特開 2024-93449 光触媒装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024093449

(43)【公開日】2024-07-09

(54)【発明の名称】光触媒装置

(51)【国際特許分類】

   B01J 35/39 20240101AFI20240702BHJP

   B01J 27/24 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

B01J35/02 J

B01J27/24 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022209840

(22)【出願日】2022-12-27

(71)【出願人】

【識別番号】000116574

【氏名又は名称】愛三工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 哲哉

(72)【発明者】

【氏名】近藤 璃奈

(72)【発明者】

【氏名】柴田 菜央夏

【テーマコード（参考）】

4G169

【Ｆターム（参考）】

4G169AA20

4G169BA04B

4G169BA48A

4G169BB06B

4G169BB11B

4G169BC02B

4G169BC10B

4G169BC42B

4G169BC56B

4G169CB81

4G169CC33

4G169DA06

4G169EC28

4G169EE09

4G169HA05

4G169HB01

4G169HB06

4G169HB10

4G169HD05

4G169HE09

4G169HF05

(57)【要約】

【課題】 太陽光線を利用して水素を生成する光触媒装置において、太陽光線を有効的に利用することができる技術を提供する。
【解決手段】 光触媒装置は、太陽光線を分光する分光器と、水素を含む液体が供給されるハウジングと、ハウジング内に収容され、分光器に接続され、分光器によって分光された光のうち、第１の波長を含む光が伝搬される第１導光部材と、ハウジング内に収容され、分光器に接続され、分光器によって分光された光のうち、第１の波長とは異なる第２の波長を含む光が伝搬される第２導光部材と、ハウジング内に収容され、第１の波長にピークを有する第１のモル吸光係数を有し、第１導光部材から発光される光が照射される第１光触媒と、ハウジング内に収容され、第２の波長にピークを有する第２のモル吸光係数を有し、第２導光部材から発光される光が照射される第２光触媒と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽光線を利用して水素を生成する光触媒装置であって、
前記太陽光線を分光する分光器と、
水素を含む液体が供給されるハウジングと、
前記ハウジング内に収容され、前記分光器に接続され、前記分光器によって分光された光のうち、第１の波長を含む光が伝搬される第１導光部材と、
前記ハウジング内に収容され、前記分光器に接続され、前記分光器によって分光された光のうち、前記第１の波長とは異なる第２の波長を含む光が伝搬される第２導光部材と、
前記ハウジング内に収容され、前記第１の波長にピークを有する第１のモル吸光係数を有し、前記第１導光部材から発光される光が照射される第１光触媒と、
前記ハウジング内に収容され、前記第２の波長にピークを有する第２のモル吸光係数を有し、前記第２導光部材から発光される光が照射される第２光触媒と、
を備える、光触媒装置。

【請求項2】

請求項１に記載の光触媒装置であって、
前記ハウジング内に収容され、前記分光器によって分光された光のうち、前記第１の波長及び前記第２の波長よりも長い波長を有する赤外光を利用して、前記ハウジング内の水を加熱する加熱部を備える、光触媒装置。

【請求項3】

請求項１に記載の光触媒装置であって、
前記ハウジングに前記液体を供給する供給部と、
前記分光器に伝搬される光量を検知する光量検知部と、
前記光量検知部によって検知される前記光量に基づいて、前記供給部の動作を制御する制御部と、をさらに備える、光触媒装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の光触媒装置であって、
前記ハウジングは、前記ハウジング内に前記液体を供給する供給孔と、前記供給孔よりも上方に設けられており、前記ハウジング内から水素を排出する排出孔と、を備える、光触媒装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示する技術は、光触媒装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、太陽光線を利用して、水素を生成する光触媒装置が開示されている。この光触媒装置は、水素を含む液体が供給されるハウジングと、ハウジング内に収容され、太陽光線が伝搬される導光部材と、ハウジング内に収容され、特定の波長にピークを有する特定のモル吸光係数を有し、導光部材から発光される光が照射される光触媒と、を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－６３４２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

太陽光線には、様々な波長の光が含まれている。特許文献１の光触媒装置は、１種類の光触媒のみを備えている。この場合、太陽光線に含まれる様々な波長の光のうち、当該光触媒が吸収可能な波長の光しか、水素を生成するのに利用することができない。

【0005】

本明細書では、太陽光線を利用して水素を生成する光触媒装置において、太陽光線を有効的に利用することができる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書が開示する技術の第１の態様では、太陽光線を利用して水素を生成する光触媒装置は、前記太陽光線を分光する分光器と、水素を含む液体が供給されるハウジングと、前記ハウジング内に収容され、前記分光器に接続され、前記分光器によって分光された光のうち、第１の波長を含む光が伝搬される第１導光部材と、前記ハウジング内に収容され、前記分光器に接続され、前記分光器によって分光された光のうち、前記第１の波長とは異なる第２の波長を含む光が伝搬される第２導光部材と、前記ハウジング内に収容され、前記第１の波長にピークを有する第１のモル吸光係数を有し、前記第１導光部材から発光される光が照射される第１光触媒と、前記ハウジング内に収容され、前記第２の波長にピークを有する第２のモル吸光係数を有し、前記第２導光部材から発光される光が照射される第２光触媒と、を備える。

【0007】

上記の構成によると、光触媒装置は、モル吸光係数のピークの波長が異なる２種類の光触媒を備えている。第１光触媒は、分光器によって分光された光のうち、第１の波長を含む光を利用して、水素を生成し、第２光触媒は、分光器によって分光された光のうち、第２の波長を含む光を利用して、水素を生成する。従って、１種類の光触媒のみを備える構成と比較して、太陽光線を有効的に利用することができる。

【0008】

第２の態様では、上記第１の態様において、前記光触媒装置は、前記ハウジング内に収容され、前記分光器によって分光された光のうち、前記第１の波長及び前記第２の波長よりも長い波長を有する赤外光を利用して、前記ハウジング内の水を加熱する加熱部を備えてもよい。

【0009】

一般的な光触媒では、赤外光を吸収することができない。このため、光触媒によって水素を生成する光として赤外光は利用されない。上記の構成によると、赤外光を利用して、ハウジング内の液体を加熱することができる。液体の温度が高い方が、光触媒が活性化される。このため、第１光触媒及び第２光触媒によって生成される水素の量を増加させることができる。従って、太陽光線をさらに有効的に利用することができる。

【0010】

第３の態様では、上記第１又は第２の態様において、前記光触媒装置は、前記ハウジングに水を供給する供給部と、前記分光器に伝搬される光量を検知する光量検知部と、前記光量検知部によって検知される前記光量に基づいて、前記供給部の動作を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。

【0011】

分光器に伝搬される光量が少ない場合に、多くの液体をハウジングに供給することは、エネルギーの無駄となる。上記の構成によると、制御部は、光量検知部によって検知される光量に基づいて、供給部の動作を制御する。従って、エネルギーの無駄となることを抑制することができる。

【0012】

第４の態様では、上記第１から第３の態様のいずれか１つにおいて、前記ハウジングは、前記ハウジング内に液体を供給する供給孔と、前記供給孔よりも上方に設けられており、前記ハウジング内から水素を排出する排出孔と、を備えてもよい。

【0013】

供給孔が排出孔よりも上方に設けられている構成の場合、液体によって排出口が覆われている場合がある。この場合、液体から生成された水素ガスの気泡が液体内に滞留し得る。上記の構成によると、液体から生成された水素が液体内に滞留することなく、供給孔よりも上方に設けられている排出孔から排出される。従って、液体から生成された水素を効率的に回収することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施例に係る光触媒システムの概略を示す図。

【図2】実施例に係るガス生成ユニットの構成を示す図。

【図3】モル吸光係数と波長との相関を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（実施例）
図１～図３を参照して、実施例の光触媒システム２について説明する。図１に示すように、光触媒システム２は、集光レンズ１０と、ガス生成ユニット１２と、を備えている。集光レンズ１０は、例えば、建物の屋上に設置される。集光レンズ１０は、太陽４からの光（以下では、「太陽光線」と記載する）を集光する。集光レンズ１０には、集光レンズ１０によって集光される光量を検知する光量センサ１０ａが設けられている。集光レンズ１０とガス生成ユニット１２とは、光ファイバ１４によって接続されている。集光レンズ１０で集光された太陽光線は、光ファイバ１４を介して、ガス生成ユニット１２に伝搬される。ガス生成ユニット１２は、集光レンズ１０から伝搬される太陽光線を利用して、水素を生成する。

【0016】

図２を参照して、ガス生成ユニット１２について説明する。ガス生成ユニット１２は、分光器２０と、ハウジング２２と、ポンプ２４と、制御部２６と、給水管２８と、排水管３０と、酸素ガス排出管３２と、水素ガス排出管３４と、を備えている。分光器２０は、光ファイバ１４によって、集光レンズ１０（図１参照）に接続されている。分光器２０は、光ファイバ１４を介して伝搬される太陽光線を波長ごとに分光する。

【0017】

ハウジング２２には、光触媒ユニット４０が収容されている。ハウジング２２は、給水口４２と、排水口４４と、酸素ガス排出口４６と、水素ガス排出口４８と、を備えている。給水口４２及び排水口４４は、ハウジング２２の下部に設けられている。給水管２８の一端は、給水口４２に接続されており、給水管２８の他端は、水が貯留されるタンク（図示省略）に接続されている。給水管２８には、ポンプ２４が設けられている。ポンプ２４は、タンクに貯留されている水をハウジング２２内に供給する。排水管３０の一端は、排水口４４に接続されており、排水管３０の他端は、タンクに接続されている。酸素ガス排出口４６及び水素ガス排出口４８は、ハウジング２２の上部に設けられている。酸素ガス排出口４６及び水素ガス排出口４８は、給水口４２及び排水口４４よりも上方、及び、第１光触媒６２ａ、第２光触媒６２ｂ、第３光触媒６２ｃの上端よりも上方に設けられている。酸素ガス排出口４６には酸素ガス排出管３２が接続されており、水素ガス排出口４８には水素ガス排出管３４が接続されている。なお、本実施例では、ハウジング２２は、水平方向に平行に配置されているが、変形例では、酸素ガス排出口４６及び水素ガス排出口４８が給水口４２及び排水口４４よりも上方に位置していれば、ハウジング２２が水平方向に対して傾斜していてもよい。

【0018】

光触媒ユニット４０は、４個の導光板（第１導光板６０ａ～第４導光板６０ｄ）と、３個の光触媒（第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃ）と、を備えている。第１導光板６０ａ～第４導光板６０ｄは、それぞれ、第１光ファイバ６４ａ～第４光ファイバ６４ｄを介して、分光器２０に接続されている。第１導光板６０ａ～第４導光板６０ｄは、水平方向に間隔を空けて配置されている。水平方向において、第１光触媒６２ａは、第１導光板６０ａと第２導光板６０ｂとの間に配置されており、第２光触媒６２ｂは、第２導光板６０ｂと第３導光板６０ｃとの間に配置されており、第３光触媒６２ｃは、第３導光板６０ｃと第４導光板６０ｄとの間に配置されている。各導光板６０ａ～６０ｄと各光触媒６２ａ～６２ｃとの間には、隙間Ｓが設けられている。毛細管現象によって、隙間Ｓ内を水が上昇するように構成されている。このような構成によると、ハウジング２２内の全体の水位を、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃの上端付近まで上昇させる構成と比較して、光触媒システム２に利用されるエネルギーを低減することができる。本実施例では、第１導光板６０ａ～第３導光板６０ｃは、図２の右側の面からのみ、光が発光されるように構成されている。第１導光板６０ａは、第１光触媒６２ａに光を照射し、第２導光板６０ｂは、第２光触媒６２ｂに光を照射し、第３導光板６０ｃは、第３光触媒６２ｃに光を照射する。なお、変形例では、第１導光板６０ａ～第３導光板６０ｃは、図２の左右両側の面から光が発光されるように構成されていてもよい。第４導光板６０ｄには、赤外光を熱に変換する発熱部材６６が塗布されている。発熱部材６６は、例えば、ジイモニウム系化合物からなる。

【0019】

図３を参照して、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃについて説明する。図３の縦軸は、モル吸光係数［Ｌ・ｍｏｌ^－１・ｃｍ^－１］を示し、横軸は、波長［ｎｍ］を示す。モル吸光係数は、物質が光を吸収する程度を示す指標である。第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃは、光が照射されることによって、光触媒反応を生じる。本実施例では、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃは、ＬａＭｇ_ｘＴａ_１－ｘＯ_１＋３ＸＮ_２－３Ｘから構成される部材である。この化学式の変数Ｘについて、第１光触媒６２ａでは「Ｘ＝０．６６」であり、第２光触媒６２ｂでは「Ｘ＝０．６」であり、第３光触媒６２ｃでは「Ｘ＝０．０５」である。第１光触媒６２ａ、第２光触媒６２ｂ、第３光触媒６２ｃにおいて、モル吸光係数がピークとなる波長は、それぞれ、約２５０ｎｍ、約４００ｎｍ、約５００ｎｍである。

【0020】

図２の第１導光板６０ａには、第１光ファイバ６４ａを介して、約２５０ｎｍの波長を有する光が伝搬され、第２導光板６０ｂには、第２光ファイバ６４ｂを介して、約４００ｎｍの波長を有する光が伝搬され、第３導光板６０ｃには、第３光ファイバ６４ｃを介して、約５００ｎｍの波長を有する光が伝搬され、第４導光板６０ｄには、第４光ファイバ６４ｄを介して、約７８０ｎｍよりも長い波長を有する光（即ち赤外光）が伝搬される。

【0021】

制御部２６は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えている。制御部２６は、記憶装置（図示省略）に記憶されている所定のプログラムに従って、ポンプ２４等の動作を制御する。制御部２６は、光量センサ１０ａによって検出される光量に応じて、ポンプ２４の回転数を変化させる。制御部２６は、光量センサ１０ａによって検出される光量が大きいほど、ポンプ２４の回転数を高くする。即ち、制御部２６は、光量センサ１０ａによって検出される光量が大きいほど、ハウジング２２に供給される水量を多くする。

【0022】

本実施例の光触媒システム２の動作について説明する。まず、図１の集光レンズ１０で集光された太陽光線が分光器２０に伝搬され、分光器２０において太陽光線が分光される。そして、約２５０ｎｍの波長を有する光が、第１光ファイバ６４ａを介して、第１導光板６０ａに伝搬され、約４００ｎｍの波長を有する光が、第２光ファイバ６４ｂを介して、第２導光板６０ｂに伝搬される。また、約５００ｎｍの波長を有する光が、第３光ファイバ６４ｃを介して、第３導光板６０ｃに伝搬され、約７８０ｎｍよりも長い波長を有する赤外光が、第４光ファイバ６４ｄを介して、第４導光板６０ｄに伝搬される。そして、第１導光板６０ａ～第３導光板６０ｃのそれぞれから、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃに光が照射される。光が照射されることによって、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃにおいて光触媒反応が生じ、ハウジング２２内の水が、酸素と水素とに分解される。即ち、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃによって、酸素と水素とが生成される。生成された酸素は、酸素ガス排出口４６及び酸素ガス排出管３２を介して外部に排出される。生成された水素は、水素ガス排出口４８及び水素ガス排出管３４を介して外部に排出される。このようにして、光触媒システム２によって水素が生成される。

【0023】

また、第４導光板６０ｄに赤外光が伝搬されることによって、発熱部材６６が発熱し、ハウジング２２内の水温が高くなる。これにより、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃが活性化され、酸素と水素とを生成する能力が向上する。

【0024】

（本実施例の効果）
上述のように、光触媒システム２（「光触媒装置」の一例）は、太陽光線を分光する分光器２０と、水（「液体」の一例）が供給されるハウジング２２と、ハウジング２２内に収容され、前記分光器２０に接続され、前記分光器によって分光された光のうち、約２５０ｎｍの波長（「第１の波長」の一例）を含む光が伝搬される第１導光板６０ａ（「第１の導光部材」の一例）と、ハウジング２２内に収容され、前記分光器２０に接続され、前記分光器によって分光された光のうち、約４００ｎｍの波長（「第２の波長」の一例）を含む光が伝搬される第２導光板６０ｂ（「第２導光部材」の一例）と、ハウジング２２内に収容され、約２５０ｎｍの波長にピークを有する第１のモル吸光係数を有し、第１導光板６０ａから発光される光が照射される第１光触媒６２ａと、ハウジング２２内に収容され、約４００ｎｍの波長にピークを有する第２のモル吸光係数を有し、第２導光板６０ｂから発光される光が照射される第２光触媒６２ｂと、を備える。

【0025】

上記の構成によると、光触媒システム２は、モル吸光係数のピークの波長が異なる２種類の光触媒６２ａ、６２ｂを備えている。第１光触媒６２ａは、分光器２０によって分光された光のうち、約２５０ｎｍの波長を含む光を利用して、水素を生成する。また、第２光触媒６２ｂは、分光器２０によって分光された光のうち、約２５０ｎｍの波長を含む光を利用して、水素を生成する。従って、１種類の光触媒のみを備える構成と比較して、太陽光線を有効的に利用することができる。また、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃに様々な波長の光が照射される構成と比較して、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃの発熱を抑制することができ、この結果、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃの耐久性を向上させることができる。

【0026】

また、光触媒システム２は、ハウジング２２内に収容され、分光器２０によって分光された光のうち、赤外光を利用して、ハウジング２２内の水を加熱する発熱部材６６（「加熱部」の一例）を備えている。

【0027】

一般的な光触媒では、赤外光を吸収することができない。このため、光触媒によって水素を生成する光として赤外光は利用されない。上記の構成によると、赤外光を利用して、ハウジング２２内の水を加熱することができる。水の温度が高い方が、光触媒が活性化される。このため、第１光触媒６２ａ及び第２光触媒６２ｂによって生成される水素の量を増加させることができる。従って、太陽光線をさらに有効的に利用することができる。

【0028】

また、光触媒システム２は、ハウジング２２に水を供給するポンプ２４（「供給部」の一例）と、分光器２０に伝搬される光量を検知する光量センサ１０ａ（「光量検知部」の一例）と、光量センサ１０ａによって検知される光量に基づいて、ポンプ２４の動作を制御する制御部２６と、をさらに備えている。

【0029】

分光器２０に伝搬される光量が少ない場合に、多くの水をハウジング２２に供給することは、エネルギーの無駄となる。上記の構成によると、制御部２６は、光量センサ１０ａによって検知される光量に基づいて、ポンプ２４の動作を制御する。従って、エネルギーの無駄となることを抑制することができる。

【0030】

また、ハウジング２２は、ハウジング２２内に水を供給する給水口４２（「供給孔」の一例）と、給水口４２よりも上方に設けられており、ハウジング２２内から水素を排出する水素ガス排出口４８（「排出孔」の一例）と、を備えている。

【0031】

給水口４２が水素ガス排出口４８よりも上方に設けられている構成の場合、水によって水素ガス排出口４８が覆われている場合がある。この場合、水から生成された水素ガスの気泡が滞留し得る。上記の構成によると、水から生成された水素が滞留することなく、給水口４２よりも上方に設けられている水素ガス排出口４８から排出される。従って、水から生成された水素を効率的に回収することができる。

【0032】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。以下、上述した実施例の変形例を以下に列挙する。

【0033】

（第１変形例）「水素を含む液体」は、水に限定されず、メタノールなどのアルコールであってもよい。

【0034】

（第２変形例）光触媒システム２は、２種類の光触媒を備えていてもよいし、４種類以上の光触媒を備えていてもよい。

【0035】

（第３変形例）光触媒システム２は、発熱部材６６が塗布されている第４導光板６０ｄを備えていなくてもよい。本変形例では、「加熱部」を省略可能である。また、別の変形例では、光触媒システム２は、第４導光板６０ｄに代えて、ヒータなどの加熱装置を備えていてもよい。

【0036】

（第４変形例）制御部２６は、分光器２０に伝搬される光量に関わらず、ポンプ２４を一定の回転数で動作させてもよい。本変形例では、光触媒システム２は、光量センサ１０ａを備えていなくてもよい。また、別の変形例では、光触媒システム２は、ハウジング２２内の水の温度を検知する水温センサを備えていてもよい。本変形例では、制御部２６は、光量センサ１０ａによって検知される光量、及び、水温センサによって検知される水温に基づいて、ポンプ２４の動作を制御するとよい。例えば、制御部２６は、光量が大きいほど、ポンプ２４の回転数を高くするとともに、水温が高いほど、ポンプ２４の回転数を高くするとよい。

【0037】

（第５変形例）給水口４２の上下方向の位置と、水素ガス排出口４８の上下方向の位置と、が同じでもよいし、給水口４２が水素ガス排出口４８よりも上方に位置していてもよい。

【0038】

（第６変形例）上記の実施例では、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃを構成する元素が同じであるが、複数の光触媒を構成する元素が異なっていてもよい。また、第１光触媒６２ａ～第３光触媒６２ｃは、ＬａＭｇ_ｘＴａ_１－ｘＯ_１＋３ＸＮ_２－３Ｘに限定されず、ＴｉＯ２、ＮａＴａＯ_３等であってもよい。

【0039】

本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0040】

２：光触媒システム、４：太陽、１０：集光レンズ、１０ａ：光量センサ、１２：ガス生成ユニット、１４：光ファイバ、２０：分光器、２２：ハウジング、２４：ポンプ、２６：制御部、２８：給水管、３０：排水管、３２：酸素ガス排出管、３４：水素ガス排出管、４０：光触媒ユニット、４２：給水口、４４：排水口、４６：酸素ガス排出口、４８：水素ガス排出口、６０ａ：第１導光板、６０ｂ：第２導光板、６０ｃ：第３導光板、６０ｄ：第４導光板、６２ａ：第１光触媒、６２ｂ：第２光触媒、６２ｃ：第３光触媒、６４ａ：第１光ファイバ、６４ｂ：第２光ファイバ、６４ｃ：第３光ファイバ、６４ｄ：第４光ファイバ、６６：発熱部材

【図1】

【図2】

【図3】