JP2006306667A - Hydrogen generator and ice crusher - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光反応を利用して水素を生成する水素生成装置、及び光反応を利用して砕氷を行う砕氷装置に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen generation apparatus that generates hydrogen using a photoreaction and an ice breaker that performs crushed ice using a photoreaction.
水などの水素生成媒体から生成される水素は、環境にやさしいクリーンな燃料として注目されている。水素生成に利用可能な水や海水は安価かつ大量に存在しており、このような水素生成媒体からクリーンな水素燃料を生成することは、人類のエネルギー問題の解決につながる重要な課題である(例えば、特許文献1、非特許文献1、2参照)。
水素生成媒体からの水素生成の方法として、光触媒の存在下で光を照射することによって水素生成媒体を分解して水素を生成する方法が用いられている。例えば、非特許文献1では、無機酸化物半導体であるInTaO4にNiドーピング処理を行い、さらに表面にNiOを担持した化合物で構成された光触媒を用いて水素生成を行っている。また、非特許文献2では、多層薄膜構造を有する光触媒チップが用いられている。
As a method for generating hydrogen from a hydrogen generation medium, a method is used in which hydrogen is generated by decomposing the hydrogen generation medium by irradiating light in the presence of a photocatalyst. For example, in Non-Patent Document 1, Ni doping treatment is performed on InTaO 4 that is an inorganic oxide semiconductor, and hydrogen is generated using a photocatalyst composed of a compound supporting NiO on the surface. In
これらの例からわかるように、従来の水素生成方法では特殊な光触媒装置を必要とするという問題があった。また、水素燃料の実用性等を考慮すると、上記方法によって得られる水素の生成効率は、まだ充分とは言えない。 As can be seen from these examples, the conventional hydrogen generation method has a problem that a special photocatalytic device is required. Also, considering the practicality of hydrogen fuel, the hydrogen production efficiency obtained by the above method is still not sufficient.
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、水素を効率良く生成することが可能な水素生成装置、及び砕氷装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a hydrogen generator and an ice crusher capable of efficiently generating hydrogen.
このような目的を達成するために、本発明による水素生成装置は、(1)水素生成に用いられる水素生成媒体と、(2)水素生成媒体に対して水素生成用の照射光を集光しつつ照射する集光光学系と、(3)水素生成媒体において生成される水素を収集する水素収集手段とを備え、(4)集光光学系は、水素生成媒体中において照射光の集光照射による光反応が発生する条件を満たすように照射光を集光するとともに、水素収集手段は、光反応で水素生成媒体中の物質が分解して生成される水素を収集することを特徴とする。 In order to achieve such an object, a hydrogen generation apparatus according to the present invention includes (1) a hydrogen generation medium used for hydrogen generation, and (2) condensing irradiation light for hydrogen generation on the hydrogen generation medium. And (3) a hydrogen collecting means for collecting hydrogen generated in the hydrogen generation medium, and (4) the light collection optical system collects and irradiates irradiation light in the hydrogen generation medium. The irradiation light is collected so as to satisfy the condition for the occurrence of the photoreaction according to the above, and the hydrogen collecting means collects hydrogen produced by decomposition of the substance in the hydrogen production medium by the photoreaction.
上記した水素生成装置においては、水などの水素生成媒体に対して光を集光照射して、集光によって大強度となった照射光自体の電界の作用で水素生成媒体中の物質を分解し、それによって水素を生成する。このような構成によれば、特殊な光触媒等を用いることなく、簡単な構成で効率良く水素を生成することが可能となる。 In the hydrogen generation apparatus described above, light is condensed and irradiated to a hydrogen generation medium such as water, and the substance in the hydrogen generation medium is decomposed by the action of the electric field of the irradiation light itself that has become strong due to the concentration. , Thereby producing hydrogen. According to such a configuration, it is possible to efficiently generate hydrogen with a simple configuration without using a special photocatalyst or the like.
ここで、水素生成媒体は、水、メタノール、エタノール、及びアセトンの少なくとも1つを含むことが好ましい。一般には、水素生成媒体としては、水、海水、工業用水、工業廃水、メタノール、エタノール、アセトンなど、媒体の構成分子中に水素原子を有する液体、あるいはそれらが相変化した気体、固体を用いることが好ましい。 Here, the hydrogen generation medium preferably contains at least one of water, methanol, ethanol, and acetone. In general, as a hydrogen generation medium, a liquid having hydrogen atoms in the constituent molecules of the medium, such as water, seawater, industrial water, industrial wastewater, methanol, ethanol, acetone, etc., or a gas or solid whose phase has changed. Is preferred.
また、水素生成装置は、水素生成媒体を収容する媒体収容手段と、集光光学系からの照射光を媒体収容手段内の水素生成媒体へと透過させる光透過窓とを備えることとしても良い。これにより、水素生成装置を好適に構成することができる。この場合、水素生成媒体は液体からなり、光透過窓の水素生成媒体側の面上に光透過性の親水剤が塗布されている構成としても良い。さらに、親水剤としては、光触媒作用を有する物質からなる親水剤を用いることが好ましい。 In addition, the hydrogen generation apparatus may include a medium storage unit that stores the hydrogen generation medium, and a light transmission window that transmits the irradiation light from the condensing optical system to the hydrogen generation medium in the medium storage unit. Thereby, a hydrogen generator can be constituted suitably. In this case, the hydrogen generation medium may be made of a liquid, and a light-transmitting hydrophilic agent may be applied to the surface of the light transmission window on the hydrogen generation medium side. Furthermore, it is preferable to use a hydrophilic agent made of a substance having a photocatalytic action as the hydrophilic agent.
また、水素生成装置は、水素生成用の照射光を供給する照射光供給手段を備えることが好ましい。具体的な照射光供給手段としては、例えば、照射光としてパルスレーザ光を供給するパルスレーザ光源を用いることができる。また、照射光供給手段としては、レーザ光源以外にもランプ光源等を用いても良い。あるいは、照射光として太陽光を用いる場合には、照射光供給手段を設けることは不要である。 Moreover, it is preferable that the hydrogen generator includes an irradiation light supply unit that supplies irradiation light for hydrogen generation. As a specific irradiation light supply means, for example, a pulse laser light source that supplies pulse laser light as irradiation light can be used. In addition to the laser light source, a lamp light source or the like may be used as the irradiation light supply means. Or when using sunlight as irradiation light, it is unnecessary to provide an irradiation light supply means.
また、水素生成装置は、水素生成媒体を通過した照射光を再び水素生成用の照射光として水素生成媒体に対して照射するための光再利用手段を備える構成としても良い。このような光再利用手段としては、例えば、媒体収容手段を光積分球とする構成を用いることができる。 In addition, the hydrogen generation apparatus may include a light reuse unit for irradiating the hydrogen generation medium with the irradiation light that has passed through the hydrogen generation medium as irradiation light for hydrogen generation again. As such light reuse means, for example, a configuration in which the medium accommodating means is an optical integrating sphere can be used.
また、水素生成媒体は液体からなり、界面活性剤が添加されている構成としても良い。また、水素生成媒体は氷からなるとともに、それ自体で水素収集手段の機能を有する構成としても良い。 Further, the hydrogen generation medium may be made of a liquid and added with a surfactant. Further, the hydrogen generation medium may be made of ice and may itself have a function of a hydrogen collecting means.
本発明による砕氷装置は、(a)砕氷用の照射光を供給する照射光供給手段と、(b)砕氷対象となる氷に対して照射光を集光しつつ照射する集光光学系とを備え、(c)集光光学系は、砕氷対象となる氷中において照射光の集光照射による光反応が発生する条件を満たすように照射光を集光することにより、その氷を砕氷することを特徴とする。 An ice breaking device according to the present invention comprises (a) an irradiation light supply means for supplying irradiation light for ice breaking, and (b) a condensing optical system for condensing the irradiation light on the ice to be crushed. (C) the condensing optical system crushes the ice by condensing the irradiation light so as to satisfy the condition that the photoreaction caused by the condensing irradiation of the irradiation light occurs in the ice to be crushed. It is characterized by.
上記した砕氷装置においては、氷に対して光を集光照射して、集光によって大強度となった照射光自体の電界の作用で砕氷を行っている。このような構成によれば、特殊な光触媒等を用いることなく、簡単な構成で効率良く砕氷を行うことが可能となる。このような砕氷装置は、例えば砕氷船に適用可能である。 In the above-described ice breaking apparatus, light is condensed and irradiated on the ice, and ice breaking is performed by the action of the electric field of the irradiation light itself that has become strong due to the concentration. According to such a configuration, it is possible to efficiently perform ice breaking with a simple configuration without using a special photocatalyst or the like. Such an ice breaking device is applicable to an ice breaking ship, for example.
本発明の水素生成装置によれば、水などの水素生成媒体に対して光を集光照射し、大強度となった照射光自体の電界の作用で水素生成媒体中の物質を分解して水素を生成することにより、特殊な光触媒等を用いることなく、簡単な構成で効率良く水素を生成することが可能となる。 According to the hydrogen generation apparatus of the present invention, light is condensed and irradiated on a hydrogen generation medium such as water, and the substance in the hydrogen generation medium is decomposed by the action of the electric field of the irradiation light itself that has become high intensity. Thus, it is possible to efficiently generate hydrogen with a simple configuration without using a special photocatalyst or the like.
また、本発明による砕氷装置によれば、砕氷対象の氷に対して光を集光照射し、大強度となった照射光自体の電界の作用で砕氷を行うことにより、特殊な光触媒等を用いることなく、簡単な構成で効率良く砕氷を行うことが可能となる。 In addition, according to the ice breaking device according to the present invention, a special photocatalyst or the like is used by condensing and irradiating light to the ice to be crushed, and breaking the ice by the action of the electric field of the irradiation light itself that has become high intensity. Therefore, it is possible to efficiently perform ice breaking with a simple configuration.
以下、図面とともに本発明による水素生成装置、及び砕氷装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, preferred embodiments of a hydrogen generator and an ice breaker according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
図1は、本発明による水素生成装置の第1実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。本実施形態の水素生成装置11は、光反応を利用して水素を生成する装置であり、水素生成媒体20と、照射光供給系30と、水素収集系40とを備えている。
FIG. 1 is a side cross-sectional view schematically showing a configuration of a first embodiment of a hydrogen generator according to the present invention. The
水素生成媒体20は、水素生成に用いられる物質(構成分子)を含む媒体であり、例えば水、メタノール、エタノール、及びアセトンの少なくとも1つを含む媒体が好ましく用いられる。一般には、この水素生成媒体20としては、水、海水、工業用水、工業廃水、メタノール、エタノール、アセトンなど、媒体の構成分子中に水素原子を有する液体、あるいはそれらが相変化した気体、固体などを用いることができる。
The
図1に示した構成においては、水素生成媒体20は、媒体収容手段である容器25内に収容されている。そして、この容器25からみて所定位置に、水素生成媒体20に対して水素生成用の照射光Lを供給する照射光供給系30が設置されている。また、容器25と照射光供給系30との間には、照射光Lを水素生成媒体20に対して集光しつつ照射するための集光光学系35が配置されている。また、容器25のうち、照射光供給系30側の所定部位には、集光光学系35によって集光される照射光Lを容器25内の水素生成媒体20へと透過させる光透過窓26が設けられている。なお、図1においては、集光光学系35を単一の集光レンズによって模式的に示している。
In the configuration shown in FIG. 1, the
このような構成において、集光光学系35は、水素生成媒体20中において照射光Lの集光照射による光反応が発生する条件を満たすように照射光Lを集光する。このとき、水素生成媒体20において、光反応で媒体20中の物質が分解(例えば水が分解)して、水素が生成される。また、容器25の上方には、水素収集用配管40aを介して水素収集系40が接続されている。水素生成媒体20中で光反応によって生成された水素は、この水素収集系40によって収集される。
In such a configuration, the condensing
本実施形態による水素生成装置11の効果について説明する。
The effect of the
図1に示した水素生成装置11においては、水などの水素生成媒体20に対して照射光供給系30からの照射光Lを集光光学系35によって集光照射して、集光によって大強度となった照射光L自体の強電界の作用で水素生成媒体20中の物質を分解し、それによって水素を生成する。このような構成によれば、特殊な光触媒等を用いることなく、簡単な構成で効率良く水素を生成することが可能となる。
In the
また、水素生成装置11は、水素生成媒体20を収容する容器25と、集光光学系35からの照射光Lを透過させる光透過窓26とを備えて構成されている。これにより、水素生成装置11を好適に構成することができる。ただし、容器25などの媒体収容手段については、例えば水素生成媒体として海水を用いる場合など、不要であれば媒体収容手段を用いない構成としても良い。
The
また、本実施形態においては、媒体20に対して水素生成用の照射光Lを供給する照射光供給系30が設置されている。具体的な照射光供給系30としては、例えば、照射光Lとしてパルスレーザ光を供給するパルスレーザ光源を用いることができる。このようなパルスレーザ光を用いた場合、水素生成媒体20に照射光Lが集光された際の電界の強度を充分に強くして、光反応による水素生成を高効率で実現することができる。また、パルスレーザ光の強度については、例えば100kW以上のピーク強度を有するパルスレーザ光を用いることが好ましい。
In the present embodiment, an irradiation
また、照射光供給系30としては、パルスレーザ光源以外にも、水素生成媒体20に照射光Lが集光された際の電界の強度を考慮して、例えばCWレーザ光源やランプ光源などの光源装置を用いても良い。あるいは、例えば照射光Lとして太陽光を用いる場合には、照射光供給系30を設けることは不要であり、太陽光に対して集光光学系35のみを設置する構成とすれば良い。
In addition to the pulse laser light source, the irradiation
上記構成を有する水素生成装置11による水素の生成について、図2に示す構成の水素生成装置を用いて実験を行った。ここでは、水素生成媒体として水20aを用い、容器25a、25bからなる媒体収容用の容器中に水20aを収容した。また、この水20aに対して集光光学系として対物レンズ35aを設置し、照射光Lが水20a中の所定の集光位置Pにおいて集光される構成とした。また、照射光Lとしては、波長815nm、繰返し周波数1kHz、ピーク強度1.6GW、パルスエネルギー80μJ/pulse、パルス幅50fsの再生増幅フェムト秒パルスレーザ光を用いた。
With respect to the production of hydrogen by the
このような条件で実験を行ったところ、容器中において水素を含む気体20bが生成されることが確認された。また、この気体20bに対してレーザ光照射を行ったところ、爆発が確認された。これは、気体20b中に水20aが分解された水素及び酸素が存在していることを示している。また、この水素の存在は、レーザ誘起プラズマ発光のスペクトル分析、及びガスクロマトグラフィによる気体分析によっても同様に確認された。
When an experiment was performed under such conditions, it was confirmed that a
この光反応による水素生成では、照射光から水素への光−水素エネルギー変換効率は、1.4%程度と高い効率が得られた。また、各種のレーザ光を用いて気体発生量等を調べたところ、水素生成にはMW程度以上のピーク強度のパルスレーザ光を用いることが好ましいことがわかった。これらの事実から、水素生成媒体中での水素生成には、プラズマの発生が関与している可能性がある。 In the hydrogen generation by this photoreaction, a high efficiency of about 1.4% was obtained for the light-hydrogen energy conversion efficiency from irradiation light to hydrogen. Further, when the amount of gas generated was examined using various laser beams, it was found that it is preferable to use a pulse laser beam having a peak intensity of about MW or more for hydrogen generation. From these facts, generation of plasma may be involved in hydrogen generation in the hydrogen generation medium.
図3は、気体発生量のピーク強度依存性を示す図である。図3のグラフ(a)は、水素を含む気体発生量(cc/h)の、パルスレーザ光のピーク強度(GW)に対する依存性を示している。また、グラフ(b)は、グラフ(a)を一部拡大して示している。また、グラフA1(実線、黒丸)は、集光光学系として対物レンズA(OLYMPUS ULWD MSPlan 50)を用いたときの気体発生量を示し、グラフB1(破線、白丸)は、対物レンズB(Mitutoyo M Plan Apo 20x)を用いたときの気体発生量を示している。これらのグラフより、対物レンズAでの気体発生の閾値は540MW(平均強度27mW)、対物レンズBでの気体発生の閾値は120MW(平均強度6mW)と見積もられる。
FIG. 3 is a diagram showing the peak intensity dependency of the amount of gas generated. The graph (a) in FIG. 3 shows the dependence of the amount of gas containing hydrogen (cc / h) on the peak intensity (GW) of the pulsed laser beam. Further, the graph (b) shows a partially enlarged graph (a). Graph A1 (solid line, black circle) shows the amount of gas generated when objective lens A (OLYMPUS ULWD MSPlan 50) is used as the condensing optical system, and graph B1 (dashed line, white circle) shows objective lens B (Mitutoyo). The amount of gas generated when using M Plan Apo 20x) is shown. From these graphs, the gas generation threshold at the objective lens A is estimated to be 540 MW (
図4は、気体発生量の集光強度依存性を示す図である。図4のグラフ(a)は、水素を含む気体発生量(cc/h)の、パルスレーザ光の集光強度(PW/cm2)に対する依存性を示している。また、グラフ(b)は、グラフ(a)を一部拡大して示している。また、グラフA2(実線、黒丸)は、集光光学系として対物レンズAを用いたときの気体発生量を示し、グラフB2(破線、白丸)は、対物レンズBを用いたときの気体発生量を示している。これらのグラフより、対物レンズAでの気体発生の閾値は21×1015W/cm2、対物レンズBでの気体発生の閾値は2.7×1015W/cm2と見積もられる。 FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the amount of gas generation on the concentration of collected light. The graph (a) in FIG. 4 shows the dependence of the amount of gas containing hydrogen (cc / h) on the focused intensity (PW / cm 2 ) of the pulse laser beam. Further, the graph (b) shows a partially enlarged graph (a). Graph A2 (solid line, black circle) shows the amount of gas generated when the objective lens A is used as the condensing optical system, and graph B2 (dashed line, white circle) shows the amount of gas generated when the objective lens B is used. Is shown. From these graphs, it is estimated that the gas generation threshold at the objective lens A is 21 × 10 15 W / cm 2 , and the gas generation threshold at the objective lens B is 2.7 × 10 15 W / cm 2 .
なお、ここでは、レーザ光の波長λ、及び対物レンズの開口数N.A.に対して、スポット径を φ=1.22×λ/N.A. として求めた。具体的には、波長をλ=815nm、開口数を対物レンズAでN.A.=0.55、対物レンズBでN.A.=0.42とすると、得られるスポット径は、対物レンズAでφ=1.8μm、対物レンズBでφ=2.4μmとなる。また、例えばピーク強度1.6GW、対物レンズAの場合、集光強度はI=1.6×109/{π(φ/2)2}=63×1015W/cm2となる。 Here, the spot diameter was determined as φ = 1.22 × λ / NA with respect to the wavelength λ of the laser beam and the numerical aperture NA of the objective lens. Specifically, assuming that the wavelength is λ = 815 nm, the numerical aperture is NA = 0.55 with the objective lens A, and NA = 0.42 with the objective lens B, the obtained spot diameter is φ = 1. 8 μm, and the objective lens B has φ = 2.4 μm. For example, in the case of the peak intensity of 1.6 GW and the objective lens A, the light collection intensity is I = 1.6 × 10 9 / {π (φ / 2) 2 } = 63 × 10 15 W / cm 2 .
上記した例では水素生成媒体として水を用いているが、一般には、構成分子中に水素原子を有する様々な物質を用いて良い。そのような水素生成媒体としては、例えば海水が考えられる。水素生成媒体中での水素生成にプラズマの発生が関与している場合、電気が流れやすい媒体である海水を利用することにより、水素の生成効率が向上される可能性がある。また、メタノールやエタノールの水素生成媒体としての利用も、水素の生成効率の向上に有効である可能性がある。 In the above example, water is used as the hydrogen generation medium, but in general, various substances having hydrogen atoms in the constituent molecules may be used. As such a hydrogen production medium, for example, seawater can be considered. When generation of plasma is involved in hydrogen generation in a hydrogen generation medium, the efficiency of hydrogen generation may be improved by using seawater, which is a medium through which electricity easily flows. Also, the use of methanol or ethanol as a hydrogen production medium may be effective in improving the efficiency of hydrogen production.
本発明による水素生成装置の構成について、さらに説明する。 The configuration of the hydrogen generator according to the present invention will be further described.
図5は、本発明による水素生成装置の第2実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。本実施形態の水素生成装置12は、水素生成媒体20として海水Sを、また、水素生成用の照射光Lとして太陽光を用いるものであり、集光光学系36と、水素収集系41とを備えている。また、本装置12においては、海水Sを利用しているため、容器などの媒体収容手段は設けられていない。また、太陽光を利用しているため、照射光を供給する照射光供給系は設けられていない。
FIG. 5 is a side sectional view schematically showing the configuration of the second embodiment of the hydrogen generator according to the present invention. The
海水Sの上方で、太陽光が海水Sへと照射される光路上の所定位置には、照射光である太陽光Lを水素生成媒体である海水Sに対して集光しつつ照射するための集光光学系36が配置されている。図5に示す集光光学系36は、凹面鏡36a及び凸面鏡36bからなる反射集光光学系である。
For irradiating the solar light L, which is the irradiation light, to the predetermined position on the optical path where the solar light is irradiated onto the seawater S, while concentrating the seawater S, which is a hydrogen generation medium, on the seawater S. A condensing
この集光光学系36によって太陽光Lが海水Sに集光照射されることにより、海水Sにおいて、光反応で海水S中の水が分解して、水素が生成される。また、海水Sの太陽光Lが集光照射される位置の上方には、水素取込系41a、及び水素収集用配管41bを介して水素収集系41が配置されている。海水S中で光反応によって生成された水素は、この水素収集系41によって収集される。また、水素取込系41aの所定位置には、集光光学系36によって集光される太陽光Lを下方の海水Sへと透過させる光透過窓27が設けられている。
When the sunlight L is condensed and irradiated on the seawater S by the condensing
このように、水素生成媒体としては海水を用いることが可能である。また、水素生成用の照射光としては太陽光を用いることが可能である。ここで、晴天時(太陽光:1kW/m2)において、水から水素を発生させるのに2×1015W/cm2の集光強度が必要であるとすると、凹面鏡及び凸面鏡から構成される集光光学系によって太陽光が集光されるまでの距離を10mとして、鏡の直径は386km程度となる。 Thus, seawater can be used as the hydrogen production medium. Moreover, sunlight can be used as irradiation light for hydrogen generation. Here, in the case of sunny weather (sunlight: 1 kW / m 2 ), assuming that a light collecting intensity of 2 × 10 15 W / cm 2 is required to generate hydrogen from water, the mirror is composed of a concave mirror and a convex mirror. The distance until sunlight is collected by the condensing optical system is 10 m, and the diameter of the mirror is about 386 km.
図6は、本発明による水素生成装置の第3実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。本実施形態の水素生成装置13は、水素生成媒体20と、容器28と、光透過窓29と、照射光供給系30と、集光光学系35と、水素収集系40とを備えている。また、媒体収容手段である容器28の光透過窓29以外の内壁部分は、光Lを反射する反射鏡となっている。
FIG. 6 is a side sectional view schematically showing the configuration of the third embodiment of the hydrogen generator according to the present invention. The
このような構成において、容器28は、水素生成媒体20を通過した照射光Lを再び水素生成用の照射光として水素生成媒体20に対して照射するための光再利用手段として機能する。このような光再利用手段を設けることにより、透過光や散乱光を再び水素生成に利用することができ、水素の生成効率を向上することができる。また、光再利用手段としては、光積分球以外にも様々な構成を用いることが可能である。
In such a configuration, the
図7は、本発明による水素生成装置の第4実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。本実施形態の水素生成装置14は、水素生成媒体20と、容器25と、光透過窓26と、照射光供給系30と、集光光学系35と、水素収集系40とを備えている。また、容器25の一部を構成する光透過窓26の水素生成媒体20側の面上には、光透過性の親水剤26aが塗布されている。
FIG. 7 is a side sectional view schematically showing the configuration of the fourth embodiment of the hydrogen generator according to the present invention. The
このような構成において、水素生成媒体20が液体からなる場合、水素生成媒体20中で発生した気体が光透過窓26に付着して照射光Lが散乱されることが防止され、水素の生成効率を向上することができる。また、光透過窓26のみでなく、容器25の内面全体に親水剤を塗布する構成としても良い。この場合、水素生成媒体20中で発生した気体の収集効率が向上され、水素収集系40による水素の収集効率を向上することができる。
In such a configuration, when the
また、図7の構成において、親水剤26aとして、光触媒作用を有する物質からなる親水剤を用いても良い。この場合、光触媒作用によって水素の生成効率をさらに向上することが可能である。このような物質としては、例えば酸化チタンが挙げられる。
In the configuration of FIG. 7, a hydrophilic agent made of a substance having a photocatalytic action may be used as the
また、水素生成媒体20が水などの液体からなる場合、水素生成媒体20に界面活性剤を添加する構成としても良い。このように界面活性剤を用いる構成によっても、水素生成媒体20中で発生した気体が光透過窓26等に付着されることが防止される。
Further, when the
図8は、本発明による水素生成装置の第5実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。本実施形態の水素生成装置15は、水素生成媒体20と、容器25と、光透過窓26と、照射光供給系30と、集光光学系35と、水素収集系40とを備えている。また、
水素生成媒体20を収容する容器25は、水が入った容器51中の超音波振動子50上に設置されている。
FIG. 8 is a side sectional view schematically showing the configuration of the fifth embodiment of the hydrogen generator according to the present invention. The
The
このような構成において、水素生成媒体20が液体または固体からなる場合、水素生成媒体20に対して超音波を供給することにより、媒体20中で発生した気体を効率良く上方へと輸送することができ、水素収集系40による水素の収集効率を向上することができる。また、超音波振動子については、図8に示すように水中に配置する構成のみでなく、例えば超音波振動子を容器25自体に直接に取り付ける構成としても良い。
In such a configuration, when the
図9は、水素生成装置に用いられる照射光供給系の一例を示す構成図である。本構成例における照射光供給系30は、パルスレーザ光源30aと、偏光ビームスプリッタ30bと、固定反射鏡31a及び1/4波長板31bを含む第1反射光路と、可動反射鏡32a及び1/4波長板32bを含む第2反射光路と、1/2波長板33とを有し、照射光Lとしてダブルパルスのレーザ光を供給可能に構成されている。
FIG. 9 is a configuration diagram showing an example of an irradiation light supply system used in the hydrogen generator. The irradiation
このように、ダブルパルスのレーザ光を水素生成媒体20に集光照射することにより、水素の生成効率を向上することができる。具体的には、例えば、レーザ光としてパルス幅がピコ秒域にあるパルスレーザ光を用い、遅延光学系を用いてパルス幅の5〜500倍の遅延時間のダブルパルスを発生させて照射光Lとすることが好ましい。また、図9に示す構成では、ダブルパルスの時間間隔は可変である。
As described above, the hydrogen generation efficiency can be improved by condensing and irradiating the
図10は、本発明による水素生成装置の第6実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。本実施形態の水素生成装置16は、水素生成媒体21と、一方の面が光透過窓61になっている容器60と、照射光供給系30と、集光光学系35とを備えている。
FIG. 10 is a side sectional view schematically showing the configuration of the sixth embodiment of the hydrogen generator according to the present invention. The
本実施形態においては、水素生成媒体21として、温度調節装置62によって0℃以下の所定温度に保持された氷を用いている。この氷21は、水素生成媒体であると同時に、それ自体で媒体収容手段、及び水素収集手段としての機能を有している。すなわち、この氷21に照射光Lを集光照射した場合、光反応で発生した水素を氷21の内部に含んだ状態で、そのまま燃料として搬送等することが可能である。
In the present embodiment, ice maintained at a predetermined temperature of 0 ° C. or less by the
図11は、本発明による水素生成装置の第7実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。本実施形態の水素生成装置17は、水素生成媒体22と、超臨界水生成装置65と、光透過窓66と、照射光供給系30と、集光光学系35と、水素収集系40とを備えている。
FIG. 11 is a side sectional view schematically showing the configuration of the seventh embodiment of the hydrogen generator according to the present invention. The
本実施形態においては、媒体収容手段として、超臨界水生成装置65を用い、水素生成媒体22として、超臨界状態の水を用いている。このように超臨界状態の液体を水素生成媒体とすることにより、水素の生成効率を向上することができる。例えば水素生成媒体に水を用いる場合、超臨界水生成装置65において、温度374℃以上、圧力220atm以上の条件とすればよい。
In the present embodiment, a supercritical
図12は、本発明による水素生成装置の第8実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。本実施形態の水素生成装置18は、水素生成媒体20と、容器70と、光照射窓71と、照射光供給系30と、集光光学系35と、水素収集系40とを備えている。
FIG. 12 is a side sectional view schematically showing the configuration of the eighth embodiment of the hydrogen generator according to the present invention. The
本実施形態においては、水素生成媒体20を収容する容器70内に、2つの電極76、77が設置されている。また、これらの電極76、77間には、容器70の外部に設置された電圧印加装置75が導線を介して接続されている。このような構成において、電圧印加装置75によって電極76、77間に電圧を印加することにより、水素生成媒体20での水素の生成効率を向上することができる。この場合、水素生成媒体20としては、電解溶液、海水、食塩水などの電気が流れやすい液体を用いることが好ましい。
In the present embodiment, two
また、図12に示すように、容器70を電極76、77の配置に対応した構造とすることにより、水素収集系40において、水素生成媒体20中において水素及び酸素が生成されるような場合であっても、水素のみを選択的に収集することが可能となる。この場合、例えば収集した気体の搬送中に気体が爆発するなどの危険を回避することができる。
In addition, as shown in FIG. 12, when the
図13は、本発明による砕氷装置を備える砕氷船の一実施形態の構成を示す模式図である。本実施形態の砕氷船80に搭載されている砕氷装置81は、レーザ光源82と、反射鏡86と、集光レンズ87とを備えている。
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of an embodiment of an icebreaker equipped with an icebreaker according to the present invention. The
レーザ光源82は、砕氷用の照射光Lを供給する照射光供給手段である。また、反射鏡86及び集光レンズ87は、砕氷対象となる氷Cに対して照射光Lを集光しつつ照射する集光光学系85を構成している。このような構成において、集光光学系85は、氷C中において照射光Lの集光照射による光反応が発生する条件を満たすように照射光Lを集光する。このとき、氷Cが分解して過酸素濃度状態が生成され、さらに、照射光Lにより発生したプラズマで爆発を起こさせて砕氷を行うことができる。
The
本発明による水素生成装置及び砕氷装置は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、水素生成媒体を収容する媒体収容手段、及び生成された水素を収集する水素収集手段については、水素生成媒体として用いる物質の種類や状態、及び媒体中での水素の生成状態などに応じて、様々なものを用いて良い。 The hydrogen generator and ice breaker according to the present invention are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible. For example, for the medium storage means for storing the hydrogen generation medium and the hydrogen collection means for collecting the generated hydrogen, depending on the type and state of the substance used as the hydrogen generation medium, the hydrogen generation state in the medium, etc. Various things can be used.
本発明は、水素を効率良く生成することが可能な水素生成装置、及び砕氷装置として利用可能である。水などの水素生成媒体から生成される水素は、環境にやさしいクリーンな燃料として注目されており、本発明は、人類のエネルギー問題の解決につながる技術として期待される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a hydrogen generator capable of efficiently generating hydrogen and an ice breaker. Hydrogen produced from a hydrogen production medium such as water is attracting attention as an environmentally friendly clean fuel, and the present invention is expected as a technology that leads to the solution of human energy problems.
11〜18…水素生成装置、20、21、22…水素生成媒体、25、28…容器、26、27、29…光透過窓、26a…親水剤、30…照射光供給系、30a…パルスレーザ光源、30b…偏光ビームスプリッタ、31a…固定反射鏡、31b…1/4波長板、32a…可動反射鏡、32b…1/4波長板、33…1/2波長板、35、36…集光光学系、36a…凹面鏡、36b…凸面鏡、40、41…水素収集系、40a、41b…水素収集用配管、41a…水素取込系、50…超音波振動子、51…容器、60…容器、61…光透過窓、62…温度調節装置、65…超臨界水生成装置、66…光透過窓、70…容器、71…光透過窓、75…電圧印加装置、76、77…電極、80…砕氷船、81…砕氷装置、82…レーザ光源、85…集光光学系、86…反射鏡、87…集光レンズ、L…照射光、S…海水、C…氷。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11-18 ... Hydrogen generator, 20, 21, 22 ... Hydrogen production medium, 25, 28 ... Container, 26, 27, 29 ... Light transmission window, 26a ... Hydrophilic agent, 30 ... Irradiation light supply system, 30a ... Pulse laser Light source, 30b ... Polarizing beam splitter, 31a ... Fixed reflecting mirror, 31b ... 1/4 wavelength plate, 32a ... Movable reflecting mirror, 32b ... 1/4 wavelength plate, 33 ... 1/2 wavelength plate, 35, 36 ... Condensing Optical system, 36a ... concave mirror, 36b ... convex mirror, 40, 41 ... hydrogen collection system, 40a, 41b ... hydrogen collection pipe, 41a ... hydrogen uptake system, 50 ... ultrasonic transducer, 51 ... container, 60 ... container, DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記水素生成媒体に対して水素生成用の照射光を集光しつつ照射する集光光学系と、
前記水素生成媒体において生成される水素を収集する水素収集手段とを備え、
前記集光光学系は、前記水素生成媒体中において前記照射光の集光照射による光反応が発生する条件を満たすように前記照射光を集光するとともに、前記水素収集手段は、前記光反応で前記水素生成媒体中の物質が分解して生成される水素を収集することを特徴とする水素生成装置。 A hydrogen production medium used for hydrogen production;
A condensing optical system that irradiates the hydrogen generating medium while condensing irradiation light for hydrogen generation;
Hydrogen collecting means for collecting hydrogen produced in the hydrogen production medium,
The condensing optical system condenses the irradiation light so as to satisfy a condition for causing a photoreaction due to the condensing irradiation of the irradiation light in the hydrogen generation medium, and the hydrogen collecting means is configured to perform the photoreaction. A hydrogen generating apparatus, wherein hydrogen generated by decomposition of a substance in the hydrogen generating medium is collected.
前記集光光学系からの前記照射光を前記媒体収容手段内の前記水素生成媒体へと透過させる光透過窓と
を備えることを特徴とする請求項1記載の水素生成装置。 Medium accommodating means for accommodating the hydrogen generating medium;
The hydrogen generation apparatus according to claim 1, further comprising a light transmission window configured to transmit the irradiation light from the condensing optical system to the hydrogen generation medium in the medium housing unit.
砕氷対象となる氷に対して前記照射光を集光しつつ照射する集光光学系とを備え、
前記集光光学系は、前記砕氷対象となる氷中において前記照射光の集光照射による光反応が発生する条件を満たすように前記照射光を集光することにより、その氷を砕氷することを特徴とする砕氷装置。
Irradiation light supply means for supplying irradiation light for crushed ice;
A condensing optical system that irradiates the ice to be crushed while collecting the irradiation light;
The condensing optical system crushes the ice by condensing the irradiation light so as to satisfy a condition for causing a photoreaction due to the condensing irradiation of the irradiation light in the ice to be crushed. A featured icebreaker.
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