(57)【要約】本発明では、光触媒を用いて液体水又は水蒸気から水素を生成する水素生成装置、及びその使用方法を提供する。本発明の水素生成装置は、液体水又は水蒸気が流通し、且つ外周側壁面の少なくとも一部が透明材料で構成されている、水流路；水素が流通し、且つ水流路の内周側に形成されている、水素流路；水流路と水素流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ水流路の液体水又は水蒸気から水素を分離して、水素流路に提供する、水素分離膜；並びに水素分離膜の水流路側表面の少なくとも一部に配置されている、光触媒層を有する。
2013021509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体水又は水蒸気が流通し、且つ外周側壁面の少なくとも一部が透明材料で構成されている、水流路、
水素が流通し、且つ前記水流路の内周側に形成されている、水素流路、
前記水流路と前記水素流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ前記水流路の液体水又は水蒸気から前記水素を分離して、前記水素流路に提供する、水素分離膜、並びに
前記水素分離膜の前記水流路側表面の少なくとも一部に配置されている、光触媒層、
を有する、水素生成装置。
【請求項２】
前記水流路の圧力が、前記水素流路の圧力よりも大きい、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記水素生成装置の前記光触媒層に対して太陽光を集光する太陽光集光部材を更に有する、請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記水流路に前記液体水又は水蒸気を供給すること、
前記透明材料で構成されている前記水流路の外側壁面を通して、前記光触媒層に対して光を照射して、前記光触媒によって液体水又は水蒸気を分解して水素及び酸素を生成すること、
前記水素分離膜によって、前記水流路の前記液体水又は水蒸気から前記水素を分離して、前記水素流路に提供すること、及び
生成された水素を前記水素流路から得ること、
を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の水素生成装置を用いて水素を生成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒を用いて液体水又は水蒸気から水素を生成する水素生成装置に関する。また、本発明は、この水素生成装置を使用して水素を生成する方法に関する。
〈関連技術〉【０００２】
近年、クリーンエネルギーである水素をエネルギー源として用いることが多く提案されている。【０００３】
水素の製造のためには、炭化水素燃料を用いた水蒸気改質が一般的に行われている。また、近年では、水の分解、特に太陽光エネルギーを用いる水の分解によって、水から水素を得ることも考慮されている。特に、水の分解による水素の生成に関して、太陽光エネルギーを用いる水の光触媒分解は、無尽蔵とも言える太陽エネルギーを利用できる点で注目されている。【０００４】
水の分解によって得られる水素、酸素及び水の混合物からの水素の分離に関して、特開２００４−３５３５６及び特開２００４−２９２２８４では、水素のみを選択的に透過させる水素分離膜を用いることを提案している。なお、特開２００８−２０７９６９では、炭化水素燃料を用いる水蒸気改質によって得た混合ガスからの水素の分離のために、水素分離膜を用いることを提案している。
【発明の概要】
【０００５】
本発明では、光触媒を用いて液体水又は水蒸気から水素を生成する水素生成装置を提供する。また、本発明では、この水素生成装置を使用して水素を生成する方法を提供する。
【０００６】
本発明の水素生成装置は、液体水又は水蒸気が流通し、且つ外周側壁面の少なくとも一部が透明材料で構成されている、水流路；水素が流通し、且つ水流路の内周側に形成されている、水素流路；水流路と水素流路との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ水流路の液体水又は水蒸気から水素を分離して、水素流路に提供する、水素分離膜：並びに水素分離膜の水流路側表面の少なくとも一部に配置されている、光触媒層を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
図１は、本発明の水素生成装置を説明する図である。
図２は、本発明の水素生成装置の他の態様を示す図である。
図３は、本発明の水素生成装置で用いることができる集光部材の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の水素生成装置は、液体水又は水蒸気から水素を生成するためのものである。
【０００９】
具体的には例えば、本発明の水素生成装置は、図１に示すような構造を有することができる。ここで、この図１に示す態様では、本発明の水素生成装置は、液体水又は水蒸気（Ｈ２Ｏ）が流通し、且つ外周側壁面（１１）の少なくとも一部が透明材料で構成されている、水流路（１２）；水素（Ｈ２）が流通し、且つ水流路（１２）の内周側に形成されている、水素流路（１８）；水流路（１２）と水素流路（１８）との間の壁面の少なくとも一部を構成しており、且つ水流路（１２）の液体水又は水蒸気から水素を分離して、水素流路（１８）に提供する、水素分離膜（１６）、並びに水素分離膜（１６）の水流路（１２）側表面の少なくとも一部に配置されている、光触媒層（１４）を有する。
【００１０】
本発明の水素生成装置の使用においては、水流路（１２）に液体水又は水蒸気を供給し、透明材料で構成されている水流路の外側壁面（１１）を通して、光触媒層（１４）に対して光（５０）を照射して、光触媒によって液体水又は水蒸気を分解して水素及び酸素を生成させ、そして水素分離膜（１６）によって、水流路から水素を分離して、水素流路（１８）に提供して、生成された水素を水素流路から得ることができる。
【００１１】
本発明の水素生成装置によれば、水素流路及び水素分離膜が水流路及び光触媒層の内周側に配置されているので、水流路の外側壁面を通して照射される光を、光触媒層で効率的に利用することができる。特に、本発明の水素生成装置によれば、生成された水素及び酸素のうちの水素のみを水素流路に供給することによって、水流路において水素と酸素が再度結合して水に戻ることを抑制できる。また特に、本発明の水素生成装置によれば、水流路に液体水を供給する場合において、液体水中における水素の気泡を減少させることができ、したがって水流路の外側壁面を通して照射される光を、光触媒層で効率的に利用することができる。
【００１２】
本発明の水素生成装置によって水素の分離を達成するためには、水流路の圧力が、水素流路の圧力よりも大きくなるようにすることが好ましい。具体的な圧力は、本発明の水素生成装置の作動温度、使用する膜の分離性能及び強度等に依存するが、例えば水流路の圧力を１気圧以上とし、且つ水素流路の圧力を水流路の圧力のよりも小さい圧力とすることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の水素生成装置による水素の生成の後で、他の装置によって、水流路の生成物から、酸素及び残部の水素を取り出すこともできる。この場合の他の装置としては、重力や遠心力等を利用した容器式の気液分離装置を挙げることができる。このように気液分離装置で処理した後の水流路の生成物は、実質的に水からなっており、したがって廃棄すること、及び／又は本発明の水素生成装置に再循環させることができる。
【００１４】
本発明において用いられる「水素分離膜」としては、酸素よりも水素を優先的に透過させることができる任意の膜を用いることができる。ここで、水素の透過量と酸素の透過量とのモル比（Ｈ２／Ｏ２）は例えば、操作温度において２以上、１０以上、５０以上、１００以上、又は１，０００以上であってよい。
【００１５】
このような水素分離膜としては多くのものが知られており、例えば特開２００８−０５５２９５、特開２００２−１２８５１２、特開２００４−００８９７１、特開２００５−３１９３８３、特開２００６−２９０６８６号公報等を参照することができる。
【００１６】
また、多孔質セラミック体や金属メッシュ等の通気性の支持体を水素分離膜に積層して用いることが、強度に関して好ましいことがある。このような通気性の支持体を用いる場合、図２（ａ）に示すように、本発明の水素生成装置（１０ａ）において、通気性の支持体（１７ａ）が水素分離膜（１６ａ）を支持しており、且つその内周側に水素流路（１８ａ）が形成されていてよい。また、このような通気性の支持体を用いる場合、図２（ｂ）に示すように、本発明の水素生成装置（１０ｂ）において、通気性の支持体（１７ｂ）が水素分離膜（１６ｂ）を支持しており、且つ水素流路（１８ｂ）を構成するようにしてもよい。
【００１７】
本発明において用いられる「光触媒層」としては、光触媒反応によって水を水素及び酸素に分解できる任意の触媒、例えば酸化チタン触媒を用いることができる。この光触媒層は任意の形状を有することができる。したがって例えば、図２（ｃ）に示すように、本発明の水素生成装置（１０ｃ）において、光触媒層（１４ｃ）は、水素分離膜（１６ｃ）の水流路側の表面の全体に配置されていてもよい。また例えば、図２（ｄ）に示すように、本発明の水素生成装置（１０ｄ）において、光触媒層（１４ｄ）は、水素分離膜（１６ｄ）の水流路側の表面の一部にのみ配置されていてもよい。また更に例えば、光触媒層は、凹凸表面を有して、水流路の液体水又は水蒸気との接触を改良することもできる。
【００１８】
本発明の水素生成装置は、光触媒層に対して太陽光を集光する太陽光集光部材を更に有することができる。このような太陽光集光部材を更に有する本発明の水素生成装置によれば、太陽光エネルギーを効率的に利用して水素を生成することを促進できる。
【００１９】
この場合の太陽光集光部材としては、パラボリックディッシュ型集光部材、ソーラータワー型集光部材、パラボリックトラフ型集光部材等をできる。具体的には、パラボリックディッシュ型集光部材は、太陽光を反射させて集光する皿状反射部と集光した光を受け取る受光部を有する太陽光集光部材であり、集光度が高く、したがって高温熱源が得られるが、コストが比較的高い。また、ソーラータワー型集光部材は、太陽光を反射させて集光する複数のヘリオスタット（反射部）と、受光タワーの上部に配置されている受光部を有する太陽光集光部材であり、集光度が大きく、したがって高温熱源が得られるが、タワーの建設費が高く、反射鏡の制御も高度の技術を要求される。また更に、パラボリックトラフ型集光部材は、太陽光を反射させて集光するトラフ型反射部と集光した光を受け取る受光部を有する太陽光集光部材であり、集光度が比較的低く、得られる熱源は低温熱源である。これらの集光部材では、いずれも、反射部がアルミニウム等の反射性の材料によって被覆されていてよい。
【００２０】
太陽光集光部材を更に有する本発明の水素生成装置は例えば、図３に示すようなものであってよい。
【００２１】
図３に示す水素生成装置（１００）では、パラボリックトラフ型の集光部材２０を有し、このパラボリックトラフ型の集光部材（２０）の集光部に、水素生成装置の水素流路（１２）、水流路（１８）等を配置している。図３に示す水素生成装置（１００）では、このように、水素生成装置の水素流路（１２）、水流路（１８）等を集光部材（２０）集光部に配置することによって、本発明の水素生成装置の光触媒（１４）に太陽光（５０）が集光されるようにしている。
【００２２】
この水素生成装置（１００）では、流路が直線的である必要はなく、必要な流路長を得るために蛇行していてもよい。
【００２３】
この水素生成装置（１００）の使用においては、水（Ｈ２Ｏ）を、矢印（３１）で示すようにして、水流路（１２）に供給し、供給された水の少なくとも一部を光触媒反応によって分解して水素及び酸素にし、これらの水素及び酸素の少なくとも一部を水素流路（１８）で回収する。その後、反応に使用されなかった水及び水に同伴される酸素（Ｈ２Ｏ＋Ｏ２）、並びに水素（Ｈ２）を、矢印（３２）で示すようにして、それぞれ水流路（１２）及び水素流路（１８）によって本発明の水素生成装置（１００）から回収する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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