JP6257046B2 - ガスを生成するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスを生成するための方法および装置に関する。より詳細には、限定されるわけではないが、本発明は、電解質水溶液の電気分解によって水素ガスや酸素ガスなどの可燃性ガスを生成し、生成時に分離させた状態に保つ電解セル（electrolysis cell）および電解方法に関する。

電解セルは、電気を用いて水を気相の水素および酸素に変換する。

公知の電解セルは、水素ガスと酸素ガスとを分離するために電極間に多孔質膜を利用する液体アルカリ電解槽（electrolyser）かまたは電気分解プロセスによって生成した水素ガスと酸素ガスとを分離するためにプロトン交換膜を利用する高分子電解質電解槽かのいずれかからなる。電解セルは、プロトン交換膜の第１の面に沿って配置されたアノードと、プロトン交換膜の反対側の第２の面に沿って配置されたカソードとをさらに含む。

液体アルカリ電解槽における公知の膜は一般に多孔質プラスチックからなるが、高分子電極電解槽においては、公知のプロトン交換膜は、一般にアイオノマーからなり、酸素や水素などのガスを透過させないで陽子を伝導するように設計された半透膜である。プロトン交換膜は、純粋な高分子膜かまたは高分子マトリクスに他の材料が埋め込まれた複合膜かのいずれかから作製することができる。

全ての種類の膜の第１の欠点は、電流を制限することである。

膜によるさらなる欠点は、電極間の距離が大きくなることであり、抵抗が増加する原因となる。公知の液体アルカリ膜のさらなる欠点は、電流密度の増加に伴って効率が低下することである。公知のプロトン交換膜の効率は、膜からのガスの除去が不十分なことにより、セルの両端に印加される電圧が上昇するにつれて低下する。また、電極を密接させて積層することができない。そうするとガスの除去を妨げることになるからである。

公知の液体アルカリ膜のさらなる欠点は、高温高圧下では有効に機能し得ないことである。

公知のプロトン交換膜のさらなる欠点は、水素の電子と陽子とを分離するために貴金属触媒（典型的には白金）を用いる必要があるために、膜のコストが高いことである。白金触媒は、一酸化炭素被毒に対する感受性が非常に強くもあり、アルコール燃料または炭化水素燃料から水素を得る場合は燃料ガス中の一酸化炭素を低減させるために追加の反応器を採用する必要がある。このこともやはり、公知のプロトン交換膜を使用するコストを増加させている。

公知のプロトン交換膜のさらなる欠点は、相対湿度が低いと伝導率が悪いことと、温度が約１００℃を超えると機械的特性が悪いことである。これらの膜の動作温度は比較的低く、１００℃付近の温度は有用なコジェネレーションを行うのに十分なほど高くはない。

ハイドロクス・ホールディングス・リミテッド（HYDROX HOLDINGS LIMITED）社の名義で「ガスを生成するための方法及び装置（Method and apparatus for producing gas）」という名称の先行技術文献ＰＣＴ／ＩＢ２０１１／０５３０５０には、電気分解を達成するために多孔質膜またはプロトン交換膜の代わりに流体力学的障壁を用いた液体アルカリ電解槽の使用が記載されている。この発明は、製造コストおよび操業コストならびにサイズの点で多大な改善をもたらす。

本明細書において、「可燃性流体」という用語の範囲には、気相の水素および／または酸素を主として含有する可燃性ガスが含まれる。

よって、本発明の目的は、上記の欠点を克服し得るとともに、ガスを生成するための公知の電解セルおよび電解方法の有用な代わりとなる、ガスを生成するための方法および装置を提供することである。

本発明の第１の態様によると、電気分解プロセスにおいて液体アルカリ電解質溶液から可燃性流体を生成するための方法であって、
電解質溶液を準備する工程と、
チャンバに浸漬された第１および第２の離間した透過性電極を有する電気分解装置であって、前記チャンバは少なくとも１つの入口と２つの出口とを有する、電気分解装置を準備する工程と、
上記入口を介して上記チャンバに上記溶液を送り込む工程と、
上記装置の上記電極間に電圧を印加し、上記電極間で上記溶液を電気分解することにより、上記第１の電極で第１の可燃性流体が生じ、上記第２の電極で第２の可燃性流体が生じ、上記第１の可燃性流体が上記第１の電極から上記第１の出口へ流れ、上記第２の可燃性流体が上記第２の電極から上記第２の出口へ流れる工程と、を含み、上記第１および第２の電極が１ｍｍから６ｍｍまでの範囲で互いに比較的近接して設けられ得る、方法が提供される。

上記電解質溶液は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）であり得る。

上記可燃性流体は水素飽和流体（hydrogenated fluid）および酸素飽和流体（oxygenated fluid）であり得、より具体的には、上記可燃性流体は水素ガスおよび酸素ガスであり得る。

上記透過性電極はそれぞれ穿孔状または有孔状（foraminous）であり得る。

各透過性電極はさらにメッシュ材料または発泡材料からなり得る。

各透過性電極は、ステンレス鋼材料、ニッケル材料、パラジウム材料、コバルト材料、白金材料を含む群から選択された材料からなり得る。

上記第１および第２の電極は実質的に平行であり得る。

上記第１および第２の透過性電極は、上記出口の大きさと上記溶液を上記装置に送る圧力とによって影響され得る、閉鎖面積に対する開孔面積の適切な所定の比率（ＰＰＩ（平方インチ当たりの細孔（pores per square inch））としても知られる）を有し得る。

上記第１および第２の透過性電極は一組の透過性電極であり得、上記装置は、全てが同様の構成を有する複数組の透過性電極を含み得る。

上記電気分解装置は、上記入口の全てと流体流連通（fluid flow communication）する少なくとも１つの入口を規定し得、上記方法は、入口マニホールドを介して上記複数組の透過性電極の全ての上記チャンバへ上記溶液を送る工程を含み得る。

上記第１の可燃性流体出口流路は上記複数組の透過性電極の全ての上記第１の可燃性流体出口の全てと流体流連通し得、上記第２の可燃性流体出口流路は上記複数組の透過性電極の全ての上記第２の可燃性流体出口の全てと流体流連通し得、上記第１の電極で生じた上記第１の可燃性流体が上記第１の可燃性流体出口を介して上記装置から流れ出、上記第２の電極で生じた上記第２の可燃性流体が上記第２の可燃性流体出口を介して上記装置から流れ出るように構成されている。

本発明の第２の態様によると、液体アルカリ電気分解プロセスにおいて電解質溶液すなわち水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）から可燃性流体を生成する電気分解装置であって、
入口チャンバに浸漬された第１および第２の離間した透過性電極と、
上記電解質溶液を上記入口チャンバに送り込むための上記入口チャンバへの少なくとも１つの入口と、
第１および第２の可燃性流体出口と、を含み、
上記電解質溶液が、電気分解が起こる上記入口チャンバに上記入口を介して流れ込み、上記第１の電極で第１の可燃性流体が生じ、上記第２の電極で第２の可燃性流体が生じ、さらには、上記第１の可燃性流体が上記第１の電極から上記第１の可燃性流体出口へ流れ、上記第２の可燃性流体が上記第２の電極から上記第２の可燃性流体出口へ流れるように構成され、上記第１および第２の電極は、１ｍｍから６ｍｍまでの範囲で互いに比較的近接して設けられ得る、電気分解装置が提供される。

上記電解質は、２０％から５０％までの範囲の濃度の水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）であり得る。

上記可燃性流体は水素飽和流体および酸素飽和流体であり得、より具体的には、上記可燃性流体は水素ガスおよび酸素ガスであり得る。

上記透過性電極はそれぞれ穿孔状または有孔状であり得る。

各透過性電極はさらにメッシュ材料または発泡材料からなり得る。

各透過性電極は、ステンレス鋼材料、ニッケル材料、パラジウム材料、コバルト材料、白金材料を含む群から選択された材料からなり得る。

上記第１および第２の電極は実質的に平行であり得る。

上記第１および第２の電極のそれぞれは、上記電解質溶液を電気分解するために上記電気分解装置に電圧を供給するために電源と接続するための少なくとも１つのコネクタタブを含み得る。

上記第１および第２の電極は、上記電極の周囲に電流を分散させるために上記コネクタタブに固定されたステンレス鋼製カプラに取り付けられ得る。

ＰＶＣ製スリーブが、上記電極のそれぞれを上記カプラにしっかりと取り付けられた状態に保ち、上記電解質から上記カプラを電気的に隔離する。

上記第１および第２の透過性電極は、上記出口の大きさと上記溶液を上記装置に送る圧力とによって影響され得る、閉鎖面積に対する開孔面積の適切な所定の比率（すなわちＰＰＩ）を有し得る。

本装置は、それぞれがポリエチレンからなる第１および第２の外端部材を含み得る。

本装置は、円筒形、正方形、または多角形の形状であり得る。

本装置は、上記溶液を装置を通って循環させ、上記溶液を上記入口チャンバに強制的に送り込むために、ポンプなどの循環手段を含み得る。

本装置は、上記第１の可燃性流体出口に接続された第１の可燃性流体収集容器と、上記第２の可燃性流体出口に接続された第２の可燃性流体収集容器とを含み得る。

ここで、本発明について、添付の図面を参照しながら、非限定的な例を挙げてさらに説明する。図面において、
図１は、本発明の第１の好適な実施形態に係る電気分解装置の断面図であり、
図２は、本発明の第２の好適な実施形態に係る電気分解装置の一部の分解斜視図であり、
図３は、図２の装置の１つの電極の断面図である。

図面を参照すると、本発明の好適な実施形態に係る電気分解装置は概して参照符号１０で示されている。

電気分解装置１０は、当該装置１０に送り込まれた電解質溶液の電気分解中に生じる酸素飽和流体および水素飽和流体を生成するように適合されている。

装置１０は、ポリエチレンからなる第１の外端部材１２と、やはりポリエチレンからなる第２の外端部材１４とを含む。

図１を参照すると、上記第１および第２の外端部材１２および１４は、どちらも正方形であり、互いに概して平行に配置され、互いに離間されている。装置の形状は、図２に示すように、多角形または円形でもあり得、必ずしも正方形でなくてもよいと考えられる。

装置１０は、２つの離間された透過性電極である第１の透過性電極１６および第２の透過性電極１８をさらに含む。透過性電極１６および１８はそれぞれ有孔材料または穿孔材料からなる。具体的には、これらの透過性電極はそれぞれ３１６ステンレス鋼メッシュ（畳織金網（Dutch weave wire mesh）など）からなる。また、上記２つの透過性電極１６および１８は、互いに概して平行に配置され、１ｍｍから６ｍｍの範囲で互いに比較的近接して離間される。入口チャンバ２０が第１および第２の透過性電極１６および１８を取り囲んでいる。

透過性電極１６および１８の間隔が近くなるほど、電極間の抵抗が低くなる、すなわち、装置１０に印加する必要のある電圧が低くなり、より効率的な装置１０となる。

図１を参照すると、本発明の第１の実施形態において、メッシュ径２０ｍｍ、メッシュ面積３１４ｍｍ²、メッシュ厚０．８ｍｍの２つの透過膜が４ｍｍ離間されている。この寸法の組合せにより、電解質濃度として５０％ＫＯＨを利用して、温度が６０℃、印加電圧が直流１．７６５Ｖで、電流密度が７３ｍＡ／ｃｍ²となる。本出願人は、電解質温度をより高くし、電極間隔を４ｍｍ未満に減少させることによって、この数字を大幅に改善し得ると考える。電極を白金で電気めっきすることによって、電極の触媒有効性も大きく向上する。

第１および第２の電極は、電極の周囲に電流を分散させるためにコネクタタブに固定されたステンレス鋼製カプラ２４に取り付けられ得る。ＰＶＣ製スリーブ２２は、電極をカプラにしっかりと取り付けられた状態に保つとともに、カプラを電解質から電気的に隔離する。

入口チャンバ２０は、電解質溶液を当該チャンバ２０内に流入させるための２つの入口２６を有する。また、装置１０は、酸素出口２８と水素出口３０とを有する。

透過性電極１６および１８を通過する電解質溶液の流れは、プラスおよびマイナスの（第１および第２の）透過性電極でそれぞれ発生した酸素ガスおよび水素ガスを運ぶ。これにより、水素ガスと酸素ガスが自然に分離される。電極１６および１８が近接していることにより、非常に低い電圧での加水分解も可能になり、高い効率ならびに高純度の水素および酸素が得られる。

第１および第２の透過性電極１６および１８は、一組の透過性電極を形成する。装置１０は、直列（back-to-front）または並列に配置されて互いに接続された複数組の透過性電極を含み得る。

第１および第２の電極１６および１８は、蓄電池などの電源（図示せず）への接続のための導電性のコネクタタブまたはプレート（一方がプラス端子で、他方がマイナス端子である）を含む。これにより、電源は、溶液を電気分解するために１Ｖ〜６Ｖの電圧を電気分解装置１０に供給する。本装置１０は、純粋な直流電圧かまたはパルス直流電圧かのいずれかが印加されることによって、水素および酸素を生成する。

装置１０は、装置１０を通って溶液を循環させるために、ポンプ（図示せず）などの循環手段をさらに含む。入口２６を介してチャンバ２０に流れ込む電解質溶液は、ポンプによって装置１０へ送られることによって加圧されるので、強制的に透過性電極１６および１８を通過させられる。電解質溶液が入口２６を介して第１のチャンバ２０に流れ込み、透過性電極１６および１８を通過するように構成されている。第１および第２の透過性電極１６および１８の間で電解作用が生じる。酸素飽和流体は酸素出口２８を介して流れ出、水素飽和流体は水素出口３０を介して流れ出る。

装置１０は、水素出口３０に接続された水素収集容器（図示せず）と、酸素出口２８に接続された酸素収集容器（これも図示せず）とをさらに含み得る。酸素収集容器および水素収集容器のそれぞれは、当該容器の有効底端部寄りに位置する第２の電解質溶液出口と、酸素収集容器および水素収集容器のそれぞれの有効上端部寄りにそれぞれ位置する酸素ガス出口および水素ガス出口とを有する。電解質溶液は、それぞれのガスと共に酸素出口２８および水素出口３０から流れ出て酸素収集容器および水素収集容器に入る。それぞれの容器に流入する流体中の水素ガスおよび酸素ガスは、重力と表面張力とによって放出されて酸素ガス出口および水素ガス出口を介して容器から流れ出、電解質溶液は、第２の電解質溶液出口を介して容器から流れ出るように構成されている。第２の電解質溶液出口は入口２６に接続されており、溶液はポンプによって再び装置１０へと循環される。このようにして、ガスは後で使用するために貯蔵される。

装置１０の第１のチャンバ２０から酸素出口２８および水素出口３０への正方向の流れが存在すると考えられる。第１のチャンバ２０から透過性電極を通過して酸素出口２８および水素出口３０へ流れる電解質溶液の加圧された流れは、酸素ガスおよび水素ガスが、第１および第２の透過性電極１６および１８で生じた後、第１のチャンバ２０に進入することを制限する。装置内のイオンの流れは、電解質の流れに逆行したり一致したりして発生し、本構成の特異な特徴となっていると考えられる。

電気分解装置は先行技術の装置の場合におけるような膜を本質的に有さず、電極で生じた気泡は電解質の流れに伴ってすぐに除去されるとさらに考えられる。これには数多くの利点があり、例えば、ウェット膜またはドライ膜のコストと、当該膜の維持コストとが不要になる。さらに、従来は電極で気泡が生じると電流密度が低下していたが、本構成においては、気泡がすぐに除去されるので、一定の電流密度が維持される。電流密度が１１，０００ｍＡ／ｃｍでも気泡が分離され続けたことは非常に重要である。

膜が無いことにより、膜の使用に通常伴う圧力および温度の制約もなくなる。本発明においては、電極表面を横切るガスの動きによって陰になる導電領域（shaded conduction area）を発生させることのない、透過性電極が用いられる。このことにより、電極の有効導電領域が増加して、実効電圧要件が緩和され、よって効率が改善され、その結果、操業コストが削減される。

電極の間隔を狭くすることで、より高い電流密度と効率の向上とを達成可能であることもさらに考えられる。

本発明に係る水素ガスおよび酸素ガスを生成するための方法ならびに装置は、添付の請求項の範囲を逸脱することなく、細部にわたって変形可能であることが理解されよう。

Claims (20)

1. 電気分解プロセスにおいて液体アルカリ電解質溶液から酸素ガスおよび水素ガスを生成するための方法であって、
   電解質溶液を準備する工程と、
   入口チャンバに浸漬された第１および第２の離間し且つ平行な有孔の電極を有する電気分解装置であって、前記入口チャンバは前記第１および第２の電極を取り囲み且つ少なくとも１つの入口と２つの出口とを有する、電気分解装置を準備する工程と、
   前記入口を介して前記入口チャンバに前記溶液を送り込む工程と、
   前記装置の前記電解質溶液に浸漬された前記電極間に電圧を印加し、前記電極間で前記溶液を電気分解することにより、前記第１の電極で酸素ガスが生じ、前記第２の電極で水素ガスが生じ、前記酸素ガスが前記第１の電極を通過して前記第１の出口へ流れ、前記水素ガスが前記第２の電極を通過して前記第２の出口へ流れる工程と、を含み、
   前記第１および第２の電極が１ｍｍから６ｍｍまでの範囲で互いに比較的近接して設けられている、方法。
2. 前記電解質溶液が、水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）である、請求項１に記載の方法。
3. 各透過性電極がさらにメッシュ材料または発泡材料である、請求項１または２に記載の方法。
4. 各透過性電極が、ステンレス鋼材料、ニッケル材料、パラジウム材料、コバルト材料、白金材料を含む群から選択された材料からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１および第２の透過性電極が、前記出口の大きさと前記溶液を前記装置に送る圧力とによって影響される、閉鎖面積に対する開孔面積の適切な所定の比率（ＰＰＩ（平方インチ当たりの細孔）としても知られる）を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第１および第２の透過性電極が一組の透過性電極であり、前記装置は、全てが同様の構成を有する複数組の透過性電極を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記電気分解装置が、前記入口の全てと流体流連通する少なくとも１つの入口を規定し、前記方法が、入口マニホールドを介して前記複数組の透過性電極の全ての前記チャンバへ前記溶液を送る工程を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の出口が前記複数組の透過性電極の全ての前記第１の出口の全てと流体流連通し、前記第２の出口が前記複数組の透過性電極の全ての前記第２の出口の全てと流体流連通しており、前記第１の電極で生じた前記酸素ガスが前記第１の出口を介して前記装置から流れ出、前記第２の電極で生じた前記水素ガスが前記第２の出口を介して前記装置から流れ出るように構成されている、請求項７に記載の方法。
9. 液体アルカリ電気分解プロセスにおいて電解質溶液すなわち水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）から酸素ガスおよび水素ガスを生成する電気分解装置であって、
   第１および第２の離間し且つ平行な有孔の電極であって、１ｍｍから６ｍｍまでの範囲で互いに比較的近接して設けられ、且つ、入口チャンバに浸漬された、第１および第２の電極を含み、
   前記入口チャンバは、前記第１および第２の電極を取り囲み、且つ、前記電解質溶液を前記入口チャンバに送り込むための前記入口チャンバへの少なくとも１つの入口とそれぞれ酸素ガスおよび水素ガスのための第１および第２の出口とを有し、
   前記電解質溶液が前記入口チャンバに前記入口を介して流れ込み、前記電極間に電圧が印加されると前記入口チャンバで電気分解が起こり、それによって、前記第１の電極で酸素が生じ、前記第２の電極で水素が生じ、その後、酸素が前記第１の電極を通過して前記第１の出口へ流れ、水素が前記第２の電極を通過して前記第２の出口へ流れるように構成されている、電気分解装置。
10. 前記電解質が、２０％から５０％までの範囲の濃度の水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）である、請求項９に記載の電気分解装置。
11. 各有孔の電極がさらにメッシュ材料または発泡材料からなる、請求項９または１０に記載の電気分解装置。
12. 各透過性電極が、ステンレス鋼材料、ニッケル材料、パラジウム材料、コバルト材料、白金材料を含む群から選択された材料からなる、請求項９から１１のいずれか１項に記載の電気分解装置。
13. 前記第１および第２の電極のそれぞれが、前記電解質溶液を電気分解するために前記電気分解装置に電圧を供給するために電源と接続するための少なくとも１つのコネクタタブを含む、請求項９から１２のいずれか１項に記載の電気分解装置。
14. 前記第１および第２の電極が、前記電極の周囲に電流を分散させるために前記コネクタタブに固定されたステンレス鋼製カプラに取り付けられている、請求項１３に記載の電気分解装置。
15. ＰＶＣ製スリーブが、前記電極のそれぞれを前記カプラにしっかりと取り付けられた状態に保ち、前記電解質から前記カプラを電気的に隔離する、請求項１４に記載の電気分解装置。
16. 前記第１および第２の透過性電極が、前記出口の大きさと前記溶液を前記装置に送る圧力とによって影響される、閉鎖面積に対する開孔面積の適切な所定の比率（すなわちＰＰＩ）を有する、請求項９から１５のいずれか１項に記載の電気分解装置。
17. それぞれがポリエチレンからなる第１および第２の外端部材を含む、請求項９から１６のいずれか１項に記載の電気分解装置。
18. 円筒形、正方形、または多角形の形状である、請求項９から１７のいずれか１項に記載の電気分解装置。
19. 前記溶液を前記装置を通って循環させ、前記溶液を前記入口チャンバに強制的に送り込むために、ポンプなどの循環手段を含む、請求項９から１８のいずれか１項に記載の電気分解装置。
20. 前記第１の出口に接続された酸素収集容器と、前記第２の出口に接続された水素収集容器とを含む、請求項９から１９のいずれか１項に記載の電気分解装置。

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