JP6225829B2

JP6225829B2 - 水の分解方法および水の分解装置

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Publication number: JP6225829B2
Application number: JP2014105061A
Authority: JP
Inventors: 英人武田; 近藤　和吉; 和吉近藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: JP2015218099A

Description

本発明は、水を水素と酸素に分解して水素や酸素を取り出す水の分解方法および水の分解装置に関する。

従来、水を水素と酸素に分解して水素や酸素を取り出す方法についての研究が行われている。この種の方法としては、例えば、特許文献１に記載の水の分解方法が提案されている。この水の分解方法では、水を水素と酸素に分解する分解反応における反応速度を速める触媒（ここでは、アルミン酸イオン）を使用して水を酸素と水素に熱分解する。このような水の分解方法により、低温度（１９０〜２００℃程度）で、尚且つ、ファラディー則から計算される以上の効率で、水素や酸素を取り出す。

特開２００５−２３９４８８号公報

水素は活性が非常に強く、他の物質と結合し易い物質であるから、水が分解されて水素と酸素が生成されても、その直後に水素と酸素とが再結合し易い。このため、水を水素と酸素に分解して水素や酸素を取り出す方法においては、この再結合によって水素や酸素の生成効率が低下することが問題となる。しかしながら、特許文献１では、この問題に対する充分な解決手段が開示されていない。

本発明は上記点に鑑みて、水が分解されて生成された水素と酸素との再結合を抑制することができる水の分解方法および水の分解装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水を水素と酸素に分解する分解反応における反応速度を速める触媒（２１）を使用して水を酸素と水素に分解して、酸素を捕捉する機能を有する捕捉剤（２３）によって分解により生じた酸素を捕捉しつつ、もしくは、水素を捕捉する機能を有する捕捉剤によって分解により生じた水素を捕捉しつつ、分解により生じた水素および酸素のうち捕捉剤に捕捉されていない方の物質を取り出す第１ステップと、第１ステップの後において、分解により生じた水素および酸素のうち捕捉剤に捕捉された方の物質を取り出す第２ステップと、を有することを特徴とする。具体的には、請求項１に記載の発明では、触媒として、粒子状物質で構成された触媒を使用すると共に、触媒を担持する担体を捕捉剤として使用し、捕捉剤として使用される触媒を担持する担体が、Ｆｅ _２Ｏ _３で構成された基部の表面が部分的に還元されてＦｅ _３Ｏ _４とされた構成とされたものとしている。

このため、水が分解されて生成された水素と酸素との再結合を抑制しつつ、効率よく水素や酸素を取り出すことができる。

本発明の第１実施形態における水の分解装置の全体構成を模式的に示す図である。図１に示す水の分解装置において、触媒および酸素捕捉剤が担体によって担持された状態を模式的に示す図である。本発明の第１実施形態における水の分解方法のフローを示す図である。本発明の第１実施形態における水の分解方法において、酸素（酸素イオン）が酸素捕捉剤に捕捉される様子を模式的に示す図である。本発明の第１実施形態における水の分解方法において、酸素（酸素イオン）が酸素捕捉剤から離脱する様子を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態における水の分解装置１および水の分解方法について図１〜図５を参照して説明する。

本実施形態における水の分解装置１は、図１に示すような構成とされている。装置１は、反応容器２と、熱交換器３とを備え、反応容器２の内部において、触媒２１、触媒２１を担持する担体２２、および酸素を捕捉する機能を有する酸素捕捉剤２３を備える。また、装置１は、触媒２１を挟んで配置された電極（以下、第１電極という）４ａおよび電極（以下、第２電極という）４ｂと、第１、２電極４ａ、４ｂ同士を繋ぐ配線に接続された電源（以下、第１電源という）４ｃを有する。また、装置１は、酸素（酸素イオン）を伝導する固体電解質（イオン伝導体）５と、第２電極４ｂとの間に固体電解質５を挟んで配置された電極（以下、第３電極という）４ｄと、第２、３電極４ｂ、４ｃ同士を繋ぐ配線に接続された電源（以下、第２電源という）４ｅを有する。

図１に示すように、反応容器２は、水を反応容器２の内部に導入するための入口２ａと、入口２ａから導入された水を水素と酸素に分解する場所である分解サイト２ｂと、水素を外部に導出するための出口２ｃと、酸素を導出するための出口２ｄとを有する。なお、以下において、出口２ｃを第１出口２ｃといい、出口２ｄを第２出口２ｄという。また、分解サイト２ｂに、触媒２１、担体２２、および酸素捕捉剤２３が備えられている。

触媒２１は、水を水素と酸素に分解する分解反応における反応速度を速める物質であり、例えば、Ｐｔ、Ｐｄなどの白金族元素などを主成分とする物質が採用される。ここでは、特に、触媒２１として、粒子状物質で構成された触媒を使用している。熱交換器３は、反応容器２の内部に導入された水を水素と酸素に分解するために触媒２１を加熱する加熱手段として設けられたものである。本実施形態における水の分解方法では、触媒２１および熱交換器３によって水の分解が促進される。

図２に示すように、担体２２は、触媒２１を担持する物質であり、例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３で構成された基部の表面が部分的に還元されてＦｅ_３Ｏ_４とされている構成の物質などの金属酸化物などが採用される。ここでは、担体２２を、酸素を捕捉する捕捉剤として機能させるために、担体２２として、Ｆｅ_２Ｏ_３で構成された基部の表面が部分的に還元されてＦｅ_３Ｏ_４とされている構成の物質を採用している。

酸素捕捉剤２３は、酸素を捕捉する機能を有する物質であり、例えば、Ａｇ、Ｋなどの酸素を化学的に捕捉する物質や、ゼオライト、ＣｅＯ_２−ＺｒＯ_２、ＺｎＯ−Ｂｉ_２Ｏ_３などの酸素を物理的に捕捉する物質などが採用される。なお、図２に示すように、本実施形態では、酸素捕捉剤２３を、担体２２によって担持された構成とし、触媒２１の粒子間に配置している。

第１電極４ａ、第２電極４ｂ、および第１電源４ｃは、触媒２１に電場を印加するための電場発生手段（以下、第１電場発生手段という）４１として設けられたものである。本実施形態では、第１電場発生手段４１によって触媒２１に電場を印加することで、水の分解を促進させる。

第２電極４ｂ、第３電極４ｄ、および第２電源４ｅは、固体電解質５に電場を印加するための電場発生手段（以下、第２電場発生手段という）４２として設けられたものである。そして、第２電場発生手段４２および固体電解質５は、酸素捕捉剤２３に捕捉された酸素を第２出口２ｄまで伝導させる酸素伝導手段６として機能する。すなわち、本実施形態では、第２電場発生手段４２によって固体電解質５に電場を印加することで、酸素捕捉剤２３に捕捉された酸素（酸素イオン）を、固体電解質５を介して第２出口２ｄ（第３電極４ｄ側）に伝導させる。

本実施形態における水の分解装置１は、以上説明したような構成である。次に、本実施形態における水の分解方法について図３〜図５を参照して説明する。

図３に示すように、第１ステップとして、まず、触媒２１を加熱するために、熱交換器３によって反応容器２を加熱（例えば、５００℃）する。次に、水を入口２ａから反応容器２の内部に導入して分解サイト２ｂに供給すると共に、第１電場発生手段４１によって分解サイト２ｂ（触媒２１、担体２２、酸素捕捉剤２３）に電場を印加することで、触媒２１の触媒作用を促進させて、水を水素（水素イオン）と酸素（酸素イオン）に分解する。このとき、図４に示すように、酸素（酸素イオン）は酸素捕捉剤２３によって捕捉されるため、水が分解することで生じた酸素が水素と再結合することを抑制しつつ、水素を第１出口２ｃから導出して取り出すことができる。こうして、第１ステップでは、触媒２１を使用して水を酸素と水素に分解して、酸素捕捉剤２３によって該分解により生じた酸素を捕捉しつつ、該分解により生じた水素を取り出す。

図３に示すように、第１ステップの後の第２ステップとして、まず、分解サイト２ｂへの水の供給を止めると共に、第１電場発生手段４１による分解サイト２ｂへの電場の印加を止める。次に、第２電場発生手段４２によって固体電解質５に電場を印加することで、図５に示すように、酸素捕捉剤２３によって捕捉されていた酸素を、酸素捕捉剤２３から離脱させて、固体電解質５を介して第３電極４ｄ側に伝導して第２出口２ｄから導出して取り出す。こうして、第２ステップでは、水の分解により生じた酸素を取り出す。

このように、本実施形態における水の分解方法では、酸素を捕捉しつつ水素を取り出す第１ステップと、第１ステップの後に酸素を取り出す第２ステップとを有する。このため、水が分解されて生成された水素と酸素との再結合を抑制しつつ、効率よく水素や酸素を取り出すことができる。また、本実施形態における水の分解方法では、触媒２１として粒子状物質で構成された触媒を使用し、触媒２１の粒子間に酸素捕捉剤２３を配置しているため、特に効率よく、酸素捕捉剤２３によって酸素が捕捉され、水素と酸素との再結合が抑制される。また、本実施形態における水の分解方法では、触媒２１を担持する担体２２を酸素捕捉剤２３として使用しているため、特に効率よく、酸素捕捉剤２３によって酸素が捕捉され、水素と酸素との再結合が抑制される。また、本実施形態における水の分解方法では、第２ステップにおいて、分解により生じた酸素を固体電解質５によって伝導させることで、酸素捕捉剤２３を再度、酸素捕捉可能な状態とすることができ、これにより、水の分解を繰り返し行うことができる。

上記で説明したように、本実施形態における水の分解方法では、酸素を捕捉しつつ水素を取り出す第１ステップと、第１ステップの後に酸素を取り出す第２ステップとを有する。すなわち、第１ステップでは、触媒２１を使用して水を酸素と水素に分解して、酸素を捕捉する機能を有する酸素捕捉剤２３によって該分解により生じた酸素を捕捉しつつ、該分解により生じた水素を取り出す。第１ステップの後の第２ステップにおいて、該分解により生じた酸素を取り出す。

また、本実施形態における水の分解方法では、触媒２１として粒子状物質で構成された触媒を使用し、触媒２１の粒子間に酸素捕捉剤２３を配置している。

このため、特に効率よく、酸素捕捉剤２３によって酸素が捕捉され、水素と酸素との再結合が抑制される。

また、本実施形態における水の分解方法では、触媒２１を担持する担体２２を酸素捕捉剤２３として使用している。

また、本実施形態における水の分解方法では、第２ステップにおいて、分解により生じた酸素を固体電解質５によって伝導させて取り出す。

このため、酸素捕捉剤２３を再度、酸素捕捉可能な状態とすることができ、これにより、水の分解を繰り返し行うことができる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、第１実施形態では、第１ステップにおいて、酸素を捕捉する機能を有する酸素捕捉剤２３によって酸素を捕捉しつつ水素を取り出し、第２ステップにおいて、酸素を取り出していた。しかしながら、第１ステップにおいて、水素を捕捉する機能を有する水素捕捉剤によって水素を捕捉しつつ第１出口２ｃから酸素を導出して取り出し、第２ステップにおいて、水素を第２出口２ｄから導出して取り出すようにしてもよい。この場合、水素捕捉剤としては、水素吸蔵合金で構成された捕捉剤などを使用すればよい。また、第１実施形態において酸素伝導手段６によって酸素を第２出口２ｄまで伝導していたように、水素を第２出口２ｄまで伝導させる手段である水素伝導手段を設けて、水素捕捉剤に捕捉された水素を第２出口２ｄまで伝導するようにしてもよい。この場合、水素伝導手段としては、例えば、第１実施形態の酸素伝導手段６において、固体電解質５をプロトン伝導体タイプの固体電解質とした構成を採用することができる。この場合においても、第２電場発生手段４２によって固体電解質５に電場を印加することで、水素捕捉剤に捕捉された水素（水素イオン）を、固体電解質５を介して第２出口２ｄ（第３電極４ｄ側）に伝導させることができる。

２反応容器
２１触媒
２２担体
２３酸素捕捉剤
４ａ第１電極
４ｂ第２電極
４ｃ第１電源
４ｄ第３電極
４ｅ第２電源
５固体電解質

Claims

水を水素と酸素に分解する分解反応における反応速度を速める触媒（２１）を使用して水を酸素と水素に分解して、酸素を捕捉する機能を有する捕捉剤（２３）によって前記分解により生じた酸素を捕捉しつつ、もしくは、水素を捕捉する機能を有する捕捉剤によって前記分解により生じた水素を捕捉しつつ、前記分解により生じた水素および酸素のうち前記捕捉剤に捕捉されていない方を取り出す第１ステップと、
前記第１ステップの後において、前記分解により生じた水素および酸素のうち前記捕捉剤に捕捉された方を取り出す第２ステップと、を有し、
前記触媒として、粒子状物質で構成された触媒を使用すると共に、
前記触媒を担持する担体を前記捕捉剤として使用し、
前記捕捉剤として使用される前記触媒を担持する担体が、Ｆｅ _２Ｏ _３で構成された基部の表面が部分的に還元されてＦｅ _３Ｏ _４とされた構成とされていることを特徴とする水の分解方法。
前記触媒として、粒子状物質で構成された触媒を使用して、
前記触媒の粒子間に前記捕捉剤を配置することを特徴とする請求項１に記載の水の分解方法。
前記第２ステップにおいて、前記分解により生じた水素および酸素のうち前記捕捉剤に捕捉された方を、電場を印加された固体電解質（５）によって伝導させて取り出すことを特徴とする請求項１または２に記載の水の分解方法。
前記第１ステップにおいて、酸素を捕捉する機能を有する前記捕捉剤によって前記分解により生じた酸素を捕捉しつつ、前記分解により生じた水素を取り出し、
前記第２ステップにおいて、前記分解により生じた酸素を取り出すことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の水の分解方法。
前記捕捉剤として、Ａｇ、Ｋを主成分とする捕捉剤を使用することを特徴とする請求項４に記載の水の分解方法。
前記捕捉剤として、ゼオライト、ＣｅＯ_２−ＺｒＯ_２、ＺｎＯ−Ｂｉ_２Ｏ_３で構成とされた捕捉剤を使用することを特徴とする請求項４に記載の水の分解方法。
前記第１ステップにおいて、水素を捕捉する機能を有する前記捕捉剤によって前記分解により生じた水素を捕捉しつつ、前記分解により生じた酸素を取り出し、
前記第２ステップにおいて、前記分解により生じた水素を取り出すことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の水の分解方法。
前記捕捉剤として、水素吸蔵合金で構成された捕捉剤を使用することを特徴とする請求項７に記載の水の分解方法。
前記触媒として、白金族元素を主成分とする触媒を使用することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の水の分解方法。
水を内部に導入するための入口（２ａ）と、水を水素と酸素に分解する分解反応における反応速度を速める触媒（２１）、および、酸素を捕捉する機能を有する捕捉剤（２３）が備えられ、前記入口から導入された水を水素と酸素に分解する場所である分解サイト（２ｂ）と、前記分解サイトで水が分解されたことで生じた水素および酸素のうち前記捕捉剤に捕捉されていない水素を外部に導出するための第１出口（２ｃ）と、前記分解サイトで水が分解されたことで生じた水素および酸素のうち前記捕捉剤に捕捉された酸素を導出するための第２出口（２ｄ）と、を有する反応容器（２）と、
前記反応容器の内部に導入された水を水素と酸素に分解するために前記触媒を加熱する加熱手段（３）と、
前記触媒に電場を印加するための第１電場発生手段（４１）と、
前記分解サイトで水が分解されたことで生じた水素および酸素のうち前記捕捉剤に捕捉された酸素を前記第２出口まで伝導させる伝導手段（６）と、を備えることを特徴とする水の分解装置。
前記伝導手段が、前記分解サイトで水が分解されたことで生じた水素および酸素のうち前記捕捉剤に捕捉された酸素を伝導する固体電解質（５）と、前記固体電解質に電場を印加するための第２電場発生手段（４２）と、で構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の水の分解装置。