(57)【要約】【課題】より高純度の酸素を製造することができる精製酸素製造装置および精製酸素製造方法を提供する。【解決手段】精製酸素製造装置１０Ａは、反応媒体として水２１を電気分解して粗製酸素ガス２４Ａおよび水素ガス２３を製造する電気分解部１１と、粗製酸素ガス２４Ａに含まれる不純物α１を除去して、精製酸素ガス２４Ｃを生成する不純物除去部１３と、を具備してなり、不純物除去部１３が、不純物α１を、酸化触媒を用いて変性物α２に変性させる変性部２６Ａと、変性物α２を粗製酸素ガス２４Ａから除去する変性物除去部２７とを具備してなる。【選択図】  図１
2017000923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応媒体を電気分解して粗製酸素ガスおよび副生成物を製造する電気分解部と、
前記粗製酸素ガスに含まれる不純物を除去して精製酸素ガスを生成する不純物除去部と、
を具備してなり、
前記不純物除去部が、前記不純物を、酸化触媒または溶剤を用いて変性物に変性させる変性部と、前記変性物を前記粗製酸素ガスから除去する変性物除去部とを具備してなることを特徴とする、精製酸素製造装置。
【請求項２】
前記変性物除去部が、前記変性物を吸着する吸着材、または前記粗製酸素ガスから前記変性物を分離するフィルターとの何れか一方または両方を具備してなる、請求項１に記載の精製酸素製造装置。
【請求項３】
前記変性物除去部が、直列または並列に２つ以上具備されてなる、請求項１または２に記載の精製酸素製造装置。
【請求項４】
前記反応媒体が、水、アルカリ性水溶液または二酸化炭素を含むガスである、請求項１〜３の何れか一項に記載の精製酸素製造装置。
【請求項５】
前記反応媒体が、前記アルカリ性水溶液であり、
前記不純物が、前記アルカリ性水溶液中に含まれていたアルカリ成分であり、
前記変性部が、前記アルカリ性水溶液中に含まれていたアルカリ成分を変性物に変性させるものである、請求項４に記載の精製酸素製造装置。
【請求項６】
前記反応媒体が、前記二酸化炭素を含むガスであり、
前記不純物が、前記二酸化炭素を含むガスを電気分解した際に生じた一酸化炭素または炭素を含むガスであり、
前記変性部が、前記電気分解部において前記一酸化炭素または炭素を含むガス中の一酸化炭素または炭素を変性物に変性させるものである、請求項４に記載の精製酸素製造装置。
【請求項７】
前記不純物除去部から排出される前記精製酸素ガスを貯蔵する精製酸素貯蔵部と、前記電気分解部で生じた前記副生成物を貯蔵する副生成物貯蔵部との何れか一方または両方をさらに具備してなる、請求項１〜６の何れか一項に記載の精製酸素製造装置。
【請求項８】
前記電気分解部が、前記粗製酸素ガスまたは前記副生成物の漏えいを検出する検出部をさらに具備してなる、請求項１〜７の何れか一項に記載の精製酸素製造装置。
【請求項９】
太陽光、風力、水力、または地熱の自然エネルギーを用いて得られた電力が、前記電気分解部の電力として用いられる、請求項１〜８の何れか一項に記載の精製酸素製造装置。
【請求項１０】
反応媒体を電気分解して粗製酸素ガスおよび副生成物を製造する電気分解工程と、
前記粗製酸素ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去工程と、
を含み、
前記不純物除去工程が、酸化触媒または溶剤を用いて前記不純物を変性物に変性させる変性工程と、前記変性物を前記粗製酸素ガスから除去する変性物除去工程とを含むことを特徴とする、精製酸素製造方法。
【請求項１１】
前記変性物除去工程において、前記変性物が、吸着材により吸着され、または前記粗製酸素ガスからフィルターにより分離されることとの何れか一方または両方によって除去される、請求項１０に記載の精製酸素製造方法。
【請求項１２】
前記反応媒体として、水、アルカリ性水溶液、または二酸化炭素を含むガスを用いる、請求項１０または１１に記載の精製酸素製造方法。
【請求項１３】
前記反応媒体として、前記アルカリ性水溶液を用い、
前記変性工程において、前記アルカリ性水溶液中のアルカリ成分を変性物に変性させる、請求項１２に記載の精製酸素製造方法。
【請求項１４】
前記反応媒体として、前記二酸化炭素を含むガスを用い、
前記変性工程において、前記二酸化炭素を含むガスを電気分解して生じた一酸化炭素または炭素を含むガス中の一酸化炭素または炭素を変性物に変性させる、請求項１２に記載の精製酸素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、精製酸素製造装置および精製酸素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇、および大気中への二酸化炭素（ＣＯ２）の放出による地球温暖化などの環境問題などに対する有効な対策として、太陽光、風力、水力、地熱などの再生可能エネルギーの発電プラントへの導入が推進されている。これらの再生可能エネルギーを用いて得られる電力は出力が安定しないなどの欠点を有しているため、再生可能エネルギーを用いて得られた電力の一部は、蓄電池などへの貯蔵が検討されている。今後、発電プラントの大型化などに伴って貯蔵される電力量も増大するため、蓄電池の設置数を増加させる必要がある。
【０００３】
そこで、蓄電池以外の電力の貯蔵方法として、得られた電力を水素などの二次エネルギーに変換して貯蔵する方法などが提案されている。例えば、得られた電力を用いて水などを電気分解して水素および酸素を製造し、得られた水素を貯蔵する方法などがある。貯蔵された水素は、燃料電池などを用いて、再度、電力に変換することができる。また、貯蔵された水素を水素化物など別の形態に変換して燃料などに利用することもできる。
【０００４】
また、水などを電気分解すると水素以外に酸素も製造されるが、製造された酸素はそのまま外部に排出されることが多く、酸素をそのまま外部に排出した場合、電気分解に利用したエネルギーの一部を外部に排出していることになる。そこで、水などの電気分解により生じた酸素は、燃料電池で空気の代替品として使用したり、製鉄所などで石炭など化石燃料の燃焼に利用して、酸素を有効利用する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３６３７７９号公報
【特許文献２】特開２０１２−５２１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水などを電気分解して得られた酸素を含むガス（酸素ガス）には、水などの溶媒中に含まれる不純物や、酸素と同時に発生する水素などが混入する可能性がある。そのため、このようにして得られた酸素ガスを、上記のように、燃料電池や製鉄所、さらには一般の用途など広範囲でさらに安定かつ安全に利用する上で、酸素ガス中に含まれる不純物を除去する必要がある。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、より高純度の酸素を製造することができる精製酸素製造装置および精製酸素製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一の実施形態による精製酸素製造装置は、反応媒体を電気分解して粗製酸素ガスおよび副生成物を製造する電気分解部と、前記粗製酸素ガスに含まれる不純物を除去して精製酸素ガスを生成する不純物除去部と、を具備してなり、前記不純物除去部が、前記不純物を、酸化触媒または溶剤を用いて変性物に変性させる変性部と、前記変性物を前記粗製酸素ガスから除去する変性物除去部とを具備してなる。
【０００９】
別の実施形態による精製酸素製造方法は、反応媒体を電気分解して粗製酸素ガスおよび副生成物を製造する電気分解工程と、前記粗製酸素ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去工程と、を含み、前記不純物除去工程が、酸化触媒または溶剤を用いて前記不純物を変性物に変性させる変性工程と、前記変性物を前記粗製酸素ガスから除去する変性物除去工程とを含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、より高純度の酸素を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態による酸素製造装置の構成を示す概略図である。
【図２】触媒部の担体の形状の一例を示す図である。
【図３】触媒部の担体の形状の一例を示す図である。
【図４】不純物の変換の状態を示す説明図である。
【図５】不純物の変換の状態を示す説明図である。
【図６】不純物除去部の構成の変形例の一例を示す図である。
【図７】不純物除去部の構成の変形例の一例を示す図である。
【図８】第２の実施形態による酸素製造装置の構成を示す概略図である。
【図９】第３の実施形態による酸素製造装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
第１の実施形態による精製酸素製造装置について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、反応媒体として水を用いる場合について説明する。図１は、第１の実施形態による酸素製造装置の構成を示す概略図である。図１に示すように、精製酸素製造装置１０Ａは、電気分解部１１と、水素貯蔵タンク（副生成物貯蔵部）１２と、不純物除去部１３Ａと、酸素貯蔵タンク（酸素貯蔵部）１４とを有する。
【００１４】
電気分解部１１は、水供給ラインＬ１１を介して供給される水２１を、外部から供給される電力２２を用いて電気分解して、酸素ガス（粗製酸素ガス）２４Ａと、副生成物である水素ガス２３とを発生する。本実施形態においては、電気分解部１１は、例えば、電解質膜（イオン交換膜）と、電解質膜を挟むように設けられた反応促進用の電極と、電極の両側に外部電力を供給するための給電体とを備えた電気分解セルを複数積層、集積、または集合させて構成されている。電解質膜としては、例えば、固体高分子電解質膜、固体酸化物電解質膜などを用いることができる。固体酸化物電解質膜として、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などを用いることができる。電極としては、電極材料として公知のものを用いることができ、例えば、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｕなどを用いることができる。また、電解質膜として、ＹＳＺなどで形成された固体酸化物電解質膜を用いられる場合、例えば、ニッケルとランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）との混合物からなる触媒粒子などを用いることができる。電気分解部１１では、以下の反応式（１）に示すように、水２１が電気分解されて、水素ガス２３および粗製酸素ガス２４Ａが発生するようになっている。
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２  ・・・（１）
【００１５】
また、電気分解部１１は、水２１に限定されるものではなく水蒸気を電気分解して水素ガス２３および粗製酸素ガス２４Ａを発生させるようにしてもよい。
【００１６】
また、電気分解部１１は、水２１を電気分解して生じた水素ガス２３および粗製酸素ガス２４Ａの漏えいを検出する検出部２５を備えることが好ましい。電気分解部１１に検出部２５を設けることで、電気分解部１１で生じた水素ガス２３および粗製酸素ガス２４Ａの漏えいを検出することができる。
【００１７】
電気分解部１１で生じた水素ガス２３は、水素ガス供給ラインＬ１２を通って水素貯蔵タンク１２に供給され、粗製酸素ガス２４Ａは酸素ガス供給ラインＬ１３を通って不純物除去部１３Ａに供給される。
【００１８】
電力２２としては、太陽光、風力、水力、または地熱などの自然エネルギーを用いて得られた電力を用いてもよい。自然エネルギーを用いて得られた電力を用いることにより、発電設備などで発電時に二酸化炭素（ＣＯ２）が排出されることを抑制できるため、ＣＯ２が大気中に排出されるに起因して生じる温暖化などの環境負荷を低減することができる。
【００１９】
水素貯蔵タンク１２は、電気分解部１１で生じた水素ガス２３を貯蔵する。水素ガス２３は、水素貯蔵タンク１２に、例えば、常圧気体、加圧気体、液体などの形態で水素貯蔵タンク１２内に貯蔵してもよいし、他の物質と結合させた形態に変換して水素貯蔵タンク１２内に貯蔵してもよい。水素貯蔵タンク１２に貯蔵された水素ガス２３は、水素ガス排出ラインＬ１４を通って、発電装置など外部に供給される。
【００２０】
不純物除去部１３Ａは、粗製酸素ガス２４Ａに含まれる不純物α１を除去するものである。不純物除去部１３Ａは、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる不純物α１を変性物α２に変性させる変性部２６と、変性部２６で生じた変性物α２を粗製酸素ガス２４Ａから除去する変性物除去部２７とを備えている。
【００２１】
なお、本明細書において、変性させるとは、不純物α１を変性物除去部２７で吸着剤やフィルターなどによって除去するのに有利な形態または物質などに変換することをいい、変性物α２とは、不純物α１を上記のように変性させたものをいう。例えば、不純物α１が水２１を電気分解した際に生じた水素などである場合、変性物α２は水素が酸化されて生じた水などをいう。
【００２２】
変性部２６は、不純物α１を変性物α２に変性させる酸化触媒と、酸化触媒を担持するための担体とを有する。酸化触媒を形成する材料としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｅなどを用いることができる。特に、これらの中でも、Ｐｔなどは、例えば、室温〜３００℃のような低温でも活性が向上するため、不純物α１を変性させる酸化触媒として好ましい。酸化触媒は、上記材料を１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。担体に酸化触媒を担持させる場合、担持させる方法に特に制限は無く、例えば、共沈法、熱分解法、無電解めっき法などを用いることができる。
【００２３】
担体は、通気可能な空隙を有する構造体であり、粗製酸素ガス２４Ａは担体の空隙の間を通って通過することができる。担体としては、例えば、多孔質体、繊維集合体などに形成された構造体を用いることができる。多孔質体を形成する材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｅ、Ｚｒなどの金属、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯなどの酸化物やこれらの複合酸化物、活性炭などを用いることができる。多孔質体としては、例えば、図２に示すように、断面がハニカム形状に形成された連通孔を有する円筒型の構造体、図３に示すように、断面が四角形状に形成された連通孔を有する筒状の構造体などが挙げられる。繊維集合体は、３次元の網目構造に形成され、繊維集合体としては、繊維、布、不織布などの圧縮成形体などが挙げられる。
【００２４】
多孔質体の空孔率は、粗製酸素ガス２４Ａを取り込む空間を確保しつつ、粗製酸素ガス２４Ａとの接触面積を大きく確保して、粗製酸素ガス２４Ａ中の不純物α１の変形効率を向上させる観点から、例えば、３０〜９９．９％であることが好ましい。なお、空孔率（％）は、（１−（多孔質体の密度／材質の密度））×１００で計算して求められる。
【００２５】
多孔質体表面の連通孔の平均孔径は、粗製酸素ガス２４Ａを取り込む空間を確保しつつ、粗製酸素ガス２４Ａとの接触面積を大きく確保して、粗製酸素ガス２４Ａ中の不純物の変形効率を向上させることができる大きさであればよい。なお、平均孔径は、例えば、多孔質体表面を顕微鏡観察して測定した連通孔の平均から求められる。
【００２６】
担体を形成する材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯなどの酸化物やこれらの複合酸化物、ペロブスカイト型酸化物、ケイ酸塩、アルミナ珪酸ガラスなどを用いることができる。ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ＬａＳｒＧａＭｇ酸化物、ＬａＳｒＧａＭｇＣｏ酸化物、およびＬａＳｒＧａＭｇＣｏＦｅ酸化物などを用いることができる。ケイ酸塩として、例えば、コーディエライト（Ｍｇ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８）などを用いることができる。担体は１種でもよいし、２種以上を任意の比率で組み合わせたものでもよい。
【００２７】
変性部２６では、粗製酸素ガス２４Ａが変性部２６を通過する際に酸化触媒と接触して、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる不純物α１が酸化触媒により酸化されて変性物α２に変換される。不純物α１が、例えば、粗製酸素ガス２４Ａ中に残留する水素である場合には、例えば、図４に示すように、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる水素が変性部２６を通過する際に、図５に示すように、酸化触媒の担体２８に担持されている酸化触媒２９と粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる水素が酸化触媒の担体２８に担持されている酸化触媒２９と酸化反応して、変性物α２として水が生成される。
【００２８】
また、変性部２６では、酸化触媒の活性を高めて、不純物α１の酸化を効果的に進行するため、変性部２６に外部より、加熱ヒータなどの加熱手段を用いて、酸化触媒を、例えば、５０〜３００℃に加熱することが好ましい。酸化触媒を上記温度範囲内に加熱して、酸化触媒を活性化することにより、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる不純物α１は酸化触媒により酸化され易くなるため、これらの変性物α２への変換効率を向上させることができる。
【００２９】
なお、本実施形態においては、変性部２６Ａが酸化触媒を備える場合について説明したが、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる不純物α１を変性物α２に変性する溶剤などを用いてもよい。
【００３０】
変性部２６Ａを通過した粗製酸素ガス２４Ｂは、変性物除去部２７に供給される。
【００３１】
変性物除去部２７では、粗製酸素ガス２４Ｂに含まれる変性物α２が除去される。これにより、不純物を含まない、高純度の酸素ガス（精製酸素ガス）２４Ｃが得られる。
【００３２】
変性物除去部２７としては、例えば、不純物α１を吸着する吸着材、または粗製酸素ガス２４Ｂから変性物α２を分離するフィルターなどを使用することができる。変性物除去部２７が吸着材である場合、変性部２６Ａから供給される粗製酸素ガス２４Ｂは、変性物除去部２７を通過する際に、吸着材と接触して粗製酸素ガス２４Ｂ中に含まれる変性物α２が吸着材に吸着して除去される。また、変性物除去部２７がフィルターを備えている場合、変性部２６Ａから供給される粗製酸素ガス２４Ｂは、変性物除去部２７を通過する際に、フィルターに粗製酸素ガス２４Ｂ中に含まれる変性物α２がトラップされて、粗製酸素ガス２４Ｂから除去される。
【００３３】
吸着材として、例えば、ゼオライト、活性炭、シリカゲル、メソポーラスシリカ、アルミナ、カーボンナノチューブなどを用いることができる。吸着材は、粗製酸素ガス２４Ｂ中に含まれる変性物α２の種類に応じて適宜選択される。吸着材は、上記材料を１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。吸着材は、例えば、２０Å以下、好ましくは１０Å以下、より好ましくは３Å〜１０Åの細孔径を有することが好ましい。吸着剤の細孔径が上記範囲内であれば、粗製酸素ガス２４Ｂ中の変性物α２の吸着力の低下を抑制することができる。なお、吸着材には、不純物α１以外に、粗製酸素ガス２４Ａの主成分である酸素が一部吸着されてもよい。また、吸着材の吸着性能が低下した場合には、吸着材が充填されている充填容器ごと交換してもよいし、吸着材に圧力または熱などを加えて、吸着材に吸着された不純物α１などを除去し、吸着材を再生してもよい。
【００３４】
フィルターとして、例えば、カートリッジ本体内に、親水性繊維または疎水性繊維からなる繊維層を収容して構成されたフィルターなどを用いることができる。
【００３５】
また、変性物除去部２７は、粗製酸素ガス２４Ｂに含まれる変性物α２以外に、粗製酸素ガス２４Ｂに残留する不純物α１や変性部２６Ａで除去されなかった不純物を除去することもできる。
【００３６】
変性物除去部２７で粗製酸素ガス２４Ｂに含まれる変性物α２などが除去された後、高純度の精製酸素ガス２４Ｃは、精製酸素ガス供給ラインＬ１５を通って酸素貯蔵タンク１４に供給される。
【００３７】
酸素貯蔵タンク１４は、不純物除去部１３Ａから排出される精製酸素ガス２４Ｃを貯蔵する。精製酸素ガス２４Ｃは、酸素貯蔵タンク１４内に、常圧気体の状態のまま貯蔵される。酸素貯蔵タンク１４に貯蔵された精製酸素ガス２４Ｃは、酸素ガス排出ラインＬ１６を通って、発電装置などに供給される。
【００３８】
このように、本実施形態によれば、精製酸素製造装置１０Ａは、電気分解部１１と酸素貯蔵タンク１４との間に不純物除去部１３Ａを備えているため、電気分解部１１で生じた粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる不純物を除去することができる。このような構成とすることにより、精製酸素製造装置１０Ａは、電気分解部１１で生じた粗製酸素ガス２４Ａを酸素貯蔵タンク１４に貯蔵する前に、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる不純物α１などを予め除去し、粗製酸素ガス２４Ａをさらに高濃度に精製することができるため、より高純度の酸素ガスを製造することができる。
【００３９】
例えば、一般に市販されている酸素ガスの酸素濃度は、例えば、９９．９９％以上とする必要がある。精製酸素製造装置１０Ａによれば、精製酸素ガス２４Ｃの酸素濃度を９９．９９％以上にすることができ、さらに９９．９９９９％以上にすることができる。このため、精製酸素製造装置１０Ａは、より高純度の酸素ガスを提供することができるため、燃料電池、製鉄所に供給することができる上、医療施設などのように特に高純度の酸素を必要とする設備などにも供給することが可能となる。
【００４０】
また、精製酸素製造装置１０Ａによれば、変性部２６Ａが低温でも不純物α１を変性物α２に変形可能な酸化触媒を備えることにより、酸化触媒を高温に燃焼して不純物α１を変形させる場合に比べて、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる不純物α１をより低いエネルギーで変性させることができる。
【００４１】
また、精製酸素製造装置１０Ａによれば、変性物除去部２７は、吸着材、フィルターなどが用いられ、圧力スイング吸着法や温度スイング吸着法を用いた装置などを使用する必要がないため、装置を大がかりにすることなく使用することができる。また、吸着材、フィルターなどの交換は短時間で簡易に行うことができる。そのため、精製酸素製造装置１０Ａをコンパクトにしつつ簡易な構成としても高純度の酸素ガスを製造することができる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、電気分解部１１で生じた水素ガス２３も貯蔵しているため水素を燃料として発電を行う固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などに有効に利用することができる。このため、精製酸素製造装置１０Ａを、水を電気分解して水素の製造を行う固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）として用い、固体酸化物型燃料電池と組合せることにより、水素電力貯蔵システムとして有効に用いることができる。
【００４３】
また、本実施形態においては、変性物除去部２７を１つ設けるようにしているが、これに限定されるものではなく、複数設けるようにしてもよい。例えば、図６に示すように、不純物除去部１３Ａは、第１の変性物除去部２７Ａおよび第２の変性物除去部２７Ｂを直列に２つ備えるようにしてもよい。粗製酸素ガス２４Ｂを、第１の変性物除去部２７Ａおよび第２の変性物除去部２７Ｂに連続して通すことにより、本来、精製酸素ガス２４Ｃ中に残留する可能性のある不純物も第２の変性物除去部２７Ｂで除去することができるため、さらに高純度の精製酸素ガス２４Ｃを得ることができる。
【００４４】
また、図７に示すように、第２の変性物除去部２７Ｂをガス分岐通路Ｌ２１に設け、第１の変性物除去部２７Ａおよび第２の変性物除去部２７Ｂを並列に配置した構成としてもよい。この場合には、酸素ガス供給ラインＬ１３には調節弁Ｖ１１が設けられ、精製酸素ガス供給ラインＬ１５には調節弁Ｖ１２が設けられ、ガス分岐通路Ｌ２１には第２の吸着部２６Ｂの前後に調節弁Ｖ１３、Ｖ１４がそれぞれ設けられている。これらの調節弁Ｖ１１〜Ｖ１４は、粗製酸素ガス２４Ａのガス流路に応じて、その開閉が適宜調整される。
【００４５】
第１の変性物除去部２７Ａおよび第２の変性物除去部２７Ｂを並列に配置することにより、第１の変性物除去部２７Ａまたは第２の変性物除去部２７Ｂを交互に使用することができる。そのため、第１の変性物除去部２７Ａまたは第２の変性物除去部２７Ｂの一方に粗製酸素ガス２４Ａを供給している間は、他方への粗製酸素ガス２４Ａの供給を停止して、、第１の変性物除去部２７Ａまたは第２の変性物除去部２７Ｂの交換または再生を行うことができるため、安定して粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる不純物α１を除去することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
第２の実施形態による酸素製造装置について、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、本実施形態においては、反応媒体として、アルカリ成分を含むアルカリ性水溶液を用いる場合について説明する。
【００４７】
図８は、第２の実施形態による酸素製造装置の構成を示す概略図である。図８に示すように、精製酸素製造装置１０Ｂは、図１に示す第１の実施形態による精製酸素製造装置の不純物除去部１３Ａの変性部２６として、アルカリ成分変性部３１を用いたものである。すなわち、精製酸素製造装置１０Ｃは、アルカリ成分変性部３１と、変性物除去部２７とを備えた不純物除去部１３Ｂを有するものである。
【００４８】
電気分解部１１には、アルカリ性水溶液供給ラインＬ２２を介してアルカリ性水溶液３２が供給され、電気分解部１１では、アルカリ性水溶液３２中の水が電気分解されて、水素ガス２３および粗製酸素ガス２４Ａが製造される。
【００４９】
アルカリ性水溶液３２に含有されるアルカリ成分としては、例えば、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、その他の金属塩、アンモニウム塩、ホスホニウム塩などを用いることができるが、取扱い性の観点から、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２などを好ましく用いることができる。アルカリ成分は、１種単独で使用してもよいし、２種以上混合して使用してもよい。電気分解部１１で、アルカリ性水溶液３２が電気分解されると、これらのアルカリ成分が粗製酸素ガス２４Ａ中に不純物α１として含まれる場合がある。電気分解部１１で生じた粗製酸素ガス２４Ａは、アルカリ成分変性部３１に供給される。
【００５０】
アルカリ成分変性部３１は、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれた不純物α１を変性して変性物α２とするものであり、アルカリ成分変性部３１は、アルカリ成分を中和して他の形態にする溶剤などを用いることができる。アルカリ成分を中和して他の形態にする溶剤として、例えば、塩酸や硫酸などの酸性溶液などを用いることができる。
【００５１】
粗製酸素ガス２４Ａは、アルカリ成分変性部３１において、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれるアルカリ成分が変性物α２に変換された後、排出される。そして、変性物除去部２７から排出される粗製酸素ガス２４Ｂは、変性物除去部２７に供給されると、粗製酸素ガス２４Ｂに含まれる変性物α２が除去され、不純物を含まない、精製酸素ガス２４Ｃが変性物除去部２７から排出される。
【００５２】
よって、精製酸素製造装置１０Ｂによれば、粗製酸素ガス２４Ａ中に、アルカリ性水溶液３２に含まれていたアルカリ成分が含まれた場合でも、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれるアルカリ成分を効率良く除去して、精製酸素ガス２４Ｃを得ることができる。アルカリ性水溶液３２を用いて電気電解した場合、アルカリ成分に起因した不純物が多く発生するため、粗製酸素ガス２４Ａ中には不純物が多く含まれる可能性がある。したがって、本実施形態によれば、粗製酸素ガス２４Ａ中にこうした不純物が多く含まれているような場合であっても、粗製酸素ガス２４Ａを有効に利用して高純度の酸素ガスを得ることができる。
【００５３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態による精製酸素製造装置について、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、本実施形態においては、反応媒体として、水に代えて二酸化炭素（ＣＯ２）含有ガスを用いる場合について説明する。
【００５４】
図９は、第３の実施形態による精製酸素製造装置の構成を示す概略図である。図９に示すように、精製酸素製造装置１０Ｃは、図１に示す第１の実施形態による酸素製造装置の不純物除去部１３Ａの変性部２６として、一酸化炭素（ＣＯ）変性部４１を用いたものである。すなわち、精製酸素製造装置１０Ｃは、ＣＯ変性部４１と、変性物除去部２７とを備えた不純物除去部１３Ｃを有するものである。
【００５５】
本実施形態では、電気分解部１１は、ＣＯ２を電気分解するため、電解質膜としては、ＹＳＺで形成された固体酸化物電解質膜などを用いることができる。電極としては、ニッケルとＬＳＭとを含む混合物からなる触媒粒子は、ＣＯ２分解触媒としての機能を有することから、この混合物を用いて形成された触媒粒子などを用いることができる。また、電気分解部１１の内部は、ヒータなどで８００〜９００℃に加熱される。
【００５６】
電気分解部１１には、ＣＯ２含有ガス供給ラインＬ３１を介してＣＯ２含有ガス４２が供給される。電気分解部１１では、ＣＯ２含有ガス４２中のＣＯ２が電気分解されて、粗製酸素ガス２４Ａが製造される。また、電気分解部１１からは、ＣＯ２含有ガス４２中のＣＯ２が電気分解された際に、副生成物として、ＣＯまたは炭素などを含む副生成物含有ガス４３が生成される場合がある。ＣＯや炭素などは、電気分解部１１における電位など電解条件などにより、副生成物含有ガス４３中に含まれる場合がある。副生成物含有ガス４３は、副生成物含有ガス供給ラインＬ３２を通って副生成物貯蔵タンク４４に貯蔵され、副生成物貯蔵タンク４４に貯蔵された副生成物含有ガス４３は、副生成物含有ガス排出ラインＬ３３を通って外部に排出される。また、副生成物含有ガス４３に含まれるＣＯや炭素などは、粗製酸素ガス２４Ａ中に不純物α１として含まれる場合がある。この場合、電気分解部１１で生じた粗製酸素ガス２４Ａは、不純物α１を含んだ状態でＣＯ変性部４１に供給される。
【００５７】
粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる不純物α１は、ＣＯ変性部４１において変性されて変性物α２に変換される。例えば、ＣＯまたは炭素は、変性物α２として、ＣＯ２などに戻される。ＣＯ変性部４１から排出された粗製酸素ガス２４Ｂは、変性物除去部２７に供給されると、変性物除去部２７において、粗製酸素ガス２４Ｂに含まれる変性物α２が除去され、不純物を含まない、精製酸素ガス２４Ｃが変性物除去部２７から排出される。
【００５８】
よって、精製酸素製造装置１０Ｃによれば、粗製酸素ガス２４Ａ中に、ＣＯ２含有ガス４２を電気分解した際に生じた副生成物が含まれた場合であっても、粗製酸素ガス２４Ａ中に含まれる副生成物を除去して、酸素濃度が高い精製酸素ガス２４Ｃを得ることができる。したがって、本実施形態によれば、粗製酸素ガス２４Ａ中にＣＯ２含有ガス４２の電気分解に起因して生じた不純物が含まれているような場合であっても、粗製酸素ガス２４Ａを有効に利用して高純度の酸素ガスを得ることができる。
【００５９】
なお、上記各実施形態においては、反応媒体として、水、アルカリ性水溶液、またはＣＯ２含有ガスの何れかを用いた場合について説明したが、電気分解部１１において酸素および水素が製造できればよく、水、アルカリ性水溶液、またはＣＯ２含有ガスの何れか２種以上を混合して使用してもよい。
【００６０】
以上の通り、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６１】
１０Ａ〜１０Ｃ  精製酸素製造装置
１１  電気分解部
１２  水素貯蔵タンク（副生成物貯蔵部）
１３Ａ  不純物除去部
１４  酸素貯蔵タンク（酸素貯蔵部）
２１  水
２２  電力
２３  水素ガス（副生成物）
２４Ａ、２４Ｂ  酸素ガス（粗製酸素ガス）
２４Ｃ  高純度の酸素ガス（精製酸素ガス）
２５  検出部
２６  触媒部（変性部）
２７  変性物除去部
２７Ａ  第１の変性物除去部
２７Ｂ  第２の変性物除去部
２８  担体
２９  酸化触媒
３１  アルカリ成分変性部
３２  アルカリ性水溶液
４１  一酸化炭素（ＣＯ）変性部
４２  ＣＯ２含有ガス
４３  副生成物含有ガス
４４  副生成物貯蔵タンク
Ｌ１１  水供給ライン
Ｌ１２  水素ガス供給ライン
Ｌ１３  酸素ガス供給ライン
Ｌ１４  水素ガス排出ライン
Ｌ１５  精製酸素ガス供給ライン
Ｌ１６  酸素ガス排出ライン
Ｌ２１  ガス分岐通路
Ｌ２２  アルカリ性水溶液供給ライン
Ｌ３１  ＣＯ２含有ガス供給ライン
Ｌ３２  副生成物含有ガス供給ライン
Ｌ３３  副生成物含有ガス排出ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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