JP2023050965A - 水素製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水素製造装置において、太陽光の紫外光から可視光鵜を含み赤外光までの広い範囲の波長成分を高効率に活用することにより、トータルの光活用効率を従来よりも高める。【解決手段】光触媒を有し、水から水素を生成する水素製造装置において、太陽光を波長分離する波長分離部と、この波長分離部にて分離された赤外光を可視光に変換する赤外光変換部と、波長分離部にて分離された紫外光を可視光に変換する紫外光変換部とを備えたことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、水を光で分解して水素ガスを製造する水素製造装置に関する。
光触媒に代表される太陽光により水を分解し、高効率に水素を生成する技術は、CO2排出を伴わない安価で蓄積可能なエネルギーキャリア生産技術として、水素発電や脱化石燃料を実現する水素自動車などの環境社会インフラ実現にむけた、再生可能エネルギー事業、環境事業としての応用が期待されている。
また、太陽光の高効率活用技術が発展すれば、環境影響の大きい化学物質を分解する光触媒を適用することにより、有用材料の生産などに応用できることから、物質生成システムなど周辺産業への広がりも期待される。
太陽光により水を分解して水素を生成することに関する技術として、特許文献1には、水の完全分解反応に関して高い活性を有する接合型Ｚスキーム触媒、及びこのような触媒
を利用する水素の製造方法について記載されている。
特開２０１３－１８０２４５号公報
太陽光により水を分解して水素を生成する場合に必要とされる太陽光エネルギーの高効率利用技術として、光触媒反応が活性となる照射光の周波数領域を、従来の紫外光領域で活性となる材料（NaTaO3：280nm、TiO2:400nm近辺）から、より太陽光スペクトルの光強度の強い可視光領域に活性領域を持つ材料（400～700nm）の開発が進められている。
しかし、太陽光のスペクトルは、紫外光のみならず、赤外光にも大きく広がっており、これらのエネルギーは活用されていない。さらに、1000nm以上の赤外光は水の分解に必要とされる1.23V未満のエネルギーなため、そのままでは水分解には利用できない。このように、光触媒を有する水素製造装置では、光活用効率を向上させることができていなかった。
特許文献1においても、太陽光の紫外光から赤外光に亘る広い波長領域の光を有効に利用することについては触れられていない。
本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、太陽光の紫外光から可視光を含み赤外光までの広い範囲の波長成分を高効率に活用し、トータルの光活用効率を従来よりも高めた水素製造装置を提供するものである。
上記課題を解決するために、本発明では、光触媒を有し、水から水素を生成する水素製造装置を、太陽光を波長分離する波長分離部と、この波長分離部にて分離された赤外光を可視光に変換する赤外光変換部と、波長分離部にて分離された紫外光を可視光に変換する紫外光変換部とを備えて構成した。
また、上記課題を解決するために、本発明では、水素製造装置を、光を照射することにより水から水素ガスを生成する光触媒と、内部に水を流すパイプと、太陽光を波長分離する波長分離部と、この波長分離部で太陽光を波長分離して得られた可視光を光触媒に集光して照射する第1の光学系と、波長分離部で太陽光を波長分離して得られた紫外光を可視光に変換して光触媒に集光して照射する第２の光学系と、波長分離部で太陽光を波長分離して得られた赤外光を可視光に変換して光触媒に集光して照射する第３の光学系とを備えて構成した。
さらに、上記課題を解決するために、本発明では、水素製造装置を、可視光を照射することにより水の中で水素ガスを生成する光触媒と、太陽光に含まれる可視光と太陽光の可視光以外の光から生成した可視光とを光触媒に照射する光照射部と、光照射部から太陽光に含まれる可視光と生成した可視光とが照射された光触媒で発生した水素ガスを水から分離する水・ガス分離機構部とを備えて構成した。
本発明によれば、太陽光の紫外光から可視光を含み赤外光までの広い範囲の波長成分を高効率に活用してトータルの光活用効率を従来よりも高めた水素製造装置を提供することができる。
本発明の実施例1に係る水素製造装置の平面図である。 図１のＡ－Ａ´断面矢視図である。 図２のＢ部を拡大した斜視図である。 図２のＣ部を拡大した斜視図である。 本発明の実施例２に係る水素製造装置の平面図である。 実施例２に係る水素製造装置において、実施例1の図４のＣ部の詳細に相当する斜視図である。 実施例２の変形例において図６に対応する斜視図である。 本発明の実施例３に係る水素製造装置の平面図である。 図８のＥ－Ｅ´断面矢視図である。 図９のＦ部を拡大した斜視図である。 実施例３の変形例２に係る水素製造装置の平面図である。 本発明の実施例４に係る水素製造装置の平面図である。 図１２のＨ－Ｈ´断面矢視図である。 図１３のＩ部を拡大した斜視図である。 本発明の実施例５に係る水素製造装置の平面図である。 図１５のＪ-Ｊ´断面矢視図である。
本発明は、太陽光の波長スペクトルを効率よく光触媒の活性範囲に変換して光触媒上に集光する光学系と各種機能とを融合させるときの課題を解決する構成を採用することにより、水から水素を効率よく分離精製可能にした水素製造装置に関するものである。
すなわち、本発明では、水素製造装置において、太陽光のエネルギレベルがピークになる可視光領域（波長:４００nm～７００nm）に活性領域を持つ光触媒(例えば、TiO2、 LaTiO2、 TaON、Y2Ti2O5S2、RhドープしたSrTiO3、ZnRh2O4, Sm2Ti2O2S5、CuAgZnSnS4など)を用いて、太陽光のうち紫外光領域の波長成分の光と、赤外光領域の波長成分の光とをそれぞれ波長変換して可視光領域の波長を有する光に変換して太陽光からの可視光と一緒に前記光触媒に照射することにより、水から水素を効率よく分離精製可能にしたものである。
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。
ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
本発明の第1の実施例に係る水素製造装置について、図１乃至４を用いて説明する。
図1には、第1の実施例に係る水素製造装置１０の全体構成に係る平面図を示し、図１におけるＡ―Ａ´断面の矢視図を図２に示す。
図１及び図２に示した構成において、１０１はレンズＡ、２０１は反射鏡、３０１は波長分離フィルタ、４０１は赤外光変換部、４０２はレンズＢ、５０１は紫外光変換部、６０１は光触媒、６０２は助触媒(水素用)、６０３は助触媒(酸素用)、６０４は基板、７０１は水素ガス生成側のパイプ、７０２は酸素ガス生成側のパイプ、７０３は水と水素ガス又は酸素ガスとを分離する水・ガス分離機構部である。
本実施例に係る水素製造装置１０は、図1に示した中央の線Ｍ－Ｍ´に対して左右の部分で対称な構成になっている。以下の説明では、図１及び図２の主に左側の構成について説明するが、右側の構成についても同様である。
図１及び図２に示した構成において、レンズＡ：１０１は広い波長透過性を有する石英フレネルレンズである。ただし、レンズＡ：１０１は石英フレネルレンズに限らず、凸形レンズ、又は非線形局面を有するレンズなどで構成してもよい。レンズＡ：１０１に入射した太陽光は、レンズＡ：１０１よりも小さな表面積でレンズＡ：に対して傾いて設置されている反射鏡２０１の表面に集光される。
反射鏡２０１は凹面鏡または非線形曲面で形成された反射鏡で、レンズＡ：１０１で集光された太陽光を反射して波長分離フィルタ３０１の表面に集光させる。波長分離フィルタ３０１は、赤外光を透過して、それよりも波長が短い可視光及び紫外光を反射する。
波長分離フィルタ３０１を透過した赤外光は赤外光変換部４０１に入射する。赤外光変換部４０１は、赤外光が入射するとそれよりも波長が短い可視光を発する材料（例えば、Siなどからなる一辺の長さ約200ナノメートル、高さ500ナノメートル程度の四角形ナノピラーを400ナノメートル間隔で多数平面上に並列配置させたフォトニック結晶体の表面や、直径500ナノメートル程度の円形ナノホールを同様に敷き詰めたもの、あるいは、これに電圧印加することで半導体の性質を変え、反射光の波長を調整しうる構造を備えたフォトニック結晶体の表面、又は赤外光照射で可視光を発する蛍光剤（光アップコンバージョン材料）など）を基材上に形成した構成で形成されている。すなわち、赤外光が入射することにより、赤外光変換部４０１からは可視光が発生する。
なお、赤外光変換部４０１において、入射した赤外光から可視光を発生させるために赤外光変換部４０１を加熱する必要がある場合には、赤外光変換部４０１を内部に加熱手段を備えた構成とすればよい。
赤外光が入射した赤外光変換部４０１で発生した可視光は、レンズＢ：４０２に入射する。図２で点線Ｂで囲んだ領域を拡大した図を、図３に示す。波長分離フィルタ３０１を透過した赤外光は赤外光変換部４０１に入射し、赤外光変換部４０１で発生した可視光は、レンズＢ：４０２に入射して、光触媒６０１とその両端部に形成された助触媒(水素用)６０２と助触媒(酸素用)６０３の表面に集光される。
赤外光変換部４０１は、波長分離フィルタ３０１を透過した赤外光をより多く入射させるとともに、発生した可視光をより多くレンズＢ：４０２に入射させるために、波長分離フィルタ３０１及びレンズＢ：４０２に対して傾いて設置されている。
一方、波長分離フィルタ３０１に入射した太陽光のうち波長分離フィルタ３０１を透過しなかった可視光及び紫外光は、波長分離フィルタ３０１で反射されて紫外光変換部５０１に入射する。紫外光変換部５０１は基材の表面に、紫外光照射で蛍光（可視光）を発する蛍光剤が塗布されている。
紫外光変換部５０１に入射した可視光及び紫外光のうち可視光は、紫外光変換部５０１の表面で反射して光路が変換され、紫外光変換部５０１により光触媒６０１とその両端部に形成された助触媒(水素用)６０２と助触媒(酸素用)６０３の表面に集光される。一方、紫外光が紫外光変換部５０１に入射することにより紫外光変換部５０１の基材の表面に塗布された蛍光剤から蛍光(可視光)が発生し、その一部は光触媒６０１とその両端部に形成された助触媒(水素用)６０２と助触媒(酸素用)６０３の表面に集光される。
図２において点線Ｃで囲んだ光触媒６０１を含む部分の詳細を、図４に示す。光触媒６０１とその一方の端部に形成された助触媒(水素用)６０２及び他方の端部に形成された助触媒(酸素用)６０３は、基板６０４の上に形成されている。光触媒６０１の助触媒(水素用)６０２が形成されている側の端部は、基板６０４と一緒に、内部を水が流れる水素ガス生成側のパイプ７０１の中に入っている。一方、光触媒６０１の助触媒(酸素用)６０３が形成されている側の端部は、基板６０４と一緒に、内部を水が流れる酸素ガス生成側のパイプ７０２の中に入っている。この状態で、助触媒(水素用)６０２と助触媒(酸素用)６０３との間には、電位差が生じる。
光触媒６０１及び基板６０４と水素ガス生成側のパイプ７０１及び酸素ガス生成側のパイプ７０２の間には、水素ガス生成側のパイプ７０１又は酸素ガス生成側のパイプ７０２の中を流れる水が外部に漏れないようにするために、図示していないシール部材でシールされている。
助触媒は光触媒との組み合わせで材料が決定される。例えば、ドープされたSrTiO3では、酸素を発生する陽極側にIrO3、BiVO4、CoO、やCoOOHなどを用い、水素を発生する陰極側は光触媒材料そのものでよい。また、WO3では陽極側にPO3、陰極側はWO3を用いる。また、TaONは陽極側にNiO、陰極側はWO3を担持したTaONを用いる。LaTiONでは陽極にLaTiO2、陰極にはPt担持したLaTiO2、Y2Ti2O2S5では陽極側にIrO2、陰極側にRhまたはCr2O3被覆した上に形成したRhを用いる。等が挙げられており、ここに記載した以外にも、適切な組み合わせを選定し用いるものとする。
図４に示したような構成で、光触媒６０１とその両端部に形成された助触媒(水素用)６０２と助触媒(酸素用)６０３は、レンズＡ：１０１に入射した太陽光のうち赤外光から変換されてレンズＢ：４０２で集光された可視光と、レンズＡ：１０１に入射した太陽光のうち紫外光変換部５０１で紫外光から変換された可視光と紫外光変換部５０１で反射された可視光が入射してこれらの可視光により照射される。
これらの可視光が照射された光触媒６０１とその両端部に形成された助触媒(水素用)６０２と助触媒(酸素用)６０３では、水素ガス生成側のパイプ７０１の内部において水が分解されて水素ガスが発生し、酸素ガス生成側のパイプ７０２の内部において水が分解されて酸素ガスが発生する。
水素ガス生成側のパイプ７０１の内部で発生した水素ガスは、水と一緒に流れて水・ガス分離機構部７０３において水から水素ガスが分離され、水素ガスが回収される。一方、酸素ガス生成側のパイプ７０２の内部で発生した酸素ガスは、水と一緒に流れて水・ガス分離機構部７０３において水から酸素ガスが分離され、酸素ガスが回収される。
水素発生電極側の電位はほとんどゼロであるが、触媒の種類によっては、水の電位よりも低いと反応が極端に遅くなるか止まってしまう場合があるため、0.5V未満の弱い外部電圧を付加する機構を設ける場合を含めるものとする。また、反応を促進するため、水は添加物により電解質溶液にしている場合も含むものとする。
本実施例によれば、水素製造装置１０に入射する太陽光のうち、そのままでは光触媒を活性化させることができず水素ガスの生成に寄与しない赤外光と紫外光の成分をそれぞれ可視光に変換して用いることにより、水素製造装置１０における太陽光の利用効率を向上させることができるようになった。
本発明の第２の実施例を、図５及び図６を用いて説明する。
図５は、第２の実施例に係る水素製造装置２０の全体構成を示す平面図である。本実施例に係る水素製造装置２０の構成のうち、レンズＡ：１０１に入射した太陽光をレンズＢ：４０２を介して光触媒６０１に照射する光学系の構成、及びレンズＡ：１０１に入射した太陽光を紫外光変換部５０１を介して光触媒６０１に照射する光学系の構成は実施例１で説明した水素製造装置１０の構成と同じであるので、説明を省略する。
本実施例では、実施例1における図２の点線Ｃで囲んだ部分に相当する光触媒６０１を含む部分の構成が実施例１と異なる。図５のＤ－Ｄ´断面において図２の点線Ｃで囲んだ部分に相当する本実施例に係る光触媒６０１を含む部分の詳細を図６の斜視図に示す。
実施例1においては、光触媒６０１の両側の水素ガス生成側のパイプ７０１と酸素ガス生成側のパイプ７０２とは互いに分離して配置されていた。これに対して、本実施例においては、水素ガス生成側のパイプ７０１－１と酸素ガス生成側のパイプ７０２－１とを中間部７１０で連結して、光触媒６０１全体を水の中に入れる構成となっている。
このような構成とすることにより、水素ガス生成側のパイプ７０１－１の中を流れる水と酸素ガス生成側のパイプ７０２－１の中を流れる水とが互いに混じり合ってしまう。しかし本実施例では、中間部７１０とその下側の光触媒６０１との間隔を狭く設定することで、互いのパイプの中を流れる水が混じり合う量を少なくした。これにより水素ガス生成側のパイプ７０１－１の側に流れ込む酸素ガスの量及び酸素ガス生成側のパイプ７０２－１の側に流れ込む水素ガスの量を小さくすることができ、水・ガス分離機構部７０３で分離される水素ガス及び酸素ガスの収量の低減は、無視することができる程度に小さくすることができる。
本実施例によれば、光触媒６０１全体を水の中に入る構成なので、実施例1の構成のような光触媒６０１と水素ガス生成側のパイプ７０１及び酸素ガス生成側のパイプ７０２との間の水漏れを防ぐような構成を必要としない分、構成を簡素化することができる。
[変形例]
実施例２の変形例を図７に示す。図７に示した構成は、図６に示した構成に対して、酸素ガス生成側のパイプ７０２－２の側の構成、及び水素ガス生成側のパイプ７０１－２と酸素ガス生成側のパイプ７０２－２とを中間部７１０で連結する構成は同じであるが、水素ガス生成側のパイプ７０１－２の内部の構成が異なる。
すなわち、本変形例においては、水素ガス生成側のパイプ７０１－２の内部において、図６の助触媒(水素用)６０２をなくして代わりにＰｔなどで形成された対向電極６０６を設け、対向電極６０６と光触媒６０１および基板６０４との間にイオン交換膜６０７を設置する構成とした。
イオン交換膜６０７は、対イオンを透過する性質を有するものである。水素ガス生成側のパイプ７０１－２と酸素ガス生成側のパイプ７０２－２との間をこのイオン交換膜６０７で仕切ることにより、水素ガス生成側のパイプ７０１－２と酸素ガス生成側のパイプ７０２－２とにおいて、酸素と水素を分離して生成することができる。
本変形例によれば、実施例２で説明した効果に加えて、光触媒６０１の一方の端部の側（図７に示した構成では、酸素ガス生成側のパイプ７０２－２の側）だけに助触媒(図７の例では助触媒(酸素用)６０３)を形成すればよいので、図６に示したような光触媒６０１の両方の端部にそれぞれ光触媒を形成する構成と比べて作業工数が低減されて作り方が簡単になる。
さらに、光触媒６０１と組み合わせる助触媒が図６の場合の２種類から１種類に減ることで、光触媒６０１と助触媒との材料の選択が容易になる。
本発明の第３の実施例を、図８乃至１１を用いて説明する。
実施例１および２においては、波長分離フィルタ３０１で反射された可視光と紫外光を紫外光変換部５０１に入射させて、可視光を反射して紫外光を蛍光に変換する構成であった。これに対して、本実施例では、紫外光の波長変換を行わず、波長分離板を用いて波長に応じた回折光を発生させる構成とした。
図８には、本実施例に係る水素製造装置３０の平面図、図９には、図８におけるＥ-Ｅ´断面の矢視図を示す。
本実施例に係る水素製造装置３０の構成は、レンズＡ：１０１に入射して反射鏡２０１で反射された太陽光のうち、波長分離フィルタ３０１で分離された可視光から紫外光領域の波長を有する光の処理が実施例1及び２で説明した構成と異なる。
一方、レンズＡ：１０１に入射して反射鏡２０１で反射された太陽光のうち、波長分離フィルタ３０１を透過した赤外光が入射した赤外光変換部４０１から発生した可視光がレンズＢ：４０２を介して光触媒６０１に照射する光学系の構成は、実施例１で説明した水素製造装置１０の構成と同じであるので、説明を省略する。
図９に示した構成において、波長分離フィルタ３０１で反射された可視光から紫外光領域の波長を有する光は回折角度で波長分離部(モノクロメータ)５０２に入射する。
図９において点線Ｆで囲んだ部分の拡大図を図１０に示す。波長分離フィルタ３０１で反射した可視光から紫外光領域の波長を有する光は、波長分離部(モノクロメータ)５０２に入射し、波長に応じた回折角度で波長分離部(モノクロメータ)５０２から出射して光触媒６０１－１の表面に入射する。ここで、波長分離部(モノクロメータ)５０２は、波長分離フィルタ３０１から入射した光により発生した回折光が光触媒６０１－１の表面の方向に進むように、波長分離フィルタ３０１と光触媒６０１－１の表面に対する角度が調整されている。
波長分離部(モノクロメータ)５０２で発生した回折光は、波長に応じて波長分離部(モノクロメータ)５０２からの出射角度が変わり、図１０の例では光触媒６０１－１の上側には比較的短い波長の光（紫外光）が入射し、光触媒６０１－１の下側には比較的長い波長の光(可視光)が入射する。
ここで、光触媒６０１－１は、実施例1及び２で説明した光触媒６０１と同様に、可視光に対して感度を有する材料で形成されており、その一部には、図１０の右側に拡大して表示したように、上側の比較的短い波長の光(紫外光)が入射する部分には紫外光を可視光に変換する材料で構成された波長変換層５０３が形成されている。波長変換層５０３に入射した紫外光は可視光に変換されて、波長変換層５０３の下の光触媒６０１－１に達する。一方、比較的長い波長の光(可視光)は、下側の可視光に対して感度を有する材料で形成されている部分に入射する。
このように波長に応じて光触媒６０１－１に入射する位置が異なるように構成して、光触媒６０１－１の表面のうち紫外光が入射する部分に波長変換層５０３を形成することにより、レンズＡ：１０１に入射した太陽光のうち紫外光は波長変換をすることなく可視光と共に光触媒６０１－１に照射されるので、レンズＡ：１０１に入射した太陽光のうち光触媒６０１－１に照射される光量の低減を抑えることができる。
なお、図１０の波長変換層５０３を形成した部分に、波長変換層５０３に替えて、紫外光感度光触媒の層を形成して、当該部分に入射した紫外光により直接光触媒反応を発生させるようにしてもよい。
[変形例１]
実施例３の第１の変形例として、図１０に示した光触媒６０１－１の波長変換層５０３を、紫外光に対して感度を有する材料に置き換えた例について説明する。
図１０の右側に拡大して表示した光触媒６０１－１の構成において、紫外光が入射する波長変換層５０３の部分を、紫外光に対して感度を有する材料で形成された光触媒に置き換えることにより、波長分離部(モノクロメータ)５０２で回折して光触媒６０１－１の上側の部分に入射した紫外光を波長変換することなくそのまま検出することができる。一方、下側の比較的長い波長の光(可視光)が入射する部分は、実施例３で説明した光触媒６０１と同様に、可視光に対して感度を有する材料で形成されている。
このように、光触媒６０１－１の表面を、入射する光の波長に応じた感度を有する材料で構成することにより、レンズＡ：１０１に入射した太陽光のうち紫外光は波長変換をすることなく可視光と共に光触媒６０１－１に照射されるので、レンズＡ：１０１に入射した太陽光のうち光触媒６０１－１に照射される光量の低減を抑えることができる。
［変形例２］
実施例３の第２の変形例として、本変形例に係る水素製造装置４０の平面図を、図１１に示す。
本変形例に係る水素製造装置４０は、図１１のＧ-Ｇ´断面に対応する実施例３の図９における光触媒６０１－１及びその周辺の構成を、実施例２で図６を用いて説明したのと同様に、水素ガス生成側のパイプ７０１－１と酸素ガス生成側のパイプ７０２－１とを中間部７１０で連結して、光触媒６０１－１全体を水の中に入れる構成としたものである。
本変形例によれば、光触媒６０１全体を水の中に入れる構成なので、実施例３の構成のような光触媒６０１－１と水素ガス生成側のパイプ７０１及び酸素ガス生成側のパイプ７０２との間の水漏れを防ぐための構成を必要としない分、構成を簡素化することができる。
また、実施例２の変形例として図7を用いて説明したような構成としてもよい。
この図７に示したような構成とすることにより、図９に示したような光触媒６０１－１の両方の端部にそれぞれ助触媒６０２と６０３とを形成する構成と比べて作業工数が低減されて作り方が簡単になる。
さらに、光触媒６０１－１と組み合わせる助触媒が図６の場合の２種類から図７に示したように１種類に減ることで、光触媒６０１－１と助触媒との材料の選択が容易になる。
本発明の第４の実施例を、図１２～図１４を用いて説明する。
本実施例は、赤外光変換部４０１から出射した可視光を光ファイバを用いて光触媒６０１に照射するように構成した点において、実施例1乃至３で説明した構成と異なる。
図１２には、本実施例に係る水素製造装置５０の平面図、図１３には、図１２におけるＨ-Ｈ´断面の矢視図を示す。
図１２及び図１３に示した水素製造装置５０の構成において、レンズＡ：１０１に入射して反射鏡２０１で反射された太陽光のうち、波長分離フィルタ３０１で分離された可視光から紫外光領域の波長を有する光を紫外光変換部５０１に入射させて紫外光変換部５０１から出射した可視光を光触媒６０１に照射する光学系の構成、及びレンズＡ：１０１に入射して反射鏡２０１で反射された太陽光のうち、波長分離フィルタ３０１を透過した赤外光を赤外光変換部４０１からレンズＢ：４０２に入射させるまでの光学系は実施例１で説明した水素製造装置１０の構成と同じであるので、説明を省略する。
本実施例に係る水素製造装置５０は、図１２に示すように、赤外光変換部４０１に対するレンズＢ：４０２の位置関係が実施例１乃至３の構成と異なり、レンズＢ：４０２を挟んで赤外光変換部４０１と反対側に光ファイバ４０４の先端部分４０３が配置されている。
図１３の断面図に示すように、本実施例に係る水素製造装置５０では、レンズＢ：４０２と光触媒６０１との間に、光ファイバ４０４が配置されている。このような構成において、図１３の点線Ｉで囲んだ部分を拡大して表示した図１４に示すように、波長分離フィルタ３０１を透過して赤外光変換部４０１に入射した赤外光により赤外光変換部４０１で発生した可視光はレンズＢ：４０２に入射し、レンズＢ：４０２から出射した可視光は光ファイバ４０４の先端部分４０３に集光される。この先端部分４０３に集光された光は光ファイバ４０４を伝って反対側の端部から光触媒６０１の側に出射される。実際には、光ファイバ４０４は図１３に示すように途中で分岐してもう一方の光触媒６０１の側にも出射するが、図１４においては、その表示を省略している。
本実施例によれば、光ファイバ４０４を用いて可視光を光触媒６０１に照射する構成とすることにより、レンズＢ：４０２と光触媒６０１との間の構造物の影響を受けることなく光路を設定することができ、赤外光変換部４０１で発生した可視光を確実に光触媒６０１に照射することができる。
なお、本実施例においても、水素ガス生成側のパイプ７０１と酸素ガス生成側のパイプ７０２とを、実施例２で図６を用いて説明したような、水素ガス生成側のパイプ７０１－１と酸素ガス生成側のパイプ７０２－１とを中間部７１０で連結して、光触媒６０１全体を水の中に入る構成、又は実施例２の変形例で説明したように図７に示したような構成としてもよい。
また、紫外光変換部５０１を、実施例３で説明したような波長分離部(モノクロメータ)５０２と置き換えて、図１０で説明したような、光触媒６０１－１の一部に波長変換層５０３を形成した構成と組み合わせてもよい。
本発明の第５の実施例を、図１５と図１６を用いて説明する。
図１５は本実施例に係る水素製造装置６０の平面図、図１６は図１５におけるＪ-Ｊ´断面の矢視図である。
本実施例に係る水素製造装置６０は、レンズＡ:１０１を用いている点で実施例1で説明した水素製造装置１０と共通しているが、レンズＡ:１０１を出射した光の経路は、実施例1で説明した水素製造装置１０と異なっている。
本実施例に係る水素製造装置６０は、波長分離機構(モノクロメータ型)２０２，レンズＣ(赤外光)３０２，レンズＤ(可視光)３０３、レンズＥ(紫外光)３０４、赤外光変換部４０１，集光鏡Ｂ：４０６，紫外光変換部５０４，集光鏡Ｄ：５０５，光触媒６０１，助触媒(水素用)６０２，助触媒(酸素用)６０３，基板６０４，水素ガス生成側のパイプ７０１、酸素ガス生成側のパイプ７０２とを備えている。
水素ガス生成側のパイプ７０１と酸素ガス生成側のパイプ７０２とは、図１で説明した実施例1の水素製造装置１０と同様に、水・ガス分離機構部７０３に接続して、水素ガスと酸素ガスとが取り出される。
図１５と図１６に示した構成において、レンズＡ:１０１に入射した太陽光は、波長分離機構２０２に集光して照射される。波長分離機構２０２に集光して照射された太陽光は、波長分離機構２０２で波長に応じた角度で出射する。図１６に示した構成においては、波長が長い赤外光はレンズＣ(赤外光)３０２の方向に出射し、可視光はレンズＤ(可視光)３０３の方向に出射し、紫外光はレンズＥ(紫外光)３０４の方向に出射する。
レンズＣ(赤外光)３０２に入射した赤外光は、赤外光変換部４０１の方向に出射して収束され、赤外光変換部４０１に入射する。赤外光が入射することにより赤外光変換部４０１からは可視光が発生し、この発生した可視光は集光鏡Ｂ：４０６の方向に出射して集光鏡Ｂ：４０６により光触媒６０１の表面に集光して照射される。
レンズＤ(可視光)３０３に入射した可視光は、光触媒６０１の方向に出射して収束され、光触媒６０１に入射する。
レンズＥ(紫外光)３０４に入射した紫外光は、紫外光変換部５０４の方向に出射して収束され、紫外光変換部５０４に入射する。紫外光が入射することにより紫外光変換部５０４からは可視光が発生し、この発生した可視光は集光鏡Ｄ：５０５の方向に出射して集光鏡Ｄ：５０５により光触媒６０１の表面に集光して照射される。
可視光が照射された光触媒６０１とその両端部に形成された助触媒(水素用)６０２と助触媒(酸素用)６０３では、水素ガス生成側のパイプ７０１の内部において水が分解されて水素ガスが発生し、酸素ガス生成側のパイプ７０２の内部において水が分解されて酸素ガスが発生する。
水素ガス生成側のパイプ７０１の内部で発生した水素ガスは、水と一緒に流れて実施例1で図1を用いて説明した水・ガス分離機構部７０３において水から水素ガスが分離され、水素ガスが回収される。一方、酸素ガス生成側のパイプ７０２の内部で発生した酸素ガスは、水と一緒に流れて水・ガス分離機構部７０３において水から酸素ガスが分離され、酸素ガスが回収される。
本実施例によれば、水素製造装置１０に入射する太陽光のうち、光触媒を活性化させることができず水素ガスの生成に寄与しない赤外光と紫外光の成分をそれぞれ可視光に変換して用いることにより、水素製造装置１０における太陽光の利用効率を向上させることができるようになった。
なお、本実施例においても、水素ガス生成側のパイプ７０１と酸素ガス生成側のパイプ７０２とを、実施例２で図６を用いて説明したような、水素ガス生成側のパイプ７０１－１と酸素ガス生成側のパイプ７０２－１とを中間部７１０で連結して、光触媒６０１全体を水の中に入る構成、又は実施例２の変形例で説明したように図７に示したような構成としてもよい。
また、紫外光変換部５０４を、実施例３で説明したような波長分離部(モノクロメータ)５０２と置き換えて、集光鏡Ｄ：５０５により光触媒６０１の表面の紫外光に感度を有する紫外光感度光触媒が塗布された領域に集光して照射し、図１０で説明したような、光触媒６０１の一部に波長変換層５０３を形成した構成と組み合わせてもよい。
また、紫外光変換部５０４に替えて紫外光を反射する反射鏡を用い、集光鏡Ｄ：５０５により光触媒６０１の表面の紫外光に感度を有する紫外光感度光触媒が塗布された領域に集光して照射する、実施例３の変形例1で説明したのと類似した構成としてもよい。
なお、上記した実施例においては、水素ガス生成側のパイプ７０１又は７０１－１と酸素ガス生成側のパイプ７０２又は７０２－１の内部に水を流して水素ガスと酸素ガスを生成する例を説明したが、水に替えてアンモニア（ＮＨ３）と水を混合した液体を流してもよい。このような混合液を用いた場合、水・ガス分離機構部７０３において、水素ガスと窒素ガスを分離回収することができる。
また、水に替えて水と二酸化炭素を混合した液体を流すことにより、水・ガス分離機構部７０３において、水素ガスが回収され、又液体としてギ酸を回収することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０、２０，３０，４０，５０、６０ 水素製造装置
１０１ レンズＡ
２０１ 反射鏡
２０２ 波長分離機構
３０１ 波長分離フィルタ
３０２ レンズＣ(赤外光)
３０３ レンズＤ(可視光)
３０４ レンズＥ(紫外光)
４０１ 赤外光変換部
４０２ レンズＢ
４０４ 光ファイバ
４０６ 集光鏡Ｂ
５０１、５０４ 紫外光変換部
５０３ 波長変換層
５０２ 波長分離部(モノクロメータ)
５０５ 集光鏡Ｄ
６０１ 光触媒
６０２ 助触媒(水素用)
６０３ 助触媒(酸素用)
７０１、７０１－１ 水素ガス生成側のパイプ
７０２、７０２－１ 酸素ガス生成側のパイプ
７０３ 水・ガス分離機構部
７１０ 中間部

Claims (15)

  1. 光触媒を有し、水から水素を生成する水素製造装置において、
    太陽光を波長分離する波長分離部と、
    前記波長分離部にて分離された赤外光を可視光に変換する赤外光変換部と、
    前記波長分離部にて分離された紫外光を可視光に変換する紫外光変換部と、
    を有することを特徴とする水素製造装置。
  2. 請求項1記載の水素製造装置であって、
    前記波長分離部は、前記太陽光のうち赤外光を透過し、可視光と紫外光とを反射することを特徴とする水素製造装置。
  3. 請求項２記載の水素製造装置であって、
    前記紫外光変換部は、前記波長分離部で反射された前記可視光と前記紫外光のうち前記可視光を反射して前記紫外光を可視光に波長変換して出射させることを特徴とする水素製造装置。
  4. 請求項２記載の水素製造装置であって、
    前記紫外光変換部は、前記波長分離部で反射された前記可視光と前記紫外光との波長を分離して出射させることを特徴とする水素製造装置。
  5. 請求項1記載の水素製造装置であって、
    前記波長分離部は前記太陽光の波長を赤外光と可視光と紫外光とに分離することを特徴とする水素製造装置。
  6. 光を照射することにより水から水素ガスを生成する光触媒と、
    内部に水を流すパイプと、
    太陽光を波長分離する波長分離部と、
    前記波長分離部で太陽光を波長分離して得られた可視光を前記光触媒に集光して照射する第1の光学系と、
    前記波長分離部で太陽光を波長分離して得られた紫外光を可視光に変換して前記光触媒に集光して照射する第２の光学系と、
    前記波長分離部で太陽光を波長分離して得られた赤外光を可視光に変換して前記光触媒に集光して照射する第３の光学系と
    を有することを特徴とする水素製造装置。
  7. 請求項６記載の水素製造装置であって、
    内部に水を流す第1のパイプと内部に水を流す第２のパイプを更に有し、前記光触媒の一部には水素ガス用の助触媒が形成されており、前記光触媒の他の部分には酸素ガス用の助触媒が形成されており、前記水素ガス用の助触媒が形成された側の前記光触媒は前記第1のパイプの内部に配置され、前記酸素ガス用の助触媒が形成された側の前記光触媒は前記第２のパイプの内部に配置されていることを特徴とする水素製造装置。
  8. 請求項６記載の水素製造装置であって、
    前記光触媒は前記パイプの内部に配置されていることを特徴とする水素製造装置。
  9. 請求項８記載の水素製造装置であって、
    前記パイプの内部に配置された前記光触媒の一部には水素ガス用の助触媒が形成されており、前記光触媒の他の部分には酸素ガス用の助触媒が形成されていることを特徴とする水素製造装置。
  10. 請求項８記載の水素製造装置であって、
    前記パイプの内部に配置された前記光触媒の一部には水素ガス用の助触媒が形成され、前記パイプの内部で前記光触媒と離れた位置に対向電極が配置され、前記パイプの内部において前記光触媒と前記対向電極との間はイオン交換膜で仕切られていることを特徴とする水素製造装置。
  11. 可視光を照射することにより水の中で水素ガスを生成する光触媒と、
    太陽光に含まれる可視光と前記太陽光の前記可視光以外の光から生成した可視光とを前記光触媒に照射する光照射部と、
    前記光照射部から前記太陽光に含まれる可視光と前記生成した可視光とが照射された前記光触媒で発生した水素ガスを前記水から分離する水・ガス分離機構部と
    を備えることを特徴とする水素製造装置。
  12. 請求項１１記載の水素製造装置であって、
    前記光照射部は、
    波長分離部で前期太陽光を波長分離して得られた可視光を前記光触媒に集光して照射する第1の光学系と、
    前記波長分離部で前記太陽光を波長分離して得られた紫外光を紫外光変換部で可視光に変換して前記光触媒に集光して照射する第２の光学系と、
    前記波長分離部で前記太陽光を波長分離して得られた赤外光を赤外光変換部で可視光に変換して前記光触媒に集光して照射する第３の光学系と
    を有することを特徴とする水素製造装置。
  13. 請求項１２記載の水素製造装置であって、
    内部に水を流す第1のパイプと内部に水を流す第２のパイプを更に有し、前記光触媒の一部には水素ガス用の助触媒が形成され、前記光触媒の他の部分には酸素ガス用の助触媒が形成されており、前記水素ガス用の助触媒が形成された側の前記光触媒は前記第1のパイプの内部に配置され、前記酸素ガス用の助触媒が形成された側の前記光触媒は前記第２のパイプの内部に配置されていることを特徴とする水素製造装置。
  14. 請求項１２記載の水素製造装置であって、
    内部に水を流すパイプを更に有し、前記光触媒は前記パイプの内部に配置され、前記パイプの内部に配置された前記光触媒の一部には水素ガス用の助触媒が形成されており、前記光触媒の他の部分には酸素ガス用の助触媒が形成されていることを特徴とする水素製造装置。
  15. 請求項１２記載の水素製造装置であって、
    内部に水を流すパイプを更に有し、前記光触媒は前記パイプの内部に配置され、前記パイプの内部に配置された前記光触媒の一部には水素ガス用の助触媒が形成され、前記パイプの内部で前記光触媒と離れた位置に対向電極が配置され、前記パイプの内部において前記光触媒と前記対向電極との間はイオン交換膜で仕切られていることを特徴とする水素製造装置。
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