JP2006291330A - Hydrogen production method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、電気分解によって水素を発生する水素製造方法及び装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen production method and apparatus for generating hydrogen by electrolysis.
電気分解によって水素を発生する水素製造方法としては、水を電気分解するものが古くから知られている。しかしながら、水の電気分解では、理論分解電圧が１．２３Ｖであって電解電圧をこれよりも低くすることが原理的にできず、また、使用する電極材料にも依存するが一般に電極における過電圧が大きいので、理論分解電圧よりかなり高い電解電圧を使用せざるを得ず、そのため、エネルギー効率が低くなってしまう。 As a method for producing hydrogen by electrolysis, a method for electrolyzing water has long been known. However, in the electrolysis of water, the theoretical decomposition voltage is 1.23 V, and it is not possible in principle to make the electrolytic voltage lower than this. Also, although it depends on the electrode material used, the overvoltage at the electrode is generally low. Since it is large, it is necessary to use an electrolysis voltage that is considerably higher than the theoretical decomposition voltage, which results in low energy efficiency.
そのような問題点を解決するものとして、特開平１１−２２９１６７号公報（特許文献１）には、有機物の減極反応を利用することによって、水の場合の理論分解電圧よりも低い電解電圧で水素を発生させようとするものが開示されている。具体的には、特許文献１に開示される電解水素発生装置は、有機物によって減極反応（アノード反応）を起こすことができるアノード（陽極）を有するアノード室と、水素発生用のカソード（陰極）を有するカソード室と、アノード室とカソード室を分離する隔膜と、有機質燃料と電解質とを含む電解液を収容した電解槽と、アノード室への液供給機構と、アノード室からガス（及び必要に応じてアノード液）を排出するアノード排出機構と、カソード室に設けられカソード液とガスとを排出するカソード排出機構と、カソード排出機構の先に設けられカソード液とガスとを分離する気液分離機構と、アノード排出機構及び気液分離機構から回収されたアノード液及びカソード液をそれぞれ液調整槽に送る機構と、液調整槽で液を調整する機構と、調整された液を再びアノード室に送る機構とを備えている。そしてこの電解水素発生装置では、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）と補助電解質である無機酸液との混合液がアノード液としてアノード室に供給される。典型的な例では、メタノールと硫酸水溶液（希硫酸）との混合液がアノード液として使用される。 In order to solve such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-229167 (Patent Document 1) discloses an electrolysis voltage lower than the theoretical decomposition voltage in the case of water by utilizing a depolarization reaction of organic matter. An attempt to generate hydrogen is disclosed. Specifically, an electrolytic hydrogen generator disclosed in Patent Document 1 includes an anode chamber having an anode capable of causing a depolarization reaction (anode reaction) with an organic substance, and a cathode for generating hydrogen (cathode). Having a cathode chamber, a diaphragm separating the anode chamber and the cathode chamber, an electrolytic cell containing an electrolyte containing an organic fuel and an electrolyte, a liquid supply mechanism to the anode chamber, and a gas (and necessary) from the anode chamber The anode discharge mechanism for discharging the anode liquid), the cathode discharge mechanism for discharging the cathode liquid and the gas provided in the cathode chamber, and the gas-liquid separation provided at the tip of the cathode discharge mechanism for separating the cathode liquid and the gas. Mechanism, a mechanism for sending anolyte and catholyte recovered from the anode discharge mechanism and gas-liquid separation mechanism to the liquid adjustment tank, and a machine for adjusting the liquid in the liquid adjustment tank When, and a mechanism for sending back to the anode chamber is adjusted liquid. In this electrolytic hydrogen generator, a mixed solution of methanol (CH 3 OH) and an inorganic acid solution that is an auxiliary electrolyte is supplied to the anode chamber as an anolyte. In a typical example, a mixed solution of methanol and a sulfuric acid aqueous solution (dilute sulfuric acid) is used as the anolyte.
この電解水素発生装置において、硫酸水溶液とメタノールとの混合液をアノード液に用い、アノード液の電気分解を行って水素を生成する場合には、アノードでは下記の(1)式に示したメタノールと水（Ｈ2Ｏ）との電気化学反応により二酸化炭素（ＣＯ2）、水素イオン（Ｈ+）及び電子（ｅ-）が生成する。アノードで生成した水素イオンは、電解液である硫酸水溶液の働きでアノード液中を移動し、隔膜を経てカソードに到達する。一方、アノードで生成した電子は、外部回路を経由して、カソードに移動する。カソードでは、(2)式に示した水素イオンと電子との電気化学反応が起こり、水素（Ｈ2）が生成する。したがって、全反応は(3)式で表される。なお、反応過程でアノード室のアノード液のカソード室への透過が起こり、この透過したアノード液がカソード液となる。 In this electrolytic hydrogen generator, when a mixed solution of an aqueous sulfuric acid solution and methanol is used as the anolyte and hydrogen is produced by electrolysis of the anolyte, the anode is mixed with the methanol shown in the following formula (1). Carbon dioxide (CO 2 ), hydrogen ions (H + ), and electrons (e − ) are generated by an electrochemical reaction with water (H 2 O). Hydrogen ions generated at the anode move through the anolyte by the action of an aqueous sulfuric acid solution that is an electrolytic solution, and reach the cathode through the diaphragm. On the other hand, the electrons generated at the anode move to the cathode via an external circuit. At the cathode, an electrochemical reaction between hydrogen ions and electrons shown in the formula (2) occurs, and hydrogen (H 2 ) is generated. Therefore, the total reaction is represented by the formula (3). In the reaction process, the anolyte in the anode chamber permeates into the cathode chamber, and the permeated anolyte becomes the catholyte.
アノード： ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- (1)
カソード： ６Ｈ+＋６ｅ- → ３Ｈ2 (2)
全反応： ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋３Ｈ2 (3)
(3)式に示したメタノールと水との電気分解による水素製造方法は、従来広く用いられている水の電気分解による水素製造法と比較して、電解電圧を低くすることができるので、水素製造に必要な電力を削減できるというメリットがある。また、隔膜を透過してアノード室からカソード室に移動したアノード液を、カソード液として液調整槽にもどしてアノード室に再び供給することによって、有効に水素製造に利用することができる。さらにアノードの劣化原因となる副反応による一酸化炭素（ＣＯ）の生成もほとんどない、という利点を有する。
Cathode: 6H + + 6e - → 3H 2 (2)
Total reaction: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 (3)
Since the hydrogen production method by electrolysis of methanol and water shown in the formula (3) can lower the electrolysis voltage compared to the hydrogen production method by water electrolysis that has been widely used conventionally, There is an advantage that the power required for manufacturing can be reduced. Further, the anolyte that has passed through the diaphragm and moved from the anode chamber to the cathode chamber is returned to the liquid adjustment tank as the catholyte and supplied again to the anode chamber, so that it can be effectively used for hydrogen production. Furthermore, there is an advantage that carbon monoxide (CO) is hardly generated by a side reaction that causes deterioration of the anode.
しかし、この従来の水素製造装置では、以下に述べる課題がある。 However, this conventional hydrogen production apparatus has the following problems.
［１］硫酸等の無機酸を補助電解質に使用するために、配管、容器等であってアノード液が接する部分には耐酸処理が必要であり、また漏れ対策も必要である；
［２］液調整槽において、アノード液におけるメタノール濃度とともに補助電解質である硫酸等の無機酸濃度の管理も必要であり、制御が複雑となる；
［３］隔膜を使用しているために気密性が悪く、カソードで生成する水素の純度が低くなる；
［４］隔膜を使用しているために差圧に弱く、カソードで生成する水素の昇圧が困難である。
[1] In order to use an inorganic acid such as sulfuric acid for the auxiliary electrolyte, the pipe, container, etc., where the anolyte is in contact with each other, needs to be acid-resistant, and measures against leakage are also required;
[2] In the liquid adjustment tank, it is necessary to manage the concentration of inorganic acid such as sulfuric acid as an auxiliary electrolyte together with the methanol concentration in the anolyte, and the control becomes complicated;
[3] Since the diaphragm is used, the gas tightness is poor, and the purity of hydrogen produced at the cathode is lowered;
[4] Since the diaphragm is used, the pressure difference is weak, and it is difficult to increase the pressure of hydrogen generated at the cathode.
本発明の目的は、少ない電力で効率的に高純度の高圧水素が製造できる水素製造方法及び装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a hydrogen production method and apparatus capable of producing high-purity high-pressure hydrogen efficiently with little electric power.
本発明の水素製造方法は、水素イオン伝導性を有する電解質膜を挟んでアノードとカソードとを配置し、アノードに２−プロパノール水溶液を供給し、アノードとカソードとの間に電圧を印加して、アノードにおいて２−プロパノールと水とを電気化学反応させることにより、二酸化炭素、水素イオン及び電子を生成させ、カソードにおいて電解質膜中をアノードから移動してきた水素イオンと外部回路をアノードから移動してきた電子とを電気化学反応させることによって水素を生成させる。 In the hydrogen production method of the present invention, an anode and a cathode are arranged across an electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity, a 2-propanol aqueous solution is supplied to the anode, and a voltage is applied between the anode and the cathode, Carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons are generated by electrochemical reaction of 2-propanol and water at the anode, and hydrogen ions that have moved from the anode through the electrolyte membrane at the cathode and electrons that have moved from the anode to the external circuit. To generate hydrogen.
この水素製造方法においては、アノードにおいて未反応の２−プロパノール水溶液とアノード側からカソード側に電解質膜を介して透過した２−プロパノール水溶液とをアノードにリサイクルする段階を設けることが好ましい。 In this hydrogen production method, it is preferable to provide a step of recycling the unreacted 2-propanol aqueous solution at the anode and the 2-propanol aqueous solution permeated from the anode side to the cathode side through the electrolyte membrane to the anode.
本発明の水素製造装置は、２−プロパノールと水とを電気化学反応させることにより二酸化炭素、水素イオン及び電子を生成させるアノードと、アノードを備えるアノード室と、アノードに隣接して設けられ水素イオン伝導性を有する電解質膜と、外部回路と、電解質膜に隣接して設けられ、電解質膜中をアノードから移動してきた水素イオンと外部回路を介してアノードから移動してきた電子とを電気化学反応させることによって水素を生成するカソードと、カソードを備えるカソード室と、外部回路を介してアノードとカソードの間に電圧を印加して電流を流す直流電源と、アノード室へ２−プロパノールと水とを供給する供給機構と、アノード室からアノード排液とアノードで発生したガスとを排出させるアノード室排出機構と、カソード室からカソード排液とカソードで発生したガスとを排出させるカソード室排出機構と、アノード室排出機構により排出されたアノード排液をアノード室にリサイクルするアノード排液リサイクル機構と、を有する。 The hydrogen production apparatus of the present invention includes an anode that generates carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons by electrochemical reaction of 2-propanol and water, an anode chamber that includes the anode, and hydrogen ions that are provided adjacent to the anode. An electrolyte membrane having conductivity, an external circuit, and a hydrogen ion that is provided adjacent to the electrolyte membrane and moves from the anode through the electrolyte membrane and an electron that moves from the anode via the external circuit are electrochemically reacted. A cathode for generating hydrogen, a cathode chamber including the cathode, a DC power source for applying a voltage between the anode and the cathode via an external circuit, and supplying 2-propanol and water to the anode chamber A supply mechanism, an anode chamber discharge mechanism for discharging the anode drain and the gas generated at the anode from the anode chamber, and a cathode It has a cathode compartment discharge mechanism for discharging the gas generated in the cathode effluent and the cathode from de room and an anode drainage recycling mechanism for recycling the anode compartment of the anode effluent discharged by the anode chamber discharge mechanism.
本発明の水素製造装置において、アノードで発生するガスは二酸化炭素を主成分とし、カソードで発生するガスは水素を主成分としている。 In the hydrogen production apparatus of the present invention, the gas generated at the anode is mainly composed of carbon dioxide, and the gas generated at the cathode is mainly composed of hydrogen.
本発明の水素製造装置では、カソード室排出機構により排出されたカソード排液をアノード室にリサイクルするカソード排液リサイクル機構を設けることが好ましく、その場合、カソード室排出機構に接続し、カソード排液リサイクル機構によってアノード室にリサイクルされるカソード排液からカソードで発生したガスを分離する気液分離機構を設けることが好ましい。 In the hydrogen production apparatus of the present invention, it is preferable to provide a cathode drainage recycling mechanism for recycling the cathode drainage discharged by the cathode chamber discharge mechanism to the anode chamber. It is preferable to provide a gas-liquid separation mechanism for separating the gas generated at the cathode from the cathode drainage recycled to the anode chamber by the recycling mechanism.
さらに、本発明の水素製造装置では、アノード室排出機構に接続し、アノード排液リサイクル機構によってアノード室にリサイクルされるアノード排液からアノードで発生したガスを分離する気液分離機構を設けてもよく、アノード排液リサイクル機構によりアノード室にリサイクルされるアノード排液及びカソード排液リサイクル機構によりアノード室にリサイクルされるカソード排液の少なくとも一方をアノード室に供給する前に貯蔵するバッファタンクを設けてもよい。 Furthermore, the hydrogen production apparatus of the present invention may be provided with a gas-liquid separation mechanism that is connected to the anode chamber discharge mechanism and separates the gas generated at the anode from the anode drainage recycled to the anode chamber by the anode drainage recycling mechanism. A buffer tank is provided for storing at least one of the anode drainage recycled to the anode chamber by the anode drainage recycling mechanism and the cathode drainage recycled to the anode chamber by the cathode drain recycling mechanism before being supplied to the anode chamber. May be.
本発明において、水素イオン伝導性を有する電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜が使用される。 In the present invention, for example, a perfluorosulfonic acid membrane is used as the electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity.
本発明は、２−プロパノールと水との電気化学反応を用いるとともに、水素イオン伝導性の電解質膜を用いることにより、水素製造に必要な電力を大幅に削減できるとともに、高純度な高圧水素を容易に製造することができる、という効果がある。特に、メタノールの代わりに２−プロパノールを用いることによって、メタノールと水との電気化学反応を用いる場合に比べ、水素の製造に必要な電力を削減することができる。 The present invention uses an electrochemical reaction between 2-propanol and water, and by using a hydrogen ion conductive electrolyte membrane, the power required for hydrogen production can be greatly reduced and high-purity high-pressure hydrogen can be easily obtained. There is an effect that it can be manufactured. In particular, by using 2-propanol instead of methanol, it is possible to reduce the power required for producing hydrogen as compared with the case of using an electrochemical reaction between methanol and water.
次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の一形態の水素製造装置の構成を示す図である。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention.
本実施形態では、メタノールと水との電気化学反応を用いるのではなく、２−プロパノール（(ＣＨ3)2ＣＨＯＨ；別名、イソプロピルアルコール）と水との電気化学反応を用いて、水素を製造する。 In this embodiment, hydrogen is produced not by using an electrochemical reaction between methanol and water but by using an electrochemical reaction between 2-propanol ((CH 3 ) 2 CHOH; also known as isopropyl alcohol) and water. .
図示される水素製造装置は、２−プロパノールと水とを電気化学反応させることにより二酸化炭素、水素イオン及び電子を生成するアノード１と、アノード１を格納するアノード室２と、水素イオン伝導性を有する電解質膜３と、外部回路４と、水素を生成するカソード５と、カソード５を収納するカソード室６と、外部回路に接続する直流電源７と、を備えている。電解質膜３は、アノード室２とカソード室６とを分離しており、アノード１とカソード５は、電解質膜３を挟むように電解質膜３に接して設けられている。アノード１で発生した水素イオンは、電解質膜３中を移動してカソード５にまで到達するようになっている。カソード５は、アノード１から電解質膜３を経て移動してきた水素イオンと、外部回路４を介してアノード１から移動してきた電子とを電気化学反応させることによって、水素ガスを発生させる。直流電源７は、外部回路４を介してアノード１とカソード５との間に所定の電圧を印加し、これにより、外部回路４を介してアノード１とカソード５との間に所定の電流が流れるようにする。さらに、この水素製造装置には、アノード室２に対して２−プロパノールと水との混合液を供給する供給機構８と、アノード室２からアノードガス（アノード反応で生成した二酸化炭素を主成分とする）及びアノード排液を排出させるアノード室排出機構９と、カソード室６からカソードガス（カソード反応で生成した水素を主成分とする）及びカソード排液を排出させるカソード室排出機構１０と、アノード室２からアノード室排出機構９を介して排出されたアノード排液をアノード室２にリサイクルするアノード排液リサイクル機構１１と、を備えている。
The illustrated hydrogen production apparatus includes an anode 1 that generates carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons by electrochemical reaction of 2-propanol and water, an anode chamber 2 that stores the anode 1, and hydrogen ion conductivity. It has an electrolyte membrane 3, an
以上が本実施形態の水素発生装置の基本構成である。さらにこの水素発生装置では、必要に応じて、カソード室６からカソード室排出機構１０により排出したカソード排液をアノード室２にリサイクルするカソード排液リサイクル機構１２を設けてもよく、カソード排液リサイクル機構１２を設けた場合には、カソード室排出機構１０とカソード排液リサイクル機構１２との間に、カソード排液からカソードガスを分離する気液分離機構１４を設けることが好ましい。同様に、アノード室排出機構９とアノード排液リサイクル機構１１との間に、アノード排液からアノードガスを分離する気液分離機構１３を設けることが好ましい。
The above is the basic configuration of the hydrogen generator of this embodiment. Furthermore, in this hydrogen generator, a cathode
さらに本実施形態の水素発生装置では、アノード排液リサイクル機構１１によりアノード室２にリサイクルされるアノード排液とカソード排液リサイクル機構１２によりアノード室２にリサイクルされるカソード排液との少なくとも一方をアノード室２に実際に供給する前に一時的に貯蔵するために、バッファタンク１５を設けるようにしてもよい。
Furthermore, in the hydrogen generator of this embodiment, at least one of the anode drainage recycled to the anode chamber 2 by the anode
なお、図１に示した構成では、アノード室２、電解質膜３及びカソード室６は１組設けられているが、これらを複数組設けるようにしてもよい。 In the configuration shown in FIG. 1, one set of the anode chamber 2, the electrolyte membrane 3 and the cathode chamber 6 is provided, but a plurality of sets may be provided.
次に、この水素製造装置を用いた水素の製造プロセスについて説明する。 Next, a hydrogen production process using this hydrogen production apparatus will be described.
まず、供給機構８によって、２−プロパノールと水との混合液（すなわち２−プロパノール水溶液）をアノード室２に供給する。この場合、不図示の２−プロパノール水溶液タンクから２−プロパノール水溶液を供給機構８に供給してもよいし、不図示の２−プロパノールタンクと不図示の水タンクからそれぞれ２−プロパノールと水を供給機構８に供給し、供給機構８において２−プロパノール水溶液を調整してもよい。供給機構８からアノード室２に２−プロパノール水溶液を供給する際には、必要に応じて、供給機構８に内蔵されたポンプ等の動力源を使用する。
First, the
次に、アノード室２のアノード１とカソード室６のカソード５の間に、直流電源７により電解電圧を印加して電解電流を流し、これによって、供給機構８によりアノード室２に供給された２−プロパノール水溶液の電気分解を行わせる。すなわち、アノード１において(4)式に示したように２−プロパノールと水との電気化学反応を行わせ、二酸化炭素と水素イオンと電子とを発生させる
Ｃ3Ｈ7ＯＨ ＋ ５Ｈ2Ｏ → ３ＣＯ2 ＋ １８Ｈ+ ＋ １８ｅ- (4)
このアノード１での電気化学反応には触媒が必要であり、アノード１で用いられる触媒の一例としては、白金触媒、白金・ルテニウム触媒などが挙げられる。アノード１で生成した水素イオンは、水素イオン伝導性を有する電解質膜３の内部を移動してカソード５に到達する。水素イオン伝導性を有する電解質膜３としては、ポリマーフィルムからなる固体電解質膜が好ましく用いられ、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸膜が用いられる。また、アノード１で生成した電子は、外部回路４を移動し、カソード５に到達する。カソード室６内に設けられたカソード５では、外部回路４を移動してきた電子と電解質膜３中を移動してきた水素イオンとが、(5)式に示したように電気化学反応し、水素が生成する。
Next, an electrolysis voltage is applied between the anode 1 of the anode chamber 2 and the cathode 5 of the cathode chamber 6 by a
The electrochemical reaction at the anode 1 requires a catalyst. Examples of the catalyst used at the anode 1 include a platinum catalyst and a platinum / ruthenium catalyst. The hydrogen ions generated at the anode 1 move inside the electrolyte membrane 3 having hydrogen ion conductivity and reach the cathode 5. As the electrolyte membrane 3 having hydrogen ion conductivity, a solid electrolyte membrane made of a polymer film is preferably used. For example, a perfluorosulfonic acid membrane having a sulfonic acid group is used. Also, the electrons generated at the anode 1 move through the
１８Ｈ+ + １８ｅ- → ９Ｈ2 (5)
このカソード５での電気化学反応にも触媒が必要である。このカソード５で用いられる触媒の一例としても、白金触媒、白金・ルテニウム触媒等が挙げられる。
18H + + 18e - → 9H 2 (5)
A catalyst is also required for the electrochemical reaction at the cathode 5. Examples of the catalyst used in the cathode 5 include a platinum catalyst and a platinum / ruthenium catalyst.
アノード１での反応とカソード５での反応を合わせると、この水素製造プロセスでの全反応は、(6)式に示すように、２−プロパノールと水から二酸化炭素と水素を生成させる反応となる。 When the reaction at the anode 1 and the reaction at the cathode 5 are combined, the total reaction in this hydrogen production process is a reaction for generating carbon dioxide and hydrogen from 2-propanol and water, as shown in equation (6). .
Ｃ3Ｈ7ＯＨ ＋ ５Ｈ2Ｏ → ３ＣＯ2 ＋ ９Ｈ2 (6)
未反応の２−プロパノール水溶液とアノード１で生成した二酸化炭素とは、アノード排液及びアノードガスとしてアノード室排出機構９によりアノード室２から排出される。一方、カソード５で生成した水素は、カソードガスとしてカソード室排出機構１０によりカソード室６から排出される。
C 3 H 7 OH + 5H 2 O → 3CO 2 + 9H 2 (6)
The unreacted 2-propanol aqueous solution and carbon dioxide produced at the anode 1 are discharged from the anode chamber 2 by the anode
アノード室２からアノード室排出機構９によりアノード排液及びアノードガスとして排出された未反応２−プロパノール水溶液と二酸化炭素は、必要に応じて気液分離機構１３に供給され、アノード排液としてアノード排液リサイクル機構１１に供給される未反応２−プロパノール水溶液とアノードガスである二酸化炭素とに分離される。この気液分離機構１３は必ずしも必要ではなく、アノード室排出機構９から未反応２−プロパノール水溶液と二酸化炭素とを直接分離して取り出すことができる場合もある。分離した二酸化炭素は、不図示の容器に回収することも可能である。アノード排液である未反応２−プロパノール水溶液は、アノード排液リサイクル機構１１により、必要に応じてバッファタンク１５を経て、アノード室２にリサイクルされる。なお、図示していないが、バッファタンク１５を経ないで未反応２−プロパノール水溶液をアノード室２に直接リサイクルすることも可能である。さらに、バッファタンク１５を経た未反応２−プロパノール水溶液あるいはバッファタンク１５を経ない未反応２−プロパノール水溶液を供給機構８に供給し、新たにタンク等から供給された２−プロパノール水溶液と混合して、アノード室２に供給することも可能である。すなわち、バッファタンク１５は必ずしも必要ではない。
The unreacted 2-propanol aqueous solution and carbon dioxide discharged from the anode chamber 2 by the anode
アノード室に供給された２−プロパノール水溶液の一部もしくは水が電解質膜３を透過してカソード室６に移動した場合には、カソード室６からカソード室排出機構１０により、カソードガスとして水素が排出されるほかに、透過してきた２−プロパノール水溶液もしくは水がカソード排液として排出される。カソード室６からカソード室排出機構１０によりカソードガス及びカソード排液としてそれぞれ排出された水素と２−プロパノール水溶液（もしくは水）は、必要に応じて気液分離機構１４に供給され、カソード排液としてカソード排液リサイクル機構１２に供給される２−プロパノール水溶液（もしくは水）とカソードガスの水素とに分離される。この気液分離機構１４は必ずしも必要ではなく、カソード室排出機構１０から２−プロパノール水溶液（もしくは水）と水素を直接分離して取り出すことができる場合もある。分離された２−プロパノール水溶液（もしくは水）は、カソード排液リサイクル機構１２により、必要に応じてバッファタンク１５を経て、アノード室２にリサイクルされる。なお、図示していないが、バッファタンク１５を経ないで２−プロパノール水溶液（もしくは水）をアノード室２に直接リサイクルすることも可能である。さらに、バッファタンク１５を経た２−プロパノール水溶液（もしくは水）あるいはバッファタンク１５を経ない２−プロパノール水溶液（もしくは水）を供給機構８に供給し、新たにタンクなどから供給された２−プロパノール水溶液と混合して、アノード室２に供給することも可能である。すなわち、バッファタンク１５は必ずしも必要ではない。なお、カソード排液である２−プロパノール水溶液（もしくは水）をカソード排液リサイクル機構１２によりリサイクルする際には、必要に応じてカソード排液リサイクル機構１２に内蔵されたポンプ等の動力源を使用する。
When a part of the 2-propanol aqueous solution supplied to the anode chamber or water passes through the electrolyte membrane 3 and moves to the cathode chamber 6, hydrogen is discharged from the cathode chamber 6 as the cathode gas by the cathode
一方、２−プロパノール水溶液もしくは水のカソード室６への透過がない場合には、カソード室６からはカソード室排出機構１０により、カソードガスとして水素が排出される。２−プロパノール水溶液もしくは水のカソード室への透過がない場合には、気液分離機構１４とカソード排液リサイクル機構１２が不要となる。２−プロパノール水溶液もしくは水のカソード室６への透過があっても、カソード排液である２−プロパノール水溶液あるいは水をリサイクルしない場合には、カソード排液リサイクル機構１２が不要となる。
On the other hand, when there is no permeation of 2-propanol aqueous solution or water to the cathode chamber 6, hydrogen is discharged from the cathode chamber 6 as the cathode gas by the cathode
この水素製造装置においては、カソード室６からカソード室排出機構１０によりカソードガスとして排出される水素は、容器（不図示）に供給して加圧貯蔵することが可能である。
In this hydrogen production apparatus, hydrogen discharged as cathode gas from the cathode chamber 6 by the cathode
次に、本発明の水素製造方法に関して実際に行った実験の結果を説明する。 Next, the results of experiments actually performed on the hydrogen production method of the present invention will be described.
パーフルオロスルホン酸膜の一種である商品名ナフィオン１１７（デュポン社製）を電解質膜３に用いるとともに、白金触媒をアノード１及びカソード５の電解触媒として用い、メタノール水溶液、エタノール（Ｃ2Ｈ5ＯＨ）水溶液、２−プロパノール水溶液、及び水のそれぞれを電気分解し、電解電圧と電解時間との関係を調べた。いずれの場合も、電解電流は１Ａ（電解電流密度は０．０４３Ａ／ｃｍ2）とした。各水溶液中のメタノール、エタノール及び２−プロパノールの濃度はすべて８モル／リットルとした。結果を図２に示す。 A brand name Nafion 117 (manufactured by DuPont), which is a kind of perfluorosulfonic acid membrane, is used for the electrolyte membrane 3, and a platinum catalyst is used as the electrocatalyst for the anode 1 and the cathode 5, and methanol aqueous solution, ethanol (C 2 H 5 OH) is used. ) Each of the aqueous solution, the 2-propanol aqueous solution, and water was electrolyzed, and the relationship between the electrolysis voltage and the electrolysis time was examined. In either case, the electrolysis current was 1 A (electrolysis current density was 0.043 A / cm 2 ). The concentrations of methanol, ethanol and 2-propanol in each aqueous solution were all 8 mol / liter. The results are shown in FIG.
図２に示すように、２−プロパノール水溶液は、メタノール水溶液と同様に、水を電気分解する場合に比べて低い電圧で電気分解を行うことができ、電解法による水素製造に必要な電力を削減できることがわかった。また、２−プロパノール水溶液の方がメタノール水溶液よりも電解電圧が安定しており、全体として、メタノール水溶液よりは電解電圧が低くなる傾向がある。一方、エタノール水溶液の電気分解では、水の電気分解に比べて電解電圧が上昇することもわかった。このように、２−プロパノールと水との電気化学反応を用いるとともに、水素イオン伝導性の電解質膜を用いることにより、水の電気分解によて水素を製造する場合に比べ、水素製造に必要な電力を大幅に削減できることがわかった。メタノール水溶液を用いる場合との比較においても、２−プロパノールを用いることによって、水素の製造に必要な電力を削減することができることがわかった。 As shown in FIG. 2, the 2-propanol aqueous solution, like the methanol aqueous solution, can be electrolyzed at a lower voltage than the case of electrolyzing water, and reduces the power required for hydrogen production by electrolysis. I knew it was possible. Moreover, the electrolysis voltage of the 2-propanol aqueous solution is more stable than that of the methanol aqueous solution, and as a whole, the electrolysis voltage tends to be lower than that of the methanol aqueous solution. On the other hand, it was also found that the electrolysis voltage of ethanol aqueous solution was higher than that of water electrolysis. As described above, by using an electrochemical reaction between 2-propanol and water, and using a hydrogen ion conductive electrolyte membrane, it is necessary for hydrogen production as compared with the case of producing hydrogen by electrolysis of water. It has been found that power can be greatly reduced. In comparison with the case of using an aqueous methanol solution, it was found that the power required for producing hydrogen can be reduced by using 2-propanol.
本実施形態では、硫酸等の無機酸を補助電解質として使用していないので、その管理と、配管や容器等の耐酸処理とが不要になり、液漏れ対策も簡単となる。さらに、電解質膜３として、パーフルオロスルホン酸膜等の、気密性が高く、かつ水素イオン伝導性の固体高分子膜を使用するので、二酸化炭素のアノード室２からカソード室６への透過を抑制することができ、気密性の低い隔膜を使用した場合と比較して、カソードガスとしてカソード室６から排出される水素の純度を高めることができる。また、固体高分子膜は差圧にも強いので、カソード５で生成した水素を容器（不図示）に供給し容易に昇圧することもできる。なお、２−プロパノールは、メタノールと比較して分子サイズが大きいために電解質膜を透過しにくく、カソード排液のリサイクルを不要にすることが容易に可能であるので、補助動力の削減と装置の小型化にも適している。 In this embodiment, since an inorganic acid such as sulfuric acid is not used as an auxiliary electrolyte, the management and acid-resistant treatment of piping, containers, and the like are not required, and countermeasures against liquid leakage are simplified. Further, since the electrolyte membrane 3 is a solid polymer membrane having high airtightness and hydrogen ion conductivity, such as a perfluorosulfonic acid membrane, the permeation of carbon dioxide from the anode chamber 2 to the cathode chamber 6 is suppressed. The purity of hydrogen discharged from the cathode chamber 6 as the cathode gas can be increased as compared with the case where a diaphragm having low airtightness is used. Further, since the solid polymer film is resistant to the differential pressure, it is possible to easily increase the pressure by supplying hydrogen generated at the cathode 5 to a container (not shown). Since 2-propanol has a larger molecular size than methanol, it is difficult to permeate the electrolyte membrane, and it is easy to eliminate the need for recycling the cathode drainage. Suitable for miniaturization.
１ アノード
２ アノード室
３ 電解質膜
４ 外部回路
５ カソード
６ カソード室
７ 直流電源
８ （２−プロパノールと水の）供給機構
９ アノード室排出機構
１０ カソード室排出機構
１１ アノード排液リサイクル機構
１２ カソード排液リサイクル機構
１３，１４ 気液分離機構
１５ バッファタンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anode 2 Anode chamber 3
Claims (8)
前記アノードに２−プロパノール水溶液を供給し、
前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加して、前記アノードにおいて２−プロパノールと水とを電気化学反応させることにより、二酸化炭素、水素イオン及び電子を生成させ、前記カソードにおいて前記電解質膜中を前記アノードから移動してきた前記水素イオンと外部回路を前記アノードから移動してきた前記電子とを電気化学反応させることによって水素を生成させる、
水素製造方法。 An anode and a cathode are arranged across an electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity,
Supplying 2-propanol aqueous solution to the anode;
A voltage is applied between the anode and the cathode, and 2-propanol and water are electrochemically reacted at the anode to generate carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons, and at the cathode, in the electrolyte membrane. Generating hydrogen by causing an electrochemical reaction between the hydrogen ions that have moved from the anode and the electrons that have moved from the anode through an external circuit,
Hydrogen production method.
前記アノードを備えるアノード室と、
前記アノードに隣接して設けられ水素イオン伝導性を有する電解質膜と、
外部回路と、
前記電解質膜に隣接して設けられ、前記電解質膜中を前記アノードから移動してきた前記水素イオンと前記外部回路を介して前記アノードから移動してきた前記電子とを電気化学反応させることによって水素を生成するカソードと、
前記カソードを備えるカソード室と、
前記外部回路を介して前記アノードと前記カソードの間に電圧を印加して電流を流す直流電源と、
前記アノード室へ２−プロパノールと水とを供給する供給機構と、
前記アノード室からアノード排液と前記アノードで発生したガスとを排出させるアノード室排出機構と、
前記カソード室からカソード排液と前記カソードで発生したガスとを排出させるカソード室排出機構と、
前記アノード室排出機構により排出されたアノード排液を前記アノード室にリサイクルするアノード排液リサイクル機構と、
を有する水素製造装置。 An anode that generates carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons by electrochemically reacting 2-propanol with water;
An anode chamber comprising the anode;
An electrolyte membrane provided adjacent to the anode and having hydrogen ion conductivity;
An external circuit;
Hydrogen is generated by an electrochemical reaction between the hydrogen ions provided adjacent to the electrolyte membrane and moved from the anode in the electrolyte membrane and the electrons moved from the anode via the external circuit. A cathode to
A cathode chamber comprising the cathode;
A direct current power source for applying a voltage between the anode and the cathode through the external circuit to flow a current;
A supply mechanism for supplying 2-propanol and water to the anode chamber;
An anode chamber discharge mechanism for discharging anode drainage and gas generated at the anode from the anode chamber;
A cathode chamber discharge mechanism for discharging cathode drainage and gas generated at the cathode from the cathode chamber;
An anode drainage recycling mechanism for recycling the anode drainage discharged by the anode chamber discharge mechanism to the anode chamber;
A hydrogen production apparatus.
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|---|---|---|---|---|
| WO2010110125A1 (en) * | 2009-03-24 | 2010-09-30 | 栗田工業株式会社 | Supply system and supply method for functional solution |
| JP2012052202A (en) * | 2010-09-02 | 2012-03-15 | Tokyo Metropolitan Univ | Member for electrolysis cell and hydrogen production device using the same |
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- 2005-04-14 JP JP2005116929A patent/JP2006291330A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010110125A1 (en) * | 2009-03-24 | 2010-09-30 | 栗田工業株式会社 | Supply system and supply method for functional solution |
| JP2010248618A (en) * | 2009-03-24 | 2010-11-04 | Kurita Water Ind Ltd | Supply system and supply method for functional solution |
| JP2012052202A (en) * | 2010-09-02 | 2012-03-15 | Tokyo Metropolitan Univ | Member for electrolysis cell and hydrogen production device using the same |
| JP2020200521A (en) * | 2019-06-13 | 2020-12-17 | 東邦瓦斯株式会社 | Hydrogen supply method and hydrogen supply apparatus |
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