JP6099262B2 - 水分解方法および水分解装置 - Google Patents

Description

本発明は、水を水素と酸素とに分解するための水分解方法および水分解装置に関する。

近年、地球温暖化などの問題に基づく省エネルギの観点から、家庭用燃料電池システムなどのコージェネレーションシステムや燃料電池自動車などのように、水素エネルギを利用した技術が注目されている。

このような水素エネルギを利用した技術に用いられる水素を製造する技術としては、従来から、水の電気分解による方法が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。

特開２０１０−２８０９７５号公報（第２−４頁、図１） 特開２００６−１１８０２２号公報（第２−４頁）

しかしながら、上述の特許文献１および特許文献２のような水の電気分解では、電極の周囲のみでしか酸化還元反応が起こらず、水が分解される範囲が限られるため、分解にかかる反応時間が長くなり分解量も少なく、効率的に水を分解できないという問題が考えられる。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、効率的に水を分解できる水分解方法および水分解装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載された水分解方法は、水を水素と酸素とに分解する水分解方法であって、分解する水は、酸化還元電位が−３９０ｍＶ以上７７３ｍＶ以下で、その分解する水に光触媒が接した状態にて、その水に、周波数が０．２ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下のマイクロ波を照射するとともに紫外線を照射するものである。

請求項２に記載された水分解方法は、請求項１に記載された水分解方法において、金属が担持された光触媒を用いるものである。

請求項３に記載された水分解方法は、請求項１または２に記載された水分解方法において、２種類の金属が担持された光触媒を用い、この光触媒に担持された各金属のイオン化傾向に基づいて電位差を生じさせるものである。

請求項４に記載された水分解方法は、請求項１ないし３いずれか一に記載された水分解方法において、分解する水に電解質を添加するものである。

請求項５に記載された水分解方法は、請求項１ないし４いずれか一に記載された水分解方法において、マイクロ波の周波数は、分解する水の酸化還元電位に基づいて設定するものである。

請求項６に記載された水分解方法は、請求項１ないし５いずれか一に記載の水分解方法において、水の分解にて発生した酸素を活性炭により二酸化炭素にするものである。

請求項７に記載された水分解装置は、酸化還元電位が−３９０ｍＶ以上７７３ｍＶ以下の水が供給される反応槽と、前記反応槽内の水に周波数が０．２ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下のマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、前記反応槽内の水に紫外線を照射する紫外線照射手段と、少なくとも水の分解により発生する水素を回収する回収手段とを備え、前記反応槽の内側面に光触媒が設けられたものである。

請求項８に記載された水分解装置は、請求項７に記載された水分解装置において、光触媒は、金属が担持されているものである。

請求項９に記載された水分解装置は、請求項７または８に記載された水分解装置において、光触媒は、２種類の金属が担持され、反応槽内では、前記光触媒に担持された各金属のイオン化傾向に基づいて電位差が生じるものである。

請求項１０に記載された水分解装置は、請求項７ないし９いずれか一に記載された水分解装置において、分解する水に電解質を添加する電解質供給手段を備えたものである。

請求項１１に記載された水分解装置は、請求項７ないし１０いずれか一に記載された水分解装置において、水の酸化還元電位を測定する酸化還元電位測定手段を備え、マイクロ波照射手段から照射されるマイクロ波の周波数は、前記酸化還元電位測定手段にて測定された酸化還元電位に基づいて設定されるものである。

請求項１２に記載された水分解装置は、請求項７ないし１１いずれか一に記載された水分解装置において、回収手段は、水素を回収する水素回収手段と、酸素を回収する酸素回収手段とを有し、光触媒および前記酸素回収手段の少なくとも一方に活性炭が担持されているものである。

請求項１に記載された発明によれば、酸化還元電位が−３９０ｍＶ以上７７３ｍＶ以下の水に光触媒が接した状態で、周波数が０．２ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下のマイクロ波を照射するとともに紫外線を照射するため、広範囲で酸化還元反応を起こすことができ、効率的に水を分解できる。

請求項２に記載された発明によれば、分解する水に金属が担持された光触媒が接した状態にて、水にマイクロ波および紫外線を照射し、効率的に水を分解できる。

請求項３に記載された発明によれば、光触媒に担持された各金属のイオン化傾向に基づいて電位差を生じさせるため、水の分解反応を促進でき、効率的に水を分解できる。

請求項４に記載された発明によれば、分解する水に電解質を添加するため、分解する水の酸化還元電位を低下でき、効率的に水を分解できる。

請求項５に記載された発明によれば、マイクロ波の周波数を、分解する水の酸化還元電位に基づいて設定するため、より適切な周波数のマイクロ波を選択して、効率的に水を分解できる。

請求項６に記載された発明によれば、水の分解にて発生した酸素を活性炭により二酸化炭素にするため、一旦分解された酸素と水素とが再度化合することを防止できる。

請求項７に記載された発明によれば、マイクロ波照射手段と紫外線照射手段とを備え、反応槽の内側面に光触媒が設けられているため、酸化還元電位が−３９０ｍＶ以上７７３ｍＶ以下の水に光触媒が接した状態で、周波数が０．２ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下のマイクロ波を照射するとともに紫外線を照射することにより、反応槽内の広範囲で酸化還元反応を起こすことができ、効率的に水を分解できる。

請求項８に記載された発明によれば、光触媒に金属が担持されているため、この金属によって反応槽内に電位差が発生し、効率的に水を分解できる。

請求項９に記載された発明によれば、２種類の金属が担持された光触媒を用い、この光触媒に担持された各金属のイオン化傾向に基づいて電位差を生じさせるため、水の分解反応を促進でき、効率的に水を分解できる。

請求項１０に記載された発明によれば、電解質供給手段を備えているため、電解質により反応槽内の水の酸化還元電位を低下でき、効率的に水を分解できる。

請求項１１に記載された発明によれば、酸化還元電位測定手段を備えているため、分解する水の酸化還元電位に基づいてマイクロ波の周波数を設定でき、より適切な周波数のマイクロ波を選択して、効率的に水を分解できる。

請求項１２に記載された発明によれば、光触媒および酸素回収手段の少なくとも一方に活性炭が担持されているため、水の分解にて発生した酸素を活性炭により二酸化炭素にして、一旦分解された酸素と水素とが再度化合することを防止できる。

本発明の第１の実施の形態に係る水分解装置の構成を示す構成図である。 図１のＡ−Ａ端面図である。 同上水分解装置における光触媒を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る水分解装置の構成を示す構成図である。 図４のＢ−Ｂ端面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る水分解装置の構成を示す構成図である。 図６のＣ−Ｃ端面図である。

以下、本発明の第１の実施の形態の構成について図面を参照を参照しながら詳細に説明する。

図１および図２において、１は水分解装置であり、この水分解装置１は、いわゆる縦置き型で、給水手段２から供給される水を水素と酸素とに分解して、これら水素および酸素を回収する。なお、水は、例えば水道水などの上水および天然水などから適宜選択できる。

このような水分解装置１は、給水手段２が接続された反応槽３を備えている。この反応槽３には、反応槽３内の水にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段４が設けられている。また、反応槽３には、反応槽３内の水に紫外線を照射する紫外線照射手段５が設けられている。さらに、反応槽３には、水の分解により発生する水素および酸素を回収する回収手段としての水素回収手段６および酸素回収手段７が設けられている。また、反応槽３の内側面全体には、光触媒８が設けられている。

なお、反応槽３内や給水手段２には、図示しない酸化還元電位測定手段が設けられ、反応槽３内にて分解される水の酸化還元電位を測定可能な構成が好ましい。

反応槽３は、円筒状のいわゆるオーバル形であり、平面視では軸方向の両端部が円弧状の角丸長方形状の耐圧容器である。この反応槽３の耐圧能力は、水の分解時に発生する熱や給水による圧力に基づき、１０Ｍｐａ以上であると好ましい。

また、反応槽３は、分解する水の酸化還元電位を低減するために、炭酸などの電解質を供給する図示しない電解質供給手段が設けられた構成が好ましい。

反応槽３内では、図２に示すように、反応槽３内の略中心軸上に紫外線照射手段５が配置されている。また、反応槽３内における紫外線照射手段５の外側に２つのマイクロ波照射手段４が紫外線照射手段５を挟むように配置されている。

マイクロ波照射手段４は、例えばマグネトロンなどである。このマイクロ波照射手段４は、電源11に接続されて、所定の周波数のマイクロ波を照射する。なお、マイクロ波の周波数は、０．２ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下の範囲を選択する。通常は、例えば一般的な電子レンジと同様の２．４５ＧＨｚに設定されるが、酸化還元電位測定手段により測定された水の酸化還元電位に基づいて設定することが好ましい。

また、マイクロ波照射手段４は、反応槽３の軸方向の一方側の端部から他方側へのびるように配置され接地側となるマイクロ波放射電極12と、反応槽３の軸方向の他方側の端部から一方側へのびるように配置されたマイクロ波受信電極13とを有している。

そして、マイクロ波照射手段４は、反応槽３内において、接地側であるマイクロ波放射電極12からマイクロ波受信電極13へ向かってマイクロ波を放射する。マイクロ波放射電極12から放射されたマイクロ波は、光触媒８に向かって反応槽３内全体へ拡散しながら最終的にマイクロ波受信電極13に受信される。そして、このようにマイクロ波照射手段４から照射され反応槽３内全体へ拡散したマイクロ波は、水中でプラズマを発生させ水分子の共有結合および水素結合を解離する状態にして、水の分解反応を促進させる。

紫外線照射手段５は、例えば紫外線ランプなどであり、反応槽３内における水の圧力などを考慮すると、周囲に図示しない石英ガラスや水晶などの耐熱性や耐圧性に優れた保護層が設けられた構成が好ましい。特に、石英ガラスは、紫外線の透過率が高く、紫外線を効率的に放射できるので好ましい。

この紫外線照射手段５は、電源11に接続されて、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲から選択された波長の紫外線を照射する。そして、照射された紫外線は、反応槽３内にて光触媒８に向かって拡散する。

このように紫外線照射手段５から照射された紫外線は、マイクロ波によって共有結合および水素結合が解離する状態にされた水に酸化還元反応を起こし、水分子の共有結合および水素結合を切断して、水素と酸素とに分解する。

水素回収手段６は、反応槽３内におけるマイクロ波照射手段４の外側にて、紫外線照射手段５を中心とした円周上に配置された複数、例えば８つの水素透過パイプ15を有している。また、これら各水素透過パイプ15の一端部には水素回収ライン16が接続されている。

水素透過パイプ15は、例えばＮｂ＋Ｗ＋Ｍｏ合金などで構成された水素透過膜にて形成されて水素を透過可能な筒状のパイプ本体17を有している。また、このパイプ本体17の内側の空間部18は、水素回収ライン16に連通している。そして、パイプ本体17を透過して空間部18に存在する水素が、空間部18から水素回収ライン16を通って回収される。

酸素回収手段７は、反応槽３内における水素透過パイプ15の外側にて、紫外線照射手段５を中心とした円周上に配置された複数、例えば８つの酸素透過パイプ21を有している。また、これら各酸素透過パイプ21の一端部には、酸素回収ライン22が接続されている。

酸素透過パイプ21は、例えば酸素透過性セラミックスなどで構成された酸素透過膜にて形成されて、酸素を透過可能な筒状のパイプ本体23を有している。また、このパイプ本体23の内側の空間部24は、酸素回収ライン22に連通している。そして、パイプ本体23を透過して空間部24に存在する酸素が、空間部24から酸素回収ライン22を通って回収される。

なお、水素回収ライン16および酸素回収ライン22は、例えば図示しないアスピレータなどの吸引手段が接続され、水素透過パイプ15内の水素や酸素透過パイプ21の酸素を吸引可能な構成にすることが好ましい。

光触媒８は、例えば酸化チタンなどであり、反応槽３の内側面全体に連続して内張りされている。また、光触媒８は、図３に示すように、立体的な形状である。具体的には、光触媒８は、反応槽３の内側面から突出した略六角錐状の基部26を有しており、平坦な場合に比べて、表面積が大きく反応槽３内の水に接触する面積が大きい。また、基部26の中央には、基部26から突出した突起部27が設けられており、この突起部27にマイクロ波や紫外線が導かれる。

次に、上記第１の実施の形態における水分解方法について説明する。

水分解装置１にて水を分解する際には、まず、給水手段２から水を供給し、反応槽３内に水を充填する。なお、給水手段２は、水の分解中も常時所定量の水を反応槽３内に供給する。

また、水の供給とともに、電解質供給手段により電解質を供給して、反応槽３内の水に電解質を添加することにより反応槽３内の水の酸化還元電位を低下させる。

反応槽３内に供給された水は、添加された電解質により、活性化エネルギが低下する。

ここで、水を分解する際には、水に対して水素および酸素を分解するための活性化エネルギ以上のエネルギを与えて、水分子を遷移状態にすることが重要である。

そこで、反応槽３内の水に添加された電解質の作用によって、あらかじめ水の活性化エネルギを低下させることで、水が分解しやすい状態になる。

なお、光触媒８は、反応物である水に接した状態で光が照射されることによって、その水の活性化エネルギを低下させるので、光触媒８を図３に示すように立体的な構成にすると、平坦な場合に比べて光触媒８の表面積が大きくなり、より効率的に活性化エネルギを低下できる。

このように水の活性化エネルギを低下させた状態で、マイクロ波照射手段４により反応槽３内の水にマイクロ波を照射するとともに、紫外線照射手段５により反応槽３内の水に紫外線を照射する。

マイクロ波照射手段４は、接地側であるマイクロ波放射電極12からマイクロ波受信電極13へ向かってマイクロ波が照射される。このようにマイクロ波放射電極12から放射されたマイクロ波は、光触媒８の突起部27に導かれるように拡散しながら最終的にマイクロ波受信電極13に受信される。

反応槽３内にてマイクロ波が突起部27に向かって拡散することにより、反応槽３内においてほぼ均一にマイクロ波が照射されて、反応槽３内の広い範囲で水中にプラズマが発生し、泡が発生する。

このように水中にプラズマが発生すると、その振動により、水分子における水素原子同士の水素結合、および、水素原子と酸素原子との共有結合が解離できる状態になり、水分子の分解における励起状態となる。

ここで、水に酸化還元反応を起こして分解する際には、分解する水に、水素の酸化還元電位および酸素の酸化還元電位より大きい電位を与えることが重要である。

すなわち、水は、負極の電位が水素イオンの酸化還元電位より負に大きくならないと、水素イオンへ電子が移動できない。また、正極の電位が酸素イオンの酸化還元電位より正に大きくならないと、酸素イオンから電子が移動できない。

そこで、マイクロ波を照射することにより、水に水素イオンの酸化還元電位および酸素イオンの酸化還元電位より大きい電位を与え、水における初期電子にエネルギを加えて初期電子を加速し高エネルギ電子とする。また、この高エネルギ電子が、水分子、水素原子および酸素原子と衝突することで、高エネルギ電子と水分子、水素原子および酸素原子との間でエネルギが移動する。そして、このエネルギの移動によってエネルギが交換されて、中性の分子や原子がイオンと電子とに電離し、励起状態となる。

したがって、マイクロ波により水素イオンの酸化還元電位および酸素イオンの酸化還元電位より大きい電位を与えることによって、水素イオンおよび酸素イオンが電子をやり取りできる状態となり、水が紫外線の作用によって分解しやすい状態となる。

また、反応槽３内の水に電解質を添加することにより、水の酸化還元電位を低下できるため、マイクロ波によって効率的に水分子を励起状態にできる。

なお、分解する水によって成分が若干異なり、例えば、水道水を分解する場合であってもその水道水を得る場所によって成分が若干異なるため、その水の酸化還元電位がそれぞれ異なる。そこで、マイクロ波の周波数は、分解する水の酸化還元電位を勘案して、その水の水素および酸素それぞれの酸化還元電位に基づいて設定することが好ましい。

具体的には、水における特定物質の酸化還元電位は、ネルンストの式に基づいて求めることができる。すなわち、Ｅを酸化還元電位とし、Ｅ_０を標準電極電位とし、Ｒを気体定数（８．３１４Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）とし、Ｔを絶対温度（Ｋ）とし、ｎを酸化還元反応で授受される電子数（移動電子数）とし、Ｆをファラデー定数とし、［ｏｘ］を特定物質の酸化型活量とし、［ｒｅｄ］を特定物質の還元型活量とすると、Ｅ＝Ｅ_０＋（ＲＴ／ｎＦ）ｌｎ（［ｏｘ］／［ｒｅｄ］）にて示される。

したがって、分解する水について、酸化還元電位測定手段により上記各要素を測定して水素および酸素の酸化還元電位を算出し、水素および酸素の酸化還元電位より電位が大きくなるようにマイクロ波の周波数を設定することが好ましい。

参考までに、日本国内の各種水、各地の水の酸化還元電位は、約−３９０ｍＶ以上７７３ｍＶ以下の範囲である。

紫外線は、化学線と呼ばれ、照射対象物に対して化学的な作用を及ぼすもので、酸化還元反応促進能力を有する。このような紫外線を、マイクロ波の照射によって水素結合および共有結合が励起状態となった水に照射すると、水に酸化還元反応が起きて水素結合および共有結合が切断されて水が水素と酸素とに分解される。

このような水の分解により発生した水素は、水素透過パイプ15のパイプ本体17を透過し、水素回収ライン16に接続されたアスピレータなどにて吸引されて、空間部18から水素回収ライン16に回収される。

また、水の分解により発生した酸素は、酸素透過パイプ21にパイプ本体23を透過し、酸素回収ライン22に接続されたアスピレータなどにて吸引されて、空間部24から酸素回収ライン22に回収される。

次に、上記第１の実施の形態の効果を説明する。

上記第１の実施の形態によれば、反応槽３内の水にマイクロ波照射手段４によりマイクロ波を照射するとともに、紫外線照射手段５により紫外線を照射することによって、マイクロ波により水素結合および共有結合を解離状態にして水分子を励起状態にできるとともに、この励起状態で紫外線が作用することにより酸化還元反応を起こして、水を水素と酸素とに分解できる。したがって、例えば上記特許文献１および特許文献２などの従来の水の電気分解のような電極を介して分解しないため、酸化還元反応が起こる場所が電極近傍に限定されず、反応槽３内におけるマイクロ波および紫外線が照射された広い範囲で酸化還元反応を起こすことができ、効率的に水を分解できる。

また、反応槽３内に光触媒８が設けられたことにより、分解する水に光触媒が接した状態にて、水にマイクロ波および紫外線を照射できるため、効率的に水を分解できる。

この光触媒８は、反応槽３の内周面から立体的に突出した構成にすることにより、平坦な構成の場合に比べて反応槽３内の水に対する光触媒８の表面積を大きくできるため、より効率的に水を分解できる。

また、光触媒８は、突起部27を有することにより、反応槽３内にて、マイクロ波および紫外線が突起部27に導かれるように拡散しやすいため、反応槽３内全体のできるだけ広い範囲で酸化還元反応を起こすことができ、効率的に水を分解できる。

反応槽３は、オーバル形の構成にすることにより、マイクロ波および紫外線が反応槽３内にて均一に拡散して照射されやすいため、効率的に水を分解できる。

反応槽３に電解質供給手段が設けられたことにより、分解する水に電解質を添加できるため、電解質によって水の酸化還元電位を低下させて、効率的に水を分解できる。

また、酸化還元電位測定手段が設けられ、この酸化還元電位測定手段にて測定した水の酸化還元電位に基づいてマイクロ波の周波数を設定することによって、より適切な周波数のマイクロ波を選択できるため、正確に水素原子および酸素原子を励起状態にでき、効率的に水を分解できる。

さらに、回収手段としての水素回収手段６および酸素回収手段７が設けられたことにより、水の分解により生じる水素および酸素の両方を正確に回収できる。

なお、上記第１の実施の形態では、反応槽３内におけるマイクロ波照射手段４、紫外線照射手段５、水素回収手段６および酸素回収手段７について、図２に示す配置や数としたが、反応槽３内におけるマイクロ波照射手段４、紫外線照射手段５、水素回収手段６および酸素回収手段７の配置および数は、上記第１の実施の形態の配置に限定されず、適宜設計可能である。

反応槽３は、オーバル形の耐圧容器である構成としたが、このような構成には限定されず、マイクロ波および紫外線の照射により水を分解できる構成であればどのような形状をした反応槽を用いてもよい。

光触媒８は、立体的な基部26と突起部27とを有する構成には限定されず、例えば、板状にした光触媒が設けられた構成にしてもよい。また、光触媒８を立体的な構成にする場合は、基部26の形状は略六角錐状には限定されず、表面積を大きくできる構成であれば、どのような形状にしてもよい。

反応槽３は、電解質供給手段が設けられ、分解する水に電解質を添加する構成としたが、このような構成には限定されず、電解質を添加しない構成にしてもよい。

また、電解質を添加する構成の場合には、電解質は、炭酸に限定されず、電解質として例えばカリウム、カルシウムおよびナトリウムなどの金属化合物の水溶液を用いてもよい。

マイクロ波照射手段４の周波数は、分解する水の酸化還元電位に基づいて設定することが好ましいが、このようにマイクロ波の周波数を設定する構成には限定されない。すなわち、マイクロ波は、水の水素結合および共有結合を解離状態にするものであり、最終的には紫外線の作用により水素と酸素とを分解するものであるため、マイクロ波の周波数を必ずしも水の酸化還元電位に基づいて設定する必要はない。基本的には、どのような水であっても一般的な電子レンジの周波数である２．４５ＧＨｚのマイクロ波により励起状態にできる。

紫外線照射手段５は、紫外線ランプを用いた構成としたがこのような構成には限定されず、反応槽３内にて紫外線を照射できるものであればよい。

また、マイクロ波照射手段４と紫外線照射手段５とが別体の構成としたが、このような構成には限定されず、マイクロ波照射手段４と紫外線照射手段５とが一体の構成にしてもよい。

回収手段としての水素回収手段６と酸素回収手段７とが設けられ、水の分解により生じる水素および酸素の両方を回収できる構成としたが、このような構成には限定されず、水素はもちろん酸素も回収できる構成にしてもよく、少なくとも水素を回収できる構成であればよい。

また、水素回収手段６は、水素が透過可能な水素透過パイプ15を用いて水素を回収する構成としたが、このような構成には限定されず、水素を回収できる構成であれば適宜設計可能である。

さらに、酸素回収手段７は、酸素が透過可能な酸素透過パイプ21を用いて酸素を回収する構成としたが、このような構成には限定されず、酸素を回収できる構成であれば適宜設計可能である。

ここで、水分解装置１は、縦置き型の構成としたが、このような構成に限定されず、想定される使用状況に応じて、例えば図４および図５に示す横置き型の第２の実施の形態の構成にしてもよい。

図４および図５に示す横置き型の水分解装置31は、反応槽３内において、マイクロ波および紫外線が均一に照射しやすく、水の分解により発生する水素および酸素を回収しやすいように、マイクロ波照射手段４、紫外線照射手段５、水素回収手段６の水素透過パイプ15および酸素回収手段７の酸素回収パイプが配置されている。

すなわち、オーバル形の反応槽３内における下部に紫外線照射手段５が配置され、その上方にマイクロ波照射手段４が配置されている。また、反応槽３の内周面近傍に複数、例えば９つの酸素透過パイプ21が円弧状に配置され、その内側に複数、例えば８つの水素透過パイプ15が円弧状に配置されている。

そして、この第２の実施の形態でも、上記第１の実施の形態と同様に、反応槽３における広い範囲で酸化還元反応を起こすことができ、効率的に水を分解できる。

次に、第３の実施の形態を図６および図７を参照して説明する。なお、上記実施の形態と同一の構成及び作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

図６および図７に示すように、水分解装置41には、マイクロ波照射手段４の外側に酸素回収手段７を構成する複数例えば６つの酸素透過パイプ21が、紫外線照射手段５を中心とした円周上に配置されている。さらに、これら酸素透過パイプ21の外側に複数例えば１４個の水素透過パイプ15が、紫外線照射手段５を中心とした円周上に配置されている。

また、反応槽３の内側面に設けられた光触媒８には、金属としてのパラジウムおよびストロンチウムが担持され、パラジウム担持部42およびストロンチウム担持部43が形成されている。

これらパラジウムおよびストロンチウムは、反応槽３における幅方向の片側領域に半面ずつ別々に担持されている。すなわち、給水手段２側である図中の左側の半面には、パラジウムが担持されてパラジウム担持部42が形成され、給水手段２とは反対側である図中の右側の半面には、ストロンチウムが担持されストロンチウム担持部43が形成されている。

ここで、ストロンチウムはイオン化傾向が０．９Ｖであるのに対し、パラジウムはイオン化傾向は−２．８９Ｖである。

そのため、ストロンチウムとパラジウムとを反応槽３において半面ずつ担持させることにより、ストロンチウムおよびパラジウムのイオン化傾向に基づいて、反応槽３内で電位差が発生して水の分解反応を促進できる。

したがって、水に光触媒８が接した状態において、パラジウムおよびストロンチウムにより電位差を発生させて、水にマイクロ波および紫外線を照射するため、効率的に水を分解できる。

また、反応槽３内は、光触媒８と各酸素透過パイプ21の外側面とに、図示しない活性炭が担持された構成にすると好ましい。

光触媒８および酸素透過パイプ21に活性炭が担持されることにより、水の分解にて発生した酸素の少なくとも一部が、光触媒の光酸化力および活性炭の作用によって二酸化炭素に変化する。

そして、二酸化炭素の方が酸素より水に溶解して安定しやすいため、マイクロ波および紫外線の作用により一旦分解された酸素と水素とが再度化合して水となることを防止できるとともに、化合による熱の発生を防止できる。

また、活性炭の作用で生成された二酸化炭素は、反応槽３内において電解質である炭酸として作用し、反応槽３内の水の酸化還元電位を低下できる。

なお、二酸化炭素に変化されなかった酸素は、酸素回収手段７によって回収される。

上記第３の実施の形態では、光触媒８に担持される金属としてパラジウムおよびストロンチウムを用いたが、このような構成には限定されず、反応槽３内で電位差を発生させられる金属であれば適宜選択できる。

また、金属の配置箇所も適宜決定でき、例えば図４および図５のような横置き型の構成の場合には、上下方向の上側の半面に位置する光触媒８にストロンチウムを担持させ、下側の半面に位置する光触媒８にパラジウムを担持させる構成などにできる。

さらに、金属が反応槽３の内周面全体の光触媒８に担持された構成には限定されず、例えば一部分のみに金属を担持させる構成にしてもよい。

また、活性炭を設ける場合には、光触媒８および酸素回収手段７の両方に活性体が設けられた構成には限定されず、光触媒８または酸素回収手段７の一方にのみ活性炭が設けられた構成にしてもよい。

１ 水分解装置
３ 反応槽
４ マイクロ波照射手段
５ 紫外線照射手段
６ 回収手段としての水素回収手段
７ 回収手段としての酸素回収手段
８ 光触媒
31 水分解装置
41 水分解装置

Claims (12)

1. 水を水素と酸素とに分解する水分解方法であって、
   分解する水は、酸化還元電位が−３９０ｍＶ以上７７３ｍＶ以下で、
   その分解する水に光触媒が接した状態にて、その水に、周波数が０．２ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下のマイクロ波を照射するとともに紫外線を照射する
   ことを特徴とする水分解方法。
2. 金属が担持された光触媒を用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の水分解方法。
3. ２種類の金属が担持された光触媒を用い、この光触媒に担持された各金属のイオン化傾向に基づいて電位差を生じさせる
   ことを特徴とする請求項１または２記載の水分解方法。
4. 分解する水に電解質を添加する
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の水分解方法。
5. マイクロ波の周波数は、分解する水の酸化還元電位に基づいて設定する
   ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一記載の水分解方法。
6. 水の分解にて発生した酸素を活性炭により二酸化炭素にする
   ことを特徴とする請求項１ないし５いずれか一記載の水分解方法。
7. 酸化還元電位が−３９０ｍＶ以上７７３ｍＶ以下の水が供給される反応槽と、
   前記反応槽内の水に周波数が０．２ＧＨｚ以上５ＧＨｚ以下のマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、
   前記反応槽内の水に紫外線を照射する紫外線照射手段と、
   少なくとも水の分解により発生する水素を回収する回収手段とを備え、
   前記反応槽の内側面に光触媒が設けられた
   ことを特徴とする水分解装置。
8. 光触媒は、金属が担持されている
   ことを特徴とする請求項７記載の水分解装置。
9. 光触媒は、２種類の金属が担持され、
   反応槽内では、前記光触媒に担持された各金属のイオン化傾向に基づいて電位差が生じる
   ことを特徴とする請求項７または８記載の水分解装置。
10. 分解する水に電解質を添加する電解質供給手段を備えた
    ことを特徴とする請求項７ないし９いずれか一記載の水分解装置。
11. 水の酸化還元電位を測定する酸化還元電位測定手段を備え、
    マイクロ波照射手段から照射されるマイクロ波の周波数は、前記酸化還元電位測定手段にて測定された酸化還元電位に基づいて設定される
    ことを特徴とする請求項７ないし１０いずれか一記載の水分解装置。
12. 回収手段は、水素を回収する水素回収手段と、酸素を回収する酸素回収手段とを有し、
    光触媒および前記酸素回収手段の少なくとも一方に活性炭が担持されている
    ことを特徴とする請求項７ないし１１いずれか一記載の水分解装置。

Images