカリ水を混合して所望のアルカリ濃度に調整した電解液を、アルカリ水電解槽１３に供給し、電解処理する。
【００４８】
（ｃ）電解液のアルカリ水の濃度は、高濃度であることが好ましく、１５質量％、更に２０質量％以上とすることが好ましい。尚、使用するアルカリとしては、ＫＯＨ又はＮａＯＨが好ましい。
アルカリ水電解槽１３内の電解液は、４００ｍ3であり、循環タンク１４及びパイプ等内の電解液量は、４００ｍ3であり、全電解プロセス容量は、８００ｍ3となる。
【００４９】
（ｄ）循環タンク１４内で混合され、所望のアルカリ濃度になるように制御された電解液は、供給ポンプ１８を介して循環パイプ１９によりアルカリ水電解槽１３の陽極室１５に供給されるとともに、供給ポンプ１８を介して循環パイプ１９によりアルカリ水電解槽１３の陰極室１６に供給され、電解される。電解液は、隔膜１７を介して電気分解される。電解の結果、陽極室１５においては、酸素ガスが生成され、生成した酸素ガスと電解液とに気液分離され、分離された電解液は、電解液循環パイプ１９により、循環タンク１４に循環される。
同時に、陰極室１６内においては、水素ガスが生成され、生成した水素ガスと電解液とに気液分離され、分離された電解液は、電解液循環パイプ１９により、循環タンク１４に循環される。このときの電流密度は、高電流密度にすることにより、電解処理に要する時間を短縮することができる。運転電密の範囲としては、電解槽の性能、特にその主要因子の陽極、陰極、隔膜、電解槽の構造などに影響を受けるが、電流密度としては、５Ａ／ｄｍ2以上、８０Ａ／ｄｍ2以下とすることが好ましい。５Ａ／ｄｍ2以上、６０Ａ／ｄｍ2以下することが更に好ましい。特に、水の電気分解でガス化する量を小さく定めれば、当然プロセス量は少なくなるし、大容量の分解を期すればプロセス量も一般に増加する。
【００５０】
本発明者らの検討によれば、アルカリ水電解としては、３２質量％のアルカリ濃度の電解液でも電解が可能であるが、それ以上の高濃度にすることは、電解液の粘度も高くなり、発生ガスの系外への離脱も速やかでなくなり、セル電圧が高電圧となり、エネルギー消費が嵩むため、得策ではない。
上記した方法で電解処理量を４００ｍ3／日とした場合、８０万ｍ3のトリチウム水を含む原料水の全量は、５．５年（８００，０００ｍ3÷４００ｍ3／日÷３６５日＝５．５年）で処理されることになる。
この時の電解液の循環液量は、８００ｍ3であるので、８０万ｍ3のトリチウム水含有水は、５．５年で８００ｍ3に減量化されることになる。
【００５１】
（ｅ）上記長期間の処理では、電解処理によって消失する原料水に相当する量の原料水を前記貯蔵タンク１１内より前記循環タンク１４に連続的に供給し、電解液のアルカリ濃度を初期濃度に維持し、この電解液を循環しながら電解を継続し、前記貯蔵タンク１１に貯蔵された大量の原料水の全量を電解処理する。
【００５２】
（ｆ）上記したアルカリ水電解装置での処理の結果、トリチウム水（ＨＴＯ）を含む原料水はガス化し、トリチウムガス（ＨＴ）含有水素ガスと酸素ガスに転換され、トリチウムガス（ＨＴ）含有水素ガスのトリチウムの濃度は、トリチウム水である場合に比べて１，２４４分の１に希釈され、かつ、８０万ｍ3あった前記原料水は、８００ｍ3に減容化される。
【００５３】
上記した連続電解方式では、電気分解で分解消失した水に相当するトリチウム水をプロセスへ連続的に供給し、常にプロセス内の電解槽内液量や循環ポンプの吐出量など物理的運転環境を同一に維持して運転する。この時、プロセスに供給されるトリチウム水は原料水の濃度に相当する。
連続的に水を供給する場合は、プロセスのトリチウム濃度を原料水の濃度に維持するような運転となり、電解槽内のトリチウムが濃くならない。この連続運転条件では、電気分解で発生するガスは軽水とトリチウム水との濃度比に相当する比率で転換するものとする。
【００５４】
上記で説明したアルカリ水電解装置における主要な仕様と性能の１例を示すと、次の通りである。
［仕様］
１）トリチウム汚染水よりなる原料水：８０万ｍ3
２）電解処理容量：４００ｍ3／日の処理量
３）アルカリ：苛性ソーダ、アルカリ濃度：２０質量％
４）排出トリチウム濃度：１．３５０×１０３Ｂｑ／Ｌ
５）アルカリ水電解槽：４８槽（１槽が７５エレメント）
６）電流密度４０Ａ／ｄｍ2
７）電解プロセス：循環式電解プロセス＋電解プロセスへの原水の連続供給
［性能］
原水中のトリチウムの転換率は、トリチウムの濃度に一般に主に依存するが、１．０〜０．６である（常時トリチウム分子ガスとして分画した場合。）。
原料水中に含まれるトリチウム濃度が４．２×１０６Ｂｑ／Ｌとした場合、上記電解システムで処理後の原料流体中に含まれるトリチウム濃度は、下記の通りとなる。
４．２×１０６×０．４／１，２４４Ｂｑ／Ｌ＝１．３５０×１０３Ｂｑ／Ｌ
ここで、排気中又は空気中濃度限度：７×１０４Ｂｑ／Ｌ以下であり、トリチウム水排水基準：６×１０４Ｂｑ／Ｌ以下である。
【００５５】
尚、トリチウム水を含む原料水として、塩化物イオン等の不純物が多量に含まれている場合、アルカリ水電解装置に原料水を供給する前に、不純物を除去しておく必要がある。
【００５６】
次に、アルカリ水電解装置に供給する電力エネルギーと水とを回収するアルカリ燃料電池について説明する。
（２）アルカリ燃料電池
前記アルカリ水電解装置によって生成された水素ガス及び酸素ガスは、大気中に放出され、捨てられていたが、本発明においては、アルカリ燃料電池に送られ、電力エネルギーを回収し、これを前記アルカリ水電解装置に送り、アルカリ水電解装置の電源として使用する。生成されたガスの利用率は、６０％程度であった。
【００５７】
図３は、本発明に使用するアルカリ燃料電池の一実施態様を示したものであり、セパレーター２０、２０間に、陰イオン交換膜（電解質層）２１が設けられ、陰イオン交換膜（電解質層）２１の酸素極側に正極触媒層２２が設けられ、正極触媒層２２の外側にガス拡散層２３が設けられている。また、陰イオン交換膜（電解質層）２１の燃料極側に、負極触媒層２４を設けられ、その外側にガス拡散層２５が設けられている。
陰イオン交換膜２１には、所望の濃度のアルカリ水溶液からなる電解液が含浸されている。このアルカリ水溶液からなる電解液は、アルカリ水電解装置に使用する電解液とほぼ同濃度の電解液が用いられており、電解液のアルカリ水の濃度は、高濃度であることが好ましく、５〜６０質量％とすることが好ましい。尚、使用するアルカリとしては、ＫＯＨ又はＮａＯＨが好ましい。
アルカリ水電解装置により生成された水素ガスと酸素ガスは、アルカリ燃料電池に供給する前にバッファータンクを設けることにより、アルカリ燃料電池に水素ガスと酸素ガスをよどみが生じないよう供給する。
本発明においては、アルカリ水溶液よりなる電解液を陰イオン交換膜に含浸させた後、アルカリ水電解装置によって生成された酸素ガスを、正極触媒層２２側に設けられた流路２６より、アルカリ燃料電池内に供給し、アルカリ水電解装置によって生成された水素ガスは、負極触媒層側に設けられた流路２７より、アルカリ燃料電池に供給される。
正極触媒層２２側に設けられた流路２６より、アルカリ燃料電池に供給された酸素ガスは、ガス拡散層２３を通過し、正極触媒層２２により、水と反応し、水酸イオン（ＯＨ-）が生成され、この水酸イオン（ＯＨ-）が、陰イオン交換膜２１を通り、負極触媒層側に移行し、水素ガスと反応し、水が生成される。
アルカリ燃料電池の反応式は、次の通りである。
全体            ２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ
燃料極（負極）  ２Ｈ2＋４ＯＨ-→４Ｈ2Ｏ＋４ｅ-
酸素極（正極）  Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ-
尚、前記アルカリ燃料電池及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池の正極及び負極は、カーボンブラック担体上に白金触媒又はルテニウム−白金合金触媒を担持した電極材料が好ましい。
【００５８】
燃料電池としてアルカリ燃料電池を使用するので、該燃料電池に使用するアルカリ水溶液もまた、前記アルカリ水電解装置の電解液に用いたアルカリ水溶液を燃料電池の電解液として共用することができる。
また、本発明に使用するアルカリ燃料電池に使用する水素ガス及び酸素ガスは、アルカリ水電解装置によって生成された生成ガスを使用することができ、炭素質を含有しない純粋な水素と酸素を使用することができ、極めて効率的である。
また、酸素ガスとして、空気を酸化剤として用いると、電解液が二酸化炭素を吸収して劣化するが、本発明のように、アルカリ水電解により生成する酸素ガスは、純度の高い酸素ガスであるので、電解液の劣化の問題は生じない。また、電解質が水溶液であるため、設備も安価となる。
これに対して、従来、例えば、開発され、使用されている自動車用アルカリ燃料電池は、酸素ガスとしては、空気を使用しており、アルカリ水溶液よりなる電解液を循環使用する場合、空気中に含まれる炭酸ガス等によって劣化されるおそれがあり、効率的に使用することはできない。
【００５９】
次に、本発明による水処理システムの他の実施態様として、アルカリ水電解装置１とアルカリ燃料電池２に対して、第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置と第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池とをカスケード方式により接続し、前記アルカリ水電解装置により電解処理した電解液を、前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置の少なくとも一つに供給し、前記アルカリ水電解装置１と同様にして電解処理を行い、生成する酸素ガスと水素ガスを前記アルカリ燃料電池２及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池の少なくとも一つに供給し、該酸素ガスと水素ガスの少なくとも一部を利用して前記アルカリ燃料電池及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池の少なくとも一つにより発電し、電気エネルギーを回収するとともに、水を生成し、回収した電気エネルギーを前記アルカリ水電解装置及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置の少なくとも一つに供給して、電解処理を継続し、前記アルカリ燃料電池及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池による前記発電の際に生成される水を前記アルカリ水電解装置及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置の少なくとも一つによる電解処理により消失する原料水の補助水として使用し、前記アルカリ水電解装置によって減容化された原料水を、前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置によって更に減容化するものである。
【００６０】
図４は、アルカリ水電解装置１とアルカリ燃料電池２に対して、第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置と第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池とをカスケード方式により接続した場合の一例を示したものである。
原料水として、汚染水を使用し、先ず、アルカリ水電解装置を外部電力により起動し、得られた水素ガスと酸素ガスとアルカリ燃料電池に送り、アルカリ燃料電池により、電気エネルギーと水を回収し、得られた電気エネルギーにより電解を継続するとともに、得られた水をアルカリ水電解装置の補助水として使用し、アルカリ水電解を継続し、汚染水を原料水を濃縮し、濃縮された汚染水を第２のアルカリ水電解装置に送り、上記と同様にして第２のアルカリ燃料電池により電気エネルギーと水を回収し、第２のアルカリ水電解装置を継続する。
同様にして第３、第４のアルカリ水電解装置により電解を継続し、濃縮された汚染水を更に濃縮する。
尚、アルカリ水電解装置、アルカリ燃料電池との組み合わせは、処理量に応じて変更することができるが、通常、図４に示すよう、４段階ぐらいが適切である。
また、アルカリ燃料電池及び第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池は、アルカリ水電解装置、第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ水電解装置の１つに対して１つ設けても、複数のアルカリ水電解装置に対して１つ設けてもよい。
更に、前記アルカリ燃料電池及び前記第２、第３・・・第ｎ個のアルカリ燃料電池から回収された水は、アルカリ水電解装置における電解により消失する水の補給用として使用しても、濃色される原料水に供給してもよい。
【実施例】
【００６１】
次に、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６２】
＜実施例１＞
不純物を含有しないトリチウム水を含む原料水の模擬液（以下、模擬液と呼ぶ）として、以下の成分の模擬液を使用した。
模擬液：１８０Ｌ
模擬液中のトリチウムの初期濃度：４．２×１０6Ｂｑ／Ｌ
図２に示すように、上記した模擬液、１８０Ｌを入れた原料水貯蔵タンク１１を用意した。本試験では、原料水貯蔵タンク１１から処理槽１２を介して循環タンク１４に供給した。具体的には、原料水貯蔵タンク１１より、模擬液９．６７Ｌ／日を、処理槽１２を介してポンプ１８により循環タンク１４に供給した。本試験では、アルカリ水電解装置において、模擬液からなる電解液を連続的に供給し、電解液を循環しながら連続電解を行った。
【００６３】
具体的には、循環タンク１４には、模擬液９．６０Ｌ／日がポンプ１８より供給されるとともに、アルカリ水が供給され、混合されて、アルカリ濃度２０質量％に調整された９．６７Ｌ／日の電解液とされ、該電解液を循環しながら連続電解が行われる。
アルカリ水電解槽１３内の電解液は、３０Ｌ（１５ｄｍ2セル（１５Ｌ）を２セル）、循環タンク１４及びパイプ等内の電解液量は、１２Ｌであり、全電解プロセス容量は、４２Ｌとなる。循環タンク１４内でアルカリを混合して得た、アルカリ濃度２０質量％に制御した電解液を、供給ポンプ１８を介して循環パイプ１９によりアルカリ水電解槽８の陽極室１５に供給するとともに、供給ポンプ１８を介して循環パイプ１９によりアルカリ水電解槽８の陰極室１６に供給した。濃度２０質量％のアルカリ水に調整された電解液は、電解され、電解液は、隔膜を介して電気分解された。陽極室１５においては、酸素ガスが生成され、生成した酸素ガスと電解液とに気液分離され、分離された電解液は、電解液循環パイプ１９により、循環タンク１４に循環した。同時に、陰極室１６内においては、水素ガスが生成し、生成した水素ガスと電解液とに気液分離され、分離された電解液は、電解液循環パイプ１９により、循環タンク１４に循環した。
【００６４】
上記したように、本実施例では、図２に示す方法で、模擬液を原水としてアルカリ水電解法で電気分解し、原水を酸素と水素に分解し、原水中の水分子として存在するトリチウムをトリチウム分子とし、原水から分画した。水は、電気分解により水素と酸素ガスにのみ分解された。従って、初期アルカリ濃度の調整以降は、電気分解で減少した水相当量の原水（模擬液）を、循環する電解液に供給しながら電解を行った。尚、アルカリ濃度を初期濃度に維持するため、必要な場合、原水に加えて蒸留水又は純水を追加供給してもよい。
【００６５】
本実施例では、アルカリ水電解装置におけるアルカリ連続電解を、以下の条件で行った。
電解セル：１５ｄｍ2セル（１５Ｌ）を２セル（３０Ｌ）使用
運転電密：４０Ａ／ｄｍ2
苛性濃度：ＮａＯＨ、２０質量％
膜：隔膜
陽極／陰極：Ｎｉ基材＋活性コーティング
循環：外部循環システム
水封：ガス圧コントロールのため水封システム
５０−１００ｍｍＨ2Ｏ陰極加圧
電解液容量：４２Ｌ（電解セル：３０Ｌ、循環パイプ等：１２Ｌ）
電解電流は、６００Ａ（１５ｄｍ2×４０Ａ／ｄｍ2）とした。
【００６６】
連続電解方式では、上記したように、電気分解で分解消失した水に相当する量の原水（模擬液）をプロセスへ連続的に供給し、常にプロセス内の電解槽内の液量や循環ポンプの吐出量など物理的運転環境が同一に維持されるようにして運転する。連続的に原水を供給する場合は、プロセス内のトリチウム濃度は、模擬液の濃度に維持する運転となり、電解槽内のトリチウムが濃くならなかった。従って、この連続運転条件では、電気分解で発生するガスは、軽水とトリチウム水との濃度比に相当する比率で転換するものとする。
この時の電解液循環液量は、４２Ｌであり、１５．２日間（３６５時間）で１８０Ｌのトリチウム水含有水は、４２Ｌに減量化した。
【００６７】
アルカリ水電解装置は、電解開始時においては、通常の駆動電源により電解を開始し、電解により生成した酸素ガスが１．０４４Ｌ以上、及び水素ガスが２．０８８Ｌ以上になったとき、図３に示すアルカリ燃料電池に供給した。アルカリ燃料電池は、ＮａＯＨ、２０質量％のアルカリ水溶液よりなる電解液が４級アンモニウム基を有する陰イオン交換膜に含浸させた後、前記アルカリ水電解装置によって生成された酸素ガスを、正極触媒層２２側に設けられた流路２６より、アルカリ燃料電池内に供給し、アルカリ水電解装置によって生成された水素ガスは、負極触媒層側に設けられた流路２７より、アルカリ燃料電池に供給される。
正極触媒層２２側に設けられた流路２６より、アルカリ燃料電池に供給された酸素ガスは、ガス拡散層２３を通過し、正極触媒層２２により、水と反応し、水酸イオン（ＯＨ-）が生成され、この水酸イオン（ＯＨ-）が、陰イオン交換膜２１を通り、負極触媒層側に移行し、水素ガスと反応し、水が生成される。アルカリ燃料電池に送られた水素ガス及び酸素ガスは、６０％が反応に寄与し、電気エネルギーと水が得られた。反応に寄与しなかった水素ガスと酸素ガスは、外部に放出された。
アルカリ燃料電池の反応式は、次の通りである。
全体            ２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ
燃料極（負極）  ２Ｈ2＋４ＯＨ-→４Ｈ2Ｏ＋４ｅ-
酸素極（正極）  Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ-
正極材量及び負極材料としては、カーボンブラック担体上に白金触媒あるいはルテニウム−白金合金触媒を担持した電極材料が使用された。
得られた電気エネルギーは、アルカリ水電解装置に送られ、その電源として使用され、水は、アルカリ水電解装置の補給水としてアルカリ水電解装置に送られた。
熱力学的には、投入されたガスの６割が電気エネルギーとして回収された。
【００６８】
＜実施例２＞
実施例１で使用した原料水を純水に代え、その他の条件は、実施例１と全く同様にして実施した結果、実施例１と同じ結果が得られた。
【００６９】
＜実施例２＞
図４に示すように、アルカリ水電解装置１とアルカリ燃料電池２に対して、第２、第３、第４のアルカリ水電解装置と第２、第３のアルカリ燃料電池とをカスケード方式により接続した。
原料水として、実施例１において使用した汚染水１８０Ｌを使用し、先ず、アルカリ水電解装置を外部電力により起動し、得られた水素ガスと酸素ガスとアルカリ燃料電池に送り、アルカリ燃料電池により、電気エネルギーと水を回収し、得られた電気エネルギーにより電解を継続するとともに、得られた水をアルカリ水電解装置の補助水として使用し、アルカリ水電解を継続し、汚染水を濃縮し、濃縮された汚染水を第２のアルカリ水電解装置に送り、上記と同様にして第２のアルカリ燃料電池により電気エネルギーと水を回収し、第２のアルカリ水電解装置を継続する。
同様にして第３、第４のアルカリ水電解装置により電解を継続し、濃縮された汚染水を更に濃縮する。
その結果、アルカリ水電解装置による電解処理により、汚染水は、一回のカスケード処理で３．２倍の濃縮が達成され、第４段のカスケード処理をすることで、原料水中の濃度の１００倍以上に濃縮化することができた。また、燃料電池の重水濃縮機能と発生電力を活用することで汚染水の濃縮と処理エネルギーの格段の低減が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池（ＡＦＣ）を組み合わせることにより、前記アルカリ水電解装置及び前記アルカリ燃料電池において必要とされる電力、該電力の原料となる水素ガス及び酸素ガス、前記アルカリ水溶液からなる電解液及び前記電解処理によって消失する原料水に相当する量の水を、水処理システム内において循環使用し、原料成分、中間製品を相互に有効活用し、アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を効率よく運転することができるので、電力コストを大幅に削減することができるとともに、アルカリ水電解により生成する酸素ガスは、純度の高い酸素ガスであるので、電解液の劣化の問題は生じない。また、電解質が水溶液であるため、設備も安価となり、その活用範囲は、汚染水の処理を始めとして、幅広い用途に応用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１：アルカリ水電解装置
２：アルカリ燃料電池
３：アルカリ水溶液よりなる電解液
４：原料水
５：水
６：水素ガス
７：酸素ガス
９：電力エネルギー
１０：水
１１：原料水貯蔵タンク
１２：原料水処理槽
１３：アルカリ水電解槽
１４：循環タンク
１５：陽極を収容する陽極室
１６：陰極を収容する陰極室
１７：陽極室１５と陰極室１６とを区画する隔膜
１８：ポンプ
１９：電解液循環パイプ
２０：セパレーター
２１：陰イオン交換膜
２２：正極触媒層
２３：ガス拡散層
２４：負極触媒層
２５：ガス拡散層
２６：酸素ガスの流路
２７：水素ガスの流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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