专利名称：水分解装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及使用光催化剂来分解水的水分解装置及其使用方法。
背景技术：
近年来，大量提出了使用清洁能源氢气作为能源的方案。为了制造氢气，一般进行使用了烃燃料的水蒸气转化。此外，近年来，也考虑了通过水的分解、特别是使用太阳能的水的分解，由水得到氢气。在通过水的分解得到氢气的情况下，所得的生成物有时是氢气、氧气和水的混合物。在该情况下，为了获得氢气，需要从该混合物中仅分离并取出氢气。关于这方面，在日本特开2001-213608、日本特开平10-218601、国际公开 W099/38215和日本特开2008-075097中提出了一种水分解装置，在使用了光的水的催化分解或电解中，在不同电极中生成氢气和氧气，由此分开回收氢气和氧气。
发明内容
本发明提供具有用于有效进行光催化反应的结构的水分解装置、以及该水分解装置的使用方法，所述水分解装置是在不同电极中生成氢气和氧气的水分解装置。本发明的水分解装置，具有光分解元件、氢气生成单元以及氧气生成单元，所述光分解元件具有N型水分解电极面、和与N型水分解电极面相反侧面的P型水分解电极面， 且通过照射到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光来分解水，在N型水分解电极面产生氢气，且在P型水分解电极面产生氧气；所述氢气生成单元，收容N型水分解电极面，收集在N型水分解电极面产生的氢气；所述氧气生成单元，收容P型水分解电极面，收集在P型水分解电极面产生的氧气，且介由光分解元件与氢气生成单元邻接。在本发明的水分解装置中，光分解元件具有能够在氢气生成单元与氧气生成单元之间流通水的贯通孔，且贯通孔以不使为了分解水而照射到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光透过到相反侧的水分解电极面的方式配置。
图1是说明本发明的水分解装置的图。图2是对本发明的水分解装置的一个形态的作用进行说明的图。图3是对本发明的水分解装置的其它形态的作用进行说明的图。图4是可以在本发明的水分解装置中使用的光分解元件的俯视图(a)和立体图 (b)。图5是本发明的水分解装置的其它光分解元件的俯视图(a)和立体图(b)。图6是本发明的水分解装置的其它光分解元件的俯视图(a)和立体图(b)。图7是本发明的水分解装置的其它光分解元件的俯视图(a)和立体图(b)。图8是现有的水分解装置的光分解元件的俯视图(a)和立体图(b)。
具体实施例方式本发明的水分解装置在不同电极中生成氢气和氧气，由此可以分开回收氢气和氧气。具体而言，例如，本发明的水分解装置可以具有图1所示那样的结构。这里，在该图1所示的形态中，本发明的水分解装置具有光分解元件(10)，所述光分解元件(10)具有N型水分解电极面(N)、和与N型水分解电极面(N)相反侧面的P型水分解电极面(P)； 氢气生成单元(20)，该单元收容N型水分解电极面(N)，收集在N型水分解电极面(N)产生的氢气；以及氧气生成单元(30)，该单元收容P型水分解电极面(P)，收集在P型水分解电极面(P)产生的氧气(31)，且介由光分解元件(10)与氢气生成单元00)邻接。这里，本发明的水分解装置中使用的光分解元件(10)，如图2所示，具有N型水分解电极面(N)和相反侧的P型水分解电极面(P)，且利用通过氢气生成单元00)和/或氧气生成单元(30)的透明窗部分(25、3幻照射到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光(50)来分解水(60)，在N型水分解电极面产生氢气，且在P型水分解电极面产生氧气。更具体而言，如图2所示，照射到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光(50)向N型水分解电极面(N)提供电子(_)，由氢离子(H+)生成氢气(H2),而且向 P型水分解电极面(P)提供空穴(+)，由水分子(H2O)生成氧气(O2)和氢离子(H+)。另外， 在分解的水中，与氢离子相比包含大量氢氧根离子(0H_)的情况下，该反应可以如图3所示那样表示。在本发明的水分解装置中，光分解元件具有能够在氢气生成单元与氧气生成单元之间流通水的贯通孔，且该贯通孔以不使为了分解水而照射到N型分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光透过到相反侧的水分解电极面的方式配置。S卩，在本发明的水分解装置中，如图1所示，能够穿过随意的离子交换膜02)和单元连通孔G4)在氢气生成单元00)与氧气生成单元(30)之间如箭头(62、64)所示那样流通水(60)，此外或者作为代替，能够穿过光分解元件(10)的贯通孔在氢气生成单元00) 与氧气生成单元(30)之间如箭头(66)所示那样流通水(60)。根据本发明的装置，由于光分解元件具有能够在氢气生成单元与氧气生成单元之间流通水的贯通孔，因此能够使配置在氢气生成单元的N型水分解电极面侧和配置在氧气生成单元的P型水分解电极面侧之间的电解液的移动变容易。即例如，在该情况下，在P型水分解电极面侧产生的氢离子(H+)可以迅速地移动到P型水分解电极面侧。此外，根据本发明的装置，由于贯通孔配置在为了分解水而照射到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光照射不到的位置，因此贯通孔的存在不会减少水分解电极的受光面积。即，根据本发明的装置，可以有效地使用照射到N型水分解电极面和 P型水分解电极面的至少一方的光。本发明的水分解装置的光分解元件所具有的贯通孔，只要不使为了分解水而照射到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光透过到相反侧的水分解电极面， 则可以以任意的方式配置。因此，例如，贯通孔可以在与为了分解水而照射到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光的入射方向不同的方向形成、特别是以与该光的入射方向成20°以上、50°以上、或80°以上不同的角度形成。更特别地，贯通孔可以在与为了分解水而照射到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光的入射方向实质上垂直的方向配置。配置在与光的入射方向不同方向的贯通孔可以以任意的方式形成。因此，例如，如图4所示那样，光分解元件(IOa)可以具有弯折的结构，且贯通孔可以在与为了分解水而照射到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光的入射方向实质上垂直的方向配置。在该情况下，可以如箭头(Ila)所示那样穿过贯通孔在氢气生成单元与氧气生成单元之间流通水。此外，例如，如图5 7所示那样，光分解元件包括互相错开地叠层成的多个副光分解元件(10b、10c、10d)的集合体，由此贯通孔可以作为多个副光分解元件之间的间隙而形成。在该情况下，可以如箭头(llb、llc、lld)所示那样穿过贯通孔在氢气生成单元与氧气生成单元之间流通水。另外，多个副光分解元件(10b、10c、IOd)可以通过使一部分互相结合、固定端部等方式一体化，制成光分解元件。此外，多个副光分解元件(10b、10c、10d)可以制成例如宽度为10 μ m IOOmm的带状。此外，2个以上、5个以上、10个以上或100个以上的副光分解元件(10b、10c、10d)的集合体可以形成光分解元件。此外，光分解元件是多孔质的，因此贯通孔可以作为多个气孔连续形成的连续气孔而形成。另外，现有的光分解元件(IOe)，如图8所示，作为一体而形成，而且不具有能够在氢气生成单元与氧气生成单元之间流通水的贯通孔。在本发明的水分解装置的使用中，向氢气生成单元和氧气生成单元中加入水和随意的电解质，然后向光分解元件的N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方照射光，特别是太阳光，由此分解水，在N型水分解电极面产生氢气，且在P型水分解电极面产生氧气。这里，作为与水一起加入到氢气生成单元和氧气生成单元的随意的电解质，优选使用在采用本发明的水分解装置分解水的期间难以分解的电解质。因此，例如，作为该电解质，可以列举氢氧化钠。关于本发明的水分解装置中使用的光分解元件的具体的制造，可以参照例如日本特许特开2001-213608。即，该光分解元件可以是具有下述层的叠层体作为产生氧气的P 型水分解电极面的氧化钛层、作为产生氢气的N型水分解电极面的金属钛层、和在这些氧化钛层和金属钛层之间的钼层。另外，也可以在氧化钛层负载作为氧气发生用催化剂的氧化钌微粒、和/或在金属钛层负载作为氢气发生用催化剂的钼微粒。此外，该光分解元件可以是例如具有下述层的叠层体作为产生氧气的P型水分解电极面的氧化钛层、作为产生氢气的N型水分解电极面的氮氧化钛层、和在这些氧化钛层和氮氧化钛层之间的随意的钼层。
权利要求
1.一种水分解装置，具有光分解元件，其具有N型水分解电极面、和与所述N型水分解电极面相反侧面的P型水分解电极面，且通过照射到所述N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光来分解水，在所述N型水分解电极面产生氢气，且在P型水分解电极面产生氧气，氢气生成单元，其收容所述N型水分解电极面，收集在所述N型水分解电极面产生的氢气，以及氧气生成单元，其收容所述P型水分解电极面，收集在所述P型水分解电极面产生的氧气，且介由所述光分解元件与所述氢气生成单元邻接，其中，所述光分解元件具有能够在所述氢气生成单元与所述氧气生成单元之间流通水的贯通孔，且所述贯通孔以不使为了分解水而照射到所述N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的所述光透过到相反侧的水分解电极面的方式配置。
2.根据权利要求1所述的水分解装置，其中，所述贯通孔在与为了分解水而照射到所述N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的所述光的入射方向不同方向形成。
3.根据权利要求1或2所述的水分解装置，其中，所述光分解元件包括互相错开地叠层成的多个副光分解元件的集合体，因此所述贯通孔作为所述多个副光分解元件之间的间隙而形成。
4.根据权利要求1 3的任一项所述的水分解装置，其中，所述光分解元件是多孔质的，因此所述贯通孔作为多个气孔连续形成的连续气孔而形成。
5.一种使用权利要求1 4的任一项所述的水分解装置由水生成氢气和氢气的方法， 其中，在所述氢气生成单元和氧气生成单元中加入水，然后向所述N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方照射光，从而将所述氢气生成单元和氧气生成单元的水分解，在N 型水分解电极面产生氢气，且在P型水分解电极面产生氧气。
全文摘要
本发明提供具有用于有效进行光催化反应的结构的水分解装置、以及该水分解装置的使用方法，所述水分解装置是在不同电极中生成氢气和氧气的水分解装置。本发明的水分解装置具有光分解元件、氢气生成单元以及氧气生成单元，所述光分解元件具有N型水分解电极面和相反侧面的P型水分解电极面；所述氢气生成单元，收容N型水分解电极面，收集在N型水分解电极面产生的氢气；所述氧气生成单元，收容P型水分解电极面，收集在P型水分解电极面产生的氧气，且介由光分解元件与氢气生成单元邻接。在本发明的水分解装置中，光分解元件具有能够在氢气生成单元与氧气生成单元之间流通水的贯通孔，且贯通孔以不使为了分解水而照射的光透过到相反侧的水分解电极面的方式配置。
文档编号C01B13/02GK102388167SQ201180001728
公开日2012年3月21日 申请日期2011年3月7日 优先权日2010年3月9日
发明者中西治通, 有川英一 申请人:丰田自动车株式会社