專利名稱：水分解裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用光催化劑來分解水的水分解裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
近年來，大量提出了使用清潔能源氫氣作為能源的方案。為了制造氫氣，一般進(jìn)行使用了烴燃料的水蒸氣轉(zhuǎn)化。此外，近年來，也考慮了通過水的分解、特別是使用太陽能的水的分解，由水得到氫氣。在通過水的分解得到氫氣的情況下，所得的生成物有時是氫氣、氧氣和水的混合物。在該情況下，為了獲得氫氣，需要從該混合物中僅分離并取出氫氣。關(guān)于這方面，在日本特開2001-213608、日本特開平10-218601、國際公開 W099/38215和日本特開2008-075097中提出了一種水分解裝置，在使用了光的水的催化分解或電解中，在不同電極中生成氫氣和氧氣，由此分開回收氫氣和氧氣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供具有用于有效進(jìn)行光催化反應(yīng)的結(jié)構(gòu)的水分解裝置、以及該水分解裝置的使用方法，所述水分解裝置是在不同電極中生成氫氣和氧氣的水分解裝置。本發(fā)明的水分解裝置，具有光分解元件、氫氣生成單元以及氧氣生成單元，所述光分解元件具有N型水分解電極面、和與N型水分解電極面相反側(cè)面的P型水分解電極面， 且通過照射到N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光來分解水，在N型水分解電極面產(chǎn)生氫氣，且在P型水分解電極面產(chǎn)生氧氣；所述氫氣生成單元，收容N型水分解電極面，收集在N型水分解電極面產(chǎn)生的氫氣；所述氧氣生成單元，收容P型水分解電極面，收集在P型水分解電極面產(chǎn)生的氧氣，且介由光分解元件與氫氣生成單元鄰接。在本發(fā)明的水分解裝置中，光分解元件具有能夠在氫氣生成單元與氧氣生成單元之間流通水的貫通孔，且貫通孔以不使為了分解水而照射到N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光透過到相反側(cè)的水分解電極面的方式配置。


圖1是說明本發(fā)明的水分解裝置的圖。圖2是對本發(fā)明的水分解裝置的一個形態(tài)的作用進(jìn)行說明的圖。圖3是對本發(fā)明的水分解裝置的其它形態(tài)的作用進(jìn)行說明的圖。圖4是可以在本發(fā)明的水分解裝置中使用的光分解元件的俯視圖(a)和立體圖 (b)。圖5是本發(fā)明的水分解裝置的其它光分解元件的俯視圖(a)和立體圖(b)。圖6是本發(fā)明的水分解裝置的其它光分解元件的俯視圖(a)和立體圖(b)。圖7是本發(fā)明的水分解裝置的其它光分解元件的俯視圖(a)和立體圖(b)。圖8是現(xiàn)有的水分解裝置的光分解元件的俯視圖(a)和立體圖(b)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的水分解裝置在不同電極中生成氫氣和氧氣，由此可以分開回收氫氣和氧氣。具體而言，例如，本發(fā)明的水分解裝置可以具有圖1所示那樣的結(jié)構(gòu)。這里，在該圖1所示的形態(tài)中，本發(fā)明的水分解裝置具有光分解元件(10)，所述光分解元件(10)具有N型水分解電極面(N)、和與N型水分解電極面(N)相反側(cè)面的P型水分解電極面(P)； 氫氣生成單元(20)，該單元收容N型水分解電極面(N)，收集在N型水分解電極面(N)產(chǎn)生的氫氣；以及氧氣生成單元(30)，該單元收容P型水分解電極面(P)，收集在P型水分解電極面(P)產(chǎn)生的氧氣(31)，且介由光分解元件(10)與氫氣生成單元00)鄰接。這里，本發(fā)明的水分解裝置中使用的光分解元件(10)，如圖2所示，具有N型水分解電極面(N)和相反側(cè)的P型水分解電極面(P)，且利用通過氫氣生成單元00)和/或氧氣生成單元(30)的透明窗部分(25、3幻照射到N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光(50)來分解水(60)，在N型水分解電極面產(chǎn)生氫氣，且在P型水分解電極面產(chǎn)生氧氣。更具體而言，如圖2所示，照射到N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光(50)向N型水分解電極面(N)提供電子(_)，由氫離子(H+)生成氫氣(H2),而且向 P型水分解電極面(P)提供空穴(+)，由水分子(H2O)生成氧氣(O2)和氫離子(H+)。另外， 在分解的水中，與氫離子相比包含大量氫氧根離子(0H_)的情況下，該反應(yīng)可以如圖3所示那樣表示。在本發(fā)明的水分解裝置中，光分解元件具有能夠在氫氣生成單元與氧氣生成單元之間流通水的貫通孔，且該貫通孔以不使為了分解水而照射到N型分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光透過到相反側(cè)的水分解電極面的方式配置。S卩，在本發(fā)明的水分解裝置中，如圖1所示，能夠穿過隨意的離子交換膜02)和單元連通孔G4)在氫氣生成單元00)與氧氣生成單元(30)之間如箭頭(62、64)所示那樣流通水(60)，此外或者作為代替，能夠穿過光分解元件(10)的貫通孔在氫氣生成單元00) 與氧氣生成單元(30)之間如箭頭(66)所示那樣流通水(60)。根據(jù)本發(fā)明的裝置，由于光分解元件具有能夠在氫氣生成單元與氧氣生成單元之間流通水的貫通孔，因此能夠使配置在氫氣生成單元的N型水分解電極面?zhèn)群团渲迷谘鯕馍蓡卧腜型水分解電極面?zhèn)戎g的電解液的移動變?nèi)菀?。即例如，在該情況下，在P型水分解電極面?zhèn)犬a(chǎn)生的氫離子(H+)可以迅速地移動到P型水分解電極面?zhèn)取４送?，根?jù)本發(fā)明的裝置，由于貫通孔配置在為了分解水而照射到N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光照射不到的位置，因此貫通孔的存在不會減少水分解電極的受光面積。即，根據(jù)本發(fā)明的裝置，可以有效地使用照射到N型水分解電極面和 P型水分解電極面的至少一方的光。本發(fā)明的水分解裝置的光分解元件所具有的貫通孔，只要不使為了分解水而照射到N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光透過到相反側(cè)的水分解電極面， 則可以以任意的方式配置。因此，例如，貫通孔可以在與為了分解水而照射到N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光的入射方向不同的方向形成、特別是以與該光的入射方向成20°以上、50°以上、或80°以上不同的角度形成。更特別地，貫通孔可以在與為了分解水而照射到N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光的入射方向?qū)嵸|(zhì)上垂直的方向配置。配置在與光的入射方向不同方向的貫通孔可以以任意的方式形成。因此，例如，如圖4所示那樣，光分解元件(IOa)可以具有彎折的結(jié)構(gòu)，且貫通孔可以在與為了分解水而照射到N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光的入射方向?qū)嵸|(zhì)上垂直的方向配置。在該情況下，可以如箭頭(Ila)所示那樣穿過貫通孔在氫氣生成單元與氧氣生成單元之間流通水。此外，例如，如圖5 7所示那樣，光分解元件包括互相錯開地疊層成的多個副光分解元件(10b、10c、10d)的集合體，由此貫通孔可以作為多個副光分解元件之間的間隙而形成。在該情況下，可以如箭頭(llb、llc、lld)所示那樣穿過貫通孔在氫氣生成單元與氧氣生成單元之間流通水。另外，多個副光分解元件(10b、10c、IOd)可以通過使一部分互相結(jié)合、固定端部等方式一體化，制成光分解元件。此外，多個副光分解元件(10b、10c、10d)可以制成例如寬度為10 μ m IOOmm的帶狀。此外，2個以上、5個以上、10個以上或100個以上的副光分解元件(10b、10c、10d)的集合體可以形成光分解元件。此外，光分解元件是多孔質(zhì)的，因此貫通孔可以作為多個氣孔連續(xù)形成的連續(xù)氣孔而形成。另外，現(xiàn)有的光分解元件(IOe)，如圖8所示，作為一體而形成，而且不具有能夠在氫氣生成單元與氧氣生成單元之間流通水的貫通孔。在本發(fā)明的水分解裝置的使用中，向氫氣生成單元和氧氣生成單元中加入水和隨意的電解質(zhì)，然后向光分解元件的N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方照射光，特別是太陽光，由此分解水，在N型水分解電極面產(chǎn)生氫氣，且在P型水分解電極面產(chǎn)生氧氣。這里，作為與水一起加入到氫氣生成單元和氧氣生成單元的隨意的電解質(zhì)，優(yōu)選使用在采用本發(fā)明的水分解裝置分解水的期間難以分解的電解質(zhì)。因此，例如，作為該電解質(zhì)，可以列舉氫氧化鈉。關(guān)于本發(fā)明的水分解裝置中使用的光分解元件的具體的制造，可以參照例如日本特許特開2001-213608。即，該光分解元件可以是具有下述層的疊層體作為產(chǎn)生氧氣的P 型水分解電極面的氧化鈦層、作為產(chǎn)生氫氣的N型水分解電極面的金屬鈦層、和在這些氧化鈦層和金屬鈦層之間的鉬層。另外，也可以在氧化鈦層負(fù)載作為氧氣發(fā)生用催化劑的氧化釕微粒、和/或在金屬鈦層負(fù)載作為氫氣發(fā)生用催化劑的鉬微粒。此外，該光分解元件可以是例如具有下述層的疊層體作為產(chǎn)生氧氣的P型水分解電極面的氧化鈦層、作為產(chǎn)生氫氣的N型水分解電極面的氮氧化鈦層、和在這些氧化鈦層和氮氧化鈦層之間的隨意的鉬層。
權(quán)利要求
1.一種水分解裝置，具有光分解元件，其具有N型水分解電極面、和與所述N型水分解電極面相反側(cè)面的P型水分解電極面，且通過照射到所述N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的光來分解水，在所述N型水分解電極面產(chǎn)生氫氣，且在P型水分解電極面產(chǎn)生氧氣，氫氣生成單元，其收容所述N型水分解電極面，收集在所述N型水分解電極面產(chǎn)生的氫氣，以及氧氣生成單元，其收容所述P型水分解電極面，收集在所述P型水分解電極面產(chǎn)生的氧氣，且介由所述光分解元件與所述氫氣生成單元鄰接，其中，所述光分解元件具有能夠在所述氫氣生成單元與所述氧氣生成單元之間流通水的貫通孔，且所述貫通孔以不使為了分解水而照射到所述N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的所述光透過到相反側(cè)的水分解電極面的方式配置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水分解裝置，其中，所述貫通孔在與為了分解水而照射到所述N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方的所述光的入射方向不同方向形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水分解裝置，其中，所述光分解元件包括互相錯開地疊層成的多個副光分解元件的集合體，因此所述貫通孔作為所述多個副光分解元件之間的間隙而形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3的任一項(xiàng)所述的水分解裝置，其中，所述光分解元件是多孔質(zhì)的，因此所述貫通孔作為多個氣孔連續(xù)形成的連續(xù)氣孔而形成。
5.一種使用權(quán)利要求1 4的任一項(xiàng)所述的水分解裝置由水生成氫氣和氫氣的方法， 其中，在所述氫氣生成單元和氧氣生成單元中加入水，然后向所述N型水分解電極面和P型水分解電極面的至少一方照射光，從而將所述氫氣生成單元和氧氣生成單元的水分解，在N 型水分解電極面產(chǎn)生氫氣，且在P型水分解電極面產(chǎn)生氧氣。
全文摘要
本發(fā)明提供具有用于有效進(jìn)行光催化反應(yīng)的結(jié)構(gòu)的水分解裝置、以及該水分解裝置的使用方法，所述水分解裝置是在不同電極中生成氫氣和氧氣的水分解裝置。本發(fā)明的水分解裝置具有光分解元件、氫氣生成單元以及氧氣生成單元，所述光分解元件具有N型水分解電極面和相反側(cè)面的P型水分解電極面；所述氫氣生成單元，收容N型水分解電極面，收集在N型水分解電極面產(chǎn)生的氫氣；所述氧氣生成單元，收容P型水分解電極面，收集在P型水分解電極面產(chǎn)生的氧氣，且介由光分解元件與氫氣生成單元鄰接。在本發(fā)明的水分解裝置中，光分解元件具有能夠在氫氣生成單元與氧氣生成單元之間流通水的貫通孔，且貫通孔以不使為了分解水而照射的光透過到相反側(cè)的水分解電極面的方式配置。
文檔編號C01B13/02GK102388167SQ201180001728
公開日2012年3月21日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者中西治通, 有川英一 申請人:豐田自動車株式會社