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JP7809265B2 - Hydrogen Generation System - Google Patents
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JP7809265B2 - Hydrogen Generation System - Google Patents

Hydrogen Generation System

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JP7809265B2
JP7809265B2 JP2020124519A JP2020124519A JP7809265B2 JP 7809265 B2 JP7809265 B2 JP 7809265B2 JP 2020124519 A JP2020124519 A JP 2020124519A JP 2020124519 A JP2020124519 A JP 2020124519A JP 7809265 B2 JP7809265 B2 JP 7809265B2
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Description

本発明は、分解対象の水が供給される分解槽と、分解槽の内部で水と接触する光触媒と、光触媒に光を照射する光源と、を備え、水を分解して水素を発生させる水素生成システムに関するものである。 The present invention relates to a hydrogen generation system that generates hydrogen by decomposing water, and includes a decomposition tank to which water to be decomposed is supplied, a photocatalyst that comes into contact with the water inside the decomposition tank, and a light source that irradiates the photocatalyst with light.

我が国では、水素ステーションの普及が進んでいることや、水素と二酸化炭素を反応させることで都市ガス等に利用するメタンを生成可能であること等を背景として、水素の需要が増大しつつある。 Demand for hydrogen is increasing in Japan due to factors such as the increasing popularity of hydrogen stations and the fact that hydrogen can be reacted with carbon dioxide to produce methane, which can be used for city gas, etc.

水素を生成する方法として、天然ガスから水素を取り出す方法が考えられる。しかし、昨今、環境問題への対応のために低炭素社会が目標とされており、さらに究極的には脱炭素社会が目標とされていることを考慮すると、天然ガスから水素を取り出す方法は、天然ガスから水素を取り出す際に二酸化炭素の排出がなされる点が好ましくない。したがって、二酸化炭素を可能な限り排出せずに水素を生成する方法が望まれている。 One possible method of producing hydrogen is to extract it from natural gas. However, in recent years, in order to address environmental issues, the goal has been to create a low-carbon society, and ultimately, to create a carbon-free society. Considering this, extracting hydrogen from natural gas is undesirable because carbon dioxide is emitted when extracting hydrogen from natural gas. Therefore, there is a need for a method of producing hydrogen with as little carbon dioxide emissions as possible.

二酸化炭素を排出せずに水素を生成する方法としては、水を分解して水素を生成する方法が考えられる。例えば、水を電気分解することで水素を生成する方法や、光触媒を利用して水を分解する方法が挙げられる。水を電気分解することで水素を生成する方法は、水を電気分解するために、電力や電気分解装置が必要である。一方で、光触媒を利用する方法は、水と光触媒があれば水を分解することができるため、電力や電気分解装置が不要である。よって、光触媒を利用して水を分解する方法は、より低コストで簡便に水素を生成することができる方法として、注目を集めており、水素の発生効率を可能な限り増大させるための研究開発が続けられている。光触媒を用いて水素を生成する方法としては、例えば、特許文献1に開示される方法が知られている。 One method of generating hydrogen without emitting carbon dioxide is to generate hydrogen by decomposing water. Examples include methods of generating hydrogen by electrolyzing water and methods of decomposing water using a photocatalyst. Methods of generating hydrogen by electrolyzing water require electricity and an electrolysis device to electrolyze the water. On the other hand, methods using a photocatalyst do not require electricity or an electrolysis device because water can be decomposed using only water and a photocatalyst. Therefore, methods of decomposing water using a photocatalyst have attracted attention as a method of generating hydrogen more easily and at lower cost, and research and development is ongoing to maximize the efficiency of hydrogen generation. One known method of generating hydrogen using a photocatalyst is disclosed in Patent Document 1, for example.

他方、エネルギー資源に乏しい我が国においては、エネルギーを安定的に供給することができる方策が必要である。そのような中、エネルギー効率を向上させ、省エネルギー化を達成するため、産業機器の排熱等の未利用エネルギーの活用が注目されている。 On the other hand, Japan, a country with few energy resources, needs measures to ensure a stable supply of energy. In this context, there is growing interest in utilizing unused energy, such as waste heat from industrial equipment, in order to improve energy efficiency and achieve energy conservation.

特開2010-470号公報JP 2010-470 A

しかしながら、光触媒により水を分解して得られる水素の量は微量であるという課題があった。例えば、アルミニウム(Al)をドープしたチタン酸ストロンチウム(SrTiO)に、助触媒としてロジウムクロム複合酸化物(RhCrO)を担持させたもの(RhCrO/SrTiO:Al)を光触媒とし、当該光触媒を水に分散させる。そして、光触媒を分散させた水に対し、当該水を常温(摂氏20度)とした状態で、キセノンランプによる光(波長λ>300nm)の照射を行う。このような条件下で得られる水素の量は、水を100mlとすれば、60分間で230μmolと微量である。よって、より効率的に水素を生成することができるシステムが望まれている。 However, there has been a problem in that the amount of hydrogen obtained by decomposing water using a photocatalyst is very small. For example, a photocatalyst is prepared by supporting rhodium-chromium composite oxide ( RhCrOx ) as a promoter on strontium titanate ( SrTiO3 ) doped with aluminum (Al) ( RhCrOx / SrTiO3 :Al), and the photocatalyst is dispersed in water. The water with the dispersed photocatalyst is then irradiated with light (wavelength λ>300 nm) from a xenon lamp at room temperature (20°C). Under these conditions, the amount of hydrogen obtained is very small, at 230 μmol per 100 ml of water in 60 minutes. Therefore, a system that can generate hydrogen more efficiently is desired.

また、省エネルギー化の観点からは、ガスエンジン、ディーゼルエンジン等の発電機から排出される摂氏90度から150度程度の中低温排熱は、多くが廃棄されているのが現状である。省エネルギー化を達成のため、中低温排熱の利用が期待されている。 Furthermore, from the perspective of energy conservation, currently much of the low- to medium-temperature waste heat (around 90 to 150 degrees Celsius) emitted from generators such as gas and diesel engines is simply discarded. There are high hopes for utilizing low- to medium-temperature waste heat to achieve greater energy conservation.

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、効率良く水素を生成することができるとともに、省エネルギー化に配慮した水素生成システムを提供することを目的とする。 The present invention aims to solve the above problems by providing a hydrogen generation system that can generate hydrogen efficiently and is energy-efficient.

上記課題を解決するために、本発明の水素生成システムは、次のような構成を有している。
(1)分解対象の水が供給される分解槽と、分解槽の内部で水と接触する光触媒(自己酸化半導体を除く)と、光触媒に光を照射する光源と、を備え、水を分解して水素を発生させる水素生成システムにおいて、排熱を利用して水を加熱する加熱装置を備えること、加熱装置は、水を、常温超え、摂氏100度未満に加熱し、水の蒸発による水素の生成効率の低下を防止すること、 光触媒は、ガラス基板の表面に固定化されることでシート状に形成され、分解槽の内部に独立して設置されること、を特徴とする。
In order to solve the above problems, the hydrogen generation system of the present invention has the following configuration.
(1) A hydrogen generation system that generates hydrogen by decomposing water, comprising a decomposition tank to which water to be decomposed is supplied, a photocatalyst (excluding a self-oxidizing semiconductor) that comes into contact with the water inside the decomposition tank, and a light source that irradiates the photocatalyst with light, further comprising a heating device that uses exhaust heat to heat the water, and the heating device heats the water to a temperature above room temperature but below 100 degrees Celsius, thereby preventing a decrease in hydrogen generation efficiency due to evaporation of the water. The photocatalyst is characterized in that it is fixed on the surface of a glass substrate to form a sheet, which is then independently installed inside the decomposition tank.

(1)に記載の水素生成システムによれば、効率良く水素を生成することができるとともに、省エネルギー化に配慮した水素生成システムとすることができる。 The hydrogen generation system described in (1) can generate hydrogen efficiently and is an energy-saving hydrogen generation system.

出願人は、分解対象となる水を加熱した状態で光触媒による分解を行うと、常温で分解を行う場合に比べて、水分解活性が向上し、水素の生成速度が上昇することを実験により確認した。よって、水素生成システムにおいて、加熱装置によって分解対象の水を加熱することで、より効率的に水素を生成することができる。 The applicant has experimentally confirmed that when the water to be decomposed is heated and decomposed using a photocatalyst, the water decomposition activity is improved and the hydrogen production rate is increased compared to when the decomposition is performed at room temperature. Therefore, in a hydrogen generation system, hydrogen can be produced more efficiently by heating the water to be decomposed using a heating device.

また、加熱装置は、排熱を利用して分解対象の水を加熱するものである。排熱とは、例えば、発電機の排熱等の未利用エネルギーであり、未利用エネルギーを活用することで、省エネルギー化に配慮した水素生成システムとすることが可能である。 The heating device also uses waste heat to heat the water to be decomposed. Waste heat is unused energy, such as the waste heat from a generator, and by utilizing unused energy, it is possible to create a hydrogen generation system that is energy-efficient.

さらに、)に記載の水素生成システムによれば、効率良く水素を生成することができるとともに、省エネルギー化に配慮した水素生成システムとすることができる。 Furthermore, according to the hydrogen generation system described in ( 1 ), hydrogen can be generated efficiently and the hydrogen generation system can be designed with energy conservation in mind.

出願人は、分解対象の水の温度が常温を超えると、水分解活性が向上していき、摂氏60度における水素の生成速度が、常温下における水素の生成速度の約2倍となり、摂氏90度における水素の生成速度が、常温下における水素の生成速度の約3倍となることを実験により確認した。さらに、出願人は、分解対象の水は、温度が摂氏100度以上になると蒸発が著しく進み、水素を生成する効率が却って低下するおそれがあることを実験により確認した。よって、加熱装置により、分解対象となる水を、常温超え、摂氏100度未満に加熱することが望ましい。 The applicant has experimentally confirmed that when the temperature of the water to be decomposed exceeds room temperature, the water decomposition activity improves, with the hydrogen production rate at 60 degrees Celsius being approximately twice that at room temperature, and the hydrogen production rate at 90 degrees Celsius being approximately three times that at room temperature. Furthermore, the applicant has experimentally confirmed that when the temperature of the water to be decomposed exceeds 100 degrees Celsius, evaporation proceeds significantly, which may actually decrease the efficiency of hydrogen production. Therefore, it is desirable to heat the water to be decomposed to a temperature above room temperature but below 100 degrees Celsius using a heating device.

また、分解対象の水を常温超え、摂氏100度未満に加熱するために用いられる排熱には、摂氏90度から150度程度の中低温排熱が適切である。多くが廃棄されている中低温排熱を利用することができるため、未利用エネルギーを有効に活用することができるという点で、省エネルギー化に配慮した水素生成システムとすることができる。 Furthermore, the waste heat used to heat the water to be decomposed above room temperature and below 100 degrees Celsius is medium- to low-temperature waste heat of around 90 to 150 degrees Celsius. Because it can utilize medium- to low-temperature waste heat, much of which is discarded, it can make effective use of unused energy, making it a hydrogen generation system that takes energy conservation into consideration.

(3)(1)または(2)に記載の水素生成システムにおいて、加熱装置は、排熱を回収するコージェネレーションシステムであること、分解槽には、熱交換器が接続されていること、コージェネレーションシステムは、回収した排熱により、熱交換器を介して、水を加熱すること、を特徴とする。 (3) In the hydrogen generation system described in (1) or (2), the heating device is a cogeneration system that recovers exhaust heat, a heat exchanger is connected to the decomposition tank, and the cogeneration system heats water via the heat exchanger using the recovered exhaust heat.

(3)に記載の水素生成システムによれば、省エネルギー化に配慮した水素生成システムとすることができる。例えば、内燃機関としてガスエンジンを用いたコージェネレーションシステムであれば、ガスエンジンの排熱を蒸気や温水として回収することができる。コージェネレーションシステムにより回収した排熱を用い、熱交換器を介して分解対象の水を加熱することとすれば、未利用エネルギーの有効活用することができ、省エネルギー化に配慮した水素生成システムとすることができる。 The hydrogen generation system described in (3) can be designed to be energy-efficient. For example, in a cogeneration system that uses a gas engine as the internal combustion engine, the exhaust heat from the gas engine can be recovered as steam or hot water. If the exhaust heat recovered by the cogeneration system is used to heat the water to be decomposed via a heat exchanger, unused energy can be effectively utilized, resulting in a hydrogen generation system that is energy-efficient.

(4)(1)または(2)に記載の水素生成システムにおいて、加熱装置は、排熱を、温水として回収するコージェネレーションシステムであること、水は、温水であること、を特徴とする。 (4) In the hydrogen generation system described in (1) or (2), the heating device is a cogeneration system that recovers waste heat as hot water, and the water is hot water.

(4)に記載の水素生成システムによれば、省エネルギー化に配慮した水素生成システムとすることができる。例えば、内燃機関としてガスエンジンを用いたコージェネレーションシステムであれば、ガスエンジンの排熱により加熱された温水を回収することができる。当該温水を分解対象の水として活用すれば、未利用エネルギーを有効活用することができ、省エネルギー化に配慮した水素生成システムとすることができる。 The hydrogen generation system described in (4) can be designed to be energy-efficient. For example, in a cogeneration system that uses a gas engine as the internal combustion engine, hot water heated by the exhaust heat of the gas engine can be recovered. If this hot water is used as the water to be decomposed, unused energy can be effectively utilized, making it possible to create a hydrogen generation system that is energy-efficient.

本発明の水素生成システムによれば、効率良く水素を生成することができるとともに、省エネルギー化に配慮した水素生成システムとすることができる。 The hydrogen generation system of the present invention can generate hydrogen efficiently and is also designed to save energy.

第1の実施形態に係る水素生成システム1の構成を表す図である。1 is a diagram illustrating a configuration of a hydrogen generation system 1 according to a first embodiment. 第2の実施形態に係る水素生成システム1の構成を表す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a hydrogen generation system 1 according to a second embodiment. 光触媒による水の分解実験をするための実験装置の構成を表す図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an experimental device for conducting a photocatalytic water decomposition experiment. 懸濁液が加熱された場合と、懸濁液が常温の場合の水素の発生量を比較したグラフである。1 is a graph comparing the amount of hydrogen generated when the suspension is heated and when the suspension is at room temperature. 懸濁液が加熱された場合と、懸濁液が常温の場合の水素の生成速度を比較したグラフである。1 is a graph comparing the rate of hydrogen production when the suspension is heated and when the suspension is at room temperature.

(第1の実施形態)
本発明の水素生成システムの第1の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of a hydrogen generation system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、第1の実施形態に係る水素生成システム1の構成を表す図である。水素生成システム1は、光触媒シート(光触媒の一例)12を内部に有する分解槽11と、光源13と、コージェネレーションシステム(加熱装置の一例)14と、熱交換器15と、からなり、光触媒シート12により水(HO)を分解して水素(H)を生成するためのシステムである。 1 is a diagram showing the configuration of a hydrogen generation system 1 according to a first embodiment. The hydrogen generation system 1 includes a decomposition tank 11 having a photocatalyst sheet (an example of a photocatalyst) 12 therein, a light source 13, a cogeneration system (an example of a heating device) 14, and a heat exchanger 15, and is a system for generating hydrogen (H 2 O) by decomposing water (H 2 O) using the photocatalyst sheet 12.

分解槽11は、密閉されており、内部空間112は外気と遮断されている。そして、内部空間112に分解対象の水(以下、分解対象水W)を貯水可能に形成されている。分解槽11は、少なくとも、後述する光源13が配置される側の端面111が、透明な樹脂やガラスにより構成されている。これにより、光源13から照射される光131は、端面111を透過し、内部空間112に達するようにされている。 The decomposition tank 11 is sealed, and the internal space 112 is isolated from the outside air. The internal space 112 is configured to be able to store water to be decomposed (hereinafter referred to as water to be decomposed W). At least the end surface 111 of the decomposition tank 11, on the side where the light source 13 (described below) is located, is made of transparent resin or glass. This allows light 131 emitted from the light source 13 to pass through the end surface 111 and reach the internal space 112.

また、分解槽11には、給水源(不図示)から分解対象水Wを供給するための供給路16が接続されており、分解槽11に注水することができる。分解槽11内に貯水される分解対象水Wは、分解が進むにつれて、その量が減少していくため、給水源からは、連続的に分解対象水Wが供給される。そして、この分解対象水Wが連続的に供給される量は、分解対象水Wが分解される速度に応じて適宜調整される。なお、分解対象水Wとしては、上水や中水等、様々な水源から得られる水が考えられる他、下水から汚泥を取り除いた処理水を用いるものとしても良い。 The decomposition tank 11 is also connected to a supply line 16 for supplying water W to be decomposed from a water source (not shown), allowing water to be poured into the decomposition tank 11. As the amount of water W to be decomposed stored in the decomposition tank 11 decreases as decomposition progresses, water W to be decomposed is continuously supplied from the water source. The amount of water W to be decomposed continuously supplied is adjusted appropriately depending on the rate at which the water W to be decomposed is decomposed. The water W to be decomposed can be water obtained from various water sources, such as tap water or recycled water, or treated water from sewage where sludge has been removed.

さらに、分解槽11には、貯水されている分解対象水Wを循環するための加熱回路17が接続されている。つまり、分解槽11の出力ポート113から加熱回路17に排出された分解対象水Wは、後述する熱交換器15を通り、分解槽11の入力ポート114から分解槽11の内部空間112に戻ることができるようになっている。また、分解対象水Wを分解して生成される水素を回収するための排出孔19を備えている。排出孔19から回収された水素は、例えば貯蔵タンク(不図示)に一時的に貯蔵された後、パイプラインや輸送車両により水素ステーション等に輸送され、エネルギーとして活用される。 Furthermore, the decomposition tank 11 is connected to a heating circuit 17 for circulating the stored water W to be decomposed. In other words, the water W to be decomposed discharged from the output port 113 of the decomposition tank 11 to the heating circuit 17 passes through a heat exchanger 15 (described below) and is returned to the internal space 112 of the decomposition tank 11 from the input port 114 of the decomposition tank 11. The decomposition tank 11 is also provided with a discharge hole 19 for recovering the hydrogen produced by decomposing the water W to be decomposed. The hydrogen recovered from the discharge hole 19 is temporarily stored, for example, in a storage tank (not shown), and then transported via a pipeline or transport vehicle to a hydrogen station or the like, where it is used as energy.

なお、分解対象水Wを分解する際には、水素とともに、酸素(O)も生成されるため、排出孔19からは水素および酸素が排出される。よって、排出孔19に、例えば分離膜等を備える分離装置(不図示)を接続し、該分離装置によって水素と酸素を分離した上で、分離した水素を、上記のように、貯蔵タンクに一時的に貯蔵し、エネルギーとして利用することが考えられる。 When the target water W is decomposed, oxygen (O 2 ) is produced along with hydrogen, and the hydrogen and oxygen are discharged from the discharge hole 19. Therefore, it is conceivable to connect a separation device (not shown) equipped with, for example, a separation membrane to the discharge hole 19, separate the hydrogen and oxygen using the separation device, and then temporarily store the separated hydrogen in a storage tank as described above and use it as energy.

光触媒シート12は、例えば、ガラス基板の表面に粉末状の光触媒を固定化し、シート状に形成したものである。光触媒シート12は、光触媒が固定化された上端面121が、光131が透過してくる分解槽11の端面111に向いた状態で分解槽11の内部空間112に固定されている。そして、光触媒シート12は、少なくとも光触媒が固定化された上端面121が、分解槽11に注水される分解対象水Wと接触する。なお、光触媒としては、例えば、アルミニウム(Al)をドープしたチタン酸ストロンチウム(SrTiO)に、助触媒としてロジウムクロム複合酸化物(RhCrO)を、含浸法により担持させたもの(RhCrO/SrTiO:Al)が用いられる。 The photocatalyst sheet 12 is, for example, a glass substrate having a powdered photocatalyst immobilized on its surface and formed into a sheet. The photocatalyst sheet 12 is fixed in the internal space 112 of the decomposition tank 11 with the upper end surface 121 on which the photocatalyst is immobilized facing the end surface 111 of the decomposition tank 11 through which light 131 passes. At least the upper end surface 121 of the photocatalyst sheet 12 on which the photocatalyst is immobilized comes into contact with the water W to be decomposed that is poured into the decomposition tank 11. The photocatalyst may be, for example, aluminum (Al)-doped strontium titanate (SrTiO 3 ) supported by an impregnation method with rhodium chromium composite oxide (RhCrO x ) as a promoter (RhCrO x /SrTiO 3 :Al).

なお、光触媒は上記したものに限定されない。光触媒としては、例えば、TiO,CaTiO,SrTiO,SrTi,SrTi10,KLaTi10,RbLaTi10,CsLaTi10,CsLaTiNbO10,LaTiO,LaTi,LaTi,LaTi:Ba,KaLaZr0.3Ti0.7,LaCaTi17,KTiNbO,NaTi13,BaTi,GdTi,YTi等のチタン含有酸化物や、ジルコニア(ZrO)や、KNb17,RbNb17,CaNb,SrNb,BaNb15,NaCaNb10,ZnNb,CsNb11,LaNbO等のニオブ含有酸化物や、Ta,KPrTa15,KTaSi13,KTa12,LiTaO,NaTaO,KTaO,AgTaO,KTaO:Zr,NaTaO:La,NaTaO:Sr,NaTa,KTa,CaTa,SrTa,BaTa,NiTa,RbTa17,CaTa,SrTa,KSrTa,RbNdTa,HLa2/3Ta,KSr1.5Ta10,LiCaTa10,KBaTa10,SrTa15,BaTa15,H1.8Sr0.81Bi0.19Ta
,LaTaO,LaTaO等のタンタル含有酸化物や、CeO:Sr,BaCeO等のセリウム含有酸化物や、PbWO,RbWNbO,RbWTaO等のタングステン含有酸化物や、(Ga1-xZnx)(N1-xOx),(Zn1+xGe)(N2Ox),LaMg1/3Ta2/3O2N,TaON等の酸窒化物等を用いることが考えられる。
The photocatalyst is not limited to the above. Examples of photocatalysts include TiO 2 , CaTiO 3 , SrTiO 3 , Sr 3 Ti 2 O 7 , Sr 4 Ti 3 O 10 , K 2 La 2 Ti 3 O 10 , Rb 2 La 2 Ti 3 O 10 , Cs 2 La 2 Ti 3 O 10 , CsLa 2 Ti 2 NbO 10 , La 2 TiO 5 , La 2 Ti 3 O 9 , La 2 Ti 2 O 7 , La 2 Ti 2 O 7 :Ba, KaLaZr 0.3 Ti 0.7 O 4 , La 4 CaTi5O17 Titanium - containing oxides such as KTiNbO5 , Na2Ti6O13 , BaTi4O9 , Gd2Ti2O7 , and Y2Ti2O7 , zirconia ( ZrO2 ) , niobium - containing oxides such as K4Nb6O17 , Rb4Nb6O17 , Ca2Nb2O7 , Sr2Nb2O7 , Ba5Nb4O15 , NaCa2Nb3O10 , ZnNb2O6 , Cs2Nb4O11 , and La3NbO7 , and Ta2O5 , K2PrTa5O 15 , K3Ta3Si2O13 , K3Ta3B2O12 , LiTaO3 , NaTaO3 , KTaO3 , AgTaO3 , KTaO3 : Zr , NaTaO3 :La , NaTaO3 : Sr , Na2Ta2O6 , K2Ta2O6 , CaTa2O6 , SrTa2O6 , BaTa2O6 , NiTa2O6 , Rb4Ta6O17 , Ca2Ta2O7 , Sr2 Ta2O7 , K2SrTa2O7 , RbNdTa 2 O 7 , H 2 La 2/3 Ta 2 O 7 , K 2 Sr 1.5 Ta 3 O 10 , LiCa 2 Ta 3 O 10 , KBa 2 Ta 3 O 10 , Sr 5 Ta 4 O 15 , Ba 5 Ta 4 O 15 , H 1.8 Sr 0.81 Bi 0.19 Ta 2 O 7
Possible materials for use include tantalum-containing oxides such as LaTaO 4 and La 3 TaO 7 , cerium-containing oxides such as CeO 2 :Sr and BaCeO 3 , tungsten-containing oxides such as PbWO 4 , RbWNbO 6 and RbWTaO 6 , and oxynitrides such as (Ga1-xZnx)(N1-xOx), (Zn1+xGe)(N2Ox), LaMg1/3Ta2/3O2N and TaON.

光源13は、例えば、キセノンランプが用いられ、光131として短波長の紫外線(例えば、波長λ>300nm)を発する。光源13から発せられた光131は、透明な分解槽11の端面111を透過し、光触媒シート12の光触媒が固定化された上端面121に照射される。 The light source 13, for example, is a xenon lamp, and emits short-wavelength ultraviolet light (for example, wavelength λ>300 nm) as light 131. The light 131 emitted from the light source 13 passes through the end surface 111 of the transparent decomposition tank 11 and is irradiated onto the upper end surface 121 of the photocatalyst sheet 12, on which the photocatalyst is immobilized.

光触媒シート12に固定化された光触媒は、分解対象水Wと接触しつつ、光131に照射されることで、分解対象水Wから水素と酸素(O)を生成する。そして、生成された水素と酸素は、排出孔19から回収される。光触媒は、分解対象水Wと光131さえあれば半永久的に水素を生成することができるため、水を電気分解して水素を生成する方法と異なり、電力が必要ない。そのため、コストを抑えて簡便に水素を生成することができる。なお、光源13は、キセノンランプに限定されるものでなく、水銀ランプ、ハロゲンランプ、レーザ、太陽光等、使用する光触媒に応じて好適なものを選択しても良いし、これらの光源を組み合わせて用いることとしても良い。また、光触媒シート12に照射する光131としては、紫外線に限定されるものではなく、可視光線や赤外線の中・長波長の光を、使用する光触媒に応じて選択するものとしても良い。 The photocatalyst immobilized on the photocatalyst sheet 12 generates hydrogen and oxygen (O 2 ) from the target water W by being irradiated with light 131 while in contact with the target water W. The generated hydrogen and oxygen are then collected through the exhaust holes 19. The photocatalyst can generate hydrogen semi-permanently as long as the target water W and light 131 are present. Therefore, unlike methods of generating hydrogen by electrolyzing water, no electricity is required. This allows for cost-effective and easy hydrogen generation. The light source 13 is not limited to a xenon lamp; a mercury lamp, halogen lamp, laser, sunlight, or other suitable light source may be selected depending on the photocatalyst used, or a combination of these light sources may be used. Furthermore, the light 131 irradiated on the photocatalyst sheet 12 is not limited to ultraviolet light; visible light or medium- or long-wavelength infrared light may be selected depending on the photocatalyst used.

コージェネレーションシステム14は、例えば、発電機であるガスタービンやガスエンジン等の内燃機関141の排熱を、温水として回収するものである。温水は、例えば、ジャケット水循環路143を循環することで内燃機関141を冷却するジャケット水Jを熱源として、熱交換器142により加熱されたものである。温水の温度は、加熱により、摂氏約90度とされる。この摂氏約90度の温水は、いわゆる中低温排熱に該当する。また、コージェネレーションシステム14には、回収された排熱としての温水を熱媒Hとする熱媒回路18が接続されている。 The cogeneration system 14 recovers waste heat from an internal combustion engine 141, such as a gas turbine or gas engine that serves as a power generator, as hot water. The hot water is heated by a heat exchanger 142, using, for example, jacket water J, which cools the internal combustion engine 141 by circulating through a jacket water circulation path 143. The temperature of the hot water is heated to approximately 90 degrees Celsius. This hot water at approximately 90 degrees Celsius corresponds to so-called medium- to low-temperature waste heat. The cogeneration system 14 is also connected to a heat medium circuit 18, which uses the recovered hot water as a heat medium H.

熱交換器15は、加熱回路17と熱媒回路18とが接続されており、加熱回路17を流れる分解対象水Wと熱媒回路18を流れる熱媒(温水)Hとの熱交換を行うものである。 The heat exchanger 15 is connected to the heating circuit 17 and the heat transfer medium circuit 18, and performs heat exchange between the water to be decomposed W flowing through the heating circuit 17 and the heat transfer medium (hot water) H flowing through the heat transfer medium circuit 18.

分解槽11の出力ポート113から加熱回路17に排出された分解対象水Wは、熱交換器15において、熱媒(温水)Hとの熱交換により、例えば摂氏90度に加熱される。そして、加熱された分解対象水Wは、入力ポート114から分解槽11に戻される。また、コージェネレーションシステム14から熱媒回路18に排出された熱媒(温水)Hは、熱交換器15において、熱媒(温水)Hとの熱交換により冷却される。そして、冷却された熱媒(温水)Hは、コージェネレーションシステム14に戻される。この冷却された熱媒Hとしての温水は、再度、コージェネレーションシステム14の内燃機関141のジャケット水Jを冷却するために用いることができる。 The water W to be decomposed is discharged from the output port 113 of the decomposition tank 11 to the heating circuit 17, where it is heated to, for example, 90 degrees Celsius by heat exchange with the heat transfer medium (hot water) H in the heat exchanger 15. The heated water W to be decomposed is then returned to the decomposition tank 11 from the input port 114. The heat transfer medium (hot water) H discharged from the cogeneration system 14 to the heat transfer medium circuit 18 is cooled by heat exchange with the heat transfer medium (hot water) H in the heat exchanger 15. The cooled heat transfer medium (hot water) H is then returned to the cogeneration system 14. This cooled hot water as the heat transfer medium H can be used again to cool the jacket water J of the internal combustion engine 141 of the cogeneration system 14.

熱交換器15において加熱された分解対象水Wにより、分解槽11内の分解対象水Wは、摂氏90度に保たれている。よって、光触媒シート12による分解対象水Wの分解は、分解対象水Wが摂氏90度の状態で行われる。分解対象水Wが摂氏90度の状態で分解を行うと、水素の生成速度が、常温下における水素の生成速度の約3倍となるため、効率良く水素を生成することができる。 The water W to be decomposed in the decomposition tank 11 is maintained at 90°C by the water W to be decomposed heated in the heat exchanger 15. Therefore, the decomposition of the water W to be decomposed by the photocatalyst sheet 12 is carried out when the water W to be decomposed is at 90°C. When the water W to be decomposed is decomposed at 90°C, the hydrogen production rate is approximately three times faster than at room temperature, allowing for efficient hydrogen production.

なお、分解槽11内の分解対象水Wの温度は、摂氏90度に限定されるものではなく、常温超え、摂氏100度未満の温度範囲のうちの任意の温度としても良い。当該温度範囲においては、分解対象水Wが常温である場合に比べて水素の生成速度が向上されるからである。分解対象水Wの温度が、常温超え、摂氏100度未満の温度範囲にある場合に、水素の生成速度が向上されることは、出願人が実験により確認した。 The temperature of the water W to be decomposed in the decomposition tank 11 is not limited to 90 degrees Celsius, but may be any temperature within the temperature range above room temperature and below 100 degrees Celsius. This is because the rate of hydrogen production is improved in this temperature range compared to when the water W to be decomposed is at room temperature. The applicant has confirmed through experiments that the rate of hydrogen production is improved when the temperature of the water W to be decomposed is within the temperature range above room temperature and below 100 degrees Celsius.

以下に、出願人が行った実験について説明する。図3は、光触媒による水の分解実験をするための実験装置7の構成を表す図である。実験装置7は、水槽71と、ホットスターラー72と、反応容器73と、光源74と、トラップ75とから構成される。 The following describes the experiments conducted by the applicant. Figure 3 shows the configuration of the experimental apparatus 7 used to conduct experiments on water decomposition using a photocatalyst. The experimental apparatus 7 is composed of a water tank 71, a hot stirrer 72, a reaction vessel 73, a light source 74, and a trap 75.

反応容器73には、光が透過可能な容器であり、内部には懸濁液Sが入っている。当該懸濁液Sは、分解対象となる水100mLに対し、粉末状の光触媒(RhCrO/SrTiO:Al)を20mg加えた上、当該粉末状の光触媒を、超音波処理を1分間行うことで分散させたものである。光触媒が分散されているため、懸濁液Sは後述する光741の照射を受けることで、分解対象となる水を分解し、水素を発生する。 The reaction vessel 73 is a light-transmitting vessel and contains a suspension S. The suspension S is prepared by adding 20 mg of a powdered photocatalyst (RhCrO x /SrTiO 3 :Al) to 100 mL of water to be decomposed, and then dispersing the powdered photocatalyst by ultrasonic treatment for one minute. Because the photocatalyst is dispersed in the suspension S, when irradiated with light 741 (described later), the suspension S decomposes the water to be decomposed and generates hydrogen.

なお、粉末状の光触媒は、以下のように生成した。まず、SrTiO:Alを以下のように合成する。チタン酸ストロンチウム(SrTiO)を10mmol(1.8349g)、酸化アルミニウム(Al)を0.2mmol(0.0204g)を測り取り、メノウ乳鉢で15分間よく混合し、さらにブロック状の塩化ストロンチウム(SrCl) を100mmol(15.85g)加えて粉砕しながら15分間混合した粉末試料を作る。その後、当該粉末試料をアルミナるつぼに移し、蓋をしてから電気炉で摂氏1150度まで10℃/minで昇温し、10時間焼成した。焼成した後、室温まで冷ましてから、電気炉からアルミナるつぼを取り出し、洗液が中性付近になるまで粉末試料を水で洗浄した。その後、60 ℃で一晩乾燥させることで、SrTiO:Alの合成が完了される。次に、合成したSrTiO:Alに助触媒であるロジウムクロム複合酸化物(RhCrO)を、以下のように、含侵法により担持させる。まず、Rh源にヘキサクロロロジウム酸ナトリウム(III) n 水和物(NaRhCl・nHO)、Cr源に硝酸クロム九水和物(Cr(NO・9HO)を用い、Rh、Crともにメタルとして0.1 wt%となるように測りとる。そして、蒸発皿にチタン酸ストロンチウム(SrTiO)、少量の水とともに加え、湯浴上で水が蒸発しきるまでガラス棒で撹拌した。その後、電気炉により350 ℃で1時間焼成した。こうして得られた試料が上記した粉末状の光触媒(RhCrO/SrTiO:Al)である。 The powdered photocatalyst was produced as follows. First, SrTiO3 :Al was synthesized as follows. 10 mmol (1.8349 g) of strontium titanate ( SrTiO3 ) and 0.2 mmol (0.0204 g ) of aluminum oxide ( Al2O3 ) were weighed and mixed thoroughly in an agate mortar for 15 minutes. 100 mmol (15.85 g) of block-shaped strontium chloride ( SrCl2 ) was then added and mixed for 15 minutes while grinding to produce a powder sample. The powder sample was then transferred to an alumina crucible, covered, and heated to 1150°C at a rate of 10°C/min in an electric furnace and fired for 10 hours. After firing, the sample was cooled to room temperature, the alumina crucible was removed from the electric furnace, and the powder sample was washed with water until the washings were nearly neutral. The resulting mixture was then dried overnight at 60°C to complete the synthesis of SrTiO3 :Al. Next, the co-catalyst rhodium-chromium composite oxide ( RhCrOx ) was supported on the synthesized SrTiO3 :Al by impregnation as follows. First, sodium hexachlororhodate(III) n-hydrate ( Na3RhCl6.nH2O ) was used as the Rh source, and chromium nitrate nonahydrate (Cr( NO3 ) 3.9H2O ) was used as the Cr source. Both Rh and Cr were weighed out to 0.1 wt% metal. Then, strontium titanate ( SrTiO3 ) and a small amount of water were added to an evaporating dish, and the mixture was stirred with a glass rod over a hot water bath until all the water had evaporated. The mixture was then fired in an electric furnace at 350°C for 1 hour. The sample thus obtained is the above-mentioned powdered photocatalyst (RhCrO x /SrTiO 3 :Al).

また、反応容器73内には、攪拌子761が投入されている。当該攪拌子761は、スターラー76によって回転され、懸濁液S中の光触媒の粉末を均等に分散させる。 A stirring bar 761 is also placed inside the reaction vessel 73. The stirring bar 761 is rotated by the stirrer 76 to evenly disperse the photocatalyst powder in the suspension S.

さらにまた、反応容器73は、入力孔731および出力孔732を備えている。入力孔731からは懸濁液Sをバブリングするためのアルゴンガスが、反応容器73内に流入される。出力孔732からは、水を分解して発生する水素および酸素等のガスが排出される。出力孔732には、トラップ75が接続されており、トラップから排出されるガスを、ガスクロマトグラフによって定量を行う。 Furthermore, the reaction vessel 73 is equipped with an input port 731 and an output port 732. Argon gas for bubbling the suspension S flows into the reaction vessel 73 through the input port 731. Gases such as hydrogen and oxygen generated by the decomposition of water are discharged from the output port 732. A trap 75 is connected to the output port 732, and the gas discharged from the trap is quantified using a gas chromatograph.

反応容器73は、水槽71内に設置されている。水槽71内には、水がはられており、当該水の温度(以下、単に水温という)は、温度センサ721付きのホットスターラー72によって制御される。また、水槽71内には、攪拌子722が投入されている。当該攪拌子722は、ホットスターラー72によって回転され、水槽71内の水の温度を均等に保つ。 Reaction vessel 73 is placed in water tank 71. Water is placed in water tank 71, and the temperature of the water (hereinafter simply referred to as water temperature) is controlled by a hot stirrer 72 equipped with a temperature sensor 721. A stirrer 722 is also placed in water tank 71. The stirrer 722 is rotated by the hot stirrer 72 to maintain a uniform temperature of the water in water tank 71.

光源74は、例えばキセノンランプであり、反応容器73から約3cmの位置に設置されている。そして、光源74は光741(波長λ>300nm)を、反応容器73内の懸濁液Sに照射することができる。 The light source 74 is, for example, a xenon lamp, and is installed approximately 3 cm from the reaction vessel 73. The light source 74 can irradiate the suspension S in the reaction vessel 73 with light 741 (wavelength λ > 300 nm).

以上のような構成を持った実験装置7を用いて、以下のようにして実験を行った。 Using the experimental device 7 configured as described above, an experiment was conducted as follows.

まず、懸濁液Sが入った反応容器73を、水がはられた水槽71内に設置した状態で、懸濁液Sをアルゴンガスにより1時間バブリングし、反応容器73内の空気を取り除く。そして、ホットスターラー72により、水温を、摂氏30度、または、摂氏50度、または、摂氏60度、または、摂氏70度、または、摂氏80度、または摂氏90度に制御し、懸濁液Sを加熱する。そして、懸濁液Sが加熱された状態で、光源74により光741を、懸濁液Sに照射し、摂氏30度、摂氏50度、摂氏60度、摂氏70度、摂氏80度、摂氏90度の各温度(以下、単に各温度という)における水素の発生量を、ガスクロマトグラフによって定量した。そして、各温度における水素の発生量を、常温における水素の発生量と比較した。なお、懸濁液Sが常温の場合とは、懸濁液Sが入った反応容器73が、水温を摂氏20度とされた水槽71に設置されている場合を指す。 First, a reaction vessel 73 containing suspension S was placed in a water tank 71 filled with water. Argon gas was bubbled through suspension S for one hour to remove air from the reaction vessel 73. The water temperature was then controlled to 30°C, 50°C, 60°C, 70°C, 80°C, or 90°C using a hot stirrer 72, and suspension S was heated. While suspension S was heated, light 741 was irradiated onto suspension S using a light source 74. The amount of hydrogen generated at each temperature (30°C, 50°C, 60°C, 70°C, 80°C, and 90°C) was quantified using a gas chromatograph. The amount of hydrogen generated at each temperature was then compared with the amount at room temperature. Note that when the suspension S is at room temperature, this refers to a case where the reaction vessel 73 containing the suspension S is placed in a water tank 71 with a water temperature of 20 degrees Celsius.

この実験の結果を、図4および図5を用いて説明する。図4は、懸濁液Sが加熱された場合と、懸濁液Sが常温の場合の水素の発生量を比較したグラフである。図5は、懸濁液Sが加熱された場合と、懸濁液Sが常温の場合の水素の生成速度を比較したグラフである。 The results of this experiment will be explained using Figures 4 and 5. Figure 4 is a graph comparing the amount of hydrogen generated when suspension S is heated and when suspension S is at room temperature. Figure 5 is a graph comparing the rate of hydrogen generation when suspension S is heated and when suspension S is at room temperature.

図4に示すグラフの横軸は、懸濁液Sに光741を照射した時間を表しており、縦軸は水素の発生量を表している。各温度において時間と水素の発生量とが比例関係にあるとともに、温度が上がるほど発生量が増大することが分かる。ここで、各温度における時間と水素の発生量の関係から求まる傾きを、水素の生成速度(μmol/h)とする。 The horizontal axis of the graph shown in Figure 4 represents the time that suspension S is irradiated with light 741, and the vertical axis represents the amount of hydrogen generated. It can be seen that there is a proportional relationship between time and the amount of hydrogen generated at each temperature, and that the amount generated increases as the temperature rises. Here, the slope determined from the relationship between time and the amount of hydrogen generated at each temperature is taken as the hydrogen production rate (μmol/h).

図5に示すグラフの横軸は、水槽71の水温を表しており、縦軸は、水素の生成速度を表している。各温度における水素の生成速度を比較すると、温度が上がるにつれて生成速度は明確に上昇していき、摂氏60度の生成速度は、摂氏20度の生成速度の約2倍となり、摂氏90度の生成速度は、摂氏20度の生成速度の約3倍となる。一方で、水温が100度以上となると、懸濁液Sの蒸発が著しく進み、水素を生成する効率が却って低下するおそれがあることを確認した。 The horizontal axis of the graph shown in Figure 5 represents the water temperature in the water tank 71, and the vertical axis represents the hydrogen production rate. Comparing the hydrogen production rate at each temperature, it is clear that the production rate increases as the temperature rises, with the production rate at 60 degrees Celsius being approximately twice the production rate at 20 degrees Celsius and the production rate at 90 degrees Celsius being approximately three times the production rate at 20 degrees Celsius. On the other hand, it was confirmed that when the water temperature exceeds 100 degrees Celsius, evaporation of the suspension S progresses significantly, which may actually reduce the efficiency of hydrogen production.

以上の実験結果から、水素生成システム1において、効率良く水素を生成するためには、分解槽11内の分解対象水Wの温度を、常温超え、摂氏100度未満とするのが好ましいのである。なお、常温とは、上記の出願人が行った実験においては摂氏20度としているが、JIS Z 8703によれば、摂氏5度以上35度以下の範囲を言う。よって、現実的には、分解対象水Wの温度は、摂氏35度越えに加熱される。 From the above experimental results, in order to efficiently generate hydrogen in the hydrogen generation system 1, it is preferable to set the temperature of the water W to be decomposed in the decomposition tank 11 above room temperature and below 100°C. Note that room temperature was set to 20°C in the experiments conducted by the applicant, but according to JIS Z 8703, it refers to a range of 5°C to 35°C. Therefore, in reality, the temperature of the water W to be decomposed is heated to above 35°C.

また、分解対象水Wは、先述の通り、コージェネレーションシステム14の回収された排熱を利用した熱媒Hによって、常温超え、摂氏100度未満に加熱される。このため、未利用エネルギーの有効活用することができるという点で、省エネルギー化に配慮した水素生成システム1とすることができる。 Furthermore, as mentioned above, the water W to be decomposed is heated to a temperature above room temperature but below 100 degrees Celsius by the heat medium H, which uses the exhaust heat recovered from the cogeneration system 14. Therefore, the hydrogen generation system 1 can be made energy-efficient in that it can make effective use of unused energy.

なお、蒸気したコージェネレーションシステム14は、排熱である温水によって、分解対象水Wを加熱するものとしているが、内燃機関141の排熱を蒸気として回収し、当該蒸気を熱媒Hとして熱媒回路18に流し、分解対象水Wを加熱するものとしても良い。排熱としての蒸気は、内燃機関141の排ガスを利用して排ガス蒸気ボイラから得られるものであり、その温度は摂氏約150度である。この摂氏約150度の蒸気は、いわゆる中低温排熱に該当する。 The steamed cogeneration system 14 heats the water W to be decomposed using hot water, which is waste heat. However, it is also possible to recover the waste heat from the internal combustion engine 141 as steam, and pass this steam through the heat medium circuit 18 as a heat medium H to heat the water W to be decomposed. The steam as waste heat is obtained from an exhaust gas steam boiler using the exhaust gas from the internal combustion engine 141, and its temperature is approximately 150 degrees Celsius. This steam at approximately 150 degrees Celsius corresponds to so-called medium- to low-temperature waste heat.

以上説明したように、第1の実施形態に係る水素生成システム1によれば、
(1)分解対象の水(分解対象水W)が供給される分解槽11と、分解槽11の内部で分解対象水Wと接触する光触媒(例えば、光触媒シート12)と、光触媒(光触媒シート12)に光131を照射する光源13と、を備え、分解対象水Wを分解して水素を発生させる水素生成システム1において、排熱を利用して分解対象水Wを加熱する加熱装置(例えば、コージェネレーションシステム14)を備えること、を特徴とする。
As described above, according to the hydrogen generation system 1 according to the first embodiment,
(1) The hydrogen generation system 1 comprises a decomposition tank 11 to which water to be decomposed (water to be decomposed W) is supplied, a photocatalyst (e.g., a photocatalyst sheet 12) that comes into contact with the water to be decomposed W inside the decomposition tank 11, and a light source 13 that irradiates light 131 onto the photocatalyst (photocatalyst sheet 12), and is characterized in that it comprises a heating device (e.g., a cogeneration system 14) that uses exhaust heat to heat the water to be decomposed W.

(1)に記載の水素生成システム1によれば、効率良く水素を生成することができるとともに、省エネルギー化に配慮した水素生成システム1とすることができる。 The hydrogen generation system 1 described in (1) can generate hydrogen efficiently and can be designed to be energy-efficient.

出願人は、分解対象の水を加熱した状態で光触媒による分解を行うと、常温で分解を行う場合に比べて、水分解活性が向上し、水素の生成速度が上昇することを実験により確認した。よって、水素生成システム1において、加熱装置(コージェネレーションシステム14)によって分解対象の水(分解対象水W)を加熱することで、より効率的に水素を生成することができる。 The applicant has experimentally confirmed that when photocatalytic decomposition is performed on water to be decomposed while it is heated, the water decomposition activity is improved and the hydrogen production rate increases compared to when the decomposition is performed at room temperature. Therefore, in the hydrogen generation system 1, hydrogen can be produced more efficiently by heating the water to be decomposed (water to be decomposed W) using a heating device (cogeneration system 14).

また、加熱装置(例えば、コージェネレーションシステム14)は、排熱を利用して分解対象の水(分解対象水W)を加熱するものである。排熱とは、例えば、発電機(例えば、内燃機関141)の排熱等の未利用エネルギーであり、未利用エネルギーを活用することで、省エネルギー化に配慮した水素生成システム1とすることが可能である。 The heating device (e.g., cogeneration system 14) uses exhaust heat to heat the water to be decomposed (water to be decomposed W). Exhaust heat is, for example, unused energy such as the exhaust heat of a generator (e.g., internal combustion engine 141), and by utilizing this unused energy, it is possible to create a hydrogen generation system 1 that is energy-efficient.

(2)(1)に記載の水素生成システム1において、加熱装置(コージェネレーションシステム14)は、水(分解対象水W)を、常温超え、摂氏100度未満に加熱すること、を特徴とする。 (2) In the hydrogen generation system 1 described in (1), the heating device (cogeneration system 14) heats the water (water W to be decomposed) to a temperature above room temperature and below 100 degrees Celsius.

(2)に記載の水素生成システム1によれば、効率良く水素を生成することができるとともに、省エネルギー化に配慮した水素生成システム1とすることができる。 The hydrogen generation system 1 described in (2) can generate hydrogen efficiently and can be designed to be energy-efficient.

出願人は、分解対象の水の温度が常温を超えると、水分解活性が向上していき、摂氏60度における水素の生成速度が、常温下における水素の生成速度の約2倍となり、摂氏90度における水素の生成速度が、常温下における水素の生成速度の約3倍となることを実験により確認した。さらに、出願人は、分解対象の水は、温度が摂氏100度以上になると蒸発が進み、水素を生成する効率が却って低下するおそれがあることを実験により確認した。よって、加熱装置(コージェネレーションシステム14)により、分解対象となる水(分解対象水W)を、常温超え、摂氏100度未満に加熱することが望ましい。 The applicant has experimentally confirmed that when the temperature of the water to be decomposed exceeds room temperature, the water decomposition activity improves, with the hydrogen production rate at 60 degrees Celsius being approximately twice that at room temperature, and the hydrogen production rate at 90 degrees Celsius being approximately three times that at room temperature. Furthermore, the applicant has experimentally confirmed that when the temperature of the water to be decomposed exceeds 100 degrees Celsius, evaporation progresses, and the efficiency of hydrogen production may actually decrease. Therefore, it is desirable to heat the water to be decomposed (water to be decomposed W) to a temperature above room temperature but below 100 degrees Celsius using a heating device (cogeneration system 14).

また、分解対象の水(分解対象水W)を常温超え、摂氏100度未満に加熱するために用いられる排熱には、摂氏90度から150度程度の中低温排熱が適切である。多くが廃棄されている中低温排熱を利用することができるため、未利用エネルギーを有効に活用することができるという点で、省エネルギー化に配慮した水素生成システム1とすることができる。 Furthermore, medium- to low-temperature waste heat of approximately 90 to 150 degrees Celsius is appropriate for the waste heat used to heat the water to be decomposed (water to be decomposed W) above room temperature and below 100 degrees Celsius. Because it is possible to utilize medium- to low-temperature waste heat, much of which is discarded, it is possible to make effective use of unused energy, making the hydrogen generation system 1 energy-saving.

(3)(1)または(2)に記載の水素生成システム1において、加熱装置は、排熱を回収するコージェネレーションシステム14であること、分解槽11には、熱交換器15が接続されていること、コージェネレーションシステム14は、回収した排熱(例えば、温水または蒸気)により、熱交換器15を介して、水(分解対象水W)を加熱すること、を特徴とする。 (3) In the hydrogen generation system 1 described in (1) or (2), the heating device is a cogeneration system 14 that recovers exhaust heat, a heat exchanger 15 is connected to the decomposition tank 11, and the cogeneration system 14 heats water (water to be decomposed W) via the heat exchanger 15 using the recovered exhaust heat (e.g., hot water or steam).

(3)に記載の水素生成システム1によれば、省エネルギー化に配慮した水素生成システム1とすることができる。例えば、内燃機関141としてガスエンジンを用いたコージェネレーションシステム14であれば、ガスエンジンの排熱を蒸気や温水として回収することができる。コージェネレーションシステム14により回収した排熱を用い、熱交換器15を介して分解対象の水(分解対象水W)を加熱することとすれば、未利用エネルギーの有効活用することができ、省エネルギー化に配慮した水素生成システム1とすることができる。 The hydrogen generation system 1 described in (3) can be configured as a hydrogen generation system 1 that takes energy conservation into consideration. For example, if the cogeneration system 14 uses a gas engine as the internal combustion engine 141, the exhaust heat of the gas engine can be recovered as steam or hot water. If the exhaust heat recovered by the cogeneration system 14 is used to heat the water to be decomposed (water to be decomposed W) via the heat exchanger 15, unused energy can be effectively utilized, making it possible to configure a hydrogen generation system 1 that takes energy conservation into consideration.

(第2の実施形態)
次に、本発明の水素生成システムの第2の実施形態について、図面を参照しながら、第1の実施形態と異なる点を説明する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the hydrogen generation system of the present invention will be described with reference to the drawings, focusing on differences from the first embodiment.

図2は、第2の実施形態に係る水素生成システム5の構成を表す図である。水素生成システム5は、光触媒シート52を内部に有する分解槽51と、光源53と、コージェネレーションシステム(加熱装置の一例)54と、温調器55と、からなり、光触媒シート52により水(HO)を分解して水素を生成するためのシステムである。 2 is a diagram showing the configuration of a hydrogen generation system 5 according to a second embodiment. The hydrogen generation system 5 includes a decomposition tank 51 having a photocatalytic sheet 52 therein, a light source 53, a cogeneration system (an example of a heating device) 54, and a temperature regulator 55, and is a system for generating hydrogen by decomposing water (H 2 O) using the photocatalytic sheet 52.

分解槽51は密閉されており、内部空間512は外気と遮断されている。そして、内部空間512に分解対象水Wを貯水可能に形成されている。分解槽51は、少なくとも、後述する光源53が配置される側の端面511が、透明な樹脂やガラスにより構成されている。これにより、光源53から照射される光531は、端面511を透過し、内部空間512に達するようにされている。 The decomposition tank 51 is sealed, and the internal space 512 is isolated from the outside air. The internal space 512 is configured to be able to store water W to be decomposed. At least the end surface 511 of the decomposition tank 51, on the side where the light source 53 (described below) is located, is made of transparent resin or glass. This allows light 531 emitted from the light source 53 to pass through the end surface 511 and reach the internal space 512.

また、分解槽51は、供給路56が接続された供給孔513を有しており、供給路56から供給される分解対象水Wが、供給孔513から内部空間512に注水される。さらにまた、分解槽51は排水孔515を有している。 The decomposition tank 51 also has a supply hole 513 connected to the supply channel 56, and the water to be decomposed W supplied from the supply channel 56 is poured into the internal space 512 through the supply hole 513. The decomposition tank 51 also has a drainage hole 515.

また、分解槽51は、分解対象水Wを分解して生成される水素を回収するための排出孔514を備えている。排出孔514から回収された水素は、例えば貯蔵タンク(不図示)に一時的に貯蔵された後、パイプラインや輸送車両により水素ステーション等に輸送され、エネルギーとして活用される。 The decomposition tank 51 also has a discharge hole 514 for collecting the hydrogen produced by decomposing the target water W. The hydrogen collected from the discharge hole 514 is temporarily stored, for example, in a storage tank (not shown), and then transported via a pipeline or transport vehicle to a hydrogen station or the like, where it is used as energy.

光触媒シート(光触媒の一例)52は、第1の実施形態に係る光触媒シート12と同一のものである。光触媒シート52は、光触媒が固定化された上端面521が、光531が透過してくる分解槽51の端面511に向いた状態で分解槽51の内部空間512に固定されている。そして、光触媒シート52は、少なくとも光触媒が固定化された上端面521が、分解槽51に注水される分解対象水Wと接触する。なお、光触媒をシート状に形成せず、光触媒の粉末を分解槽51内の分解対象水Wに分散させ、分解槽51内に懸濁液を形成することとしても良いのは、第1の実施形態と同様である。 The photocatalyst sheet 52 (an example of a photocatalyst) is identical to the photocatalyst sheet 12 according to the first embodiment. The photocatalyst sheet 52 is fixed to the internal space 512 of the decomposition tank 51 with the upper end surface 521, on which the photocatalyst is immobilized, facing the end surface 511 of the decomposition tank 51 through which light 531 passes. At least the upper end surface 521 of the photocatalyst sheet 52, on which the photocatalyst is immobilized, comes into contact with the water W to be decomposed that is poured into the decomposition tank 51. As with the first embodiment, instead of forming the photocatalyst into a sheet, photocatalyst powder may be dispersed in the water W to be decomposed in the decomposition tank 51 to form a suspension within the decomposition tank 51.

光源53および光源53から発せられる光531のそれぞれは、第1の実施形態に係る光源13および光131と同一のものである。光531は、透明な分解槽51の端面511を透過し、光触媒シート52の光触媒が固定化された上端面521に照射される。光触媒シート52に固定化された光触媒は、分解対象水Wと接触しつつ、光531に照射されることで、分解対象水Wから水素と酸素を生成する。そして、生成された水素と酸素は、排出孔19から排出される。 The light source 53 and the light 531 emitted from the light source 53 are identical to the light source 13 and light 131 in the first embodiment. The light 531 passes through the end surface 511 of the transparent decomposition tank 51 and is irradiated onto the upper end surface 521 of the photocatalyst sheet 52, on which the photocatalyst is immobilized. The photocatalyst immobilized on the photocatalyst sheet 52 produces hydrogen and oxygen from the water W by being irradiated with the light 531 while in contact with the water W to be decomposed. The produced hydrogen and oxygen are then discharged through the discharge hole 19.

コージェネレーションシステム54は、例えば、発電機であるガスタービンやガスエンジン等の内燃機関541の排熱を、温水HWとして回収するものである。温水HWは、例えば、ジャケット水循環路543を循環することで内燃機関541を冷却するジャケット水Jを熱源として、熱交換器542により加熱されたものである。温水HWの温度は、加熱により、摂氏約90度とされる。この摂氏約90度の温水HWは、いわゆる中低温排熱に該当する。コージェネレーションシステム54には、出湯路57が接続されており、温水HWは、出湯路57を通り、コージェネレーションシステム54から排出される。 The cogeneration system 54 recovers waste heat from an internal combustion engine 541, such as a gas turbine or gas engine that serves as a power generator, as hot water HW. The hot water HW is heated by a heat exchanger 542, using jacket water J, which cools the internal combustion engine 541 by circulating through a jacket water circulation path 543, as a heat source. The temperature of the hot water HW is heated to approximately 90 degrees Celsius. This hot water HW at approximately 90 degrees Celsius corresponds to so-called medium- to low-temperature waste heat. A hot water outlet path 57 is connected to the cogeneration system 54, and the hot water HW passes through the hot water outlet path 57 and is discharged from the cogeneration system 54.

温調器55は、出湯路57と供給路56とが接続されており、出湯路57から温調器55に導入された温水HWは、温調器55により、常温越え、摂氏100度未満の任意の温度に調温される。調温された温水HWは、分解対象水Wとして、供給路56に排出される。そして、供給路56に排出された分解対象水Wは、供給孔513から、分解槽51の内部空間512に注水される。このように、排熱としての温水HWを分解対象水Wとして利用するものであるため、内燃機関141の稼働中は、分解槽51に連続して分解対象水Wが供給されることとなる。分解槽51内で、分解されずに余剰した分解対象水Wは、分解槽51の排水孔515から排出される。 The temperature regulator 55 is connected to the hot water outlet passage 57 and the supply passage 56. The hot water HW introduced into the temperature regulator 55 from the hot water outlet passage 57 is adjusted by the temperature regulator 55 to any temperature above room temperature and below 100°C. The adjusted hot water HW is discharged into the supply passage 56 as water to be decomposed W. The water to be decomposed W discharged into the supply passage 56 is then poured into the internal space 512 of the decomposition tank 51 through the supply hole 513. In this way, the hot water HW as waste heat is used as water to be decomposed W, so that water to be decomposed W is continuously supplied to the decomposition tank 51 while the internal combustion engine 141 is operating. Excess water to be decomposed W that is not decomposed in the decomposition tank 51 is discharged through the drain hole 515 of the decomposition tank 51.

温調器55によって調温された分解対象水Wにより、分解槽51内の分解対象水Wは、常温越え、摂氏100度未満の任意の温度に保たれている。よって、光触媒シート52による分解対象水Wの分解は、分解対象水Wの温度が、常温度越え、摂氏100度未満の任意の温度となった状態で行われる。 The temperature of the water W to be decomposed is regulated by the temperature regulator 55, so that the water W to be decomposed in the decomposition tank 51 is kept at a desired temperature above room temperature and below 100 degrees Celsius. Therefore, the decomposition of the water W to be decomposed by the photocatalyst sheet 52 is carried out when the temperature of the water W to be decomposed is above room temperature and below 100 degrees Celsius.

分解対象水Wの温度が、常温を超えると、生成速度が上昇していき、摂氏60度の生成速度は、摂氏30度の生成速度の約2倍となり、摂氏90度の生成速度は、摂氏30度の生成速度の約3倍となることを、出願人が実験により確認したことは先述の通りである。また、水温が100度以上となると、懸濁液Sの蒸発が進み、水素を生成する効率が却って低下するおそれがあることを、出願人が実験により確認したことは先述の通りである。よって、水素生成システム5においては、分解対象水Wの温度が、常温越え、摂氏100度未満の任意の温度となった状態で、分解対象水Wの分解が行われるため、効率良く水素を生成することができる。 As mentioned above, the applicant has experimentally confirmed that the generation rate increases when the temperature of the water W to be decomposed exceeds room temperature, with the generation rate at 60 degrees Celsius being approximately twice that at 30 degrees Celsius and the generation rate at 90 degrees Celsius being approximately three times that at 30 degrees Celsius. Furthermore, as mentioned above, the applicant has experimentally confirmed that when the water temperature exceeds 100 degrees Celsius, evaporation of the suspension S progresses, which may actually reduce the efficiency of hydrogen generation. Therefore, in the hydrogen generation system 5, the water W to be decomposed is decomposed when its temperature is above room temperature and below 100 degrees Celsius, thereby enabling efficient hydrogen generation.

以上説明したように、第2の実施形態に係る水素生成システム5によれば、
(4)(1)または(2)に記載の水素生成システム5において、加熱装置(例えば、コージェネレーションシステム54)は、排熱を、温水HWとして回収するコージェネレーションシステムであること、水(分解対象水W)は、温水HWであること、を特徴とする。
As described above, according to the hydrogen generation system 5 according to the second embodiment,
(4) In the hydrogen generation system 5 described in (1) or (2), the heating device (e.g., the cogeneration system 54) is a cogeneration system that recovers exhaust heat as hot water HW, and the water (water W to be decomposed) is hot water HW.

(4)に記載の水素生成システム5によれば、省エネルギー化に配慮した水素生成システム5とすることができる。例えば、内燃機関541としてガスエンジンを用いたコージェネレーションシステム54であれば、ガスエンジンの排熱により加熱された温水HWを回収することができる。当該温水HWを分解対象の水(分解対象水W)として活用すれば、未利用エネルギーを有効活用することができ、省エネルギー化に配慮した水素生成システム5とすることができる。 The hydrogen generation system 5 described in (4) can be an energy-saving hydrogen generation system 5. For example, if the cogeneration system 54 uses a gas engine as the internal combustion engine 541, hot water HW heated by the exhaust heat of the gas engine can be recovered. If this hot water HW is used as the water to be decomposed (water to be decomposed W), unused energy can be effectively utilized, making it possible to provide a hydrogen generation system 5 that is energy-saving.

なお、上記第1の実施形態および第2の実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。例えば、光触媒の一例として、光触媒シート12,52を用いているが、必ずしも光触媒をシート状に形成する必要はない。例えば、光触媒の粉末を分解槽11,51内の分解対象水Wに分散させ、分解槽11,51内に懸濁液を形成することで、分解対象水Wと光触媒とが接触するものとしても良い。この場合、懸濁液中の光触媒の濃度が保たれるよう、連続的に分解対象水Wが分解槽11,51に供給されることとなる。また、懸濁液中に光触媒の粉末が均等に分散するよう、攪拌装置を要する。 The above first and second embodiments are merely illustrative and do not limit the present invention in any way. Naturally, therefore, various improvements and modifications are possible within the spirit and scope of the present invention. For example, while photocatalyst sheets 12, 52 are used as an example of a photocatalyst, the photocatalyst does not necessarily have to be formed into a sheet. For example, photocatalyst powder may be dispersed in the water W to be decomposed in the decomposition tank 11, 51 to form a suspension in the decomposition tank 11, 51, thereby bringing the water W to contact with the photocatalyst. In this case, the water W to be decomposed is continuously supplied to the decomposition tank 11, 51 to maintain the concentration of the photocatalyst in the suspension. Furthermore, a stirring device is required to evenly disperse the photocatalyst powder in the suspension.

1 水素生成システム
11 分解槽
12 光触媒シート(光触媒の一例)
13 光源
14 コージェネレーションシステム(加熱装置の一例)
131 光
W 分解対象水
1 Hydrogen generation system 11 Decomposition tank 12 Photocatalytic sheet (an example of a photocatalyst)
13 Light source 14 Cogeneration system (an example of a heating device)
131 Light W Decomposition target water

Claims (3)

分解対象の水が供給される分解槽と、前記分解槽の内部で前記水と接触する光触媒(自己酸化半導体を除く)と、前記光触媒に光を照射する光源と、を備え、前記水を分解して水素を発生させる水素生成システムにおいて、
排熱を利用して前記水を加熱する加熱装置を備えること、
前記加熱装置は、前記水を、常温超え、摂氏100度未満に加熱し、前記水の蒸発による水素の生成効率の低下を防止すること、
前記光触媒は、ガラス基板の表面に固定化されることでシート状に形成され、前記分解槽の内部に独立して設置されること、
を特徴とする水素生成システム。
A hydrogen generation system that generates hydrogen by decomposing water, the hydrogen generation system comprising: a decomposition tank to which water to be decomposed is supplied; a photocatalyst (excluding a self-oxidizing semiconductor) that comes into contact with the water inside the decomposition tank; and a light source that irradiates the photocatalyst with light,
a heating device that uses exhaust heat to heat the water;
the heating device heats the water to a temperature higher than room temperature and lower than 100 degrees Celsius to prevent a decrease in hydrogen production efficiency due to evaporation of the water;
the photocatalyst is fixed on the surface of a glass substrate to form a sheet, and the sheet is independently installed inside the decomposition tank;
A hydrogen generation system characterized by:
請求項1に記載の水素生成システムにおいて、
前記加熱装置は、前記排熱を回収するコージェネレーションシステムであること、
前記分解槽には、熱交換器が接続されていること、
前記コージェネレーションシステムは、回収した前記排熱により、前記熱交換器を介し
て、前記水を加熱すること、
を特徴とする水素生成システム。
The hydrogen generation system according to claim 1 ,
the heating device is a cogeneration system that recovers the exhaust heat;
a heat exchanger is connected to the decomposition tank;
the cogeneration system heats the water via the heat exchanger using the recovered exhaust heat;
A hydrogen generation system characterized by:
請求項1に記載の水素生成システムにおいて、
前記加熱装置は、前記排熱を、温水として回収するコージェネレーションシステムであること、
前記水は、前記温水であること、
を特徴とする水素生成システム。
The hydrogen generation system according to claim 1 ,
the heating device is a cogeneration system that recovers the exhaust heat as hot water;
the water is hot water;
A hydrogen generation system characterized by:
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