JP2000064080A - 水素発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造の容易な陽極を用い、海水等の塩水を淡
水化、純水化せずに供給して電気分解しても、塩素等の
有害な副生成物を生じない、水素発生装置を提供する。 【解決手段】 電源を有する外部回路２１に、陽極１及
び陰極２が接続されている。陽極１と陰極２で挟まれた
空間には、塩水室７が形成されている。陽極１と塩水室
７の間には陽イオン交換膜３が設置され、陰極２と塩水
室７の間には陰イオン交換膜４が設置されている。陽極
１の陽イオン交換膜３と反対側には、陽極室５が形成さ
れ、陰極２の陰イオン交換膜４と反対側には、陰極室６
が形成されている。陽極１としては、固体高分子電解質
純水電気分解の陽極、例えば、白金メッキチタン繊維焼
結体に二酸化イリジウム等の触媒層を形成したものをそ
のまま用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水の電気分解によ
って水素を発生する装置に係り、特に、供給水として海
水等の塩水を用いる場合の性能に改良を施した水素発生
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境を考慮しつつ、エネルギ
ー資源を効率的に活用する必要性が高まっているが、そ
のためには、資源が豊富な若しくは利用しやすい地域と
そのエネルギーを消費する地域との距離が遠隔であるこ
とや、時間帯や季節によってエネルギー消費量に格差が
あることなどが問題となる。

【０００３】このような問題に対処するため、資源が豊
富な地域においてエネルギーを水素に変換し、この水素
をエネルギー消費地にて電気エネルギーに変換するシス
テムが開発されている。このシステムの一例として、特
開平５−６５２３７号公報に示すものを説明する。すな
わち、例えばアフリカの砂漠地帯等の太陽エネルギーが
豊富な地域において、太陽電池の電力を利用して、水素
発生装置によって水の電気分解を行う。そして、電気分
解によって発生した水素と、エネルギー消費地で回収し
た二酸化炭素からメタノールを合成し、合成されたメタ
ノールを用いて、再びエネルギー消費地で発電を行う。

【０００４】ところで、上記のような水素発生装置は、
電気分解のために大量の供給水を必要とするが、砂漠地
帯等においては大量の真水を得ることは難しいので、海
水を用いることになる。しかし、海水は塩素イオンを含
んでいるため、電気分解すると塩素ガスが発生する。か
かる塩素ガスは、低濃度でも人体に有害であり、また、
機器の腐食の原因ともなるので、その発生を極力防ぐ必
要がある。

【０００５】そこで、海水等の塩水を供給水としても、
塩素等の有害な副生成物を生じない水素発生装置が開発
されている。このような水素発生装置としては、例え
ば、「電気化学協会編、電気化学便覧第４版、２７７〜
２７９頁、１９８５年」に記載されているような、固体
高分子電解質純水電気分解を行う装置がある。この電気
分解装置を、図４の概念図を参照して説明する。すなわ
ち、固体高分子電解質である陽イオン交換膜３の両面
に、それぞれ酸素発生のための陽極１と水素発生のため
の陰極２とが設けられている。陽極１と陰極２は、電源
を有する外部回路２１に接続されている。そして、陽極
１の陽イオン交換膜３と反対側には陽極室５が形成さ
れ、陰極２の陽イオン交換膜３と反対側には陰極室６が
形成されている。

【０００６】以上のような水素発生装置においては、陽
イオン交換膜３は、水素イオン以外の陽イオンも透過す
るため、淡水化、純水化を行わないと、水素発生の電流
効率が低下したり、カルシウムイオン（Ｃａ²⁺）やマグ
ネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）等の２価の陽イオンが膜中に
進入して膜機能が損なわれるといった問題がある。従っ
て、海水等の塩水１７は淡水化装置２３、純水装置２２
を通った後、陽極室５に供給される。そして、陽極１上
では水が反応して、以下の式１のようになり、陽極室５
から酸素１５を得ることができる。

【数１】 ２Ｈ₂ Ｏ→４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ …式１

【０００７】さらに、電子（４ｅ^- ）は外部回路２１を
通って陰極２に移動し、水素イオン（４Ｈ⁺ ）は陽イオ
ン交換膜３を通って陰極２に移動する。陰極２上では、
水素イオンが電子を受け取って、以下の式２のような反
応が生じるので、陰極室６から水素１６を得ることがで
きる。

【数２】 ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- →２Ｈ₂ …式２ かかる装置では、電気分解の前に、淡水化装置２３、純
水装置２２によって、塩水１７から各種イオンとともに
塩素イオンが除かれるため、塩素が発生することはな
い。

【０００８】また、海水の直接電気分解による水素発生
装置の他の一例として、「橋本功二他、材料と環境４５
巻、６１４〜６２０頁、１９９６年」に記載されている
ような、酸素選択発生陽極を用いた隔膜式海水電気分解
装置が知られている。この装置を、図５の概念図を用い
て以下に説明する。すなわち、陽極としては、酸素選択
発生触媒層が設けられた酸素選択発生陽極１１を用い
る。そして、酸素選択発生陽極１１と陰極２との間に、
陽極室５、隔膜１０及び陰極室６が構成されている。隔
膜１０は、酸素選択発生陽極１１で発生した酸素１５
と、陰極２で発生した水素１６との混合を防ぐための膜
である。陽極室５は、酸素選択発生陽極１１と隔膜１０
に挟まれた空間に形成されている。陰極室６は、陰極２
と隔膜１０に挟まれた空間に形成されている。

【０００９】以上のような水素発生装置においては、海
水等の塩水１７は陽極室５および陰極室６に供給され
る。酸素選択発生陽極１１上では、水が反応して、上記
の式１と同様の反応により、酸素１５を得ることができ
る。そして、塩水１７には塩素イオンが含まれているた
め、酸素選択発生陽極１１上では、酸素発生反応以外
に、以下の式４の塩素発生反応が起こる。

【数３】 ２Ｃｌ^- →２ｅ^- ＋Ｃｌ₂ …式３ 但し、酸素選択発生陽極１１は、その触媒によって塩素
発生反応を極力抑えることができる。

【００１０】一方、電子（４ｅ^- ）は外部回路２１を通
って陰極２に移動し、以下の式６のように、陰極２上で
水と反応するので、水素１６を得ることができる。

【数４】 ４Ｈ₂ Ｏ＋４ｅ^- →４ＯＨ^- ＋２Ｈ₂ …式４ 陽極室５および陰極室６に供給された海水等の塩水１７
は隔膜１０中を通って相互に移動することは可能だが、
十分な混合は起こらないため、酸素選択発生陽極１１上
で発生した水素イオンにより、陽極室５では酸１９が生
じ、また、陰極２上で発生した水酸化物イオンにより、
陰極室６ではアルカリ２０が生じる。

【００１１】従って、酸素１５および水素１６以外の副
生成物が生じないようにするためには、陽極室５の出口
から排出される液（濃塩水１８、酸１９）と酸素１５を
分離し、陰極室６の出口から排出される液（濃塩水１
８、アルカリ２０）と水素１６を分離した後、前記陽極
室５の出口から排出される液と前記陰極室６の出口から
排出される液を混合して中和する必要がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の水素発生装置においては、以下のような問
題があった。すなわち、固体高分子電解質純水電気分解
により水素を得ようとする場合には、塩素は全く発生し
ないが、海水を水供給源として用いるためには、電気分
解装置の他に、淡水化装置と純水装置が必要となるの
で、システムが複雑となり、コスト高や設置スペースの
拡大を招く。

【００１３】一方、酸素選択発生陽極を用いた隔膜式海
水電気分解により水素を得ようとする場合、塩素の発生
は少量に抑えることができるので、淡水化装置と純水装
置は不要となる。但し、海水等の塩水では、特に触媒層
を設けずにカーボンや貴金属をそのまま浸して通電する
だけでも塩素が発生してしまうので、陽極室内で塩水に
接し、通電される部分は全て酸素選択発生陽極触媒層で
覆うか、塩素を発生しない他の材質で形成する必要があ
る。

【００１４】このように酸素選択発生陽極触媒層を利用
した従来技術として、例えば、特開平９−２５６１８１
号公報において提案されているものがある。これは、チ
タン等の基体に熱分解法等で一定組成の薄い酸化物層を
形成するものであるが、一般の電気分解装置に用いられ
るような多孔質電極における塩水に接する全ての部分
に、このような酸化物層を形成することは難しい。

【００１５】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その目的は、
製作の容易な陽極を用い、海水を淡水化、純水化せずに
供給して電気分解しても、塩素等の有害な副生成物を生
じることのない水素発生装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ため、本発明は、電源に接続された陽極及び陰極を有
し、前記陽極と前記陰極とによって挟まれた空間に、電
気分解のための水を受け入れる水室が設けられた水素発
生装置において、以下のような技術的特徴を有する。

【００１７】すなわち、請求項１記載の発明は、前記陽
極と前記水室との間に、陽イオン交換膜が設置され、前
記陰極と前記水室との間に、陰イオン交換膜が設置され
ていることを特徴とする。以上のような請求項１記載の
発明では、海水等の塩水が水室に供給されると、陽極と
陽イオン交換膜の界面で、陽イオン交換膜中の水が反応
して酸素を得ることができる。陰極と陰イオン交換膜の
界面では、陰イオン交換膜中の水と電子が反応して水素
を得ることができる。塩水中の塩素イオンは陽イオン交
換膜中を通って陽極に達することはできないので、塩素
は発生しない。

【００１８】請求項２記載の発明は、前記陽極と前記水
室との間に、陽イオン交換膜が設置され、前記陰極と前
記水室との間に、陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とを
中間層を介して貼り合せたバイポーラ膜が設置されてい
ることを特徴とする。以上のような請求項２記載の発明
では、海水等の塩水が水室に供給されると、陽極と陽イ
オン交換膜の界面で、陽イオン交換膜の中の水が反応し
て酸素を得ることができる。バイポーラ膜の中間層にお
いては、水が反応して水素イオンが発生し、この水素イ
オンは、バイポーラ膜の陽イオン交換膜を通って陰極と
の界面に移動し、陰イオン交換膜中の電子と反応して水
素を得ることができる。塩水中の塩素イオンは陽イオン
交換膜中を通って陽極に達することはできないので、塩
素は発生しない。

【００１９】請求項３記載の発明は、請求項２記載の水
素発生装置において、前記バイポーラ膜中の陰イオン交
換膜側が、前記水室側に向いていることを特徴とする。
以上のような請求項３記載の発明では、陰イオン交換膜
が水室側に設けられているので、塩水中にカルシウムイ
オンやマグネシウムイオン等の陽イオンが含まれている
場合でも、これらの陽イオンはバイポーラ膜中の陰イオ
ン交換膜中に進入できず、膜の機能は低下しない。

【００２０】請求項４記載の発明は、前記陽極と前記水
室との間に、陽イオン交換膜が設置され、前記陰極と前
記水室との間に、陽イオン交換膜の片面に陰イオン交換
層が形成された水素イオン選択透過膜が設置されている
ことを特徴とする。以上のような請求項４記載の発明で
は、海水等の塩水が水室に供給されると、陽極と陽イオ
ン交換膜の界面で、陽イオン交換膜中の水が反応して、
酸素を得ることができる。水素イオンは、陽イオン交換
膜中を通って水室に移動し、さらに、水素イオン選択透
過膜中を通って陰極へ移動し、電子と反応して水素を得
ることができる。塩水中の塩素イオンは陽イオン交換膜
中を通って陽極に達することはできないので、塩素は発
生しない。

【００２１】請求項５記載の発明は、請求項４記載の水
素発生装置において、前記水素イオン選択透過膜の陰イ
オン交換層側が、前記水室側に向いていることを特徴と
する。以上のような請求項５記載の発明では、陰イオン
交換層が水室側に向いているので、塩水中にカルシウム
イオンやマグネシウムイオン等の陽イオンが含まれてい
る場合でも、これらの陽イオンは水素イオン選択透過膜
の陰イオン交換層中に進入できないので膜の機能は低下
しない。

【００２２】

【発明の実施の形態】（１）第１の実施の形態 （構成） 請求項１記載の発明に対応する一つの実施の形態を、図
１を参照して以下に説明する。すなわち、本実施の形態
は、電源を有する外部回路２１に、陽極１及び陰極２が
接続されている。そして、陽極１と陰極２とで挟まれた
空間には、塩水室７が形成されている。陽極１と塩水室
７の間には、陽イオン交換膜３が設置され、陰極２と塩
水室７の間には、陰イオン交換膜４が設置されている。
陽極１の陽イオン交換膜３と反対側には、陽極室５が形
成され、陰極２の陰イオン交換膜４と反対側には、陰極
室６が形成されている。陽極１としては、固体高分子電
解質純水電気分解の陽極、例えば、白金メッキチタン繊
維焼結体に二酸化イリジウム等の触媒層を形成したもの
をそのまま用いることができる。

【００２３】（作用）以上のような本実施の形態の作用
は以下の通りである。すなわち、海水等の塩水１７は塩
水室７に供給される。陽極１と陽イオン交換膜３の界面
では、陽イオン交換膜３中の水が反応して、上記の従来
技術で示した式１のようになり、陽極室５から酸素１５
を得ることができる。

【００２４】水素イオン( ４Ｈ⁺ ) は、陽イオン交換膜
３中を通って塩水室７へ、電子( ４ｅ^- ) は、外部回路
２１を通って陰極２に移動する。一方、陰極２と陰イオ
ン交換膜４の界面では、陰イオン交換膜４中の水と外部
回路２１を通って移動した電子が反応して、上記の従来
技術で示した式４のようになり、陰極室６から水素１６
を得ることができる。そして、水酸化物イオン（４ＯＨ
^- ）は、陰イオン交換膜４を通って塩水室７に移動す
る。塩水室７においては、次の式５の反応で水が生じ
る。

【数５】 ４Ｈ⁺ ＋４ＯＨ^- →４Ｈ₂ Ｏ …式５

【００２５】全体としては、塩水室７中の水が２モル消
費されると、陽極室５で酸素が１モル、陰極室６で水素
が２モル発生する。塩水室７の出口からは濃塩水１８が
取り出される。塩水中の塩素イオンは陽イオン交換膜３
中を通って陽極１に達することはできないので、塩素は
発生しない。

【００２６】また、塩水中にカルシウムイオン（Ｃ
ａ²⁺）やマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）等の２価の陽イ
オンが含まれている場合でも、これらの陽イオンは陰イ
オン交換膜４中には進入できないので膜の機能は低下せ
ず、供給された塩水のｐＨも電気分解によって変化しな
いので塩水中に沈殿が生じることもない。

【００２７】（効果）以上のような本実施の形態の効果
は以下の通りである。すなわち、システムを複雑化する
淡水化装置及び純粋装置を不要とし、製造の難しい酸素
選択発生陽極を用いなくても、塩素の発生を抑えること
ができるので、安価且つ単純な構成で、安全性の確保と
機器の腐食防止が可能となる。

【００２８】また、塩水中のイオンによっても膜の機能
は低下せず、塩水中に沈殿が生じることもないので、長
期に亘って安定した性能を維持することができる。

【００２９】（２）第２の実施の形態 （構成）請求項２及び請求項３記載の発明に対応する一
つの実施の形態を、図２を参照して以下に説明する。す
なわち、本実施の形態は、陰極２と塩水室７との間に、
陰イオン交換膜１４と陽イオン交換膜１３を特殊な中間
層１２を介して貼り合せたバイポーラ膜８が設置されて
いる。そして、バイポーラ膜８の陰イオン交換膜１４側
が、塩水室７側に向いている。その他の構成は、上記の
第１の実施の形態と同様である。

【００３０】（作用効果）以上のような本実施の形態の
作用効果は以下の通りである。すなわち、海水等の塩水
１７は塩水室７に供給される。陽極１と陽イオン交換膜
３の界面では、陽イオン交換膜３の中の水が反応して、
上記の従来技術で示した式１のようになり、陽極室５か
ら酸素１５を得ることができる。水素イオン（４Ｈ⁺ ）
は陽イオン交換膜３中を通って塩水室７へ、電子（４ｅ
^- ）は外部回路２１を通って陰極２に移動する。一方、
バイポーラ膜８の中間層１２においては、水が反応して
次の式６のようになる。

【数６】 ４Ｈ₂ Ｏ→４Ｈ⁺ ＋４ＯＨ^- …式６

【００３１】水素イオン（４Ｈ⁺ ）は、バイポーラ膜８
中の陽イオン交換膜１３を通って陰極２との界面に移動
し、陽極１から外部回路２１を通って移動してきた電子
を受けとって、上記の従来技術で示した式２のような反
応が生じるので、陰極室６から水素１６を得ることがで
きる。また、水酸化物イオン（４ＯＨ^- ）は、バイポー
ラ膜８中の陰イオン交換膜１４を通って塩水室７に移動
する。塩水室７では、上記の式５の反応で水が生じる。

【００３２】全体としては、塩水室７中の水が２モル消
費されると、陽極室５で酸素１５が１モル、陰極室６で
水素１６が２モル発生する。塩水室７の出口からは濃塩
水１８が取り出される。塩水中の塩素イオンは陽イオン
交換膜３中を通って陽極１に達することはできないの
で、製造の難しい酸素選択発生陽極１１を用いなくても
塩素は発生しない。従って、第１の実施の形態と同様
に、安価且つ単純な構成で、安全性の確保と機器の腐食
防止が可能となる。

【００３３】また、塩水中にカルシウムイオン（Ｃ
ａ²⁺）やマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）等の２価の陽イ
オンが含まれている場合でも、これらの陽イオンはバイ
ポーラ膜８中の陰イオン交換膜１４中には進入できない
ので膜の機能は低下せず、供給された塩水のｐＨも電気
分解によって変化しないので塩水中に沈殿が生じること
もない。従って、第１の実施の形態と同様に、長期に亘
って安定した性能を維持することができる。

【００３４】（３）第３の実施の形態 （構成）請求項４及び請求項５記載の発明に対応する一
つの実施の形態を、図３を参照して以下に説明する。す
なわち、本実施の形態は、陰極２と塩水室７の間に、陽
イオン交換膜の片面に陰イオン交換層が形成された水素
イオン選択透過膜９が設置されている。その他の構成
は、上記の第１の実施の形態と同様である。

【００３５】（作用効果）以上のような本実施の形態の
作用効果は以下の通りである。すなわち、海水等の塩水
１７は、塩水室７に供給される。陽極１と陽イオン交換
膜３の界面では、陽イオン交換膜３中の水が反応して、
上記の従来技術で示した式１のようになり、陽極室５か
ら酸素１５を得ることができる。

【００３６】水素イオン（４Ｈ⁺ ）は陽イオン交換膜３
中を通って塩水室７へ、電子（４ｅ^- ）は外部回路２１
を通って陰極２に移動する。陽イオン交換膜３中を通っ
て塩水室７に移動した水素イオンは、さらに水素イオン
選択透過膜９中を通って陰極２に移動し、陽極１から外
部回路２１を通って移動してきた電子を受けとって、上
記の従来技術で示した式２のような反応が生じるので、
陰極室６から水素１６を得ることができる。

【００３７】全体としては、塩水室７中の水が２モル消
費されると、陽極室５で酸素１５が１モル、陰極室６で
水素１６が２モル発生する。塩水室７の出口からは濃塩
水１８が取り出される。塩水中の塩素イオンは陽イオン
交換膜３中を通って陽極１に達することはできないの
で、製造の難しい酸素選択発生陽極１１を用いなくても
塩素は発生しない。従って、第１の実施の形態と同様
に、安価且つ単純な構成で、安全性の確保と機器の腐食
防止が可能となる。

【００３８】また、塩水中にカルシウムイオン（Ｃ
ａ²⁺）やマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）等の２価の陽イ
オンが含まれている場合でも、これらの陽イオンは、水
素イオン選択透過膜９の陰イオン交換層中に進入できな
いので膜の機能は低下せず、供給された塩水のｐＨも電
気分解によって変化しないので塩水中に沈殿が生じるこ
ともない。従って、第１の実施の形態と同様に、長期に
亘って安定した性能を維持することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
製造の容易な陽極を用い、海水を淡水化、純水化せずに
供給して電気分解しても、塩素等の有害な副生成物を生
じることのない水素発生装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水素発生装置の第１の実施の形態を示
す概念図である。

【図２】本発明の水素発生装置の第２の実施の形態を示
す概念図である。

【図３】本発明の水素発生装置の第３の実施の形態を示
す概念図である。

【図４】固体高分子電解質膜純水電気分解による水素発
生装置の一例を示す概念図である。

【図５】酸素選択発生陽極を用いた隔膜式海水電気分解
による水素発生装置の一例を示す概念図である。

【符号の説明】

１…陽極 ２…陰極 ３，１３…陽イオン交換膜 ４，１４…陰イオン交換膜 ５…陽極室 ６…陰極室 ７…塩水室 ８…バイポーラ膜 ９…水素イオン選択透過膜 １０…隔膜 １１…酸素選択発生陽極 １２…中間層 １５…酸素 １６…水素 １７…海水等の塩水 １８…濃塩水 １９…酸 ２０…アルカリ ２１…外部回路 ２２…純水装置 ２３…淡水化装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村田 圭治 神奈川県川崎市川崎区浮島町４番１号 株 式会社東芝電力・産業システム技術開発セ ンター内 Ｆターム(参考） 4K021 AA01 BA03 BB01 DA13 DB31 DB36

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源に接続された陽極及び陰極を有し、
   前記陽極と前記陰極とによって挟まれた空間に、電気分
   解のための水を受け入れる水室が設けられた水素発生装
   置において、 前記陽極と前記水室との間に、陽イオン交換膜が設置さ
   れ、 前記陰極と前記水室との間に、陰イオン交換膜が設置さ
   れていることを特徴とする水素発生装置。
2. 【請求項２】 電源に接続された陽極及び陰極を有し、
   前記陽極と前記陰極とによって挟まれた空間に、電気分
   解のための水を受け入れる水室が設けられた水素発生装
   置において、 前記陽極と前記水室との間に、陽イオン交換膜が設置さ
   れ、 前記陰極と前記水室との間に、陰イオン交換膜と陽イオ
   ン交換膜とを中間層を介して貼り合せたバイポーラ膜が
   設置されていることを特徴とする水素発生装置。
3. 【請求項３】 前記バイポーラ膜中の陰イオン交換膜側
   が、前記水室側に向いていることを特徴とする請求項２
   記載の水素発生装置。
4. 【請求項４】 電源に接続された陽極及び陰極を有し、
   前記陽極と前記陰極とによって挟まれた空間に、電気分
   解のための水を受け入れる水室が設けられた水素発生装
   置において、 前記陽極と前記水室との間に、陽イオン交換膜が設置さ
   れ、 前記陰極と前記水室との間に、陽イオン交換膜の片面に
   陰イオン交換層が形成された水素イオン選択透過膜が設
   置されていることを特徴とする水素発生装置。
5. 【請求項５】 前記水素イオン選択透過膜の陰イオン交
   換層側が、前記水室側に向いていることを特徴とする請
   求項４記載の水素発生装置。