CN102933487B - 氢生成设备 - Google Patents

氢生成设备 Download PDF

Info

Publication number
CN102933487B
CN102933487B CN201180028115.6A CN201180028115A CN102933487B CN 102933487 B CN102933487 B CN 102933487B CN 201180028115 A CN201180028115 A CN 201180028115A CN 102933487 B CN102933487 B CN 102933487B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
region
generation apparatus
hydrogen generation
ion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201180028115.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102933487A (zh
Inventor
德弘宪一
野村幸生
羽藤一仁
谷口升
铃木孝浩
田村聪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Publication of CN102933487A publication Critical patent/CN102933487A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102933487B publication Critical patent/CN102933487B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of inorganic compounds, e.g. ammonia
    • C01B3/042—Decomposition of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50—Processes
    • C25B1/55—Photoelectrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/39—Photocatalytic properties
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明的氢生成设备具备：第1电极(120)，其包括导电性基板(101)以及光触媒性半导体层(102)；第2电极(103)，其与第1电极(120)电连接，并且在将第1电极(120)的担持有光触媒性半导体层(102)的面侧的区域设为第1区域(122)、将与第1区域(122)相反一侧的区域设为第2区域(123)的情况下，该第2电极相对于第1电极(120)而被配置在第2区域(123)；电解液(106)，其包含水；和框体(105)，其保持这些第1电极、第2电极及电解液。在第1电极(120)以及第2电极(103)的相对应的位置处设置贯通孔(131，132)，该贯通孔构成对第1区域(122)和第2区域(123)进行连通的连通孔(130)。在连通孔(130)中，按照堵塞连通孔(130)的方式配置与连通孔(130)实质上为相同形状的离子交换膜(104)。

Description

氢生成设备
技术领域
本发明涉及通过向至少具备光触媒性半导体的电极照射光而分解电解槽(cell)内的水并产生氢的氢生成设备。
背景技术
从削减二氧化碳气体排出、能源的清洁化观点出发，氢能源系统被逐渐关注起来。通过将氢使用于能源介质，从而在燃料电池中能够将氢作为电力以及热量加以使用，在直接燃烧的情况下能够将氢作为热量以及动力加以使用。此时，因为最终生成物成为无害且安全的水，所以能够创造出清洁的能源循环。作为能源介质的氢，虽然天然存在，但是大多数都是借助触媒所引起的裂化(cracking)而从石油或天然气体中制造出的。另外，虽然可以通过电解水来制造氢和氧，但是却需要用于电解的电能，故不能说成是根本性解决策略。此外，利用太阳能电池也可以实现将光能转变为电能然后用该电力进行电解的系统。但是，若考虑太阳能电池的制造成本、能源消耗量以及蓄电技术的话，则利用这种系统的氢的制造方法也未必能说成是有效的方法。
针对于此，关于利用了光触媒的氢生成，由于是根据水和太阳光直接制造氢的系统，故能够将太阳光的能源有效地转换成氢能源。
以往，关于利用了光触媒的氢生成设备的构成，已经提出了几种方案。例如，在专利文献1中提出了如下的氢生成设备，即：具备被配置在反应槽底部的光触媒层、和在光触媒层上流动的水层，向光触媒层照射光来分解水层的水，由此获得氧气和氢气。另外，在专利文献2中提出了如下的氢生成设备，即：电解槽内部的氧生成电极侧的区域和氢生成电极侧的区域被导电性基板以及离子交换膜相互分离。此外，在专利文献3中提出了如下的氢生成设备，即：具有在具有贯通细孔的基板表面形成有铂薄膜以及光半导体薄膜的阳电极、和具有铂层的阴电极隔着离子交换膜而相互接合的构造。在该氢生成设备中，阳电极和阴电极经由外部电路而被电连接。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭57-191202号公报
专利文献2：日本特开2006-89336号公报
专利文献3：日本特开2001-286749号公报
发明内容
-发明要解决的课题-
然而，在专利文献1所公开的氢生成设备中，因为在同一光触媒层上进行水分解，所以是在氢和氧混合之后的状态下产生的。因而，难以分离氢和氧。
在专利文献2所公开的氢生成设备中，氢生成电极侧的区域和氧生成电极侧的区域被导电性基板以及离子交换膜分离。因此，所产生的氢和氧能够相互分离地进行回收。但是，由于两区域之间的分离主要是由导电性基板进行的，故离子交换膜的设置场所仅为电极的周边部。因而，该构成具有下述课题：无法使溶液中的离子扩散到整个电极，实际引起水分解反应的部分仅为电极上的靠近于离子交换膜的周边部。
另外，在专利文献3所公开的氢生成设备中，利用外部电路来连结设置了用于获取液体接界的贯通细孔的阳电极和阴电极，并且在阳电极与阴电极之间配置有离子交换膜。通过该构成，所产生的氢和氧能够相互分离地进行回收。根据该构成，可以使氢和氧相互分离地产生，并且借助在阳电极以及阴电极处所设的贯通细孔还能够顺畅地进行阳电极与阴电极之间的离子交换。但是，该氢生成设备在阳电极与阴电极之间在整个面上配置有离子交换膜，且阳电极和阴电极在整体上具有夹持了至少比电极更大的面积的离子交换膜的构造。因而，该氢生成设备具有下述课题：需要大面积的离子交换膜，低成本化变得非常困难。另外，在这种构成中，构造上的限制也变多了，例如为了获得阳电极与阴电极之间的导通而必须进行外部电路的设置等。因此，有时也难以实现节省空间化以及低成本化。
因此，本发明正是为了解决上述现有课题而完成的，其目的在于提供一种在不使氢产生效率降低的情况下也能实现低成本化以及节省空间化的氢生成设备。
-用于解决课题的技术方案-
本发明提供一种氢生成设备，具备：
第1电极，其包括导电性基板、以及被担持在所述导电性基板上的光触媒性半导体；
第2电极，其与所述第1电极电连接，并且在将所述第1电极的担持有所述光触媒性半导体的面侧的区域设为第1区域、将与该第1区域相反一侧的区域设为第2区域的情况下，该第2电极相对于所述第1电极而被配置在所述第2区域；
电解液，其与所述光触媒性半导体以及所述第2电极相接触且包含水；和
框体，其在内部保持所述第1电极、所述第2电极以及所述电解液，
在所述第1电极以及所述第2电极的相对应的位置处分别设置贯通孔，所述贯通孔构成对所述第1区域和所述第2区域进行连通的连通孔，
在所述连通孔中，按照堵塞所述连通孔的方式配置与所述连通孔实质上为相同形状的离子交换膜。
发明效果
本发明的氢生成设备具有连通孔，该连通孔连通第1区域和第2区域，在该第1区域中光触媒性半导体与电解液相接，在第2区域中第2电极与电解液相接。由此，在第1区域与第2区域之间顺畅地进行电解液与离子的交换。其结果，因为向第1电极的光触媒性半导体以及第2电极的各表面供给了充足的离子，所以能够抑制氢产生效率的降低。另外，离子交换膜具有与连通孔实质上相同的形状，并按照堵塞连通孔的方式进行配置。因此，本发明的氢生成设备可以对所产生的气体进行分离回收，并且较之离子交换膜被配置在两电极之间的整个面的构成，可以实现低成本化。另外，由于只要按照堵塞连通孔的方式配置离子交换膜即可，因而构造上的制限得以缓和从而设计的自由度变高，可以进一步实现低成本化、节省空间化。
附图说明
图1A是表示本发明的实施方式1中的氢生成设备的一构成例的图。
图1B是表示本发明的实施方式1中的氢生成设备的另一个构成例的图。
图2A是表示本发明的实施例1中的实验电解槽的构成的分解立体图。
图2B是本发明的实施例1中的实验系统的构成图。
图3A是本发明的实施例1中的电极的剖视图。
图3B是本发明的实施例1中的电极的立体图。
图4A是本发明的实施例2中的电极的剖视图。
图4B是本发明的实施例2中的电极的立体图。
图5A是本发明的实施例3中的电极的俯视图。
图5B是本发明的实施例3中的另一电极的俯视图。
图6A是本发明的实施例4中的电极的剖视图。
图6B是本发明的实施例4中的实验系统的构成图。
具体实施方式
以下，参照图1A以及图1B来说明本发明的实施方式。其中，以下的实施方式为一例，本发明并不限定于以下的实施方式。
图1A表示本实施方式中的氢生成设备的一构成例。
图1A所示的氢生成设备100A具备：电极部121，其通过照射光来分解水而产生氢以及氧；电解液106，其包含水；和框体105，其在内部保持电极部121以及电解液106。
电极部121通过第1电极(光半导体电极)120和第2电极(异性极)103而构成。第1电极120通过导电性基板101和光触媒性半导体层102而形成。光触媒性半导体层102被配置在导电性基板101的单面上，呈现光触媒功能。
第2电极103相对于第1电极120而被配置在与区域(第1区域)122相反一侧的区域(第2区域)123，该区域122是第1电极120的设置有光触媒性半导体层102的面侧的区域。第2电极103与第1电极120电连接。在本实施方式中，第2电极103与导电性基板101的没有担持光触媒性半导体层102一侧的面相接地配置。即、第2电极103通过与第1电极120直接地相接而与第1电极120电连接。
导电性基板101能够利用例如由钛、钽以及金等金属构成的金属基板、或者玻璃碳(glassy carbon)基板。
光触媒性半导体层102并非一定要由单相的材料构成。光触媒性半导体层102既可以由多个半导体材料构成，也可以包含铂等的助催化剂。在此，光触媒性半导体是指：通过照射紫外线或可见光等的光来产生激发电子和空穴，由激发电子和空穴引起各种反应的半导体材料。其中，在本实施方式中，将光触媒性半导体以层的方式配置在导电性基板101上，但是并不限于该构造。只要光触媒性半导体被担持在导电性基板101上即可。因而，例如也能够采用其他构造，例如光触媒性半导体在导电性基板101上被形成为岛状的构造等。
在使导电性基板101和第2电极103相邻地接触时，需要不妨碍导电性基板101与第2电极103之间的电导通。
此外，第2电极103只要按照获取与导电性基板101的电导通的方式形成即可。因此，也可以将分别单独制作出的导电性基板101和第2电极103相互贴合。另外，也可利用蒸镀或溅射等的薄膜形成方法在导电性基板101的没有设置光触媒性半导体层102一侧的面上形成有第2电极103。另外，也可在第2电极103上利用薄膜形成方法依次形成导电性基板101以及光触媒性半导体层102。
在第1电极120以及第2电极103的相对应的位置处分别设置有贯通孔131、132。相对应的位置是指，在第1电极120和第2电极103贴合的状态、即第1电极120和第2电极103被一体化为电极部121的状态下，形成有作为整体而贯通电极部121的孔这样的位置。由第1电极120的贯通孔131和第2电极103的贯通孔132而形成于电极部121的贯通孔，作为对第1区域122和第2区域123进行连通的连通孔130发挥功能。
在连通孔130中，按照堵塞连通孔130的方式配置与连通孔130实质上为相同形状的离子交换膜104。在本实施方式中，离子交换膜104按照不损坏导电性基板101与第2电极103之间的导通的方式进行配置。例如，也可通过在所形成的连通孔130中填充作为离子交换体发挥功能的材料，由此形成离子交换膜104。或者，也可采用后述的实施例1～4的电极那样的构成。具体而言，在导电性基板101的与第2电极103相接的面，在贯通孔的边缘部分形成离子交换膜的厚度左右的沟槽。在该沟槽嵌入了离子交换膜之后，在导电性基板101上形成第2电极103。由此可以将离子交换膜104配置于连通孔130中。另外，也可在第1电极120和第2电极103被粘合之后，按照从第1电极120侧或者第2电极103侧堵塞连通孔130的方式粘附离子交换膜104。另外，也可在连通孔130中嵌入离子交换膜104。
此外，离子交换膜104并不限定于以下内容，能够采用作为离子交换基而使用了磺酸基或羧酸基、羟基、氨基等的全氟碳系、甲基丙烯酸系、丙烯酸系等材料。
另外，配置于连通孔130中的材料并非一定要限定于离子交换膜，只要是能防止在第1电极120以及第2电极103上产生的氧和氢的混合、且不妨碍第1区域122与第2区域123之间的离子交换的材料，便能够使用。
在此，离子交换膜104与连通孔130实质上为相同形状是指：离子交换膜104的形状与连通孔130的形状相同、或者使在连通孔130设置离子交换膜104所需的部分(例如，重叠宽度(overlap width)这样的面积或框等、将离子交换膜104固定于连通孔130的内部所需的部分)与连通孔130的形状相匹配的形状。
电极部121被收纳于框体105内，框体105的至少一部分由石英等的使太阳光的可见光以及紫外线透过的材料构成。
框体105具有被电极部121分割成第1电极120侧的区域即第1区域122、和第2电极103侧的区域即第2区域123的构造。框体105具备电解液导入口107、108以及电解液导出口109、110，并具有使电解液106循环的构成。在该构成的情况下，在氢生成设备100A中产生的气体(氢以及氧)与电解液106一起向框体105的外部导出，在被导出之后与电解液106分离开。
电解液106包含有在基于光触媒性半导体层102的分解中所用到的水。包含水的电解液106既可以仅由水构成，根据需要也可以进一步包含电解质、氧化还原物质以及/或者牺牲试剂等。
在本实施方式的氢生成设备100A中，因为第1区域122与第2区域123之间的离子交换借助连通孔130而顺畅地进行，所以可向第1电极120的光触媒性半导体层102以及第2电极103的各表面供给充足的离子。其结果，获得了较高的氢产生效率。另外，离子交换膜104具有与连通孔130实质上相同的形状，且按照堵塞连通孔130的方式进行配置。因此，较之离子交换膜被配置在两电极之间的整个面上的现有构成，可以实现大幅度的低成本化。另外，在氢生成设备100A中，因为离子交换膜104没有被配置在电极之间的整个面上，所以可以使第1电极120和第2电极103直接地接触。由此，为了电连接第1电极120和第2电极103而无需设置外部电路，所以除了进一步低成本化之外，还能实现节省空间化。另外，通过使第1电极120和第2电极103直接接触，从而较之利用外部电路进行连接的情况，还能获得没有因导线引起的电阻损耗、量子效率提高的效果。
其次，对本实施方式的氢生成设备100A的动作原理进行说明。
若借助框体105中的、使太阳光之中的至少可见光透过的部分而向光触媒性半导体层102照射太阳光，则在光触媒性半导体层102中生成激发电子以及空穴。
例如，在光触媒半导体层102由n型半导体材料构成的情况下，所生成的空穴在光触媒性半导体层102的表面根据反应式(1)所示的化学反应分解水而生成氧。另一方面，所生成的激发电子从光触媒性半导体层102向导电性基板101注入，进而从导电性基板101向第2电极103注入，在第2电极103上根据反应式(2)所示的化学反应分解水而生成氢。
4h++2H2O→O2↑+4H+    (1)
4e-+4H+→2H2↑         (2)
此时，被框体105内部的电极部121划分的第1区域122与第2区域123之间的、电解液106中的离子交换，通过在设于电极部121的连通孔130的内部配置的离子交换膜104而进行。
所产生的氢以及氧不会在框体105内部混合，而向框体105的外部导出。在氢生成设备100A中，在作为作用极的第1电极120侧和作为异性极的第2电极103侧分别设置有电解液导入口107、108以及电解液导出口109、110。氢生成设备100A具有下述构成：使电解液106循环，使氢以及氧与电解液106一起向框体105的外部导出，在被导出之后将水和气体分离。除了该构成之外，也可以例如图1B所示的氢生成设备100B那样，设置不使电解液106循环而仅将氢以及氧向外部导出这样的气体导出口111、112，从而将氢以及氧导出到设备外。即便在如氢生成设备100B那样不使电解液106循环的构成中，因为设置了电解液导入口107、108，所以通过分解而电解液106中的水减少的量也可以从所设置的这些电解液导入口107、108供给水。
在本实施方式中，对形成有多个连通孔的构成进行了说明，但是连通孔也可以为一个。另外，连通孔的形状并不特别限定。在第1电极以及第2电极的表面出现的开口的形状例如能够作成圆形、椭圆形、多边形以及狭缝状等。
另外，在本实施方式中，使第1电极和第2电极直接接触而获得了导通。但是，例如在导电性基板的第2电极侧的面形成有绝缘膜的情况等下，也可以利用外部电路对第1电极和第2电极进行电连接。
[实施例]
(实施例1)
<实验装置>
下面，对由本发明的氢生成设备执行的水分解实验用的实验电解槽以及实验系统进行说明。
图2A表示实验电解槽的构成。实验电解槽具备2个树脂制的半圆筒形的容器201(为10cm，高度为10cm)。实验电解槽具有下述构成：利用这2个容器201的侧面的长方形部分夹持电极部202，使用4根螺钉203来使2个容器201相互接合，从而将电极部202固定在容器201之间。
电极部202相当于在实施方式中说明过的电极部121(参照图1A以及1B)，通过导电性基板101、光触媒性半导体层102、离子交换膜104以及第2电极103而形成。
在2个容器201的侧面的长方形部分分别设置有开口部204。电极部202设置在容器201之间以堵塞开口部204。在2个容器201之中的、与电极部202的设置有光触媒性半导体层(未图示)一面相对置的部分，嵌入了用于从外部向电极部202照射光的、石英制的窗205(为6cm)。在2个容器201的上部，设置有用于将产生气体向电解槽外排出来进行分析的气体排出口206。
图2B表示使用了所述实验电解槽的实验系统的构成。在容器201内所生成的气体，借助被插入至气体排出口206的接头207，通过与容器201连结的气体线208，在气体色谱法209(株式会社岛津制作所制GC-14b)中进行分析。在气体色谱法209中的分析过程中，作为检测器而使用TCD(Thermal Conductivity Detector)检测器，支柱(column)使用了分子筛。
水分解实验是如下这样进行的，即：从容器201的外部，使用光源210(300W氙气灯)，通过石英窗205向构成电极部202的光触媒性半导体层(未图示)照射光211。
包含分解用的水的电解液使用了0.1M(0.1mol/L)的K2SO4水溶液。
<电极部的构成>
图3A以及图3B分别表示实施例1中的电极部202的剖视图以及立体图。作为导电性基板101，使用了在中央设置有为4cm的贯通孔的8cm角的玻璃碳基板(TOKAI CARBON CO.，LTD.公司制作)。在导电性基板101的单面，作为光触媒性半导体层102而利用溅射法形成了由氧化钛(多晶锐钛矿)构成的n型光半导体膜(500nm)。而且，在玻璃碳基板没有成膜氧化钛的面侧的、贯通孔的边缘部分，设置了离子交换膜104(“Nafion”Du Pont公司制作)的厚度左右的沟槽。在该沟槽中嵌合离子交换膜104，从而如图3A所示成为下述构成，在利用玻璃碳基板和用作第2电极103的8cm角的铂板夹持了离子交换膜104时，在玻璃碳基板与铂板之间不会使电导通失效。在使玻璃碳基板和铂板叠合时，按照分别被设置的贯通孔的位置一致、且形成有贯通电极部202整体的孔的方式，对铂板也预先设置了贯通孔。另外，为使通过水分解所产生的氢和氧不混合，贯通孔被离子交换膜104完全堵塞了。
此外，在本实施例中，在制作第2电极103时，使用了预先另行准备的铂板。但是，也可对嵌合于玻璃碳基板的离子交换膜104的部分进行光刻掩蔽，通过蒸镀、溅射等将第2电极103成膜在玻璃碳基板上。
在利用玻璃碳基板以及铂板夹持了离子交换膜104之后，利用环氧树脂对端面进行粘接密封，从而成为在实验中不会漏水等这样的构造。
<水分解实验>
利用所述实验系统，在由光源210通过电解槽的石英窗205向电极部202连续地照射光的同时，每隔一小时进行分解水所生成的氢以及氧的定量。确认出：氢以及氧的生成速度分别为18μmol/h、10μmol/h，在化学计量上水几乎已被分解。
(实施例2)
在实施例2中所用的实验系统以及实验电解槽由于与在实施例1中所用的实验系统以及实验电解槽相同，故省略其说明。
图4A以及图4B分别表示实施例2中的电极部202的剖视图以及立体图。在实施例2中，作为导电性基板101而使用了设置有多个为1cm的贯通孔的玻璃碳基板。由于其他的电极部202的制作方法与实施例1相同，因而在此省略其说明。其中，离子交换膜104准备与贯通孔相同的个数，按照完全地覆盖各个贯通孔的方式进行了设置。
虽然利用与实施例1同样的实验系统以同样的方法进行了水分解实验，但是却确认出：氢以及氧的生成速度分别为32μmol/h、16μmol/h，在化学计量上水被分解了。
(实施例3)
在实施例3中所用的实验系统以及实验电解槽由于与在实施例1中所用的实验系统以及实验电解槽相同，故省略其说明。
图5A以及图5B是从光触媒性半导体层102侧观看在实施例3中所用的电极部202的俯视图。
在实施例3中，除了将设置有多个大小为0.5cm×6cm的狭缝状的贯通孔的玻璃碳基板用作导电性基板这一点之外，利用与实施例1同样的方法制作了电极部202。狭缝状的贯通孔也可以设置在玻璃碳基板的中央(参照图5A)，也可以设置成玻璃碳基板为梳型(参照图5B)。其中，在实施例3中，按照玻璃碳基板为梳型的方式设置贯通孔，利用了具有图5B所示的构造的电极部202。
通过设为狭缝状的形状，从而具有下述优点：在通过切取、冲压的方式由大型的离子交换膜来制作与连通孔130实质上为相同形状的离子交换膜104的情况下，不会产生无用部分。
虽然利用与实施例1同样的实验系统以同样的方法进行了水分解实验，但是却确认出：氢以及氧的生成速度分别为23μmol/h、12μmol/h，在化学计量上水几乎被分解了。
(实施例4)
图6A示出在实施例4中所用的电极部202的构成。在实施例4中，按照能够从实验电解槽的外部向由导电性基板101和光触媒性半导体层102构成的第1电极与作为异性极的第2电极103之间施加偏压的方式，制作了电极部202。
作为导电性基板101而使用了设置有为4cm的贯通孔的12cm×8cm角的玻璃碳基板。在该玻璃碳基板的单面，作为光触媒性半导体层102而利用溅射法形成了由氧化钛(多晶锐钛矿)构成的n型光半导体膜(厚度500nm)。而且，在玻璃碳基板没有成膜氧化钛的面，按照玻璃碳基板和第2电极103不短路的方式，作为绝缘层601而涂敷了环氧树脂。进而，在玻璃碳基板上，在没有成膜氧化钛的面侧的、贯通孔的边缘部分，设置了离子交换膜104(“Nafion”Du Pont公司制作)的厚度左右的沟槽。如图6A所示，利用玻璃碳基板和用作异性极103的铂板(在本实施例中为在石英基板上蒸镀了铂之后的板)夹持了离子交换膜104。在使玻璃碳基板和铂板叠合时，按照分别被设置的贯通孔的位置一致、且形成有贯通电极部202整体的孔的方式，对铂板也预先设置了贯通孔。另外，为使通过水分解所产生的氢和氧不混合，贯通孔被离子交换膜104完全堵塞了。
在利用玻璃碳基板以及铂板夹持了离子交换膜104之后，利用环氧树脂对端面进行粘接密封，从而成为在实验中不会漏水等这样的构造。此外，在本实施例中，虽然在玻璃碳基板的第2电极103侧的面设置了绝缘膜601，但是未必一定要设置绝缘膜601。
图6B表示实施例4中的实验系统的构成。
导电性基板101的玻璃碳基板以及第2电极103的铂板如图6B所示那样，分别从电解槽边缘鼓出，边缘鼓出的部分通过铜线进行连结从而制作了外部电路602。在外部电路602上设置了机构603，该机构603能够向由导电性基板101和光触媒性半导体层102构成的第1电极以及第2电极103施加偏压。此外，在本实施例中采用了通过外部电路对第1电极和第2电极进行电连接的构成。但是，即便在设置了外部电路的情况下，因为离子交换膜的面积也能被制作得比以往小，所以可以实现低成本化。
水分解实验利用图6B示出的实验系统，在由光源210通过电解槽的石英窗205向电极部202连续地照射光的同时，每隔一小时进行分解水所生成的氢以及氧的定量。另外，在导电性基板101与第2电极103之间施加了0.5V的偏压。确认出：氢以及氧的生成速度分别为157μmol/h、76μmol/h，在化学计量上水几乎被分解了。此外，在本实施例中，将所施加的偏压设为0.5V，但是并不限定于此。其中，所施加的偏压优选不超过水的电解电压即1.23V。
(比较例)
作为比较例，利用除了在导电性基板101以及第2电极103没有设置贯通孔这一点之外而其余与实施例4同样的方法，制作了电极部202。利用与实施例4同样的实验系统，将从外部向导电性基板101以及第2电极103施加的偏压设为0V、0.5V，在向光触媒性半导体层102照射光的同时进行了水分解实验。其结果，无论在哪个情况下都未产生氢以及氧。认为这是因为：在第1电极侧与第2电极侧之间未获得液体接界，未能进行离子交换的缘故。
表1示出各实施例以及比较例的水分解实验的结果。
[表1]
特征 氢生成速度[μmol/h] 氧生成速度[μmol/h]
实施例1 一个贯通孔 18 10
实施例2 多个贯通孔 32 16
实施例3 贯通孔为狭缝状 23 12
实施例4 贯通孔+施加外部偏压 157 76
比较例 无贯通孔 未检测出 未检测出
工业可用性
能够以低成本提供本发明涉及的氢生成设备，进而也能实现节省空间化，所以例如在燃料电池等的、必需供给氢的能源系统中是有用的。

Claims (6)

1.一种氢生成设备，具备：
第1电极，其包括导电性基板、以及被担持在所述导电性基板上的光触媒性半导体；
第2电极，其与所述第1电极电连接，并且在将所述第1电极的担持有所述光触媒性半导体的面侧的区域设为第1区域、将与该第1区域相反一侧的区域设为第2区域的情况下，该第2电极相对于所述第1电极而被配置在所述第2区域；
电解液，其与所述光触媒性半导体以及所述第2电极相接触且包含水；和
框体，其在内部保持所述第1电极、所述第2电极以及所述电解液，
在所述第1电极以及所述第2电极的相对应的位置处分别设置多个贯通孔，所述贯通孔构成对所述第1区域和所述第2区域进行连通的多个连通孔，
在所述连通孔中，按照堵塞所述连通孔的方式配置与所述连通孔实质上为相同形状的离子交换膜。
2.根据权利要求1所述的氢生成设备，其中，
所述连通孔为狭缝状。
3.根据权利要求1所述的氢生成设备，其中，
所述第2电极与所述导电性基板相接地配置。
4.根据权利要求1所述的氢生成设备，其中，
所述氢生成设备还具备外部电路，该外部电路对所述第1电极和所述第2电极进行电连接。
5.根据权利要求4所述的氢生成设备，其中，
所述外部电路具备机构，该机构在所述第1电极与所述第2电极之间能施加偏压。
6.根据权利要求3所述的氢生成设备，其中，
所述离子交换膜被所述第2电极和所述导电性基板夹持。
CN201180028115.6A 2010-09-07 2011-08-26 氢生成设备 Expired - Fee Related CN102933487B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010-199692 2010-09-07
JP2010199692 2010-09-07
PCT/JP2011/004774 WO2012032733A1 (ja) 2010-09-07 2011-08-26 水素生成デバイス

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102933487A CN102933487A (zh) 2013-02-13
CN102933487B true CN102933487B (zh) 2015-07-01

Family

ID=45810344

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201180028115.6A Expired - Fee Related CN102933487B (zh) 2010-09-07 2011-08-26 氢生成设备

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8999119B2 (zh)
JP (1) JP5628928B2 (zh)
CN (1) CN102933487B (zh)
WO (1) WO2012032733A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106637275A (zh) * 2016-08-29 2017-05-10 江苏师范大学 应用于储能领域的含有电机控制模块的光触媒催化解水系统、光触媒催化剂应用模块

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6034151B2 (ja) * 2012-11-20 2016-11-30 株式会社東芝 光化学反応装置
JP6078803B2 (ja) * 2012-12-26 2017-02-15 株式会社エクォス・リサーチ ガス生成装置
CN106170586B (zh) * 2014-05-20 2018-10-19 株式会社东芝 光电化学反应装置
CN104120440B (zh) * 2014-08-01 2016-05-04 太原理工大学 一种光电催化膜在分解水制氢储氢中的应用
JP6495630B2 (ja) * 2014-11-28 2019-04-03 株式会社東芝 光電気化学反応装置
JP6472027B2 (ja) * 2015-07-27 2019-02-20 株式会社日立プラントメカニクス 光触媒からなる電極を内蔵したレシーバによる水素発生システム
CN106676566B (zh) * 2016-08-29 2018-07-10 江苏师范大学 光触媒催化制氢设备、光触媒催化剂环保系统
CN106676567B (zh) * 2016-08-29 2018-07-13 江苏师范大学 具有电磁阀驱动模块和电机控制模块的光触媒催化制氢设备、光触媒催化剂应用设备
CN106702418B (zh) * 2016-08-29 2018-08-31 江苏师范大学 光触媒催化制氢设备、光催化水处理装置
CN106637276B (zh) * 2016-08-29 2018-04-13 江苏师范大学 含有电磁阀驱动模块和电机控制模块的光催化解水制氢装置、光触媒催化剂应用机械
CN106702416B (zh) * 2016-08-29 2018-07-10 江苏师范大学 光催化应用系统、光催化环保装置
CN106637277B (zh) * 2016-08-29 2018-04-13 江苏师范大学 包含电磁阀驱动模块的光催化应用设备、光触媒催化剂应用设备
CN106637278B (zh) * 2016-08-29 2018-04-13 江苏师范大学 具有电磁阀驱动模块的光触媒催化解水系统、光催化环保装置
CN106676568B (zh) * 2016-08-29 2018-07-10 江苏师范大学 含有电机控制模块的光催化应用装置、光触媒催化剂应用系统
JP6649237B2 (ja) * 2016-12-06 2020-02-19 日本電信電話株式会社 光触媒酸化還元反応装置
JP6339255B2 (ja) * 2017-02-27 2018-06-06 株式会社東芝 光電気化学反応装置
CN113265671B (zh) * 2021-05-11 2022-05-03 嘉寓氢能源科技(辽宁)有限公司 悬浮电催化水产氢装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001268749A (ja) * 2000-03-22 2001-09-28 Sumitomo Wiring Syst Ltd ジャンクションボックスとコネクタとの回路接続構造
JP2001286749A (ja) * 2000-02-03 2001-10-16 Sharp Corp 化学変換装置
JP2004504934A (ja) * 2000-07-29 2004-02-19 ザ　ハイドロジェン　ソーラー　プロダクション　カンパニイ　リミテッド 酸化鉄の光触媒膜、かかる光触媒膜を有する電極、かかる膜を製造する方法、該電極を有する光電気化学セル、および該セルを有する光電気化学システム
JP2006089336A (ja) * 2004-09-24 2006-04-06 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 水の光分解反応により水素および酸素を製造する装置
US20060140827A1 (en) * 2004-12-27 2006-06-29 Kong-Wei Cheng Concentration difference photochemical reactor

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57191202A (en) 1981-05-22 1982-11-25 Toshiba Corp Solar energy converting apparatus
US4596648A (en) * 1984-07-25 1986-06-24 Sweeney Charles T Continuous electrolytic gas generator
JP3697591B2 (ja) * 1995-04-25 2005-09-21 株式会社日立製作所 薄膜光触媒化学変換装置
EP1774060A2 (en) * 2004-05-18 2007-04-18 Hydrogen Solar Ltd. Photoelectrochemical system
JP4904715B2 (ja) * 2005-04-21 2012-03-28 日産自動車株式会社 光電気化学セル及びその製造方法
JP5113892B2 (ja) * 2010-04-30 2013-01-09 アクアエコス株式会社 膜−電極接合体、これを用いる電解セル、オゾン水製造装置、オゾン水製造方法、殺菌方法及び廃水・廃液処理方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001286749A (ja) * 2000-02-03 2001-10-16 Sharp Corp 化学変換装置
JP2001268749A (ja) * 2000-03-22 2001-09-28 Sumitomo Wiring Syst Ltd ジャンクションボックスとコネクタとの回路接続構造
JP2004504934A (ja) * 2000-07-29 2004-02-19 ザ　ハイドロジェン　ソーラー　プロダクション　カンパニイ　リミテッド 酸化鉄の光触媒膜、かかる光触媒膜を有する電極、かかる膜を製造する方法、該電極を有する光電気化学セル、および該セルを有する光電気化学システム
JP2006089336A (ja) * 2004-09-24 2006-04-06 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 水の光分解反応により水素および酸素を製造する装置
US20060140827A1 (en) * 2004-12-27 2006-06-29 Kong-Wei Cheng Concentration difference photochemical reactor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106637275A (zh) * 2016-08-29 2017-05-10 江苏师范大学 应用于储能领域的含有电机控制模块的光触媒催化解水系统、光触媒催化剂应用模块
CN106637275B (zh) * 2016-08-29 2018-04-10 江苏师范大学 应用于储能领域的含有电机控制模块的光触媒催化解水系统、光触媒催化剂应用模块

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012032733A1 (ja) 2012-03-15
CN102933487A (zh) 2013-02-13
JP5628928B2 (ja) 2014-11-19
US8999119B2 (en) 2015-04-07
US20130075250A1 (en) 2013-03-28
JPWO2012032733A1 (ja) 2014-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102933487B (zh) 氢生成设备
CN102421942B (zh) 光电化学单元
Kim et al. Artificial photosynthesis for high‐value‐added chemicals: old material, new opportunity
CN102713010B (zh) 氢生成设备
CN102099508B (zh) 光电化学器件
US20130118907A1 (en) Method for reducing carbon dioxide
EP2476782A1 (en) Gas generator and method for generating gas
JP6201155B2 (ja) 水素生成デバイスおよび水素生成ユニットならびにそれらを用いたエネルギーシステム
CN102369312B (zh) 氢气生成装置
US9447509B2 (en) Hydrogen producing cell, hydrogen producing device, and energy system including the hydrogen producing device
Kan et al. System engineering enhances photoelectrochemical CO2 reduction
KR20150143854A (ko) 광화학 반응 장치 및 박막
JP2008104899A (ja) 光触媒膜、光触媒膜の製造方法およびこれを用いた水素発生装置
CN105749914A (zh) 一种对称双功能光催化剂、双室光反应器及光催化还原二氧化碳的方法
CN108541275A (zh) 基板电极（se）界面照射型光电极及光电化学电池
CN106486687B (zh) 光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合系统
Zhang et al. Sustainable nitrogen fixation over Ru single atoms decorated Cu2O using electrons produced from photoelectrocatalytic organics degradation
EP2737941B1 (en) Photoelectrochemical cell
JP6948393B2 (ja) 光電気的水分解による水素製造用微小電極光ファイバ、光ケーブル、および水素製造装置
CN104993164B (zh) 光催化还原二氧化碳以及光催化燃料电池耦合产电系统
US20190249313A1 (en) Integrated membrane solar fuel production assembly
EP3377675B1 (en) Electrochemical production of hydrogen with dye-sensitized solar cell-based anode
US20170137950A1 (en) Electrochemical production of hydrogen with dye-sensitized solar cell-based anode
KR102668799B1 (ko) 전기화학 반응 장치 및 전기화학 반응 방법
JP2023152115A (ja) 光電解モジュール

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: PANASONIC INTELLECTUAL PROPERTY MANAGEMENT CO., LT

Free format text: FORMER OWNER: MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO, LTD.

Effective date: 20150908

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20150908

Address after: Japan Osaka

Patentee after: PANASONIC INTELLECTUAL PROPERTY MANAGEMENT Co.,Ltd.

Address before: Osaka Japan

Patentee before: Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd.

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150701

Termination date: 20190826