(57)【要約】【課題】太陽光線に含まれる赤外線を照射することのみによって、クリーンな燃料である水素ガスの製造方法を提供する。【解決手段】水分子のＯＨ基の伸縮振動の固有周波数と波長が２．８μｍから３．２μｍの赤外線の周波数が一致することから、水蒸気または液体の水に、波長が２．８μｍから３．２μｍの赤外線のみを照射し、水分子を励起し共振状態にする。このような励起され共振状態にある水分子同士が互いに衝突することによって、水素ガスが発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水に波長が２．８μｍ以上かつ３．２μｍ以下の赤外線のみを照射すること、
を特徴とする水素ガスの製造方法。
【請求項２】
波長が２．８μｍ以上かつ３．２μｍ以下の赤外線のみを水に照射する手段と、
前記照射により発生する水素ガスを含むガスを捕集する捕集手段と、
を備えることを特徴とする水素ガス製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水分子が共鳴振動をおこす特定の波長の遠赤外線を水分子に照射することによる水素ガスの製造方法およびその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスは燃焼して二酸化炭素を生成し、排出しないので、石油等の既存燃料を代替するクリーンな燃料として検討されている。水素ガスの製造方法としては、水やメタノール等の含水素化合物を分解する方法があるが、このような水素ガスの製造方法の場合、熱または電気エネルギを利用しなければならない。電気エネルギ等を得るためには、通常石油や天然ガス等を燃やし、二酸化炭素を排出しているので、水やメタノール等の含水素化合物を分解して得た水素ガスは、必ずしもクリーンな燃料とはいえない。
【０００３】
一方、太陽光線を利用して、水等を分解して水素ガスを製造する方法がある。この場合、装置を準備すれば、電気エネルギ等を外部から加えることなく、水素ガスを製造することが可能である。このような水素ガスは、有害物質を排出することなく製造されたものであり、クリーンな燃料である。従来の太陽光線を利用して水素ガスを製造する方法としては、たとえば、水やメタノール中のいわゆる光触媒である酸化チタンに太陽光線を照射して、水素を発生させる方法がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の太陽光線を利用した水素ガス製造方法は、太陽光線のうち比較的エネルギの高い紫外線のみを利用したものであり、太陽光線に含まれる光線のうち可視光線や赤外線を利用して水素ガスを製造する方法はなかった。太陽光線に含まれる紫外線は、ごく一部であり、可視光線や赤外線を利用して、水素ガスを製造できるならば、太陽光線からより効率的に水素ガスの製造が可能になる。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、従来水素ガスの製造に用いられることのなかった赤外線を用いて水素ガスを製造する方法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】
【０００６】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、水に波長が２．８μｍ以上かつ３．２μｍ以下の赤外線のみを照射することを特徴とする。
【０００７】
前記課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、波長が２．８μｍ以上かつ３．２μｍ以下の赤外線のみを水に照射する手段と、前記照射により発生する水素ガスを含むガスを捕集する捕集手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項１および請求項２に記載の発明によれば、従来熱線としてしか利用されなかった赤外線を水に照射するだけで、水素ガスを製造することが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱あるいは電気のエネルギを必要とせず、太陽光線に含まれる遠赤外線を水に照射することのみによって、今後の燃料電池の燃料として大量に利用される水素ガスを製造することが可能になるとともに、太陽光線を効率よく利用することを可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図１乃至図３を参照して、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態の水素ガス製造方法の原理を示す概略図であり、（ａ）は、水分子が赤外線を吸収して励起された状態を示す図、（ｂ）は、赤外線を吸収して励起され共振している水分子同士が衝突することを示す図、（ｃ）は、水分子が衝突によって分解して水素ガスが生成されることを示す図である。図２は、水分子の光の吸収スペクトルを示す図である。図３は、本発明の実施形態の水素ガス製造方法を利用した水素ガスの製造装置を示す図である。
【００１１】
まず、本発明にかかる水素ガス製造方法の実施形態について説明する。本実施形態の水素ガスの製造方法は、水に波長が２．８μｍ以上で３．２μｍ以下の赤外線のみを照射することによって、水分子を分解するとともに水素ガスを発生させる方法である。
【００１２】
本実施形態の水素ガス製造方法において、水分子は分子自体が運動可能な液体または気体の状態である。また、波長が２．８μｍ以上で３．２μｍ以下の赤外線は、フィルタ等を通して波長が２．８μｍ以上で３．２μｍ以下にした太陽光線をフレネルレンズ等で集光した赤外線光やＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガドリウム）結晶に蛍光を発するＥｒ（エルビウム）イオンを添加した固体レーザ（発振波長２．９４μｍ）等を用いる。前者の赤外線光の場合も、レーザ光にして用いるのが望ましい。出力強度を高くした方が水素ガスの発生が多くなるからである。
【００１３】
本実施形態の水素ガス製造方法は、まず図１（ａ）に示すように、波長が２．８μｍ以上で３．２μｍ以下の赤外線のみの照射を受けた水分子が赤外線を吸収して、振動することを利用したものである。
【００１４】
図２に示すように、水分子はいわゆる遠赤外線の領域である波長３μｍ前後の光を最もよく吸収する。波長３μｍ前後の光の周波数と水分子を構成する一対のＯＨ基の伸縮方向の固有振動の周波数が一致するためである。したがって、水蒸気ガスが、波長が２．８μｍ以上で３．２μｍ以下の赤外線の照射を受けると、その水分子が赤外線を吸収して、励起され共鳴振動をおこす。
【００１５】
そこで、本実施形態の水素ガス製造方法では、波長が２．８μｍ以上で３．２μｍ以下の赤外線のみを水蒸気の水分子に照射して、前記したように水分子を励起共振状態にする(図１（ａ）参照)。前記した所定の赤外線の照射を続けると、水蒸気中の励起共振状態の水分子同士が互いに衝突する（図１（ｂ）参照）。この励起共振状態の水分子同士の衝突によって、水分子のＯＨ基の結合が解離して、水素ガス（Ｈ２）と酸素ガス（Ｏ２）が発生する（図１（ｃ）参照）。本実施形態の水素ガス製造方法において、この励起共振状態の水分子の衝突は、気体状態の励起・共振している水分子が衝突するものである。
【００１６】
液体状態の水に前記した所定の波長の赤外線のみを照射する場合でも、水素を発生させることができる。液体状態の水に前記した所定の波長の赤外線のみを照射する場合、水の温度が十分に高ければ、前記赤外線の照射を受けた水が容易に蒸発して気泡を形成する。このように形成された気泡にさらに前記赤外線が照射されることによって、水分子が励起共振状態になり、前記した水蒸気の場合と同様に、水分子同士が互いに衝突して、水素ガス（Ｈ２）と酸素ガス（Ｏ２）が発生する。したがって、本実施形態の水素ガス製造方法によれば、気体または液体の水に波長が２．８μｍ以上で３．２μｍ以下の赤外線のみを照射することにより、水素ガスを製造できる。
【００１７】
次に、本実施形態の水素ガス発生装置の構成を、図３を参照して説明する。本実施形態の水素ガス発生装置１は、赤外線照射装置２、水素ガス捕集装置３および反応容器４より構成される。
【００１８】
赤外線照射装置２は、前記したフィルタ等を通して波長が２．８μｍ以上で３．２μｍ以下にした太陽光線をフレネルレンズ等で集光した赤外線やＥｒ−ＹＡＧレーザを用いる。反応容器４は、波長２.８μｍから３．２μｍの赤外線の透過率の高いものが望ましい。たとえば９０％以上の透過率の容器である。
【００１９】
反応容器４の側面に穿孔して、その孔に赤外線照射装置２を入れ、孔を塞いで固定してもよい。反応容器４内には、赤外線が照射される水が溜められている。反応容器４内の水は、加熱できる方が望ましい。温度の高い水に赤外線光を照射した方が効果的に気泡を発生させることができるからである。反応容器４内の水の上面には、気泡溜め５が形成されている。この気泡溜め５は、赤外線を吸収した水が蒸発して気泡となったものを滞留させるものであり、水に浮く物または水中に固定した物で気泡発生部位を覆う形状の物であればよい。
【００２０】
赤外線照射装置２によって、波長が２.８μｍから３．２μｍのみの赤外線が照射されると水分子は、この赤外線をほぼ１００％吸収して、蒸発して気泡を形成する。この気泡は、気泡溜め５の下に滞留するが、この気泡にさらに波長が２．８μｍ以上で３．２μｍ以下の赤外線のみが照射されると、気泡中の水分子は図１（ａ）および（ｂ）に示すような励起共鳴状態になる。このような励起共鳴状態の水分子同士が衝突することによって、水素ガスが発生する。
【００２１】
水素ガス捕集装置３は、脱湿装置６、発生気体タンク７、水素ガス分離装置８、水素ガスタンク１０等で構成される。脱湿装置６には、モレキュラーシーブ等が保持されている。そのため、反応容器４で発生した気体は脱湿装置６を通過するが、発生気体に含まれる水蒸気は除去される。脱湿装置６を通過した発生気体は、配管１１を通って発生気体タンク７へ送られる。水素ガス分離装置８は、水素ガス選択透過膜を備え、発生気体タンク７に貯まった発生気体を加圧して、水素ガスを選択的に分離するものである。水素ガス分離装置８を稼動させる際には、バルブ９は閉じられる。
【００２２】
本発明の発明者は、以下の試験を実施して、前記した本実施形態の水素ガス製造方法により水素ガスが製造できることを立証した。
＜試験方法＞
図３に示す反応容器４に水温７９℃の水を溜め、この水の上面に気泡溜め５を設け、反応容器４の水の上部に赤外線を照射した。反応容器４は、波長が2.８μｍから３．２μｍの赤外線の透過率が９０％である。赤外線の照射は、レーザ照射装置、Ａ−ＣＵＲＥ（サイバーレーザ社製）により行った。照射赤外線はパルスレーザである。このパルスレーザは、波長が２．９５μｍ、パルス幅が５００μｓｅｃ、パルス周波数が４０Ｈｚ、照射スポット径が約１．５ｍｍ、１パルスあたりの出力が３９ｍＪである。この赤外線の照射を９０分間行った。
＜試験結果＞
前記試験で発生した気体を気体捕集用の２５ｍｌの空気を含むアルミニウム製気体捕集バッグで捕集した。この捕集された気体の量は０．１３ｍｌであった。この０．１３ｍｌの発生気体を含む前記捕集バッグ内の約２５ｍｌの気体を、モレキュラーシーブを通した後に、ガスクロマトグラフィで定量分析した。分析に用いたガスクロマトグラフィ装置は、ＧＣ３２３  ＴＤＣ（ＧＬサイエンス社製）である。ガスクロマトグラフィの定量分析の結果、分析ガスには、０．００３％の水素ガスが含まれていることがわかった。この結果から、本試験により０．０００７５ｍｌの水素ガスが発生したことがわかる。また、この結果は、照射した赤外線の光量子数が１．１×１０２３個であることから、５．６×１０６個の照射された赤外線の光量子に対して、１個の水素ガス分子が生成されたことに相当する。
【００２３】
以上から、本発明にかかる水素ガス製造方法によれば、所定の波長の赤外線のみを水蒸気あるいは液体の水に照射することによって、水素ガスを製造できることがわかる。また、本発明の水素ガス発生装置１により、水素ガスを発生させ、かつ、回収できるのは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態の水素ガス製造方法の原理を示す概略図であり、（ａ）は、水分子が赤外線を吸収して励起された状態を示す図、（ｂ）は、赤外線を吸収して励起され共振している水分子同士が衝突することを示す図、（ｃ）は、水分子が衝突によって分解して水素ガスが生成されることを示す図である。
【図２】水分子の光の吸収スペクトルを示す図である。
【図３】本発明の実施形態の水素ガス製造方法を利用した水素ガスの製造装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１      水素ガス発生装置
２      赤外線照射装置
３      水素ガス捕集装置
４      反応容器
５      気泡溜め
６      脱湿装置
７      発生気体タンク
８      水素ガス分離装置
９      バルブ
１０      水素ガスタンク
１１      配管
【図１】
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【図２】
2007314384.tif 000004
【図３】
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