JPS581617B2 - エコノマイザ−を有する水↓−水素系同位体交換反応装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水−水素系同位体交換反応塔と水電解槽とから
成る水−水素系同位体交換反応装置に係るものであり、
更に詳しくはこの型式の交換反応装置にエコノマイザー
として水素・酸素系燃料電池を組み合わせた水−水素系
同位体交換反応装置に係るものである。

本発明の目的は、水−水素系同位体交換反応装置の、電
力経済性を改善することである。

この目的は本発明に従って水電解槽からの酸素及び交換
塔からの水素ガスを水に再結合させることによって電力
を発生させ、水電解槽に消費される電力を再生回復する
ことによって達成される。

第１図は、従来の水−水素系同位体交換反応装置を示す
。

この装置を利用して重水を製造するには交換反応塔１（
塔内部には交換反応を進行せしめる触媒２が充填されて
いる）の頂部より天然氷３（重水素含有率約１ ５ ０
ｐｐｍ）を供給し、塔頂より流下する水を、塔底部に
設置されている水電解槽４により電気分解する。

水電解槽より発生する水素ガス５は交換反応塔底部より
交換塔内に送り込まれ，触媒２を介して水と向流接触を
行う。

その結果交換塔内部の水の重水素濃度分布は塔長に治っ
て塔底力向に重水が濃縮されてくる。

このプロセスに従った重水濃縮法は，同一の重水生産量
に対し、他のプロセス、例えば水一硫化水素二重温度交
換法等に比べ装置の規模を非常に小さくできる利点はあ
るが，水電解槽に大きな電力を必要とし電力の消費が大
きいという欠点がある。

本発明はこの欠点の解消を目的とし，水−水素系同位体
交換反応を行うための交換反応塔と、この交換反応塔の
塔底部において交換反応塔より流出する液体を電気分解
するための電解槽と、前記の交換反応塔の塔頂部におい
て交換反応塔より流出する水素ガス又は重水素ガスと前
記の電解槽より発生した酸素ガスとを水に再結合するた
めの燃料電池とを備えたことを特徴とする。

水再結合により発生した電力は所望の用途に利用できる
が、本発明に従って電解槽に帰還せしめて電解槽の消費
電力を節減し得る。

又本発明の水−水素系同位体交換反応装置を利二用して
軽水或は重水中のトリチウムを除去、濃縮すればコスト
を非常に低減させることができる。

軽水或は重水中のトリチウムの除去、濃縮を行う場合は
、交換塔の中間部よりトリチウムの富化した軽水乃至は
重水を供給し、交換塔下部に於いて，トリチウムを濃縮
せしめ，交換塔下部より流出するトリチウムが富化した
液体を電解槽で水素乃至重水ガスと酸素ガスとに電気分
解し、交換塔の塔頂部において交換反応塔より流出する
トリチウムの減損した水素・重水素ガスと前記の電解槽
より発生した酸素ガスとを燃料電池に供給して水乃至重
水に再結合する。

このとき燃料電池から発生した電力を外部で利用するか
、又は電解槽に帰還せしめることにより水−水素系同位
体交換反応装置のランニングコストを低減し、従来装置
に比して・非常に安価に軽水或は重水中のトリチウムを
除去濃縮する事ができる。

本発明に使用する燃料電池１０には電解質に苛性アルカ
リ溶液ではなく固体電解質を用いる。

第２図に固体電解質を用いた燃料電池の原理図を示す。

固体電解質９としては例えばイオン交換膜の一種である
ＮＡＦＩＯＮ膜（デュポン社製）に触媒金属を担持した
ものなどを用いる。

交換塔の塔頂部より流出した水素ガス７と電解槽より発
生した酸素８は多孔性金属１１を通過して固体電解質に
より水となり、この反応による化学エネルギーを直接効
率よく電気エネルギーに変換することができる。

燃料電池で未反応の重水素ガスは水素−酸素結合触媒（
エンゲルハルト触媒）塔などを附設することによって重
水を回収することができる。

第３図に本発明による重水濃縮装置の一例が示されてい
る。

第３図では交換塔１の上部より供給水が流下し水電解槽
４により水素ガス５、酸素ガス８に分解される。

水素ガス５は交換塔１に導かれ，交換塔１内で触媒２の
もとて塔上部より流下する供給水３と水−水素系同位体
交換反応を行う。

すなわち、水素ガス５中に含まれていた重水素は水素ガ
ス中より供給水側に移り，供給水は交換塔を下降するに
従って重水素が濃縮される。

重水素が濃縮された供給水は交換塔の下部で一部が１２
において抜き取られ、高濃縮重水が得られる。

塔頂部で重水素の減損した流出水素ガスと電解槽４より
発生した酸素ガス８は燃料電池１５へ送り込まれ、水に
再結合する。

燃料電池内で発生した電気エネルギー１４は水電解槽４
に供給する電力の一部として帰還され，水電解槽の電力
消費を補償しその結果製造コストの非常に安価な重水を
提供することができる。

第４図は本発明による重水中のトリチウムを除去・濃縮
する装置の一例である。

第４図ではトリチウムが微量に含まれた重水を供給タン
ク１７から交換塔１の中間部より供給し交換塔を流下さ
斌これは電解槽４においてトリチウムの富化した重水素
ガス５と酸素ガス８に電気分解される。

トリチウムの富化した重水素ガス５の一部は２１におい
て抜き取られ貯蔵タンク（図示せず）へ送られ、残りは
交換塔１に導かれ、塔の中間部より流下する重水と触媒
２のもとで水−水素系同位体交換反応を行う。

すなわち、トリチウムの富化した重水素ガス５中のトリ
チウムは，塔の中間部より供給し流下する重水側に移る
。

このようにしてトリチウムの減損した重水素ガスは，電
解槽１３より発生した酸素ガス８と重水に再結合するた
め交換梧上部の燃料電池１５へ送り込まれる。

そこで再結合した重水は交換塔へ、一部は貯蔵タンク１
８へ送られる。

燃料電池により発生した電気エネルギーは導線１４によ
り水電解槽４に供給される。

このようにして電力消費を捕償してそれだけ低廉に重水
中のトリチウムを除去・濃縮する。

１３は電解槽に電力を供給する電源である。

第５図は本発明による軽水中のトリチウムを除去濃縮す
る装置の一例である。

第５図では供給タンク２０から天然水が交換塔の頂部へ
供給され、そして供給タンク１７からトリチウムが微量
に含まれている軽水が交換塔１の中間部に供給され、交
換塔を流下し電解槽４においてトリチウムの富化した水
素ガス５と酸素ガス８に電気分解されるトリチウムの富
化した水素ガス５の一部は２１で抜き取られ貯蔵タンク
（図示せず）へ送られ，残りは交換塔１に導かれ，塔の
中間部より流下する軽水と触媒２のもとで水−水素系同
位体交換反応を行う。

すなわち、トリチウムの富化した水素ガス５中のトリチ
ウムは軽水側に移り、尚一層軽水中のトリチウムを富化
する。

このようにしてトリチウムの減損した水素ガスと電解槽
より発生した酸素８は，軽水に再結合するため燃料電池
１５へ送り込まれトリチウムが除去された軽水が１９に
おいて得られる。

燃料電池１５で発生した電気エネルギーは導線１４によ
り水電解槽４に帰還される。

軽水中のトリチウム除去・濃縮プロセスにより燃料電池
でトリチウムの除去された水を回収し、燃料電池により
発生した電力を電解槽に帰還させる第４図の構成と、燃
料電池の代りに水素一酸素再結合器（例えばエンゲルハ
ルト触媒塔）を使用しトリチウムの除去された水を回収
する従来の構成とにつき消費電力の比較を行った。

軽水中にトリチウムが１ｌ中に０．１キューリーの濃度
で含む軽水を供給タンク１７より交換塔１の中間部へ毎
時１００７の流量で供給し交換塔頂部に設置した燃料電
池１５の内部において生成した水のトリチウム濃度を１
ｌ中３×１０−６キューリー以下に（ て貯蔵タンク１８に回収して一部を交換塔頂部へと還流
させた。

又交換塔底部に設置した電解槽４の内部に於いてはトリ
チウム濃度が１ｌ中１０３キューリーに濃縮した水を毎
時１０ｍｌの流量で系外に流出させ貯蔵する。

上記のプロセスを達成するために交換塔下部より流出す
る水を電解槽４により水素と酸素に分解するために要す
る電力ば毎時１０５８ｋｗｈとなる。

しかし燃料電池１５より発生した電力を電源１３からの
供給電力に帰還させると７５％の電力消費を補償するこ
とができ電源１３より供給される必要な電力は毎時２６
５ｋｗｈとなる。

燃料電池を使用せず水素一酸素再結合器を用いた場合は
既に述べたように電解槽に必要な供給電力は毎時１０５
８ｋｗｈという膨大な量となるが更にこれに加えて、安
全性のため水素一酸素の爆鳴気を不活性ガス（水蒸気、
窒素ガス等）で爆発限度以下に稀釈して反応を行なわせ
る際発生する熱を不活性ガスから取去るための冷却器駆
動の電力消費も余儀なくされる。

以上の結果から明らかなように本発明による水素・酸素
系燃料電池を使用した水−水素系同位体交換反応装置は
、消費電力を１／４以下に低減し安価なランニングコス
トにより軽水乃至は重水中よりトリチウムを除去・濃縮
したり或は重水を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の水−水素系同位体交換反応装置を示す。 第２図はエコノマイザーとして使用するに適した固体電
解質を用いた燃料電池の原理図である。 第３図重水濃縮装置として使用される本発明の実施例を
示す。 第４図は重水中のトリチウムを除去、麹縮する本発明の
装置の実施例を示す。 第５図は軽水中のトリチウムを除去、濃縮する本発明の
装置の実施例を示す。 １…交換反応塔、４…電解槽、１３…電源、１４…導線
、１５…燃料電池、１７…供給タンク，１８…貯蔵タン
ク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水−水素系同位体交換反応塔を行なうための交換反
   応塔と、この交換反応塔の塔底部より流出シする液体を
   電気分解するための電解槽と、前記の交換反応塔の塔頂
   部より流出する水素ガス又は重水素ガスと前記の電解槽
   より発生した酸素ガスとを水に再結合するための固体電
   解質を使用する燃料電池とを備え，この燃料電池は前記
   の電解槽とは別個独立に設置したことを特徴とする水−
   水素系同位体交換反応装置。 ２ 前記の燃料電池が発生した電力を前記の電解槽に帰
   還せしめるように構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の水−水素系同位交換反応装置。 ３ 前記の交換反応塔が水−水素系同位体交換反応によ
   り重水を濃縮するための反応塔であり，この反応塔より
   流出する液体は重水素の富化した液体であり、前記の電
   解槽はこの液体を重水ガスと酸素ガスとに分解し、前記
   の燃料電池は前記の反応塔より流出する重水素の減損し
   た水素ガスと前記の電解槽より発生した酸素ガスにより
   水に再結合して電力を発生することを特徴とする特許請
   求の範囲１又は２項に記載の水−水素系同位体交換反応
   装置。 ４ 前記の交換反応塔が水−水素系同位体反応により軽
   水或いは重水素中のトリチウムを除去するための反応塔
   であり、この反応塔の中間部にトリチウムの富化した軽
   水又は重水を供給し、前記の電解槽は交換塔より流出す
   る液体をトリチウムが富化した水素，重水ガスと酸素ガ
   スとに電気分解し、前記の燃料電池は反応塔より流出す
   るトリチウムの減損した水素，重水素ガスを前記の電解
   槽より発生した酸素ガスと再結合させて電力を発生させ
   ることを特徴とする特許請求の範囲１又は２項に記載の
   水−水素系同位体交換反応装置。