JP2025112264A - ナノ電気流体力学的イオン濃度分極現象を用いて浮遊物の除去及び淡水の生産が可能な水電解装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン濃度分極現象を活用して、塩水から浮遊物を除去し、淡水化すると同時に、水電解装置の汚染を最小化し、エネルギー効率を高める方法を提供する。
【解決手段】イオン濃度分極現象を用いた塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置であって、塩水が注入されるチャネル、前記チャネルに接続されるイオン選択性透過膜、及び前記チャネルの両端部に電圧を印加できる陰極部及び陽極部を含む、チャネル部と、前記イオン選択性透過膜の前記陽極部と隣接する第１領域でイオン濃度分極現象によって前記塩水からイオン性物質が除去された淡水が得られる淡水生成部と、前記イオン選択性透過膜の前記陰極部と隣接する第２領域で前記イオン性物質が濃縮され、前記イオン性物質内に含有された水素イオン（Ｈ^＋）が還元される水素ガス生産部とを含む、塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置。
【選択図】図１３

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り 第７６回 アニュアル ミーティング オブ ジ アメリカン フィジカル ソサエティー ディビジョン オブ フルイド ダイナミクスにおけるプレゼンテーションにて公開

本発明の技術的思想は、水電解装置でイオン濃度分極（ＩＣＰ；Ｉｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を用いて浮遊物の除去及び淡水の生産が可能な水電解装置及び方法に関する。

［支援研究又は支援開発に関する声明］
本発明は、プロジェクト固有番号１７１１２００４９０及びプロジェクト番号ＲＳ－２０２３－００３０２６００のもとで、科学技術情報通信部（Ministry of Science and ICT (MSIT)）の資金を受け、韓国研究財団（National Research Foundation of Korea (NRF)）の支援を受けている。

きれいな水の不足及びエネルギーの不足は、人類が直面した最も重要な生存課題である。きれいな水の供給にはエネルギーが必要であり、エネルギーの生産にはきれいな水が必要であるため、両者は互いに緊密に繋がっており、炭素中立及び人類の持続可能な発展のためには、「水－エネルギーネクサス」と呼ばれるこのような連携性を把握し、資源を効率的に利用できる技術が必ず必要である。

きれいな水を生産するための淡水化工程の中で、現在市場を占有している蒸発法及び逆浸透法は、化石燃料の使用量及びプラント建設コストが高いため、これを代替するために、イオン交換膜を使用する電気膜淡水化技術が活発に研究されているが、これもまた依然としてエネルギー集約的である。水からエネルギーを得る水素ガス生産技術の中では、大量生産及び経済性を考慮すると、電気分解方法が最も適しており、類似のイオン交換膜を使用した技術が広く研究されているが、海水など塩分の高い水を使用する場合、効率が低下する。特に、海水及び汽水など自然的に得ることができる水には、様々な不純物、微生物、そして、小さな浮遊物質が含まれているため、これをそのまま使用する場合、このような不純物が水電解膜と電極に付着することがあり、これは、水電解装置の効率性を減少させ、寿命を短縮させる。

また、水電解装置の核心であるイオン交換膜はプロトン（Ｈ^＋）のみを選択的に通過させなければならないが、海水などに他の塩イオンが高濃度で存在する場合、イオン交換膜の選択的透過性が低下してしまい、電流効率が低下することがある。このような理由から、水電解装置で海水などを直接流入水として使用することは、技術的に挑戦的である。そのため、通常は、脱塩された水や精製された純粋な水、あるいはプロトンの供給源として使用するための酸性水溶液などの水を使用し、海水及び汽水などを使用するためには、前処理システムを通じて海水を精製した後に使用する方式が必要な実情である。

本発明の技術的思想が達成しようとする技術的課題は、イオン濃度分極現象を活用して、塩水から浮遊物を除去し、淡水化すると同時に、水電解装置の汚染を最小化し、エネルギー効率を高める方法を提供することである。しかし、このような課題は例示的なもので、本発明の技術的思想がこれに限定されるものではない。

本発明の一観点によれば、イオン濃度分極（ＩＣＰ；Ｉｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）現象を用いた塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置が提供される。

前記装置は、塩水（ｓａｌｔ ｗａｔｅｒ）が注入されるチャネル、前記チャネルに接続されるイオン選択性透過膜（ｉｏｎ－ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）、及び前記チャネルの両端部に電圧を印加できる陰極部及び陽極部を含む、チャネル部と；前記イオン選択性透過膜の前記陽極部と隣接する第１領域でイオン濃度分極現象によって前記塩水からイオン性物質が除去された淡水が得られる淡水生成部と；前記イオン選択性透過膜の前記陰極部と隣接する第２領域で前記イオン性物質が濃縮され、前記イオン性物質内に含有された水素イオン（Ｈ^＋）が還元される水素ガス生産部と；を含むことができる。

一実施例によれば、前記第１領域はイオン空乏領域（ｉｏｎ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）を含み、前記第２領域はイオン過剰領域（ｉｏｎ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｚｏｎｅ）を含むことができる。

一実施例によれば、前記チャネルは、前記陽極部の一側に結合される第１マイクロチャネルと；前記陰極部の一側に結合され、グラウンド電圧と接続される第２マイクロチャネルと；を含むことができる。

一実施例によれば、前記イオン性物質は、水素イオン（Ｈ^＋）を含み、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、及びこれらの組み合わせのうちの少なくともいずれか１つをさらに含むことができる。

一実施例によれば、前記イオン選択性透過膜は陽イオン交換膜であってもよい。

一実施例によれば、前記第１マイクロチャネルに印加される電位は１００ｍＶ～３００Ｖであってもよい。

一実施例によれば、前記第１マイクロチャネルは、前記塩水を注入する入口を一端に備えた第１注入チャネルと；前記第１注入チャネルの他端から分岐する、淡水が排出される第１排出チャネル及び残りの前記塩水が排出される第２排出チャネルと；を含むことができる。

一実施例によれば、前記第２マイクロチャネルは、前記第１マイクロチャネルから伝達されたイオン性物質が含有された濃縮された塩水が排出される第３排出チャネルを含むことができる。

本発明の他の態様によれば、イオン濃度分極（ＩＣＰ；Ｉｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）現象を用いた塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法が提供される。

前記方法は、（ａ）塩水（ｓａｌｔ ｗａｔｅｒ）が注入されるチャネル、前記チャネルに接続されるイオン選択性透過膜（ｉｏｎ－ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）、及び前記チャネルの両端部に電圧を印加できる陰極部及び陽極部を含む、チャネル部と；前記イオン選択性透過膜の前記陽極部と隣接する第１領域でイオン濃度分極現象によって前記塩水からイオン性物質が除去された淡水が得られる淡水生成部と；前記イオン選択性透過膜の前記陰極部と隣接する第２領域で前記イオン性物質が濃縮され、前記イオン性物質内に含有された水素イオンが還元される水素ガス生産部と；を含む装置を準備するステップと、（ｂ）前記第１領域に塩水（ｓａｌｔ ｗａｔｅｒ）を供給するステップと、（ｃ）前記第１領域に位置する陽極部と前記第２領域に位置する陰極部との間に、下記式１に基づいて計算される係数（Ｘ）が０．０５～５ｍＡ／（ｃｍ^２・ｍＭ）となる電流を印加して、前記第１領域内の水素イオンを前記第２領域に輸送させるステップと、（ｄ）前記第１領域で不純物が除去された淡水を収得すると同時に、前記第２領域で水素気体を捕集するステップとを含むことができる。

［式１］
Ｘ＝Ｉ／ＡＣ
（ここで、Ｉ：電流（ｍＡ）、Ａ：イオン交換膜の面積（ｃｍ^２）、Ｃ：塩水の濃度（ｍＭ））

一実施例において、前記（ｃ）ステップは、前記係数（Ｘ）が０．２～２ｍＡ／（ｃｍ^２・ｍＭ）となる電流を印加するステップであることを特徴とすることができる。

一実施例において、前記（ｃ）ステップは、前記係数（Ｘ）が０．５～１ｍＡ／（ｃｍ^２・ｍＭ）となる電流を印加するステップであることを特徴とすることができる。

一実施例において、前記第１領域はイオン空乏領域（ｉｏｎ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）を含み、前記第２領域はイオン過剰領域（ｉｏｎ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｚｏｎｅ）を含むことができる。

一実施例において、前記イオン交換膜は陽イオン交換膜であってもよい。

一実施例において、前記電流が高いほど、前記第２領域のｐＨが低くなることを特徴とすることができる。

一実施例において、前記（ｃ）ステップは、前記塩水の濃度、及び前記（ｄ）ステップで収得される淡水の濃度（Ｃ_{ｄｅｓａｌｔｅｄ}）に基づいて、印加する電流の大きさを能動的に制御するステップであってもよい。

一実施例において、前記（ｂ）ステップは、前記塩水の濃度、及び前記（ｄ）ステップで収得される淡水の濃度（Ｃ_{ｄｅｓａｌｔｅｄ}）に基づいて、塩水の供給流量を能動的に制御するステップであってもよい。

前記のようになされた本発明の一実施例によれば、 淡水及び水素ガスの同時生産が可能であり、イオン交換膜を介したイオン輸送過程で発生する電極及びイオン交換膜の汚染を最小化し、電流効率を高めて水素ガス発生効率を向上させることによって、水電解装置の性能、耐久性及び長期安定性を改善するのに寄与することができる。

上述した本発明の効果は例示的に記載されたものであり、このような効果によって本発明の範囲が限定されるものではない。

本発明の実施例に係る電気流体力学的イオン輸送を介した水素ガス及び淡水の同時生産システムを説明するための図である。 本発明の実施例に係るイオン濃度分極（ＩＣＰ；Ｉｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）現象を用いた塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法を説明するための図である。 図１のチャネル部をより詳細に説明するための図である。 本発明の一実施例に係る塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置を示す概略図である。 本発明の一実施例に係る塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置内での電気流体力学的イオン輸送を説明するための図である。 図２のシステムを有する３次元水電解装置を例示的に実現した図である。 本発明の実施例によって水素及ガスび淡水が同時生産されたか否かを確認した結果である。 本発明の実施例によって水素及ガスび淡水が同時生産されたか否かを確認した結果である。 本発明の実施例によって塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置内の水素イオンの移動及びイオン空乏領域を確認した写真である。 本発明の実施例によって塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置内の水素イオンの移動及びイオン空乏領域を確認した写真である。 本発明の実施例によって塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置内の水素イオンの移動及びイオン空乏領域を確認した写真である。 本発明の実施例に係る塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置を具現した例である。 図９の装置を通じて発生する気体の成分をガスクロマトグラフで分析した結果である。 図９の装置を通じて発生する気体の成分をガスクロマトグラフで分析した結果である。 図６の水電解装置を駆動したとき、電流の大きさによる淡水及び水素ガスの生産結果を示すグラフである。 本発明の実施例においてイオン交換膜を介した水素イオンと塩イオンの競争輸送を示すグラフである。 本発明の実施例に係る定電流の条件で電荷量を同一に制御したとき、水素ガスの生成量及びｐＨ変化量の変化を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して、本発明の様々な実施例を詳細に説明する。本発明の実施例は、当該技術分野における通常の知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものであり、下記の実施例は様々な他の形態に変形可能であり、本発明の範囲が下記の実施例に限定されるものではない。むしろ、これらの実施例は、本開示をさらに充実かつ完全にし、当業者に本発明の思想を完全に伝達するために提供されるものである。また、図面において各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張されたものである。

図１は、本発明の実施例に係る電気流体力学的イオン輸送を介した水素及び淡水の同時生産システムを説明するための図である。図２は、本発明の実施例に係るイオン濃度分極（ＩＣＰ；Ｉｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）現象を用いた塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法を説明するための図である。

図１及び図２を参照すると、塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法が実現されるシステム１は、チャネル部１０、水素ガス生産部２０及び淡水生成部３０を含むことができる。

チャネル部１０は、塩水（ｓａｌｔ ｗａｔｅｒ）が流れる通路であり、チャネル部１０の間には、イオン濃度分極（ＩＣＰ；Ｉｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）現象を誘発するようにイオン交換膜が備えられる。チャネル部１０に電流を流すと、イオン交換膜が隣接する付近にイオン濃度分極現象が発生することによって、塩水から粒子が分離されて流出されると同時に、水素ガス生産部２０で水素イオンが輸送されて還元され、淡水生成部３０で脱塩が行われることで、淡水が得られる。

淡水技術では、イオン選択性透過膜を介して塩イオンが多く通過するほど、淡水効率が良くなると予想されるが、電気分解水素生産の場合には、水素イオンが多く通過しなければ水素ガス生産効率が良くならない。そのため、本発明では、イオン選択性透過膜を介して水素イオンが通過しながらも、同時に膜の周辺のイオン空乏領域を活用した淡水化が可能な装置を提供しようとする。

図３は、図１のチャネル部をより詳細に説明するための図である。図３を参照すると、チャネル部１０は、マイクロチャネル１１、イオン選択性透過膜１２、陽極部１３及び陰極部１４を含むことができる。

マイクロチャネル１１は、直径がμｍスケールである管又はチューブなどの形態で構成されてもよい。マイクロチャネル１１には塩水が注入されて移送される。一実施例において、塩水が経路に沿って移動しやすい構造を有するように、マイクロチャネル１１は、一方向に長く延びる形状を有することができる。

塩水塩水（ｓａｌｔ ｗａｔｅｒ）は、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）と塩素イオン（Ｃｌ^－）を含む様々な溶液を意味し、例えば、海水（ｓｅａｗａｔｅｒ）、塩水（ｂｒｉｎｅ）、下水処理放流水または塩分濃縮廃水を含むことができる。

イオン選択性透過膜１２は、特定のイオン性物質のみを選択的に通過させ、マイクロチャネル１１と１つ以上の接点で接続され得る。イオン選択性透過膜１２は、水素イオンを通過させることができる陽イオン透過膜であることが好ましい。イオン選択性透過膜１２は、多孔性ナノ物質であるナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）を含む材質であってもよい。

陽極部１３及び陰極部１４は、マイクロチャネル１１の一端部及び他端部にそれぞれ形成され得る。イオン選択性透過膜１２を横切って陽極部１３及び陰極部１４に電場を印加すると、イオン選択性透過膜１２と 同じ極性のイオンは膜を通過できず、 反対極性のイオンのみがイオン選択性透過膜１２を通過するようになり、膜の両端に電解質濃度が急激に低くなるイオン空乏領域Ｐと高くなるイオン過剰領域Ｑに分極され、これをイオン濃度分極現象と称する。

図３は、イオン選択性透過膜１２が陽イオン選択性透過膜である場合のイオン濃度分極現象を示す。陽イオン選択性透過膜は、陽イオンを選択的に通過させ、陰イオンを遮断する。

図３を例に挙げると、陽イオン選択性透過膜は、水素イオン（Ｈ^＋）やアルカリ金属イオンであるナトリウムイオン（Ｎａ^＋）のような陽イオンを選択的に通過させるが、塩素イオン（Ｃｌ^－）は陰イオンに該当するため、陽イオン選択性透過膜を通過することができない。

これによって、イオン選択性透過膜１２を通過して伝達された水素イオン、ナトリウムイオンなどを含むイオン性物質がイオン過剰領域Ｑに濃縮され、イオン選択性透過膜１２の陽極部１３方向の境界面ではイオン空乏領域Ｐが形成される。

イオン選択性透過膜１２を通過できなかったイオン同士間では、強い電気的な反発力が作用して、陽イオンと陰イオンの両方が影響を受けるようになり、これによって、イオン濃度勾配現象が現れる。このとき、イオン空乏領域Ｐの境界面の周囲で渦巻きが形成され、電荷を帯びている粒子や細胞、液滴なども、イオン空乏領域Ｐの境界面でイオンの電気的反発力に影響を受けてイオン選択性透過膜１２の周辺で押し出されるようになる。

イオン空乏領域Ｐを含む第１領域に淡水生成部３０が設けられ得、ここから、イオン性物質が除去された淡水が得られる。イオン過剰領域Ｑを含む第２領域に水素ガス生産部２０が設けられ得、ここで前記イオン性物質が濃縮され、前記イオン性物質内に含有された水素イオンが還元され得る。

イオン過剰領域Ｑに濃縮されるイオン性物質としては、水素イオン以外にも、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）及びこれらの組み合わせのうちの少なくともいずれか１つをさらに含むことができる。但し、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）などは、水素イオンよりも還元電位が遥かに負の値を有するため、水素ガス生産部２０では、その他の陽イオンに比べて水素イオンが容易に還元され得る。

このように、本発明に係る塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置１は、このようなイオン濃度分極現象を利用することによって、酸化極の方向の膜の周辺で発生するイオン空乏領域Ｐから淡水を抽出し、同時に、還元電極では水素を生産するプラットフォームを提供することができる。

図４は、本発明の一実施例に係る塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置を示す概略図である。

図４を参照すると、マイクロチャネル１１は、第１マイクロチャネル１１１及び第２マイクロチャネル１１３が並列に並んで配置された構造であり得る。

第１マイクロチャネル１１１は、塩水を注入する入口を一端に備えた第１注入チャネル１１１２、第１注入チャネル１１１２の他端から分岐する、淡水が排出される第１排出チャネル１１１４及び残りの塩水が排出される第２排出チャネル１１１６を含むことができる。

第１マイクロチャネル１１１と第２マイクロチャネル１１３との間にイオン選択性透過膜１２が介在することができる。具体的には、イオン選択性透過膜１２の一側に第１マイクロチャネル１１１が接して配置され、イオン選択性透過膜１２の他側に第２マイクロチャネル１１３が接して配置され得る。

第２マイクロチャネル１１３は、第１マイクロチャネル１１１から伝達されたイオン性物質が含有された塩水（又は、濃縮された物質）が排出される第３排出チャネル１１３３を含むことができる。

そして、電場が印加されると、第１排出チャネル１１１４と第２排出チャネル１１１６とが分岐される地点の付近にイオン濃度分極（ＩＣＰ）現象が発生することによって、イオン空乏領域Ｐが形成され、イオン空乏領域Ｐと対向する第２マイクロチャネル部１１３の一領域にイオン過剰領域Ｑが形成され得る。

このとき、水素イオンが第１マイクロチャネル１１１から第２マイクロチャネル１１３に輸送されて、一部は第３排出チャネル１１３３を介して排出され、残りの一部は還元されて水素気体に変換され得る。

図５は、本発明の一実施例に係る塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置内での電気流体力学的イオン輸送を説明するための図である。

第１マイクロチャネル１１１は、第１注入チャネル１１１２を介して塩水［一例として、海水Ｂ］が注入され、第１排出チャネル１１１４を介して塩が除去された淡水Ｆが排出され得る。残りの塩水物質Ｂ’は、第２排出チャネル１１１６を介して排出され得る。第１マイクロチャネル１１１は陽極部１３に結合され得る。第１排出チャネル１１１４と第２排出チャネル１１１６は、チャネル壁のような分岐部１７０によって物理的に分離区画され得る。

第２マイクロチャネル１１３は、第２注入チャネル１１３１を介して塩水［一例として、海水Ｂ］が注入され、第１マイクロチャネル１１１からイオン性物質が追加で伝達されて濃縮された塩水Ｔが第３排出チャネル１１３３を介して排出され得る。

第２マイクロチャネル１１３は、陰極部１４の一側に結合され、陰極部１４を介してグラウンド電圧と接続され得る。陽極部１３と陰極部１４との間に電場が印加されると、イオン濃度分極（ＩＣＰ）現象が発生することによって、イオン空乏領域Ｐ及びイオン過剰領域Ｑが形成される。

このとき、印加される電位は１００ｍＶ～３００Ｖであることが好ましい。イオン空乏領域Ｐの大きさは、電位差に応じて変わり得る。一例として、陽極部１３に加える電圧Ｖ_{ａｎｏｄｉｃ}が小さくなると、イオン選択性透過膜１２を介して第１マイクロチャネル１１１から第２マイクロチャネル１１３に輸送される陽イオンの量が減少し、イオン空乏領域の生成が弱くなるため、淡水生産効率が減少し得る。

反対に、陽極部１３に加える電圧Ｖ_{ａｎｏｄｉｃ}が大きくなると、陽イオンはイオン選択性透過膜１２の方向に移動するようになり、第１マイクロチャネル１１１から第２マイクロチャネル１１３に輸送される陽イオンの量が増加するが、消費電力が増加し、水電解装置の効率が低下することがある。したがって、陽極部１３に加える電圧Ｖ_{ａｎｏｄｉｃ}の範囲は１００ｍＶ～３００Ｖであることが好ましい。

図６は、図１及び図２のシステムを有する３次元水電解装置を例示的に実現した図である。

図６を参照すると、ハウジング１０２の内部に、イオン交換膜１０８によって分離される第１領域１０４及び第２領域１０６が設けられる。ハウジング１０２の内部には塩水供給流１１０が供給され、陽極部１０５は第１領域１０４に配置され、陰極部１０７は第２領域１０６に配置される。第１領域１０４は淡水生成部３０に対応することができ、第２領域１０６は水素ガス生産部２０に対応することができる。

このとき、ハウジング１０２、及びハウジング１０２と接続された管、チューブなどは、直径がｍｍ、ｃｍ以上のスケールであるマクロ（ｍａｃｒｏ）チャネルであり得る。微細（ｍｉｃｒｏ）チャネルをベースとした装置は、小さなスケールで高い淡水化及び水素ガス生産効率を示すことができるが、産業的規模に拡張するのに限界があり得る。そのため、大量処理に有利なマクロチャネルで形成することが好ましい。ただし、本発明によるチャネル部１０はサイズが制限されず、マイクロチャネルまたはマクロチャネルの両方を含むことができる。

塩水（ｓａｌｔ ｗａｔｅｒ）は、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）及び塩素イオン（Ｃｌ^－）を含む様々な溶液を意味し、例えば、０．１～３５ｇ／Ｌの塩分濃度を有する物質であってもよい。代表的に、海水（ｓｅａｗａｔｅｒ）であってもよい。

イオン交換膜１０８は、特定のイオン性物質のみを選択的に通過させ、水素イオンを通過させることができる陽イオン透過膜であることが好ましい。イオン交換膜１０８は、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）を含む材質であってもよい。

第１領域１０４に供給された塩水中には様々な浮遊物が存在し、このような浮遊物は、淡水化過程で除去されなければならない。塩水中の浮遊物は、粒子性物質、有機物、無機物などが含まれ得、電流の印加時に、イオン濃度分極によって浮遊物排出流３２０に分離除去され得る。

塩水中の浮遊物が浮遊物排出流３２０を介して排出され、塩イオンがイオン交換膜１０８に沿って第２領域１０６に移動することによって、淡水排出流３１０が形成され得る。前記塩イオンは、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、カリウムイオン（Ｋ^＋）、リチウムイオン（Ｌｉ^＋）及びこれらの組み合わせのうちの少なくともいずれか１つを含むことができる。

一方、第２領域１０６側にも、第１領域１０４と同様に一定の電気伝導度を付与するために、電解質を使用することが好ましい。したがって、第２領域１０６に電解質供給流２２０を注入することができる。第１領域１０４からイオン交換膜１０８を介して第２領域１０６にナトリウムイオンと水素イオンなどが輸送されるとき、輸送されるイオンの量をイオンクロマトグラフィーなどで測定するようになり、このとき、ＬｉＣｌ又はＫＣｌのような電解質がレファレンス（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）物質としての役割を行うことができる。

第２領域１０６に移動した水素イオンは、その後、還元されて水素気体排出流２１０を形成することができる。

本発明の実施例に係る塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法を図６の装置を参照して説明すると、次の通りである。

まず、イオン交換膜１０８をハウジング１０２内に配置し、ハウジング１０２を第１領域１０４と第２領域１０６に分割する。

次いで、第１領域１０４及び第２領域１０６に塩水を供給する。本発明の実施例では、０．１～３５ｇ／Ｌの範囲の塩分濃度を有する塩水を供給することが好ましい。一般に海水の平均塩分濃度は約３５ｇ／Ｌであるため、本発明の実施例によれば、海水を前処理したり、別途の循環システムを通じて濃度を調節することなく、水電解装置に使用することができる。

塩水の濃度、すなわち、塩分濃度は、陰極部１０７で起こる水素発生反応（Ｈ^＋の還元）に影響を及ぼし得る。塩水は、ＮａＣｌなどの電解質を含んでいるため、塩分濃度が高いほど電流をよく伝達することができる。但し、塩分濃度が高すぎると、塩水中に存在する塩イオンが水素イオンの移動性を阻害することがあり、水電解装置内のイオン交換膜を汚染させることがある。

反対に、塩分濃度が低すぎると、電気伝導度が低下して電流密度が減少するようになり、これは、水素イオンが電極へ移動する速度や、水素気体の発生に必要な電気化学的反応速度を低下させることがある。

したがって、１～３５ｇ／Ｌの範囲の適正濃度でイオンの移動と電流密度のバランスを取ることが重要である。塩水の濃度が適切な場合、電気伝導度を最適化して電流を効率的に伝達しながらも、電極及びイオン交換膜の汚染を減少させることができる。

その後、陽極部１０５と陰極部１０７をそれぞれ第１領域１０４と第２領域１０６に接続し、陽極部１０５と陰極部１０７との間に電流を印加して、第１領域１０４から第２領域１０６に水素イオンが輸送されるようにする。

本発明の実施例に係る淡水の生産及び水素イオンの輸送に影響を及ぼす電気的特性である電流は、水電解効率及び性能を決定する最も重要な要素の一つである。

２次元水電解装置が平面的な設計に依存するのとは異なり、３次元水電解装置は、流体が立体的に流れ、様々な方向で複雑な流動構造を有するので、効率的なイオン輸送のために一定電流以上を印加することが好ましい。ここで、電流は、与えられた電圧下で電場によってイオンを移動させる役割を果たす。電流が大きくなるほど、１時間当たりに移動する電荷（即ち、イオン交換膜を通過するイオン輸送量）が多くなる。

水電解工程における電流は、イオン交換膜の面積、塩水の濃度、電極間の距離、流量、流速などによって変わり得る。特に、電流は、イオン交換膜の面積及び塩水の濃度に大きく依存する。

イオン交換膜の面積が大きくなると、同一の電流を印加しても、単位面積当たりの電流密度は減少するため、反応速度が低下することがある。そのため、面積が大きいほど、さらに大きな電流を印加して適切な電流密度を維持しなければならない。また、大きな面積ではさらに多くのイオンが通過できるので、さらに多くの電流を印加してこそ、十分なイオンの移動を維持することができる。

一方、塩水の濃度が高くなると、塩イオンの濃度が増加するため、さらに多くのイオンを処理できる電流を印加することができる。電流密度を適切に調整して、イオン交換膜や電極に負担を与えずに効率的に反応が起こる最適の電流値を探さなければならない。

したがって、塩水の濃度、イオン交換膜の面積、電流の組み合わせを適切に選択することが重要である。本発明の実施例では、下記式１に基づいて計算される係数（Ｘ）が０．０５～５ｍＡ／（ｃｍ^２・ｍＭ）、好ましくは０．２～２ｍＡ／（ｃｍ^２・ｍＭ）、より好ましくは０．５～１ｍＡ／（ｃｍ^２・ｍＭ）となる範囲の電流を印加する。

［式１］
Ｘ＝Ｉ／ＡＣ
（ここで、Ｉ：電流（ｍＡ）、Ａ：イオン交換膜の面積（ｃｍ^２）、Ｃ：塩水の濃度（ｍＭ））

前記係数（Ｘ）が０．０５よりも低いと、塩水中のＣａ^２＋、Ｍｇ^２＋のような多価陽イオンが水酸化物または炭酸塩を形成し、イオン交換膜や電極の表面に沈着することがある。例えば、ＣａＣＯ_３（炭酸カルシウム）、Ｍｇ（ＯＨ）_２（水酸化マグネシウム）などの沈殿物は、膜の汚染及び電極の腐食を誘発し得、これは、水素気体の発生効率を阻害することがある。

反対に、前記係数（Ｘ）が５よりも高いと、電力消耗が大きくなり、水電解装置の効率的な作動を妨げることがある。例えば、電流が過度に高くなると、全体システムの抵抗がさらに大きな電位を必要とするため、電力消耗が増加する。

したがって、不要な電力消耗を減らし、淡水及び水素ガスの生成反応を効率的に維持するためには、イオン交換膜の面積及び塩水の濃度に合う適切な電流を印加することが重要である。

追加的に、本発明では、供給される塩水（ＮａＣｌ）の濃度及び得られる淡水の濃度に基づいて、塩水の供給流量を能動的に制御することが重要である。塩水の供給流量を適切に制御することによって、淡水の品質及び生産量を一定レベル以上に維持することができる。例えば、淡水の塩分濃度は、通用する淡水の基準として５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。したがって、本発明で収得される淡水の塩分濃度が５００ｐｐｍを超える場合、前記式１によって電流値を変更するだけでなく、前記塩水の供給流量を能動的に制御することによって、淡水の濃度を制御することが好ましい。

以下、本発明を製造例及び実施例を参照して説明する。しかし、本発明の範囲がこのような製造例及び実施例に限定されるものではない。

＜製造例１＞
図７Ａのように、２つの一字状のマイクロチャネルを、陽イオン透過膜であるナフィオン（ｎａｆｉｏｎ）イオン交換膜で接続した。２つのチャネル内に、ｐＨ指示薬及び蛍光物質であるアレクサフルオル（Ａｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ）が含まれた１０ｍＭの塩化カリウム（ＫＣｌ）水溶液をシリンジポンプで持続的に注入した。上チャネルに還元電極を接続し、下チャネルはグラウンドを接続した。図７Ｂは、図７Ａの塩化カリウム（ＫＣｌ）の代わりに塩酸（ＨＣｌ）溶液を用いた以外は、同様に実験した。

＜製造例２＞
図６に示したような水電解装置を作製し、ナフィオン２１１膜を１ｃｍ^２の大きさで設置した。このようなナフィオン膜を挟んで２つの白金ワイヤー電極を８ｍｍの間隔で位置させた。酸化電極が位置したチャンバに、２０ｍＭのＮａＣｌを、シリンジポンプを用いて０．２ｍＬ／ｍｉｎの速度で注入し、還元電極が位置したチャンバに、２０ｍＭのＬｉＣｌを、シリンジポンプを用いて０．２ｍＬ／ｍｉｎの速度で注入した。直流電流の供給は、電圧計及び電流計が付着されたＤＣ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙを使用した。

＜実施例１＞
図７～図１０は、本発明の製造例１によって水素及び淡水が同時生産されたか否かを確認した実験結果である。

図７Ａ及び図７Ｂにおいて、溶液内に含まれた陽イオンが、下チャネルから還元電極がある上チャネルに移動するようになるが、上チャネルでナフィオン膜の周辺のイオン過剰領域（ＩＥＺ）の付近のｐＨ指示薬の色が赤く（ｒｅｄ）変わることを観察した。これを通じて、ナフィオン膜を介して水素イオンが移動したことを共通的に確認することができた。

図７Ａでは、酸化電極が接続された下チャネルでｐＨ指示薬の色が青く（ｂｌｕｅ）変わり、これは、下チャネルから上チャネルに水素イオンが通過した後、残っている水酸化イオン（ＯＨ^－）による変化であって、これもまた、ナフィオン膜を介した水素イオンの移動の証拠となり得る。

これとは異なり、図７の（ｂ）では、酸化電極が接続された下チャネルでｐＨ指示薬の色の変化を観察することができなかった。これは、中性塩である塩化カリウム（ＫＣｌ）の代わりに酸性である塩酸（ＨＣｌ）溶液を用いたため、水素イオンの移動にもかかわらず、塩水が塩基を帯びないためであると判断される。

このように、陽イオン交換膜の周辺のイオン過剰領域（ＩＥＺ）で水素の生産のための酸性塩水が生成されること、及びイオン空乏領域（ＩＤＺ）で淡水が生産されることを実証した。

図８Ａでは、還元電極に向かう水素イオンの移動によって溶液の酸性化（ｐＨ指示薬による赤色変化）を観察し、図８Ｂでは、水素イオンの移動後、酸化電極側のチャネル内の溶液の塩基化（ｐＨ指示薬による青色変化）を確認し、及び 図８Ｃでは、イオン空乏領域（蛍光が現れない黒色領域）を確認した。

すなわち、水素イオンの移動と同時に、酸化電極側の下チャネルでは、ナフィオン膜の近くで蛍光信号が消えたイオン空乏領域（ＩＤＺ）が確認され（図８（ｃ））、この部分で淡水を抽出することができる。

前記結果をまとめると、図９のように、マイクロチャネル内のイオン濃度分極現象を用いて、淡水の生成及び気体の発生が同時に確認される。

図９において、上チャネルに＋２００Ｖの還元電位を、下チャネルにグラウンドを印加したとき、還元電極（ｃａｔｈｏｄｅ）では気泡が持続的に生成されて、左側から流入する流体と共に右側に流れた。このような気体の生成と同時に、陽イオン交換膜（ｎａｆｉｏｎ）の近くでイオン空乏領域を確認することができ、これを通じて、電気流体力学的イオン濃度分極現象を用いて、淡水及び水素の同時生産システムを具現することが可能であることを示した。

前記還元電極（ｃａｔｈｏｄｅ）で発生した気泡の成分を確認するために、図７の装置にキャリアガスであるアルゴン（Ａｒ）を注入し、排出される気体を捕集してガスクロマトグラフィー（ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）分析を行った。

図１０は、このようなガスクロマトグラフィーで分析した結果である。 図１０Ａは、水素（Ｈ_２）のピークとその他のガス（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｇａｓｅｓ）のピークとを比較したグラフであり、 図１０Ｂは、水素のピークを拡大したグラフである。

図１０Ａにおいて、水素のピーク領域であるＸ領域から、還元電極で水素気体が発生したことが分かる。このような水素気体の生成を通じて、ナノ電気流体力学的イオン濃度分極現象を用いて水素を生産するシステムを具現することが可能であることを示した。参考に、Ｙ部分は、特定の物質のピークではなく、アルゴンや空気などが大量に注入されたときに出る基底線（ｂａｓｅｌｉｎｅ）と見ることができる。

＜実施例２＞
図１１は、前記製造例２に係る水電解装置において、電流の大きさによる淡水及び水素ガスの生産結果を示すグラフである。

図１１において、４ｍＡ、１０ｍＡ、２０ｍＡの各電流を１時間印加したとき、電流値が大きくなるほど、水素ガスの生成量（ΔＨ_２）が増加することが分かる。

また、全ての電流でイオン濃度分極によって淡水が生成されたが、４ｍＡであるとき、淡水の濃度は、塩分の濃度５００ｐｐｍ（約８．５６ｍＭ）を超えて好ましくないことが分かる。これと比較して、電流値が１０ｍＡ、２０ｍＡであるとき、淡水の濃度（Ｃ_{ｄｅｓａｌｔｅｄ}）が減少して淡水の品質が改善されたことが分かる。但し、１０ｍＡ及び２０ｍＡでの淡水の濃度は、ほぼ同一に示されたので、水素ガスの生成反応にさらに有利な２０ｍＡの電流を印加することが最も好ましいことが分かる。

これを通じて、塩水（ＮａＣｌ）の濃度及び淡水の濃度（Ｃ_{ｄｅｓａｌｔｅｄ}）に基づいて、印加する電流の大きさを能動的に制御することが重要であることが分かる。

＜実施例２＞
図１２は、前記製造例２に係る水電解装置において、イオン交換膜を介した水素イオンと塩イオンの競争輸送を示すグラフである。

図１２において、４ｍＡ、１０ｍＡ、２０ｍＡをそれぞれ定電流の条件で印加したとき、電流の大きさによるイオン輸送量を比較した。塩水中に存在する塩イオンのうち最も大きな比率を占めるナトリウムイオンの移動量（ΔＮａ^＋）と、水素イオンの移動量（ΔＨ^＋）とを合わせたイオンの全体移動量をΔＱとするとき、電流の大きさによってイオン濃度分極現象が異なって示された。当該電流を１時間供給したとき、イオン交換膜を通過するイオンの全体移動量のうち、ナトリウムイオンの移動量（ΔＮａ^＋／ΔＱ）を測定してグラフで示した。

図１２に示されたように、４ｍＡの電流では、Ｎａ^＋イオンの移動がＨ^＋に比べて優勢であることが分かる（ΔＮａ^＋＞ΔＨ^＋）。これは、水素イオンに比べて、塩水中のその他の陽イオンの移動が円滑であることを意味する。また、還元電極で水素ガスの生産が行われた後に発生するＯＨ^－イオンを中和させることができる水素イオンが、イオン交換膜を介して少なく輸送されるほど、還元電極の周辺に存在し得るＣａ^２＋、Ｍｇ^２＋のような多価陽イオンが水酸化物または炭酸塩を形成し、イオン交換膜や電極の表面に沈着し得る確率が高くなることを意味する。

電流が１０ｍＡである場合、電場が強くなり、イオン分離現象が起こることで、Ｈ^＋イオンの移動がＮａ^＋に比べて優勢であることが分かる（ΔＨ^＋＞ΔＮａ^＋）。イオンの全体移動量（ΔＱ）は、電流が高くなるにつれて増加することができる。イオン交換膜を通過するイオンのうち水素イオンは、非常に小さい大きさ及び高い移動度を有しているので、同じ電流でさらに速く移動することができる。電流が増加するほど、水素イオンはさらに速く移動し、ナトリウムイオンも移動するが、水素イオンに比べて速度が遅くなり得る。それによって、水素イオンの移動量（ΔＨ^＋）は、電流が高くなるにつれて増加するが、ナトリウムイオンの移動量（ΔＮａ^＋）は、電流が高くなるにつれて増加幅が低いか、またはほぼないため、水素イオンとナトリウムイオンの移動量の差は、電流が大きくなるほど、さらに顕著になり得る。

電流が２０ｍＡになると、１０ｍＡのときよりも、水素イオンの移動量（ΔＨ^＋）は増加し、ナトリウムイオンの移動量（ΔＮａ^＋）は減少するが、グラフの傾きの絶対値は減少するようになる。

電流が２０ｍＡを超えると、全体システムの抵抗がさらに大きな電位を必要とするため、電力消耗が増加することがある。

したがって、イオン交換膜を介した水素イオンの移動量を向上させて、イオン交換膜や電極の汚染を防止し、不要な電力消耗を減らすためには、１０～２０ｍＡの電流値を印加することが最も好ましい。この場合、前記式１に基づいて計算される係数（Ｘ）は、０．５～１ｍＡ／（ｃｍ^２・ｍＭ）に該当する。

＜実施例４＞
図１３は、前記製造例２に係る水電解装置において電荷量（Ｑ）を同一に制御したとき、水素ガスの生成量（ΔＨ_２）及びｐＨ変化量を測定して比較したグラフである。

ここで、４ｍＡの電流を２．５時間印加、１０ｍＡの電流を１時間印加、２０ｍＡの電流を０．５時間印加、４０ｍＡの電流を０．２５時間印加することによって、印加された電荷量（Ｑ）を同一に制御した。Ｐｔ電極を使用する場合、ファラデー効率（Ｆａｒａｄａｉｃ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が１００％に近く、電極を介して流れる電荷量（Ｑ）のほとんどが水素の生産に使用されると見た。このとき、電荷量を制御した目的は、水素ガス生産量を同一にして、水素の生産による還元電極側のＨ^＋の消耗量が同一になるように制御するためである。

還元電極が位置したチャンバ内の溶液の濃度は、イオンクロマトグラフィーで測定し、ｐＨはｐＨメーターで測定した。

図１３のｙ軸に表した水素ガス生産量（ΔＨ_２）は、電流の印加後に捕集されたガスをガスクロマトグラフィー（ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）で定量的に測定した値である。その結果、水素ガス生産量は、電流が高くなるほど小幅に増加する傾向を示したが、ほぼ同一であった。

電流の印加前、還元電極が位置したチャンバ側の溶液の初期ｐＨは５．５８であったが、水素ガスの生産後、Ｈ^＋の消耗により、すべての実験例においてｐＨが１１以上に高くなった。しかし、ほぼ同じ水素ガス生産量にもかかわらず、印加電流が高いほど、ｐＨが次第に低くなることを確認できる。これは、印加電流が高いほど、イオン交換膜を介した水素イオンの輸送量が増加することで、還元電極で水素ガスの生産により生成されたＯＨ^－の濃度が減少したことを意味する。

また、ｙ軸の溶液のＯＨ^－の濃度（［ＯＨ^－］）を比較したとき、４ｍＡでのＯＨ^－の濃度は、４０ｍＡの条件のＯＨ^－の濃度よりも３倍程度高く、ＯＨ^－の濃度が高いほど、陽イオン沈殿物の生成量が増加し得る。

また、電流が高くなるほど、水素ガス生産量はほぼ同一であることから見て、４０ｍＡを超える電流では、水素ガス生産量に比べて電力消耗が過剰になるため、好ましくないことを類推できる。

図１３の結果をまとめると、本発明の水電解装置で印加電流を増加させることによって、イオン交換膜を介した水素イオンの輸送を向上させて、水素ガスの生産のためのプロトンの供給を向上させ、また、還元電極側で水素ガスの生産後のｐＨの増加分を減少させることによって、塩水中のその他の陽イオンの沈殿による電極の汚染を防止し、水電解装置の耐久性及び安定性を改善することができる。電力消耗量を勘案して、４０ｍＡ以下の電流を印加することが好ましい。これを通じて、水電解装置の耐久性及び長期安定性を改善することができる。

最終的に、第１領域１０４から排出される淡水排出流３１０を介して、不純物が除去された淡水を収得すると同時に、第２領域１０６から排出される水素気体排出流２１０を介して水素気体を捕集する。

本発明は、図面に示された実施例を参考にして説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、これから様々な変形及び均等な他の実施例が可能であるということが理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、添付の特許請求の範囲の技術的思想によって定められなければならない。

Claims (16)

1. イオン濃度分極（ＩＣＰ；Ｉｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）現象を用いた塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置であって、
   塩水（ｓａｌｔ ｗａｔｅｒ）が注入されるチャネル、前記チャネルに接続されるイオン選択性透過膜（ｉｏｎ－ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）、及び前記チャネルの両端部に電圧を印加できる陰極部及び陽極部を含む、チャネル部と、
   前記イオン選択性透過膜の前記陽極部と隣接する第１領域でイオン濃度分極現象によって前記塩水からイオン性物質が除去された淡水が得られる淡水生成部と、
   前記イオン選択性透過膜の前記陰極部と隣接する第２領域で前記イオン性物質が濃縮され、前記イオン性物質内に含有された水素イオン（Ｈ^＋）が還元される水素ガス生産部とを含む、塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置。
2. 前記第１領域はイオン空乏領域（ｉｏｎ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）を含み、前記第２領域はイオン過剰領域（ｉｏｎ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｚｏｎｅ）を含む、請求項１に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置。
3. 前記チャネルは、
   前記陽極部の一側に結合される第１マイクロチャネルと、
   前記陰極部の一側に結合され、グラウンド電圧と接続される第２マイクロチャネルとを含む、請求項１に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置。
4. 前記イオン性物質は、
   水素イオン（Ｈ^＋）を含み、
   ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、及びこれらの組み合わせのうちの少なくともいずれか１つをさらに含む、請求項１に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置。
5. 前記イオン選択性透過膜はナフィオン（ｎａｆｉｏｎ）膜である、請求項１に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置。
6. 前記第１マイクロチャネルに印加される電位は１００ｍＶ～３００Ｖである、請求項３に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置。
7. 前記第１マイクロチャネルは、
   前記塩水を注入する入口を一端に備えた第１注入チャネルと、
   前記第１注入チャネルの他端から分岐する、淡水が排出される第１排出チャネル及び残りの前記塩水が排出される第２排出チャネルとを含む、請求項３に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置。
8. 前記第２マイクロチャネルは、
   前記第１マイクロチャネルから伝達されたイオン性物質が含有された濃縮された塩水が排出される第３排出チャネルを含む、請求項７に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送装置。
9. イオン濃度分極（ＩＣＰ；Ｉｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）現象を用いた塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法であって、
   （ａ） 塩水（ｓａｌｔ ｗａｔｅｒ）が注入されるチャネル、前記チャネルに接続されるイオン選択性透過膜（ｉｏｎ－ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）、及び前記チャネルの両端部に電圧を印加できる陰極部及び陽極部を含む、チャネル部と；前記イオン選択性透過膜の前記陽極部と隣接する第１領域でイオン濃度分極現象によって前記塩水からイオン性物質が除去された淡水が得られる淡水生成部と；前記イオン選択性透過膜の前記陰極部と隣接する第２領域で前記イオン性物質が濃縮され、前記イオン性物質内に含有された水素イオンが還元される水素ガス生産部と；を含む装置を準備するステップと、
   （ｂ）前記第１領域に塩水（ｓａｌｔ ｗａｔｅｒ）を供給するステップと、
   （ｃ）前記第１領域に位置する陽極部と前記第２領域に位置する陰極部との間に、下記式１に基づいて計算される係数（Ｘ）が０．０５～５ｍＡ／（ｃｍ^２・ｍＭ）となる電流を印加して、前記第１領域内の水素イオンを前記第２領域に輸送させるステップと、
   （ｄ）前記第１領域で不純物が除去された淡水を収得すると同時に、前記第２領域で水素気体を捕集するステップとを含む、塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法。
   
   （ここで、Ｉ：電流（ｍＡ）、Ａ：イオン交換膜の面積（ｃｍ^２）、Ｃ：塩水の濃度（ｍＭ））
10. 前記（ｃ）ステップは、
    前記係数（Ｘ）が０．２～２ｍＡ／（ｃｍ^２・ｍＭ）となる電流を印加するステップであることを特徴とする、請求項９に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法。
11. 前記（ｃ）ステップは、
    前記係数（Ｘ）が０．５～１ｍＡ／（ｃｍ^２・ｍＭ）となる電流を印加するステップであることを特徴とする、請求項９に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法。
12. 前記第１領域はイオン空乏領域（ｉｏｎ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）を含み、前記第２領域はイオン過剰領域（ｉｏｎ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｚｏｎｅ）を含む、請求項９に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法。
13. 前記イオン選択性透過膜は陽イオン交換膜である、請求項９に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法。
14. 前記電流が高いほど、前記第２領域のｐＨが低くなることを特徴とする、請求項９に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法。
15. 前記（ｃ）ステップは、
    前記塩水の濃度、及び前記（ｄ）ステップで収得される淡水の濃度（Ｃ_{ｄｅｓａｌｔｅｄ}）に基づいて、印加する電流の大きさを能動的に制御する、請求項９に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法。
16. 前記（ｂ）ステップは、
    前記塩水の濃度、及び前記（ｄ）ステップで収得される淡水の濃度（Ｃ_{ｄｅｓａｌｔｅｄ}）に基づいて、塩水の供給流量を能動的に制御する、請求項９に記載の塩水の淡水化及び水素イオン輸送方法。