JP6698512B2

JP6698512B2 - 水素製造装置

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Publication number: JP6698512B2
Application number: JP2016248047A
Authority: JP
Inventors: 秋山　雅英; 雅英秋山; 丈司大隈
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: JP2017210400A

Description

本開示は、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が注目されている。

再生可能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い。また、温室効果ガスの削減に貢献できる。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を適用した例として、セラミック部材を反応系担体として用いた水素製造装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この水素製造装置は、セラミック部材が加熱された際に起こる還元−酸化の反応を利用している。

特開２００９−２６３１６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された発明の場合、生成した水素がその水素の生成反応の進行を低下させるという問題がある。

従って、本発明は、水素の生成反応の低下を抑えることのできる水素製造装置を提供することを目的とする。

本発明の水素製造装置は、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供給部と、前記反応部から発生する水素を回収する回収部とを備えており、前記反応部に隣接させて水素吸蔵部材が設けられているものである。

本発明によれば、水素の生成反応の低下を抑えることができる。

本実施形態の水素製造装置を稼働させたときの状態を模式的に示す断面図であり、（ａ）は、水素製造用部材から酸素が生成している状態、（ｂ）は同水素製造用部材から水素が生成している状態である。本実施形態の水素製造装置の反応部を構成する光吸収部材の例を示すものであり、（ａ）は、光吸収部材が金属粒子含有複合体である場合、（ｂ）は、光吸収部材が金属膜積層体である場合である。水素製造装置の反応部に適用されている水素製造用部材の例を模式的に示す断面図である。反応部の外観構造を模式的に示す斜視図である。（ａ）は平板型、（ｂ）は同軸タイプの中空円筒型、（ｃ）は非同軸タイプの中空円筒型である。光吸収部材と水素製造用部材との間に金属膜を設けた反応部の構成を示す断面模式図である。

本実施形態の水素製造装置について図１に基づいて説明する。図１は、本実施形態の水素製造装置を稼働させたときの状態を模式的に示す断面図であり、（ａ）は、水素製造用部材から酸素が生成している状態、（ｂ）は同水素製造用部材から水素が生成している状態である。

本実施形態の水素製造装置Ａは、容器１内に反応部３と水素吸蔵部材５とが据えられた構成となっている。また、容器１には、反応部１から酸素を排出させるための排出口７が取り付けられている。また、容器１には、反応部３に水を供給する水供給部９と、反応部３から発生する水素ガスを回収する回収部１１とが取り付けられている。また、容器１の上面板１ａには、太陽光を取り込むための窓１ｂが設けられている。この場合、窓１ｂには透明板が設置される。

また、この水素製造装置Ａには、反応部１が太陽光を受けたり、遮ったりするための遮蔽板１３が設けられている。遮蔽板１３は不透明の板状のものであれば良く、材料としては、プラスチック、金属および木材などを使用できる。

反応部３は、太陽光エネルギー（図１（ａ）に示した白地の矢印）を受けて酸化・還元反応を起こす部分である。反応部３は、太陽光を熱に変える光吸収部材３ａと、加熱されたときに水素を生成する水素製造用部材３ｂとで構成されている。

本実施形態の水素製造装置によれば、水素が発生する反応部３に対して、これに隣接させるようにして水素吸蔵部材５が設けられていることから、反応部３から発生する水素を逐次水素吸蔵部材５に取り込むことができる。これにより反応部３における酸化・還元反応の速度の低下が抑えられ、水素の回収率を高めることができる。

以下、本実施形態の水素製造装置を構成する各部材の特徴とその効果について説明する。

図２は、本実施形態の水素製造装置の反応部を構成する光吸収部材の例を示すものであり、（ａ）は、光吸収部材が金属粒子含有複合体である場合、（ｂ）は、光吸収部材が金属膜積層体である場合である。

図２（ａ）に示す光吸収部材３ａは、緻密な誘電体３ａａの内部に金属粒子またはセラミック粒子のいずれかの粒子状物質３ａｂを含有させたものである。以下、これを粒子状物質含有複合体という場合がある。金属粒子としては、タングステン、モリブデン、ニオブ、ニッケル、銅、銀、金、白金およびパラジウムの群から選ばれる１種の金属を選ぶことができる。また、セラミック粒子としては、上記した金属の代わりに、金属に炭素（Ｃ）または窒素（Ｎ）、あるいは炭素（Ｃ）および窒素（Ｎ）の両方が結合した化合物も適用することができる。当該化合物としては、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）および窒化ニオブ（ＮｂＮ）の群から選ばれる少なくとも１種を挙げることができる。

光吸収部材３ａを構成する粒子状物質３ａｂの平均粒径は、例えば、５〜５０ｎｍが良
い。一方、粒子状物質３ａｂを取り囲む誘電体３ａａの開気孔率としては５％以下であるのが良い。誘電体３ａａの材料としては、光の透過性が高く、耐熱性に優れるという点から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。なお、誘電体３ａａとしては、後述する水素製造用部材３ｂを構成する絶縁体３ｂｂの材料と同様の成分からなるものを適用することもできる。

また、光吸収部材３ａとしては、上記した緻密な誘電体３ａａの内部に粒子状物質３ａｂを含有させたものに代えて、金属系膜の積層体を適用することもできる。これを以下、金属系膜積層体という場合がある。金属系膜積層体としては、例えば、タングステン膜３ａｃ、ケイ化鉄（ＦｅＳｉ）膜３ａｄおよび酸化ケイ素膜３ａｅが層状に形成された積層体を挙げることができる。この場合、酸化ケイ素膜３ａｅの下層側に形成されたタングステン膜３ａｃおよびケイ化鉄膜３ａｄが特定の波長領域の光を吸収する役割を担う。また同時に、誘電体である酸化ケイ素膜３ａｅが下層側のタングステン膜３ａｃおよびケイ化鉄膜３ａｄからの輻射を抑える機能を果たすものとなる。

次に、水素製造用部材３ｂから水素が生成する反応について説明する。図３は、水素製造装置の反応部に適用されている水素製造用部材の一実施形態を模式的に示す断面図である。この場合、水素製造用部材３ｂは、微細なセラミック粒子３ｂａが多孔質の絶縁体３ｂｂ中に分散されたセラミック複合体によって構成されている。

絶縁体３ｂｂは、セラミック粒子３ｂａとは主成分の異なる材料によって形成されている。絶縁体３ｂｂの材料としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、アルカリ土類元素の酸化物、希土類元素の酸化物およびこれらの複合酸化物が好適な材料となる。この場合、絶縁体３ｂｂは多数の開気孔３ｂｃを有しており、その開気孔３ｂｃは水素製造用部材３ｂを構成しているセラミック複合体の外表面３Ｂａから内部のセラミック粒子３ｂａに達するように延びている。この場合、水素製造用部材３ｂの開気孔率は１０％以上であるのが良い。水素製造用部材３ｂの開気孔率はセラミック粒子３ｂａを含めたセラミック複合体について測定した値を用いる。これはセラミック粒子３ｂａが緻密体であり、絶縁体３ｂｂの気孔率がそのままセラミック複合体３Ｂの気孔率に相当するものとなるからである。

セラミック粒子３ｂａは、ＡＸＯ_３±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一種、Ｏ：酸素）、酸化セリウムおよび酸化ジルコニウムの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とするものである。この場合、セラミック粒子３ｂａの平均粒径（図３では符号Ｄとして表す。）は５〜２００ｎｍであるのが良い。ここで、希土類元素としては、周期表第６周期のランタニド元素の中から選ばれる少なくとも１種が良い。遷移金属元素としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａの群から選ばれる少なくとも１種が良い。メタロイド元素としては、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、ＰｏおよびＡｔの群から選ばれる少なくとも１種が良い。なお、ＡＸＯ_３±δ、酸化セリウムおよび酸化ジルコニウムの群から複数種を組み合せた例としては、酸化ジルコニウムの一部を酸化セリウムで置換された複合酸化物を挙げることができる。

ここで、主成分とは、例えば、水素製造用部材３ｂについてＸ線回折を用いたリートベルト解析を行った場合に、絶縁体３ｂｂに該当する材料のＸ線回折ピークを除いたＸ線回折ピークの中で求められる割合で６０質量％以上となっているものを言う。

次に、図３に示した水素製造用部材３ｂにおける反応過程について説明する。まず、上記した水素製造用部材３ｂが高温の環境下に置かれると、それを構成するセラミック粒子
３ｂａには、下記（１）式に示す欠陥反応が起きる。

この場合、水素製造用部材３ｂを構成しているセラミック粒子３ｂａが微粒であることから、上記の欠陥反応によってセラミック粒子３ｂａ内に生成した電子が、そのセラミック粒子３ｂａの表面に止まりやすくなる。これによりセラミック粒子３ｂａにおいて表面プラズモン効果が高まる。こうして水素製造用部材３ｂ自体を高温状態に変化させることができる。その結果、セラミック粒子３ｂａ自体が光を吸収する機能を有するようになる。

このような反応を起こすセラミック粒子３ｂａを多孔質の絶縁体３ｂｂ中に存在させた状態にすると、セラミック粒子３ｂａは、高温の状態では、（２）式のように、酸素が放出する反応（以下、酸素放出反応という場合がある。）を起こすものとなる。一方、酸素放出反応が起きる温度よりも低い温度においては、（３）式に示すような水素が生成する反応（以下、水素生成反応という場合がある。）を起こすものとなる。

これは水素製造用部材３ｂを構成する絶縁体３ｂｂの内部において、セラミック粒子３ｂａに上記した欠陥反応によって表面プラズモン効果が現れることに加えて、化２および化３として示した還元・酸化反応が起きるためである。

また、セラミック粒子３ｂａ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３Ｂ中に含まれるセラミック粒子３ｂａの割合は体積比で２０〜８０％であるのが良い。また、セラミック粒子３ｂａは個数比で９０％以上が絶縁体３ｂｂ中に単一の粒子として孤立した状態で分散して存在しているのが良い。つまり、この水素製造用部材３ｂでは、セラミック粒子３ｂａが絶縁体３ｂｂを構成する材料を介して個数比で９０％以上の割合で個々に存在しているのが良い。

なお、水素製造用部材３ｂの内部に存在するセラミック粒子３ｂａの割合は、セラミック複合体３Ｂ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、水素製造用部材３ｂを研磨してセラミック粒子３ｂａを露出させ、その断面に存在するセラミック粒子３ｂａ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セラミック粒子３ｂａの合計面積を求め、領域の面積に対するセラミック粒子３ｂａ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する。セラミック粒子３ｂａが絶縁体３ｂｂ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。

次に、本実施形態の水素製造装置Ａを稼働させたときの状態について説明する。この水素製造装置Ａは、図１（ａ）に示すように、反応部３の上面から遮蔽板１３を移動させると、反応部３が光（太陽光）を受けるようになる。これにより反応部３内に設置した水素製造用部材３ｂが高温の状態となり、水素製造用部材３ｂに還元反応が起こり酸素が発生する。

次に、図１（ｂ）に示すように、反応部３を遮蔽板１３で覆うようにすると、反応部３は太陽光が遮られる。このとき反応部３に水を供給して、水を水素製造用部材３ｂに接触させると、水素製造用部材３ｂは、還元反応が起こっていた図１（ａ）に示す状態から冷やされる。これにより還元反応が納まる。

次に、反応部３においては、水との反応によって酸化反応が起こり、水素製造用部材３ｂの内部に水素ガスが発生する。本実施形態の水素製造装置Ａによれば、太陽光からの熱を効率良く吸収して水素の生成効率を高めることができる。

この水素製造装置Ａでは、水素を生成させる反応部３に水素吸蔵部材５が設けられている。この場合、水素吸蔵部材５としては、以下に例示する水素吸蔵合金を適用するのが良い。反応部３に水素吸蔵部材５を隣接させておくと、反応部３から排出される水素ガスを一旦固体である水素吸蔵部材５中に溜めることができる。この場合、反応部３を含む容器１内の水素量を一時的に減らすことができるため、上記化３式で示される水素の生成反応を絶えず右辺側へ導くことができる。これにより水素の反応速度を高めることができる。また、生成する水素（ガス）が固体である水素吸蔵部材５に吸収されることから、生成した水素の体積を大幅に減らすことができる。これにより反応部３が収納された容器１および回収部１１の小型化を図ることができる。

この水素製造装置Ａの場合、水素が生成するときの水素製造用部材３ｂの温度は、せいぜい３００〜７００℃である。水素の生成する温度がこうした比較的低い温度であることから、上記した化３の反応は、水素が反応系に止まることによって影響を受けやすい。このため生成した水素が容器１内において可能な限り水素が生成する反応系に影響を及ぼさないようにしなければならない。つまり、水素が生成している間、その水素が水素製造用部材３ｂの中に存在し続けるのを極力回避することが必要となる。そのため水素吸蔵部材５は水素製造用部材３ｂに隣接する配置とするのが良い。

なお、水素吸蔵部材５は、反応部３に接した状態よりも、図１（ａ）（ｂ）に示すように、反応部３との間に所定の間隔を空けるように空間１５を設けて配置するのが良い。水素吸蔵部材５を反応部３との間に空間１５を設けた配置にすると、反応部３において生成した水素を一旦空間１５に溜めることができるため、水素が水素吸蔵部材５へ吸蔵されるときの速度を調整することができる。こうして上記化３式に示した水素の生成反応を安定に進行させることが可能になる。

水素吸蔵部材５に適用可能な水素吸蔵合金としては、ＡＢ２型である、チタン、マンガ
ン、ジルコニウム、ニッケルなどの遷移元素の合金をベースとしたもの。ＡＢ５型である、希土類元素、ニオブ、ジルコニウムに対して触媒効果を持つ遷移元素（ニッケル、コバルト、アルミニウムなど）を含む合金をベースとしたもの（ＬａＮｉ_５、ＲｅＮｉ_５など）。ならびに、Ｔｉ−Ｆｅ系、Ｖ系、Ｍｇ合金、Ｐｄ系およびＣａ系合金を挙げることができる。

ここで、反応部３は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、容器１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材３ａによって生成した熱が反応部３以外の外界へ移動するのを防ぐことができる。これにより光吸収部材３ａによって供給される熱を反応部３内に止めて水素製造用部材３ｂへ効率良く供給することができる。

また、反応部３を減圧した状態にすると、反応部３の水素製造用部材３ｂ側で酸素欠陥が形成されやすくなることから、水素製造用部材３ｂの還元反応が進み、水素製造用部材３ｂから生成する不定比組成の金属酸化物量をさらに増加させることができる。

この場合、反応部３および水素吸蔵部材５を配置した容器１には、当該容器１内から気体を吸引するための吸気口を設ける必要があるが、本実施形態の水素製造装置Ａでは、容器１に２つの吸気口１７ａ、１７ｂを設けておくのが良い。この場合、図１（ａ）（ｂ）に示した模式図を例にすれば、２つの吸気口１７ａ、１７ｂのうち、一方（この場合、吸気口１７ａ）は容器１内の全体を減圧するのに用いるものとなる。これは光吸収部材３ａの周囲から熱が容器１の周囲に移動するのを抑えるためである。他方の吸気口（この場合、吸気口１７ｂ）は、光吸収部材３ａを貫通させて水素製造用部材３ｂに達するようにしておくのが良い。これは、容器１内に設置された反応部３の中で、水素製造用部材３ｂの内部の圧力を調整するためのものである。例えば、水素製造用部材３ｂの内部の圧力を光吸収部材３ａの周囲よりも高い圧力に調整するためである。こうすると、水素製造用部材３ｂの内部に水蒸気が供給されたときに、その内部において、酸化反応が進みやすくなり、生成する水素の量をさらに増やすことができる。

図４は、反応部の外観構造を模式的に示す斜視図である。（ａ）は平板型、（ｂ）は同軸タイプの中空円筒型、（ｃ）は非同軸タイプの中空円筒型である。つまり、本実施形態の水素製造装置Ａを構成する反応部３としては、図３（ａ）に示す平板型の積層構造体、図４（ｂ）に示す同軸タイプの中空円筒管型の積層構造体あるいは図４（ｃ）に示す非同軸タイプの中空円筒型の積層構造体が好適なものとなる。

ここで、中空円筒管型の積層構造体に関して同軸タイプとは、円筒形状の水素製造用部材３３ｂの断面の中心軸Ｃ１と円筒形状の光吸収部材３３ａの断面の中心軸Ｃ２とが同じ位置にある構造のことを言う。言い換えると、反応部３３の内側に配置された水素製造用部材３３ｂの中心軸Ｃ１が反応部３３の外周（光吸収部材３３ａの外周）を周縁としたときの中心軸Ｃ０と重なっている構造である。

一方、非同軸タイプとは、円筒形状の水素製造用部材３３ｂの断面の中心軸Ｃ１と円筒形状の光吸収部材３３ａの断面の中心軸Ｃ２とが重なっていない構造（非同軸構造）のことを言う。言い換えると、反応部３３の内側に配置された水素製造用部材３３ｂの中心軸Ｃ１が反応部３３の外周（光吸収部材３３ａの外周）を周縁としたときの中心軸Ｃ０からずれた位置にある。

つまり、非同軸タイプでは、例えば、図４（ｃ）に示すように、光吸収部材３３ａの断面の厚みがｔ１＞ｔ２の関係となり異なっている。この場合、円筒形状の水素製造用部材３３ｂの断面も光吸収部材３３ａを含めた反応部３３の断面の形状に相似形であるのが良い。

平板型の積層構造体の場合、平板状の水素製造用部材３３ｂを上下から光吸収部材３３ａが挟む構造となる。このため水素製造装置Ａの薄型化を図ることができる。これにより軽量化が可能になるため家屋の屋根などに設置するのに好適なものとなる。

中空円筒管型の積層構造は円筒形状の水素製造用部材３３ｂの外側に円筒形状の光吸収部材３３ａが取り巻く構造となる。この構造の場合に、中空円筒管型の反応部３３を複数本並列に並ぶように配置する構造にすると、光吸収部材３３ａの表面積を大きくすることができる。これにより光吸収率の高い反応部３３を完成させることができる。

中空円筒管型の積層構造体については、光吸収率を高められるという点で、同軸タイプの中空円筒管型よりも非同軸タイプの中空円筒型の積層構造体の方が良い。非同軸タイプの中空円筒型の積層構造体の場合、図４（ｃ）に示すように、光吸収部材３３ａの断面の厚みの厚い方を太陽光が照射される上側にすると、光吸収部材３３ａの体積割合が大きくなり、光の吸収量を高めることができる。

このとき円筒形状の水素製造用部材３３ｂの断面の形状と光吸収部材３３ａの断面の形状とが相似形であり、水素製造用部材３３ｂの厚みの厚い側と光吸収部材３３ａの断面の厚みの厚い側とが、中心軸Ｃ０を中心にして同じ側にあると、太陽光が照射される方向において、光吸収量および水素の生成量の両方を同時に高めることができる。

図５は、光吸収部材と水素製造用部材との間に金属膜を設けた反応部の構成を示す断面模式図である。図５では、光吸収部材３ａとして、図２（ａ）に示した粒子状物質含有複合体を適用した例を示しているが、光吸収部材３ａとしては、これに限らず、図２（ｂ）に示した金属膜積層体も同様に適用することができる。

図５に示すように、反応部３としては、光吸収部材３ａと水素製造用部材３ｂとの間に金属膜３ｃを介層させておくのが良い。光吸収部材３ａと水素製造用部材３ｂとの間に金属膜３ｃが設けられると、光吸収部材３ａに入ってきた光が金属膜３ｃの表面で反射する。これにより光吸収部材３ａに入ってきた光が水素製造用部材３ｂ側にまで透過し難くなり、光吸収部材３ａの内部に光が集中するようになる。こうして光吸収部材３ａでの発熱量を高めることができる。金属膜３ｃの材料としては、光の反射性の高い金属であれば良い。例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金、白金およびパラジウムなどが好適なものとなる。

以下、水素製造装置を以下の仕様にて作製し、水素の生成量を評価した。まず、容器、排出口、水供給部、回収部、吸気口および遮蔽板をＳＵＳ−３１６材を用いて作製し、図１の構造になるように組み立てた。

次に、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３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て水素製造用部材を作製した。このペロブスカイト材料は、それぞれ金属アルコキシドを準備し、上記組成となるように調製した後、噴霧熱分解を行って合成した。次いで、合成した粉末を水中に投入し、時間毎の沈降状態を確認して分級操作を行い、平均粒径が５５ｎｍのペロブスカイト材料（セラミック粒子）の粉末を得た。

次に、得られたペロブスカイト材料の粉末にガラス粉末（ホウ珪酸ガラス）を混合して混合粉末を調製した。この場合、混合粉末の組成は、ペロブスカイト材料の粉末が７０質量％、ガラス粉末が３０質量％となるようにした。これは水素製造用部材中におけるペロ
ブスカイト材料の割合が４５体積％となる割合である。

次に、得られた混合粉末に有機バインダとしてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を１０質量％添加して、成形体を作製し、脱脂後、大気中、赤外線イメージ炉を用いて最高温度１４００℃、保持時間約１秒の条件にて加熱を行い、水素製造用部材となるセラミック複合体を得た。

作製した水素製造用部材は、サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍとなるように研磨加工した。また、作製した水素製造用部材の断面を電子顕微鏡およびこれに付設の分析器（ＥＰＭＡ）を用いて分析した。この場合、水素製造用部材を構成しているセラミック粒子は粒成長がほとんど無く、その平均粒径は加熱前の状態と同等であった。

光吸収部材には、平均粒径が４０ｎｍのタングステン粒子を３０質量％ほどシリカガラス中に分散させた粒子状物質含有複合体を適用した。加熱の条件は水素製造用部材の場合と同様の条件とした。

次に、作製した光吸収部材の一方の表面に金属膜として金（Ａｕ）を蒸着して、これに水素製造用部材を重ねて加熱して反応部を作製した。

次に、水素吸蔵部材としてＬａＮｉ_５を準備し、これを図１に示すように、反応部との間を２ｍｍほど空けて容器内に取り付けた。

水素（ガス）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、水素製造装置は反応部を減圧した上で太陽光を１ＳＵＮの状態で受けるようにして、１０サイクルを経て得られた生成量を測定した。

ここでは、反応部に水素吸蔵部材を隣接させた本例の構成と、容器内に水素吸蔵部材を設置しない比較例の構成との間で水素の生成量を比較した。本例の構成での水素の生成量は、１．６５ｍｌ／ｇであったが、水素吸蔵部材を設置しない比較例の構成では、１．１ｍｌ／ｇであった。本例の方では水素の生成反応の低下が抑えられていた。

Ａ・・・・・・・・・水素製造装置
１・・・・・・・・・容器
１ｂ・・・・・・・・窓
３・・・・・・・・・反応部
３ａ、３３ａ・・・・光吸収部材
３ａａ・・・・・・・誘電体
３ａｂ・・・・・・・粒子状物質
３ｂ、３３ｂ・・・・水素製造用部材
３ｂａ・・・・・・・セラミック粒子
３ｂｂ・・・・・・・絶縁体
３ｃ・・・・・・・・金属膜
５・・・・・・・・・水素吸蔵部材
７・・・・・・・・・排出口
９・・・・・・・・・水供給部
１１・・・・・・・・回収部
１３・・・・・・・・遮蔽板
１５・・・・・・・・空間
１７ａ、１７ｂ・・・吸気口

Claims

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供給部と、
前記反応部から発生する水素を回収する回収部と
を備えており、前記反応部に隣接させて水素吸蔵部材が設けられている
ことを特徴とする水素製造装置。
前記水素吸蔵部材が前記反応部との間に空間を設けて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
前記反応部が減圧可能な容器内に収容されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水素製造装置。
前記容器には、２つ以上の吸気口が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の水素製造装置。
前記２つの吸気口のうちの一方は、前記容器内全体の減圧に供するものであり、他方は前記反応部内の減圧に供するものであることを特徴とする請求項４に記載の水素製造装置。
前記容器には、太陽光を取り込むための窓が設けられていることを特徴とする請求項３乃至５のうちいずれかに記載の水素製造装置。
前記反応部が、平板状の水素製造用部材と平板状の光吸収部材との積層構造体であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の水素製造装置。
前記反応部は、円筒形状の水素製造用部材を円筒形状の光吸収部材が取り巻く中空円筒型の積層構造体であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の水素製造装置。
前記中空円筒型の積層構造体は、円筒形状の水素製造用部材の断面の中心軸が円筒形状の光吸収部材の断面の中心軸と重なっていない非同軸構造であることを特徴とする請求項８に記載の水素製造装置。
前記水素製造用部材は、平均粒径が５〜２００ｎｍである複数のセラミック粒子が、該セラミック粒子とは異なる組成を有する多孔質の絶縁体中に分散されたものであり、前記セラミック粒子が、ＡＸＯ_３±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一種、Ｏ：酸素）、酸化セリウムおよび酸化ジルコニウムの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とするセラミック複合体からなることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれかに記載の水素製造装置。
前記水素製造用部材中における前記セラミック粒子の割合が２０〜８０体積％であることを特徴とする請求項１０に記載の水素製造装置。
前記複数のセラミック粒子は、個数比で９０％以上が孤立して存在していることを特徴とする請求項１０または１１に記載の水素製造装置。
前記光吸収部材が、誘電体中に金属粒子が分散された金属粒子含有複合体、または金属
系膜と誘電体とが積層された金属系膜積層体であることを特徴とする請求項７乃至１２のうちいずれかに記載の水素製造装置。
前記水素製造用部材と前記光吸収部材との間に金属膜が設けられていることを特徴とする請求項７乃至１３のうちいずれかに記載の水素製造装置。