JP3233842B2 - 水素製造方法及びその装置 - Google Patents
水素製造方法及びその装置Info
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- JP3233842B2 JP3233842B2 JP30000195A JP30000195A JP3233842B2 JP 3233842 B2 JP3233842 B2 JP 3233842B2 JP 30000195 A JP30000195 A JP 30000195A JP 30000195 A JP30000195 A JP 30000195A JP 3233842 B2 JP3233842 B2 JP 3233842B2
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- water
- photocatalyst
- scintillator
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- 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
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子力発電所の使
用済み核燃料等のγ・Ｘ線放出源を利用して、水から水
素を製造する水素製造方法及びその装置に関する。
用済み核燃料等のγ・Ｘ線放出源を利用して、水から水
素を製造する水素製造方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】原子力発電所の使用済み核燃料は原子炉
停止後大量の放射能を有し発熱しているため、原子力発
電所内のプールに保管されている。その間、γ線やＸ線
等を放出しているが、現状ではこれらのエネルギーは利
用されていない。
停止後大量の放射能を有し発熱しているため、原子力発
電所内のプールに保管されている。その間、γ線やＸ線
等を放出しているが、現状ではこれらのエネルギーは利
用されていない。
【０００３】従来、水素の製造法としては、水蒸気改質
法や部分酸化法等の天然ガス・ＬＰＧ・重質油・石炭等
の化石燃料を用いた方法が実用化されている。また、電
力を用いて水を電気分解する方法があるが、化石燃料を
用いた物に比べ効率が悪く、固体高分子電解質水電解法
など新しい方法が研究されている。また、高温廃熱を用
いて水を分解する熱化学法や太陽エネルギーを用いた方
法などが研究されているが、実用化には至っていない。
従って、従来の技術として、本発明のように使用済み核
燃料と水から水素を製造する方法は全く存在しない。
法や部分酸化法等の天然ガス・ＬＰＧ・重質油・石炭等
の化石燃料を用いた方法が実用化されている。また、電
力を用いて水を電気分解する方法があるが、化石燃料を
用いた物に比べ効率が悪く、固体高分子電解質水電解法
など新しい方法が研究されている。また、高温廃熱を用
いて水を分解する熱化学法や太陽エネルギーを用いた方
法などが研究されているが、実用化には至っていない。
従って、従来の技術として、本発明のように使用済み核
燃料と水から水素を製造する方法は全く存在しない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一定期間原子力発電で
利用された核燃料は、原子炉内から取り出され、使用済
み核燃料として、保管されているだけで、現在利用され
ていない。そこで、本特許は、このエネルギーの有効活
用を図ることを狙ったものである。
利用された核燃料は、原子炉内から取り出され、使用済
み核燃料として、保管されているだけで、現在利用され
ていない。そこで、本特許は、このエネルギーの有効活
用を図ることを狙ったものである。
【０００５】本発明はこうした事情を考慮してなされた
もので、現在利用されていない使用済み核燃料にシンチ
レータや光触媒あるいは光触媒電極を組み合わせて、核
燃料から水素を製造する水素製造方法及びその装置を提
供することを目的とする。
もので、現在利用されていない使用済み核燃料にシンチ
レータや光触媒あるいは光触媒電極を組み合わせて、核
燃料から水素を製造する水素製造方法及びその装置を提
供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、使用済み
核燃料から放射される光エネルギーのγ線やＸ線は、シ
ンチレータによって、紫外光に変換されることに着目
し、この紫外光を利用すれば光触媒により、水を分解し
水素を製造できること、即ち使用済み核燃料として放置
されている高エネルギーのγ線やＸ線を利用して、水素
という貯蔵可能な化学エネルギーに変換できることを見
いだし、本発明に至った。図中の１は、上部が開口され
た耐圧構造の筐体を示す。この筐体１の上部開口部に
は、平板２が取り付けられる。この平板２の裏面（下
面）側には、上下面に電極３ａ，３ｂが取り付けられた
圧電体４が貼り付けられている。ここで、圧電体４に電
線５を介して交流電圧を印加すると、圧電体４には伸縮
歪（Ｌ）が発生し、平板２の振動（Ｖ）を励起し、流体
６中に音波Ｐが送波される。
核燃料から放射される光エネルギーのγ線やＸ線は、シ
ンチレータによって、紫外光に変換されることに着目
し、この紫外光を利用すれば光触媒により、水を分解し
水素を製造できること、即ち使用済み核燃料として放置
されている高エネルギーのγ線やＸ線を利用して、水素
という貯蔵可能な化学エネルギーに変換できることを見
いだし、本発明に至った。図中の１は、上部が開口され
た耐圧構造の筐体を示す。この筐体１の上部開口部に
は、平板２が取り付けられる。この平板２の裏面（下
面）側には、上下面に電極３ａ，３ｂが取り付けられた
圧電体４が貼り付けられている。ここで、圧電体４に電
線５を介して交流電圧を印加すると、圧電体４には伸縮
歪（Ｌ）が発生し、平板２の振動（Ｖ）を励起し、流体
６中に音波Ｐが送波される。
【０００７】本願第１の発明は、原子力発電所の使用済
み核燃料等のγ・Ｘ線放射源をエネルギー源として、こ
のエネルギー源から放射されるγ・Ｘ線により紫外光を
放射させる機能を有するシンチレータと、このシンチレ
ータから放射される紫外光を受けて、水を水素と酸素に
分解できる機能を有する光触媒又は光触媒電極とを組み
合わせることで、水から水素を発生させることを特徴と
する水素製造方法である。
み核燃料等のγ・Ｘ線放射源をエネルギー源として、こ
のエネルギー源から放射されるγ・Ｘ線により紫外光を
放射させる機能を有するシンチレータと、このシンチレ
ータから放射される紫外光を受けて、水を水素と酸素に
分解できる機能を有する光触媒又は光触媒電極とを組み
合わせることで、水から水素を発生させることを特徴と
する水素製造方法である。
【０００８】本願第２の発明は、γ・Ｘ線放出源と、前
記γ・Ｘ線放出源から放射されるγ・Ｘ線を受けて紫外
線を放射させる機能を有するシンチレータと、前記シン
チレータを収容する、紫外光を透過する材質からなる保
護容器と、前記シンチレータから放射される紫外光を受
けて水を水素と酸素に分解する機能を有する光触媒又は
光触媒電極と、前記光触媒又は光触媒電極を覆い水素を
製造するための原料となる水と、前記光触媒又は光触媒
電極から発生する水素を回収する機能を有した水素回収
装置と、水素と同時に発生する酸素を除去する酸素除去
装置と、水分解によって減少する前記水を補給する水補
給装置と、前記水を収容する水収容容器とを具備するこ
とを特徴とする水素製造装置である。
記γ・Ｘ線放出源から放射されるγ・Ｘ線を受けて紫外
線を放射させる機能を有するシンチレータと、前記シン
チレータを収容する、紫外光を透過する材質からなる保
護容器と、前記シンチレータから放射される紫外光を受
けて水を水素と酸素に分解する機能を有する光触媒又は
光触媒電極と、前記光触媒又は光触媒電極を覆い水素を
製造するための原料となる水と、前記光触媒又は光触媒
電極から発生する水素を回収する機能を有した水素回収
装置と、水素と同時に発生する酸素を除去する酸素除去
装置と、水分解によって減少する前記水を補給する水補
給装置と、前記水を収容する水収容容器とを具備するこ
とを特徴とする水素製造装置である。
【０００９】使用済み核燃料の放射能はβ崩壊とγ崩壊
によるもののエネルギーがほぼ等しく、文献１（「原子
炉化学］、内藤けいじ著、東京大学出版会、1978年）に
よると、１００万ｋＷ程度の原子力発電所の使用済み核
燃料で、数百メガキューリーに達する。なお、γ・Ｘ線
放出源としては、使用済み核燃料以外にも、軽水炉、増
殖炉等の原子炉そのものでもよい。この場合、貯蔵可能
な水素を製造することにより、電力需要の負荷変動に対
応可能な燃料を生産するシステムとしうる。
によるもののエネルギーがほぼ等しく、文献１（「原子
炉化学］、内藤けいじ著、東京大学出版会、1978年）に
よると、１００万ｋＷ程度の原子力発電所の使用済み核
燃料で、数百メガキューリーに達する。なお、γ・Ｘ線
放出源としては、使用済み核燃料以外にも、軽水炉、増
殖炉等の原子炉そのものでもよい。この場合、貯蔵可能
な水素を製造することにより、電力需要の負荷変動に対
応可能な燃料を生産するシステムとしうる。
【００１０】また、シンチレータとは、放射線が通過し
た際に蛍光を発生する物質のことをいう。一般にシンチ
レータとしては、アルカリハライド結晶に微量の活性化
不純物を含ませたものが多く、例えばＮａＩ（ＴＩ）の
場合、ＮａＩ（ヨウ化ナトリウム）の結晶にＴＩ（タリ
ウム）が微量に入っている。シンチレータの種類として
は、ＮａＩ（ＴＩ）、Ｂｉ4 Ｇｅ3 Ｏ12、Ｂｉ4 Ｓｉ3
Ｏ12、ＣｄＷＯ4 、ＣｓＦ、ＢａＦ2 、ＬｉＩ（Ｅ
ｕ）、ＣｓＩ（ＴＩ）、ＣｓＩ（Ｎａ）、ＣａＦ2（Ｅ
ｕ）、ＣａＷＯ4 、ＺｎＳ（Ａｇ）、ＺｎＯ（Ｇａ）、
ＮａＩ、ＣｓＩ、ＮＥ４２２＆４２６、ＮＥ９０１、Ｎ
Ｅ９０２、ＮＥ９０３、ＮＥ９０４、ＮＥ９０５、ＮＥ
９０６、ＮＥ９０７、ＮＥ９０８、ＮＥ９１２、ＮＥ９
１３（ＮＥはＮuclear Ｅnterprises Ｉnc. の商品
名）等の無機シンチレータや、アントラセン、スチルベ
ン等の有機シンチレータが挙げられる。
た際に蛍光を発生する物質のことをいう。一般にシンチ
レータとしては、アルカリハライド結晶に微量の活性化
不純物を含ませたものが多く、例えばＮａＩ（ＴＩ）の
場合、ＮａＩ（ヨウ化ナトリウム）の結晶にＴＩ（タリ
ウム）が微量に入っている。シンチレータの種類として
は、ＮａＩ（ＴＩ）、Ｂｉ4 Ｇｅ3 Ｏ12、Ｂｉ4 Ｓｉ3
Ｏ12、ＣｄＷＯ4 、ＣｓＦ、ＢａＦ2 、ＬｉＩ（Ｅ
ｕ）、ＣｓＩ（ＴＩ）、ＣｓＩ（Ｎａ）、ＣａＦ2（Ｅ
ｕ）、ＣａＷＯ4 、ＺｎＳ（Ａｇ）、ＺｎＯ（Ｇａ）、
ＮａＩ、ＣｓＩ、ＮＥ４２２＆４２６、ＮＥ９０１、Ｎ
Ｅ９０２、ＮＥ９０３、ＮＥ９０４、ＮＥ９０５、ＮＥ
９０６、ＮＥ９０７、ＮＥ９０８、ＮＥ９１２、ＮＥ９
１３（ＮＥはＮuclear Ｅnterprises Ｉnc. の商品
名）等の無機シンチレータや、アントラセン、スチルベ
ン等の有機シンチレータが挙げられる。
【００１１】図２に無機シンチレータの動作原理を示
す。結晶内の電子のエネルギー状態は図のようになり、
価電子帯に電子が入っているが、伝導帯には電子が入っ
ていない。このような結晶にγ線やＸ線等の電離性放射
線が入射すると、結晶の価電子帯の電子がエネルギーを
受け取って伝導帯に移動し、同時に価電子帯には正孔が
形成される。また、伝導帯までのエネルギーを得られな
かった電子は励起子帯に移動し、正孔と静電的に結合し
て励起子を形成する。これらの、伝導帯の電子、価電子
帯の正孔、励起子は結晶内を自由に移動する。
す。結晶内の電子のエネルギー状態は図のようになり、
価電子帯に電子が入っているが、伝導帯には電子が入っ
ていない。このような結晶にγ線やＸ線等の電離性放射
線が入射すると、結晶の価電子帯の電子がエネルギーを
受け取って伝導帯に移動し、同時に価電子帯には正孔が
形成される。また、伝導帯までのエネルギーを得られな
かった電子は励起子帯に移動し、正孔と静電的に結合し
て励起子を形成する。これらの、伝導帯の電子、価電子
帯の正孔、励起子は結晶内を自由に移動する。
【００１２】結晶内に入れられた活性化不純物は結晶格
子中に不純物中心を生成し、図のように伝導帯と価電子
帯の間の禁制帯内にそのエネルギー準位がつくられてい
る。放射線の入射で伝導体の電子、価電子帯の正孔、励
起子が生成され、結晶内を移動すると、不純物はこれら
からエネルギーを受け取り、励起状態になる。その後、
光子が１０-8秒程度で放出され、基底状態に戻る。
子中に不純物中心を生成し、図のように伝導帯と価電子
帯の間の禁制帯内にそのエネルギー準位がつくられてい
る。放射線の入射で伝導体の電子、価電子帯の正孔、励
起子が生成され、結晶内を移動すると、不純物はこれら
からエネルギーを受け取り、励起状態になる。その後、
光子が１０-8秒程度で放出され、基底状態に戻る。
【００１３】以上がシンチレータの動作原理であるが、
この様にシンチレータにγ・Ｘ線を照射すると光子が発
生することが明らかになった。この発生する光子の光量
と波長であるが、文献２（「放射線計測概論」、関口晃
著、東京大学出版会、1979年）によると、ＮａＩ（Ｔ
Ｉ）の場合、入射エネルギーの約１２％が発光エネルギ
ーになっている。また、発生する光の波長は図３（同文
献２より引用）に示す通り、紫外光が中心でＮａＩ（Ｔ
Ｉ）の場合４１０ｎｍを中心とした光であることがわか
る。
この様にシンチレータにγ・Ｘ線を照射すると光子が発
生することが明らかになった。この発生する光子の光量
と波長であるが、文献２（「放射線計測概論」、関口晃
著、東京大学出版会、1979年）によると、ＮａＩ（Ｔ
Ｉ）の場合、入射エネルギーの約１２％が発光エネルギ
ーになっている。また、発生する光の波長は図３（同文
献２より引用）に示す通り、紫外光が中心でＮａＩ（Ｔ
Ｉ）の場合４１０ｎｍを中心とした光であることがわか
る。
【００１４】一方、水を分解し、水素と酸素を発生する
ことができる光触媒としては、例えばチタニア以外に、
ＳｒＴｉＯ3 、ＺｒＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｋ4 Ｎｂ6
Ｏ17、Ｎａ2 Ｔｉ6 Ｏ13、Ｋ2 Ｔｉ6 Ｏ13、ＢａＴｉ4
Ｏ9 が挙げられる。図４は、チタニアの原理図を示す。
チタニア（ＴｉＯ2 ）はｎ型半導体であり、半導体のバ
ンドギャップ（禁制帯の幅）以上のエネルギーを持つ波
長の光で励起すると、半導体内部に電子・正孔対が生成
される。この電子と正孔を表面に取り出し、水と反応さ
せれば酸化還元反応が進行し、水素と酸素が発生する。
チタニアの禁制帯の幅は３ｅＶなので、４１５ｎｍより
短波長の光で反応が起こる。
ことができる光触媒としては、例えばチタニア以外に、
ＳｒＴｉＯ3 、ＺｒＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｋ4 Ｎｂ6
Ｏ17、Ｎａ2 Ｔｉ6 Ｏ13、Ｋ2 Ｔｉ6 Ｏ13、ＢａＴｉ4
Ｏ9 が挙げられる。図４は、チタニアの原理図を示す。
チタニア（ＴｉＯ2 ）はｎ型半導体であり、半導体のバ
ンドギャップ（禁制帯の幅）以上のエネルギーを持つ波
長の光で励起すると、半導体内部に電子・正孔対が生成
される。この電子と正孔を表面に取り出し、水と反応さ
せれば酸化還元反応が進行し、水素と酸素が発生する。
チタニアの禁制帯の幅は３ｅＶなので、４１５ｎｍより
短波長の光で反応が起こる。
【００１５】図５に本発明の原理図を示す。使用済み核
燃料から放射されるγ・Ｘ線を、シンチレータにて紫外
光に変換し、その紫外光を利用して光触媒にて、水を分
解し水素を製造することを基本とする。以上から、γ・
Ｘ線放出源と適当な波長の紫外光を発生するシンチレー
タと水を分解できる光触媒を組み合わせると水を原料と
して水素と酸素を生成できることが解る。
燃料から放射されるγ・Ｘ線を、シンチレータにて紫外
光に変換し、その紫外光を利用して光触媒にて、水を分
解し水素を製造することを基本とする。以上から、γ・
Ｘ線放出源と適当な波長の紫外光を発生するシンチレー
タと水を分解できる光触媒を組み合わせると水を原料と
して水素と酸素を生成できることが解る。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照して説明する。 （実施例１）図１を参照する。図中の符番１は、水２を
収容する水収容容器である。前記水２には、水２を分解
する機能を有した光触媒３が分散されている。この水収
容容器１内には、内部にシンチレータ４を収容した石英
ガラス製の保護容器５が配置されている。前記シンチレ
ータ４は、後述のγ・Ｘ線放出源を覆うように配置し
た。前記シンチレータは、板状、又は円筒状、又は箱形
状とし、１個又は複数の結晶を張り合わせた物でも良
い。前記水収容容器１の内側上部には、γ・Ｘ線放出源
６を収容した燃料容器７が下端部が前記保護容器５の底
部付近まで達するように懸吊されている。前記γ・Ｘ線
放出源６としては、原子力発電所の使用済み核燃料を用
いた。
照して説明する。 （実施例１）図１を参照する。図中の符番１は、水２を
収容する水収容容器である。前記水２には、水２を分解
する機能を有した光触媒３が分散されている。この水収
容容器１内には、内部にシンチレータ４を収容した石英
ガラス製の保護容器５が配置されている。前記シンチレ
ータ４は、後述のγ・Ｘ線放出源を覆うように配置し
た。前記シンチレータは、板状、又は円筒状、又は箱形
状とし、１個又は複数の結晶を張り合わせた物でも良
い。前記水収容容器１の内側上部には、γ・Ｘ線放出源
６を収容した燃料容器７が下端部が前記保護容器５の底
部付近まで達するように懸吊されている。前記γ・Ｘ線
放出源６としては、原子力発電所の使用済み核燃料を用
いた。
【００１７】前記水収容容器１には、水分解の結果とし
て減少する水を補給する水供給装置８が接続されてい
る。前記水収容容器１には、水分解の結果発生した水素
と酸素とから水素を分離する機能を有した水素分離装置
９が接続されている。この水素分離装置９には、該水素
分離装置９によって生成された水素を回収する機能を有
する水素回収装置10が接続されている。前記水素分離装
置９には、水素を製造した結果同時に発生する酸素を装
置外に除去する機能を有した酸素除去装置11が接続され
ている。こうした構成の水素製造装置は１つ又は複数個
組み合わせて全体装置とする。
て減少する水を補給する水供給装置８が接続されてい
る。前記水収容容器１には、水分解の結果発生した水素
と酸素とから水素を分離する機能を有した水素分離装置
９が接続されている。この水素分離装置９には、該水素
分離装置９によって生成された水素を回収する機能を有
する水素回収装置10が接続されている。前記水素分離装
置９には、水素を製造した結果同時に発生する酸素を装
置外に除去する機能を有した酸素除去装置11が接続され
ている。こうした構成の水素製造装置は１つ又は複数個
組み合わせて全体装置とする。
【００１８】次に、本装置の機能について説明する。前
記γ・Ｘ線放出源６の放射能はβ崩壊とγ崩壊によるも
ののエネルギーがほぼ等しく、文献１（「原子炉化
学」、内藤けいじ著、東京大学出版会、1978年）による
と、１００万ｋＷ程度の原子力発電所の使用済み核燃料
で、数百メガキューリーに達する。ここでは、γ・Ｘ線
放出源６は、平均エネルギーが３００ＫｅＶ、放射能が
１００から１０００ＭＣｉ（メガキュリ）年、５００Ｍ
Ｃｉとして試算する。
記γ・Ｘ線放出源６の放射能はβ崩壊とγ崩壊によるも
ののエネルギーがほぼ等しく、文献１（「原子炉化
学」、内藤けいじ著、東京大学出版会、1978年）による
と、１００万ｋＷ程度の原子力発電所の使用済み核燃料
で、数百メガキューリーに達する。ここでは、γ・Ｘ線
放出源６は、平均エネルギーが３００ＫｅＶ、放射能が
１００から１０００ＭＣｉ（メガキュリ）年、５００Ｍ
Ｃｉとして試算する。
【００１９】γ・Ｘ線放出源６から放射されるγ・Ｘ線
は、その周りに配置されたシンチレータ４によって効率
よく紫外光に変換される。シンチレータ４としては、Ｎ
ａＩ（ＴＩ）シンチレータを用いた場合について試算す
る。ＮａＩ（ＴＩ）は潮解性があるため、容器に密封
し、発光する紫外光が透過できる石英ガラス製の保護容
器５で覆い配置する。ＮａＩ（ＴＩ）シンチレータのピ
ーク発光波長は図３に示したように４１０ｎｍであり、
ほぼ３ｅＶとなる。ＮａＩ（ＴＩ）シンチレータのエネ
ルギー変換効率は、先に述べたように１２％程度であ
り、使用済み燃料との幾何学的効率、γ線入射に伴って
光電効果が起こる確率はほぼ１．０と考えて良いため、
ここではエネルギー変換効率を１０％と仮定する。
は、その周りに配置されたシンチレータ４によって効率
よく紫外光に変換される。シンチレータ４としては、Ｎ
ａＩ（ＴＩ）シンチレータを用いた場合について試算す
る。ＮａＩ（ＴＩ）は潮解性があるため、容器に密封
し、発光する紫外光が透過できる石英ガラス製の保護容
器５で覆い配置する。ＮａＩ（ＴＩ）シンチレータのピ
ーク発光波長は図３に示したように４１０ｎｍであり、
ほぼ３ｅＶとなる。ＮａＩ（ＴＩ）シンチレータのエネ
ルギー変換効率は、先に述べたように１２％程度であ
り、使用済み燃料との幾何学的効率、γ線入射に伴って
光電効果が起こる確率はほぼ１．０と考えて良いため、
ここではエネルギー変換効率を１０％と仮定する。
【００２０】次に、光触媒３としてはチタニアＴｉＯ
2 、またはチタニアＴｉＯ2 に白金Ｐｔや酸化ルテニウ
ムＲｕＯ2 等を付加し、量子効率を向上させたものを使
用することとし、紫外光に対する量子効率を５％とす
る。光触媒３は上記実施例では水中に微粒子として分散
させた場合について述べたが、板状にして水中に設置し
ても良い。シンチレータ４で変換され放射される紫外光
は４１０ｎｍ程度、光触媒３が吸収し、水分解に寄与で
きる波長が４１５ｎｍより短波長の光であるため、シン
チレータ４から放射される紫外光は非常に効率良く光触
媒で吸収され、光触媒に接する水を水素と酸素とに分解
する反応に寄与する。
2 、またはチタニアＴｉＯ2 に白金Ｐｔや酸化ルテニウ
ムＲｕＯ2 等を付加し、量子効率を向上させたものを使
用することとし、紫外光に対する量子効率を５％とす
る。光触媒３は上記実施例では水中に微粒子として分散
させた場合について述べたが、板状にして水中に設置し
ても良い。シンチレータ４で変換され放射される紫外光
は４１０ｎｍ程度、光触媒３が吸収し、水分解に寄与で
きる波長が４１５ｎｍより短波長の光であるため、シン
チレータ４から放射される紫外光は非常に効率良く光触
媒で吸収され、光触媒に接する水を水素と酸素とに分解
する反応に寄与する。
【００２１】光触媒３で製造された水素と酸素とは、水
素分離装置９により分離生成され、後段に設置された水
素回収装置10により回収され、同時に発生する酸素は酸
素除去装置11により系外に除去される。また、水分解の
結果、減少する水は水供給装置８によって水位が一定に
なるように供給維持される。
素分離装置９により分離生成され、後段に設置された水
素回収装置10により回収され、同時に発生する酸素は酸
素除去装置11により系外に除去される。また、水分解の
結果、減少する水は水供給装置８によって水位が一定に
なるように供給維持される。
【００２２】実施例１に係る水素製造装置は、図１に示
すように、γ・Ｘ線放出源６と、このγ・Ｘ線放出源６
を収容した燃料容器７と、γ・Ｘ線放出源６を覆うよう
に配置されたシンチレータ４と、このシンチレータ４を
収容した石英ガラス製の保護容器５と、水２と、この水
２を収容する水収容容器１と、水２に分散され、水２を
分解する機能を有した光触媒３と、水分解の結果として
減少する水を水収容容器１へ補給する水供給装置８と、
水分解の結果発生した水素と酸素とから水素を分離する
機能を有した水素分離装置９と、この水素分離装置９に
よって生成された水素を回収する機能を有する水素回収
装置10と、水素を製造した結果同時に発生する酸素を装
置外に除去する機能を有した酸素除去装置11とを具備し
た構成となっている。
すように、γ・Ｘ線放出源６と、このγ・Ｘ線放出源６
を収容した燃料容器７と、γ・Ｘ線放出源６を覆うよう
に配置されたシンチレータ４と、このシンチレータ４を
収容した石英ガラス製の保護容器５と、水２と、この水
２を収容する水収容容器１と、水２に分散され、水２を
分解する機能を有した光触媒３と、水分解の結果として
減少する水を水収容容器１へ補給する水供給装置８と、
水分解の結果発生した水素と酸素とから水素を分離する
機能を有した水素分離装置９と、この水素分離装置９に
よって生成された水素を回収する機能を有する水素回収
装置10と、水素を製造した結果同時に発生する酸素を装
置外に除去する機能を有した酸素除去装置11とを具備し
た構成となっている。
【００２３】従って、実施例１によれば、使用済み核燃
料からのγ・Ｘ線をエネルギー源として、シンチレー
タ、光触媒の機能により水が分解され水素が常時一定レ
ベルで製造可能となる。本発明によって発生する水素の
量を上記の数値から計算する。放射能が５００ＭＣｉの
使用済み核燃料から放出されるγ・Ｘ線の数は、１．８
×１０19［１／sec ］となる。次に、ＮａＩ（ＴＩ）シ
ンチレータから放出される光子の数は、（３００ＫｅＶ
／３ｅＶ）×１．８×１０19［１／sec ］×０．１０
［シンチレータの変換効率］＝１．８×１０23［photon
／sec ］であるから、光触媒の量子効率を５％として、
１．８×１０23［photon／sec ］×０．０５［光触媒の
変換効率］×０．５［水素分子Ｈ2 とするため］＝４．
５×１０21［Ｈ2 ／sec ］の水素が発生する。これを一
日あたりの水素発生量に変換すると、６０×６０×２４
×４．５×１０21［Ｈ2 ／sec ］／６．０２×１０
23［アボガドロ数］×２２．４［リットル／モル］＝１
４［Ｋｌ／day ］となる。
料からのγ・Ｘ線をエネルギー源として、シンチレー
タ、光触媒の機能により水が分解され水素が常時一定レ
ベルで製造可能となる。本発明によって発生する水素の
量を上記の数値から計算する。放射能が５００ＭＣｉの
使用済み核燃料から放出されるγ・Ｘ線の数は、１．８
×１０19［１／sec ］となる。次に、ＮａＩ（ＴＩ）シ
ンチレータから放出される光子の数は、（３００ＫｅＶ
／３ｅＶ）×１．８×１０19［１／sec ］×０．１０
［シンチレータの変換効率］＝１．８×１０23［photon
／sec ］であるから、光触媒の量子効率を５％として、
１．８×１０23［photon／sec ］×０．０５［光触媒の
変換効率］×０．５［水素分子Ｈ2 とするため］＝４．
５×１０21［Ｈ2 ／sec ］の水素が発生する。これを一
日あたりの水素発生量に変換すると、６０×６０×２４
×４．５×１０21［Ｈ2 ／sec ］／６．０２×１０
23［アボガドロ数］×２２．４［リットル／モル］＝１
４［Ｋｌ／day ］となる。
【００２４】本特許の特徴は、使用済み核燃料から放射
されるγ・Ｘ線を、シンチレータと光触媒とを利用し
て、水分解し水素を製造することにある。光触媒を利用
して、水素を製造する方法としては、以下の形式でも同
等に本発明の機能を実現できる。
されるγ・Ｘ線を、シンチレータと光触媒とを利用し
て、水分解し水素を製造することにある。光触媒を利用
して、水素を製造する方法としては、以下の形式でも同
等に本発明の機能を実現できる。
【００２５】（実施例２）図６を参照する。但し、図１
と同部材は同符番を付して説明を省略する。図中の符番
61は、板状のＴｉＯ2 板62の外側にＰｔ層63をコーティ
ングしてなる光触媒電極である。この光触媒電極61は、
前記シンチレータ４を覆うように水収容容器１の上部内
壁に懸吊して設けられている。前記光触媒電極61の上部
は、水素と酸素とが発生する気相を分離する形に配置す
る。そして、ＴｉＯ2 板62側の気相部からは酸素除去装
置11の取り込み口、Ｐｔ層63側からの気相部からは水素
回収装置10の取り込み口を取り付ける。
と同部材は同符番を付して説明を省略する。図中の符番
61は、板状のＴｉＯ2 板62の外側にＰｔ層63をコーティ
ングしてなる光触媒電極である。この光触媒電極61は、
前記シンチレータ４を覆うように水収容容器１の上部内
壁に懸吊して設けられている。前記光触媒電極61の上部
は、水素と酸素とが発生する気相を分離する形に配置す
る。そして、ＴｉＯ2 板62側の気相部からは酸素除去装
置11の取り込み口、Ｐｔ層63側からの気相部からは水素
回収装置10の取り込み口を取り付ける。
【００２６】実施例２に係る水素製造装置は、図６に示
すように板状のＴｉＯ2 板62の外側にＰｔ層63をコーテ
ィングしてなる光触媒電極61を用いたことを主な特徴と
し、図１の装置と同様に、γ・Ｘ線放出源６から放射さ
れたγ・Ｘ線は、シンチレータ４により紫外光に変換さ
れる。その紫外光は、光触媒電極61のＴｉＯ2 板62面で
吸収され、水と反応を起こしＴｉＯ2 板62面からは酸素
が発生し、対極となるＰｔ層63面からは水素が発生す
る。本装置では、実施例１と比べて水素と酸素とを分離
して発生させることができるため、各々水素回収装置1
0、酸素除去装置11により処理され、減少した水は水供
給装置８により供給されることにより、水素が常時一定
レベルで製造可能である。
すように板状のＴｉＯ2 板62の外側にＰｔ層63をコーテ
ィングしてなる光触媒電極61を用いたことを主な特徴と
し、図１の装置と同様に、γ・Ｘ線放出源６から放射さ
れたγ・Ｘ線は、シンチレータ４により紫外光に変換さ
れる。その紫外光は、光触媒電極61のＴｉＯ2 板62面で
吸収され、水と反応を起こしＴｉＯ2 板62面からは酸素
が発生し、対極となるＰｔ層63面からは水素が発生す
る。本装置では、実施例１と比べて水素と酸素とを分離
して発生させることができるため、各々水素回収装置1
0、酸素除去装置11により処理され、減少した水は水供
給装置８により供給されることにより、水素が常時一定
レベルで製造可能である。
【００２７】なお、上記実施例では、光触媒電極が板状
である場合について述べたが、これに限らず、例えば円
筒状、あるいは箱形状でもよい。また、光触媒電極は、
板状のＴｉＯ2 板の外側にＰｔ層をコーティングした構
成であるが、Ｐｔ板の内面にＴｉＯ2 層をコーティング
して光触媒電極を構成してもよい。
である場合について述べたが、これに限らず、例えば円
筒状、あるいは箱形状でもよい。また、光触媒電極は、
板状のＴｉＯ2 板の外側にＰｔ層をコーティングした構
成であるが、Ｐｔ板の内面にＴｉＯ2 層をコーティング
して光触媒電極を構成してもよい。
【００２８】（実施例３）図７を参照する。但し、図１
と同部材は同符番を付して説明を省略する。図中の符番
71は、上部が開口した有底の円筒型又は箱形の光触媒電
極である。この光触媒電極71は、円筒型又は箱形のＴｉ
Ｏ2 製容器72の内面にくし型電極73を形成した構成とな
っている。水収容容器１内は素焼き等の円筒状の水素・
分離板74により仕切られている。前記光触媒電極71とは
水素・分離板74を挟んで反対側の水収容容器１内には、
対極としての白金板75が前記くし型電極73と電気的に外
部で接続した状態で配置されている。前記光触媒電極71
のＴｉＯ2 製容器72と水素・分離板74との間の水はアル
カリ性溶液で、白金板73と水収容容器１との間の水は酸
性溶液であることが好ましい。このように、溶液のｐＨ
を変えることにより、水素の発生量を増大させることが
できる。
と同部材は同符番を付して説明を省略する。図中の符番
71は、上部が開口した有底の円筒型又は箱形の光触媒電
極である。この光触媒電極71は、円筒型又は箱形のＴｉ
Ｏ2 製容器72の内面にくし型電極73を形成した構成とな
っている。水収容容器１内は素焼き等の円筒状の水素・
分離板74により仕切られている。前記光触媒電極71とは
水素・分離板74を挟んで反対側の水収容容器１内には、
対極としての白金板75が前記くし型電極73と電気的に外
部で接続した状態で配置されている。前記光触媒電極71
のＴｉＯ2 製容器72と水素・分離板74との間の水はアル
カリ性溶液で、白金板73と水収容容器１との間の水は酸
性溶液であることが好ましい。このように、溶液のｐＨ
を変えることにより、水素の発生量を増大させることが
できる。
【００２９】実施例３に係る水素製造装置は、図７に示
すように、円筒型又は箱形のＴｉＯ2 製容器72の内面に
くし型電極73を形成した光触媒電極71を用いるととも
に、水素・分離板74を挟んで水収容容器１内の水をアル
カリ性溶液（内側）と酸性溶液（外側）に分けたことを
主な特徴とした構成となっている。従って、実施例３に
よれば、図１の装置と同様に、γ・Ｘ線放出源６から放
射されたγ・Ｘ線は、シンチレータ４により紫外光に変
換される。その紫外光は、光触媒電極71のＴｉＯ2 製容
器72面で吸収され、水と反応を起こしＴｉＯ2 製容器72
面から酸素が発生し、対極の白金板75からは水素が発生
する。本装置では、水素と酸素とが分離して発生させる
ことができるため、各々水素回収装置10、酸素除去装置
11により処理され、減少した水は水供給装置８により供
給されることにより、水素が常時一定レベルで製造され
る。
すように、円筒型又は箱形のＴｉＯ2 製容器72の内面に
くし型電極73を形成した光触媒電極71を用いるととも
に、水素・分離板74を挟んで水収容容器１内の水をアル
カリ性溶液（内側）と酸性溶液（外側）に分けたことを
主な特徴とした構成となっている。従って、実施例３に
よれば、図１の装置と同様に、γ・Ｘ線放出源６から放
射されたγ・Ｘ線は、シンチレータ４により紫外光に変
換される。その紫外光は、光触媒電極71のＴｉＯ2 製容
器72面で吸収され、水と反応を起こしＴｉＯ2 製容器72
面から酸素が発生し、対極の白金板75からは水素が発生
する。本装置では、水素と酸素とが分離して発生させる
ことができるため、各々水素回収装置10、酸素除去装置
11により処理され、減少した水は水供給装置８により供
給されることにより、水素が常時一定レベルで製造され
る。
【００３０】実施例２の場合には、発生する水素と酸素
とを分離し、溶液は同一であったが、本実施例３では素
焼き等の水素・酸素分離板74により、酸素発生部と水素
発生部の溶液も分離でき、各々の溶液のｐＨを水素／酸
素発生に有利な条件としうるので、水素発生効率を向上
させることができる。
とを分離し、溶液は同一であったが、本実施例３では素
焼き等の水素・酸素分離板74により、酸素発生部と水素
発生部の溶液も分離でき、各々の溶液のｐＨを水素／酸
素発生に有利な条件としうるので、水素発生効率を向上
させることができる。
【００３１】（実施例４）図８を参照する。但し、図１
と同部材は同符番を付して説明を省略する。図中の符番
81は、上部が開口した有底の円筒型又は箱形の光触媒電
極である。この光触媒電極81は、円筒型又は箱形のＴｉ
Ｏ2 製容器82の外面にＰｔ層83を形成した構成となって
いる。前記光触媒電極81はシンチレータ４を覆うように
配置されている。保護容器５と光触媒電極81間の水２
と、光触媒電極81と水収容容器１間の水２とは隔離し、
塩橋84で結合する。好ましくは、保護容器５と光触媒電
極81間の水２はアルカリ性溶液とし、光触媒電極81と水
収容容器１間の水２は酸性溶液とする。
と同部材は同符番を付して説明を省略する。図中の符番
81は、上部が開口した有底の円筒型又は箱形の光触媒電
極である。この光触媒電極81は、円筒型又は箱形のＴｉ
Ｏ2 製容器82の外面にＰｔ層83を形成した構成となって
いる。前記光触媒電極81はシンチレータ４を覆うように
配置されている。保護容器５と光触媒電極81間の水２
と、光触媒電極81と水収容容器１間の水２とは隔離し、
塩橋84で結合する。好ましくは、保護容器５と光触媒電
極81間の水２はアルカリ性溶液とし、光触媒電極81と水
収容容器１間の水２は酸性溶液とする。
【００３２】実施例４に係る水素製造装置は、図８に示
す如く、有底の円筒型又は箱形の光触媒電極81を用いる
とともに、この光触媒電極18を挟んで水収容容器１内の
水をアルカリ性溶液（内側）と酸性溶液（外側）に分け
たことを主な特徴とした構成となっている。従って、実
施例４によれば、図１の装置と同様に、γ・Ｘ線放出源
６から放射されたγ・Ｘ線は、シンチレータ４により紫
外光に変換される。その紫外光は、光触媒電極81のＴｉ
Ｏ2 製容器82面で吸収され、水と反応を起こしＴｉＯ2
製容器82面から酸素が発生し、対極の白金層83からは水
素が発生する。本装置では、水素と酸素とが分離して発
生させることができるため、各々水素回収装置10、酸素
除去装置11により処理され、減少した水は水供給装置８
により供給されることにより、水素が常時一定レベルで
製造される。
す如く、有底の円筒型又は箱形の光触媒電極81を用いる
とともに、この光触媒電極18を挟んで水収容容器１内の
水をアルカリ性溶液（内側）と酸性溶液（外側）に分け
たことを主な特徴とした構成となっている。従って、実
施例４によれば、図１の装置と同様に、γ・Ｘ線放出源
６から放射されたγ・Ｘ線は、シンチレータ４により紫
外光に変換される。その紫外光は、光触媒電極81のＴｉ
Ｏ2 製容器82面で吸収され、水と反応を起こしＴｉＯ2
製容器82面から酸素が発生し、対極の白金層83からは水
素が発生する。本装置では、水素と酸素とが分離して発
生させることができるため、各々水素回収装置10、酸素
除去装置11により処理され、減少した水は水供給装置８
により供給されることにより、水素が常時一定レベルで
製造される。
【００３３】実施例４によれば、実施例３の素焼きによ
る溶液の分離に比べて、ＴｉＯ2 製容器82の外面にＰｔ
層83を形成した構成の光触媒電極81により、水素発生部
と酸素発生部とをより完全に分離でき、各々の溶液のｐ
Ｈコントロールがより厳密にでき、水分解効率の向上が
はかれる。
る溶液の分離に比べて、ＴｉＯ2 製容器82の外面にＰｔ
層83を形成した構成の光触媒電極81により、水素発生部
と酸素発生部とをより完全に分離でき、各々の溶液のｐ
Ｈコントロールがより厳密にでき、水分解効率の向上が
はかれる。
【００３４】上述したように、ＮａＩ（ＴＩ）等のシン
チレータ、チタニア（ＴｉＯ2 ）等の光触媒電極とを組
み合わせた装置によって、現在、原子力発電所の使用済
み核燃料等のγ・Ｘ線放出源を利用することにより、水
を分解し水素を製造する新しい方法と装置と提供でき
る。このことにより、現在利用されていない使用済み核
燃料の有効活用をはかれると共に、貯蔵可能な化学エネ
ルギーとしての水素に変換可能な方法を提供できる。
チレータ、チタニア（ＴｉＯ2 ）等の光触媒電極とを組
み合わせた装置によって、現在、原子力発電所の使用済
み核燃料等のγ・Ｘ線放出源を利用することにより、水
を分解し水素を製造する新しい方法と装置と提供でき
る。このことにより、現在利用されていない使用済み核
燃料の有効活用をはかれると共に、貯蔵可能な化学エネ
ルギーとしての水素に変換可能な方法を提供できる。
【００３５】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、現
在利用されていない使用済み核燃料に光触媒あるいは光
触媒電極を組み合わせて、核燃料から水素を製造する水
素製造方法及びその装置を提供できる。
在利用されていない使用済み核燃料に光触媒あるいは光
触媒電極を組み合わせて、核燃料から水素を製造する水
素製造方法及びその装置を提供できる。
【図１】本発明の実施例１に係る水素製造装置の説明
図。
図。
【図２】無機シンチレータの動作原理の説明図。
【図３】ＮａＩ（ＴＩ）シンチレータによる、波長と光
電子増倍管のスペクトル感度、スペクトル強度の関係を
示す特性図。
電子増倍管のスペクトル感度、スペクトル強度の関係を
示す特性図。
【図４】光触媒としてのチタニアの原理の説明図。
【図５】本発明に係る水素の製造方法の原理の説明図。
【図６】本発明の実施例２に係る水素製造装置の説明
図。
図。
【図７】本発明の実施例３に係る水素製造装置の説明
図。
図。
【図８】本発明の実施例４に係る水素製造装置の説明
図。
図。
１…水収容容器、 ２…水、３…光触媒、
４…シンチレータ、５…保護容器、 ６…γ・
Ｘ線放出源、７…燃料容器、 ８…水供給装置、
９…水素分離装置、 10…水素回収装置、11…酸素除
去装置、 61，71，81…光触媒電極、62…ＴｉＯ2
板、 63，83…Ｐｔ層、72，82…ＴｉＯ2 製容器、
73…くし型電極、74…水素・酸素分離板、75…白金
板、84…塩橋。
４…シンチレータ、５…保護容器、 ６…γ・
Ｘ線放出源、７…燃料容器、 ８…水供給装置、
９…水素分離装置、 10…水素回収装置、11…酸素除
去装置、 61，71，81…光触媒電極、62…ＴｉＯ2
板、 63，83…Ｐｔ層、72，82…ＴｉＯ2 製容器、
73…くし型電極、74…水素・酸素分離板、75…白金
板、84…塩橋。
フロントページの続き (72)発明者 後藤 信朗 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地 １ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所 内 (72)発明者 豊田 一郎 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地 １ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所 内 (72)発明者 利根川 裕 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地 １ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所 内 (56)参考文献 特開 平５−193902（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−176227（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C01B 3/04 G21H 5/00
Claims (2)
- 【請求項１】 原子力発電所の使用済み核燃料等のγ・
Ｘ線放射源をエネルギー源として、このエネルギー源か
ら放射されるγ・Ｘ線により紫外光を放射させる機能を
有するシンチレータと、このシンチレータから放射され
る紫外光を受けて、水を水素と酸素に分解できる機能を
有する光触媒又は光触媒電極とを組み合わせることで、
水から水素を発生させることを特徴とする水素製造方
法。 - 【請求項２】 γ・Ｘ線放出源と、前記γ・Ｘ線放出源
から放射されるγ・Ｘ線を受けて紫外線を放射させる機
能を有するシンチレータと、前記シンチレータを収容す
る、紫外光を透過する材質からなる保護容器と、前記シ
ンチレータから放射される紫外光を受けて水を水素と酸
素に分解する機能を有する光触媒又は光触媒電極と、前
記光触媒又は光触媒電極を覆い水素を製造するための原
料となる水と、前記光触媒又は光触媒電極から発生する
水素を回収する機能を有した水素回収装置と、水素と同
時に発生する酸素を除去する酸素除去装置と、水分解に
よって減少する前記水を補給する水補給装置と、前記水
を収容する水収容容器とを具備す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 |
|---|---|---|---|
| JP30000195A JP3233842B2 (ja) | 1995-11-17 | 1995-11-17 | 水素製造方法及びその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30000195A JP3233842B2 (ja) | 1995-11-17 | 1995-11-17 | 水素製造方法及びその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09142804A JPH09142804A (ja) | 1997-06-03 |
| JP3233842B2 true JP3233842B2 (ja) | 2001-12-04 |
Family
ID=17879542
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30000195A Expired - Fee Related JP3233842B2 (ja) | 1995-11-17 | 1995-11-17 | 水素製造方法及びその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3233842B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4635190B2 (ja) * | 2001-07-09 | 2011-02-16 | 独立行政法人 日本原子力研究開発機構 | 原子炉を利用した光触媒利用型水素・酸素製造方法及びその装置 |
| CN100443162C (zh) * | 2005-03-17 | 2008-12-17 | 王竹方 | 辐射能致效型光触媒复合体 |
-
1995
- 1995-11-17 JP JP30000195A patent/JP3233842B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
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|---|---|
| JPH09142804A (ja) | 1997-06-03 |
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