(57)【要約】      （修正有）【課題】小型で効率の良い水素および有機ハイドライド製造装置とそのシステム及びそれを用いた分散電源と自動車を提供する。【解決手段】電解液を電気分解することにより水素を生成し、生成した水素から有機ハイドライドを製造する有機ハイドライド製造装置であって、対向して配置した水素極１００１及び酸素極１００２と、前記水素極と酸素極との間に供給される電解液１００３と、電気分解により前記水素極より供給される水素と有機化合物の水添反応させる水素付加触媒とを有し、前記水素極及び酸素極は気液分離機能を有し、前記電解液が前記水素極及び酸素極の一方の面にのみ供給され、前記水素極及び酸素極の電解液と接していない面から電気分解により発生した気体が放出される水素製造装置１０００を有する有機ハイドライド製造装置。【選択図】図１
2009007647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液を電気分解することにより水素を生成し、生成した水素から有機ハイドライドを製造する有機ハイドライド製造装置であって、
対向して配置した水素極及び酸素極と、前記水素極と酸素極との間に供給される電解液と、電気分解により前記水素極より供給される水素と有機化合物の水添反応させる水素付加触媒とを有し、
前記水素極及び酸素極は気液分離機能を有し、
前記電解液が前記水素極及び酸素極の一方の面にのみ供給され、前記水素極及び酸素極の電解液と接していない面から電気分解により発生した気体が放出されることを特徴とする有機ハイドライド製造装置。
【請求項２】
請求項１において、気液分離機能を有する前記水素極と酸素極が、親水層，触媒層および疎水層の３層構造で構成されていることを特徴とする有機ハイドライド製造装置。
【請求項３】
請求項１において、電解液が水溶液であり、水酸化カリウムもしくは水酸化ナトリウムを１０〜９０重量％の割合で含むことを特徴とする有機ハイドライド製造装置。
【請求項４】
請求項１において、運転温度が１００〜４００℃であることを特徴とする有機ハイドライド製造装置。
【請求項５】
請求項１において、運転中の前記有機ハイドライド製造装置内部が１〜３０気圧に保たれていることを特徴とする水素供給装置。
【請求項６】
請求項１において、前記水素極の水素を放出する面に前記水素付加触媒が形成されていることを特徴とする有機ハイドライド製造装置。
【請求項７】
請求項１において、前記有機化合物は水素の貯蔵と放出とを化学的に繰り返す芳香族化合物であることを特徴とする有機ハイドライド製造装置。
【請求項８】
請求項７において、前記芳香族化合物が、アセトン，ベンゼン，トルエン，キシレン，メシチレン，ナフタレン，メチルナフタレン，アントラセン，ビフェニル，フェナスレン及びそれらのアルキル置換体のいずれか又はそれらの複数混合したものであることを特徴とする有機ハイドライド製造装置。
【請求項９】
請求項１に記載の有機ハイドライド製造装置と、燃料電池，タービン，エンジンから選ばれる発電機又は原動機とを有することを特徴とする分散電源。
【請求項１０】
請求項９において、前記有機ハイドライド製造装置が前記発電機又は原動機の廃熱を利用するものであることを特徴とする分散電源。
【請求項１１】
請求項１に記載の有機ハイドライド製造装置を用い、系統電源による有機ハイドライドの製造と、有機ハイドライド又は有機ハイドライドに貯蔵した水素を用いた発電が可能であることを特徴とする分散電源。
【請求項１２】
請求項１に記載の有機ハイドライド製造装置と、燃料電池，ガスタービン及び内燃機関から選ばれる発電機又は原動機を備えた自動車。
【請求項１３】
請求項１２において、前記有機ハイドライド製造装置が前記発電機又は原動機及び内燃機関の廃熱を利用するものであることを特徴とする自動車。
【請求項１４】
請求項１において、前記電解液がエンジンの燃焼により生じる水であることを特徴とする有機ハイドライド製造装置。
【請求項１５】
請求項１４において、前記酸素極より発生する酸素をエンジンに供給することを特徴とする有機ハイドライド製造装置。
【請求項１６】
電解液を電気分解することにより水素を作製する水素製造装置であり、対向して配置した水素極と酸素極の間に電解液を供給する構造をとり、前記電極が電解液に接している面と、気体に接している面を有しており、かつ前記電極が気液分離機能を備えており、電解液を電気分解することにより発生した気体が前記電極の気体に接している面から供給されることを特徴とする水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気分解により生成した水素から有機ハイドライドを製造する装置と、それを用いた分散電源と自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の大量消費が続き、二酸化炭素などによる地球温暖化や都市部の大気汚染が深刻になる中で、化石燃料に代わって次世代を担うエネルギー源として水素が注目されている。水素は燃焼後に水しか排出せず、太陽電池や風力に代表される自然エネルギーから電気分解による製造が可能なため、製造・使用に伴う環境汚染物質の排出が少ないクリーンなエネルギー源である。
【０００３】
また水素の製造に関しては、化石燃料の水蒸気改質がもっともポピュラーであるが、鉄やソーダの製造に伴う副生水素，熱分解反応，光触媒反応，微生物反応，水の電気分解反応など多数の手法が存在する。特に水の電気分解に必要な電力は様々なソースからの供給が可能なため、特定の地域に依存しないエネルギー源としても重要視されている。
【０００４】
一方、水素を燃料として用いるために不可欠な水素の輸送，貯蔵，供給システムが大きな課題となっている。水素は常温で気体であるため、液体や固体に比べて、貯蔵や輸送が難しい。しかも、水素は可燃性物質であり、空気と所定の混合比になると、爆発の危険性がある。
【０００５】
このような問題を解決する技術に、特許文献１に開示されるように、炭化水素燃料に水蒸気を加えて水素を発生させ、この水素を水素吸蔵合金に貯蔵し、起動時に放出させて炭化水素燃料に添加して水添脱硫して燃料電池に供給する発電システムが示されている。
【０００６】
又、近年、安全性，運搬性及び貯蔵能力に優れた水素貯蔵方法として、シクロヘキサンやデカリンのような炭化水素を用いた有機ハイドライドシステムが注目されている。これらの炭化水素は、常温で液体であるため、運搬性に優れている。
【０００７】
例えば、ベンゼンとシクロヘキサンは同じ炭素数を有する環状炭化水素であるが、ベンゼンは炭素同士の結合が二重結合である不飽和炭化水素であるのに対し、シクロヘキサンは二重結合を持たない飽和炭化水素である。ベンゼンの水素付加反応によりシクロヘキサンが得られ、シクロヘキサンの脱水素反応によりベンゼンが得られる。すなわち、これらの炭化水素の水素付加と脱水素反応を利用することにより、水素の貯蔵とその供給が可能となる。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１９２７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
水の電気分解による水素の製造は、電力が供給できるところならば場所の制限がなく、装置の規模による効率の変動が少ないメリットがある。現状、アルカリ水溶液を電解質に用いる手法と固体高分子膜を電解質に用いる手法が存在するが、効率やコスト面で問題がある。
【００１０】
有機ハイドライドは化石燃料を原料とするため、一度利用した後は水素付加して再利用することが望ましい。しかし、例えばベンゼンに水素を付加してシクロヘキサンを製造する場合、付加するための水素の貯蔵・運搬について問題が生じる。また水素付加装置を水素製造装置と隣接して建設すれば、上記の問題は解決されるが、建設および運用コストの問題があり、総合的なエネルギー効率も低下する。また装置が大型化するため、設置場所が限られる。そこで、単一の装置で利用後の有機ハイドライドに水素を付加できる、小型で効率のよい装置が必要となる。
【００１１】
本発明の目的は、次世代のエネルギー供給インフラとしての利用が見込まれる、小型で効率の良い有機ハイドライド製造装置とそのシステム及びそれを用いた分散電源と自動車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電解液を電気分解することにより水素を生成し、生成した水素から有機ハイドライドを製造する有機ハイドライド製造装置であって、対向して配置した水素極及び酸素極と、前記水素極と酸素極との間に供給される電解液と、電気分解により前記水素極より供給される水素と有機化合物の水添反応させる水素付加触媒とを有し、前記水素極及び酸素極は気液分離機能を有し、前記電解液が前記水素極及び酸素極の一方の面にのみ供給され、前記水素極及び酸素極の電解液と接していない面から電気分解により発生した気体が放出される有機ハイドライド製造装置を特徴とする。また、水素極の水素を放出する面に水素付加触媒が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水素を貯蔵し、自動車あるいは家庭用燃料電池などの分散電源に水素を供給する小型で必要に応じて水素と有機ハイドライドの製造が可能となり、水素社会において水素の製造・輸送・貯蔵の問題が解決できる小型で効率のよい水素または有機ハイドライド製造装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、電気分解による水素の製造および製造した水素を水素の貯蔵と放出とを化学的に繰り返す有機化合物に付加する装置において、対向して配置した水素極と酸素極の間に電解液を供給する構造をとり、前記電極が電解液に接している面と、気体に接している面を有しており、かつ前記電極が気液分離機能を備えており、電解液を電気分解することにより発生した気体が前記電極の気体に接している面から供給されることを特徴とする水素製造装置と、前記水素極の気体に接している面に水素付加触媒を備え、かつ水素極の気体に接している面に水素の貯蔵と放出とを化学的に繰り返す有機化合物を流通させることにより、単一の電極の両面で電気分解により水素製造と有機化合物への水添反応を同時に行うことを特徴とする有機ハイドライド製造装置に関する。
【００１５】
本発明の有機ハイドライド装置の模式図を図１に示す。本発明の有機ハイドライド製造装置は、水素極１００１と酸素極１００２が対向して配置され、水素極１００１と酸素極１００２との間に供給される電解液１００３の電気分解により水素を生成する水素製造装置を備えている。電解液１００３は、一対の水素極１００１と酸素極１００２が対抗する面にのみ供給され、水素極１００１と酸素極１００２の反対側の面には水素室１００４と酸素室１００５が設けられ、この面から電気分解により発生した水素と、酸素がそれぞれ放出される。
【００１６】
ここで、水素極１００１と酸素極１００２は気液分離機能を有している。図２に水素極１００１と電解液１００３の界面部分を拡大した模式図を示す。水素極１００１は、３層構造を形成しており、電解液に接する面の親水層１００７，気体に接する面の疎水層１００９，その中間の触媒層１００８からなる。親水層１００７および疎水層１００９は電解液１００３あるいは気体が内部を移動できる空間が設けられているが、電解液１００３が疎水層から外に漏れ出さないように空間のサイズは１ｎｍ〜１０μｍ程度である。このため、親水層１００７を通り抜けた電解液１００３は触媒層１００８に留まる。酸素極１００２も同様の構成を有している。電極間に所定の電圧をかけると、電解液は触媒層の触媒表面で電気分解され、水素と酸素の気体が生じる。アルカリ水電気分解型の水素製造装置では、生じる気体の泡沫により電極表面が被覆され、電解液の供給が滞るため電流密度が上がらず、効率が低下することが問題であった。しかしながら、本発明では、生じた気体は速やかに疎水層に流れ、電解液と接する電極表面に泡沫が生じないため電流密度が向上する。また酸素極側も同じ構造で泡沫の影響を受けないため、酸素極側に泡沫の生じる固体電気分解型の水素製造装置より高い電流密度が見込まれる。また電解液に低コストのアルカリ水溶液を利用すれば、材料コストは固体高分子型より安くなる。
【００１７】
本発明の有機ハイドライド製造装置は、この水素製造装置で発生した水素を水素付加触媒に供給し、有機化合物と水素の水添反応により有機ハイドライドを製造する。水素付加触媒は水素室１００４の外部あるいは内部に設けることが可能であるが、装置の高効率化，小型化の観点からは水素室１００４の内部に設けることが好ましい。図１の水素製造装置は濃アルカリ水溶液などの高温に強い電解質を使用することにより、１００℃以上の高温運転も可能である。水の電気分解反応は、大きな反応過電圧が問題となっているが、高温では過電圧が低下し、反応速度も速くなるため、反応効率が高くなる。さらに、運転温度：２００〜３００℃では、ベンゼンやトルエンなどの芳香族系有機化合物への水素付加反応が可能となる温度になる。従って、水素付加触媒を水素極の水素発生面に形成すれば、水素生成と併せて効率よく有機ハイドライドの製造を行うことができる。具体的には、水素極１００１の最外層の疎水層に水素付加触媒を付与し、ベンゼンやトルエンなどの芳香族系有機化合物を水素室内に流すと、電気分解により発生した水素が疎水層の水素付加触媒により即座に反応し、有機ハイドライドを製造することができる。本発明の有機ハイドライド製造装置は、水素極の両面で水素発生と有機化合物への水素付加が同時に進行するため、装置が非常に小型になる。また、それぞれ純粋な水素と有機化合物が、反応場である疎水層の水素付加触媒表面でのみ接触するので、原料の無駄がなく効率よく水素付加反応が進行する。さらに電気分解のための通電および水素付加反応はいずれも熱を発するので、過熱の必要が最小限となり、全体のエネルギー効率も向上する。
【００１８】
水素付加にはベンゼン，トルエンの他に、キシレン，メシチレン，ナフタレン，メチルナフタレン，アントラセン，ビフェニル，フェナントロリン及びそれらのアルキル置換体のいずれか又は複数混合したものを利用することができる。これら媒体全体のことを指して有機ハイドライドと呼ぶこともできる。これら有機ハイドライドは、炭素同士の二重結合に水素が付加することにより、水素を貯蔵する。有機ハイドライドの水素付加反応に利用される触媒は、既に研究開発されて熟知されているものも適用可能であり、実用的なものである。本発明は、より低温で水素付加が可能な触媒を用いることが好ましく、システム全体の効率を向上することができる。
【００１９】
また水の電気分解に使用する触媒としては、既知の触媒を利用することができる。特に電解液がアルカリ性の場合、高コストの白金属以外の触媒、例えばニッケル，銀，鉄などを使用することができるため、低コスト化を図ることができる。
【００２０】
部材及び作製手順について以下説明する。
【００２１】
電極は３層構造からなり、それぞれの層は電解液や発生した気体が通り抜けることができるよう微小な空間を有している。空間のサイズは、疎水層からの電解液の漏出、もしくは発生した気体の親水層への進入を防ぐため１ｎｍ〜１０μｍ程度が好ましい。それぞれの層の形状は、対抗して配置できる形状ならば特に制限はなく多孔質，メッシュ，不織布，職布のいずれでもよい。
【００２２】
触媒層は、電気分解時の過電圧および電流密度の大きさを決定する重要な役割を果たす。触媒層として用いる触媒材料には金属材料を用い、例えばＮｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ａｇなどの金属及びこれらの合金触媒を用いることができる。特に電解液がアルカリ性もしくは中性の場合はＮｉ，Ａｇなどがコスト面から好ましい。触媒材料の製造法は、めっき，共沈法，熱分解法などがあり、特に限定はない。形状としては、電解液および発生した気体の通過が可能ならばよく、メッシュ，多孔体などが挙げられる。また電流密度向上のためには大表面積であることが望ましい。そこで、微粒子化や担体への担持，多孔質めっきなどの製造方法が好ましい。
【００２３】
親水層は触媒層まで電解液を通し、発生した気体を通さない特性が求められる。このため層内部には１ｎｍ〜１０μｍ程度の空間を設ける必要がある。親水層の部材としては、スルホン基やカルボキシル基などの親水基を含むポリマー、表面に水酸基を修飾した炭素材料および金属酸化物材料などが挙げられる。これらは混合して用いてもよく、特に活性炭のように１〜１０００μｍ程度に微粒子化した前述の炭素材料や金属酸化物材料を、前述のポリマーをバインダとして層状に形成する手法が、内部に電解液を通過させる空間を有する層を容易に作製する手段としては好ましい。むろんほかの製造手法でもよく、多孔質およびメッシュ状の炭素化合物や金属酸化物でもよい。また前記ポリマーのメッシュ，多孔質体，不織布，職布でもよく、他の材質のメッシュに前記ポリマーを塗布したものでもよい。
【００２４】
疎水層は電解液の外部への漏出を防ぎ、発生した気体を外部に放出する特性が求められる。このため層内部には１ｎｍ〜１０μｍ程度の空間を設ける必要がある。疎水層の部材としては、黒鉛やグラファイトなどの表面に置換基を有していない炭素材料、もしくはアルキル基やフッ素基などの疎水基を含むポリマーが好ましい。作製については、既に燃料電池のガス拡散電極作製技術として一般化している、微粒子化した炭素材料をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの疎水性ポリマーをバインダとして形成する手法が最も容易である。またカーボンファイバーで作製されたメッシュ，不織布，職布，シート，ペーパーや、疎水性ポリマーで作製された多孔質体，メッシュ，不織布，職布を使用してもよい。
【００２５】
本発明の電極は、親水層，触媒層，疎水層の３層からなるが、それぞれを別に製造し積層してもよいし、１層ずつ重ねて作製してもよい。電極の厚さは特に制限はない。導通をとるための集電体として、ＡｌやＮｉなどの金属材料のフィルム，メッシュ，線材を触媒層に設置してもよい。また疎水層および親水層に炭素材料を使用している場合は、集電体を最外層もしくは最内層に設置してもよく、疎水層および親水層自体を集電体として用いてもよい。
【００２６】
対向した電極間に存在する電解液については、固体電解質やゲル状電解質を用いてもよいが、コスト，導電性，１００℃以上の高温対応性の観点から液体電解質であることが望ましい。例としては、水酸化ナトリウム，水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液，イオン性液体，溶融塩が好ましい。特に水酸化カリウムもしくは水酸化ナトリウムを１〜９０重量％含むアルカリ水溶液が低コスト，高導電性の点からもっとも好ましい。ただし、前述のアルカリ水溶液は空気中の二酸化炭素の存在により炭酸塩を形成し、電解質の性能が低下することから、空気との接触を極力少なくするか、電化液自体を循環させる必要がある。また電極間を狭め毛細管現象により電解液を供給する、もしくは親水層へ吸収により電解液を供給してもよい。
【００２７】
本発明の有機ハイドライド製造装置では、前述の電極の疎水部に水素付加触媒を担持することにより、一枚の電極の両面で水素製造と有機ハイドライド製造を行うことを特徴としている。これにより、装置の小型化と製造効率の向上が実現できる。
【００２８】
水素付加触媒については、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｆｅなどの金属及びこれらの合金触媒を用いることができる。水素付加触媒は触媒金属の低減による低コスト化と反応表面積の増大化のため、微粒子化することが好ましい。また微粒子の凝集による比表面積の防止するため、担体に担持してもよい。製造法は、共沈法，熱分解法，無電解めっき法など特に限定はない。触媒担体材料としては、疎水層に用いられている活性炭，カーボンナノチューブ，黒鉛をそのまま用いてもよいし、シリカ，アルミナ，ゼオライトなどのアルミナシリケートなどを用いることができる。
【００２９】
本発明の水素および有機ハイドライド製造装置の運転は、１００℃以上の高温で行うことが好ましい。水素製造装置の場合、室温での運転も可能だが、水分解に必要な過電圧を低減し、エネルギー効率を高めるためには１００〜２００℃程度の温度域で運転をすることが好ましい。有機ハイドライド製造装置の場合、現実的なスピードで水素付加反応が進行する２００〜４００℃程度の温度域で運転することが望ましい。電解液に水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液を用いている場合、１００℃以上で運転する時には、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムの濃度を５０〜９０重量％に上げる必要がある。
【００３０】
また、高温運転を行う場合、電解液の蒸発を防止するため、装置内部の圧力を１〜３０気圧程度に保持することが望ましい。水素製造装置の場合、装置内部の圧力が高くなると、発生した水素を貯蔵する時に高圧化のための装置が不要になり、コスト的に有利である。またボイラーやエンジンなどの内燃機関で直接使用する時、多量の水素を送り込めるため、内燃機関の高出力化に有利である。装置内部の圧力を上げる方法としては、窒素やヘリウムなどの不活性気体の注入や電気分解により発生した気体を一定の圧力まで封じ込める方法などがある。
【００３１】
電気分解で水素を製造するにあたり、必要な電力の供給源は特に制限はない。系統電源を使用してもよいし、原子力発電所や火力発電所から直接電力供給を行ってもよい。太陽電池，風力，水力など利用すれば、二酸化炭素を排出することなく、水素製造を行うことができる。またバッテリーに貯蔵した電力を利用してもよい。原子力発電や火力発電，太陽電池では、電力とともに反応に必要な熱も供給することにより、水素製造に伴うエネルギー利用効率を向上させることができる。また、原動機やエンジンなどを用いた発電機を利用した場合も、熱と電力を供給できるため効率は高くなる。特にエンジンなどの内燃機関では、排気ガスは高温であり、大量の水蒸気を含んでいるため、熱と水の供給に排気ガスを利用するとよい。
【００３２】
原動機，エンジンなどの内燃機関と水素製造装置を組み合わせて使用する場合、水素を直接燃料としてもよいが、化石燃料と混合しても、化石燃料の燃焼効率が向上するため有意義である。さらに、酸素極で発生する酸素も同時に利用すると、さらに燃焼効率が高まる。有機ハイドライド製造装置と組み合わせる場合、脱水素リアクタと組み合わせ水素のみを燃料とし、利用後の有機ハイドライドと発生した水とを回収・貯蔵することで、電力を供給するだけで半永久的に利用できる内燃機関システムが作製できる。このような、内燃機関システムは発電モーターと組み合わせることで、メンテナンスフリーの電力平準化用分散電源として利用できる。また太陽電池や風力発電機と組み合わせ、未使用時の電力の貯蔵と、太陽電池や風力発電機が対応できない高い負荷での電力消費に対応できる。
【００３３】
また本発明の水素および有機ハイドライド製造装置は、燃料電池としての利用も可能である。このため、貯蔵装置を組み合わせることで、系統電源で製造した水素および有機ハイドライドを用いて発電する電力平準化用分散電源として利用することもできる。
【００３４】
本発明の水素および有機ハイドライド製造装置は、サイズ変化に伴う効率変化が少なく、装置自体に稼動部分が存在しないため、小型化して車載で利用することも可能である。
【００３５】
有機ハイドライド装置を例にした場合、水素を放出した有機ハイドライド廃液と排ガス中の水蒸気を液化して車載タンクに貯蔵し、帰宅後に系統電源より車載有機ハイドライド製造装置に電力を供給すれば、廃液を再び有機ハイドライド燃料として利用可能なプラグイン自動車システムを構築できる。系統電力供給時に水を共に供給すれば、排ガスに含まれる水蒸気を貯蔵する必要がなくなるので、自動車の重量を軽量化できる。また供給電力に太陽電池や風力発電機を利用することで、二酸化炭素を排出しないゼロエミッション自動車として利用することが可能となる。また有機ハイドライド燃料を利用する燃料電池としても利用可能なので、低速時やストップ＆ゴーが続く低燃費走行時には燃料電池の電力で動くハイブリッドカーとしての利用も可能である。
【００３６】
水素製造装置を例にした場合も、低速時やストップ＆ゴーが続く低燃費走行時に、バッテリー電力で排ガスに含まれる水を電気分解し、燃料と共に水素と酸素を供給することで、自動車の燃費向上を図ることができる。バッテリーに鉛蓄電池やニッケル二次電池を用いている場合、電解液をバッテリーと共有することで、排ガス中の水蒸気が少ない状況でも、水素と酸素の供給が可能になる。
【００３７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３８】
図１は、本発明による水素製造装置の模式図である。水素製造装置１０００は水素極１００１と酸素極１００２および電解液槽１００３を有している。水素極１００１と酸素極１００２は対向して設置しており、その間に電解液槽１００３が位置する。電解液の電気分解に必要な電力は直流電源１００６から供給する。それぞれの電極は気液分離機能を有しており、電気分解により水素極１００１で発生した水素は水素室１００４に、酸素極１００２で発生した酸素は酸素室１００５に流れ、外部へと供給する。本装置では電極表面に泡沫が付着しないため、１Ａ／cm2以上の高い電流密度が可能となる。
【００３９】
電極は親水層，触媒層，疎水層の３層構造であり、本実施例では疎水層として東レ製カーボンペーパーを用いた。触媒層として水素極は多孔質ニッケルめっきを施したニッケルメッシュ、酸素極は多孔質銀めっきを施したニッケルメッシュを用いた。親水層には表面酸化カーボンブラックを、イミダゾリウムポリマーバインダを用いて、それぞれの電極表面に製膜した。電解液には室温では３０重量％水酸化カリウム水溶液を用いた。直流電源により電力を供給したところ、電気分解が起こり、それぞれ水素と酸素を得ることができた。電流密度は最大０.８Ａ／cm2であった。電極表面に泡沫の付着は確認できなかった。
【００４０】
さらに本実施例では、電解液を７５重量％水酸化カリウム水溶液とし、２５０℃，５気圧で電気分解を行った。疎水層と触媒層は室温時を同等とし、親水層は表面酸化したカーボンペーパーとチタンメッシュを重ねて作製した。直流電源により電力を供給したところ、電気分解が起こり、それぞれ水素と酸素を得ることができた。電流密度は最大１.０Ａ／cm2であった。電極表面に泡沫の付着は確認できなかった。
【実施例２】
【００４１】
本実施例では、実施例１の水素極のカーボンペーパー疎水層表面に水素付加触媒層を形成した。触媒としてはカーボンブラック担体に担持したＰｔ微粒子を用いた。Ｐｔ微粒子の粒径は４ナノメートル程度である。２５０℃，５気圧で電気分解反応が進行している条件で、水素室１００４にベンゼンを流通したところ、メチルシクロヘキサンが生成し、本装置により水素製造と有機化合物への水素付加が同時に行えることが確認できた。
【実施例３】
【００４２】
図３は、本発明に係る系統電力及び再生可能エネルギー利用発電である家庭用分散電源及び水素自動車を例とした水素貯蔵・供給システムを示す模式図である。本実施例の有機ハイドライド製造装置は、このシステムの一部として機能する。家屋２０００には、太陽電池２００１や風力発電機２００２からの自然エネルギー由来の電力、系統電力２００３、本発明による水素もしくは有機ハイドライド製造装置２００４、水素もしくは有機ハイドライド貯蔵装置２００５を備えている。また、自動車２００８には本発明による水素もしくは有機ハイドライド製造装置２００９、水素もしくは有機ハイドライド貯蔵装置２０１０，リアクタ２０１１が搭載されている。太陽電池２００１，風力発電機２００２のような再生可能エネルギー発電により造られた電気は、インバータ２００６を経由して交流に変換される。変換された電気は、家庭用の電気機器２００７に使用されるか、電気機器２００７に使用せず、余剰電力が発生したときには、変換された電気を水素もしくは有機ハイドライド製造装置２００４に供給する。
【００４３】
水素もしくは有機ハイドライド製造装置２００４では、水の電気分解により水素と酸素が発生する。発生した水素は、水素もしくは有機ハイドライド貯蔵装置２００５で貯蔵されるか、もしくは装置内部で有機ハイドライド製造のための水素付加反応に消費される。
【００４４】
電力は昼間の負荷変動に対応したピーク電力と昼夜一定の基本電力を供給するベース電力に分けられる。昼間の負荷変動に対応したピーク電力を供給する発電システムでは、ベース電力は電力会社などの系統電力２００３を利用する。系統電力２００３もＣＯ2 削減のためには再生可能エネルギーを利用することが好ましい。太陽光発電に限らず、風力，地熱，海洋温度差，潮力，バイオマスなど多くの再生可能エネルギーを利用できる。太陽光は昼間のみ発電可能であるが、他の再生可能エネルギーは夜間も発電できる。夜間は昼間に比べ電力使用量が激減するため火力発電所などの場合は、消費燃料を削減するために発電を一時停止する。これに対し再生可能エネルギーは燃料費がかからないので夜間でも発電可能であれば電力供給を行っても問題はない。ただし、利用の少ない夜間では余剰電力になる可能性が大きいので、これら発生した余剰電力を水の電気分解に用い水素もしくは有機ハイドライドを製造・貯蔵する。有機ハイドライド製造装置２００４は燃料電池として用いることも可能なため、貯蔵した水素もしくは有機ハイドライドを供給し、発電することもできる。
【００４５】
自動車２００８は、リアクタ２０１１により有機ハイドライド燃料から取り出した水素を燃料電池もしくは内燃機関で燃焼して、駆動力を得る。車載した本発明による水素もしくは有機ハイドライド製造装置２００９は、家屋２０００のインバータ２００６から電力を得ることで消費した有機ハイドライドに水素を付加し、再び燃料として利用することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の有機ハイドライド製造装置の模式図を示す図。
【図２】本発明の水素極の模式図を示す図。
【図３】水素貯蔵・供給システムを示す模式図。
【符号の説明】
【００４７】
１０００  水素製造装置
１００１  水素極
１００２  酸素極
１００３  電解液
１００４  水素室
１００５  酸素室
１００６  直流電源
２０００  家屋
２００１  太陽電池
２００２  風力発電機
２００３  系統電力
２００４，２００９  水素もしくは有機ハイドライド製造装置
２００５，２０１０  水素もしくは有機ハイドライド貯蔵装置
２００６  インバータ
２００７  電気機器
２００８  自動車
２０１１  リアクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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