JP3921300B2 - Hydrogen generator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタンガスから低い温度と簡単な構造で省エネルギー的に電解水素を発生する水素発生装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
環境問題に端を発する大気汚染防止問題、更にCO2 削減問題は、運輸手段である自動車の動力を、化石燃料を燃料とする内燃機関から効率の良い電気モーターを動かす、いわゆる電気自動車へと変えつつある。従来からこの代表的なものは、二次電池を積み、それを燃料源とする電気自動車である。この様な電気自動車は、確かに走行中は排ガスがなく環境を汚さないと言う特徴を有するが、電力源は発電所電力であり、そのエネルギー効率はあまりよくないという事実と共に、二次電池の重量が極めて大きいこと、その二次電池を運ぶためにも電気自動車は多くの動力を必要とすること、また一回の充電での走行距離が通常の一日の走行距離分より少ないというケースがあり、使用上も問題であった。
【0003】
電池重量を軽減し、外部電力による充電を不要にすると共に、内燃機関の付加によって燃費率が大幅に変化するという特性を電池とのハイブリッド化によってうまく解決した、内燃機関と二次電池のハイブリッド自動車が使われ始めるようになった。しかし、このハイブリッド自動車は、内燃機関に対しては排気ガスに関する大幅なNOx の低下とCO2 削減を達成したものの、構造が複雑であり、将来の前面的な電気化によるより高効率化に向けての中間段階と捉えられている。
【0004】
最終的なターゲットとしては、燃料電池による発電とその電力で効率の良い電気モーター動かし、それを動力源とする電気自動車であるとされている。ただ燃料電池自身は、かなりの所まで改良され、残るところはコストダウンというところまで来ているが、燃料である水素の供給が問題となっている。すなわち、メタノールなどの燃料からリフォーマーによって水素を取り出す方法と、水素ガススタンドで水素を補給する方法である。特に後者の場合、水素の充填はそれ自身で冷却のためにある程度の水素を消費してしまうので、現在のガソリンスタンドのように外部から水素を運搬してきてスタンドに充填、それを更に各自動車に充填していたのでは、原単位、コストの点でかなり不利になると言う問題があった。従ってこの水素の問題解決が大きな宿題事項となっていた。
【0005】
一方、自動車にリフォーマーを積むことは、一見問題ないようにみえるが、それ自身大型になってしまうこと、そこからはCO2 の発生があること、また必ずしも効率がよいとは言えないこと、水素源であるメタノールや天然ガスなどの消費がリフォーマー自身の加熱のために、また生成COの再燃焼のために大きくなってしまい、経済性も悪くなると言うことが言われており、更にコールドスタートが出来ないなどと言う問題点があった。自動車内の水素ガスの保持技術が確立されつつある現在、水素をオンサイト的にスタンドで作りながら供給できれば、しかも効率的に安価に供給できれば、これらの問題の一部が解決することになる。またこの場合も、純度の高い電解水素であれば、自動車側ではそのまま使えるので最も望ましいことになる。
【0006】
また最近では、発電機の軸受け冷却用や電子材料製造などに高純度の水素が必要になっており、そこでは、現在はボンベで運ぶことが行われているが、バッチ作業となること、運搬時に危険が伴うことなどの問題点があった。この様なところでは、電解水素を使うべく従来法の電解水素装置を一部導入する動きもあったが、電解電圧が1.8Vから2.4Vとかなり高く、経済性に問題を残すので、この様なところでも経済的に、しかも水素の純度は電解水素と同等であることが要求されていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
極めて小さい電力で電解水素を製造するためには、電解装置自身の性能を上げる方法が行われている。これは国家プロジェクトとして、いわゆるWE−NETやRITE計画に見ることができるが、これは固体電解室型の通常の水電解装置を使ったものであって、そこでのロスを最小にするという考えである。しかし通常の条件では、理論分解電圧である1.23V以下には出来ないと言う問題があり、経済的に海外の水力を使って水素を製造し、それを貯蔵媒体として使い、CO2 発生を減らすと言う計画として使われようとしているものである。従来の電解水素発生装置より経済性は高いが、やはり消費電力が大きいこと、またこの水素で燃料電池を働かせた場合は、発生電力は消費電力の半分以下になってしまうという問題点があった。
【0008】
一方、これらに対して、陽極反応に理論分解電圧が酸素発生より低いハロゲン反応を利用することが提案されている。これは、米国特許第5,219,671号明細書や同第5,443,804号明細書に見られるように、ハロゲン化水素を電解液として電解を行い、ハロゲンを得ると共に陰極室では水素を得る方法であるが、理論分解電圧が、水の1.24Vに対して臭素酸の場合は1.04Vになり、しかも臭素発生では陽極過電圧がほとんどゼロとなるので、実質的には0.5V程度の電圧削減が可能になると言うものである。そこで生成した臭素は、天然ガスやメタノールと反応させてハロゲン酸に戻し、再び電解原料として使うようにすることができるものと考えられる。この方法は、電力削減にはよいが、構造が複雑となり、しかもその割には十分に低い電力での水素製造は行えないと言う欠点がある。また、ハロゲン酸への転換に高温を必要とするなど、全体で見ると、装置的に複雑であると同時にその運転を考えると、オンサイト型の発生装置にはなりにくいという問題点を合わせ持っていた。
本発明は、叙上の問題点を解決するためになされたもので、低温でしかも電力消費を極端に少なくした電解水素の製造装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意研究した結果、極めて低い電圧で電解水素を得るためには、メタンを主体とする天然ガスを供給ガスとして陽極に送り、発生するCO2 をH2 と分離することが、陽極電位を極めて低く保ちながら陽極で水素を発生する省エネルギー型の水素発生装置にとって極めて重要であることを見出して、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、次の構成からなるものである。
【0010】
(1)隔膜によって陽極室と陰極室に分離され、酸性電解液を用いて陰極より水素を発生させる水素発生装置において、陽極としてメタンガスを供給するガス拡散電極を使用し、CO 2 を発生させ、多孔性の陰極を隔膜に密着させ、電解液を電極間に供給するように形成していることを特徴とする水素発生装置。
(2)陰極液と発生水素ガスとを分離する気液分離機構を陰極側に設けたことを特徴とする前記(1)記載の水素発生装置。
(3)隔膜とガス拡散電極との間にガス抜き用の整流板を設けたことを特徴とする前記(1)記載の水素発生装置。
(4)メタンガスとして天然ガスを供給することを特徴とする前記(1)記載の水素発生装置。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明における電極反応は、
陽極(燃料極)CH4 +2H2 0- →CO2 +8H+ +e(E0 =0.16V)
陰極 2H+ +2e- →H2 (E0 =0.0V)
であり、理論分解電圧は0.16Vであって、通常の水電解における理論分解電圧1.24Vに比較して極めて小さいのが特徴である。
ここでの反応は、天然ガスであるメタンから、酸素生成のためのリフォーマーとして、通常のリフォーマーに必要とされる熱の代わりに反応を電気化学反応に変えることにより、わずかな電力を加えるという考え方もできるものである。通常のガス拡散電極を使用する反応は、ガス拡散電極においてはガスの発生がないが、ここではCO2 の発生があるために、通常のガス拡散電極とは異なる工夫が必要であり、これらの検討の結果本発明に至ったものである。
【0012】
すなわち、電解槽としては隔膜で陽極室と陰極室との2室に分離する。この主目的は、陽極から発生するCO2 ガスと陰極で発生する製品である水素ガスを分離することである。電解液は、基本的には共通であるので、隔膜としてはガス分離能力があるものであればよい。その例としては、ポリプロピレン製の濾布等が使用されるが、厚いと電気抵抗が大きくなるので、目的を達成できるものであれば出来るだけ薄いものが望ましい。見かけ厚さ0.1mmから0.3mm程度のものがよいようである。また、薄くするために、多孔質フッ素樹脂膜等も使うことが出来る。イオン交換膜はそれ自身イオン導電性があるので、望ましい材料であるが高価であること、本目的ではイオン交換の作用を期待しないことから、特に必要とはしない。しかしながら、もちろん使うことは出来る。このようにして、2室に分離した電解槽の陽極室にはガス拡散陽極を設置する。
【0013】
ガス拡散陽極の形式は、特に限定されないが、反応で出てくるCO2 との分離が完全である方が良いので、ここでは、いわゆる半疎水型ガス拡散電極であることが望ましい。つまり、ガス拡散電極に、反応部である親水層と、液とガスを分離しガス供給の分布を制御するガス拡散層である疎水層を有するガス拡散電極である。また、このガス拡散電極の疎水層側のガス室側面に多孔性の、撥水性の多孔質フッ素樹脂を張ったものも好んで使用される。この電極物質としては、副反応であるCOの生成が考えられるために、Pt/Ru合金が好ましく使われる。これらのガス拡散電極の製造方法は、特には限定されず、既に多くの文献に紹介されている方法で行えばよい。たとえば、親水層としては、カーボンブラックにPTFE樹脂が40%(体積、以下同じ)以下となるように混練したものを用い、これを心材である耐食性の金属メッシュの心材上に塗布し、シート状にする。
【0014】
他方、疎水層は、カーボンブラックにPTFE樹脂が60%以上となるように混練したペーストを作り、これもシート状にするが、ここでは、親水層シート上に引き延ばし、親水層、疎水層をあわせてホットプレスにより焼き付けて電極シートとする。ホットプレス条件は、圧力0,1から10kg/cm2 、温度100から300℃である。また、多孔性のPTFEシートを張り付ける場合は、このシートも併せてホットプレスすればよい。なお給電を考慮した場合、通常の多孔性PTFEシートでは絶縁体であり、裏側からの均一な給電が出来ないので、PTFE中にグラファイトなど導電物質を含浸させた導電性のPTFE樹脂を使うことが望ましい。このようにして出来た電極体の親水層側に電極物質である、たとえば、白金とルテニウムを所定割合となるようにした塩溶液を塗布し、水素ガスなどの還元雰囲気中で、200から350℃で熱分解することによりガス拡散電極が得られる。
【0015】
もちろん電極物質としては、この他にメタンを主とする天然ガスの酸化に有効な電極物質であればよく、酸化イリジウム、酸化ルテニウム等の白金族金属酸化物や、これらを含むパイロクロアー型酸化物、酸性溶液中で耐食性のあるペロブスカイト型酸化物などが使用される。これらの担持方法は、特には限定されず、あらかじめカーボンブラック粒子上に担持したものを、電極製作時にホットプレスで付けても良いし、通常の熱分解法でもよく、電極物質に適した方法が採用できる。ただこの時に、ガス拡散電極本体にはダメージを与えないように、特に注意することが必要である。このようにして作ったガス拡散電極を、集電体と共に陽極室に設置する。集電体材料は、特に限定されないが、集電体をガス拡散電極に押しつけることによってガスの供給が不十分となることを防ぐために、集電体とのあたり面が少なく、しかも効果的に給電できるために金属、たとえば金属線の編みメッシュなどがよい。
【0016】
集電体の材質としては特に限定されないが、チタンや銀メッキを施した商品名ハステロイと呼ばれる耐食合金などが使われる。これは、陽極側電位がほとんどゼロであり、疎水性であってもガス拡散電極を通して電解液がガス室にしみ出すことがあるので、これに対する耐食性を有することが望ましいためである。なおガス拡散電極に多孔性のフッ素樹脂を裏打ちしたものでは、集電体としての役割ではなく支持体として働くことになるが、材質としては同じである。尚この場合の給電は、電極内の支持物質である金属メッシュを通じて行うことになる。ガス拡散電極自身中に支持材として金属メッシュが入っていない場合、その電気伝導度は必ずしも良いとはいえないので、集電体は出来るだけ細かい目で、均一に電流を分配できることが必要である。
【0017】
電解槽への設置に当たっては、本ガス拡散電極の場合、ガス発生、すなわちCO2 の発生があるので、隔膜とガス拡散電極の間に、ガス抜き用の空間を作ることが必要である。この空間は、電気抵抗から考えると出来るだけ小さいことが望ましいが、CO2 ガスは気泡が比較的大きくなる傾向があるので、それを考慮して0.5から2mm程度とすることが望ましく、この間隔を保持するために、隔膜とガス拡散電極の間に、スペーサーを兼ねたガス抜き用の整流板を設けることが望ましい。
【0018】
一方、陰極側は、水素発生過電圧が出来るだけ小さいものが望ましく、三次元的な形態を有する多孔体に電極物質を表面に形成した、いわゆる活性化陰極を使用する。材料は、特には限定されないが、酸性雰囲気下で使用するので、それに対して耐性のあるものが望ましく、金属ではチタンや銀又は銅などが使われる。ただ、チタンは通電中には電位の関係から腐食、安定の微妙な電位範囲になることがあるので注意が必要である。銀、銅は比較的安定であるが、電解液中に塩素イオンが含まれると腐食してしまうことがあるので、電解液によって選択することが必要である。より安定な陰極材料としては炭素をPTFE樹脂をバインダーとして焼結したシートがある。これは炭素粒子の選択で多孔性に出来ること、また水素の気泡は極めて小さいことから、見かけ上密に見える多孔体であってもほとんど問題なく多孔体として使えるので、この様なものを使うこともできる。
【0019】
ただ、いずれの基材であっても、これらの表面に電極物質を形成して活性化し、水素過電圧を最小にしておくことが必要である。代表的な例としては、ウレタンフォームに銀を電着しその後ウレタンフォームを焼却除去した銀フォームを基材として、それをプレスにより気孔率70から40%程度にしたものを基材として、それに更に平均粒径1μm以下の活性な銀の微粉末を、バインダーであるPTFE樹脂と共に塗り込み、150から300℃で固定したものがある。これは電解液として希硫酸水溶液中では有効に働くし、過電圧はほとんどゼロとなる。この様にして作成した陰極は、隔膜に密着して取付ける。陽極とは異なり陰極の場合、水素気泡の大きさからか、気泡の除去がほとんど問題にならず、陽極との距離が近いほど電圧が低くなることが観察されていることによる。陰極が金属の場合はよいが、炭素などの場合は、それ自身の電気伝導性が十分ではなく、電気抵抗による電圧ロスが生じやすいので、陽極の場合と同じく集電体には注意を要する。目の細かい金属エクスパンドメッシュや編みメッシュ、又は金属線の焼結体などが用いられる。
【0020】
これらを組み込んだ電解槽を使用して電解を行い電解水素を得るが、電解液は酸であることが必要である。つまり、アルカリ溶液の場合は、陽極側で発生するCO2 により溶解度の小さい炭酸塩を生成してしまい、電解槽や電極が閉塞してしまう可能性があるためである。従って、電解液としては、導電性が良くしかも余分な反応の起らない酸である希硫酸を使用することが望ましい。濃度は特に限定されないが、通常3Nから5Nが望ましく、3Nより低いと電気伝導度が不十分になりやすく、また5Nより高いと腐食性が高まるので、電解槽や電極材質に問題が出てくる可能性がある。もちろん硫酸ナトリウムなどの塩を入れ、炭酸塩が生成しない程度に酸性に保持することも有効な手段であり、むしろこの方が望ましい。
【0021】
電解条件は、ガス拡散電極側の作用から言うと温度は高い方が望ましく、温度としては電解液が沸騰しない条件であれば良い。たとえば、電解槽に2気圧から3気圧程度の圧力をかけておき、温度100℃から120℃程度で電解することが望ましい。ただ、これに限定されることなく、特にガス拡散電極が十分に低い過電圧で、副反応を最小限として電解出来れば最も望ましい。
装置としては、ある程度の圧力に耐えられるように作っておくことが望ましい。なお、圧力は外部からかけなくても、発生ガスそれ自身により10気圧程度であれば容易にかけられるので、装置としては耐圧を十分に取っておくことが望ましい。
【0022】
なお、電解液の供給は陰極側で行うようにする。陽極液は、隔膜を通って陰極側からしみだした液でよく、そのためにも隔膜は、液透過型でガス分離機能の優れたものが望ましい。もちろん、陽極側に液循環機構を設けることは差し支えない。陰極室では液を循環するが、陰極側で発生する水素ガス気泡は極めて小さいので、液との分離が不十分になりやすいため、陰極側には気液分離機構を設けることが望ましい。構造はどのようなものでも良く、単なるタンク状のものでも良いが、上記したように、圧力に耐えられるものであることが必要である。また、陽極室側からほぼ純粋なCO2 ガスがでてくるが、環境問題からは大気放出をしないため、また、純粋なCO2 ガスを利用するために、トラップ機構を付設することはなんら差し支えないことである。ただこの場合も、圧力に対しては十分に考慮することが必要である。
【0023】
【実施例】
以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、本発明は、これらの実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
【0024】
実施例1
図1は、本発明の水素発生装置の一例の概要説明図である。隔膜1として、厚さ100μm、目開き2μmの多孔性PTFE樹脂膜からなる濾過膜(マイクロフィルター)を使用し、その片面に陰極2を密着させたものを用意した。
陰極2は、銅製の見かけ厚さ1mmの銅フオームをプレスにより見かけ厚さ200μmまでつぶし、その表面に銀めっきを施したものを基材とし、それに平均粒径5μmの銀粒子をPTFE樹脂をバインダーとして充填したものを用い、さらにその片側表面に白金を熱分解により担持したものを使用した。白金の担持方法は、塩化白金酸のブタノール溶液を表面に塗布し、水素ガス気流中で300℃で15分間処理することによった。これを10回繰り返して担持量10g/m2 を得た。
この白金担持側に上記した隔膜1を、バインダーとしてフッ素樹脂系のイオン交換樹脂液(Dupont社製ナフィオン液)を用いてホットプレスにより密着させた。密着条件は温度180℃、圧力2kg/cm2 であった。なおナフィオンを用いた理由は、焼結温度が低くてすむこと、電気伝導性が失われないこと、更に多孔性を保持しやすいことであった。
【0025】
一方、ガス拡散電極(陽極)3としては、市販ガス拡散電極(米国E−TEK社製商品名ELAT)をベースとして、その親水層側に白金とルテニウムの1:1の合金を担持したものを使用した。担持方法は陰極2と同じであり、塗布液を塩化ルテニウム酸と塩化白金酸の混合ブタノール溶液としたものである。担持条件は同じであり、やはり10回の繰り返しで白金とルテニウムの合量が10g/m2 となるようにした。また、該ガス拡散電極3の疎水層側には、グラファイト粒子を含浸させた多孔性の厚さ10μmのPTFE樹脂膜をホットプレスにより張り付けた。ホットプレス条件は陰極2と同じであった。これにより裏側からの給電が可能となり、ガスと液との分離が完全となった。
この様にして作成したガス拡散電極と陰極/隔膜をポリプロピレン製の電解槽4に取付けた。陰極側集電体5としてはチタンの長繊維を焼結した網状体を空気中、450℃で焼成して表面を酸化物としたものを用い、陰極面に密着させた。また陽極側集電体6として、線径0.3mmのチタン線を編んで作った編みメッシュの表面に金メッキしたものを用いた。なお、隔膜1と拡散電極3との間の距離を一定に保つためにスペーサー7として線径1mmのPTFE樹脂線を縦方向に15mm間隔で並べた。
【0026】
陰極2側には下方には液供給機構8を設け、天井部に液/ガス排出口9を設けたが、液/ガス排出口9の先端には目皿を付けた円筒により気液を分離するようにした気液分離機構10を取付け、上方にガスを、液は側方から取り出して循環するようにした。ガス抜き側のパイプ11にはバルブ12を取付け圧力を調整できるようにした。陽極室13の液側にも同様にバルブ14を取付け発生CO2 の圧力を調整できるようにした。また系全体を気密にして全体として圧力の調整が出来るようにした。
【0027】
この様にして作成した電解槽4の陰極2側から1NH2 SO4 水溶液に100g/リットルとなるようにNa2 SO4 を溶解した電解液15を循環した。これを1時間ほど継続して陽極3、陰極2側とも十分に液が行き渡ってから陽極ガス16としてCH4 (メタン)を供給し、わずかに電圧をかけながら温度を上昇させた。温度が110℃になった時点で、電圧を徐々に上げながら電流密度を10A/dm2 となるようにした。陰極2側から水素が、陽極室13液側からCO2 の発生が見られた。圧力を2kg/cm2 となるように保持して電解を行ったところ、電解電圧は0.32Vであった。なお水素発生の電流効率は93%から96%であり、CH4 の消費は理論量の125%であった。
【0028】
実施例2
実施例1と同様にして電解槽4を作った。陰極2としては、チタンの短繊維の焼結体を用い、それを空気中500℃で1時間焼成し、表面を酸化した後、隔膜1側表面にルテニウム黒のめっきを行った。ルテニウム黒は、塩化ルテニウム酸を3N硫酸に30g/リットルとなるように溶解したものをめっき液として、電流密度1A/dm2 でメッキすることからなる形成条件によって得た。付着量は10g/m2 であった。
陽極3としては、通常の半疎水型ガス拡散電極の製法に準じ、親水層として親水性カーボンブラックにその40%量のPTFE樹脂を混練したものを、疎水層としては疎水性カーボンブラックにその60%量のPTFE樹脂を混練したもの用い、通電用兼構造基材として線径0.2mmの銅の編みメッシュ表面に金めっきを施したものを用い、片面に親水性カーボンブラック混練物を、その反対面に疎水性カーボンブラック混練物を均一に塗布してシート状にし、それをホットプレスして電極とした。ホットプレス条件は圧力5kg/m2 であり、温度は300℃で30分であった。
【0029】
電極の疎水層側に実施例1と同様にしてルテニウムと白金の1:1の合金からなる電極物質層を形成した。
隔膜1として、ポリプロピレン製の厚さ0.2mmの濾過膜を用い、陰極側集電体5として銀めっきを行った銅製のエクスパンドメッシュを用い、また陽極側集電体6は電極構造基材である銅メッシュに構造体周辺の枠体から給電するようにした。
なお電極の固定は、バネ材を中間においた実施例1と同じ金属編みメッシュを電極の裏に当てた。また隔膜1とガス拡散電極3の間には厚さ0.75mmのPTFE板をエクスパンドメッシュにして見かけ厚さ2mmとしたものをはさみ、両電極で隔膜1を挟むようにして電解槽4に固定した。電解槽4の陽極室13には2NH2 SO4 水溶液を供給した。陽極3側には気液分離装置10を取付けたことは実施例1と同じである。陽極室13ガスについてはガス補集装置を取付けるようにした。
【0030】
圧力2kg/cm2 、電流密度10A/dm2 、温度100℃で電解を行ったところ、電圧は0.34Vであり、水素発生の電流効率は93%であった。また陽極3側の圧力を陰極2側より0.2kg/cm2 高めたところ、水素発生の電流効率は95%まで改良された。陰極2、陽極3両方とも同じ圧力の場合は、隔膜1を通って水素が陽極3に移行することがわかった。なお発生したCO2 のガスを分析したところ、CO2 のほかに約1%の水素が混入していた。
【0031】
【発明の効果】
本発明により以下の効果が認められた。
(1)メタンガスのリフォーマーとして、従来の高温熱分解型ではなく、電解によりわずかな電気の供給で電解水素が得られた。
(2)運転条件が極めてマイルドであり、運転が容易であることがわかった。
(3)圧力、温度が低くて良く、しかも生成水素が電解水素であるので、オンサイト用水素発生装置としても容易に使用できること、また生成水素の純度から、ほとんど後処理の必要のない水素が得られることがわかった。
(4)数気圧の高圧水素であるために、昇圧装置無しに使えることがわかった。
(5)陽極側からCO2 が発生するが、純度が高いので利用することができるので、そのまま外部に放出しなくてもよいので、温暖化の問題に影響を与えないですむ。
以上説明したように、本発明によれば上記の諸効果が得られ、オンサイト用として実用性の高い水素発生装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の水素発生装置の一例を示した概略断面図である。
【符号の説明】
1 隔膜
2 陰極
3 ガス拡散電極(陽極)
4 電解槽
5 陰極側集電体
6 陽極側集電体
7 スペーサー
8 液供給機構
9 液/ガス排出口
10 気液分離機構
11 ガス抜きパイプ
12 バルブ
13 陽極室
14 バルブ
15 電解液
16 メタンガス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen generator for generating electrolytic hydrogen from methane gas at a low temperature and a simple structure in an energy-saving manner.
[0002]
[Prior art]
Air pollution prevention problems stemming from environmental problems, and CO2The problem of reduction is changing the power of automobiles, which are transportation means, to so-called electric cars that move an efficient electric motor from an internal combustion engine that uses fossil fuel as fuel. Conventionally, this representative one is an electric vehicle in which a secondary battery is stacked and used as a fuel source. Such an electric vehicle has the feature that it does not pollute the environment without exhaust gas while driving, but with the fact that the power source is power plant power and its energy efficiency is not very good, There are cases where the weight is extremely large, the electric vehicle needs a lot of power to carry the secondary battery, and the mileage on a single charge is less than the usual mileage. There was a problem in use.
[0003]
A hybrid vehicle with an internal combustion engine and a secondary battery that reduces battery weight, eliminates the need for charging with external power, and successfully solves the characteristic that the fuel consumption rate changes significantly with the addition of the internal combustion engine by hybridizing it with the battery. Began to be used. However, this hybrid vehicle has a significant NOxDecline and CO2Although the reduction has been achieved, the structure is complex, and it is regarded as an intermediate stage toward higher efficiency through future electrification.
[0004]
The final target is an electric vehicle that uses power generated by a fuel cell and an electric motor that operates with that power. However, the fuel cell itself has been improved to a considerable extent, and the remaining portion has come to the point of cost reduction, but the supply of hydrogen as a fuel has become a problem. That is, there are a method of extracting hydrogen from a fuel such as methanol by a reformer and a method of supplying hydrogen at a hydrogen gas stand. Especially in the latter case, hydrogen filling consumes a certain amount of hydrogen for cooling by itself, so as in the current gas station, hydrogen is transported from the outside and filled into the stand, which is further added to each car. There was a problem that filling would be a disadvantage in terms of basic unit and cost. Therefore, solving this hydrogen problem was a big homework.
[0005]
On the other hand, it seems that there is no problem in putting a reformer on a car.2The generation of CO2 is not always efficient, and the consumption of methanol and natural gas, which are hydrogen sources, increases due to the heating of the reformer itself and the recombustion of the produced CO. It is said that the economy is also worsened, and there is a problem that a cold start cannot be made. At present, the technology for maintaining hydrogen gas in automobiles is being established. If hydrogen can be supplied while making it on-site on a stand, and if it can be supplied efficiently and inexpensively, some of these problems will be solved. In this case as well, high-purity electrolytic hydrogen is most desirable because it can be used as it is on the automobile side.
[0006]
Recently, high-purity hydrogen is required for generator bearing cooling and electronic material production. Currently, it is transported in a cylinder, but it is a batch operation. There were problems, such as sometimes dangerous. In such a place, there was a movement to introduce a part of the conventional electrolytic hydrogen apparatus in order to use electrolytic hydrogen, but the electrolytic voltage is considerably high from 1.8 V to 2.4 V, so there is a problem in economy. Even in such a place, it has been required economically and the purity of hydrogen is equivalent to that of electrolytic hydrogen.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In order to produce electrolytic hydrogen with extremely small electric power, a method for improving the performance of the electrolyzer itself has been performed. This can be seen as a national project in the so-called WE-NET and RITE plans, which use a normal water electrolysis device of the solid electrolysis chamber type, with the idea of minimizing the loss there. is there. However, under normal conditions, there is a problem that the theoretical decomposition voltage cannot be reduced below 1.23V. Economically, hydrogen is produced using overseas hydropower and used as a storage medium to reduce CO2 generation. It is going to be used as a plan to say. Although it is more economical than the conventional electrolytic hydrogen generator, it still has the problem that the power consumption is large, and if the fuel cell is operated with this hydrogen, the generated power will be less than half of the power consumption. .
[0008]
On the other hand, it has been proposed to use a halogen reaction whose theoretical decomposition voltage is lower than that of oxygen generation for the anodic reaction. As can be seen in US Pat. Nos. 5,219,671 and 5,443,804, electrolysis is performed using hydrogen halide as an electrolytic solution to obtain halogen and hydrogen in the cathode chamber. The theoretical decomposition voltage is 1.04 V in the case of bromic acid with respect to 1.24 V of water, and the anode overvoltage is almost zero in the case of bromine generation. The voltage can be reduced by about 5V. The bromine produced there is considered to be able to react with natural gas or methanol to return it to a halogen acid and to be used again as an electrolytic raw material. This method is good for power reduction, but has a drawback that the structure becomes complicated and hydrogen production cannot be performed with sufficiently low power. In addition, it requires a high temperature for the conversion to halogen acid. Overall, it is complicated in terms of equipment. At the same time, considering its operation, it is difficult to become an on-site generator. It was.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an apparatus for producing electrolytic hydrogen that is low in temperature and extremely reduces power consumption.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent research to solve the above-mentioned problems, the present inventor sends natural gas mainly composed of methane to the anode as a supply gas in order to obtain electrolytic hydrogen at an extremely low voltage, and generates CO 22H2It has been found that separation is extremely important for an energy-saving hydrogen generator that generates hydrogen at the anode while keeping the anode potential very low, and the present invention has been completed.
That is, this invention consists of the following structures.
[0010]
(1) In a hydrogen generator that is separated into an anode chamber and a cathode chamber by a diaphragm and generates hydrogen from the cathode using an acidic electrolyte, a gas diffusion electrode that supplies methane gas as an anode is used.CO 2 Is generated,A hydrogen generator characterized in that a porous cathode is brought into close contact with a diaphragm and an electrolyte is supplied between the electrodes.
(2) The hydrogen generator according to (1), wherein a gas-liquid separation mechanism for separating the catholyte and the generated hydrogen gas is provided on the cathode side.
(3)A rectifying plate for venting was installed between the diaphragm and the gas diffusion electrode.The hydrogen generator according to (1) above, wherein
(4)Supply natural gas as methane gasThe hydrogen generator according to (1) above, wherein
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The electrode reaction in the present invention is
Anode (fuel electrode) CHFour+ 2H20-→ CO2+ 8H++ E (E0= 0.16V)
Cathode 2H++ 2e-→ H2 (E0= 0.0V)
The theoretical decomposition voltage is 0.16V, which is characterized by being extremely small compared to the theoretical decomposition voltage of 1.24V in ordinary water electrolysis.
The idea here is that a small amount of electric power is applied from methane, which is a natural gas, as a reformer for oxygen generation by changing the reaction to an electrochemical reaction instead of the heat required for a normal reformer. It is also possible. In the reaction using a normal gas diffusion electrode, no gas is generated in the gas diffusion electrode.2Therefore, a device different from a normal gas diffusion electrode is necessary, and as a result of these studies, the present invention has been achieved.
[0012]
That is, the electrolytic cell is separated into two chambers, an anode chamber and a cathode chamber, by a diaphragm. The main purpose is to generate CO from the anode.2It is to separate hydrogen gas, which is a product generated at the gas and the cathode. Since the electrolytic solution is basically the same, any diaphragm may be used as long as it has a gas separation ability. As an example, a filter cloth made of polypropylene or the like is used, but if it is thick, the electrical resistance increases. Therefore, if it can achieve the purpose, it is preferably as thin as possible. An apparent thickness of about 0.1 mm to 0.3 mm seems to be good. Moreover, in order to make it thin, a porous fluororesin film | membrane etc. can be used. Since the ion exchange membrane itself has ionic conductivity, it is a desirable material, but it is expensive, and for this purpose it does not require an ion exchange effect, so it is not particularly necessary. But of course you can use it. Thus, a gas diffusion anode is installed in the anode chamber of the electrolytic cell separated into two chambers.
[0013]
The type of the gas diffusion anode is not particularly limited.2In this case, it is desirable to use a so-called semi-hydrophobic gas diffusion electrode. That is, the gas diffusion electrode has a hydrophilic layer as a reaction part and a hydrophobic layer as a gas diffusion layer that separates liquid and gas and controls the distribution of gas supply. A gas diffusion electrode having a porous, water-repellent porous fluororesin stretched on the side of the gas chamber on the hydrophobic layer side is also preferably used. As the electrode material, a Pt / Ru alloy is preferably used because CO can be generated as a side reaction. The manufacturing method of these gas diffusion electrodes is not particularly limited, and may be performed by methods already introduced in many documents. For example, as the hydrophilic layer, a carbon black kneaded so that the PTFE resin is 40% (volume, hereinafter the same) or less is used, and this is coated on the core material of a corrosion-resistant metal mesh that is a core material, To.
[0014]
On the other hand, the hydrophobic layer is made of carbon black and a paste kneaded so that the PTFE resin is 60% or more, and this is also made into a sheet, but here it is stretched on the hydrophilic layer sheet to combine the hydrophilic layer and the hydrophobic layer. Bake with a hot press to make an electrode sheet. Hot press conditions are pressures from 0.1 to 10 kg / cm2The temperature is 100 to 300 ° C. When a porous PTFE sheet is attached, this sheet may be hot pressed together. In consideration of power supply, normal porous PTFE sheet is an insulator, and uniform power supply from the back side is impossible. Therefore, it is necessary to use conductive PTFE resin impregnated with conductive material such as graphite in PTFE. desirable. An electrode material, for example, a salt solution in which platinum and ruthenium are mixed at a predetermined ratio is applied to the hydrophilic layer side of the electrode body thus formed, and 200 to 350 ° C. in a reducing atmosphere such as hydrogen gas. A gas diffusion electrode can be obtained by pyrolyzing with the above.
[0015]
Of course, the electrode material may be any electrode material effective for oxidation of natural gas mainly composed of methane, platinum group metal oxides such as iridium oxide and ruthenium oxide, pyrochlore type oxides containing these, Perovskite oxides that are corrosion resistant in acidic solutions are used. These supporting methods are not particularly limited, and those previously supported on carbon black particles may be applied with a hot press at the time of electrode production, or may be a normal pyrolysis method, and there are methods suitable for electrode materials. Can be adopted. At this time, however, special care must be taken so as not to damage the gas diffusion electrode body. The gas diffusion electrode thus produced is installed in the anode chamber together with the current collector. The current collector material is not particularly limited, but in order to prevent insufficient supply of gas by pressing the current collector against the gas diffusion electrode, there is little contact with the current collector, and power is effectively supplied. In order to be able to do it, a metal, for example, a knitted mesh of a metal wire, is good.
[0016]
The material of the current collector is not particularly limited, but a corrosion resistant alloy called trade name Hastelloy with titanium or silver plating is used. This is because the anode side potential is almost zero, and even if it is hydrophobic, the electrolytic solution may ooze out into the gas chamber through the gas diffusion electrode, so it is desirable to have corrosion resistance against this. A gas diffusion electrode backed with a porous fluororesin serves as a support, not as a current collector, but the material is the same. In this case, the power supply is performed through a metal mesh which is a support material in the electrode. If the metal mesh is not contained as a support material in the gas diffusion electrode itself, the electrical conductivity is not necessarily good, so the current collector must be able to distribute the current evenly with as fine an eye as possible. .
[0017]
For installation in the electrolytic cell, in the case of this gas diffusion electrode, gas generation, that is, CO2Therefore, it is necessary to create a gas venting space between the diaphragm and the gas diffusion electrode. This space should be as small as possible in terms of electrical resistance.2Since gas tends to have a relatively large bubble, it is desirable to take into consideration that it is about 0.5 to 2 mm. In order to maintain this distance, it also serves as a spacer between the diaphragm and the gas diffusion electrode. It is desirable to provide a rectifying plate for venting gas.
[0018]
On the other hand, it is desirable that the cathode side has a hydrogen generation overvoltage as small as possible, and a so-called activated cathode in which an electrode material is formed on the surface of a porous body having a three-dimensional form is used. Although the material is not particularly limited, since it is used in an acidic atmosphere, it is desirable to have resistance to the material. For metals, titanium, silver, copper, or the like is used. However, it should be noted that titanium may be in a subtle potential range of corrosion and stability due to the potential relationship during energization. Silver and copper are relatively stable, but if chloride ions are contained in the electrolytic solution, they may be corroded, so it is necessary to select them according to the electrolytic solution. As a more stable cathode material, there is a sheet obtained by sintering carbon using PTFE resin as a binder. This can be made porous by selecting carbon particles, and since hydrogen bubbles are extremely small, even porous bodies that seem to be dense can be used as porous bodies with almost no problems. You can also.
[0019]
However, in any base material, it is necessary to form and activate an electrode material on these surfaces to minimize the hydrogen overvoltage. As a typical example, a silver foam obtained by electrodepositing silver on urethane foam and then removing the urethane foam by incineration is used as a base material, and a material whose porosity is about 70 to 40% by pressing is used as a base material. An active silver fine powder having an average particle diameter of 1 μm or less is coated with a PTFE resin as a binder and fixed at 150 to 300 ° C. This works effectively in dilute sulfuric acid aqueous solution as an electrolyte, and the overvoltage becomes almost zero. The cathode thus prepared is attached in close contact with the diaphragm. In the case of the cathode, unlike the anode, it is observed that the removal of the bubble is hardly a problem because of the size of the hydrogen bubble, and the voltage decreases as the distance from the anode becomes shorter. The cathode is preferably a metal, but in the case of carbon or the like, its own electrical conductivity is not sufficient and voltage loss due to electrical resistance is likely to occur. A fine metal expanded mesh, a knitted mesh, or a sintered metal wire is used.
[0020]
Electrolysis is performed using an electrolytic cell incorporating these to obtain electrolytic hydrogen, but the electrolytic solution must be an acid. That is, in the case of an alkaline solution, CO generated on the anode side2This is because there is a possibility that carbonate having low solubility is generated and the electrolytic cell and the electrode are blocked. Therefore, it is desirable to use dilute sulfuric acid, which is an acid having good conductivity and no excessive reaction, as the electrolyte. The concentration is not particularly limited, but usually 3N to 5N is desirable, and if it is lower than 3N, the electric conductivity tends to be insufficient, and if it is higher than 5N, the corrosiveness increases, which causes problems in the electrolytic cell and electrode materials. there is a possibility. Of course, it is also effective means to add a salt such as sodium sulfate and keep it acidic to the extent that carbonate is not formed. This is rather desirable.
[0021]
From the viewpoint of the action on the gas diffusion electrode, it is desirable that the temperature be higher, and the temperature may be any condition that does not cause the electrolyte to boil. For example, it is desirable to perform electrolysis at a temperature of about 100 ° C. to 120 ° C. by applying a pressure of about 2 to 3 atm to the electrolytic cell. However, the present invention is not limited to this, and it is most desirable if the gas diffusion electrode can be electrolyzed with a sufficiently low overvoltage and with minimal side reactions.
It is desirable to make the device so that it can withstand a certain amount of pressure. Even if the pressure is not applied from the outside, it can be easily applied if the generated gas itself is about 10 atm. Therefore, it is desirable that the apparatus has a sufficient pressure resistance.
[0022]
The electrolyte solution is supplied on the cathode side. The anolyte may be a liquid that oozes from the cathode side through the diaphragm, and for this purpose, the diaphragm is preferably a liquid-permeable type and excellent in gas separation function. Of course, a liquid circulation mechanism may be provided on the anode side. Although the liquid is circulated in the cathode chamber, hydrogen gas bubbles generated on the cathode side are extremely small, so that separation from the liquid tends to be insufficient. Therefore, it is desirable to provide a gas-liquid separation mechanism on the cathode side. The structure may be anything and may be a simple tank, but as described above, it must be able to withstand pressure. Also, almost pure CO from the anode chamber side2Although gas comes out, it is not released into the atmosphere due to environmental problems.2In order to use gas, it is safe to attach a trap mechanism. However, even in this case, it is necessary to sufficiently consider the pressure.
[0023]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, it goes without saying that the present invention is not limited to these examples.
[0024]
Example 1
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of an example of the hydrogen generator of the present invention. As the diaphragm 1, a filtration membrane (microfilter) made of a porous PTFE resin membrane having a thickness of 100 μm and an aperture of 2 μm was used, and a
The above-described diaphragm 1 was brought into close contact with the platinum carrying side by hot pressing using a fluororesin ion exchange resin liquid (Dafon Nafion liquid) as a binder. The adhesion conditions are a temperature of 180 ° C. and a pressure of 2 kg / cm.2Met. The reason for using Nafion was that the sintering temperature was low, the electrical conductivity was not lost, and the porosity was easy to maintain.
[0025]
On the other hand, the gas diffusion electrode (anode) 3 is based on a commercially available gas diffusion electrode (trade name ELAT manufactured by E-TEK Co., USA), and carries a 1: 1 alloy of platinum and ruthenium on the hydrophilic layer side. used. The carrying method is the same as that of the
The gas diffusion electrode and the cathode / diaphragm thus prepared were attached to an electrolytic cell 4 made of polypropylene. As the cathode-side current collector 5, a net-like body obtained by sintering titanium long fibers was baked in air at 450 ° C. to make the surface oxide, and was brought into close contact with the cathode surface. Further, the anode side current collector 6 used was a gold-plated surface of a knitted mesh formed by knitting a titanium wire having a wire diameter of 0.3 mm. In order to keep the distance between the diaphragm 1 and the diffusion electrode 3 constant, PTFE resin wires having a wire diameter of 1 mm were arranged as
[0026]
On the
[0027]
1NH from the
[0028]
Example 2
An electrolytic cell 4 was made in the same manner as in Example 1. As the
The anode 3 was prepared by kneading a 40% amount of PTFE resin in hydrophilic carbon black as a hydrophilic layer in accordance with a conventional method for producing a semi-hydrophobic gas diffusion electrode. % Kneaded with PTFE resin, using a knitted mesh surface of copper with a wire diameter of 0.2 mm as the electrifying and structural base material with gold plating, hydrophilic carbon black kneaded material on one side, A hydrophobic carbon black kneaded material was uniformly applied to the opposite surface to form a sheet, which was hot pressed to obtain an electrode. Hot press condition is pressure 5kg / m2The temperature was 300 ° C. for 30 minutes.
[0029]
An electrode material layer made of a 1: 1 alloy of ruthenium and platinum was formed on the hydrophobic layer side of the electrode in the same manner as in Example 1.
As the diaphragm 1, a 0.2-mm-thick polypropylene filter membrane is used, and as the cathode-side current collector 5, a copper expanded mesh plated with silver is used, and the anode-side current collector 6 is an electrode structure base material. Power was supplied to a certain copper mesh from the frame around the structure.
The electrode was fixed by applying the same metal knitted mesh as in Example 1 with a spring material in the middle to the back of the electrode. Further, a PTFE plate having a thickness of 0.75 mm was sandwiched between the diaphragm 1 and the gas diffusion electrode 3 so as to have an apparent thickness of 2 mm. The anode chamber 13 of the electrolytic cell 4 has 2NH2SOFourAn aqueous solution was supplied. The gas-liquid separator 10 is attached to the anode 3 side as in the first embodiment. A gas collector was attached to the anode chamber 13 gas.
[0030]
Pressure 2kg / cm2, Current density 10A / dm2When electrolysis was performed at a temperature of 100 ° C., the voltage was 0.34 V, and the current efficiency of hydrogen generation was 93%. The pressure on the anode 3 side is 0.2 kg / cm from the
[0031]
【The invention's effect】
The following effects were recognized by the present invention.
(1) As a reformer of methane gas, electrolytic hydrogen was obtained by supplying a small amount of electricity by electrolysis instead of the conventional high-temperature pyrolysis type.
(2) It was found that the driving conditions were extremely mild and the driving was easy.
(3) Since the pressure and temperature may be low and the generated hydrogen is electrolytic hydrogen, it can be easily used as an on-site hydrogen generator, and from the purity of the generated hydrogen, there is almost no need for post-treatment. It turns out that it is obtained.
(4) Since it is high-pressure hydrogen of several atmospheres, it turned out that it can be used without a pressure | voltage riser.
(5) CO from the anode side2However, since it can be used because of its high purity, it does not have to be released to the outside as it is, so it does not affect the problem of global warming.
As described above, according to the present invention, the above-described various effects were obtained, and a highly practical hydrogen generator for on-site use was obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a hydrogen generator of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Diaphragm
2 Cathode
3 Gas diffusion electrode (anode)
4 Electrolysis tank
5 Current collector on the cathode side
6 Anode-side current collector
7 Spacer
8 Liquid supply mechanism
9 Liquid / gas outlet
10 Gas-liquid separation mechanism
11 Degassing pipe
12 Valve
13 Anode chamber
14 Valve
15 Electrolyte
16 Methane gas
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