(57)【要約】本発明は、過分極によって水を分解する装置および方法に関する。この装置は第１の電極および少なくとも１つの他の電極、この第１の電極および他の電極の間に配置された少なくとも１つの多孔質強誘電性層と、交流電圧またはパルス直流電圧の電源とを備えている。本発明による方法では、水を経済的に水素および酸素に分解し、工業技術的目的のための気体を得ることができる。【選択図】  図１
2009527639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．第１の電極および少なくとも１つの他の電極と、
ｂ．前記第１の電極と前記他の電極の間に配置された少なくとも１つの多孔質強誘電性層と、
ｃ．交流電圧またはパルス直流電圧の電源と、
を含む水の分解装置。
【請求項２】
前記電極は、グリッド電極として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電極は、特にＶ２ＡまたはＶ４Ａのステンレス鋼、貴金属、パラジウムおよびそれらの合金、導電性セラミックス、または導電性ポリマーで形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記多孔質強誘電性層は、有機強誘電体、特にハロゲン化炭化水素、特にテトラフルオロエチレンなどのエレクトレット、シクロヘキサン−１，１’−二酢酸、硫酸トリグリシン、および無機強誘電体、特にセラミック強誘電体、望ましくはペロブスカイト構造を有するイオン結晶、望ましくはチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ジルコン酸チタン酸鉛、タンタル酸ストロンチウムビスマス、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスランタン、ニオブ酸チタン酸ビスマス、ならびにこれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１つの材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記セラミック強誘電体はさらに、非強誘電性の添加物、特に表面活性（Ｓurface Ａctivating)および／または表面拡大（Ｓurface Ｅnlarging）物質、望ましくは金属酸化物、特に酸化アルミニウムなどの触媒または、および／またはゼオライトを含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記交流電圧の電源は周波数発生器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記交流電圧はメガヘルツからギガヘルツの範囲の周波数を示すことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記周波数発生器と装置の間にフィルタ回路が設けられていることを特徴とする請求項５または６記載の装置。
【請求項９】
前記フィルタ回路は図４に記載のように設計されていることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項１０】
八面体の形状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
円柱形、截頭錐体形、または図５に記載の複合ドーナツ型に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
ａ．水を請求項１〜１１の少なくとも１つに記載の装置に接触させ、
ｂ．交流電圧を請求項１〜１１に記載の装置の電極に印加して、前記装置内で水を基本的に水素ガスおよび酸素ガスに分解し、
ｃ．作り出された気体を取り除く
ことからなる水の分解方法。
【請求項１３】
前記作り出された気体は、熱併給発電所または燃焼機関で燃料ガスとして、または望ましくは溶接のための工業技術用ガス混合物として使用されるか、または前記気体は酸素と水素に分離されて別々に使用されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記水素は燃料電池に使用可能なことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１にかかる水の分解装置および請求項１２にかかる水の分解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油・ガスの資源が枯渇しつつあるという事実に鑑み、また、産業・家庭・燃焼機関から排出される多量の二酸化炭素によって引き起こされる化石燃料の燃焼にともなう気候の問題という観点からも、化石燃料をより環境に優しいエネルギーやそれを使用したシステムに替えていくことが望まれている。
【０００３】
この意味からは、原理的には、水素を純酸素や空気とともに燃焼させることが適している。そこから排出される気体は基本的に水蒸気のみから成るものである。
【０００４】
水素は酸素の存在下では爆発しやすいため、水素を燃焼機関に用いることには問題があることは事実である。しかしながら、水素を輸送機関に安全に供給するための技術的課題はすでにほとんど解決されている。
【０００５】
例えばミュンヘン空港では、水素を供給するための水素ステーションを稼働させて、空港敷地内でバスを走らせるのに使用している。
【０００６】
これは空港の高度な安全基準に照らしても可能であるため、輸送機関に水素を供給することに関しての基本的な安全上の問題は、実際にはすでに解決済みであると考えられる。
【０００７】
しかしながら、水素を少ないエネルギーで環境に優しく製造するという課題は、いまだ解決されていない。
【０００８】
水素が多くの分野で商業的に用いられるようになってから１００年以上がたつ。水素は主に、化学工業・半導体産業・硝子工業・金属工業で合成ガスとして使用されており、また、ロケット燃料としても使用されている。現在では、約５０００〜６０００億立方メートルの水素が必要とされている。
【０００９】
水素は、無色・無臭・無味の軽量な（空気の約１４．４倍の軽さであり、密度は０．８９８８ｋｇ／ｍ3である）気体である。また、水素の比熱容量は１０．８ＭＪ／ｍ3であり、融点は１４．１５Ｋ、沸点は２０．３５Ｋである。
【００１０】
水素はいわゆる二次エネルギー担体である。水素は、純物質としての分子形態では得ることができず、通常化合物の形態で存在する。地球上で、水素は水の形態で最も蓄えられている。
【００１１】
よって、水素エネルギーを利用するためには、水素化合物から水素を放出させるために多くのエネルギーを消費しなければならない。現在では水素は主として化石エネルギーから製造されている。この場合、主に天然ガスのいわゆる水蒸気改質によって製造される。より初期の時代には、石炭をガス化していわゆる「都市ガス」を製造していたが、そのガスは６０％の水素を含んでいた。さらに、水素は、塩素の製造や酸中での非貴金属の溶解などの化学工程あるいは石油工業における精製工程の副産物として製造されている。
【００１２】
しかし、従来の水素の製造方法では環境に対して有害な排出物が発生するため、再生できるエネルギー源によって水素を製造することがますます重要になってきている。一つの可能性としては、バイオマスの気体化による水素の製造がある。
【００１３】
この方法を改良すれば、炭化水素を含むすべての物質を気体化することが、少なくとも理論的には可能である。
【００１４】
しかし、この技術の欠点として、水素だけではなく大量の二酸化炭素まで発生させてしまうということである。二酸化炭素は温室効果ガスであるため、これもまた望ましくない。
【００１５】
さらに、上記生物学的工程は温度に依存するので、製造される水素等の量が変動してしまう。増大するバイオマスから実用的な量の水素を製造する概念の一つが、たとえばＵＲＬ  www.bio-wasserstoff.de/h2/に記載されている。
【００１６】
その他の水素製造の可能性としては、望ましくはイオン含有量が高い水を電気分解するというものがあり、これは電流を用いて水の分子を水素と酸素に分解するというものである。この方法では、水素イオンの陰極還元によって水素分子が作られる一方で、陽極では水酸化物イオン中の酸素が陽極酸化されることによって酸素分子が作られる。そして、両方の気体は別々に捕捉され、保存容器に回収され、精製されて、最終的には圧縮機により例えば高圧タンクや高圧ボトルのような圧力タンクの中に保存される。
【００１７】
現在の技術の状況では、基本的に水の電気分解では少量の水素しか製造できない。なぜなら、電気分解によって水素を大量に製造しようとすれば、いわゆる過電圧現象のようなさまざまな理由で相対的にエネルギーを多く消費してしまうからである。たとえば、ドイツ特許公開第２１４７３１２号は、マイクロ自己生産型溶接装置（Micro Autogenous Welding Apparatus)を開示している。ドイツ特許公開第２１４７３１２号には、アルカリ液を電解質として用い、電極を備えた、給送装置とオフテイク管(Offtake Tube)を有する反応装置内で、水の電気分解により酸水素ガスから溶接炎を作り出す装置であって、さらに電極の電力供給のための変圧器、およびオフテイク管からバーナーに通じるガスの取り出し管を備えた装置であり、このガスの取り出し管は、必要に応じて戻り止め弁ならびにフィルタおよび／または安全装置を備えており、前記電極は板状または薄板状である装置が開示されている。
【００１８】
しかし、このような電気分解装置は少量の水素ガスを製造するのにしか適していない。
【００１９】
さらに、ドイツ特許公開第１８１７７１９号には、いわゆる電気運動装置（Electrokinetic Devices)のためのセラミック製隔壁が記載されており、この発明では液体を多孔質の担体とくにセラミックスにポンプで送り込むことによって電荷分離を起こさせて、電気運動発生機（Electrokinetical Generator)のように電圧を得ることができる。
【００２０】
上述した現在の技術に対して、本発明の目的は、コスト効率のよい方法で、可能であれば石油資源を使う必要なく、水を分解することによって水から十分な量の水素を得るための電気化学的装置および方法を提供することである。
【００２１】
装置に関しては、この目的は請求項１に記載の特徴で解決される。
【００２２】
方法に関しては、この目的は請求項１２に記載の特徴で解決される。
【００２３】
従属項は、本発明の好適な実施例を代表するものである。
【００２４】
本発明は、直流および金属製の電極を用いることによる従来の電気分解法と比較して、より効率的に水を分解できるようにすることである。従来の方法では、最大で２０％の効率しか得ることができない。しかし、本発明の目的は、９０％超の効率を達成することであり、最終的には、１キロワットの発電機を稼働させることが可能な新規な反応器のモジュールを製造することである。その目標は、かなり小規模でより操作性の高い装置を提供することである。本発明の方法は、特に燃料や合成ガスの製造などの他の用途への応用にあたって、適宜変更することが可能である。
【００２５】
本発明を用いて製造した水素は、これまでは化石エネルギー担体が用いられてきた燃焼装置で使用することができる。もちろん、発電用の電気化学Ｈ2／Ｏ2燃料電池を稼働するのにも使用することができる。
【００２６】
特に、本発明の目標は、単純な金属製の電極の代わりにいわゆる傾斜材料（Gradient Material)を提供することであり、また、本発明の電気的触媒法による電気的刺激(Electrical Stimulation)を最適化することである。
【００２７】
本発明の方法（材料のグレーディング（Grading)・回路の特徴）は、以下のような理論的原理に基づいているが、これに限定されるものではない。
【００２８】
原理I：
誘電率が膜層ごとに増加する、グレーディングは電気的分散効果（Electric Dispersion Effects)の利用を可能とし得る。通路方向へ誘電率がしだいに増加し、膜層の厚みが減少すると、刺激の頻度が（適切な範囲内にとどまったままで）増加した場合、刺激プロセスは膜層ごとに自らを制御することすら可能である。
【００２９】
原理II：
気孔率（気孔の数および大きさ）をグレーディングした場合には、膜層内の水の分散性の増加（毛管効果に依存）が起こる可能性がある。膜の内部表面を可能な限り大きくすれば、それにともなって水の分解速度も上昇する。
【００３０】
原理III：
発明者はすでに待機電力が発生しない対応する回路を開発した（本発明の枠組みの中で説明する）。これらの回路は今回の場合にも利用可能である。
【００３１】
原理IV：
本発明にかかる方法は、従来定義されてきたような電気分解ではなく、電場を使用した水の双極分子（Molecular Water Dipoles)の「過分極」によるものである。ここでは、電極における酸化還元のプロセスがほとんど起こらず、電流はほとんど流れない。使用するセラミックスにおける電荷は概ね静止している状態である。水を誘電率が８１（すなわちＨ2Ｏの誘電率）を超える膜層に通すと、その水は分解する（過分極状態となる）。安定した水素結合はネットを形成し、部分的に分離した水は反応場所としての細孔内で気体を形成する。その内表面は巨大で少なくとも部分的に微細分極しているため、溶解した有効成分の分散は、例えば製薬用などに適用することができる。
【００３２】
本装置について実験室規模の試験を行った。電極・中間セラミック層・電気的刺激による水の分解は、以下に詳述する通り、実現できた。したがって、本発明は実施可能である。
【００３３】
本発明で用いられているようなグレーディングをしたセラミック膜の製造および使用は、水から水素を製造するための反応器においては、要となる技術である。これによって、例えば合成化学分野から水を利用したモータや発電機の駆動源の構築に至るまで使用可能な新たな化学反応器が開発されることは大いにあり得る。これについては、２サイクルエンジンを用いて試験を行った。
【００３４】
本発明は、当時すでに地球規模の気候変動が急速に進んでいることを示した２００３年夏の気温を考えても、特に重要なものである。なぜなら、この新しい膜技術は生態系に配慮し経済的にも理に適った方法で水素を製造する可能性をもたらし、重大な生態学的および経済的課題を解決できるかもしれないからである。
【００３５】
Ｈ2／Ｏ2混合物から分離した水素は、たとえば受動的に分離された水素でも、地上輸送機関・飛行機・宇宙船などの他の燃料と十分に競い合うことができる。
【００３６】
本発明の枠組みの中では、最適化された水素の製造方法が提供される。過去には、エネルギー担体としての水素を基礎としたエネルギー技術や駆動技術の開発に、広範囲にわたって徹底的な努力が行われた。
【００３７】
燃料電池や水素エンジンなどのすでに十分開発された技術の中には、残念ながら全面的な実用化の機会がほとんどないものもある。この意味において、水素の製造は今までは高価なものであった。しかし、この点は本発明によって変わると考えられる。
【００３８】
すなわち、セラミックを基礎とした新規な反応器は、水素製造の効率を飛躍的に改良し、上記矛盾を克服する手助けとなる可能性がある。環境目的で必要とされる技術は、経済的な障害をはるかに早く克服し、まもなく大規模に使用できるようになることは、大いにあり得ることである。
【００３９】
さらに、導入部で述べたように、水素は化学における基本的物質として高い需要がある。
【００４０】
本発明は新しいタイプの反応器の概念を提供するものである。これまで行った実験は非常に有望なものである。最初の試験によれば、この反応器は電気化学的な水の分解に適しているだけではなく、他の化学的・物理的な目的にも応用することが可能である。したがって、これは現実的な基礎と要となる技術をそれぞれ意味している。
【００４１】
あらゆる大きさの膜および膜スタック（Membrane Stacks)を使用し、本発明の装置において強誘電体であると同時に多孔質であるように形成することは、本発明の核心である。このような種類の膜および膜製品は、以下の特徴を示す。
【００４２】
１．有機材料および／または無機材料からなる膜および／または膜製品は、強誘電体であると同時に多孔質である。
【００４３】
これらはまた、電気分散効果を利用するための膜層の誘電率のグレーディングを示す。さらに、個々の多孔質膜層の厚みが減少すれば（層の厚みのグレーディング）、媒体の通過方向に見られる誘電率は上昇する。
【００４４】
反応媒体の通過方向における膜層の多孔性（すなわち気孔の数および大きさ）のグレーディングにより、分散性が増加し、可能な限り大きな内部の反応面が作り出されることになる。
【００４５】
強誘電性であると同時に多孔質であるという特徴を備えた、グレーディングをした膜を製造し使用することにより、新たな化学的および／または物理的反応器ならびにフィルタを開発することができる。
【００４６】
強誘電性であると同時に多孔質であるという特徴を備えたグレーディングをした膜を使用する主要な分野としては、ガス発生器が挙げられる。
【００４７】
本発明によれば、水の熱運動を制限し、分子を分極させ、ＯＨ結合が壊れるまでＯＨ伸縮振動を増強させる強誘電性膜の細孔内いわゆるローレンツ場によって、従来のＨ2ガス発生器の効率を高めることができる。本発明における膜は工業技術用ガスを得るために水の分解することに使用することができる。
【００４８】
本発明の他の利点や特徴は、実施例についての記述と図面から明らかになるであろう。
【００４９】
図において、
図１は、強誘電性および多孔質という特徴を備えた膜の基本的構造を示す。
図２は、スタック化した強誘電性膜の複合体の基本構造を示し、ここでは截頭八面体の形状を有し、誘電率と多孔性が高くなるように配置した頭頂部に向かって層の厚みが減少するようになっている。
図３は、ナノ細孔における電場の図である。
図４は、共振周波数を発生させるためのフィルタ回路である。
図５は、モリブデン、アルミニウム、金からなるグリッド電極を備えた焼結セラミック板である。
図６は、本発明において使用される多孔質強誘電性セラミックの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
図７は、本発明において使用されるチタン酸バリウムのＸ線回析図である。
図８は、本発明において使用される多孔質強誘電性セラミックの細孔径分布曲線である。
図９は、本発明において使用される多孔質強誘電性セラミック層のドーナツ型の実施例である。
【００５０】
水の分解反応器にも用いることが可能な、本発明の装置で使用される多孔質強誘電性セラミック板の製造例
１．粉体の製造
セラミック混合酸化物の技術を使用して、９５モル％のチタン酸バリウムと５モル％のチタン酸ストロンチウムからなるモル組成を有する変性チタン酸バリウムの２つの粉末体を、酸化物原料粉末を用いて実験室規模で作製した。原料粉末混合物の熱処理を行い（焼成）、純粋な正方晶系のペロブスカイト構造を得る（図７に示すＸ線回析パターンを参照）。Ｘ線回折パターンはＡＳＴＭ規格に登録されたチタン酸バリウム化合物と４０％チタン酸バリウムストロンチウムの間である。ドラム・ミルで粉砕した後、押し出し成形可能な粉末が得られた。この粉末の９０重量パーセントは、１０μｍ未満の微粉度を有するものである。
【００５１】
２．成形および焼成
実験室用ブラベンダー・ミキサー内で、適切なバインダー・潤滑剤・水分保持剤をこの粉末に添加し、硬質であるが可塑性があり、押し出し可能な固形物を製造する。この特殊な粉末組成物のためには、可塑化の処方を変更する必要があることが明らかになった。特別に設計された押し出し具を備えたブラベンダー真空スクリュー型押出機を使用し、この硬質であるが可塑性のある固形物から、断面が１．３×２８ｍｍの筋状のセラミック前駆成形体を製造した。
【００５２】
酸化性雰囲気下、１２２０℃で有機性補助剤（Organic Adjuvants)を注意深く熱分解したのち、この前駆成形体を焼成した。横方向の収縮は約３％である。
【００５３】
３．メタライゼーション
電極を形成するためのメタライゼーションは、スクリーン印刷法で行った。適切なグリッド電極構造を有する印刷用スクリーンの試験を行った。電極の部分では、１×１ｍｍの凹部が２０９個、１ｍｍ間隔で存在している。銀、金、アルミニウム、銅、モリブデンを主成分とするスクリーン印刷用ペーストで予備試験を行った。銀は、直流電圧の場合、電解質内に移動するため適当でない。銅は還元することでしか焼結できず、還元により焼結後にはチタン酸バリウムセラミックに固着することができない。したがって、特に、金、アルミニウム、モリブデンからなるグリッド電極が、本発明の目的に対して適切である。
【００５４】
図５に、それぞれ金、アルミニウム、モリブデンからなるグリッド電極を備えたセラミック層の例を示す。試験の結果、３種類の金属はすべて本発明の目的に対して適切であることがわかったが、金が最も適切である。
【００５５】
４．セラミック材料の特徴
セラミック材料の予備的なキャラクタリゼーションとして、開気孔率と誘電的挙動について調べた。
【００５６】
開気孔率は約３８％であり、望ましい範囲内にある。水銀ポロシメトリーによる測定結果によれば、細孔径分布（図８参照）は、９５％の細孔が７００ｎｍ〜１５００ｎｍという狭い範囲内に分布していることを示している。
【００５７】
焼結セラミックの表面の走査電子顕微鏡による観察では（図６参照）、焼結は、目標通り、粒子内でのいわゆるシンターネック（Sinter Necks）の生成という初期段階を超えていないことがわかる。通常、チタン酸バリウムに典型的に発生する、顕著な結晶粒の成長も起きなかった。
【００５８】
試料の静電容量の最初の測定結果は、Ｃ＝３．５ｎＦおよびｔａｎｄ＝０．０１であり、これは約７３０の比誘電率に対応する。高電圧による測定は、装置事情により、最初は１５００Ｖまでに限定された。このような条件では、強誘電体ヒステリシスの飽和はまだ起きない。図９に示すように、チタン酸バリウムセラミックをドーナツ型とした場合、特に広い表面が得られる。
【００５９】
本発明は、水分解反応器として使用可能な装置において、多孔質強誘電体セラミックを用いるものであり、商業的に水素および酸素を製造することに利用することができる。
【００６０】
図５および図６に示す実施例で製造される多孔質強誘電体層を、セラミック層の例において、１％水酸化ナトリウム溶液に浸漬し、図４に示すフィルタ回路によって交流電圧またはパルス直流電圧を印加した。
【００６１】
この電子フィルタ回路は、以下「ＺＩＭ−ＺＵＭ」と称し、以下の実施例で説明するが、交流電圧の操作に適したものである。
【００６２】
電子ＺＩＭ−ＺＵＭ回路は、以下の構造的特徴および性質を兼ね備えていることに特徴がある。
【００６３】
キャパシタ２，３，４，５は一連に接続されている。ダイオード１は、図４に示すように、キャパシタに対して平行に接続されている。さらに、本発明にかかる回路は、図４に６，７，８，９，１０，１１，１２，１３として示すようにオープン・フィールド・コイルとして誘導性を示し、図４に示すように平行に接続されている。
【００６４】
交流電圧が全回路の入力側に供給され、図４に示すように、メガヘルツからギガヘルツまでの範囲の周波数を持つ高周波交流電圧が回路の出力側に存在する。
【００６５】
図５に示す回路の構成要素は、増幅段階(Amplification Stage)または増幅効果のある多段カスケード(Multistage Cascade)を形成する。このカスケードは９０％超の効率で働く。
【００６６】
ＺＩＭ−ＺＵＭ回路はカスケード回路であり、数種の共振周波数を示す。これはいわゆるリターン・フロー減衰(Return Flow Attenuation)を示す。この回路では、電流・電圧はほとんど同期している。このため、ＺＩＭ−ＺＵＭ回路は９０％超の効率を有することになり、待機電力はほとんど発生しない。機械的アナロジーとしては、２つのサイドアームを備え、交互に水を出す送水ポンプを挙げることができる。同様に、ダイオードは水の逆流に対するポンプ・バルブのような機能を有する。図４に示すコイルの装置は、不均一な交代磁場を作り出す。このフィールド・コイルの概念上・事実上の磁場強度は、回路の出力側において最大となる。
【００６７】
このように、これを説明する機械的アナロジーは、２つのサイドアームを備え、そのアームが交互に操作される送水ポンプである。このポンプは個別のモジュールから構成される。過電圧、すなわちキャパシタにおける圧力差は、出力方向に向かって非常に増大する。流れを変化させることについては、まず最初に、管の断面を２つの中間モジュールにする。この中間モジュールから出口方向に向かって、管の断面積は非常に増大し、いわゆるプル(Pull)までも増大させる。ＺＩＭ−ＺＵＭ回路は、特に多段増幅器として作用する。キャパシタに平行にダイオードが接続されているため、いわゆるリターン・フロー減衰が生じる。図４の回路は同相の電流・電圧入力が重要とされるすべての装置で使用することができる。
【００６８】
図４に示した回路の効果の代表例を以下に示す。
１は、１Ｎ４００７型のダイオードである。
２は、１００ｎＦの容量を持つキャパシタである。
３は、４７ｎＦの容量を持つキャパシタである。
４は、３３ｎＦの容量を持つキャパシタである。
５は、１０ｎＦの容量を持つキャパシタである。
６は、３．３ｍＨのインダクタンスである。
７は、３．３ｍＨのインダクタンスである。
８は、２．２ｍＨのインダクタンスである。
９は、２．２ｍＨのインダクタンスである。
１０は、１ｍＨのインダクタンスである。
１１は、１ｍＨのインダクタンスである。
１２は、４．７ｍＨのインダクタンスである。
１３は、４．７ｍＨのインダクタンスである。
【００６９】
公知技術とは異なり、本発明による方法は電気分解装置ではなく、いわゆる過分極化装置である。つまり、水が分子レベルで、短寿命な中間的なラジカルを介して作り出されるということであり、水素イオンや水酸化物イオンを介して、あるいは電流移動を介してではないということである。しかし、本発明の装置を使って水の双極子の分解が起きるのは、ナノ細孔中の恒久的な電場による「バイアス電圧」、すなわち、例えば図３に示したいわゆるローレンツ場が、入力された電磁インパルスと組み合わさるためである。よって、従来技術に記載されているような電流によってではなく、主に電場と共振効果によって水の分子を分裂させることが可能である。
【００７０】
セラミック膜の中では、分画されたガスが反対方向に移動しながら作り出される。
【００７１】
細孔中で電場を平行に方向付けることにより、水分子の熱運動が制限され、電場と共振効果によるＯＨ伸縮運動が増加する。
【００７２】
本発明の目的のために、上述した多孔質、特にナノ細孔による多孔質であり、かつ、強誘電性の層または膜は、水のクラスターをいくらか機械的に分解できるようにするために必要であることがわかった。細孔内の水のクラスターが分解すると、水は約３０℃ですでに気相となる。
【００７３】
ここで使用される強誘電性のセラミック板は、その３分の１が１％水酸化ナトリウム溶液に覆われると、全体に浸透する。このように、このセラミック板は湿潤性があり、毛細管吸入渦（Capillary Suction Vortex）を生成する。
【００７４】
さらに、多孔質強誘電性層の内表面で電場および共振効果を増強させるため、交流電圧、あるいは（パルス直流電圧を上記セラミック板に）印加しなければならない。こうすることで、最終的には水を分解する。
【００７５】
Ｈ2／Ｏ2は（必要であれば）分別蒸留や膜分離、金属水素化物としてのＨ2の捕捉などの公知の方法によって分離される。
【００７６】
本発明によって、１時間あたり約３００〜５００ｍｌの水素を実験室規模でＫＯＨ電解質中で製造することができた。
【００７７】
フィルタ回路に必要なエネルギーは最小限のもので済む。したがって、本発明は、環境を破壊しないやり方で水から十分な量の水素を作り出す経済的な方法を、初めて提供するものである。
【００７８】
太陽エネルギー由来の交流電圧をフィルタ回路に用いれば、この方法はさらに環境に優しいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】強誘電性および多孔質という特徴を備えた膜の基本的構造である。
【図２】スタック化した強誘電性膜の複合体の基本構造である。
【図３】ナノ細孔における電場の図である。
【図４】共振周波数を発生させるためのフィルタ回路である。
【図５】モリブデン、アルミニウム、金からなるグリッド電極を備えた焼結セラミック板である。
【図６】本発明において使用される多孔質強誘電性セラミックの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】本発明において使用されるチタン酸バリウムのＸ線回析図である。
【図８】本発明において使用される多孔質強誘電性セラミックの細孔径分布曲線である。
【図９】本発明において使用される多孔質強誘電性セラミック層のドーナツ型の実施例である。
【図１】
2009527639.tif 000003
【図２】
2009527639.tif 000004
【図３】
2009527639.tif 000005
【図４】
2009527639.tif 000006
【図５】
2009527639.tif 000007
【図７】
2009527639.tif 000008
【図８】
2009527639.tif 000009
【図６】
2009527639.tif 000010
【図９】
2009527639.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月7日(2008.5.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．第１の電極および少なくとも１つの他の電極と、
ｂ．前記第１の電極と前記他の電極の間に配置された少なくとも１つの多孔質強誘電性層と、
ｃ．交流電圧の電源と、
を含む水の分解装置。
【請求項２】
前記電極は、グリッド電極として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電極は、特にＶ２ＡまたはＶ４Ａのステンレス鋼、貴金属、パラジウムおよびそれらの合金、導電性セラミックス、または導電性ポリマーで形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記多孔質強誘電性層は、有機強誘電体、特にハロゲン化炭化水素、特にテトラフルオロエチレンなどのエレクトレット、シクロヘキサン−１，１’−二酢酸、硫酸トリグリシン、および無機強誘電体、特にセラミック強誘電体、望ましくはペロブスカイト構造を有するイオン結晶、望ましくはチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ジルコン酸チタン酸鉛、タンタル酸ストロンチウムビスマス、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスランタン、ニオブ酸チタン酸ビスマス、ならびにこれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１つの材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記セラミック強誘電体はさらに、非強誘電性の添加物、特に表面活性および／または表面拡大物質、望ましくは金属酸化物、特に酸化アルミニウムなどの触媒または、および／またはゼオライトを含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記交流電圧の電源は周波数発生器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記交流電圧はメガヘルツからギガヘルツの範囲の周波数を示すことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記周波数発生器と装置の間にフィルタ回路が設けられていることを特徴とする請求項５または６記載の装置。
【請求項９】
前記フィルタ回路は以下のように設計されていることを特徴とする請求項７記載の装置。
2009527639.tif 000012
【請求項１０】
前記多孔質強誘電性層は、八面体の形状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記多孔質強誘電性層は、円柱形、截頭錐体形、または複合ドーナツ型に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
ａ．水を請求項１〜１１の少なくとも１つに記載の装置に接触させ、
ｂ．交流電圧を請求項１〜１１に記載の装置の電極に印加して、前記装置内で水を基本的に水素ガスおよび酸素ガスに分解し、
ｃ．作り出された気体を取り除く
ことからなる水の分解方法。
【請求項１３】
前記作り出された気体は、熱併給発電所または燃焼機関で燃料ガスとして、または望ましくは溶接のための工業技術用ガス混合物として使用されるか、または前記気体は酸素と水素に分離されて別々に使用されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月7日(2008.11.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．第１の電極および少なくとも１つの他の電極と、
ｂ．前記第１の電極と前記他の電極の間に配置された少なくとも１つの多孔質強誘電性層と、
ｃ．交流電圧の電源と、
を含む水の分解装置。
【請求項２】
前記電極は、グリッド電極として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電極は、特にＶ２ＡまたはＶ４Ａのステンレス鋼、貴金属、パラジウムおよびそれらの合金、導電性セラミックス、または導電性ポリマーで形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記多孔質強誘電性層は、有機強誘電体、特にハロゲン化炭化水素、特にテトラフルオロエチレンなどのエレクトレット、シクロヘキサン−１，１’−二酢酸、硫酸トリグリシン、および無機強誘電体、特にセラミック強誘電体、望ましくはペロブスカイト構造を有するイオン結晶、望ましくはチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ジルコン酸チタン酸鉛、タンタル酸ストロンチウムビスマス、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスランタン、ニオブ酸チタン酸ビスマス、ならびにこれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１つの材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記セラミック強誘電体はさらに、非強誘電性の添加物、特に表面活性および／または表面拡大物質、望ましくは金属酸化物、特に酸化アルミニウムなどの触媒および／またはゼオライトを含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記交流電圧の電源は周波数発生器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記交流電圧はメガヘルツからギガヘルツの範囲の周波数を示すことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記周波数発生器と装置の間にフィルタ回路が設けられていることを特徴とする請求項６または７記載の装置。
【請求項９】
前記多孔質強誘電性層は、八面体の形状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記多孔質強誘電性層は、円柱形、截頭錐体形、または複合ドーナツ型に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
ａ．水を請求項１〜１０のいずれかに記載の装置に接触させ、
ｂ．交流電圧を当該装置の電極に印加して、当該装置内で水を基本的に水素ガスおよび酸素ガスに分解し、
ｃ．作り出された気体を取り除く
ことからなる水の分解方法。
【請求項１２】
前記作り出された気体は、熱併給発電所または燃焼機関で燃料ガスとして、または望ましくは溶接のための工業技術用ガス混合物として使用されるか、または前記気体は酸素と水素に分離されて別々に使用されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水の分解装置および水の分解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油・ガスの資源が枯渇しつつあるという事実に鑑み、また、産業・家庭・燃焼機関から排出される多量の二酸化炭素によって引き起こされる化石燃料の燃焼にともなう気候の問題という観点からも、化石燃料をより環境に優しいエネルギーやそれを使用したシステムに替えていくことが望まれている。
【０００３】
この意味からは、原理的には、水素を純酸素や空気とともに燃焼させることが適している。そこから排出される気体は基本的に水蒸気のみから成るものである。
【０００４】
水素は酸素の存在下では爆発しやすいため、水素を燃焼機関に用いることには問題があることは事実である。しかしながら、水素を輸送機関に安全に供給するための技術的課題はすでにほとんど解決されている。
【０００５】
例えばミュンヘン空港では、水素を供給するための水素ステーションを稼働させて、空港敷地内でバスを走らせるのに使用している。
【０００６】
これは空港の高度な安全基準に照らしても可能であるため、輸送機関に水素を供給することに関しての基本的な安全上の問題は、実際にはすでに解決済みであると考えられる。
【０００７】
しかしながら、水素を少ないエネルギーで環境に優しく製造するという課題は、いまだ解決されていない。
【０００８】
水素が多くの分野で商業的に用いられるようになってから１００年以上がたつ。水素は主に、化学工業・半導体産業・硝子工業・金属工業で合成ガスとして使用されており、また、ロケット燃料としても使用されている。現在では、約５０００〜６０００億立方メートルの水素が必要とされている。
【０００９】
水素は、無色・無臭・無味の軽量な（空気の約１４．４倍の軽さであり、密度は０．８９８８ｋｇ／ｍ3である）気体である。また、水素の比熱容量は１０．８ＭＪ／ｍ3であり、融点は１４．１５Ｋ、沸点は２０．３５Ｋである。
【００１０】
水素はいわゆる二次エネルギー担体である。水素は、純物質としての分子形態では得ることができず、通常化合物の形態で存在する。地球上で、水素は水の形態で最も蓄えられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
よって、水素エネルギーを利用するためには、水素化合物から水素を放出させるために多くのエネルギーを消費しなければならない。現在では水素は主として化石エネルギーから製造されている。この場合、主に天然ガスのいわゆる水蒸気改質によって製造される。より初期の時代には、石炭をガス化していわゆる「都市ガス」を製造していたが、そのガスは６０％の水素を含んでいた。さらに、水素は、塩素の製造や酸中での非貴金属の溶解などの化学工程あるいは石油工業における精製工程の副産物として製造されている。
【００１２】
しかし、従来の水素の製造方法では環境に対して有害な排出物が発生するため、再生できるエネルギー源によって水素を製造することがますます重要になってきている。一つの可能性としては、バイオマスの気体化による水素の製造がある。
【００１３】
この方法を改良すれば、炭化水素を含むすべての物質を気体化することが、少なくとも理論的には可能である。
【００１４】
しかし、この技術の欠点として、水素だけではなく大量の二酸化炭素まで発生させてしまうということである。二酸化炭素は温室効果ガスであるため、これもまた望ましくない。
【００１５】
さらに、上記生物学的工程は温度に依存するので、製造される水素等の量が変動してしまう。増大するバイオマスから実用的な量の水素を製造する概念の一つが、たとえばＵＲＬ  www.bio-wasserstoff.de/h2/に記載されている。
【００１６】
その他の水素製造の可能性としては、望ましくはイオン含有量が高い水を電気分解するというものがあり、これは電流を用いて水の分子を水素と酸素に分解するというものである。この方法では、水素イオンの陰極還元によって水素分子が作られる一方で、陽極では水酸化物イオン中の酸素が陽極酸化されることによって酸素分子が作られる。そして、両方の気体は別々に捕捉され、保存容器に回収され、精製されて、最終的には圧縮機により例えば高圧タンクや高圧ボトルのような圧力タンクの中に保存される。
【００１７】
現在の技術の状況では、基本的に水の電気分解では少量の水素しか製造できない。なぜなら、電気分解によって水素を大量に製造しようとすれば、いわゆる過電圧現象のようなさまざまな理由で相対的にエネルギーを多く消費してしまうからである。たとえば、ドイツ特許公開第２１４７３１２号は、マイクロ自己生産型溶接装置（Micro Autogenous Welding Apparatus)を開示している。ドイツ特許公開第２１４７３１２号には、アルカリ液を電解質として用い、電極を備えた、給送装置とオフテイク管(Offtake Tube)を有する反応装置内で、水の電気分解により酸水素ガスから溶接炎を作り出す装置であって、さらに電極の電力供給のための変圧器、およびオフテイク管からバーナーに通じるガスの取り出し管を備えた装置であり、このガスの取り出し管は、必要に応じて戻り止め弁ならびにフィルタおよび／または安全装置を備えており、前記電極は板状または薄板状である装置が開示されている。
【００１８】
しかし、このような電気分解装置は少量の水素ガスを製造するのにしか適していない。
【００１９】
さらに、ドイツ特許公開第１８１７７１９号には、いわゆる電気運動装置（Electrokinetic Devices)のためのセラミック製隔壁が記載されており、この発明では液体を多孔質の担体とくにセラミックスにポンプで送り込むことによって電荷分離を起こさせて、電気運動発生機（Electrokinetical Generator)のように電圧を得ることができる。
【００２０】
上述した現在の技術に対して、本発明の目的は、コスト効率のよい方法で、可能であれば石油資源を使う必要なく、水を分解することによって水から十分な量の水素を得るための電気化学的装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、以下の＜１＞〜＜１２＞の発明に係るものである。
＜１＞  ａ．第１の電極および少なくとも１つの他の電極と、ｂ．前記第１の電極と前記他の電極の間に配置された少なくとも１つの多孔質強誘電性層と、ｃ．交流電圧の電源と、を含む水の分解装置。
＜２＞  前記電極は、グリッド電極として形成されている前記＜１＞に記載の装置。
＜３＞  前記電極は、特にＶ２ＡまたはＶ４Ａのステンレス鋼、貴金属、パラジウムおよびそれらの合金、導電性セラミックス、または導電性ポリマーで形成されている前記＜１＞または＜２＞記載の装置。
＜４＞  前記多孔質強誘電性層は、有機強誘電体、特にハロゲン化炭化水素、特にテトラフルオロエチレンなどのエレクトレット、シクロヘキサン−１，１’−二酢酸、硫酸トリグリシン、および無機強誘電体、特にセラミック強誘電体、望ましくはペロブスカイト構造を有するイオン結晶、望ましくはチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ジルコン酸チタン酸鉛、タンタル酸ストロンチウムビスマス、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスランタン、ニオブ酸チタン酸ビスマス、ならびにこれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１つの材料から形成されている前記＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の装置。
＜５＞  前記セラミック強誘電体はさらに、非強誘電性の添加物、特に表面活性および／または表面拡大物質、望ましくは金属酸化物、特に酸化アルミニウムなどの触媒および／またはゼオライトを含む前記＜４＞に記載の装置。
＜６＞  前記交流電圧の電源は周波数発生器である前記＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の装置。
＜７＞  前記交流電圧はメガヘルツからギガヘルツの範囲の周波数を示すことを特徴とする前記＜６＞に記載の装置。
＜８＞  前記周波数発生器と装置の間にフィルタ回路が設けられている前記＜６＞または＜７＞記載の装置。
＜９＞  前記多孔質強誘電性層は、八面体の形状である前記＜１＞〜＜８＞のいずれかに記載の装置
＜１０＞  前記多孔質強誘電性層は、円柱形、截頭錐体形、または複合ドーナツ型に形成されている前記＜１＞〜＜８＞のいずれかに記載の装置。
＜１１＞  ａ．水を前記＜１＞〜＜１０＞のいずれかに記載の装置に接触させ、ｂ．交流電圧を当該装置の電極に印加して、当該装置内で水を基本的に水素ガスおよび酸素ガスに分解し、ｃ．作り出された気体を取り除くことからなる水の分解方法。
＜１２＞  前記作り出された気体は、熱併給発電所または燃焼機関で燃料ガスとして、または望ましくは溶接のための工業技術用ガス混合物として使用されるか、または前記気体は酸素と水素に分離されて別々に使用される前記＜１１＞に記載の方法。
【発明の効果】
【００２２】
本発明を用いて製造した水素は、これまでは化石エネルギー担体が用いられてきた燃焼装置で使用することができる。もちろん、発電用の電気化学Ｈ2／Ｏ2燃料電池を稼働するのにも使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明につき詳細に説明する。
本発明は、以下の水の分解装置に係るものである。
ａ．第１の電極および少なくとも１つの他の電極と、
ｂ．前記第１の電極と前記他の電極の間に配置された少なくとも１つの多孔質強誘電性層と、
ｃ．交流電圧の電源と、
を含む水の分解装置。
【００２４】
本発明は、直流および金属製の電極を用いることによる従来の電気分解法と比較して、より効率的に水を分解できるようにすることである。従来の方法では、最大で２０％の効率しか得ることができない。しかし、本発明の目的は、９０％超の効率を達成することであり、最終的には、１キロワットの発電機を稼働させることが可能な新規な反応器のモジュールを製造することである。その目標は、かなり小規模でより操作性の高い装置を提供することである。本発明の方法は、特に燃料や合成ガスの製造などの他の用途への応用にあたって、適宜変更することが可能である。
【００２５】
特に、本発明の目標は、単純な金属製の電極の代わりにいわゆる傾斜材料（Gradient Material)を提供することであり、また、本発明の電気的触媒法による電気的刺激(Electrical Stimulation)を最適化することである。
【００２６】
本発明の方法（材料のグレーディング（Grading)・回路の特徴）は、以下のような理論的原理に基づいているが、これに限定されるものではない。
【００２７】
原理I：
誘電率が膜層ごとに増加する、グレーディングは電気的分散効果（Electric Dispersion Effects)の利用を可能とし得る。通路方向へ誘電率がしだいに増加し、膜層の厚みが減少すると、刺激の頻度が（適切な範囲内にとどまったままで）増加した場合、刺激プロセスは膜層ごとに自らを制御することすら可能である。
【００２８】
原理II：
気孔率（気孔の数および大きさ）をグレーディングした場合には、膜層内の水の分散性の増加（毛管効果に依存）が起こる可能性がある。膜の内部表面を可能な限り大きくすれば、それにともなって水の分解速度も上昇する。
【００２９】
原理III：
発明者はすでに待機電力が発生しない対応する回路を開発した（本発明の枠組みの中で説明する）。これらの回路は今回の場合にも利用可能である。
【００３０】
原理IV：
本発明にかかる方法は、従来定義されてきたような電気分解ではなく、電場を使用した水の双極分子（Molecular Water Dipoles)の「過分極」によるものである。ここでは、電極における酸化還元のプロセスがほとんど起こらず、電流はほとんど流れない。使用するセラミックスにおける電荷は概ね静止している状態である。水を誘電率が８１（すなわちＨ2Ｏの誘電率）を超える膜層に通すと、その水は分解する（過分極状態となる）。安定した水素結合はネットを形成し、部分的に分離した水は反応場所としての細孔内で気体を形成する。その内表面は巨大で少なくとも部分的に微細分極しているため、溶解した有効成分の分散は、例えば製薬用などに適用することができる。
【００３１】
本装置について実験室規模の試験を行った。電極・中間セラミック層・電気的刺激による水の分解は、以下に詳述する通り、実現できた。したがって、本発明は実施可能である。
【００３２】
本発明で用いられているようなグレーディングをしたセラミック膜の製造および使用は、水から水素を製造するための反応器においては、要となる技術である。これによって、例えば合成化学分野から水を利用したモータや発電機の駆動源の構築に至るまで使用可能な新たな化学反応器が開発されることは大いにあり得る。これについては、２サイクルエンジンを用いて試験を行った。
【００３３】
本発明は、当時すでに地球規模の気候変動が急速に進んでいることを示した２００３年夏の気温を考えても、特に重要なものである。なぜなら、この新しい膜技術は生態系に配慮し経済的にも理に適った方法で水素を製造する可能性をもたらし、重大な生態学的および経済的課題を解決できるかもしれないからである。
【００３４】
Ｈ2／Ｏ2混合物から分離した水素は、たとえば受動的に分離された水素でも、地上輸送機関・飛行機・宇宙船などの他の燃料と十分に競い合うことができる。
【００３５】
本発明の枠組みの中では、最適化された水素の製造方法が提供される。過去には、エネルギー担体としての水素を基礎としたエネルギー技術や駆動技術の開発に、広範囲にわたって徹底的な努力が行われた。
【００３６】
燃料電池や水素エンジンなどのすでに十分開発された技術の中には、残念ながら全面的な実用化の機会がほとんどないものもある。この意味において、水素の製造は今までは高価なものであった。しかし、この点は本発明によって変わると考えられる。
【００３７】
すなわち、セラミックを基礎とした新規な反応器は、水素製造の効率を飛躍的に改良し、上記矛盾を克服する手助けとなる可能性がある。環境目的で必要とされる技術は、経済的な障害をはるかに早く克服し、まもなく大規模に使用できるようになることは、大いにあり得ることである。
【００３８】
さらに、導入部で述べたように、水素は化学における基本的物質として高い需要がある。
【００３９】
本発明は新しいタイプの反応器の概念を提供するものである。これまで行った実験は非常に有望なものである。最初の試験によれば、この反応器は電気化学的な水の分解に適しているだけではなく、他の化学的・物理的な目的にも応用することが可能である。したがって、これは現実的な基礎と要となる技術をそれぞれ意味している。
【００４０】
あらゆる大きさの膜および膜スタック（Membrane Stacks)を使用し、本発明の装置において強誘電体であると同時に多孔質であるように形成することは、本発明の核心である。このような種類の膜および膜製品は、以下の特徴を示す。
【００４１】
１．有機材料および／または無機材料からなる膜および／または膜製品は、強誘電体であると同時に多孔質である。
【００４２】
これらはまた、電気分散効果を利用するための膜層の誘電率のグレーディングを示す。さらに、個々の多孔質膜層の厚みが減少すれば（層の厚みのグレーディング）、媒体の通過方向に見られる誘電率は上昇する。
【００４３】
反応媒体の通過方向における膜層の多孔性（すなわち気孔の数および大きさ）のグレーディングにより、分散性が増加し、可能な限り大きな内部の反応面が作り出されることになる。
【００４４】
強誘電性であると同時に多孔質であるという特徴を備えた、グレーディングをした膜を製造し使用することにより、新たな化学的および／または物理的反応器ならびにフィルタを開発することができる。
【００４５】
強誘電性であると同時に多孔質であるという特徴を備えたグレーディングをした膜を使用する主要な分野としては、ガス発生器が挙げられる。
【００４６】
本発明によれば、水の熱運動を制限し、分子を分極させ、ＯＨ結合が壊れるまでＯＨ伸縮振動を増強させる強誘電性膜の細孔内いわゆるローレンツ場によって、従来のＨ2ガス発生器の効率を高めることができる。本発明における膜は工業技術用ガスを得るために水の分解することに使用することができる。
【００４７】
本発明の他の利点や特徴は、実施例についての記述と図面から明らかになるであろう。
【００４８】
図において、
図１は、強誘電性および多孔質という特徴を備えた膜の基本的構造を示す。
図２は、スタック化した強誘電性膜の複合体の基本構造を示し、ここでは截頭八面体の形状を有し、誘電率と多孔性が高くなるように配置した頭頂部に向かって層の厚みが減少するようになっている。
図３は、ナノ細孔における電場の図である。
図４は、共振周波数を発生させるためのフィルタ回路である。
図５は、モリブデン、アルミニウム、金からなるグリッド電極を備えた焼結セラミック板である。
図６は、本発明において使用される多孔質強誘電性セラミックの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
図７は、本発明において使用されるチタン酸バリウムのＸ線回析図である。
図８は、本発明において使用される多孔質強誘電性セラミックの細孔径分布曲線である。
図９は、本発明において使用される多孔質強誘電性セラミック層のドーナツ型の実施例である。
【００４９】
水の分解反応器にも用いることが可能な、本発明の装置で使用される多孔質強誘電性セラミック板の製造例
１．粉体の製造
セラミック混合酸化物の技術を使用して、９５モル％のチタン酸バリウムと５モル％のチタン酸ストロンチウムからなるモル組成を有する変性チタン酸バリウムの２つの粉末体を、酸化物原料粉末を用いて実験室規模で作製した。原料粉末混合物の熱処理を行い（焼成）、純粋な正方晶系のペロブスカイト構造を得る（図７に示すＸ線回析パターンを参照）。Ｘ線回折パターンはＡＳＴＭ規格に登録されたチタン酸バリウム化合物と４０％チタン酸バリウムストロンチウムの間である。ドラム・ミルで粉砕した後、押し出し成形可能な粉末が得られた。この粉末の９０重量パーセントは、１０μｍ未満の微粉度を有するものである。
【００５０】
２．成形および焼成
実験室用ブラベンダー・ミキサー内で、適切なバインダー・潤滑剤・水分保持剤をこの粉末に添加し、硬質であるが可塑性があり、押し出し可能な固形物を製造する。この特殊な粉末組成物のためには、可塑化の処方を変更する必要があることが明らかになった。特別に設計された押し出し具を備えたブラベンダー真空スクリュー型押出機を使用し、この硬質であるが可塑性のある固形物から、断面が１．３×２８ｍｍの筋状のセラミック前駆成形体を製造した。
【００５１】
酸化性雰囲気下、１２２０℃で有機性補助剤（Organic Adjuvants)を注意深く熱分解したのち、この前駆成形体を焼成した。横方向の収縮は約３％である。
【００５２】
３．メタライゼーション
電極を形成するためのメタライゼーションは、スクリーン印刷法で行った。適切なグリッド電極構造を有する印刷用スクリーンの試験を行った。電極の部分では、１×１ｍｍの凹部が２０９個、１ｍｍ間隔で存在している。銀、金、アルミニウム、銅、モリブデンを主成分とするスクリーン印刷用ペーストで予備試験を行った。銀は、直流電圧の場合、電解質内に移動するため適当でない。銅は還元することでしか焼結できず、還元により焼結後にはチタン酸バリウムセラミックに固着することができない。したがって、特に、金、アルミニウム、モリブデンからなるグリッド電極が、本発明の目的に対して適切である。
【００５３】
図５に、それぞれ金、アルミニウム、モリブデンからなるグリッド電極を備えたセラミック層の例を示す。試験の結果、３種類の金属はすべて本発明の目的に対して適切であることがわかったが、金が最も適切である。
【００５４】
４．セラミック材料の特徴
セラミック材料の予備的なキャラクタリゼーションとして、開気孔率と誘電的挙動について調べた。
【００５５】
開気孔率は約３８％であり、望ましい範囲内にある。水銀ポロシメトリーによる測定結果によれば、細孔径分布（図８参照）は、９５％の細孔が７００ｎｍ〜１５００ｎｍという狭い範囲内に分布していることを示している。
【００５６】
焼結セラミックの表面の走査電子顕微鏡による観察では（図６参照）、焼結は、目標通り、粒子内でのいわゆるシンターネック（Sinter Necks）の生成という初期段階を超えていないことがわかる。通常、チタン酸バリウムに典型的に発生する、顕著な結晶粒の成長も起きなかった。
【００５７】
試料の静電容量の最初の測定結果は、Ｃ＝３．５ｎＦおよびｔａｎｄ＝０．０１であり、これは約７３０の比誘電率に対応する。高電圧による測定は、装置事情により、最初は１５００Ｖまでに限定された。このような条件では、強誘電体ヒステリシスの飽和はまだ起きない。図９に示すように、チタン酸バリウムセラミックをドーナツ型とした場合、特に広い表面が得られる。
【００５８】
本発明は、水分解反応器として使用可能な装置において、多孔質強誘電体セラミックを用いるものであり、商業的に水素および酸素を製造することに利用することができる。
【００５９】
図５および図６に示す実施例で製造される多孔質強誘電性層を、セラミック層の例において、１％水酸化ナトリウム溶液に浸漬し、図４に示すフィルタ回路によって交流電圧またはパルス直流電圧を印加した。
【００６０】
この電子フィルタ回路は、以下「ＺＩＭ−ＺＵＭ」と称し、以下の実施例で説明するが、交流電圧の操作に適したものである。
【００６１】
電子ＺＩＭ−ＺＵＭ回路は、以下の構造的特徴および性質を兼ね備えていることに特徴がある。
【００６２】
キャパシタ２，３，４，５は一連に接続されている。ダイオード１は、図４に示すように、キャパシタに対して平行に接続されている。さらに、本発明にかかる回路は、図４に６，７，８，９，１０，１１，１２，１３として示すようにオープン・フィールド・コイルとして誘導性を示し、図４に示すように平行に接続されている。
【００６３】
交流電圧が全回路の入力側に供給され、図４に示すように、メガヘルツからギガヘルツまでの範囲の周波数を持つ高周波交流電圧が回路の出力側に存在する。
【００６４】
図５に示す回路の構成要素は、増幅段階(Amplification Stage)または増幅効果のある多段カスケード(Multistage Cascade)を形成する。このカスケードは９０％超の効率で働く。
【００６５】
ＺＩＭ−ＺＵＭ回路はカスケード回路であり、数種の共振周波数を示す。これはいわゆるリターン・フロー減衰(Return Flow Attenuation)を示す。この回路では、電流・電圧はほとんど同期している。このため、ＺＩＭ−ＺＵＭ回路は９０％超の効率を有することになり、待機電力はほとんど発生しない。機械的アナロジーとしては、２つのサイドアームを備え、交互に水を出す送水ポンプを挙げることができる。同様に、ダイオードは水の逆流に対するポンプ・バルブのような機能を有する。図４に示すコイルの装置は、不均一な交代磁場を作り出す。このフィールド・コイルの概念上・事実上の磁場強度は、回路の出力側において最大となる。
【００６６】
このように、これを説明する機械的アナロジーは、２つのサイドアームを備え、そのアームが交互に操作される送水ポンプである。このポンプは個別のモジュールから構成される。過電圧、すなわちキャパシタにおける圧力差は、出力方向に向かって非常に増大する。流れを変化させることについては、まず最初に、管の断面を２つの中間モジュールにする。この中間モジュールから出口方向に向かって、管の断面積は非常に増大し、いわゆるプル(Pull)までも増大させる。ＺＩＭ−ＺＵＭ回路は、特に多段増幅器として作用する。キャパシタに平行にダイオードが接続されているため、いわゆるリターン・フロー減衰が生じる。図４の回路は同相の電流・電圧入力が重要とされるすべての装置で使用することができる。
【００６７】
図４に示した回路の効果の代表例を以下に示す。
１は、１Ｎ４００７型のダイオードである。
２は、１００ｎＦの容量を持つキャパシタである。
３は、４７ｎＦの容量を持つキャパシタである。
４は、３３ｎＦの容量を持つキャパシタである。
５は、１０ｎＦの容量を持つキャパシタである。
６は、３．３ｍＨのインダクタンスである。
７は、３．３ｍＨのインダクタンスである。
８は、２．２ｍＨのインダクタンスである。
９は、２．２ｍＨのインダクタンスである。
１０は、１ｍＨのインダクタンスである。
１１は、１ｍＨのインダクタンスである。
１２は、４．７ｍＨのインダクタンスである。
１３は、４．７ｍＨのインダクタンスである。
【００６８】
公知技術とは異なり、本発明による方法は電気分解装置ではなく、いわゆる過分極化装置である。つまり、水が分子レベルで、短寿命な中間的なラジカルを介して作り出されるということであり、水素イオンや水酸化物イオンを介して、あるいは電流移動を介してではないということである。しかし、本発明の装置を使って水の双極子の分解が起きるのは、ナノ細孔中の恒久的な電場による「バイアス電圧」、すなわち、例えば図３に示したいわゆるローレンツ場が、入力された電磁インパルスと組み合わさるためである。よって、従来技術に記載されているような電流によってではなく、主に電場と共振効果によって水の分子を分裂させることが可能である。
【００６９】
セラミック膜の中では、分画されたガスが反対方向に移動しながら作り出される。
【００７０】
細孔中で電場を平行に方向付けることにより、水分子の熱運動が制限され、電場と共振効果によるＯＨ伸縮運動が増加する。
【００７１】
本発明の目的のために、上述した多孔質、特にナノ細孔による多孔質であり、かつ、強誘電性の層または膜は、水のクラスターをいくらか機械的に分解できるようにするために必要であることがわかった。細孔内の水のクラスターが分解すると、水は約３０℃ですでに気相となる。
【００７２】
ここで使用される強誘電性のセラミック板は、その３分の１が１％水酸化ナトリウム溶液に覆われると、全体に浸透する。このように、このセラミック板は湿潤性があり、毛細管吸入渦（Capillary Suction Vortex）を生成する。
【００７３】
さらに、多孔質強誘電性層の内表面で電場および共振効果を増強させるため、交流電圧、あるいは（パルス直流電圧を上記セラミック板に）印加しなければならない。こうすることで、最終的には水を分解する。
【００７４】
Ｈ2／Ｏ2は（必要であれば）分別蒸留や膜分離、金属水素化物としてのＨ2の捕捉などの公知の方法によって分離される。
【００７５】
本発明によって、１時間あたり約３００〜５００ｍｌの水素を実験室規模でＫＯＨ電解質中で製造することができた。
【００７６】
フィルタ回路に必要なエネルギーは最小限のもので済む。したがって、本発明は、環境を破壊しないやり方で水から十分な量の水素を作り出す経済的な方法を、初めて提供するものである。
【００７７】
太陽エネルギー由来の交流電圧をフィルタ回路に用いれば、この方法はさらに環境に優しいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】強誘電性および多孔質という特徴を備えた膜の基本的構造である。
【図２】スタック化した強誘電性膜の複合体の基本構造である。
【図３】ナノ細孔における電場の図である。
【図４】共振周波数を発生させるためのフィルタ回路である。
【図５】モリブデン、アルミニウム、金からなるグリッド電極を備えた焼結セラミック板である。
【図６】本発明において使用される多孔質強誘電性セラミックの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】本発明において使用されるチタン酸バリウムのＸ線回析図である。
【図８】本発明において使用される多孔質強誘電性セラミックの細孔径分布曲線である。
【図９】本発明において使用される多孔質強誘電性セラミック層のドーナツ型の実施例である。
【符号の説明】
【００７９】
１  ダイオード
２，３，４，５  キャパシタ
６，７，８，９，１０，１１，１２，１３  インダクタンス
【国際調査報告】
2009527639.tif 000013
2009527639.tif 000014
2009527639.tif 000015
2009527639.tif 000016