TECHN/GAL

JVOTE

オンサイト型水電解水素酸素発生装置(HHOG)

コンプレッサーレス高圧水素ガス発生装置の原理

宝章

月彦

常務取締役
技術開発本部長
技術研究所長ま えがき

この時,水素を発生させるのに必要な電気量は次￠

水素の需要は1991年をピークに1993年までは減少をしてFaradayの電気分解の法則から求めることができる｡

いたが,半導体の増産に伴って回復基調を辿っており,午間で約1億6千万m3製造されている1)｡半導体製造用以外の主な用途は油脂,自動車ガラス,光ファイバーなどの製造用である｡一方,水素は石油,石炭,水力,原子力,太t Eq/96485

w‑I

ここで,

t:丑
Ⅰ:電流(A),w:発生するガス量(g),964854
Eq:発生ガスのグラム当量とし,Faraday定数F(クーロン‑As)である｡この式より,陽などの一次エネルギーからの変換がし易く,またクリー電時間(s),ンエネルギーとして地球環境保全の立場からも評価されており,将来の自動車,航空機などの燃料獲得手段としての

水素1Nm3を発生させるのに必要な電気量は2393Ahとプ開発も行なわれているo

それは新エネルギー･産業技術総る｡

合開発機構(NEDO)の水素利用国際クリーンエネルギー

一方,この反応の理論分解電圧は一般に次式で示されるシステム技術計画(WE‑NETプロジェクト)や接触水素化反応利用二酸化炭素固定化･有効利用技術研究開発に見Eoることができる2)3)｡
水素ガスソースはソーダ電解,コークス炉ガスなどのオ

ここで,EdO＋(RT/2F)

‑E｡0

1n

[(PB2)I (Po2)I/2/ar120](1)‥温度Tにおける標準理論分解電圧で,プ

フガスと石油ナフサなどが主であるが,物流コストの上昇∠G/2
電解反応のGibbsの自由エネルギー変化とはE㌔‑や輸送問題などがあって,水電解やメタノール分解などによるオンサイト化が進んでいる｡
水素ガスを利用する場合,一使用圧力が低ければオンサイの関係にある｡

ト発生装置から直接供給することができるが,高圧が必要な場合と,エネルギーとして使用する場合には2570kcal/Nm3れる｡純水を直接電気分解する固体高分子電解質膜の場合と低いためにコンプレッサーで水素ガスを圧縮してから輸㌔2, ㌔2 ‥水素および酸素の分圧(atm),

aH20･.溶液中の水の括量で,溶液の水蒸気庄と純水の水≠
気圧をPR20･ PB200とすると,
ali20
PB20/PE200で表わ;‑

pB20‑PI･Ⅰ200となるため,a1120‑1であるoまた,大知
あるいは等圧で運転する場合には,水素と酸素の分圧は空逮,貯蔵して使用するのが一般的である｡そこで高圧の水しく,また,全圧(P)より水蒸気庄を引いた借と同じ古素ガスを得る方法として,圧力容器内で水を電気化学的になるので,水素に分角卑して直接高圧水素を発生させる方法と,大気圧ようになるQ(1)式は次(PH2‑Po2‑P‑PH20で表わされ,i状態で発生させた水素をコンプレッサーを用いて機械的に昇圧する場合のエネルギーについて比較を行なってみた｡

Eo

EdO＋‑(RT/2F)1n(P‑P甘2.)3/2(2)

1.水電解時の水素発生用電力
水に接する固体高分子電解質膜に直流電流を流すと次のまた,標準理論分解電圧は次の近似式で与えられる｡

反応が起こって陽極で酸素が,陰極で水素が発生する4)0E｡0陽極‑=

陰極

∠G/2F

H20‑2H＋＋1/202?＋2e一＋9.84×

104

1nT

1.5184‑1.5421×10ー3T＋9.523×10￣￣5T･

2H十＋2e￣一H2†

神鋼パンテツク技報

Vol.

10￣8T240 No.

(3)

2 (1997/〜2.水電解時の昇圧用電力
水電解法で水素を発生させる時の操作庄力と理論分解電OxyE;en

圧の関係は(2)式で表わされる｡例えば,第1図に示す固体高分子電解質膜型の水素発生装置(fIHOG)4)を,iI

回車gaXsygen

Reliefv81ve

50 ℃,Hydrogen

1atmで運転する場合,(3)式からE｡0‑1.208(Ⅴ)が得られるoまたP‑
1PE20‑0･1218atm･
R‑8･31J/K･mol,ー㊦･‑‑･

Etectrolys[stank

Oxygen(Ⅴ)とF‑9.6485Ⅹ104C/molを(2)式に入れるとEo‑1.205

Hydrogen

Dryer,gas

H2/H20separatorE(ectroLysisなる｡

ce【ls一方,水素発生装置(HHOG)を同じ温度で100atmの高圧で運転する場合にはEo‑1.304(Ⅴ)となり,理論分解電圧は圧力を100atm上げるのに0.1(Ⅴ)多く必要となるだけである｡

Deionizedwater

この理論分解電圧は熱力学上の平衡電位であり,実際に発生を進行させるためには次式に示す陽極及び陰極の過電症(Ex)と膜抵抗(Rm),膜一電極間,電極一給電体間などの接触抵抗(Rc)の他に電極,給電体,端子などの電子伝導体の抵抗(Re)のオーム損(氏)との総和となり,Non･(eBenera伽e)Eishe(

第1図
Fig.

電解電圧(E)あるいはセル電圧と呼ばれる｡

窓‑㊨DrainHydrogen/Delonizedwater

高圧型HHOGフロー囲
1Flow

diagramof High‑Pressure

flfIOG

E‑Eo＋Ex＋R

合4段圧縮が一般的である｡今,

100Nm3/hの水素ガ:

R‑Rm＋Rc＋Reを50℃で,そして,これらの抵抗成分は圧力の影響を受けないので,ると,所要動力は36.4kWとなる｡ここでは水素の発生二法の違いによる電力差を除くため,固体高分子型水素発≠

1atmから100atmに昇圧する場合の理論動;は18.2kWとなるo
小容量の場合の断熱効率を50%と‑理論分解電圧の増加分だけセル電圧が増加することになる｡
例えば,水素100Nm3/hの発生装置に於ける1atmから100atmの昇庄に必要な所要動力は次のようになる｡
電流‑100×2393‑239300(A)

電力‑239300×0.1‑23930(W)

装置(HHOG)から発生する水素ガスを機械的に圧縮‑るものとして昇庄に必要な電力のみを算出した｡この結jより,機械式昇庄方式の方が電気化学的昇庄方式より戎1.5倍の動力が必要となる｡
むす び

(kW)

‑24

圧力容器内で水を電気分解して水素を発生させ,同時ら昇圧する水電解水素発生装置は次の特長を有する新しい:3.機械的昇圧の場合の電力
これまで水素ガスの昇庄はコンプレッサーを用いて機械的に行なうのが一般的である｡そこで,水素ガスをコンプレッサーで昇圧する時に必要な電力を次式より求めた｡

ンセプトに基づく装置である｡(1)コンプレッサーによる機械圧縮方式と比べ昇圧所害電力が2/3である｡(2)駆動部や摺動部を一切持たずに静的に昇庄が可能￣あるため,点検,保守,管理が容易である｡(1/0.612)

Ls‑(all)Ps･Qs･lmK/i(3)騒音を伴わずに高圧ガスを得られる｡(4)安全性でも優れている｡･((pd/Ps)((K‑1)/nlK)‑1)･(1/符)

本稿の作成に際し,大阪工業技術研究所竹中啓恭部長,当社技術開発本部三宅明子研究員,小林宏子研究員の各イ‑Lad･(1/77)のお力添えを頂きました事に深甚の謝意を表します｡[参考文献]

ここで,

Ls

Ps

:吸入圧力(kgf/cⅢfA),:所要動力(kW),Pdm:Qs :ガス量(m3/min),:吐出圧力(kgf/c｡fA),
圧縮段数,

K:断熱指数,

77 :断熱効率,

Lad:理論動力(kW)で表わされる｡
レシプロ型コンプレッサーで,

Vol.

40

No.

2

(1997/3)

1) 95年度版ガスジオラマ,㈱ガスレビュー

2) NEDOパンフレット｢水素利用国際クT)‑ンエネルギー技研
3) NEDOパンフレット｢接触水素化反応利用二酸化炭素固定化有効利用技術研究開発+
4)安井信一ほか:神鋼パンテツク技報,

100atmまで昇圧する場

Vol.40,No.

1 (1996

P.1

神鋼パンテツク技報11