JPS6038174B2 - 水素同位体の分離装置 - Google Patents
水素同位体の分離装置Info
- Publication number
- JPS6038174B2 JPS6038174B2 JP11510077A JP11510077A JPS6038174B2 JP S6038174 B2 JPS6038174 B2 JP S6038174B2 JP 11510077 A JP11510077 A JP 11510077A JP 11510077 A JP11510077 A JP 11510077A JP S6038174 B2 JPS6038174 B2 JP S6038174B2
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- Japan
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- hydrogen
- water
- oxygen
- tritium
- isotope separation
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- Expired
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- Fuel Cell (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は電気分解による水素同位体の分離を、低い運転
費で行なえるようにした水素の同位体の分離装置に関す
るものである。
費で行なえるようにした水素の同位体の分離装置に関す
るものである。
水素の同位体には軽水素、重水素およびトリチウムがあ
り、これらを分離する方法は各種のものが提案されてお
り、そのうち電気分解法は有望なものの一つである。
り、これらを分離する方法は各種のものが提案されてお
り、そのうち電気分解法は有望なものの一つである。
これは水を電気分解によって水素を酸素に分解する際、
陰極で生成される気相水素中の重水素（またはトリチウ
ム）の濃度は、残留してしている重水素（またはトリチ
ウム）の濃度より相当に低くなる事を利用するものであ
る。すなわち水の電解槽と水素と酸素の再結合器を適宜
組み合せれば、任意の濃度にこれら同位体を濃縮（また
は希釈）分離することができる。しかしながら、この方
法を重水製造プラントや原子力発電所におけるトリチゥ
ム分離装置のように工業的な規模で実施しようとすれば
、その電解に要する電力は大量のものとなり、その運転
費（ランニングコスト）が高くなる欠点があった。本発
明者等は、上記のような電気分解法による水素の同位体
分離において、その運転費（ランニング・コスト）を低
減し得る方法について研究をを重ねた結果、発電効率の
非常に高い燃料電池に、電解槽で発生した水素と酸素を
再結合して水に戻す役目と、電力を発生させ電解に要し
た電力を補償する機能とをもたせることにより、水素の
同位体を分離する装置の運転費を大中に低減できること
を見出し本発明に到達したものである。
陰極で生成される気相水素中の重水素（またはトリチウ
ム）の濃度は、残留してしている重水素（またはトリチ
ウム）の濃度より相当に低くなる事を利用するものであ
る。すなわち水の電解槽と水素と酸素の再結合器を適宜
組み合せれば、任意の濃度にこれら同位体を濃縮（また
は希釈）分離することができる。しかしながら、この方
法を重水製造プラントや原子力発電所におけるトリチゥ
ム分離装置のように工業的な規模で実施しようとすれば
、その電解に要する電力は大量のものとなり、その運転
費（ランニングコスト）が高くなる欠点があった。本発
明者等は、上記のような電気分解法による水素の同位体
分離において、その運転費（ランニング・コスト）を低
減し得る方法について研究をを重ねた結果、発電効率の
非常に高い燃料電池に、電解槽で発生した水素と酸素を
再結合して水に戻す役目と、電力を発生させ電解に要し
た電力を補償する機能とをもたせることにより、水素の
同位体を分離する装置の運転費を大中に低減できること
を見出し本発明に到達したものである。
すなわち、本発明は水が供給される電解槽、同電解槽の
各電極上にそれぞれ区画して形成されたガス室に連絡し
前記電解槽内で発生した水素及び酸素が供給される水素
−酸素燃料電池、及び前記電解槽に給電する電源装置を
有してなり、同電源装置に前記電池を連絡し同電池の出
力を同電源装置に付加することを特徴とする、水素同位
体分離装置に関するものである。第１図に本発明による
水素の同位体の分離装置の原理説明図を示す。
各電極上にそれぞれ区画して形成されたガス室に連絡し
前記電解槽内で発生した水素及び酸素が供給される水素
−酸素燃料電池、及び前記電解槽に給電する電源装置を
有してなり、同電源装置に前記電池を連絡し同電池の出
力を同電源装置に付加することを特徴とする、水素同位
体分離装置に関するものである。第１図に本発明による
水素の同位体の分離装置の原理説明図を示す。
電解檀１には陰極板２および３が設けられ、各電極板は
電気配線１８により電源装置１９に接続され電力の供給
を受ける。
電気配線１８により電源装置１９に接続され電力の供給
を受ける。
電解槽１の上部には水素室６と酸素室７があり、水素と
酸素の俵は鳥気の生成を防止するよう隔膜５で仕切られ
ている。また水素室６と酸素室７は各々収集した水素と
酸素を燃料電池１０の陰極１１および陽極１２へ燃料及
び酸化剤として供給するよう水素ライン１５及び酸素ラ
イン１６により接続されている。電解槽１の底部には濃
縮液取世ライン９が設けられており、電気分解によって
濃縮された濃縮重水（または濃縮トリチゥム水）を取り
出せるようにしてある。燃料電池１０‘ま陰極１１と陽
極１２及び電解質１３からなり、電極は多孔質の炭素な
どの電子導電体の物質からできており、その表面には水
素や酸素を活性化させるための触媒（白金など）が添加
されている。また燃料電池１０１こは電池反応によって
生じた水を取り出すための希釈液取出ライン１４を設け
てある。陰極１１及び陽極１２は発生した電力を送るた
め、電気配線１７により電源装置１９へ接続してある。
水素の同位体分離には、軽水素の分離、重水素とトリチ
ウムの分離、軽水素とトリチウムの分離及びこれらの混
合した形式のものが考えられるが、ここでは軽水素とト
リチウムの分離を例に説明する。
酸素の俵は鳥気の生成を防止するよう隔膜５で仕切られ
ている。また水素室６と酸素室７は各々収集した水素と
酸素を燃料電池１０の陰極１１および陽極１２へ燃料及
び酸化剤として供給するよう水素ライン１５及び酸素ラ
イン１６により接続されている。電解槽１の底部には濃
縮液取世ライン９が設けられており、電気分解によって
濃縮された濃縮重水（または濃縮トリチゥム水）を取り
出せるようにしてある。燃料電池１０‘ま陰極１１と陽
極１２及び電解質１３からなり、電極は多孔質の炭素な
どの電子導電体の物質からできており、その表面には水
素や酸素を活性化させるための触媒（白金など）が添加
されている。また燃料電池１０１こは電池反応によって
生じた水を取り出すための希釈液取出ライン１４を設け
てある。陰極１１及び陽極１２は発生した電力を送るた
め、電気配線１７により電源装置１９へ接続してある。
水素の同位体分離には、軽水素の分離、重水素とトリチ
ウムの分離、軽水素とトリチウムの分離及びこれらの混
合した形式のものが考えられるが、ここでは軽水素とト
リチウムの分離を例に説明する。
彼処理水（軽水とトリチウム水の混合水）は供給液ライ
ン８から電解槽１に供給され、ここで電気分解により水
素が陰極板２で生じ水素室６に集められ、また酸素は陽
極板３で生じ酸素室７に集められる。この電気分解の際
、陰極における軽水素とトリチウムの過電圧はトリチゥ
ムの方が大きいため、発生した水素中（気相中の）のト
リチウム濃度は残留している水中のトリチウム濃度より
低くなるので、トリチウムの濃縮水が電解槽１中に生成
され、またトリチウムの希釈水が後述されるように燃料
電池１０で生成される（すなわち軽水素とトリチウムの
分離が行なわれる）。さて電解槽１の水素室６及び酸素
室７に収集された水素及び酸素は各々水素ライン及び酸
素ライン１６を経由して燃料電池１０の陰極１ １及び
陽極１へそれぞれ供給される。次に燃料露地１川こおけ
る作用を説明する（水素・酸素燃料電池には酸素電解質
とアルカリ性電解質を利用したものがあるが、ここでは
酸性電解質を使用したものを例として説明する）。
ン８から電解槽１に供給され、ここで電気分解により水
素が陰極板２で生じ水素室６に集められ、また酸素は陽
極板３で生じ酸素室７に集められる。この電気分解の際
、陰極における軽水素とトリチウムの過電圧はトリチゥ
ムの方が大きいため、発生した水素中（気相中の）のト
リチウム濃度は残留している水中のトリチウム濃度より
低くなるので、トリチウムの濃縮水が電解槽１中に生成
され、またトリチウムの希釈水が後述されるように燃料
電池１０で生成される（すなわち軽水素とトリチウムの
分離が行なわれる）。さて電解槽１の水素室６及び酸素
室７に収集された水素及び酸素は各々水素ライン及び酸
素ライン１６を経由して燃料電池１０の陰極１ １及び
陽極１へそれぞれ供給される。次に燃料露地１川こおけ
る作用を説明する（水素・酸素燃料電池には酸素電解質
とアルカリ性電解質を利用したものがあるが、ここでは
酸性電解質を使用したものを例として説明する）。
陰極Ｉ１では供Ｖ給された水素が電極に吸着し、触媒作
用により活性化され、水素イオンとなって電解質１３の
中に入り、陽極１２へ移動する。その際、生じた電子を
外部回路へ流す（ここでは電気配線１７を通じて電源１
９へ流す）。陰極１１での反応は次式で表わされる。Ｑ
→２Ｈ＋＋を− 陽極１２では、供給された酸素が電極に吸着して活性化
され、外部回路から電極へ流れ込んだ電子を受け（ここ
で電源装置１９から電気配線１７を経由して電子が陽極
に流れ込む）、電解質中の水素イオンを反応して水を生
成する。
用により活性化され、水素イオンとなって電解質１３の
中に入り、陽極１２へ移動する。その際、生じた電子を
外部回路へ流す（ここでは電気配線１７を通じて電源１
９へ流す）。陰極１１での反応は次式で表わされる。Ｑ
→２Ｈ＋＋を− 陽極１２では、供給された酸素が電極に吸着して活性化
され、外部回路から電極へ流れ込んだ電子を受け（ここ
で電源装置１９から電気配線１７を経由して電子が陽極
に流れ込む）、電解質中の水素イオンを反応して水を生
成する。
陽極１２での反応は次式で表わされる。畑十ヂ２冊‐一
日２０ よって電池全体の反応としては、 叫や２一日２０ となる。
日２０ よって電池全体の反応としては、 叫や２一日２０ となる。
要するに、燃料電池１０は電気化学的な酸化反応により
、電解槽１で発生した水素と酸素を全量、水に戻し、そ
の反応のエネルギーを直接、電気エネルギーの形で外部
へ取り出している。
、電解槽１で発生した水素と酸素を全量、水に戻し、そ
の反応のエネルギーを直接、電気エネルギーの形で外部
へ取り出している。
以上のように、本発明の水素の同位体分離装置では水の
電気分解により水素の同位体の分離を行ない、その際発
生した水素と酸素をそれぞれ燃料及び酸化剤とする燃料
電池にて発電を行なうことにより、電解に要した電力を
補償しており、運転費（ランニングコスト）を著しく低
減することができる（１００％補償はできないが、周知
のように燃料電池は在来の発電方式に比べてかなり高効
率である為、相当の効果がある。）。なお、本発明によ
る水素の同位体分離装置を工業的に実施するためには、
第１図に示すような１対の電解槽と燃料電池の組合せで
は得られる濃縮度が不足するため、これらを多段に組合
せる必要がある。
電気分解により水素の同位体の分離を行ない、その際発
生した水素と酸素をそれぞれ燃料及び酸化剤とする燃料
電池にて発電を行なうことにより、電解に要した電力を
補償しており、運転費（ランニングコスト）を著しく低
減することができる（１００％補償はできないが、周知
のように燃料電池は在来の発電方式に比べてかなり高効
率である為、相当の効果がある。）。なお、本発明によ
る水素の同位体分離装置を工業的に実施するためには、
第１図に示すような１対の電解槽と燃料電池の組合せで
は得られる濃縮度が不足するため、これらを多段に組合
せる必要がある。
第２図はこれらを多段に絹合せたシステムの１つの実施
例を示したもので、いわゆる「理想カスケード方式」の
考えによって電解槽と燃料を結合させたものである。第
２図において、１は第１段電解槽、２は第段燃料電池、
３は第２段電解糟、４は第２段燃料電池、５は第ｎ−１
段電解槽、６は第ｎ−１段燃料電池、７は第ｎ段電解槽
、８は第ｎ段燃料電池であり、ラィンイより被処理水を
供給し、ラィンロより希釈液を取り出し、ラィンハは第
３段の燃料電池より希釈液をその前の２段電解槽３へ送
るラインであり、ライン二は第ｎ−２段の電解槽供給液
ラインへ希釈液を送るラインであり、ライン木は濃縮液
を取り出すラインである。
例を示したもので、いわゆる「理想カスケード方式」の
考えによって電解槽と燃料を結合させたものである。第
２図において、１は第１段電解槽、２は第段燃料電池、
３は第２段電解糟、４は第２段燃料電池、５は第ｎ−１
段電解槽、６は第ｎ−１段燃料電池、７は第ｎ段電解槽
、８は第ｎ段燃料電池であり、ラィンイより被処理水を
供給し、ラィンロより希釈液を取り出し、ラィンハは第
３段の燃料電池より希釈液をその前の２段電解槽３へ送
るラインであり、ライン二は第ｎ−２段の電解槽供給液
ラインへ希釈液を送るラインであり、ライン木は濃縮液
を取り出すラインである。
このように電解槽と燃料電池を必要な段数だけ適宜組合
せすることにより、工業的規模の装置を実現することが
できる。本発明装置は、重水製造プラント、重水炉型電
子力発電所における重水中からトリチウムを分離する装
置、軽水炉型電子力を発電所における軽水中からトリチ
ゥムを分離する装置、核燃料再処理工場における軽水中
からトリチワムを分離する装置に適用できる。
せすることにより、工業的規模の装置を実現することが
できる。本発明装置は、重水製造プラント、重水炉型電
子力発電所における重水中からトリチウムを分離する装
置、軽水炉型電子力を発電所における軽水中からトリチ
ゥムを分離する装置、核燃料再処理工場における軽水中
からトリチワムを分離する装置に適用できる。
第１図は本発明の水素の同位体分離装置の漠式図であり
、第２図はカスケード方式で本発明方法を行なう場合の
フローシートである。 オー図 矛２図
、第２図はカスケード方式で本発明方法を行なう場合の
フローシートである。 オー図 矛２図
Claims (1)
- １ 水が供給される電解槽、同電解槽の各電極上にそれ
ぞれ区画して形成されたガス室、同ガス室に連絡し前記
電解槽内で発生した水素及び酸素は供給される水素−酸
素燃料電池、及び前記電解槽に給電する電源装置を有し
てなり、同電源装置に前記電池を連結し同電池の出力を
同電装置に付加することを特徴とする、水素同位分離装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11510077A JPS6038174B2 (ja) | 1977-09-27 | 1977-09-27 | 水素同位体の分離装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11510077A JPS6038174B2 (ja) | 1977-09-27 | 1977-09-27 | 水素同位体の分離装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5449498A JPS5449498A (en) | 1979-04-18 |
| JPS6038174B2 true JPS6038174B2 (ja) | 1985-08-30 |
Family
ID=14654208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11510077A Expired JPS6038174B2 (ja) | 1977-09-27 | 1977-09-27 | 水素同位体の分離装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6038174B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0718340Y2 (ja) * | 1991-07-01 | 1995-05-01 | ソシエテ デ プロデユイ ネツスル ソシエテ アノニム | コーヒー等の抽出装置 |
| JP2015021877A (ja) * | 2013-07-22 | 2015-02-02 | 矢内 誠 | 放射性物質除去装置と放射性汚染水を固化する方法。 |
| JP6303238B2 (ja) * | 2014-03-26 | 2018-04-04 | 三菱重工環境・化学エンジニアリング株式会社 | 放射性物質処理装置 |
| JP6147315B2 (ja) | 2015-11-02 | 2017-06-14 | 三菱電機株式会社 | 制御装置一体型回転電機 |
| WO2018194182A1 (ja) * | 2017-04-21 | 2018-10-25 | 国立大学法人北海道大学 | 水素同位体が濃縮された水または水溶液の製造方法、水素同位体濃度が低減された水素ガスの製造方法及び製造装置 |
-
1977
- 1977-09-27 JP JP11510077A patent/JPS6038174B2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5449498A (en) | 1979-04-18 |
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