(57)【要約】  より低コストで多くの水素含有ガスを生成することのできる水素生成装置および水素生成方法を提供するため、重水素成分を含む酸性水溶液を保持する保持部、酸性水溶液を含む雰囲気を形成する空間部、および空間部において放電を起こして水素含有ガスを発生させるための放電装置で水素生成装置を構成する。特に重水素成分としてＤ２ＳＯ４を用い、放電としてアーク放電を用いる。
2008001489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重水素を含む酸性水溶液を保持する保持部と、
前記酸性水溶液を含む雰囲気が形成される空間部と、
前記空間部において放電を起こして水素含有ガスを発生させるための放電装置と、
を具備することを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
加熱装置、噴霧装置または超音波発生装置を具備し、
前記加熱装置、前記噴霧装置または前記超音波発生装置により、前記空間部において、霧状の前記酸性水溶液を含む雰囲気が形成されること、
を特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記放電装置がアーク放電を起こすこと、
を特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記酸性水溶液が重水素成分を含むこと、
を特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記重水素成分がＤ２ＳＯ４であること、
を特徴とする請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記酸性水溶液が前記重水素成分を０．５〜１０体積％含むこと、
を特徴とする請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項７】
重水素を含む酸性水溶液を含む雰囲気を形成する工程（１）と、
前記雰囲気中で放電を起こすことにより水素含有ガスを発生させる工程（２）と、
を含むことを特徴とする水素生成方法。
【請求項８】
前記工程（１）において、霧状の前記酸性水溶液を含む雰囲気を形成すること、
を特徴とする請求項７に記載の水素生成方法。
【請求項９】
前記工程（２）において、前記雰囲気中でアーク放電を起こすことにより水素を発生させること、
を特徴とする請求項７に記載の水素生成方法。
【請求項１０】
前記酸性水溶液が重水素成分を含むこと、
を特徴とする請求項７に記載の水素生成方法。
【請求項１１】
前記重水素成分がＤ２ＳＯ４であること、
を特徴とする請求項１０に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記酸性水溶液が前記重水素成分を０．５〜１０体積％含むこと、
を特徴とする請求項１０に記載の水素生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含有するガスを生成するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題やエネルギー問題に鑑みて、燃料電池およびこれを用いたシステムの研究および開発が盛んに行われており、これら燃料電池の燃料として最も一般的な水素への需要も高まっている。【０００３】
かかる水素を得る方法としては、例えばメタノール、天然ガスまたは都市ガスなどを改質する方法など、種々の技術が提案されかつ実際に行われているが、地球規模でみればメタノール、天然ガスおよび都市ガスといった原料は有限であるため、いずれは新たなエネルギー問題が発生する可能性がある。【０００４】
これに対し、メタノール、天然ガスまたは都市ガスなどと比べものにならないほど多く地球上に存在し、かつ水素原子を含む物質として水に着目し、この水を原料として用いて水素を生成する技術も種々提案されている。【０００５】
例えば特許文献１においては、酸性水溶液を貯留可能で、かつその酸性水溶液中に水素よりもイオン化傾向の大きな金属を浸漬可能に構成される水素生成槽を、備える水素発生装置が提案されている。【０００６】
また、特許文献２においては、酸性水溶液中の少なくとも一部の水素原子が重水素原子に置換された重水素酸性水溶液と、単一金属を接触させて水素ガスを発生させる水素ガス製造方法が提案されている。【０００７】
ところが、上記特許文献１および上記特許文献２において提案されている技術においては、酸性水溶液に浸漬する消耗品として金属が必要であることからコストが高く、また、水素生成量を必ずしも多くすることができないという問題がある。【０００８】
これに対し、本願の発明者の一人は、例えば非特許文献１において、重水素を含む液滴を含む雰囲気中でプラズマ電解を起こすことにより、水素を含有するガスを生成する技術を提案している。
【特許文献１】特開２００３−２０２０２号公報
【特許文献２】国際公開第０２／０６６３６８号パンフレット
【非特許文献１】水野忠彦ら、「水溶液中におけるプラズマ電解による水素生成（Hydrogen Evolution by Plasma Electrolysis in Aqueous Solution）」、日本応用物理学会誌、４４（１Ａ）、２００５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記非特許文献１で提案されている技術において用いられるプラズマ発生装置は、構成が煩雑で高価であり、低コストで水素含有ガスを得るという観点からは未だ改善の余地があった。【００１０】
以上のような従来の問題点に鑑み、本発明は、より低コストで多くの水素含有ガスを生成することのできる水素生成方法を提供することを目的とする。また、本発明は、かかる水素生成方法に好適に用いることのできる水素生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決すべく、本発明は、
重水素を含む酸性水溶液を保持する保持部と、
前記酸性水溶液を含む雰囲気が形成される空間部と、
前記空間部において放電を起こして水素含有ガスを発生させるための放電装置と、
を具備することを特徴とする水素生成装置を提供する。【００１２】
このような構成によれば、安価な重水素と水とを原料および簡単な構成の装置を用いることによって、重水素を含む酸性水溶液を低エネルギーでより容易かつ効率的に分解させることができ、低コストで多量の水素（水素含有ガス）を生成することができる。【００１３】
また、本発明は、上記水素生成装置を用いて好適に行うことのできる水素生成方法をも提供する。すなわち、本発明は、
重水素を含む酸性水溶液を含む雰囲気を形成する工程（１）と、
前記雰囲気中で放電を起こすことにより水素含有ガスを発生させる工程（２）と、
を含むことを特徴とする水素生成方法をも提供する。【００１４】
このような構成によれば、安価な重水素と水とを原料および簡単な構成の装置を用いることによって、重水素を含む酸性水溶液を低エネルギーでより容易かつ効率的に分解させることができ、低コストで多量の水素（水素含有ガス）を生成することができる。【００１５】
上記水素生成装置は、さらに加熱装置、噴霧装置または超音波発生装置を具備し、前記加熱装置、前記噴霧装置または前記超音波発生装置により、前記空間部において、霧状の前記酸性水溶液を含む雰囲気を形成すること、が好ましい。特に上記工程（１）においては前記酸性水溶液を含む霧状雰囲気を形成することが好ましい。【００１６】
このような構成によれば、放電が起こっている場（例えば放電路）に上記酸性水溶液をより確実に存在させることができ、より効率的に水素を生成することができる。【００１７】
上記水素生成装置においては、前記放電装置がアーク放電を起こすアーク放電発生装置であることが好ましい。すなわち、上記工程（２）においては、前記雰囲気中でアーク放電を起こすことが好ましい。【００１８】
このような構成によれば、アーク放電を開始させるのに必要な電圧は比較的高いが、維持電圧は低くて済むため、より低コストで水素を生成することができる。【００１９】
上記水素生成装置および上記水素生成方法において用いる前記酸性水溶液は、Ｄ２Ｏを含むことが好ましく、また、Ｄ２ＳＯ４を含むことが好ましい。【００２０】
このように上記酸性水溶液が重水素成分を含むことによって、本発明者らは、より効率的に水素が発生し得ることを見出した。理由は明らかではないが、アーク放電が起こる電極の先端部分付近において核変換反応によって過剰エネルギーが生成され、多量の水素を生成し得るものと考えている。【００２１】
また、前記酸性水溶液のｐＨが２．０〜３．５であることが好ましい。
このｐＨの範囲においては、より効率的に水素を生成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、より低コストで多くの水素含有ガスを生成することのできる水素生成方法を提供することができ、かつ、かかる水素生成方法に好適に用いることのできる水素生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の水素生成装置の一実施の形態を示す概略断面図である。
【図２】実施例において用いた本発明の水素生成装置の概略断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。図１は、本発明の水素生成装置の好適な実施の形態を示す概略断面図である。まず、図１に示す本発明の水素生成装置１の構成について説明する。【００２５】
図１に示す水素生成装置１は、重水素を含む酸性水溶液２を保持する保持部４と、酸性水溶液を含む雰囲気を形成する空間部６と、空間部６の上方部分８において放電を起こして水素含有ガスを発生させるための放電装置（陽極８ａおよび陰極８ｂを含む。）と、を具備する。また、本実施の形態の水素生成装置１は、酸性水溶液２を含む雰囲気を形成するためのセル状容器を含む雰囲気形成装置１０を含んでいる。ただし、図示しないが、セル状容器は、その少なくとも一部を保持部４に対して開放させることができ、内部に酸性水溶液を含んでいる。【００２６】
上記重水素を含む酸性水溶液２としては、重水素を一成分として含んでいる種々の酸性水溶液を用いることができる。酸性水溶液２に含まれる酸成分としては、例えば硫酸、塩酸および硝酸などの無機酸、ならびにクエン酸、グリシン、ケイ皮酸、コハク酸、サリチル酸、ギ酸、グルタミン酸、アスコルビン酸、シュウ酸、酒石酸、乳酸および酢酸などの有機酸などが挙げられる。これらの酸成分のうちの２種以上が酸性水溶液２に含まれていてもよく、無機酸と有機酸とが組み合わせられて含まれていてもよい。【００２７】
なかでも、水素原子の一部が重水素原子に置換された重水（Ｄ２Ｏ）や、水素原子の一部が重水素原子に置換された重硫酸（Ｄ２ＳＯ４）または硫化デューテリウム（Ｄ２Ｓ）などの酸成分が、酸性水溶液２に重水素成分として含まれているのが好ましい。【００２８】
特に、酸性水溶液２は、Ｄ２ＯおよびＤ２ＳＯ４のうちの少なくとも一方の重水素成分を０．５〜１０体積％含むことが好ましい。このような範囲においては、酸性水溶液２の霧状雰囲気下において放電を起こした場合に、より多くの水素を発生させることができることを、本発明者らは実験により見出した。すなわち、０．５体積％以上であればより確実に水素を発生させることができ、１０体積％以下であれば低コスト化の観点から好ましい。【００２９】
さらに、酸性水溶液２は、Ｄ２ＯおよびＤ２ＳＯ４のうちの少なくとも一方の重水素成分を０．５〜５．０体積％含むことが好ましい。この範囲であればより確実にかつ低コストで水素を発生させることができる。【００３０】
なかでも、重水素成分はＤ２ＳＯ４であるのが好ましい。上述のように酸性水溶液が重水素成分を含むことによって、アーク放電が起こる電極の先端部分付近において核変換反応によって過剰エネルギーが生成され、多量の水素を生成し得るものと考えられる。さらに詳しくは、陽極８ａの表面においてＤ２ＳＯ４中のＳが触媒的な作用をし、陽極８ａの表面が反応体として作用して核変換反応が起こり、水素ガスが多量に発生するものと考えられる。【００３１】
ここで、陽極８ａおよび陰極８ｂとしては、種々の金属などの導電性材料を用いることができ、例えばカーボン（Ｃ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）およびパラジウム（Ｐｄ）などを挙げることができる。なかでも、反応性が高いという観点から白金をもちいるのが好ましい。【００３２】
なお、酸性水溶液２は酸性（約ｐＨ７以下）であればよいが、ｐＨは例えば約２．０〜約３．５であることが好ましい。このような範囲においては、酸性水溶液２の霧状雰囲気下において放電を起こした場合に、より確実に水素を発生させることができる。【００３３】
酸性水溶液４を保持する保持部２としては、酸性水溶液２によって劣化しない耐薬品性を有する材質の容器であれば種々のものを用いることができる。例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂などの熱可塑性樹脂、ガラスなどの無機材料、またはアルミニウム、チタニウムまたはこれらの合金などの金属材料などが挙げられる。【００３４】
なお、図１における保持部２は、有底円筒形状で、凹形状の縦断面を有し、上方に開口部があるが、上記したフッ素樹脂製のキャップ２ａで封口されている。なお、ここでもキャップ２ａを構成する材料は酸性水溶液２によって劣化しない耐薬品性を有するのが好ましい。【００３５】
空間部６にはセル状容器からなる雰囲気形成装置１０が連結されており、これにより空間部６内に酸性水溶液２を含む雰囲気が形成される（工程（１））。そのため、雰囲気形成装置１０は、上記セル状容器だけでなく、図示しないが、例えば加熱装置、噴霧装置または超音波発生装置などを含む。重要なのは、保持部４内の酸性水溶液を含む雰囲気（特に霧状の酸性水溶液を含む雰囲気）を形成することである。【００３６】
また、本発明においては、保持部４内の酸性水溶液を含む雰囲気（特に霧状の酸性水溶液を含む雰囲気）を形成し、当該雰囲気中にて放電を起こすことが重要である。この場合、酸性水溶液を含む雰囲気を形成した後に当該雰囲気内で放電を起こせばよい。特に霧状の雰囲気で放電を起こすと、従来のような水溶液中での放電に比べて、電力量が少なくて済み、かつ反応効率も増大させることができる。【００３７】
したがって、上記セル状容器を省略して、保持部４の内部または外部に加熱装置、噴霧装置または超音波発生装置を設けてもよい。図１においては、セル状容器からなる雰囲気形成装置１０が保持部４内に設けられているが、当該セル状容器を省略し、保持部４そのものを加熱装置付きマグネティックスターラー上に設置したり、保持部４から酸性水溶液を吸引して噴霧する噴霧装置を保持部４に接続したり、超音波振動子を保持部４に接触させて接続したりしてもよい。【００３８】
加熱装置によれば、酸性水溶液２を加熱することによってガス化（気化）させ、ガス化した酸性水溶液２を含む雰囲気を空間部６内に形成することができる。また、噴霧装置によれば、空間部６内に酸性水溶液２を霧状に供給（噴霧）することができる。さらに、超音波発生装置によれば、酸性水溶液２に超音波による振動を加えることによってガス化（気化）させ、ガス化した酸性水溶液２を含む雰囲気を空間部６内に形成することができる。【００３９】
上記の雰囲気形成装置１０によってガス化ないしは霧状化した酸性水溶液２は、空間部６を矢印Ｘに沿って上方に移動する。そして、空間部６の上方部分８には、陽極８ａおよび陰極８ｂを含む放電装置が設けられている。この空間部６の上方部分８における酸性水溶液２を含む雰囲気において、放電を起こすことにより、酸性水溶液２に含まれる重水素を分解し、水素を発生させる（工程（２））。【００４０】
ここで、上記放電装置としては、アーク放電を発生し得る放電装置を用いるのが好ましい。アーク放電発生装置としては、陽極８ａと陰極８ｂとの間にアーク放電を発生させることができるものであればよく、従来公知のものを用いることができる。【００４１】
放電としては、例えばアーク放電、グロー放電およびプラズマ放電などが挙げられるが、電圧が低く安全であること、および汎用性のある放電装置を用いることができ、効率よく水素を発生させることができるという観点から、本発明者らはアーク放電を採用することとした。【００４２】
放電の際の電極間の電圧および電流密度については、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択すればよいが、電極間の電圧については、例えば１５〜８５Ｖに設定すればよく、電流密度は、例えば１００〜１０００Ａ／ｃｍ２に設定すればよい。【００４３】
また、雰囲気の温度は、特に加熱をしなくても反応熱によって上昇し得る。したがって、冷却装置を設けてもよく、また、雰囲気の温度は常温のままにしても構わないが、反応性を向上させるという観点からは雰囲気の温度は高いほうが好ましく、例えば７００〜１０００℃、７００〜８００℃に制御するのが好ましい。【００４４】
上記雰囲気の圧力も、特に加圧をしなくても反応が進行し得るが、反応効率を高めるという観点からは高圧に制御するのが好ましい。例えば３００〜５００ａｔｍに制御することができる。また、温度と圧力とを制御して、超臨界状態を形成してもよい。【００４５】
上記の放電によって生成された水素を含むガスは、上方部分８に連結された配管９を通って矢印Ｙの方向に沿って移動する。ここで、図示はしていないが、配管９の先端には、ガス流量計、マススペクトル分析装置、水素捕集部などを設けるのが好ましい。【００４６】
また、水素捕集部の上流側には、配管９を覆うように凝縮部を設け、冷却水などの冷却流体を流すことにより水素を含むガスに含まれる水分を凝縮させて除去してもよい。このようにすれば、純度の高い水素含有ガスを得ることができる。
【実施例】
【００４７】
１．水素生成装置の構成
本実施例においては図２に示す構造を有する水素生成装置を作製し、水素を生成した。ポリテトラフルオロエチレン製の、直径７ｃｍの開口部を有する有底円筒形の容器からなる保持部４を用意し、当該容器を加熱装置付きのマグネティックスターラー上に設置した。ここでは当該加熱装置が雰囲気形成装置１０の役割を果たした。【００４８】
ついで、上記保持部４の開口部をテフロン（登録商標）製のゴム状キャップ２ａで閉じた。キャップ２ａには貫通孔を設け、保持部４内で発生したガスを捕捉するために、当該貫通孔に石英ガラス製の配管９を通し、配管９の空間部６の途中には比較的大きな部分（上方部分）８を形成し、タングステン製の陽極８ａおよびタングステン製の陰極８ｂを設置した。【００４９】
上方部分８において発生したガスを分析するために、配管９の上部末端部（矢印Ｙの先）に、図示しないが別途の直径８ｍｍのタイゴン管を接続し、ガス流量計（コフロック（株）製のモデル３１００）および制御装置（コフロック（株）製のモデルＣＲ−７００）を接続し、さらにガス流量計の下流側には、マススペクトル分析装置を（（株）アルバック製のＲｅｇａ−２０１）を接続した。【００５０】
２．水素の生成
上記保持部４内に、Ｄ２ＳＯ４を０．２５体積％含む酸性水溶液２を入れ、保持部４の下部に位置する加熱装置の温度を８５℃にして酸性水溶液２の蒸気を発生させた。そして、陽極８ａおよび陰極８ｂとの間に３００００Ｖの電圧を間欠的に印加して、０．３７〜４．３ｍＡの電流を流して、酸性水溶液２の蒸気中でアーク放電を形成した。【００５１】
アーク放電を起こしたところ、上方部分８からガスが発生した。当該ガスを配管９に接続したガス流量計およびマススペクトル分析装置で測定したところ、電流値から換算される量(化学量論量)の５００〜１０００倍の水素ガスが発生していた。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の水素生成装置および水素生成方法によれば、短時間で多量の水素を低コストで得ることができるため、例えば燃料電池、水素ガス駆動装置、水素自給式のターボ発充電機および水素自給式のターボ発充電機などを利用した電気自動車やコージェネレーションシステムの水素ガス供給に好適に用いることができる。
【図１】
2008001489.tif 000003
【図２】
2008001489.tif 000004
【国際調査報告】
2008001489.tif 000005
2008001489.tif 000006
2008001489.tif 000007
2008001489.tif 000008