電解水素製造システムおよびその製造方法
【課題】希少元素ＦＰあるいは希少元素の電解析出物を、水素製造用の触媒電極として利用し、アルカリ水溶液や海水等の電解液から水素を効率的に能率よく製造する技術。
【解決手段】本発明に係る電解水素製造システムは、アルカリ水溶液あるいは海水等の電解液を陽極および陰極間で電気分解して水素を発生させ、製造するものである。
この電解水素製造システム３０において、陰極３２は、希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、ならびに希少元素のレニウム（Ｒｅ）の希少元素を少なくとも１種類以上析出させた電解析出電極であり、この電解析出電極を触媒電極として陰極に用いたものである。
【解決手段】本発明に係る電解水素製造システムは、アルカリ水溶液あるいは海水等の電解液を陽極および陰極間で電気分解して水素を発生させ、製造するものである。
この電解水素製造システム３０において、陰極３２は、希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、ならびに希少元素のレニウム（Ｒｅ）の希少元素を少なくとも１種類以上析出させた電解析出電極であり、この電解析出電極を触媒電極として陰極に用いたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核分裂生成物（ＦＰ）である希少元素ＦＰおよびＦＰでない希少元素を触媒として用いる電解水素製造技術に係り、特に、希少元素を析出させた触媒電極を用い、アルカリ水溶液あるいは海水を電気分解して水素を製造する電解水素製造システムおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉や加圧水型原子炉等の軽水型原子炉、高速増殖炉の使用済核燃料は、再処理工場で再処理されるようになっている。使用済核燃料の再処理工場から発生する硝酸溶液や放射性プロセス廃液中には、白金族元素であるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、銀（Ａｇ）、テルル（Тｅ）という有用な希少元素核分裂生成物（以下、希少元素ＦＰという。）が含まれている。
【０００３】
この希少元素ＦＰは、水素過電圧が低く、触媒活性が高いことから、燃料電池における電極材料や、燃料水素の製造・精製触媒として近い将来、需要が増加することが予想される。
【０００４】
軽水型原子炉や高速増殖炉等の原子力発電施設からの使用済核燃料は、再処理施設に送られて再処理される。この使用済燃料の再処理工程で発生する希少元素ＦＰを含む硝酸溶液から希少元素ＦＰを分別回収する技術が特許文献１に提案されている。
【０００５】
この希少元素ＦＰを分別回収する方法は、使用済核燃料の再処理工程から発生する希少元素ＦＰを含む硝酸溶液からＰｄ２＋またはＦｅ２＋を触媒として定電流電解法により電解還元して電極上に希少元素ＦＰを一括析出させる。その際、電極上の電解析出物を電解酸化により一括溶融させ、この析出物電解液を、低電流密度、中電流密度および高電流密度で順次多段に電解還元させる。
【０００６】
電流密度を異にした電解還元により、Ａｇ、Ｐｄ群，Ｓｅ、Ｔｅ群およびＲｕ、Ｒｈ、Ｔｃ群に群分離析出させて希少元素ＦＰを分別回収するようになっている。
【０００７】
一方、クリーンで環境汚染防止に優れたエネルギ変換システムとして、燃料電池発電の燃料となる水素の製造方法が注目されている。この水素の製造方法としては、炭化水素燃料の酸化による改質法あるいはアルカリ水電解法が広く用いられている。この改質法およびアルカリ水電解法では、白金族系元素触媒が極めて有効であることが知られている。
【０００８】
また、一般的な電気分解では、陽極および陰極にそれぞれ白金を使用し、電解液に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を用いると、陰極に水素が発生することは広く良く知られている。
【特許文献１】特開２００３−１６１７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１には、定電流電解法により分別回収された希少元素ＦＰである白金元素族のＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，およびＴｃを燃料電池の電極材料や、燃料水素の製造・精製触媒として有効利用できる概念が記載されているが、有効利用を図るための具体的な実施形態についての教示はない。
【００１０】
また、定電流電解法により分別回収された希少元素ＦＰを種々の用途に利用する場合、用途に合せて回収物の成分調整を行ない、形状を再加工する必要がある。
【００１１】
さらに、アルカリ水電解法を用いて水素を製造する技術は、触媒電極として白金族系希少元素が用いられるため、白金族系元素触媒の安定供給と価格の安定化が求められる。今後、急速な増加が予想される燃料電池発電の燃料水素の需要を賄うためにも、触媒電極として利用される白金族系元素触媒の供給と価格の安定化が重要な課題となっている。
【００１２】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，ＰｄおよびＴｃ、さらには、希少元素であるレニウム（Ｒｅ）等の希少元素の電解析出物を、水素製造用触媒電極として利用した電解水素製造システムおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明の他の目的は、白金族系元素である希少元素ＦＰや希少元素であるＲｅの電解析出物を、アルカリ水電解法による水素製造の触媒電極として利用し、核エネルギと燃料電池発電を統合したクリーンで持続的なエネルギ体系を提供する電解水素製造システムおよびその製造方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る電解水素製造システムは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、アルカリ水溶液あるいは海水等の電解液を陽極および陰極間で電気分解して水素を発生させる電解水素製造システムにおいて、前記陰極は、希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、ならびに希少元素のレニウム（Ｒｅ）の希少元素を少なくとも１種類以上析出させた電解析出電極であり、この電解析出電極を触媒電極として用いたものである。
【００１５】
本発明に係る電解水素製造方法は、上述した課題を解決するために、請求項８に記載したように、希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、ならびに希少元素のレニウム（Ｒｅ）を少なくとも１種類以上析出させた電解析出電極を作成し、この電解析出電極を触媒電極として陰極に使用し、アルカリ水溶液からなる電解液中で電気分解し、前記陰極に水素を発生させる方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る電解水素製造システムおよびその製造方法によれば、希少元素電解析出電極を触媒電極として用い、アルカリ水溶液あるいは海水の電解液を定電流電解処理の電気分解を行なうことで、水素を製造することができる。
【００１７】
本発明では、使用済核燃料中の希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，ＰｄおよびＴｃさらには希少元素であるＲｅの電解析出物を、アルカリ水溶液による水素製造に使用する触媒電極として利用することができ、この触媒電極を用いることで核エネルギと燃料電池発電を統合したクリーンで持続的なエネルギ体系を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る電解水素製造システムおよびその製造方法の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明に係る電解水素製造システムに用いられる触媒電極の製造装置１０を示す概念図である。この触媒電極製造装置１０は、陽極槽１１と陰極槽１２とが密閉構造に形成され、隔膜１３を隔てて連通されている。
【００２０】
陰極槽１２は内部に陰極室１５が形成され、この陰極室１５に使用済核燃料の再処理工程から発生する高レベル廃液の溶液１６が収容される一方、陰極室１５内に白金電極からなる陰極１７が挿入される。
【００２１】
また、陽極槽１１内には、陽極室２０が形成され、この陽極室２０に、高レベル廃液と類似の硝酸溶液等の電解液２１が収容される。陽極室２０には白金電極からなる陽極２２が挿入され、設置される。
【００２２】
陽極２２および陰極１７は直流電源２３と接続される。
【００２３】
陰極１７を収容した陰極室１５には、参照電極２５が設置される。この参照電極２５は、陰極電位を測定するようになっており、陰極室１５には、高レベル廃液の溶液１６中のイオンを均一にするために、撹拌子２６が挿設され、溶液１６を撹拌できる構造となっている。なお、陽極室２０にも同様な撹拌子２７が設けられている。
【００２４】
陽極１７には、白金（Ｐｔ）の他、チタン（Ｔｉ）、白金コーティング、金（Ａｕ）、金コーティング、タンタル（Ｔａ）、および高密度黒鉛が電極材料として使用可能である。電極材料には、硝酸溶液に対する耐食性のある材料で水素過電圧が高い材料、すなわち、陰極で水素を発生しにくい材料が用いられる。
【００２５】
また、陽極２０には、白金（Ｐｔ）の他、チタン（Ｔｉ）、白金コーティング、金（Ａｕ）、金コーティングおよび高密度黒鉛等が陽極材料として用いられる。陽極材料には、硝酸溶液、アルカリ溶液または海水の電解液に対する耐食性がある不活性材料で酸素過電圧が低い材料、すなわち、酸素を発生し易い材料が用いられる。
【００２６】
さらに、隔膜１３には、硝酸溶液、アルカリ溶液または海水に対する耐食性があるパーフルオロ系スルフォン酸型イオン交換膜、多孔質ガラスやセラミックスが隔膜材料として使用可能である。
【００２７】
原子炉核燃料の再処理工程から発生する放射線レベルの高い高レベル廃液を処理する電解槽や電極材料は耐放射線特性を有する材料が用いられる。
【００２８】
図１に示された触媒電極の製造装置１０では、希少元素ＦＰであるＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔｃや希少元素のＲｅの各元素イオンを含有する硝酸溶液を電解して、各元素イオンを電解析出させた触媒電極を製造している。
【００２９】
この触媒電極を製造するに際し、実験段階では、希少元素ＦＰや希少元素のＲｅの各元素イオンを一種または二種以上含む硝酸溶液を高レベル廃液１６の代わりに陰極槽１２内に満たし、陰極電流密度を１．０ｍＡ／ｃｍ２〜１．０Ａ／ｃｍ２の範囲、好ましくは、２．５ｍＡ／ｃｍ２〜０．１Ａ／ｃｍ２の範囲に電流制御した電解条件で定電流電解を行なう。
【００３０】
各希少元素の元素イオンは、陰極１７に電解析出して触媒電極となる。この触媒電極を形成する陰極１７には、水素の発生しにくい、水素過電圧が大きな電極材料、例えば、Ｔｉ，Ｐｔ，白金コーティング，Ａｕ，金コーティングおよび高密度黒鉛等が用いられる。
【００３１】
また、Ｒｕ、Ｒｈ、ＰｄおよびＴｃ等の希少元素ＦＰを含む硝酸溶液として、高レベル廃液が用いられる。軽水型原子炉や高速増殖炉の使用済核燃料の再処理工程から発生する硝酸廃液、すなわち高レベル廃液は、Ｒｕ，Ｒｈ，ＰｄおよびＴｃ等の希少元素核分裂生成物（希少元素ＦＰ）を含む硝酸溶液である。
【００３２】
これらの希少元素ＦＰを含む硝酸溶液に定電流電解により希少元素ＦＰを電解析出させた硝酸電極は、含有する放射能に準じて遮蔽容器に入れて保存される。この触媒電極は、遮蔽容器内に一定期間貯蔵することにより、短半減期放射性核種ＦＰへの放射線量を相対的に低下させることができる。
【００３３】
実験段階では、図１に示された触媒電極の製造装置１０を用いて希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，ＰｄおよびＴｃ、または希少元素のＲｅの各元素イオンの一種または二種以上を含む硝酸溶液を高レベル廃液の溶液１６の代わりに陰極室１５に満たし、図２に示した電解条件で定電流電解を行い、各元素イオンを陰極１７上に電解析出させて触媒電極を製造した。
【００３４】
実験に用いた触媒電極の製造装置１０の他の条件は、一例として、
隔膜１３：イオン交換膜（ディポン製の「デュポン１１７ナフィオン膜」）
陰極１７：Ｐｔ薄板（電極面：縦１０ｍｍ・横１０ｍｍ・厚さ０．１ｍｍの両面）
陽極２２：Ｐｔ薄板（電極面：縦２０ｍｍ・横２０ｍｍ・厚さ０．１ｍｍの両面）
参照電極：Ａｇ／ＡｇＣｌ
である。
【００３５】
なお、希少元素イオンとしてＰｄ２＋イオンを含む硝酸溶液を用いる場合には、電解初期の陰極電流密度を低電流密度２．５ｍＡ／ｃｍ２として約１時間電解した後に、通常の電流密度０．１Ａ／ｃｍ２に高くして定電流電解を行なった。
【００３６】
また、硝酸溶液に４元素の希少元素イオンが含まれる場合のうち、Ｐｄ２＋イオンが他の希少元素イオンより多く含まれる場合は、電解析出電極にＰｄ２＋が均一に析出するように、Ｐｄ２＋を一括で投入する条件の他に分割、例えば５分割して投入する条件においても定電流電解を行なった。
【００３７】
この触媒電極の製造装置１０で製造された触媒電極は、図３に示された電解水素製造システム３０に用いられる。なお、図１に示された触媒電極の製造装置１０は、実験レベルで触媒電極を製造する例を示したが、充分に実用化でき、実用化レベルでも触媒電極の製造が可能であることを知見することができた。
【００３８】
図３は、本発明に係る電解水素製造システム３０の一実施形態を示す概念図である。
【００３９】
この電解水素製造システム３０は、図１の触媒電極の製造装置１０で製造された触媒電極を用いて水素を製造する電解装置である。
【００４０】
電解水素製造システム３０は、触媒電極の製造装置１０と同様に陽極槽３６と陰極槽３１とが隔壁３３を隔てて設けられる。
【００４１】
陰極槽３１内には陰極室３４が形成され、この陰極室３４は、アルカリ水溶液もしくは海水の溶液（電解液）３５で満たされている。陰極室３４には、陰極３２が挿入される。陰極３２には、図１に示された触媒電極の製造装置１０で製造された電解析出電極が触媒電極として用いられる。すなわち、電解水素製造システム３０の陰極３２には、希少元素ＦＰあるいは希少元素が析出（一種のコーティング）した触媒電極が用いられる。
【００４２】
なお、符号３８は参照電極であり、符号３９は撹拌子である。参照電極３８は陰極室３５に設置されて陰極電位を測定できるようになっている。撹拌子３９は陰極室３５内の電解液３６中の元素イオンを均一にするために撹拌するものである。
【００４３】
また、陽極槽３６内には、陽極室４１が形成されており、この陽極室４１は、アルカリ室もしくは海水と類似の電解液４２で満たされる。陽極室４１には、陽極４３が挿入される一方、陰極室３４と同様な撹拌子４４が設けられている。
【００４４】
図３に示された電解水素製造システム３０は、希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃ、および希少元素のＲｅを電解析出させた電解析出電極を触媒電極として陰極に用いて水素を製造する電解装置であり、陰極槽３１に設けられる陰極３２には、Ｔｉ、Ｐｔ、白金コーティング、Ａｕ、金コーティング、Тａ、および高密度黒鉛等が陰極３２の電極材料として用いられる。陰極槽３１の陰極３２には、具体的には、触媒電極の製造装置１０で製造された触媒電極が用いられる。陰極３２には、希少元素ＦＰあるいは希少元素が析出（一種のコーティング）した電解析出電極（触媒電極）が用いられる。
【００４５】
陰極３２は、アルカリ溶液や海水等の電解液３５に対する耐食性のある電極材料で形成され、水素過電圧が低い材料、すなわち陰極で水素を発生し易い材料であることが重要である。電解液にはアルカリ水溶液あるいは海水が用いられる。
【００４６】
一方、陽極槽３６に設けられる陽極４３には、Тｉ、Ｐｔ、白金コーティング、Ａｕ、金コーティングおよび高密度黒鉛が電極材料として使用可能である。この陽極４３は、硝酸溶液、アルカリ溶液や海水等の電解液４２に対する耐食性に優れた不活性材料で、かつ酸素過電圧が低い材料、すなわち酸素を発生し易い材料であることが重要である。陽極４３および陰極３２はポテンショスタット４６と接続されている。
【００４７】
また、電解水素製造システム３０に用いられる隔壁３３には、硝酸溶液、アルカリ水溶液または海水に対する耐食性に優れた、パーフルオロ系のスルフォン酸型イオン交換膜、多孔質ガラスあるいはセラミックスが隔壁材料として使用可能である。さらに、使用済核燃料の再処理工程から発生する高レベル廃液を処理する電解槽や電極材料には、耐放射線性の優れた材料を使用することが重要である。
【００４８】
図３に示された電解水素製造システム３０は、水素製造用電解装置として機能し、この電解装置の陰極３２には、触媒電極の製造装置１０で製造された触媒電極が用いられる。
【００４９】
この電解水素製造システム３０は、触媒電極を陰極３２に使用してＮａＯＨやＫＯＨのアルカリ水溶液もしくは海水等の溶液（電解液）３５，４２を陰極室３４および陽極室４１に満たす。電解水素製造システム３０は、陰極室３４内の陰極電流密度を０．１Ａ／ｃｍ２〜１．０Ａ／ｃｍ２、好ましくは、２．５Ａ／ｃｍ２〜１．０Ａ／ｃｍ２の範囲に電流制御した電解条件で定電流電解を行なう。
【００５０】
この定電流電解により、陰極３２から水素が発生する。陰極室３４から発生する水素ガスは回収され、タンク（図示せず）等に貯蔵される。また、陽極４３から発生する酸素ガスも同様に回収され、タンク等が貯蔵される。回収された水素や酸素は再利用に供されたり、また酸素ガスは大気中に放出することもできる。
【００５１】
次に、本発明に係る電解水素製造システム３０の作用を説明する。
【００５２】
この電解水素製造システム３０では、図１に示された触媒電極製造装置１０で製造された触媒電極を水素製造用電解装置の陰極３２として用いる。陰極槽３１の陰極室３４内をアルカリ水溶液または（人工）海水の電解液３５で満たす。同様にして陽極槽３６の陽極室４１内もアルカリ水溶液、または海水あるいは硝酸溶液の電解液４２で満たす。
【００５３】
一方、図３の電解水素製造システム３０に用いられる触媒電極は、触媒電極製造装置１０により製造された電解析出電極である。この電解析出電極は、使用済核燃料に含まれる希少元素ＦＰであるＲｕ、Ｒｈ、ＰｄおよびＴｃを含む硝酸溶液を低電流電解により電解還元して陰極１７上に電解析出物として得られるものである。
【００５４】
電解析出電極は、電極（陰極）１７上の析出物の成分調整や形状の再加工を必要とせず、電解水素製造システム３０の陰極３２として、そのまま用いることができる。
【００５５】
電解水素製造システム３０の陰極３２には、電解析出電極である触媒電極を用い、この触媒電極３２をアルカリ水溶液あるいは海水の電解液３５中に浸漬させることにより、触媒電極３２の希少元素ＦＰは触媒として機能し、アルカリ水溶液あるいは海水を電気分解し、触媒電極である陰極３２側から水素を生成させることができる。
【００５６】
アルカリ水溶液や海水の電気分解により水素を発生させる陰極３２に触媒電極を直接そのまま使用できるので、水素を効果的に製造できる。製造された水素ガスは、回収され、図示しないタンク等に貯蔵され、再利用に供される。
【００５７】
また、アルカリ水溶液や海水の電気分解により陽極４３側に発生する酸素も、水素ガスと同様に回収され、タンク等に貯蔵され、再利用に供される。また、酸素ガスは大気中に放出することもできる。
【００５８】
一方、ＦＰではないが希少元素であるＲｅを含む硝酸溶液についても、希少元素ＦＰ同様に定電流電解によりＲｅイオンを電極（陰極１７）上に電解析出させて電解析出電極を形成する。この電解析出電極も電解水素製造システム３０の陰極３２に、触媒電極として効果的に使用できることを知見した。
【００５９】
すなわち、本発明の実施形態では、希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃまたは希少元素であるＲｅのいずれか一種あるいは２種以上の元素イオンを含む硝酸溶液を定電流電解し、電解還元することにより電極上に希少元素ＦＰまたはＦＰでない希少元素（Ｒｅ）の元素イオンを析出させた後、電解析出させた電極を触媒電極として用いることができることを知見した。希少元素ＦＰイオンおよび希少元素イオンの電解液中の濃度は７０ｍｇ／ｌ〜４００ｍｇ／ｌの範囲に設定される。
【００６０】
この実施形態では、触媒電極製造装置１０で製造された触媒電極を、電解水素製造システム３０の陰極３２としてそのまま使用することができ、この触媒電極３２を用いてアルカリ水溶液あるいは海水の電解液３５，４２を電気分解させることで、陰極３２側に水素ガスを、陽極４３側に酸素ガスを効率的に生成することができる。
【００６１】
電解水素製造システム３０では、陰極槽３１内の陰極電流密度を０．１ｍＡ／ｃｍ２〜１．０Ａ／ｃｍ２に制御し、定電流電解を行なうと、図１の触媒電極製造装置１０で製造された各種の触媒電極を陰極としてそのまま用いることができる。この触媒電極を用いて水素発生電流を比較した結果を図４に示す。
【００６２】
図４に表わされた水素発生電流の比較図から、電解液３５，４２として１Ｍ−ＮａＯＨを用いた場合、Ｐｔ電極と比較して、電極としてＲｕ，Ｐｄ−Ｒｕ，Ｒｕ−Ｒｈ，Ｒｕ−Ｒｅ，Ｒｈ−ＲｅおよびＰｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅ系にて希少元素を電解析出させた触媒電極を用いると、水素製造能力が高いことが分かった。
【００６３】
電解液３５として人工海水を用いた場合は、Ｒｈ系を除く全ての触媒電極で水素製造能力が高い。特に、Ｒｕ，Ｒｕ−Ｒｈ，およびＰｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅ比を３．５：４：１：１として触媒電極の水素製造能力が高いことを知見した。
【００６４】
電解析出電極として析出される希少元素ＦＰイオンおよび希少元素イオンの電解液中の割合は、Ｐｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅ比が１：１：１：１から３．５：４．０：１：１の割合の範囲、もしくはＰｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅの比が１：１：１：０．５から３．５：４．０：１：１の範囲である。
【００６５】
希少元素を電解析出させた触媒電極を用いた電解水素製造方法によれば次の効果を奏する。
【００６６】
（ｉ）使用済み核燃料中の再処理工程で得られる希少元素ＦＰを含む硝酸溶液を定電流電解する場合には、希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃを陰極に電解析出させることにより得られる触媒電極を、そのまま直接、電解水素製造システム３０のアルカリ水電解の触媒電極として使用できる。その結果、従来の希少元素ＦＰの分離方法であるイオン交換方等を用いた場合と比較して、触媒としての分離工程や調整工程が不要となり、触媒製造工程の簡素化が図れる。
【００６７】
（ｉｉ）希少元素ＦＰと同様にその硝酸溶液を定電流電解することによりＦＰではない希少元素のＲｅを陰極に電解析出させて触媒電極を得ることができ、電解水素製造に有効利用することができる。
【００６８】
（ｉｉｉ）希少元素のＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃ，Ｒｅを電解析出させる触媒電極の製造および電解水素の製造のいずれも、電気化学的工程のみの単位操作で行えるため、全工程を一貫して簡素化でき、プラントの設計・建設コストや水素生産コストを低く抑えることが可能となる。また、電気化学的工程のみであるため有機試薬は原則として使用しなくて済み、プロセスの安全性を高度に保つことができ、二次廃棄物の発生量を極めて少なくできる。
【００６９】
（ｉｖ）希少元素のＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃ，Ｒｅを電解析出させた触媒電極の触媒活性は、電解水素製造に従来から使用されていたニッケル電極やチタン電極と同等またはそれを上回り、あらゆる触媒の中で最も触媒活性に優れたＰｔに匹敵する触媒活性を示す。その触媒結果、Ｎｉ，Ｔｉ及びＰｔの代替触媒として電解水素製造プロセスの経済性を大幅に改善できる。
【００７０】
なお、電解析出された希少元素の触媒電極を用いる電解水素製造方法の別の実施形態は、希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃ、およびＦＰではない希少元素のＲｅからなる群からなる２種以上の元素イオンを含む硝酸溶液を定電流電解して電解還元することにより、電極（負極）上に希少元素イオンを一括析出させた後、得られた電解析出電極を触媒電極として用いてアルカリ水を電気分解し水素を発生させることができる。
【００７１】
希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃを含む硝酸溶液は、軽水型原子炉または高速増殖炉からなる原子力発電施設で使用された使用済核燃料の再処理工程ならびに放射性プロセスから発生する高レベル廃液の硝酸溶液を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係る電解水素製造システムに適用される触媒電極を製造する触媒電極の製造装置の概念を示す図。
【図２】前記触媒電極を製造する電解条件および溶液条件を示す図。
【図３】本発明に係る電解水素製造システムの一実施形態を示す概念図。
【図４】希少元素を電解析出させた触媒電極をナトリウム水溶液および（人工）海水の電解液中の水素発生電流の比較図。
【符号の説明】
【００７３】
１０ 触媒電極の製造装置
１１ 陽極槽
１２ 陰極槽
１３ 隔膜
１５ 陰極室
１６ 溶液（高レベル廃液）
１７ 陰極
２０ 陽極室
２１ 電解液
２２ 陽極
２３ 直流電源
２５ 参照電極
２６ 撹拌子
３０ 電解水素製造システム
３１ 陰極槽
３２ 陰極
３３ 隔壁
３４ 陰極室
３５ 電解液（アルカリ水溶液、海水）
３６ 陽極槽
３８ 参照電極
３９ 撹拌子
４１ 陽極室
４２ 電解液
４３ 陽極
４４ 撹拌子
４６ ポテンショスタット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核分裂生成物（ＦＰ）である希少元素ＦＰおよびＦＰでない希少元素を触媒として用いる電解水素製造技術に係り、特に、希少元素を析出させた触媒電極を用い、アルカリ水溶液あるいは海水を電気分解して水素を製造する電解水素製造システムおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉や加圧水型原子炉等の軽水型原子炉、高速増殖炉の使用済核燃料は、再処理工場で再処理されるようになっている。使用済核燃料の再処理工場から発生する硝酸溶液や放射性プロセス廃液中には、白金族元素であるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、銀（Ａｇ）、テルル（Тｅ）という有用な希少元素核分裂生成物（以下、希少元素ＦＰという。）が含まれている。
【０００３】
この希少元素ＦＰは、水素過電圧が低く、触媒活性が高いことから、燃料電池における電極材料や、燃料水素の製造・精製触媒として近い将来、需要が増加することが予想される。
【０００４】
軽水型原子炉や高速増殖炉等の原子力発電施設からの使用済核燃料は、再処理施設に送られて再処理される。この使用済燃料の再処理工程で発生する希少元素ＦＰを含む硝酸溶液から希少元素ＦＰを分別回収する技術が特許文献１に提案されている。
【０００５】
この希少元素ＦＰを分別回収する方法は、使用済核燃料の再処理工程から発生する希少元素ＦＰを含む硝酸溶液からＰｄ２＋またはＦｅ２＋を触媒として定電流電解法により電解還元して電極上に希少元素ＦＰを一括析出させる。その際、電極上の電解析出物を電解酸化により一括溶融させ、この析出物電解液を、低電流密度、中電流密度および高電流密度で順次多段に電解還元させる。
【０００６】
電流密度を異にした電解還元により、Ａｇ、Ｐｄ群，Ｓｅ、Ｔｅ群およびＲｕ、Ｒｈ、Ｔｃ群に群分離析出させて希少元素ＦＰを分別回収するようになっている。
【０００７】
一方、クリーンで環境汚染防止に優れたエネルギ変換システムとして、燃料電池発電の燃料となる水素の製造方法が注目されている。この水素の製造方法としては、炭化水素燃料の酸化による改質法あるいはアルカリ水電解法が広く用いられている。この改質法およびアルカリ水電解法では、白金族系元素触媒が極めて有効であることが知られている。
【０００８】
また、一般的な電気分解では、陽極および陰極にそれぞれ白金を使用し、電解液に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を用いると、陰極に水素が発生することは広く良く知られている。
【特許文献１】特開２００３−１６１７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１には、定電流電解法により分別回収された希少元素ＦＰである白金元素族のＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，およびＴｃを燃料電池の電極材料や、燃料水素の製造・精製触媒として有効利用できる概念が記載されているが、有効利用を図るための具体的な実施形態についての教示はない。
【００１０】
また、定電流電解法により分別回収された希少元素ＦＰを種々の用途に利用する場合、用途に合せて回収物の成分調整を行ない、形状を再加工する必要がある。
【００１１】
さらに、アルカリ水電解法を用いて水素を製造する技術は、触媒電極として白金族系希少元素が用いられるため、白金族系元素触媒の安定供給と価格の安定化が求められる。今後、急速な増加が予想される燃料電池発電の燃料水素の需要を賄うためにも、触媒電極として利用される白金族系元素触媒の供給と価格の安定化が重要な課題となっている。
【００１２】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，ＰｄおよびＴｃ、さらには、希少元素であるレニウム（Ｒｅ）等の希少元素の電解析出物を、水素製造用触媒電極として利用した電解水素製造システムおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明の他の目的は、白金族系元素である希少元素ＦＰや希少元素であるＲｅの電解析出物を、アルカリ水電解法による水素製造の触媒電極として利用し、核エネルギと燃料電池発電を統合したクリーンで持続的なエネルギ体系を提供する電解水素製造システムおよびその製造方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る電解水素製造システムは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、アルカリ水溶液あるいは海水等の電解液を陽極および陰極間で電気分解して水素を発生させる電解水素製造システムにおいて、前記陰極は、希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、ならびに希少元素のレニウム（Ｒｅ）の希少元素を少なくとも１種類以上析出させた電解析出電極であり、この電解析出電極を触媒電極として用いたものである。
【００１５】
本発明に係る電解水素製造方法は、上述した課題を解決するために、請求項８に記載したように、希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、ならびに希少元素のレニウム（Ｒｅ）を少なくとも１種類以上析出させた電解析出電極を作成し、この電解析出電極を触媒電極として陰極に使用し、アルカリ水溶液からなる電解液中で電気分解し、前記陰極に水素を発生させる方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る電解水素製造システムおよびその製造方法によれば、希少元素電解析出電極を触媒電極として用い、アルカリ水溶液あるいは海水の電解液を定電流電解処理の電気分解を行なうことで、水素を製造することができる。
【００１７】
本発明では、使用済核燃料中の希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，ＰｄおよびＴｃさらには希少元素であるＲｅの電解析出物を、アルカリ水溶液による水素製造に使用する触媒電極として利用することができ、この触媒電極を用いることで核エネルギと燃料電池発電を統合したクリーンで持続的なエネルギ体系を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る電解水素製造システムおよびその製造方法の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明に係る電解水素製造システムに用いられる触媒電極の製造装置１０を示す概念図である。この触媒電極製造装置１０は、陽極槽１１と陰極槽１２とが密閉構造に形成され、隔膜１３を隔てて連通されている。
【００２０】
陰極槽１２は内部に陰極室１５が形成され、この陰極室１５に使用済核燃料の再処理工程から発生する高レベル廃液の溶液１６が収容される一方、陰極室１５内に白金電極からなる陰極１７が挿入される。
【００２１】
また、陽極槽１１内には、陽極室２０が形成され、この陽極室２０に、高レベル廃液と類似の硝酸溶液等の電解液２１が収容される。陽極室２０には白金電極からなる陽極２２が挿入され、設置される。
【００２２】
陽極２２および陰極１７は直流電源２３と接続される。
【００２３】
陰極１７を収容した陰極室１５には、参照電極２５が設置される。この参照電極２５は、陰極電位を測定するようになっており、陰極室１５には、高レベル廃液の溶液１６中のイオンを均一にするために、撹拌子２６が挿設され、溶液１６を撹拌できる構造となっている。なお、陽極室２０にも同様な撹拌子２７が設けられている。
【００２４】
陽極１７には、白金（Ｐｔ）の他、チタン（Ｔｉ）、白金コーティング、金（Ａｕ）、金コーティング、タンタル（Ｔａ）、および高密度黒鉛が電極材料として使用可能である。電極材料には、硝酸溶液に対する耐食性のある材料で水素過電圧が高い材料、すなわち、陰極で水素を発生しにくい材料が用いられる。
【００２５】
また、陽極２０には、白金（Ｐｔ）の他、チタン（Ｔｉ）、白金コーティング、金（Ａｕ）、金コーティングおよび高密度黒鉛等が陽極材料として用いられる。陽極材料には、硝酸溶液、アルカリ溶液または海水の電解液に対する耐食性がある不活性材料で酸素過電圧が低い材料、すなわち、酸素を発生し易い材料が用いられる。
【００２６】
さらに、隔膜１３には、硝酸溶液、アルカリ溶液または海水に対する耐食性があるパーフルオロ系スルフォン酸型イオン交換膜、多孔質ガラスやセラミックスが隔膜材料として使用可能である。
【００２７】
原子炉核燃料の再処理工程から発生する放射線レベルの高い高レベル廃液を処理する電解槽や電極材料は耐放射線特性を有する材料が用いられる。
【００２８】
図１に示された触媒電極の製造装置１０では、希少元素ＦＰであるＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔｃや希少元素のＲｅの各元素イオンを含有する硝酸溶液を電解して、各元素イオンを電解析出させた触媒電極を製造している。
【００２９】
この触媒電極を製造するに際し、実験段階では、希少元素ＦＰや希少元素のＲｅの各元素イオンを一種または二種以上含む硝酸溶液を高レベル廃液１６の代わりに陰極槽１２内に満たし、陰極電流密度を１．０ｍＡ／ｃｍ２〜１．０Ａ／ｃｍ２の範囲、好ましくは、２．５ｍＡ／ｃｍ２〜０．１Ａ／ｃｍ２の範囲に電流制御した電解条件で定電流電解を行なう。
【００３０】
各希少元素の元素イオンは、陰極１７に電解析出して触媒電極となる。この触媒電極を形成する陰極１７には、水素の発生しにくい、水素過電圧が大きな電極材料、例えば、Ｔｉ，Ｐｔ，白金コーティング，Ａｕ，金コーティングおよび高密度黒鉛等が用いられる。
【００３１】
また、Ｒｕ、Ｒｈ、ＰｄおよびＴｃ等の希少元素ＦＰを含む硝酸溶液として、高レベル廃液が用いられる。軽水型原子炉や高速増殖炉の使用済核燃料の再処理工程から発生する硝酸廃液、すなわち高レベル廃液は、Ｒｕ，Ｒｈ，ＰｄおよびＴｃ等の希少元素核分裂生成物（希少元素ＦＰ）を含む硝酸溶液である。
【００３２】
これらの希少元素ＦＰを含む硝酸溶液に定電流電解により希少元素ＦＰを電解析出させた硝酸電極は、含有する放射能に準じて遮蔽容器に入れて保存される。この触媒電極は、遮蔽容器内に一定期間貯蔵することにより、短半減期放射性核種ＦＰへの放射線量を相対的に低下させることができる。
【００３３】
実験段階では、図１に示された触媒電極の製造装置１０を用いて希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，ＰｄおよびＴｃ、または希少元素のＲｅの各元素イオンの一種または二種以上を含む硝酸溶液を高レベル廃液の溶液１６の代わりに陰極室１５に満たし、図２に示した電解条件で定電流電解を行い、各元素イオンを陰極１７上に電解析出させて触媒電極を製造した。
【００３４】
実験に用いた触媒電極の製造装置１０の他の条件は、一例として、
隔膜１３：イオン交換膜（ディポン製の「デュポン１１７ナフィオン膜」）
陰極１７：Ｐｔ薄板（電極面：縦１０ｍｍ・横１０ｍｍ・厚さ０．１ｍｍの両面）
陽極２２：Ｐｔ薄板（電極面：縦２０ｍｍ・横２０ｍｍ・厚さ０．１ｍｍの両面）
参照電極：Ａｇ／ＡｇＣｌ
である。
【００３５】
なお、希少元素イオンとしてＰｄ２＋イオンを含む硝酸溶液を用いる場合には、電解初期の陰極電流密度を低電流密度２．５ｍＡ／ｃｍ２として約１時間電解した後に、通常の電流密度０．１Ａ／ｃｍ２に高くして定電流電解を行なった。
【００３６】
また、硝酸溶液に４元素の希少元素イオンが含まれる場合のうち、Ｐｄ２＋イオンが他の希少元素イオンより多く含まれる場合は、電解析出電極にＰｄ２＋が均一に析出するように、Ｐｄ２＋を一括で投入する条件の他に分割、例えば５分割して投入する条件においても定電流電解を行なった。
【００３７】
この触媒電極の製造装置１０で製造された触媒電極は、図３に示された電解水素製造システム３０に用いられる。なお、図１に示された触媒電極の製造装置１０は、実験レベルで触媒電極を製造する例を示したが、充分に実用化でき、実用化レベルでも触媒電極の製造が可能であることを知見することができた。
【００３８】
図３は、本発明に係る電解水素製造システム３０の一実施形態を示す概念図である。
【００３９】
この電解水素製造システム３０は、図１の触媒電極の製造装置１０で製造された触媒電極を用いて水素を製造する電解装置である。
【００４０】
電解水素製造システム３０は、触媒電極の製造装置１０と同様に陽極槽３６と陰極槽３１とが隔壁３３を隔てて設けられる。
【００４１】
陰極槽３１内には陰極室３４が形成され、この陰極室３４は、アルカリ水溶液もしくは海水の溶液（電解液）３５で満たされている。陰極室３４には、陰極３２が挿入される。陰極３２には、図１に示された触媒電極の製造装置１０で製造された電解析出電極が触媒電極として用いられる。すなわち、電解水素製造システム３０の陰極３２には、希少元素ＦＰあるいは希少元素が析出（一種のコーティング）した触媒電極が用いられる。
【００４２】
なお、符号３８は参照電極であり、符号３９は撹拌子である。参照電極３８は陰極室３５に設置されて陰極電位を測定できるようになっている。撹拌子３９は陰極室３５内の電解液３６中の元素イオンを均一にするために撹拌するものである。
【００４３】
また、陽極槽３６内には、陽極室４１が形成されており、この陽極室４１は、アルカリ室もしくは海水と類似の電解液４２で満たされる。陽極室４１には、陽極４３が挿入される一方、陰極室３４と同様な撹拌子４４が設けられている。
【００４４】
図３に示された電解水素製造システム３０は、希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃ、および希少元素のＲｅを電解析出させた電解析出電極を触媒電極として陰極に用いて水素を製造する電解装置であり、陰極槽３１に設けられる陰極３２には、Ｔｉ、Ｐｔ、白金コーティング、Ａｕ、金コーティング、Тａ、および高密度黒鉛等が陰極３２の電極材料として用いられる。陰極槽３１の陰極３２には、具体的には、触媒電極の製造装置１０で製造された触媒電極が用いられる。陰極３２には、希少元素ＦＰあるいは希少元素が析出（一種のコーティング）した電解析出電極（触媒電極）が用いられる。
【００４５】
陰極３２は、アルカリ溶液や海水等の電解液３５に対する耐食性のある電極材料で形成され、水素過電圧が低い材料、すなわち陰極で水素を発生し易い材料であることが重要である。電解液にはアルカリ水溶液あるいは海水が用いられる。
【００４６】
一方、陽極槽３６に設けられる陽極４３には、Тｉ、Ｐｔ、白金コーティング、Ａｕ、金コーティングおよび高密度黒鉛が電極材料として使用可能である。この陽極４３は、硝酸溶液、アルカリ溶液や海水等の電解液４２に対する耐食性に優れた不活性材料で、かつ酸素過電圧が低い材料、すなわち酸素を発生し易い材料であることが重要である。陽極４３および陰極３２はポテンショスタット４６と接続されている。
【００４７】
また、電解水素製造システム３０に用いられる隔壁３３には、硝酸溶液、アルカリ水溶液または海水に対する耐食性に優れた、パーフルオロ系のスルフォン酸型イオン交換膜、多孔質ガラスあるいはセラミックスが隔壁材料として使用可能である。さらに、使用済核燃料の再処理工程から発生する高レベル廃液を処理する電解槽や電極材料には、耐放射線性の優れた材料を使用することが重要である。
【００４８】
図３に示された電解水素製造システム３０は、水素製造用電解装置として機能し、この電解装置の陰極３２には、触媒電極の製造装置１０で製造された触媒電極が用いられる。
【００４９】
この電解水素製造システム３０は、触媒電極を陰極３２に使用してＮａＯＨやＫＯＨのアルカリ水溶液もしくは海水等の溶液（電解液）３５，４２を陰極室３４および陽極室４１に満たす。電解水素製造システム３０は、陰極室３４内の陰極電流密度を０．１Ａ／ｃｍ２〜１．０Ａ／ｃｍ２、好ましくは、２．５Ａ／ｃｍ２〜１．０Ａ／ｃｍ２の範囲に電流制御した電解条件で定電流電解を行なう。
【００５０】
この定電流電解により、陰極３２から水素が発生する。陰極室３４から発生する水素ガスは回収され、タンク（図示せず）等に貯蔵される。また、陽極４３から発生する酸素ガスも同様に回収され、タンク等が貯蔵される。回収された水素や酸素は再利用に供されたり、また酸素ガスは大気中に放出することもできる。
【００５１】
次に、本発明に係る電解水素製造システム３０の作用を説明する。
【００５２】
この電解水素製造システム３０では、図１に示された触媒電極製造装置１０で製造された触媒電極を水素製造用電解装置の陰極３２として用いる。陰極槽３１の陰極室３４内をアルカリ水溶液または（人工）海水の電解液３５で満たす。同様にして陽極槽３６の陽極室４１内もアルカリ水溶液、または海水あるいは硝酸溶液の電解液４２で満たす。
【００５３】
一方、図３の電解水素製造システム３０に用いられる触媒電極は、触媒電極製造装置１０により製造された電解析出電極である。この電解析出電極は、使用済核燃料に含まれる希少元素ＦＰであるＲｕ、Ｒｈ、ＰｄおよびＴｃを含む硝酸溶液を低電流電解により電解還元して陰極１７上に電解析出物として得られるものである。
【００５４】
電解析出電極は、電極（陰極）１７上の析出物の成分調整や形状の再加工を必要とせず、電解水素製造システム３０の陰極３２として、そのまま用いることができる。
【００５５】
電解水素製造システム３０の陰極３２には、電解析出電極である触媒電極を用い、この触媒電極３２をアルカリ水溶液あるいは海水の電解液３５中に浸漬させることにより、触媒電極３２の希少元素ＦＰは触媒として機能し、アルカリ水溶液あるいは海水を電気分解し、触媒電極である陰極３２側から水素を生成させることができる。
【００５６】
アルカリ水溶液や海水の電気分解により水素を発生させる陰極３２に触媒電極を直接そのまま使用できるので、水素を効果的に製造できる。製造された水素ガスは、回収され、図示しないタンク等に貯蔵され、再利用に供される。
【００５７】
また、アルカリ水溶液や海水の電気分解により陽極４３側に発生する酸素も、水素ガスと同様に回収され、タンク等に貯蔵され、再利用に供される。また、酸素ガスは大気中に放出することもできる。
【００５８】
一方、ＦＰではないが希少元素であるＲｅを含む硝酸溶液についても、希少元素ＦＰ同様に定電流電解によりＲｅイオンを電極（陰極１７）上に電解析出させて電解析出電極を形成する。この電解析出電極も電解水素製造システム３０の陰極３２に、触媒電極として効果的に使用できることを知見した。
【００５９】
すなわち、本発明の実施形態では、希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃまたは希少元素であるＲｅのいずれか一種あるいは２種以上の元素イオンを含む硝酸溶液を定電流電解し、電解還元することにより電極上に希少元素ＦＰまたはＦＰでない希少元素（Ｒｅ）の元素イオンを析出させた後、電解析出させた電極を触媒電極として用いることができることを知見した。希少元素ＦＰイオンおよび希少元素イオンの電解液中の濃度は７０ｍｇ／ｌ〜４００ｍｇ／ｌの範囲に設定される。
【００６０】
この実施形態では、触媒電極製造装置１０で製造された触媒電極を、電解水素製造システム３０の陰極３２としてそのまま使用することができ、この触媒電極３２を用いてアルカリ水溶液あるいは海水の電解液３５，４２を電気分解させることで、陰極３２側に水素ガスを、陽極４３側に酸素ガスを効率的に生成することができる。
【００６１】
電解水素製造システム３０では、陰極槽３１内の陰極電流密度を０．１ｍＡ／ｃｍ２〜１．０Ａ／ｃｍ２に制御し、定電流電解を行なうと、図１の触媒電極製造装置１０で製造された各種の触媒電極を陰極としてそのまま用いることができる。この触媒電極を用いて水素発生電流を比較した結果を図４に示す。
【００６２】
図４に表わされた水素発生電流の比較図から、電解液３５，４２として１Ｍ−ＮａＯＨを用いた場合、Ｐｔ電極と比較して、電極としてＲｕ，Ｐｄ−Ｒｕ，Ｒｕ−Ｒｈ，Ｒｕ−Ｒｅ，Ｒｈ−ＲｅおよびＰｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅ系にて希少元素を電解析出させた触媒電極を用いると、水素製造能力が高いことが分かった。
【００６３】
電解液３５として人工海水を用いた場合は、Ｒｈ系を除く全ての触媒電極で水素製造能力が高い。特に、Ｒｕ，Ｒｕ−Ｒｈ，およびＰｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅ比を３．５：４：１：１として触媒電極の水素製造能力が高いことを知見した。
【００６４】
電解析出電極として析出される希少元素ＦＰイオンおよび希少元素イオンの電解液中の割合は、Ｐｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅ比が１：１：１：１から３．５：４．０：１：１の割合の範囲、もしくはＰｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅの比が１：１：１：０．５から３．５：４．０：１：１の範囲である。
【００６５】
希少元素を電解析出させた触媒電極を用いた電解水素製造方法によれば次の効果を奏する。
【００６６】
（ｉ）使用済み核燃料中の再処理工程で得られる希少元素ＦＰを含む硝酸溶液を定電流電解する場合には、希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃを陰極に電解析出させることにより得られる触媒電極を、そのまま直接、電解水素製造システム３０のアルカリ水電解の触媒電極として使用できる。その結果、従来の希少元素ＦＰの分離方法であるイオン交換方等を用いた場合と比較して、触媒としての分離工程や調整工程が不要となり、触媒製造工程の簡素化が図れる。
【００６７】
（ｉｉ）希少元素ＦＰと同様にその硝酸溶液を定電流電解することによりＦＰではない希少元素のＲｅを陰極に電解析出させて触媒電極を得ることができ、電解水素製造に有効利用することができる。
【００６８】
（ｉｉｉ）希少元素のＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃ，Ｒｅを電解析出させる触媒電極の製造および電解水素の製造のいずれも、電気化学的工程のみの単位操作で行えるため、全工程を一貫して簡素化でき、プラントの設計・建設コストや水素生産コストを低く抑えることが可能となる。また、電気化学的工程のみであるため有機試薬は原則として使用しなくて済み、プロセスの安全性を高度に保つことができ、二次廃棄物の発生量を極めて少なくできる。
【００６９】
（ｉｖ）希少元素のＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃ，Ｒｅを電解析出させた触媒電極の触媒活性は、電解水素製造に従来から使用されていたニッケル電極やチタン電極と同等またはそれを上回り、あらゆる触媒の中で最も触媒活性に優れたＰｔに匹敵する触媒活性を示す。その触媒結果、Ｎｉ，Ｔｉ及びＰｔの代替触媒として電解水素製造プロセスの経済性を大幅に改善できる。
【００７０】
なお、電解析出された希少元素の触媒電極を用いる電解水素製造方法の別の実施形態は、希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃ、およびＦＰではない希少元素のＲｅからなる群からなる２種以上の元素イオンを含む硝酸溶液を定電流電解して電解還元することにより、電極（負極）上に希少元素イオンを一括析出させた後、得られた電解析出電極を触媒電極として用いてアルカリ水を電気分解し水素を発生させることができる。
【００７１】
希少元素ＦＰであるＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｃを含む硝酸溶液は、軽水型原子炉または高速増殖炉からなる原子力発電施設で使用された使用済核燃料の再処理工程ならびに放射性プロセスから発生する高レベル廃液の硝酸溶液を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係る電解水素製造システムに適用される触媒電極を製造する触媒電極の製造装置の概念を示す図。
【図２】前記触媒電極を製造する電解条件および溶液条件を示す図。
【図３】本発明に係る電解水素製造システムの一実施形態を示す概念図。
【図４】希少元素を電解析出させた触媒電極をナトリウム水溶液および（人工）海水の電解液中の水素発生電流の比較図。
【符号の説明】
【００７３】
１０ 触媒電極の製造装置
１１ 陽極槽
１２ 陰極槽
１３ 隔膜
１５ 陰極室
１６ 溶液（高レベル廃液）
１７ 陰極
２０ 陽極室
２１ 電解液
２２ 陽極
２３ 直流電源
２５ 参照電極
２６ 撹拌子
３０ 電解水素製造システム
３１ 陰極槽
３２ 陰極
３３ 隔壁
３４ 陰極室
３５ 電解液（アルカリ水溶液、海水）
３６ 陽極槽
３８ 参照電極
３９ 撹拌子
４１ 陽極室
４２ 電解液
４３ 陽極
４４ 撹拌子
４６ ポテンショスタット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ水溶液あるいは海水等の電解液を陽極および陰極間で電気分解して水素を発生させる電解水素製造システムにおいて、
前記陰極は、希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、ならびに希少元素のレニウム（Ｒｅ）の希少元素を少なくとも１種類以上析出させた電解析出電極であり、この電解析出電極を触媒電極として陰極に用いたことを特徴とする電解水素製造システム。
【請求項２】
前記陰極は、使用済核燃料の再処理工程ならびに放射性プロセスから発生する高レベル廃液を定電流電解処理により電解析出して構成される電解析出電極である請求項１記載の電解水素製造システム。
【請求項３】
前記陰極は、触媒電極の製造装置で製造される希少元素を電解析出させた電解析出電極であり、この電解析出電極を製造する触媒電極製造装置の陰極は電解の電流密度が２．５ｍＡ／ｃｍ２〜０．１Ａ／ｃｍ２で定電流電解し、初期は電流密度が低い低電流密度で電解し、それ以降は電流密度を高くした中電流密度もしくは高電流密度で電解することにより均一な組成の希少元素を電解析出させた電解析出電極を構成する請求項１記載の電解水素製造システム。
【請求項４】
前記触媒電極の製造装置で製造される触媒電極は、電解における陰極の電流密度が１．０ｍＡ／ｃｍ２〜０．１Ａ／ｃｍ２の範囲の定電流電解により製造され、陰極に希少元素が電解析出されて電解析出電極を構成した請求項３記載の電解水素製造システム。
【請求項５】
前記触媒電極の製造装置は、定電流電解処理により希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、テクネチウム（Ｔｃ）およびレニウム（Ｒｅ）の少なくとも１種類以上を陰極に析出させて電解析出電極を製造し、この電解析出電極を水素製造用の電解析出処理の陰極としてそのまま用いられる請求項３記載の電解水素製造システム。
【請求項６】
前記電解析出電極として析出される希少元素ＦＰイオンおよび希少元素イオンの電解液中の割合は、Ｐｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅ比が１：１：１：１から３．５：４：１：１の割合の範囲、もしくは、Ｐｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅ比が１：１：１：０．５から３．５：４：１：１の割合の範囲であり、かつＰｄは一括添加もしくは分割添加が可能な構成とした請求項１記載の電解水素製造システム。
【請求項７】
前記電解析出電極として析出される希少元素ＦＰイオンおよび希少元素イオンの電解液中の濃度は７０ｍｇ／ｌ〜４００ｍｇ／ｌの範囲である請求項１記載の電解水素製造システム。
【請求項８】
希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、ならびに希少元素のレニウム（Ｒｅ）を少なくとも１種類以上析出させた電解析出電極を作成し、
この電解析出電極を触媒電極として陰極に使用し、
アルカリ水溶液からなる電解液中で電気分解し、
前記陰極に水素を発生させることを特徴とする電解水素製造方法。
【請求項９】
前記アルカリ水溶液は海水である請求項８に記載の電解水素製造方法。
【請求項１０】
前記陰極は、使用済核燃料の再処理工程ならびに放射性プロセスから発生する高レベル廃液を定電流電解処理により電解析出して構成される電解析出電極である請求項８または９記載の電解水素製造方法。
【請求項１】
アルカリ水溶液あるいは海水等の電解液を陽極および陰極間で電気分解して水素を発生させる電解水素製造システムにおいて、
前記陰極は、希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、ならびに希少元素のレニウム（Ｒｅ）の希少元素を少なくとも１種類以上析出させた電解析出電極であり、この電解析出電極を触媒電極として陰極に用いたことを特徴とする電解水素製造システム。
【請求項２】
前記陰極は、使用済核燃料の再処理工程ならびに放射性プロセスから発生する高レベル廃液を定電流電解処理により電解析出して構成される電解析出電極である請求項１記載の電解水素製造システム。
【請求項３】
前記陰極は、触媒電極の製造装置で製造される希少元素を電解析出させた電解析出電極であり、この電解析出電極を製造する触媒電極製造装置の陰極は電解の電流密度が２．５ｍＡ／ｃｍ２〜０．１Ａ／ｃｍ２で定電流電解し、初期は電流密度が低い低電流密度で電解し、それ以降は電流密度を高くした中電流密度もしくは高電流密度で電解することにより均一な組成の希少元素を電解析出させた電解析出電極を構成する請求項１記載の電解水素製造システム。
【請求項４】
前記触媒電極の製造装置で製造される触媒電極は、電解における陰極の電流密度が１．０ｍＡ／ｃｍ２〜０．１Ａ／ｃｍ２の範囲の定電流電解により製造され、陰極に希少元素が電解析出されて電解析出電極を構成した請求項３記載の電解水素製造システム。
【請求項５】
前記触媒電極の製造装置は、定電流電解処理により希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、テクネチウム（Ｔｃ）およびレニウム（Ｒｅ）の少なくとも１種類以上を陰極に析出させて電解析出電極を製造し、この電解析出電極を水素製造用の電解析出処理の陰極としてそのまま用いられる請求項３記載の電解水素製造システム。
【請求項６】
前記電解析出電極として析出される希少元素ＦＰイオンおよび希少元素イオンの電解液中の割合は、Ｐｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅ比が１：１：１：１から３．５：４：１：１の割合の範囲、もしくは、Ｐｄ：Ｒｕ：Ｒｈ：Ｒｅ比が１：１：１：０．５から３．５：４：１：１の割合の範囲であり、かつＰｄは一括添加もしくは分割添加が可能な構成とした請求項１記載の電解水素製造システム。
【請求項７】
前記電解析出電極として析出される希少元素ＦＰイオンおよび希少元素イオンの電解液中の濃度は７０ｍｇ／ｌ〜４００ｍｇ／ｌの範囲である請求項１記載の電解水素製造システム。
【請求項８】
希少元素ＦＰであるルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）およびテクネチウム（Ｔｃ）、ならびに希少元素のレニウム（Ｒｅ）を少なくとも１種類以上析出させた電解析出電極を作成し、
この電解析出電極を触媒電極として陰極に使用し、
アルカリ水溶液からなる電解液中で電気分解し、
前記陰極に水素を発生させることを特徴とする電解水素製造方法。
【請求項９】
前記アルカリ水溶液は海水である請求項８に記載の電解水素製造方法。
【請求項１０】
前記陰極は、使用済核燃料の再処理工程ならびに放射性プロセスから発生する高レベル廃液を定電流電解処理により電解析出して構成される電解析出電極である請求項８または９記載の電解水素製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−４６１３０（Ｐ２００７−４６１３０Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３３６１２（Ｐ２００５−２３３６１２）
【出願日】平成１７年８月１１日（２００５．８．１１）
【出願人】（０００２２４７５４）核燃料サイクル開発機構 (51)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１１日（２００５．８．１１）
【出願人】（０００２２４７５４）核燃料サイクル開発機構 (51)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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