JP2004292284A - 水素発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水素発生装置１において、ガラス基板２の表面に微少な半円溝３を設け、この半円溝３の内表面に水を流す方向に沿って陽極用電極４と陰極用電極５を離間して設け、さらに陽極用電極４の内表面に光触媒層６を設ける。陽極用電極４にはＩＴＯ電極、陰極用電極には白金、また光触媒層には二酸化チタンを用いる。前記半円溝３に水を流して、ガラス基板２に光照射装置７から光を照射して光化学反応を生じさせ、水を水素と酸素に分離して前記水素を水素透過膜８を介して回収する。
【効果】効率よく簡便に水素を回収することができる水素発生装置を提供することができる。
【選択図】 図１
【効果】効率よく簡便に水素を回収することができる水素発生装置を提供することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水と光触媒とを用いて光化学反応により水素を発生させる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から光触媒を用いて光化学反応により水を水素と酸素に分解して水素を回収する技術は良く知られており、最近では水素の回収効率を向上させるために精力的に研究開発が行われている。
【０００３】
従来は隔膜を介して二つの部屋に分割された容器内に水を収納して、例えば二酸化チタンからなる半導体電極と白金電極を浸漬し、両電極を接続して半導体電極の表面に光を照射して白金電極から水素を回収したり、二酸化チタンのような光触媒粉末を水溶液に懸濁し、この懸濁液に光を照射して光触媒粉末の表面で水分解反応を起こさせ水素を発生させる等の方法があった（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭５７−６７００２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
即ち、従来の水素発生方法では、二酸化チタン等の光触媒表面での反応であったため、光触媒に接触している部分から水への拡散速度が律速となり、水素の発生効率が悪いという課題があった。
【０００５】
また、分解した水素と酸素は同一容器内で発生するためにそれぞれの分離に工夫を要し、簡便な装置を構成することが困難であるという課題もあった。
【０００６】
本発明は、水素の発生効率を高め、簡便に水素と酸素を分離回収できる水素発生装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の点を解決するため次の構成を採用する。
〈構成１〉
水と光触媒とを接触させて光化学反応により水素を発生させる装置であって、ガラス基板表面に水を流すための凹部が設けられており、前記凹部の内表面の一部には水を流す方向に沿って陽極用電極が、他の部分には陰極用電極が設けられ、前記陽極用電極の内表面にはさらに光触媒層が設けられていることを特徴とする水素発生装置。
【０００８】
〈構成２〉
前記陽極用電極と陰極用電極は離間して設けられていることを特徴とする構成１記載の水素発生装置。
【０００９】
〈構成３〉
前記陽極用電極と陰極用電極との間の離間部分に絶縁体が介在されていることを特徴とする構成２記載の水素発生装置。
【００１０】
〈構成４〉
前記凹部は水を流す方向に設けられ、前記ガラス基板内において折り返し配置されていることを特徴とする構成１から構成３までのいずれかの構成に記載の水素発生装置。
【００１１】
〈構成５〉
前記凹部は半径５〜５０μｍの半円溝であることを特徴とする構成１から構成４までのいずれかの構成に記載の水素発生装置。
【００１２】
〈構成６〉
前記陽極用電極は透明電極であることを特徴とする構成１から構成５までのいずれかの構成に記載の水素発生装置。
【００１３】
〈構成７〉
前記透明電極はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極であることを特徴とする構成６記載の水素発生装置。
【００１４】
〈構成８〉
前記光触媒は二酸化チタンであることを特徴とする構成１から構成７までのいずれかの構成に記載の水素発生装置。
【００１５】
〈構成９〉
前記凹部は水素透過膜により覆われていることを特徴とする構成１から構成８までのいずれかの構成に記載の水素発生装置。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は本発明の水素発生装置の一実施の形態を説明する断面図である。
図１において、本発明の水素発生装置１はガラス基板２の表面に微少な径の複数の凹部、ここでは半円溝３が設けられており、この半円溝３の内表面には陽極用電極４と陰極用電極５がそれぞれ離間して設けられている。陽極用電極４の内表面にはさらに例えば二酸化チタンのような光触媒層６が設けられている。半円溝３はガラス基板２の表面をフッ化水素酸等でエッチングして作成すればよい。本実施の形態においては半円溝３は複数設けられており、この半円溝３は水を流入させる側の端面から水が流出させる側の端面まで貫通するように設けられている。
【００１８】
ここで、陽極用電極４にはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極を用いるとよい。ＩＴＯ電極は透明であるためガラス基板２の凹部を設けた表面側と反対のガラス面側に配置された光照射装置７から光が照射された場合にも光が透過して光化学反応を誘起させやすいからである。
【００１９】
陰極用電極５には白金を用いている。陽極用電極４と陰極用電極５は離間して設けられているが、これは陽極用電極４と陰極用電極５とが短絡を生じないようにするためであり、本実施例では約１０μｍの間隔をあけているが、その間隔は短絡を生じない程度であればよい。
【００２０】
また、陽極用電極４と陰極用電極５との間に絶縁体を介在させてもよい。絶縁体を介在させることにより、より短絡が生じにくくなる。絶縁体としてはセラミックス等を用いればよく、絶縁機能を有する材料であるならば特に限定されるものではない。
【００２１】
そして、ガラス基板２の表面は水素透過膜８により覆われている。半円溝３において発生した水素はこの水素透過膜８を通して回収される。
【００２２】
図２は他の実施の形態を示す本発明の水素発生装置の斜視図である。図１はこの図のＸ−Ｘ断面を部分的に拡大したものに該当する。図２に示すように本実施の形態では、ガラス基板２の表面に設けた半円溝３は水（Ｈ２Ｏ）を流す方向に設けられており、ガラス基板２において複数回折り返して配置されている。このように水は半円溝の一端側９から流され、陽極用電極４と陰極用電極５との間に電気が流され光照射装置７により光が照射されると、半円溝３内において二酸化チタンの光触媒作用により光化学反応が生じ、流された水が水素と酸素に分解される。分解された水素は水素透過膜８を介して図示しない回収装置に回収される。この時、水素透過膜８の上部に設けた回収装置を密閉容器とすることにより回収効率を高めることができる。
【００２３】
半円溝３内にはまだ分解していない水と分解後発生した酸素が共存しているが、未分解の水は順次分解して減少して行き、分解後発生した酸素は未分解の水とともに半円溝３の他端部１０より排出されるようになっている。
【００２４】
ここで、本発明において微少な径の凹部を設けた理由は、微少寸法の空間では拡散が速やかに行われるため、凹部内における水素と酸素の濃度分布が一様になり、水素の発生効率が向上するからである。
【００２５】
凹部、即ち半円溝３の半径は５〜５０μｍの大きさが好ましく、５μｍより小さくなると水流が阻害され、水を流す効率が悪くなるためであり、５０μｍより大きくなると半円溝内の水中に水素と酸素の濃度分布ができ好ましくないためである。径が大きい場合、半円溝内では水素と酸素の濃度が高くなり、半円溝内面に気泡ができるなどして反応を阻害してしまう虞がある。
【００２６】
陽極用電極４の内表面に設ける光触媒層６の種類としては二酸化チタンが古くから光触媒として用いられ、安定した光化学反応を生じさせるので好ましい。その他チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）やタンタル系酸化物（ＬｉＴａＯ３、ＮａＴａＯ３、ＫＴａＯ３、ＣａＴａ２Ｏ６、ＳｒＴａ２Ｏ６、Ｓｒ２Ｔａ２Ｏ７、ＢａＴａ２Ｏ６等）なども用いることができ、本発明の目的に適うものならば特に限定されるものではない。
【００２７】
ガラス基板２の表面を覆う水素透過膜８は通常用いられているもので差し支えなく、例えばパラジウムあるいはパラジウム合金水素透過膜、アモルファスＺｒ３６Ｎｉ６４水素透過膜などが挙げられ、やはり本発明の目的に適うものならば特に限定されるものではない。
【００２８】
本発明の水素発生装置に照射する光は紫外線、可視光線等特に限定されるものではなく、本発明の目的に用いられる光触媒に対して最も適した種類の光を選択すればよい。例えば太陽光を用いれば反応に必要なエネルギーが少なくてすむので全体コストを低減することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ガラス基板表面に設けた凹部の内表面に水を流す方向に沿って陽極用電極と陰極用電極とを離間して設けており、陽極用電極の内表面にはさらに光触媒層を設けているので、陽極用電極と陰極用電極に通電し、凹部に水を流しながらガラス基板に光を照射すると、光化学反応が生じ、水が水素と酸素に分解されガラス基板表面を覆った水素透過膜を介して水素を回収でき、従来に比較して効率よくかつ簡便に水素を発生させることができる水素発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を説明する断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１ 水素発生装置
２ ガラス基板
３ 半円溝
４ 陽極用電極
５ 陰極用電極
６ 光触媒層
７ 光照射装置
８ 水素透過膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、水と光触媒とを用いて光化学反応により水素を発生させる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から光触媒を用いて光化学反応により水を水素と酸素に分解して水素を回収する技術は良く知られており、最近では水素の回収効率を向上させるために精力的に研究開発が行われている。
【０００３】
従来は隔膜を介して二つの部屋に分割された容器内に水を収納して、例えば二酸化チタンからなる半導体電極と白金電極を浸漬し、両電極を接続して半導体電極の表面に光を照射して白金電極から水素を回収したり、二酸化チタンのような光触媒粉末を水溶液に懸濁し、この懸濁液に光を照射して光触媒粉末の表面で水分解反応を起こさせ水素を発生させる等の方法があった（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭５７−６７００２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
即ち、従来の水素発生方法では、二酸化チタン等の光触媒表面での反応であったため、光触媒に接触している部分から水への拡散速度が律速となり、水素の発生効率が悪いという課題があった。
【０００５】
また、分解した水素と酸素は同一容器内で発生するためにそれぞれの分離に工夫を要し、簡便な装置を構成することが困難であるという課題もあった。
【０００６】
本発明は、水素の発生効率を高め、簡便に水素と酸素を分離回収できる水素発生装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の点を解決するため次の構成を採用する。
〈構成１〉
水と光触媒とを接触させて光化学反応により水素を発生させる装置であって、ガラス基板表面に水を流すための凹部が設けられており、前記凹部の内表面の一部には水を流す方向に沿って陽極用電極が、他の部分には陰極用電極が設けられ、前記陽極用電極の内表面にはさらに光触媒層が設けられていることを特徴とする水素発生装置。
【０００８】
〈構成２〉
前記陽極用電極と陰極用電極は離間して設けられていることを特徴とする構成１記載の水素発生装置。
【０００９】
〈構成３〉
前記陽極用電極と陰極用電極との間の離間部分に絶縁体が介在されていることを特徴とする構成２記載の水素発生装置。
【００１０】
〈構成４〉
前記凹部は水を流す方向に設けられ、前記ガラス基板内において折り返し配置されていることを特徴とする構成１から構成３までのいずれかの構成に記載の水素発生装置。
【００１１】
〈構成５〉
前記凹部は半径５〜５０μｍの半円溝であることを特徴とする構成１から構成４までのいずれかの構成に記載の水素発生装置。
【００１２】
〈構成６〉
前記陽極用電極は透明電極であることを特徴とする構成１から構成５までのいずれかの構成に記載の水素発生装置。
【００１３】
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前記透明電極はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極であることを特徴とする構成６記載の水素発生装置。
【００１４】
〈構成８〉
前記光触媒は二酸化チタンであることを特徴とする構成１から構成７までのいずれかの構成に記載の水素発生装置。
【００１５】
〈構成９〉
前記凹部は水素透過膜により覆われていることを特徴とする構成１から構成８までのいずれかの構成に記載の水素発生装置。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は本発明の水素発生装置の一実施の形態を説明する断面図である。
図１において、本発明の水素発生装置１はガラス基板２の表面に微少な径の複数の凹部、ここでは半円溝３が設けられており、この半円溝３の内表面には陽極用電極４と陰極用電極５がそれぞれ離間して設けられている。陽極用電極４の内表面にはさらに例えば二酸化チタンのような光触媒層６が設けられている。半円溝３はガラス基板２の表面をフッ化水素酸等でエッチングして作成すればよい。本実施の形態においては半円溝３は複数設けられており、この半円溝３は水を流入させる側の端面から水が流出させる側の端面まで貫通するように設けられている。
【００１８】
ここで、陽極用電極４にはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極を用いるとよい。ＩＴＯ電極は透明であるためガラス基板２の凹部を設けた表面側と反対のガラス面側に配置された光照射装置７から光が照射された場合にも光が透過して光化学反応を誘起させやすいからである。
【００１９】
陰極用電極５には白金を用いている。陽極用電極４と陰極用電極５は離間して設けられているが、これは陽極用電極４と陰極用電極５とが短絡を生じないようにするためであり、本実施例では約１０μｍの間隔をあけているが、その間隔は短絡を生じない程度であればよい。
【００２０】
また、陽極用電極４と陰極用電極５との間に絶縁体を介在させてもよい。絶縁体を介在させることにより、より短絡が生じにくくなる。絶縁体としてはセラミックス等を用いればよく、絶縁機能を有する材料であるならば特に限定されるものではない。
【００２１】
そして、ガラス基板２の表面は水素透過膜８により覆われている。半円溝３において発生した水素はこの水素透過膜８を通して回収される。
【００２２】
図２は他の実施の形態を示す本発明の水素発生装置の斜視図である。図１はこの図のＸ−Ｘ断面を部分的に拡大したものに該当する。図２に示すように本実施の形態では、ガラス基板２の表面に設けた半円溝３は水（Ｈ２Ｏ）を流す方向に設けられており、ガラス基板２において複数回折り返して配置されている。このように水は半円溝の一端側９から流され、陽極用電極４と陰極用電極５との間に電気が流され光照射装置７により光が照射されると、半円溝３内において二酸化チタンの光触媒作用により光化学反応が生じ、流された水が水素と酸素に分解される。分解された水素は水素透過膜８を介して図示しない回収装置に回収される。この時、水素透過膜８の上部に設けた回収装置を密閉容器とすることにより回収効率を高めることができる。
【００２３】
半円溝３内にはまだ分解していない水と分解後発生した酸素が共存しているが、未分解の水は順次分解して減少して行き、分解後発生した酸素は未分解の水とともに半円溝３の他端部１０より排出されるようになっている。
【００２４】
ここで、本発明において微少な径の凹部を設けた理由は、微少寸法の空間では拡散が速やかに行われるため、凹部内における水素と酸素の濃度分布が一様になり、水素の発生効率が向上するからである。
【００２５】
凹部、即ち半円溝３の半径は５〜５０μｍの大きさが好ましく、５μｍより小さくなると水流が阻害され、水を流す効率が悪くなるためであり、５０μｍより大きくなると半円溝内の水中に水素と酸素の濃度分布ができ好ましくないためである。径が大きい場合、半円溝内では水素と酸素の濃度が高くなり、半円溝内面に気泡ができるなどして反応を阻害してしまう虞がある。
【００２６】
陽極用電極４の内表面に設ける光触媒層６の種類としては二酸化チタンが古くから光触媒として用いられ、安定した光化学反応を生じさせるので好ましい。その他チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）やタンタル系酸化物（ＬｉＴａＯ３、ＮａＴａＯ３、ＫＴａＯ３、ＣａＴａ２Ｏ６、ＳｒＴａ２Ｏ６、Ｓｒ２Ｔａ２Ｏ７、ＢａＴａ２Ｏ６等）なども用いることができ、本発明の目的に適うものならば特に限定されるものではない。
【００２７】
ガラス基板２の表面を覆う水素透過膜８は通常用いられているもので差し支えなく、例えばパラジウムあるいはパラジウム合金水素透過膜、アモルファスＺｒ３６Ｎｉ６４水素透過膜などが挙げられ、やはり本発明の目的に適うものならば特に限定されるものではない。
【００２８】
本発明の水素発生装置に照射する光は紫外線、可視光線等特に限定されるものではなく、本発明の目的に用いられる光触媒に対して最も適した種類の光を選択すればよい。例えば太陽光を用いれば反応に必要なエネルギーが少なくてすむので全体コストを低減することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ガラス基板表面に設けた凹部の内表面に水を流す方向に沿って陽極用電極と陰極用電極とを離間して設けており、陽極用電極の内表面にはさらに光触媒層を設けているので、陽極用電極と陰極用電極に通電し、凹部に水を流しながらガラス基板に光を照射すると、光化学反応が生じ、水が水素と酸素に分解されガラス基板表面を覆った水素透過膜を介して水素を回収でき、従来に比較して効率よくかつ簡便に水素を発生させることができる水素発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を説明する断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１ 水素発生装置
２ ガラス基板
３ 半円溝
４ 陽極用電極
５ 陰極用電極
６ 光触媒層
７ 光照射装置
８ 水素透過膜
Claims (9)
- 水と光触媒とを接触させて光化学反応により水素を発生させる装置であって、ガラス基板表面に水を流すための凹部が設けられており、前記凹部の内表面の一部には水を流す方向に沿って陽極用電極が、他の部分には陰極用電極が設けられ、前記陽極用電極の内表面にはさらに光触媒層が設けられていることを特徴とする水素発生装置。
- 前記陽極用電極と陰極用電極は離間して設けられていることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
- 前記陽極用電極と陰極用電極との間の離間部分に絶縁体が介在されていることを特徴とする請求項２記載の水素発生装置。
- 前記凹部は水を流す方向に設けられ、前記ガラス基板内において折り返し配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の水素発生装置。
- 前記凹部は半径５〜５０μｍの半円溝であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかの請求項に記載の水素発生装置。
- 前記陽極用電極は透明電極であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかの請求項に記載の水素発生装置。
- 前記透明電極はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極であることを特徴とする請求項６記載の水素発生装置。
- 前記光触媒は二酸化チタンであることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかの請求項に記載の水素発生装置。
- 前記凹部は水素透過膜により覆われていることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれかの請求項に記載の水素発生装置。
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