JP2018165228A - 水素生成用セル、集光型水素生成用セルおよび水素製造装置 - Google Patents
水素生成用セル、集光型水素生成用セルおよび水素製造装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018165228A JP2018165228A JP2017063103A JP2017063103A JP2018165228A JP 2018165228 A JP2018165228 A JP 2018165228A JP 2017063103 A JP2017063103 A JP 2017063103A JP 2017063103 A JP2017063103 A JP 2017063103A JP 2018165228 A JP2018165228 A JP 2018165228A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hydrogen
- hydrogen generation
- unit
- cell
- ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 123
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 123
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 117
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 48
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 38
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052752 metalloid Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 27
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 8
- 239000002585 base Substances 0.000 claims description 7
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 7
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 claims description 5
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 4
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 3
- JFTTYFWNHKVEMY-UHFFFAOYSA-N barium ferrate Chemical compound [Ba+2].[O-][Fe]([O-])(=O)=O JFTTYFWNHKVEMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 abstract 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 abstract 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 9
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 description 4
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 2
- 229910002741 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002742 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ Inorganic materials 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002132 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002131 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3–δ Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002130 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002204 La0.8Sr0.2MnO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical group [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 1
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 description 1
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011246 composite particle Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006837 decompression Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004453 electron probe microanalysis Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
【課題】 水蒸気から水素を効率良く生成させることのできる水素生成用セル、集光型水素生成用セルおよび水素製造装置を提供する。【解決手段】 水素生成用セルＡは、組成式がＡＸＯ３±δ（但し、０≦δ≦１、Ａ：希土類元素、アルカリ土類元素、およびアルカリ金属元素のうちの少なくとも１種、Ｘ：遷移金属元素およびメタロイド元素のうちの少なくとも１種の元素、Ｏ：酸素）で表されるセラミック粒子１と、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅの群から選ばれる少なくとも１種の元素を主成分として含む金属粒子との複合体が、気体で満たされている筐体内に備えられている。集光型水素生成用セルＢは、上記の水素生成用セルによって構成される水素生成部１１と、光吸収部１３とで構成されている。【選択図】 図１
Description
本開示は、水素生成用セル、集光型水素生成用セルおよび水素製造装置に関する。
近年、化石燃料の消費に伴う二酸化炭素の増加による地球温暖化などの問題の解決策として、化石燃料に代わって二酸化炭素を排出しないクリーンな再生可能エネルギーの開発が重要度を増している。
再生エネルギーの一つである太陽光エネルギーは枯渇の心配が無く、また、温室効果ガスの削減に貢献できる。また、近年、燃料電池が普及し始め、水素エネルギー社会の牽引役として期待されている。現在製造されている水素の大半は原料として化石燃料を用いており、根本的な化石燃料削減の面では課題がある。
このような状況の中、一次エネルギーを太陽光に求め、二次エネルギーを水素で支える形は、理想的なクリーンエネルギーシステムの一つであり、その確立が急務である。
例えば、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換する方法の一つとして、セリア（ＣｅＯ２）などのセラミック部材を反応系担体として用いたときに発生する２段階水分解反応を利用することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
これは、第１のステップでは、太陽光エネルギーを用いて反応系担体であるセラミック部材を１４００〜１８００℃に加熱し、当該セラミック部材を還元して酸素を生成し、次いで、第２のステップでは、還元されたセラミック部材を３００〜１２００℃で水と反応させて還元されたセラミック部材を酸化して水素を生成するというものである。
ところが、現段階では、太陽光エネルギーからの熱を利用して、セラミック部材からなる反応系単体を直接加熱するようにして、水蒸気から水素を直接生成させた例は無いというのが実際のところである。
本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水蒸気から水素を効率良く生成させることのできる水素生成用セル、集光型水素生成用セルおよび水素製造装置を提供することにある。
本開示の水素生成用セルは、組成式がＡＸＯ３±δ（但し、０≦δ≦１、Ａ：希土類元素、アルカリ土類元素、およびアルカリ金属元素のうちの少なくとも一種、Ｘ：遷移金属元素およびメタロイド元素のうちの少なくとも１種の元素、Ｏ：酸素）で表されるセラミック粒子と、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅのうちの少なくとも１種の元素を主成分として含む金属粒子との複合体を、気体で満たされている筐体内に備えているものである。
本開示の集光型水素生成用セルは、上記の水素生成用セルによって構成さる水素生成部と、光吸収部と、で構成されるものである。
本開示の水素製造装置は、太陽光エネルギーを受けて酸化・還元反応を起こす反応部と、該反応部に水を供給する水蒸気供給部と、前記反応部から発生する水素ガスを回収する回収部とを備え、前記反応部に上記の集光型水素生成用セルが設置されているものである。
本開示によれば、水蒸気から水素を効率良く生成させることができる。
図１は、本開示の水素生成用セルの一実施形態を模式的に示す断面図である。本実施形態の水素生成用セルＡは、セラミック粒子１と金属粒子３との複合体５よって構成されている。また、複合体５は気体で満たされた筐体７内に備えられている。
この場合、セラミック粒子１は、組成式がＡＸＯ３±δ（但し、０≦δ≦１、Ａ：希土類元素、アルカリ土類元素、およびアルカリ金属元素のうちの少なくとも１種の元素、Ｘ：遷移金属元素およびメタロイド元素のうちの少なくとも１種、Ｏ：酸素）で表される複合金属酸化物である。一方、金属粒子３は、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅのうちの少なくとも１種の元素を主成分として含むものである。ここで、主成分とは、当該元素を９０質量％以上含む場合を意味する。
複合体５が気体（空気）で満たされた空間９を有する筐体７内に置かれた状態で、複合体５に水蒸気を触れさせると、図１に示すように、水蒸気（Ｈ２Ｏ）が水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とに分解する。この場合、水蒸気（Ｈ２Ｏ）から分解した酸素（Ｏ２）は、Ｏ２−として表される陰イオンとしてセラミック粒子１の内部へ移動し、一旦、セラミック粒子１内に存在することになる。一方、水素（Ｈ２）は、複合体５から離れて筐体７の空間９内に拡散する。
本実施形態の水素生成用セルＡによれば、空気で満たされた空間９に、空気以外の気体として水蒸気（Ｈ２Ｏ）を存在させた状態で、その水蒸気（Ｈ２Ｏ）の分解反応によって水素（Ｈ２）を生成させることができる。本実施形態の場合、複合体５の周囲に水などの液体が存在しないことから、複合体５の表面に接触する水蒸気量を大幅に増やすことができる。その結果、水素（Ｈ２）の生成効率を高めることができる。
この場合、セラミック粒子１としては、鉄酸ランタンを主相とし、ストロンチウムおよびコバルトを含むＬａ系複合金属酸化物、または鉄酸バリウムを主相とし、ストロンチウムおよびコバルトを含むＢａ系複合金属酸化物が良い。
Ｌａ系複合金属酸化物のモル比で表される組成としては、Ｌａ＝０．５〜０．７、Ｓｒ
＝０．３〜０．５、Ｃｏ＝０．１〜０．３、Ｆｅ＝０．７〜０．９、Ｏ＝３±０．１〜０．９が良い。一方、Ｂａ系複合金属酸化物のモル比で表される組成としては、Ｂａ＝０．４〜０．６、Ｓｒ＝０．４〜０．６、Ｃｏ＝０．７〜１．０、Ｆｅ＝０．１〜０．３、Ｏ＝３±０．１〜０．９が良い。
＝０．３〜０．５、Ｃｏ＝０．１〜０．３、Ｆｅ＝０．７〜０．９、Ｏ＝３±０．１〜０．９が良い。一方、Ｂａ系複合金属酸化物のモル比で表される組成としては、Ｂａ＝０．４〜０．６、Ｓｒ＝０．４〜０．６、Ｃｏ＝０．７〜１．０、Ｆｅ＝０．１〜０．３、Ｏ＝３±０．１〜０．９が良い。
ここで、主成分とは、例えば、セラミック粒子１をＸ線回折によって同定を行ったときに、メインピークとして現れる結晶相のことを意味する。
図２は、金属粒子の他の態様を示す断面模式図である。金属粒子３としては、上記したＲｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅのうちの少なくとも１種の元素を主成分として単独で含むものを用いても良いが、コストの点および金属粒子３の耐食性の点から、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅの群から選ばれる少なくとも１種の卑金属を主成分とする母材粒子３ａの表面に、Ｒｈ、Ｒｕ、ＰｄおよびＰｔの群から選ばれる少なくとも１種の貴金属を主成分とする被覆粒子３ｂが担持された複合粒子であるのが良い。この場合、被覆粒子３ｂは、母材粒子３ａの表面の全面を被覆した状態でも良いが、金属粒子３の比表面積を向上できるという点から、母材粒子３ａの表面に凹凸を形成するように、一部離間した状態で付着しているのが良い。
次に、本実施形態の集光型水素生成用セルについて説明する。図３は、本開示の集光型水素生成用セルの一実施形態を模式的に示す断面図である。本実施形態の集光型水素生成用セルＢは、水素生成部１１と光吸収部１３とで構成されている。この場合、水素生成部１１と光吸収部１３とは主面同士で接触している。ここで主面とは、水素生成部１１および光吸収部１３が複数の平坦な表面を有している場合に、最も面積の大きい表面のことである。
水素生成部１１は上記した水素生成用セルＡによって形成されている。水素生成部１１は、セラミック粒子１と金属粒子３とで構成される複合体５が複数の空隙１４を有するように多孔質の状態で焼結した構造となっている。
集光型水素生成用セルＢにおいても、水素生成部１１および光吸収部１３はともに気体で満たされた筐体７内に設置されている。
本実施形態の集光型水素生成用セルＢによれば、水素生成部１１に光吸収部１３が取り付けられていることから、太陽光エネルギーを熱に変換する効率が高まり、水素生成部１１の温度をより高くすることができる。これにより水蒸気（Ｈ２Ｏ）の分解反応の速度が高まり、水素（Ｈ２）の生成効率をさらに高めることができる。
この場合、集光型水素生成用セルＢは、筐体７の内部に存在する媒体が空気であることから光の透過性が高い。このため、筐体７の内部に設置されている集光型水素生成用セルＢは光の減衰率の低い状態で光を受けることができる。これにより光吸収部１３における発熱効率とともに、水素生成部１１における水素（Ｈ２）の生成効率を高めることができる。
光吸収部１３は、開気孔率が５％以下のセラミックス１３ａ中に当該セラミックス１３ａとは組成が異なる複合酸化物粒子１３ｂを複数有するセラミック複合体によって形成されているのが良い。この場合、複合酸化物粒子１３ｂとしては正の抵抗温度特性を示すセラミック材料が好適なものとなる。この複合酸化物粒子１３ｂは金属と同様の抵抗温度特性を示すものであるため、複合酸化物粒子１３ｂ中に電子と同様のキャリア（電子）を有している。そのため複合酸化物粒子１３ｂはキャリア（電子）による高い表面プラズモン効果を発現する。その結果、光吸収部１３はその全体が発熱するものとなり、高い発熱効
率を得ることができる。
率を得ることができる。
ここで、複合酸化物粒子１３ｂの材料としては、ＡＢＯ３として表されるペロブスカイト型のセラミック材料が好適なものとなる。例えば、ＡＢＯ３のＡサイトに希土類元素を含み、一方、Ｂサイトに遷移金属元素を含み、さらに、複合酸化物粒子１３ｂに、ＡサイトおよびＢサイトの元素とは価数の異なる元素を微量含むものが良い。例えば、ＡＢＯ３のＡサイトがランタン（Ｌａ）であり、Ｂサイトがマンガン（Ｍｎ）であり、これに微量のＳｒを含む材料を好適な例として挙げることができる。例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３＋δ（ｘ＝０．０１〜０．９、δは任意。）として表される複合酸化物が代表的なものとなる。この場合、複合酸化物粒子１３ｂのサイズ（平均粒径）としては、微細であるのが良く、表面プラズモン効果を高められるという点から５〜１００ｎｍが良い。
セラミックス１３ａとしては、クラックなどが生じにくく、光の透過性および耐熱性に優れるという点で酸化ケイ素を主成分とする低熱膨張性のガラスが好適なものとなる。この場合、セラミックス１３ａとしては、色の明度としてマンセルカラーシステムで区別される明度表示で５以上であるものが良い。また、セラミックス１３ａに複合酸化物粒子１３ｂを含む状態（セラミック複合体）での熱膨張率として、９×１０−６／℃以下であるものが良い。セラミック複合体の熱膨張率が９×１０−６／℃以下であると、耐熱衝撃性が高まり、高寿命の光吸収部１３を形成することができる。
さらに、複合酸化物粒子１３ｂの表面プラズモン効果を高められるという点から、セラミック複合体中に含まれる複合酸化物粒子１３ｂの割合は、体積比で１０〜８０％であるのが良い。
なお、光吸収部１３を構成する複合酸化物粒子１３ｂの割合は、セラミック複合体の断面を電子顕微鏡およびこれに付設の分析器（ＥＰＭＡ）を用いて求める。例えば、セラミック複合体を研磨して複合酸化物粒子１３ｂを露出させ、その断面に存在する複合酸化物粒子１３ｂが３０〜１００個入る所定の領域を指定する。次に、この領域の面積およびこの領域内に存在する複合酸化物粒子１３ｂの合計面積を求め、領域の面積に対する複合酸化物粒子１３ｂの合計面積を求める。こうして求めた面積割合を体積割合と考える。複合酸化物粒子１３ｂがセラミックス１中において単一の粒子として孤立した状態で存在しているか否かの判定も上記の観察から個数をカウントして行う。
図４（ａ）は、本実施形態の集光型水素生成用セルの他の態様を示すものであり、光吸収部の内側に水素生成部が配置されている構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。図４に示した集光型水素生成用セルについては筐体７を描いていないが、この集光型水素生成用セルも図３に示した集光型水素生成用セルと同様、筐体７内に設置される構成となる。
図４（ａ）（ｂ）に示す集光型水素生成用セルＣでは、光吸収部１３が太陽光を受けると、光吸収部１３および水素生成部１１が加熱されて高温状態となる。この状態において、水素生成部１１に水蒸気を導入すると、水素生成部１１内に水素が発生する。発生した水素は、例えば、図４（ｂ）に示すように、水蒸気を導入した端部の反対側から回収される。
図４（ａ）（ｂ）に示す集光型水素生成用セルＣの場合、円柱状の水素生成部１１が円筒状の光吸収部１３に囲まれた構造であることから、光吸収部１３は集光性が高く、水素生成部１１は放射による熱損失の小さい集光型水素生成用セルＣとなる。
図５は、本実施形態の水素製造装置を模式的に示す断面図である。本実施形態の水素製
造装置Ｄは、太陽光エネルギーを受けて酸化・還元反応を起こす反応部２１と、反応部２１に水蒸気を供給する水蒸気供給部２３と、反応部２１から発生する水素ガスまたは酸素ガスを回収する回収部２５とを備えたものである。この場合、反応部２１に上記した集光型水素生成用セルＣが設置されている。また、反応部２１はこの場合も空気を媒体とする筐体７内に設置されている。なお、図５に示した水素製造装置Ｄにおいて、水素分離モジュール２７と回収部２５との間および筐体７の回収部２５側には減圧用ポンプ３１ａ、３１ｂが設置されている。
造装置Ｄは、太陽光エネルギーを受けて酸化・還元反応を起こす反応部２１と、反応部２１に水蒸気を供給する水蒸気供給部２３と、反応部２１から発生する水素ガスまたは酸素ガスを回収する回収部２５とを備えたものである。この場合、反応部２１に上記した集光型水素生成用セルＣが設置されている。また、反応部２１はこの場合も空気を媒体とする筐体７内に設置されている。なお、図５に示した水素製造装置Ｄにおいて、水素分離モジュール２７と回収部２５との間および筐体７の回収部２５側には減圧用ポンプ３１ａ、３１ｂが設置されている。
水素製造装置Ｄにおいて、反応部２１を構成する光吸収部１３が太陽光を吸収すると、水素生成部１１が光吸収部１３とともに高温の状態となる。このとき反応部２１を構成している水素生成部１１に水蒸気（Ｈ２Ｏ）を流すと、水素生成部１１の内部において水素ガスが発生する。こうして本実施形態の水素製造装置によれば、太陽光からの熱を吸収して水素を効率良く発生させることができる。
ここで、反応部２１は、図５に示しているように、筐体７の中に減圧された状態で収容されているのが良い。これにより光吸収部１３によって生成した熱が反応部２１以外の外界へ移動するのを防ぐことができる。こうして光吸収部１３で蓄えられた熱を水素生成部１１へ効率良く供給することができる。
なお、本実施形態の水素製造装置Ｄでは、反応部２１と回収部２５との間に水素分離モジュール２７を設置している。これにより反応部２１から回収部２５へ向けて移動してくる水素をより高い純度で回収することが可能になる。
水素分離モジュール２７としては、例えば、多孔質のセラミック管２７ａをガラス管２７ｂ内に設置した構成を例として挙げることができる。
また、筐体７の中には集光板２９を設置しておくのが良い。これにより太陽光の入射側と反対側の反応部２１の裏側にも太陽光を当てることができる。こうして反応部２１において、水素生成反応の効率の低い部分の面積を小さくすることができる。その結果、水素の生成効率を高めることができる。
以下、水素製造装置を作製し、水素の生成量を測定した。まず、水素生成用セルを形成するためのセラミック粒子として、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３−δおよびＢａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３−δを用意した。金属粒子としては、Ｐｔ単体の場合と、Ｎｉを母材粒子としＰｔを被覆粒子とした複合金属の場合との２種類を用意した。光吸収部には、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３を主成分とし、ＭｎサイトにＦｅを０．５モル置換したペロブスカイト材料を用いた。
次に、準備したセラミック粒子と金属粒子とをボールミルを用いて混合して成形体を作製し、大気雰囲気中、１１５０℃にて焼結させて円柱状の水素生成用セルを作製した。
光吸収部は、ホウケイ酸ガラスと上記したペロブスカイト材料とを混合して、円筒状の成形体を作製し、大気中、１４００℃の温度にて焼結させて作製した。作製した光吸収部の開気孔率は４．５％であった。
次に、光吸収部と水素生成部とをセラミックボンドによって接合して集光型水素生成用セルを作製した。
また、筐体として石英ガラスの窓を備えたＳＵＳ３０４製の箱型容器を用意し、図５に
示した構成の水素製造装置を作製した。
示した構成の水素製造装置を作製した。
次に、筐体中に集光型水素生成用セルを装着し、水素の製造試験を行い、水素の生成量を評価した。
水素の生成量は、水素製造装置の回収部にガスクロマトグラフ装置を設置して測定した。この場合、水素製造装置は、筐体内を減圧した上で太陽光を１ＳＵＮの状態で受ける条件に設定した。太陽光の照射回数は１０サイクルとした。
試験の結果、セラミック粒子に金属粒子を担持させた試料Ｎｏ．１（金属粒子：Ｐｔ）および試料Ｎｏ．２（金属粒子はＮｉを母材粒子とし、Ｐｔを被覆粒子としたもの）の水素生成用セルは、水素の生成量がそれぞれ０．４ｍｌ／ｇ、１．１ｍｌ／ｇであったが、水素生成用セルをセラミック粒子だけで作製した試料Ｎｏ．３では、水素の生成量は０．０１ｍｌ／ｇ以下であった。
１・・・・セラミック粒子
３・・・・金属粒子
３ａ・・・母材粒子
３ｂ・・・被覆粒子
５・・・・複合体
７・・・・筐体
９・・・・空間
１１・・・水素生成部
１３・・・光吸収部
２１・・・反応部
２３・・・水蒸気供給部
２５・・・回収部
Ａ・・・・水素生成用セル
Ｂ、Ｃ・・集光型水素生成用セル
Ｄ・・・・水素製造装置
３・・・・金属粒子
３ａ・・・母材粒子
３ｂ・・・被覆粒子
５・・・・複合体
７・・・・筐体
９・・・・空間
１１・・・水素生成部
１３・・・光吸収部
２１・・・反応部
２３・・・水蒸気供給部
２５・・・回収部
Ａ・・・・水素生成用セル
Ｂ、Ｃ・・集光型水素生成用セル
Ｄ・・・・水素製造装置
Claims (7)
- 組成式がＡＸＯ３±δ（但し、０≦δ≦１、Ａ：希土類元素、アルカリ土類元素、およびアルカリ金属元素のうちの少なくとも１種、Ｘ：遷移金属元素およびメタロイド元素のうちの少なくとも１種の元素、Ｏ：酸素）で表されるセラミック粒子と、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅのうちの少なくとも１種の元素を主成分として含む金属粒子との複合体を、気体で満たされている筐体内に備えている、水素生成用セル。
- 前記セラミック粒子が、鉄酸ランタンを主相とし、ストロンチウムおよびコバルトを含むＬａ系複合金属酸化物、または鉄酸バリウムを主相とし、ストロンチウムおよびコバルトを含むＢａ系複合金属酸化物である、請求項１に記載の水素生成用セル。
- 前記金属粒子は、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅのうちの少なくとも１種を主成分とする母材粒子の表面に、Ｒｈ、Ｒｕ、ＰｄおよびＰｔの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする被覆粒子が担持されたものである、請求項１または２に記載の水素生成用セル。
- 請求項１乃至３のうちいずれかに記載の水素生成用セルによって構成さる水素生成部と、光吸収部と、で構成される、集光型水素生成用セル。
- 前記光吸収部は、開気孔率が５％以下のセラミックス中に、該セラミックスとは組成が異なる複合酸化物粒子を複数有するセラミック複合体である、請求項４に記載の集光型水素生成用セル。
- 前記水素生成部および前記光吸収部がともに円柱状を成しており、前記光吸収部内に前記水素生成部が配置されている、請求項４または５に記載の集光型水素生成用セル。
- 太陽光エネルギーを受けて酸化・還元反応を起こす反応部と、該反応部に水を供給する水蒸気供給部と、前記反応部から発生する水素ガスを回収する回収部とを備え、前記反応部に請求項４乃至６のうちいずれかに記載の集光型水素生成用セルが設置されていることを特徴とする水素製造装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017063103A JP6787826B2 (ja) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 水素生成用セル、集光型水素生成用セルおよび水素製造装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017063103A JP6787826B2 (ja) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 水素生成用セル、集光型水素生成用セルおよび水素製造装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018165228A true JP2018165228A (ja) | 2018-10-25 |
| JP6787826B2 JP6787826B2 (ja) | 2020-11-18 |
Family
ID=63921639
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017063103A Expired - Fee Related JP6787826B2 (ja) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 水素生成用セル、集光型水素生成用セルおよび水素製造装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6787826B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113574703A (zh) * | 2019-01-15 | 2021-10-29 | 瑞士森马公司 | 电化学气体析出电池，特别是无汞析氢电池 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005046808A (ja) * | 2003-07-31 | 2005-02-24 | Seimi Chem Co Ltd | 水素生成触媒 |
| JP2008194549A (ja) * | 2007-02-08 | 2008-08-28 | Univ Of Tokyo | 燃料電池用水素製造触媒及びｄｓｓ運転対応型燃料電池 |
| KR100891925B1 (ko) * | 2007-06-22 | 2009-04-08 | 한국에너지기술연구원 | 분할반응형식의 태양열 집광을 통한 물분해 수소제조장치 |
| JP2009263165A (ja) * | 2008-04-25 | 2009-11-12 | Tokyo Institute Of Technology | 反応性セラミックスおよびその製造方法、ならびに水素製造方法および水素製造装置 |
| US20130004801A1 (en) * | 2011-07-01 | 2013-01-03 | Asegun Henry | Reactor, system and method for solid reactant based thermochemical processes |
| WO2013141385A1 (ja) * | 2012-03-23 | 2013-09-26 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 熱化学燃料製造用触媒及び熱化学燃料製造方法 |
| CN104418298A (zh) * | 2013-09-02 | 2015-03-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 含微量贵金属的钙钛矿类活性材料光热分解h2o和/或co2的方法 |
| KR20150094825A (ko) * | 2014-02-10 | 2015-08-20 | 인하대학교 산학협력단 | 태양열 열화학 수소생산장치 |
-
2017
- 2017-03-28 JP JP2017063103A patent/JP6787826B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005046808A (ja) * | 2003-07-31 | 2005-02-24 | Seimi Chem Co Ltd | 水素生成触媒 |
| JP2008194549A (ja) * | 2007-02-08 | 2008-08-28 | Univ Of Tokyo | 燃料電池用水素製造触媒及びｄｓｓ運転対応型燃料電池 |
| KR100891925B1 (ko) * | 2007-06-22 | 2009-04-08 | 한국에너지기술연구원 | 분할반응형식의 태양열 집광을 통한 물분해 수소제조장치 |
| JP2009263165A (ja) * | 2008-04-25 | 2009-11-12 | Tokyo Institute Of Technology | 反応性セラミックスおよびその製造方法、ならびに水素製造方法および水素製造装置 |
| US20130004801A1 (en) * | 2011-07-01 | 2013-01-03 | Asegun Henry | Reactor, system and method for solid reactant based thermochemical processes |
| WO2013141385A1 (ja) * | 2012-03-23 | 2013-09-26 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 熱化学燃料製造用触媒及び熱化学燃料製造方法 |
| CN104418298A (zh) * | 2013-09-02 | 2015-03-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 含微量贵金属的钙钛矿类活性材料光热分解h2o和/或co2的方法 |
| KR20150094825A (ko) * | 2014-02-10 | 2015-08-20 | 인하대학교 산학협력단 | 태양열 열화학 수소생산장치 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DEMONT, ANTOINE, ET AL.: "Investigation of Perovskite Structures as Oxygen-Exchange Redox Materials for Hydrogen Production fr", THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C, vol. 118, no. 24, JPN6017000495, 28 May 2014 (2014-05-28), US, pages 12682 - 12692, XP055536728, ISSN: 0004306747, DOI: 10.1021/jp5034849 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113574703A (zh) * | 2019-01-15 | 2021-10-29 | 瑞士森马公司 | 电化学气体析出电池，特别是无汞析氢电池 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6787826B2 (ja) | 2020-11-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bhosale et al. | A decade of ceria based solar thermochemical H2O/CO2 splitting cycle | |
| KR101790093B1 (ko) | 열화학 연료 제조용 촉매 및 열화학 연료 제조 방법 | |
| KR102690629B1 (ko) | 열광전지 전기 발전기 | |
| JP5126535B2 (ja) | 複合体型混合導電体 | |
| US20060048808A1 (en) | Solar, catalytic, hydrogen generation apparatus and method | |
| US20100263832A1 (en) | Thermochemical Energy Storage System | |
| JP6276480B2 (ja) | 水素製造用部材および水素製造装置 | |
| Deka et al. | Temperature-induced changes in the synthesis gas composition in a high-temperature H2O and CO2 co-electrolysis system | |
| JP6787826B2 (ja) | 水素生成用セル、集光型水素生成用セルおよび水素製造装置 | |
| CN111013584A (zh) | 一种高温质子膜催化剂及其制备方法和应用 | |
| JP2022094211A (ja) | Ｃｏ２メタネーション触媒及びその製造方法とメタンの製造方法 | |
| JP6224871B1 (ja) | 水素製造用部材および水素製造装置 | |
| Ellett | Oxygen permeation and thermo-chemical stability of oxygen separation membrane materials for the oxyfuel process | |
| CN107008159A (zh) | 一种原位合成碳酸根离子‑电子混合导体双相膜的制备方法及其制得的产品 | |
| JP2005097036A (ja) | 水素処理用多成分ガラス材料及び水素処理複合体 | |
| JP6698512B2 (ja) | 水素製造装置 | |
| CN110844884A (zh) | 甲醇水蒸气重整与氢分离一体式装置 | |
| Nurherdiana et al. | Brief Overview of Perovskite Oxide: Synthesis and Its Performance as Oxygen Separator from Air | |
| JP5276204B2 (ja) | 金属酸素電池 | |
| Nizio | Plasma catalytic process for CO2 methanation | |
| Nurherdiana | Separator from Air | |
| Kumar et al. | Future Materials for Thermoelectric and Hydrogen Energy | |
| US20210284540A1 (en) | Facile co2 sequestration and fuel production from a hydrocarbon | |
| Dasari et al. | Hydrogen production from water-splitting reaction based on RE-doped ceriaezirconia solid-solutions | |
| Liu | Using Oligomer/polymer Thin Film To Immobilize Fly Ash |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191010 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200629 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200716 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200824 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200929 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20201029 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6787826 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |