JP2001286737A - 水素同位体の濃縮装置及びその運転方法 - Google Patents
水素同位体の濃縮装置及びその運転方法Info
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- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 重水素又はトリチウムなどの水素同位体の濃
縮を低コストで効率よく行う。 【解決手段】 重水素のの濃縮装置３０は、重水を含有
する水の電気分解を行う電解槽３１、水素の同位体交換
反応を行う多段交換塔３３、及び電解槽３１で発生した
電解酸素５７と同位体交換反応に供せられた水素５９と
を再結合する固体高分子型燃料電池３９を有して構成さ
れる。
縮を低コストで効率よく行う。 【解決手段】 重水素のの濃縮装置３０は、重水を含有
する水の電気分解を行う電解槽３１、水素の同位体交換
反応を行う多段交換塔３３、及び電解槽３１で発生した
電解酸素５７と同位体交換反応に供せられた水素５９と
を再結合する固体高分子型燃料電池３９を有して構成さ
れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は水素同位体の濃縮方
法及び装置に関し、特に水−水素間の同位体交換反応を
利用して水素同位体を濃縮する方法及び装置に関する。
法及び装置に関し、特に水−水素間の同位体交換反応を
利用して水素同位体を濃縮する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】水素同位体を濃縮する方法として知られ
ている単一温度水−水蒸気同位体交換法は、平衡状態で
の分離係数が大きく、向流型の反応塔を構築できるた
め、極めて高い分離性能を単一の装置で実現することが
できる。しかも、取り扱う物質が水素、水蒸気、水であ
るため、環境上の問題も生じない。この方法は、重水の
製造、プラント内で生ずる軽水が混合した重水の再生、
原子力発電所内で生ずる軽水中又は重水中のトリチウム
の除去に有効である。この方法の基本原理は次の通り
で、２段階の反応過程からなっていることが知られてい
る。 第１反応過程：水素と水蒸気間の同位体交換反応 第２反応過程：水と水蒸気間の同位体交換反応
ている単一温度水−水蒸気同位体交換法は、平衡状態で
の分離係数が大きく、向流型の反応塔を構築できるた
め、極めて高い分離性能を単一の装置で実現することが
できる。しかも、取り扱う物質が水素、水蒸気、水であ
るため、環境上の問題も生じない。この方法は、重水の
製造、プラント内で生ずる軽水が混合した重水の再生、
原子力発電所内で生ずる軽水中又は重水中のトリチウム
の除去に有効である。この方法の基本原理は次の通り
で、２段階の反応過程からなっていることが知られてい
る。 第１反応過程：水素と水蒸気間の同位体交換反応 第２反応過程：水と水蒸気間の同位体交換反応
【０００３】上述の第１反応過程には、白金などの貴金
属を担持した触媒が必要である。液体水の触媒表面付着
による活性低下を防止するために、撥水性のテフロン
（登録商標）、活性炭、スチレン・ジビニルベンゼン共
重合体の表面に白金微粒子を分散した、所謂疎水性触媒
が多く用いられている。この触媒により常温付近の温度
であっても、水素中の重水素又トリチウムは交換反応に
より水蒸気側に移動し、濃縮される。又、第２反応過程
では、液体水と水蒸気とを物理的に接触させることによ
り、水蒸気中の重水素又はトリチウムが液体水中に移動
する。そして、第１反応過程と第２反応過程を合わせて
みれば、水蒸気は反応に必要な中間媒体であり、結局水
素中の重水素若しくはトリチウムが液体水中に濃縮され
ることになる。濃縮のためには、この過程を幾重にも亘
って行う必要があり、これを行う装置としては多段交換
反応塔が知られている。この方法の反応は２段階反応で
あるため、多段交換反応塔の基本構造は図８に示す通り
となる。水素ガスは上向きに流れ、触媒部１の内部で自
由に拡散する。しかしながら、触媒部１は撥水性のた
め、下向きに流れる水は均一に流れず、分散板３のよう
に水の経路を均等に分散させる手段が必要になる。分散
板３などを設置しない場合には、充填部５の高さを十分
に取り、水を最終的に分散させる必要がある。
属を担持した触媒が必要である。液体水の触媒表面付着
による活性低下を防止するために、撥水性のテフロン
（登録商標）、活性炭、スチレン・ジビニルベンゼン共
重合体の表面に白金微粒子を分散した、所謂疎水性触媒
が多く用いられている。この触媒により常温付近の温度
であっても、水素中の重水素又トリチウムは交換反応に
より水蒸気側に移動し、濃縮される。又、第２反応過程
では、液体水と水蒸気とを物理的に接触させることによ
り、水蒸気中の重水素又はトリチウムが液体水中に移動
する。そして、第１反応過程と第２反応過程を合わせて
みれば、水蒸気は反応に必要な中間媒体であり、結局水
素中の重水素若しくはトリチウムが液体水中に濃縮され
ることになる。濃縮のためには、この過程を幾重にも亘
って行う必要があり、これを行う装置としては多段交換
反応塔が知られている。この方法の反応は２段階反応で
あるため、多段交換反応塔の基本構造は図８に示す通り
となる。水素ガスは上向きに流れ、触媒部１の内部で自
由に拡散する。しかしながら、触媒部１は撥水性のた
め、下向きに流れる水は均一に流れず、分散板３のよう
に水の経路を均等に分散させる手段が必要になる。分散
板３などを設置しない場合には、充填部５の高さを十分
に取り、水を最終的に分散させる必要がある。
【０００４】上述のような基本構造を持つ多段交換塔を
有する水素同位体濃縮装置の全体的な基本構成を示す
と、図９のようになる。多段交換塔７の上方に再結合器
９が設けられ、他方下方には電解槽１１が設けられる。
電気分解により電解槽１１で生じた水素１３は、水蒸気
と共に多段交換塔７内を上昇し、再結合器９に入る。多
段交換塔７内を上昇中に水素１３には軽水素が濃縮さ
れ、再結合器９において電解酸素１５と反応し、濃縮軽
水を生成する。一方、多段交換塔７を下降する水には、
重水素が濃縮され、最下部では重水が濃縮される。連続
的に重水−軽水混合水１７を多段交換塔７に注入し、物
質量のバランスがとれるように軽水濃縮水１９と重水濃
縮水２１と抜き出すことで、連続的に重水を製造するこ
とができる。又軽水素若しくは重水素の代わりにトリチ
ウム（三重水素）を用いた場合でも、全く同様の原理に
より水素同位体の濃縮を行うことができる。
有する水素同位体濃縮装置の全体的な基本構成を示す
と、図９のようになる。多段交換塔７の上方に再結合器
９が設けられ、他方下方には電解槽１１が設けられる。
電気分解により電解槽１１で生じた水素１３は、水蒸気
と共に多段交換塔７内を上昇し、再結合器９に入る。多
段交換塔７内を上昇中に水素１３には軽水素が濃縮さ
れ、再結合器９において電解酸素１５と反応し、濃縮軽
水を生成する。一方、多段交換塔７を下降する水には、
重水素が濃縮され、最下部では重水が濃縮される。連続
的に重水−軽水混合水１７を多段交換塔７に注入し、物
質量のバランスがとれるように軽水濃縮水１９と重水濃
縮水２１と抜き出すことで、連続的に重水を製造するこ
とができる。又軽水素若しくは重水素の代わりにトリチ
ウム（三重水素）を用いた場合でも、全く同様の原理に
より水素同位体の濃縮を行うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ような従来の水素同位体の濃縮方法では、連続的に水の
電気分解を行うので、電力消費量が多くなるという問題
があった。又、多段交換塔において、全体の処理量を増
加するには、１段当たりの触媒量、及び充填部の容量を
増加させる必要がある。触媒、充填部を縦方向に増加さ
せる場合には、水素或いは水蒸気ガスの接触時間を一定
にするため、空塔速度を上げる必要がある。しかし、そ
のようにすると、水の下降を阻害する、所謂フラッデン
グを起こしので、縦方向の増加には限界があった。一
方、触媒、充填部を横方向に増大すると、横方向への水
の分散を確保するために分散板を高くするか、充填部を
必要以上に高くする必要がある。従って、処理量の増加
に比して多段交換塔の容積の増加が大きくなり、設備コ
ストが増大し、全体的な濃縮コストが増大するという問
題があった。従って、本発明の課題は、使用エネルギー
が少なくて運転コストが小さく、又装置が小型で設備コ
ストの小さい水素同位体の濃縮方法及び装置を提供する
ことを課題とする。
ような従来の水素同位体の濃縮方法では、連続的に水の
電気分解を行うので、電力消費量が多くなるという問題
があった。又、多段交換塔において、全体の処理量を増
加するには、１段当たりの触媒量、及び充填部の容量を
増加させる必要がある。触媒、充填部を縦方向に増加さ
せる場合には、水素或いは水蒸気ガスの接触時間を一定
にするため、空塔速度を上げる必要がある。しかし、そ
のようにすると、水の下降を阻害する、所謂フラッデン
グを起こしので、縦方向の増加には限界があった。一
方、触媒、充填部を横方向に増大すると、横方向への水
の分散を確保するために分散板を高くするか、充填部を
必要以上に高くする必要がある。従って、処理量の増加
に比して多段交換塔の容積の増加が大きくなり、設備コ
ストが増大し、全体的な濃縮コストが増大するという問
題があった。従って、本発明の課題は、使用エネルギー
が少なくて運転コストが小さく、又装置が小型で設備コ
ストの小さい水素同位体の濃縮方法及び装置を提供する
ことを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明によれば、重水素又はトリチウムなどの水素
同位体の濃縮装置は、水素同位体を含有する水の電気分
解を行う電解槽、水素の同位体交換反応を行う多段交換
塔、及び前記電解槽で発生した酸素と前記同位体交換反
応に供せられた水素とを再結合する固体高分子型燃料電
池を有して構成される。そして、濃縮装置に運転におい
ては、固体高分子型燃料電池の発生電力を前記電解槽に
供給して前記電気分解を行うのが好適である。又、本発
明の方法によれば、水素同位体を含有する水の電気分解
を行う電解槽、水素の同位体交換反応を行う多段交換
塔、及び前記電解槽で発生した酸素と前記同位体交換反
応に供せられた水素とを再結合する再結合器を有する水
素同位体の濃縮装置は、前記多段交換塔内の温度と圧力
を所定関係に保持して行うようにして、処理量が増大さ
れる。又、同様な構成の水素同位体の濃縮装置を運転す
るに際し、前記多段交換塔の内部上方を相対的に低温
に、内部下方を相対的に高温に保持し、前者内の水蒸気
分圧を低くして濃縮反応を促進するのも好適である。
め、本発明によれば、重水素又はトリチウムなどの水素
同位体の濃縮装置は、水素同位体を含有する水の電気分
解を行う電解槽、水素の同位体交換反応を行う多段交換
塔、及び前記電解槽で発生した酸素と前記同位体交換反
応に供せられた水素とを再結合する固体高分子型燃料電
池を有して構成される。そして、濃縮装置に運転におい
ては、固体高分子型燃料電池の発生電力を前記電解槽に
供給して前記電気分解を行うのが好適である。又、本発
明の方法によれば、水素同位体を含有する水の電気分解
を行う電解槽、水素の同位体交換反応を行う多段交換
塔、及び前記電解槽で発生した酸素と前記同位体交換反
応に供せられた水素とを再結合する再結合器を有する水
素同位体の濃縮装置は、前記多段交換塔内の温度と圧力
を所定関係に保持して行うようにして、処理量が増大さ
れる。又、同様な構成の水素同位体の濃縮装置を運転す
るに際し、前記多段交換塔の内部上方を相対的に低温
に、内部下方を相対的に高温に保持し、前者内の水蒸気
分圧を低くして濃縮反応を促進するのも好適である。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の実施形態を説明する。尚、全図に亘り同一部分には
同一の符号を付すこととする。先ず、図１を参照する
に、水素同位体即ち重水素の濃縮装置３０は、電解槽３
１，多段交換塔３３，酸素極３５と水素極３７とを有す
る固体高分子型燃料電池（以下単に燃料電池という。）
３９、凝縮器４１、加湿器４３及び気液分離器４５、４
７を有する。
明の実施形態を説明する。尚、全図に亘り同一部分には
同一の符号を付すこととする。先ず、図１を参照する
に、水素同位体即ち重水素の濃縮装置３０は、電解槽３
１，多段交換塔３３，酸素極３５と水素極３７とを有す
る固体高分子型燃料電池（以下単に燃料電池という。）
３９、凝縮器４１、加湿器４３及び気液分離器４５、４
７を有する。
【０００８】上述の構成の重水素濃縮装置３０の作用を
説明する。重水と軽水の混合水５１が多段交換塔３３に
供給され、交換反応に供されながら流下し、電解槽３１
に流入する。電解槽３１は、燃料電池３９の発生電力を
使用して電気分解を行う。発生した酸素５３は重水濃度
の高い水蒸気を含んでいるが、この水蒸気は凝縮器４１
において水に戻され、重水含有水５５として電解槽３１
に戻される。水蒸気が除去されて乾燥した電解酸素５７
は加湿器４３に入れられて、燃料電池３９の使用に便な
ように加湿される。一方、電解槽３１で発生した水素５
９は水蒸気を含んでいるが、そのまま多段交換塔３３の
底部に流入し、そして上昇しながら同位体交換反応を行
う。多段交換塔３３を出た水蒸気含有水素５９は、その
まま燃料電池３９の水素極３７に入り、加湿器４３から
酸素極３５に入った電解酸素５１と反応して軽水濃縮水
６１となり、多段交換塔３３の頂部に流入される。軽水
濃縮水６１は前述の水素５９と同位体交換反応を行いな
がら流下し、重水濃縮水６３となって電解槽３１に流入
する。
説明する。重水と軽水の混合水５１が多段交換塔３３に
供給され、交換反応に供されながら流下し、電解槽３１
に流入する。電解槽３１は、燃料電池３９の発生電力を
使用して電気分解を行う。発生した酸素５３は重水濃度
の高い水蒸気を含んでいるが、この水蒸気は凝縮器４１
において水に戻され、重水含有水５５として電解槽３１
に戻される。水蒸気が除去されて乾燥した電解酸素５７
は加湿器４３に入れられて、燃料電池３９の使用に便な
ように加湿される。一方、電解槽３１で発生した水素５
９は水蒸気を含んでいるが、そのまま多段交換塔３３の
底部に流入し、そして上昇しながら同位体交換反応を行
う。多段交換塔３３を出た水蒸気含有水素５９は、その
まま燃料電池３９の水素極３７に入り、加湿器４３から
酸素極３５に入った電解酸素５１と反応して軽水濃縮水
６１となり、多段交換塔３３の頂部に流入される。軽水
濃縮水６１は前述の水素５９と同位体交換反応を行いな
がら流下し、重水濃縮水６３となって電解槽３１に流入
する。
【０００９】更に、水素極３７から出る含液未反応水素
６５は、濃縮軽水液６７を含んでいるので、気液分離器
４５でこれを分離し、多段交換塔３３へ戻す。水分が分
離された未反応水素ガス６９は、水素極３７に戻され、
循環的に再結合反応に寄与する。同様に、含液未反応酸
素７１は濃縮軽水液６７を含んでいるので、気液分離器
４７でこれを分離し、多段交換塔３３へ戻す。水分が分
離された未反応酸素ガス７３は、酸素極３５に戻され、
循環的に使用される。軽水濃縮水６１の一部は、加湿器
４３に供給されて電解酸素５７の加湿に使用される。
６５は、濃縮軽水液６７を含んでいるので、気液分離器
４５でこれを分離し、多段交換塔３３へ戻す。水分が分
離された未反応水素ガス６９は、水素極３７に戻され、
循環的に再結合反応に寄与する。同様に、含液未反応酸
素７１は濃縮軽水液６７を含んでいるので、気液分離器
４７でこれを分離し、多段交換塔３３へ戻す。水分が分
離された未反応酸素ガス７３は、酸素極３５に戻され、
循環的に使用される。軽水濃縮水６１の一部は、加湿器
４３に供給されて電解酸素５７の加湿に使用される。
【００１０】前述の運転に際し、１０器直列接続で構成
した電解槽３１の電解電圧を２０Ｖ、電流を２０Ａとし
たとき、１０器直列接続で構成した燃料電池３９の発電
は電圧７．０Ｖ、電流１９．２Ａを得ており、３３％の
エネルギーが回収された。又４段構成の多段交換塔３３
の軽水濃縮水６１と重水濃縮水６３から求めた濃縮倍率
は、４０．１であり、電力回収をしない従来型の装置の
濃縮倍率４０．６と実質的に同等であった。換言すれ
ば、本発明により、他にデメリットを生ずることなく、
装置の運転エネルギーを低減できるが実証された。
した電解槽３１の電解電圧を２０Ｖ、電流を２０Ａとし
たとき、１０器直列接続で構成した燃料電池３９の発電
は電圧７．０Ｖ、電流１９．２Ａを得ており、３３％の
エネルギーが回収された。又４段構成の多段交換塔３３
の軽水濃縮水６１と重水濃縮水６３から求めた濃縮倍率
は、４０．１であり、電力回収をしない従来型の装置の
濃縮倍率４０．６と実質的に同等であった。換言すれ
ば、本発明により、他にデメリットを生ずることなく、
装置の運転エネルギーを低減できるが実証された。
【００１１】次に、本発明の方法の別の実施例を説明す
る。図２はその方法の実施に使用した装置の系統図であ
る。図２において、重水濃縮装置８０は、電解槽３１、
多段交換塔３３及び再結合器８１を有する。４段構成の
多段交換塔３３において、塔内径を３０ｍｍ、１段当た
りの触媒高さを２０ｍｍ（径が３ｍｍの白金担持触
媒）、充填部（６mmディクソンリング）の高さを６０ｍ
ｍとしている。この装置において、重水と軽水の混合水
５１が多段交換塔３３に供給され、これは重水濃縮水６
３と共に電解槽３１に流入し、電気分解される。電解槽
３１で発生した水素５９は、水蒸気を含んだまま多段交
換塔３３を上昇し、同位体交換反応により含有重水素は
液側に移行する。このような水素５９は、多段交換塔３
３を出て再結合器８１に入り、電解槽３１から流入した
酸素８３と再結合反応をして水となり、これは軽水濃縮
水６１として多段交換塔３３の頂部に流入する。このよ
うな軽水濃縮水６１は、前述のように水素５９と同位体
交換反応をし、最終的には重水濃縮水６３として電解槽
３１に流入する。
る。図２はその方法の実施に使用した装置の系統図であ
る。図２において、重水濃縮装置８０は、電解槽３１、
多段交換塔３３及び再結合器８１を有する。４段構成の
多段交換塔３３において、塔内径を３０ｍｍ、１段当た
りの触媒高さを２０ｍｍ（径が３ｍｍの白金担持触
媒）、充填部（６mmディクソンリング）の高さを６０ｍ
ｍとしている。この装置において、重水と軽水の混合水
５１が多段交換塔３３に供給され、これは重水濃縮水６
３と共に電解槽３１に流入し、電気分解される。電解槽
３１で発生した水素５９は、水蒸気を含んだまま多段交
換塔３３を上昇し、同位体交換反応により含有重水素は
液側に移行する。このような水素５９は、多段交換塔３
３を出て再結合器８１に入り、電解槽３１から流入した
酸素８３と再結合反応をして水となり、これは軽水濃縮
水６１として多段交換塔３３の頂部に流入する。このよ
うな軽水濃縮水６１は、前述のように水素５９と同位体
交換反応をし、最終的には重水濃縮水６３として電解槽
３１に流入する。
【００１２】以上のような重水濃縮装置８０を用い、次
のような重水濃縮運転を行った。混合水５１として５０
％原子濃度の重水を使用し、多段交換塔３３に連続注入
する。そして多段交換塔３３の上段から軽水濃縮水６１
を注入量の２分の１，多段交換塔３３の下段から重水濃
縮水６３を注入量の２分の１，それぞれ連続的に抜き出
した。そして、環流比を５に固定して運転温度、圧力を
変化させたとき、定常状態での軽水濃縮水６１中の重水
濃度が１７％以下、且つ重水濃縮水６３中の重水濃度が
８３％以上となるような最大重水注入速度を測定した。
このときの濃縮倍率は、４．８である。図３に３気圧で
運転を行ったときの温度と最大注入速度の関係を示す。
更に、最適な温度、圧力の関係を図４に示す。図から分
かるように、圧力の上昇と共に温度を上昇させることが
必要である。図５に最適温度で運転したときの最大重水
注入速度を示す。
のような重水濃縮運転を行った。混合水５１として５０
％原子濃度の重水を使用し、多段交換塔３３に連続注入
する。そして多段交換塔３３の上段から軽水濃縮水６１
を注入量の２分の１，多段交換塔３３の下段から重水濃
縮水６３を注入量の２分の１，それぞれ連続的に抜き出
した。そして、環流比を５に固定して運転温度、圧力を
変化させたとき、定常状態での軽水濃縮水６１中の重水
濃度が１７％以下、且つ重水濃縮水６３中の重水濃度が
８３％以上となるような最大重水注入速度を測定した。
このときの濃縮倍率は、４．８である。図３に３気圧で
運転を行ったときの温度と最大注入速度の関係を示す。
更に、最適な温度、圧力の関係を図４に示す。図から分
かるように、圧力の上昇と共に温度を上昇させることが
必要である。図５に最適温度で運転したときの最大重水
注入速度を示す。
【００１３】更に、本発明の別の実施形態を説明する。
図６にこの方法に使用する濃縮装置９０の基本系統図を
示す。濃縮装置９０は、電解槽９１，高温側多段交換塔
９３，熱交換器９５，低温側９７及び再結合器９９を有
する。この濃縮装置９０の基本的な作動原理を説明する
と、重水と軽水の混合水１０１は、多段交換塔９７の下
部に連続的に供給される。電解槽９１内の電解により生
じた水素１０３は、多段交換塔９３、９７を上昇中に軽
水素が濃縮され、再結合器９９において電解酸素１０５
と反応し、濃縮軽水１０７を生成する。一方、多段交換
塔９３、９７を下降する水は、重水素が濃縮され、最下
部では重水が濃縮され、重水濃縮水１０９として電解槽
９１に戻る。連続的に供給される混合水１０１に対し、
物質量のバランスを保つように濃縮軽水１０７と重水濃
縮水１０９が抜き出される。そして、熱交換器９５を用
いることにより、再結合器９９側を低温に、電解槽９１
側を高温になるように温度勾配が発生される。そして、
水素ガス１０３に含有された水蒸気は、熱交換器９５に
おいて冷却されて凝縮水となり、低温側の多段交換塔９
７内の水蒸気分圧は、高温側多段交換塔９３に比して低
くなり、その分水素分圧が高くなり、重水素濃度に応じ
た水素−水蒸気比に制御できる。
図６にこの方法に使用する濃縮装置９０の基本系統図を
示す。濃縮装置９０は、電解槽９１，高温側多段交換塔
９３，熱交換器９５，低温側９７及び再結合器９９を有
する。この濃縮装置９０の基本的な作動原理を説明する
と、重水と軽水の混合水１０１は、多段交換塔９７の下
部に連続的に供給される。電解槽９１内の電解により生
じた水素１０３は、多段交換塔９３、９７を上昇中に軽
水素が濃縮され、再結合器９９において電解酸素１０５
と反応し、濃縮軽水１０７を生成する。一方、多段交換
塔９３、９７を下降する水は、重水素が濃縮され、最下
部では重水が濃縮され、重水濃縮水１０９として電解槽
９１に戻る。連続的に供給される混合水１０１に対し、
物質量のバランスを保つように濃縮軽水１０７と重水濃
縮水１０９が抜き出される。そして、熱交換器９５を用
いることにより、再結合器９９側を低温に、電解槽９１
側を高温になるように温度勾配が発生される。そして、
水素ガス１０３に含有された水蒸気は、熱交換器９５に
おいて冷却されて凝縮水となり、低温側の多段交換塔９
７内の水蒸気分圧は、高温側多段交換塔９３に比して低
くなり、その分水素分圧が高くなり、重水素濃度に応じ
た水素−水蒸気比に制御できる。
【００１４】以上のような濃縮装置９０を使用し、次の
ような濃縮運転を行った。先ず、高倍率濃縮装置での塔
上部を模擬するため、重水素原子濃度が１０％と低い重
水−軽水混合水を注入し、軽水濃縮水と重水濃縮水の抜
き取り体積比を７４：２６で行い、定常状態での軽水濃
縮水中の重水濃度が２．２％以上且つ重水濃縮水中の重
水濃度が３．５％以上となるような最大重水注入速度を
測定した。このときの濃縮倍率は、４．８である。次
に、高倍率濃縮装置での塔下を模擬するため、重水素原
子濃度が９０％と高い重水−軽水混合水を注入し、軽水
濃縮水と重水濃縮水の抜き取り体積比を２６：７４で行
い、定常状態での軽水濃縮水中の重水濃度が６５％以上
且つ重水濃縮水中の重水濃度が９７．８％以上となるよ
うな最大重水注入速度を測定した。このときの濃縮倍率
は、４．８である。図７に、３気圧で運転試験を行った
ときの温度と最大重水注入速度との関係を示す。重水素
原子濃度によって最適な温度が異なることが分かる。表
１、表２、表３、表４及び表５に水素分圧がそれぞれ、
０．１ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａ、０．４Ｍ
Ｐａ及び０．５ＭＰａのときの重水素濃度と最適温度と
の関係を示す。
ような濃縮運転を行った。先ず、高倍率濃縮装置での塔
上部を模擬するため、重水素原子濃度が１０％と低い重
水−軽水混合水を注入し、軽水濃縮水と重水濃縮水の抜
き取り体積比を７４：２６で行い、定常状態での軽水濃
縮水中の重水濃度が２．２％以上且つ重水濃縮水中の重
水濃度が３．５％以上となるような最大重水注入速度を
測定した。このときの濃縮倍率は、４．８である。次
に、高倍率濃縮装置での塔下を模擬するため、重水素原
子濃度が９０％と高い重水−軽水混合水を注入し、軽水
濃縮水と重水濃縮水の抜き取り体積比を２６：７４で行
い、定常状態での軽水濃縮水中の重水濃度が６５％以上
且つ重水濃縮水中の重水濃度が９７．８％以上となるよ
うな最大重水注入速度を測定した。このときの濃縮倍率
は、４．８である。図７に、３気圧で運転試験を行った
ときの温度と最大重水注入速度との関係を示す。重水素
原子濃度によって最適な温度が異なることが分かる。表
１、表２、表３、表４及び表５に水素分圧がそれぞれ、
０．１ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａ、０．４Ｍ
Ｐａ及び０．５ＭＰａのときの重水素濃度と最適温度と
の関係を示す。
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】 尚、前記実施形態においては、重水素を濃縮する例につ
いて説明したが、トリチウムを濃縮することも出来るこ
とは勿論である。
いて説明したが、トリチウムを濃縮することも出来るこ
とは勿論である。
【００１５】
【発明の効果】以上説明したように、多段交換塔を用い
た水素同位体濃縮装置において、再結合器として固体高
分子型燃料電池を用い、その発生電力により電解を行う
ことにより、外部供給エネルギーを少なくし、効率的に
水素同位体を濃縮することが出来る。又、本発明の方法
によれば、多段交換塔の内部の温度と圧力を適切に制御
することにより、処理量を増大することができる。
た水素同位体濃縮装置において、再結合器として固体高
分子型燃料電池を用い、その発生電力により電解を行う
ことにより、外部供給エネルギーを少なくし、効率的に
水素同位体を濃縮することが出来る。又、本発明の方法
によれば、多段交換塔の内部の温度と圧力を適切に制御
することにより、処理量を増大することができる。
【図１】本発明の実施形態に係る装置の系統図である。
【図２】本発明の別の実施形態に係る装置の系統図であ
る。
る。
【図３】前記別の実施形態の作用を説明するグラフであ
る。
る。
【図４】前記別の実施形態の作用を説明する別のグラフ
である。
である。
【図５】前記別の実施形態の作用を説明する更に別のグ
ラフである。
ラフである。
【図６】本発明の更に別の実施形態に係る装置の系統図
である。
である。
【図７】前記更に別の実施形態の作用を説明するグラフ
である。
である。
【図８】従来装置の基本原理を説明するための概念図で
ある。
ある。
【図９】従来装置の系統図である。
３０ 濃縮装置 ３１ 電解槽 ３３ 多段交換塔 ３５ 酸素極 ３７ 水素極 ３９ 固体高分子型燃料電池 ４１ 凝縮器 ４３ 加湿器 ４５、４７ 気液分離器 ８０ 濃縮装置 ８１ 再結合器 ９０ 濃縮装置 ９１ 電解槽 ９３ 高温側多段交換塔 ９５ 熱交換器 ９７ 低温側多段交換塔 ９９ 再結合器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｃ２５Ｂ 1/04 Ｃ２５Ｂ 1/04 (72)発明者 北 吉博 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 生川 孝一 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 三 菱重工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4K021 AA01 BA02 CA11 DC01 DC03 DC11 5H026 AA06 5H027 AA06 BA11 BC01 DD05
Claims (4)
- 【請求項１】 水素同位体を含有する水の電気分解を行
う電解槽、水素の同位体交換反応を行う多段交換塔、及
び前記電解槽で発生した酸素と前記同位体交換反応に供
せられた水素とを再結合する固体高分子型燃料電池を有
する水素同位体の濃縮装置。 - 【請求項２】 前記固体高分子型燃料電池の発生電力を
前記電解槽に供給して前記電気分解を行うことを特徴と
する請求項１に記載された水素同位体の濃縮装置の運転
方法。 - 【請求項３】 水素同位体を含有する水の電気分解を行
う電解槽、水素の同位体交換反応を行う多段交換塔、及
び前記電解槽で発生した酸素と前記同位体交換反応に供
せられた水素とを再結合する再結合器を有する水素同位
体の濃縮装置を運転するに際し、前記多段交換塔内の温
度と圧力を所定関係に保持することを特徴とする水素同
位体の濃縮装置の運転方法。 - 【請求項４】 水素同位体を含有する水の電気分解を行
う電解槽、水素の同位体交換反応を行う多段交換塔、及
び前記電解槽で発生した酸素と前記同位体交換反応に供
せられた水素とを再結合する再結合器を有する水素同位
体の濃縮装置を運転するに際し、前記多段交換塔の内部
上方を相対的に低温に、内部下方を相対的に高温に保持
することを特徴とする水素同位体の濃縮装置の運転方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000107963A JP2001286737A (ja) | 2000-04-10 | 2000-04-10 | 水素同位体の濃縮装置及びその運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000107963A JP2001286737A (ja) | 2000-04-10 | 2000-04-10 | 水素同位体の濃縮装置及びその運転方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001286737A true JP2001286737A (ja) | 2001-10-16 |
Family
ID=18620888
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000107963A Pending JP2001286737A (ja) | 2000-04-10 | 2000-04-10 | 水素同位体の濃縮装置及びその運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001286737A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011175873A (ja) * | 2010-02-24 | 2011-09-08 | Japan Atomic Energy Agency | 燃料電池、燃料電池システムおよび発電方法 |
| CN103936219A (zh) * | 2014-04-28 | 2014-07-23 | 四川材料与工艺研究所 | 一种用于使含氚水去氚化的装置及其实现方法 |
| 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。 |
-
2000
- 2000-04-10 JP JP2000107963A patent/JP2001286737A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011175873A (ja) * | 2010-02-24 | 2011-09-08 | Japan Atomic Energy Agency | 燃料電池、燃料電池システムおよび発電方法 |
| 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。 |
| CN103936219A (zh) * | 2014-04-28 | 2014-07-23 | 四川材料与工艺研究所 | 一种用于使含氚水去氚化的装置及其实现方法 |
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|---|---|---|---|
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060418 |