JP3511608B1 - 水蒸気電解装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】水蒸気電解装置に関するものであって、気液分
離タンクや浄化手段や水蒸気冷却手段が不要で、無重力
下でも、水蒸気から、高純度の酸素と水素を、液体の水
と混じらないように取り出すことができる水蒸気電解装
置を提供すること。 【解決手段】圧力調整手段、温度調整手段、及び安全弁
を有する水蒸気発生器を付設し、かつ、（ア）前記水蒸
気発生器から水蒸気を導入する手段を有する隔室Ａ、
（イ）フッ素樹脂系イオン交換膜、（ウ）水素排出手段
を有し、かつ、スポンジ状陰極を充填した隔室Ｂ、
（エ）白金、イリジウム、ロジウム又はイリジウム−ロ
ジウム合金をメッキしたフッ素樹脂系イオン交換膜、
（オ）多孔質チタンに白金メッキした陽極、（カ）酸素
排出手段を有する隔室Ｃを（ア）から（カ）の順にサン
ドイッチした電解槽を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【０００１】本発明は、重力の有無に関係なく、水蒸気
を電気分解して酸素と水素を取り出す水蒸気電解装置に
関する。より詳細には、航空機内で酸素を供給したり、
燃料電池にエネルギー源として酸素・水素を供給した
り、宇宙空間や宇宙船で生命を維持するための酸素や燃
料としての水素を供給したり、或いは宝飾加工の酸素バ
ーナーに酸素を供給したりすることに利用可能な水蒸気
電解装置に関するものである。

【背景技術】

【０００２】従来より、液体の水や電解質溶液を陰極及
び陽極に接触させて電解して、酸素又は水素を得る水の
電解装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【特許文献１】特開平９−６７６８９号公報（図１）

【０００３】また、搭載した水から、酸素と水素を８：
１の質量比で発生させる電解槽を備えた宇宙船が知られ
ている（例えば、特許文献２参照）。また、燃料電池と
組み合わせた閉鎖居住空間システムが知られている（例
えば、特許文献３参照）。

【特許文献２】特開平６−８８９３号公報（０００６段
落）

【特許文献３】特開平５−２６２３００号公報（００２
０段落）

【０００４】本出願人らは、上記背景を鑑み、水電解装
置を開発した（例えば、特許文献４参照）。さらに、環
境浄化型水電解装置を開発した（例えば、特許文献５参
照）。

【特許文献４】特願２００３−００１８６２号

【特許文献５】特願２００３−０５６６３２号

【発明の開示】 【発明が解決しようとする課題】

【０００５】従来は、水蒸気を電解する際に、一度冷却
して液体の水にしてから水電解装置に導入するため、冷
却装置を必要とした。

【０００６】しかも、電極に電解液である液体の水を接
触させて電解すると、それぞれの電極から泡となって酸
素及び水素が発生するために気体と液体を分離するため
の気液分離タンクが必要であるという問題があった。特
に、無重力状態では液体の中にガスが泡となってとどま
り、分離することができないという問題があった。

【０００７】また、電解質となるイオン交換膜の電気抵
抗を常に低く保つためには、不純物のない高純度の水蒸
気を必要とするという問題があった。

【０００８】さらに、陽極で発生したＨ^＋イオンは水と
共に陰極に移動し、その水を回収して陽極に戻すため、
水循環回路が複雑になるという問題があった。

【０００９】したがって、宇宙環境等の閉鎖空間におい
て、人間等の排出する空気に含まれる水蒸気を電解して
利用したい場合でも、混入する二酸化炭素やメタンを取
り除く浄化手段や、冷却して液体の水にする手段が必要
となるという問題があった。

【００１０】本発明は、かかる問題を鑑みてなされたも
のであり、したがって、本発明の目的は、気液分離タン
クや浄化手段や水蒸気冷却手段が不要で、無重力下で
も、水蒸気から、高純度の酸素と水素を、液体の水と混
じらないように取り出すことができる水蒸気電解装置を
提供することにある。本発明者らは、上記の目的を達成
するために鋭意研究を重ねた結果、試行錯誤の上、本発
明を完成するに至った。

【課題を解決するための手段】

【００１１】上記目的を達成するために、本発明の水蒸
気電解装置は、水蒸気を電解槽内へ導入する手段を有
し、水蒸気透過性を有する陰極をフッ素樹脂系のイオン
交換膜Ａと触媒つきフッ素樹脂系のイオン交換膜Ｂの間
に挟みこみ、イオン交換膜Ａの外側に水蒸気導入相を配
し、イオン交換膜Ｂの外側には陽極を配した電解槽で、
前記水蒸気導入相内に導入された水蒸気が、イオン交換
膜Ａと前記陰極内を通過して、イオン交換膜Ｂに吸水さ
れ、両電極への電圧印加により、電解され、イオン交換
膜Ｂ内をプロトンが陽極側から陰極側に移動して、陰極
表面に水素が発生し、陽極表面に酸素が発生することに
より、発生した酸素と水素に水を混入させないものであ
る。

【００１２】本発明の水蒸気電解装置は、圧力調整手
段、温度調整手段、及び安全弁を有する水蒸気発生器を
付設し、かつ、（ア）前記水蒸気発生器から水蒸気を導
入する手段を有する隔室Ａ、（イ）フッ素樹脂系イオン
交換膜、（ウ）水素排出手段を有し、かつ、スポンジ状
陰極を充填した隔室Ｂ、（エ）白金、イリジウム、ロジ
ウム又はイリジウム−ロジウム合金をメッキしたフッ素
樹脂系イオン交換膜、（オ）多孔質チタンに白金メッキ
した陽極、（カ）酸素排出手段を有する隔室Ｃを（ア）
から（カ）の順にサンドイッチした電解槽を有するもの
である。

【発明の効果】

【００１３】本発明の水蒸気電解装置は、気液分離タン
クや浄化手段や水蒸気冷却手段が不要で、無重力下で
も、水蒸気から、高純度の酸素と水素を、液体の水と混
じらないように取り出すことができる。また、宇宙環境
等の閉鎖空間において、人間等の排出する空気に含まれ
る水蒸気を容易に電解利用できる。

【００１４】本発明によれば、酸素や水素が水の中に気
泡として発生しないので、気液分離タンクがいらない。
これは、コスト面のメリットのみならず、コンパクトで
軽量であるというメリットがある。また、本発明によれ
ば、無重力下において水蒸気を電気分解する場合におい
ても、水素排出口及び酸素排出口からは気体のみ取り出
すことができるので、取り出し時に気体に水が混入する
恐れがない。宇宙船においてはコンパクトであることが
非常に重要なポイントとなる。

【発明を実施するための最良の形態】

【００１５】本発明の特長は、水蒸気を電解槽内へ導入
する手段を有し、水蒸気透過性を有する陰極をフッ素樹
脂系のイオン交換膜Ａと触媒つきフッ素樹脂系のイオン
交換膜Ｂの間に挟みこみ、イオン交換膜Ａの外側に水蒸
気導入相を配し、イオン交換膜Ｂの外側には陽極を配し
た電解槽で、前記水蒸気導入相内に導入された水蒸気
が、イオン交換膜Ａと前記陰極内を通過して、イオン交
換膜Ｂに吸水され、両電極への電圧印加により、電解さ
れ、イオン交換膜Ｂ内をプロトンが陽極側から陰極側に
移動して、陰極表面に水素が発生し、陽極表面に酸素が
発生することにより、発生した酸素と水素に水を混入さ
せないことである。

【００１６】電解槽内は、室温であるため、水蒸気は、
導入された電解槽内で、一部液体の水になるが、水蒸気
導入相と電極がフッ素樹脂系イオン交換膜で仕切られて
いるため、電極に直接液体が接触することなく、水分が
イオン交換膜を水蒸気圧の高い方から低い電極側に水蒸
気として移動して電解される。

【実施例１】

【００１７】図１は、本発明の実施例１の構成図であ
る。図１に示した本発明の実施例１において、水蒸気電
解装置（１）は、水蒸気導入相である隔室Ａ（３）、イ
オン交換膜Ａ（４）、隔室Ｂ（８）、イオン交換膜Ｂ
（５）、陽極（９）、隔室Ｃ（１１）の順にサンドイッ
チした電解槽（１２）から構成される。気液分離タンク
は設けない。

【００１８】隔室Ａ（３）には、水蒸気流入口（２）が
設けてある。隔室Ｂ（８）には、水素排出口（６）が設
けてあり、かつ、スポンジ状の陰極（７）を充填してあ
る。隔室Ｃ（１１）には、酸素排出口（１０）が設けて
ある。隔室Ｃ（１１）には、陽極（９）とイオン交換膜
Ｂ（５）の接触性向上のために、スポンジ状のＮｉ−Ｃ
ｒ合金が充填してある。

【００１９】図１に示した本発明の実施例１において
は、陽極（９）には、多孔質チタンに白金をメッキした
電極を用いた。陰極（７）には、白金をメッキした、ス
ポンジ状の、ニッケル・クロム合金の多孔質電極を用い
た。

【００２０】本発明の実施例１においては、イオン交換
膜Ａ（４）として、フッ素樹脂系のイオン交換膜（例え
ば、デュポン社製のフッ素化ポリオレフィンのスルホン
化合物であるＮＡＦＩＯＮ（Ｒ））を用いた。イオン交
換膜Ｂ（５）は、フッ素樹脂系のイオン交換膜に、触媒
の白金を４〜５ｍｇ／ｃｍ^２担持させた。その有効膜面
積は、約２００ｃｍ^２である。本発明の実施例１におい
ては、フッ素樹脂系のイオン交換膜として、ＮＡＦＩＯ
Ｎ（Ｒ） １１７（デュポン社製）を用いた。イオン交
換膜にメッキする金属は、白金以外に、イリジウム、ロ
ジウム又はイリジウム−ロジウム合金が適する。

【００２１】本発明に実施例１においては、隔室Ａ
（３）に供給された水蒸気は、飽和状態となっており、
温度調節をしていないため、一部、液体の水になるが、
イオン交換膜Ａ（４）でブロックされる。本発明に用い
るイオン交換膜Ａ（４）は液体を通過させず、水分のみ
通過させるものである。したがって、隔室Ａ（３）にで
きた水や供給された水蒸気は、イオン交換膜Ａ（４）を
飽和水蒸気として通過し、さらに、スポンジ状の陰極
（７）を通過して移動する。すなわち、イオン交換膜Ａ
（４）が水蒸気のみを蒸気圧の高い方から低い方に移動
させる性質を利用し、気体のＨ_２Ｏをイオン交換膜Ａ
（４）を隔てた陰極側に供給して電気分解を起こさせて
水素と酸素を取り出す。

【００２２】本発明の実施例１においては、水蒸気導入
相と電極がフッ素樹脂系イオン交換膜で仕切られ、電極
に直接液体が接触することがない。本発明の実施例１に
おいては、水分が、イオン交換膜を、水蒸気圧の高い方
から低い電極側に水蒸気として移動し、その水蒸気が触
媒を担持したもう一方のイオン交換膜に吸水され、両電
極への電圧の印加によって電解される。したがって、本
発明の実施例１においては、液体状態の水が、発生気体
である酸素や水素に混入することがない。

【００２３】また、本発明の実施例１においては、水蒸
気を陽極側から供給せず、またイオン交換膜が液体の水
を透過するということがないので、陽極から水素イオン
と共に移動する液体の水の処理が不要である。また、気
体である水素・酸素と液体状態の水を分離させるための
装置も不要である。

【００２４】また、本発明の実施例１においては、水蒸
気をそのまま水蒸気導入相である隔室Ａに導入して電解
できるので、水蒸気を冷却する手段も不要である。さら
に、水蒸気に二酸化炭素等のガスが混入していても水蒸
気の電解ができるので、浄化手段がいらない。

【００２５】本発明は、実施例１で用いた陰極をスポン
ジ状でなく多孔質にしたり、イオン交換膜に水蒸気透過
性の高い他のイオン交換膜を用いる等による実施も可能
である。

【実施例２】

【００２６】図２は、本発明の実施例２の構成図であ
る。本発明の実施例２においては、水蒸気電解装置
（１）は、さらに、水蒸気発生装置（１８）が付設され
ている。その他の点は本発明の実施例１と同じである。
水蒸気発生装置（１８）には、圧力調整手段としての圧
力センサ（１９）と圧力調節器（２０）、温度調整手段
としての温度センサ（２３）、及び安全弁（２２）を有
する水タンク（１６）からなる。また、モニター用とし
て圧力計（２１）と水位計（２４）を有する。水タンク
（１６）内には水が一定量満たしてあり、水位センサ
（２５）による制御で水位調節を行う。水はヒータ（１
３）で温度調整されている。ヒータ（１３）は、圧力調
節器（２０）とつながれていて、水蒸気圧が一定値にな
るように制御する。温度センサ（２３）は水蒸気の温度
を測定する。水蒸気電解装置（１）と水蒸気発生装置
（１８）は、水蒸気用パイプ（１７）でつながれてい
る。水蒸気用パイプ（１７）には、結露防止のためのヒ
ータが巻きつけてある。

【００２７】図３は、本発明の実施例３の構成図であ
る。本発明の実施例３の水蒸気電解装置（１）において
は、本発明の実施例２に、さらに、逆止弁（２６）とバ
ルブ（２７）を有するガス送入口（１４）が設けてあ
り、任意のガスを水蒸気に混入できる。また、電解槽
（１２）を複数個並列で並べてあり、高効率で酸素と水
素を発生させることができる。

【００２８】本発明の実施例３においては、宇宙の閉鎖
空間において二酸化炭素やメタン等の混入した水蒸気を
電解した場合の模擬テストを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【００２９】本発明の水蒸気電解装置の利用は、航空機
内での酸素を供給したり、燃料電池にエネルギー源とし
て酸素・水素を供給したり、宇宙空間や宇宙船で生命を
維持するための酸素や燃料としての水素を供給したり、
或いは宝飾加工の酸素バーナーに酸素を供給したりする
ことに役立つ。したがって、本発明の水蒸気電解装置の
利用により、宇宙開発等の発展に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【００３０】

【図１】本発明の実施例１の構成図である。

【図２】本発明の実施例２の構成図である。

【図３】本発明の実施例３の構成図である。

【符号の説明】

【００３１】 １ 水蒸気電解装置 ２ 水蒸気流入口 ３ 隔室Ａ ４ イオン交換膜Ａ ５ イオン交換膜Ｂ ６ 水素排出口 ７ 陰極 ８ 隔室Ｂ ９ 陽極 １０ 酸素排出口 １１ 隔室Ｃ １２ 電解槽 １３ ヒータ １４ ガス送入口 １５ 水排出口 １６ 水タンク １７ 水蒸気用パイプ １８ 水蒸気発生装置 １９ 圧力センサ ２０ 圧力調節器 ２１ 圧力計 ２２ 安全弁 ２３ 温度センサ ２４ 水位計 ２５ 水位センサ ２６ 逆止弁 ２７ バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 洋二 東京都新宿区新宿５丁目４番14号 スガ 試験機株式会社内 (56)参考文献 実開 平４−21563（ＪＰ，Ｕ) 特許3452140（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C25B 1/04 C25B 9/00 H01M 8/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水蒸気を電解槽内へ導入する手段を有し、 水蒸気透過性を有する陰極をフッ素樹脂系のイオン交換
   膜Ａと触媒つきフッ素樹脂系のイオン交換膜Ｂの間に挟
   みこみ、イオン交換膜Ａの外側に水蒸気導入相を配し、
   イオン交換膜Ｂの外側には陽極を配した電解槽で、 前記水蒸気導入相内に導入された水蒸気が、イオン交換
   膜Ａと前記陰極内を通過して、イオン交換膜Ｂに吸水さ
   れ、両電極への電圧印加により、電解され、 イオン交換膜Ｂ内をプロトンが陽極側から陰極側に移動
   して、陰極表面に水素が発生し、 陽極表面に酸素が発生することにより、 発生した酸素と水素に水を混入させないことを特徴とす
   る水蒸気電解装置。
2. 【請求項２】圧力調整手段、温度調整手段、及び安全弁
   を有する水蒸気発生器を付設し、 かつ、 （ア）前記水蒸気発生器から水蒸気を導入する手段を有
   する隔室Ａ、 （イ）フッ素樹脂系イオン交換膜、 （ウ）水素排出手段を有し、かつ、スポンジ状陰極を充
   填した隔室Ｂ、 （エ）白金、イリジウム、ロジウム又はイリジウム−ロ
   ジウム合金をメッキしたフッ素樹脂系イオン交換膜、 （オ）多孔質チタンに白金メッキした陽極、 （カ）酸素排出手段を有する隔室Ｃ を（ア）から（カ）の順にサンドイッチした電解槽を有
   することを特徴とする水蒸気電解装置。