CN103582608B - 氢生成设备及使用该氢生成设备的能量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供氢生成设备及使用该氢生成设备的能量系统。本发明的氢生成单元设有贯通框体的电解液供给孔、电解液排出孔、第一氢流通孔及第二氢流通孔，在设置氢生成单元时，电解液供给孔配置成比电解液排出孔靠铅垂上侧，第一氢流通孔配置成比电解液供给孔靠铅垂上侧，第二氢流通孔配置成比电解液排出孔靠铅垂上侧。利用本结构，能大幅降低与电解液及氢有关的配管长度及歧管数量，能简单且合理地将氢生成单元彼此连结。

Description

氢生成设备及使用该氢生成设备的能量系统
技术领域
本发明涉及通过使用光将水分解为氢和氧来获得氢的氢生成设备及使用该氢生成设备的能量系统。
背景技术
以往，作为起到光催化剂作用的半导体材料的利用方法，公知有通过对半导体材料照射光来将水分解而生成氢或生成电能的技术(例如，专利文献1)。
在专利文献1中，公开了具有将从太阳光获得的光能转换为氢能的功能的光水电解装置。该光水电解装置由层叠的多个光水电解单元构成。各个光水电解单元具有外周部分被由透明的玻璃板或合成树脂板构成的外壁包围的箱状的壳体，配置为从水平状态倾斜任意的角度。在光水电解单元内的下部收容有电解液，另外，在厚度方向中央设有将光水电解单元内划分为两个空间的隔壁。该隔壁通过一体地接合配置于上部侧的气体分离膜和配置于下部侧的光水电解电极膜接合体而成，起到将生成氢和生成氧分离的作用。在光水电解电极膜接合体上，在配置于厚度方向中央部的作为离子导电膜的Nafion膜的两面分别形成有光催化剂电极和铂对电极。在该光水电解电极膜接合体中，由于太阳光的照射而发生光水电解，从光催化剂电极生成氧，从铂对电极生成氢。另外，在隔壁的下端形成有矩形状的贯通孔，电解液经由贯通孔能在光水电解单元内流通。而且，在光水电解单元的外壁上形成有俯视矩形状的流通孔，设有能自由改变该流通孔的开口面积的可动壁。
而且，电解液向各光水电解单元的供给通过在相邻的上游侧的光水电解单元溢出的电解液经由流通孔流入来进行。同样地，电解液自各光水电解单元的排出通过电解液向相邻的下游侧的光水电解单元溢出并流出而进行。通过采用这样的机构，能够减少电解液供给·排出用所需要的配管 长度及配管设置所需要的工时。
但是，在前述的光水电解装置的情况下，对于生成的氢收集用所需要的配管完全没有进行研究。
例如，关于层叠多个光水电解单元的光水电解装置，考虑在各光水电解单元上均安装独立的氢收集管的方法。在该方法中，至少需要安装与配置的光水电解单元的总数量相同数量的氢收集管，而且，氢收集管形成多个歧管。在这样的结构中，氢收集管的配管长度显著变长，不仅繁杂，而且由于歧管较多，因此难以控制氢的流通，且配管设置所需要的工时也变多。这在考虑光水电解装置的实用化时成为较大的课题。
因此，本发明是鉴于上述以往的课题而做成的，其目的在于提供利用基于光半导体的水的分解反应来生成氢的氢生成设备及使用该氢生成设备的能量系统。具体而言，大幅降低与构成氢生成设备的各氢生成单元连接的、氢收集管的配管长度及歧管数量。另外，为了将氢生成设备实用化，利用多个氢生成单元的连结而生成足够量的氢是不可缺少的。本发明提供实现上述情况的简单且合理的氢生成单元彼此的连结构件及连结方法。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-75097号公报
发明内容
本发明涉及的氢生成单元具有：框体，其被照射光的面具有透光性；分隔件，其将框体内部的空间分为第一空间及第二空间；对电极，其配置于第一空间内；光半导体电极，其配置于第二空间内，形成在导电性基板上；电连接部，其将光半导体电极与对电极之间电连接；电解液，其位于第一空间内及第二空间内，且含有水。而且，该氢生成单元设有：贯通框体的电解液供给孔及电解液排出孔；贯通与第一空间或第二空间中的生成氢的一侧相连的框体的、第一氢流通孔及第二氢流通孔。此时，电解液供给孔配置成比电解液排出孔靠铅垂上侧，第一氢流通孔配置成比电解液供给孔靠铅垂上侧，第二氢流通孔配置成比电解液排出孔靠铅垂上侧。
另外，相邻的氢生成单元的电解液供给孔与电解液排出孔、第一氢流 通孔与第二氢流通孔分别相互连接而构成氢生成设备。
利用该结构，能大幅降低电解液供给·排出用配管及生成氢收集管的、配管长度及歧管数量，且通过对光半导体电极照射光将水分解而生成氢。
根据本发明的氢生成单元、氢生成设备及使用该氢生成设备的能量系统，能大幅降低与构成氢生成设备的各氢生成单元连接的、氢收集管的配管长度及歧管数量。另外，能提供使用于生成足够量的氢的多个氢生成单元的连结容易、简单且合理的氢生成单元彼此的连结构件及连结方法。
附图说明
图1A是表示本发明的实施方式1涉及的氢生成单元的结构的示意图。
图1B是从第一空间侧观察本发明的实施方式1涉及的氢生成单元的结构的示意图。
图2A是表示本发明的实施方式2涉及的氢生成单元的结构的示意图。
图2B是表示本发明的实施方式2涉及的氢生成单元的另一结构的示意图。
图3A是表示本发明的实施方式3涉及的氢生成设备的结构的示意图。
图3B是表示本发明的实施方式3涉及的氢生成设备的变形例的结构的示意图。
图4是表示本发明的实施方式4涉及的氢生成设备的结构的示意图。
图5是表示本发明的实施方式5涉及的能量系统的结构的示意图。
图6是表示本发明的实施方式6涉及的能量系统的结构的示意图。
具体实施方式
本发明的氢生成单元通过将设于框体的电解液供给孔、电解液排出孔、第一及第二氢流通孔配置为前述的位置关系，从而关于电解液及生成氢的流通具有下述这样的功能。
在此，本发明的氢生成单元的电解液供给孔、电解液排出孔、第一及第二氢流通孔等的相互的位置关系(铅垂上方、铅垂下方等)为，最终满足将氢生成单元作为氢生成设备、能量系统设置的状态即可。
需要说明的是，在以下的本申请说明书中，结合后述的光半导体电极 是n型半导体且是生成氧的一侧、对电极是生成氢的一侧的情况进行说明。但是，在光半导体电极为p型半导体的情况下，通过在前述的结合n型半导体的情况进行的说明中将氢和氧替换而说明。
首先，说明电解液的流通。电解液被从电解液供给孔供给到框体内部的第一及第二空间，从电解液排出孔排出。供给孔配置成比排出孔靠铅垂上侧，因此，从供给孔供给来的电解液中的、位于比排出孔的下端的高度靠铅垂上侧的电解液在重力的作用下自动地从电解液排出孔排出。因此，电解液面的高度由电解液排出孔下端的高度决定。另外，第一及第二氢流通孔配置成比电解液排出孔靠铅垂上侧，因此，电解液面不会上升至流通孔下端的高度，能防止在本来应仅流通氢的流通孔中混入有电解液这样的情况。即，电解液在重力的作用下仅从供给孔向排出孔一个方向通行且自动地流通。另外，通过将相邻的氢生成单元的电解液供给孔和电解液排出孔连接，从而在上游侧的单元溢出的电解液在重力的作用下经由连接部向下游侧的单元一个方向通行且自动地流通。若按照通过连接多个氢生成单元而构成的氢生成设备整体观察以上结构，则仅通过仅从配置于最上游的氢生成单元的电解液供给孔这一个部位供给电解液，就对所有的氢生成单元从上游侧依次供给电解液，并仅从配置于最下游的氢生成单元的电解液排出孔这一个部位排出。而且，各氢生成单元中的电解液面稳定地保持为规定的高度。这样，通过关于电解液而将所有的氢生成单元串联地连接，从而所需要的电解液供给·排出用配管仅为与最上游侧的氢生成单元连接的电解液供给管及与最下游侧的氢生成单元连接的电解液排出管，能大幅降低配管长度及歧管数量。
接着，说明生成氢的流通。在各氢生成单元的对电极上生成的氢在电解液中浮起，集中到第一空间上部的电解液面上。如前述那样，第一和第二氢流通孔下端配置成比规定电解液面的高度的电解液排出孔靠铅垂上侧，因此，第一和第二氢流通孔不会混入有电解液，始终仅与氢接触。由此，集中于第一空间上部的氢能通过第一和第二氢流通孔向该氢生成单元的外部移动。另外，通过将相邻的氢生成单元的第一氢流通孔和第二氢流通孔连接，氢经由连接部向相邻的单元流通。若按照通过将多个氢生成单元连接而构成的氢生成设备整体观察以上结构，则各氢生成单元的氢集中 的空间都相连，该空间部分起到像将所有的氢生成单元相连的配管那样的作用。若为该结构，仅在任意一个氢生成单元的第一空间最上部另外连接氢收集管，就能收集在所有的氢生成单元生成的氢。即，所需的氢的流通·收集管仅为氢收集管，能大幅降低配管长度及歧管数量。
从另一观点看，也能发现采用本发明的氢生成单元连接结构起到的效果。作为与本发明的比较，考虑将多个氢生成单元沿铅垂纵向连接的结构。在该情况下，在某一氢生成单元生成的氢向单元上部浮起，经由连接部流入相邻的上一个氢生成单元的最下部。流入的氢在上一个氢生成单元的电解液中浮起，向更上方的氢生成单元流入。这样，在某一氢生成单元的电解液中混入有在配置于比自身靠下侧的所有氢生成单元中生成的氢的气泡。该情况在连接于越靠上侧的氢生成单元中越显著。向电解液中混入大量的气泡会引起电极的极化、向光半导体电极面照射的光的散射，因此，使该氢生成单元的氢生成效率降低。
与此相对，在本发明的氢生成单元中，将多个氢生成单元沿铅垂横向连接。在该情况下，在某氢生成单元生成的氢向上部浮起，经由连接部流入横向相邻的氢生成单元的比电解液面靠上方的空间。这样，能防止在某一氢生成单元的电解液中混入有在其他的氢生成单元生成的氢气泡。因此，不会发生由前述那样的气泡混入而引起的极化、光散射，能在构成氢生成设备的所有氢生成单元维持较高的氢生成效率。
鉴于该点，可以说将多个氢生成单元沿铅垂横向连接的本发明的结构作为氢生成设备合适。
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。需要说明的是，以下的实施方式是一例，本发明不限定于以下的实施方式。另外，在以下的实施方式中，存在对相同构件标注同一符号并省略重复的说明的情况。
(实施方式1)
使用图1A及图1B说明本发明的实施方式1的氢生成单元。图1A表示本实施方式的氢生成单元的结构的示意图，图1B是从第一空间侧观察本实施方式的氢生成单元的结构的示意图。
本实施方式的氢生成单元100具有至少被照射光(照射光30)的面具有透光性的框体1。以将框体1内部的空间分为两个的方式，沿与框体1 的被照射光的面大致平行的方向设有分隔件2。设有由分隔件2隔开的第一空间3及第二空间4、以及在第二空间内沿与框体1的被照射光的面大致平行的方向设置的导电性基板5。在导电性基板5上形成有光半导体电极6。在第一空间内设有对电极7。电连接部8将导电性基板5和对电极7之间电连接。包含水的电解液9存在于第一空间内及第二空间内。
沿着对氢生成单元100照射的光的行进方向进行说明，在氢生成单元100从照射光的一侧起依次配置有具有透光性的框体1的一面、电解液9、光半导体电极6、导电性基板5、分隔件2、对电极7、电解液9、框体1的另一面。光半导体电极6与分隔件2可以彼此接触也可以彼此分离。另外，对电极7与分隔件2可以彼此接触也可以彼此分离。分隔件2起到在第一空间内的电解液9与第二空间内的电解液9之间进行离子交换的作用。因此，分隔件2的至少一部分与第一及第二空间内的电解液9接触。
电解液供给孔10及电解液排出孔11以贯通框体1的方式分别设于第一空间侧及第二空间侧。第一氢流通孔12及第二氢流通孔13以贯通框体1的方式设于第一空间侧。另外，电解液供给·排出孔及氢流通孔配置为在配置氢生成单元100时成为如下这样的位置关系。电解液供给孔10配置成比电解液排出孔11靠铅垂上侧。第一氢流通孔12配置成比电解液供给孔10靠铅垂上侧。第二氢流通孔13配置成比电解液排出孔11靠铅垂上侧。另外，可以在第二空间侧设置氧排出孔。另外，在进行氧的收集的情况下，可以代替氧排出孔，以贯通框体1的方式且按照与氢流通孔同样的位置关系在第二空间侧设置第一氧流通孔14及第二氧流通孔15。
接着，结合设置了氧流通孔的情况具体地说明氢生成单元100的各结构。
框体1的被照射光的面使用相对于电解液9具有耐腐蚀性及绝缘性、供可见光区域的光、更优选是包含可见光区域的附近波长的光透过的材料。作为该材料，例如可以举出玻璃及树脂。关于框体1的其他面的材料，只要相对于电解液9具有耐腐蚀性及绝缘性即可，不需要具有透过光的性质。作为该材料，除了前述的玻璃、树脂之外，还可以使用对表面进行了耐腐蚀·绝缘加工的金属等。
分隔件2具有使电解液9中的电解质透过、且抑制电解液9中的氢及 氧透过的功能。作为分隔件2的材料，例如可以举出高分子固体电解质等固体电解质。作为高分子固体电解质，可以举出Nafion等离子交换膜。
导电性基板5使用具有导电性的基板或在表面成膜有具有导电性的材料的基板。作为导电性基板5，例如可以举出铂板、氧化铟锡(ITO)玻璃及掺氟氧化锡(FTO)玻璃。
光半导体电极6由n型半导体或p型半导体形成。若光半导体电极6由n型半导体形成，则从光半导体电极6生成氧，从对电极7生成氢。相反地，若光半导体电极6为p型半导体，则从光半导体电极6生成氢，从对电极7生成氧。光半导体电极6需要通过光照射而激励电子来分解水。因此，光半导体电极6优选由传导带的能带边缘能级为氢离子的标准还原电位即0eV(vs.NHE)以下、且价电子带的能带边缘能级为水的标准氧化电位即1.23eV(vs.NHE)以上的半导体形成。作为这样的半导体，可以适当地使用钛、锆、钒、钽、铌、钨、铁、铜、锌、镉、镓、铟及锗的氧化物、氮氧化物及氮化物单体、它们的复合氧化物、氮氧化物及氮化物、在它们中添加碱金属离子、碱土金属离子而成的物质。另外，将由传导带的能带边缘能级为氢离子的标准还原电位0eV(vs.ME)以下的物质构成的膜和价电子带的能带边缘能级为水的标准氧化电位1.23eV(vs.NHE)以上的物质构成的膜彼此接合而成的层叠膜也可以有效地使用。作为一例，例如可以适当使用WO3/ITO/Si层叠膜等。
对电极7使用具有导电性，且在光半导体电极6为n型半导体的情况下在氢生成反应中为活性、在光半导体电极6为p型半导体的情况下在氧生成反应中为活性的材料。作为对电极7的材料，可以举出通常作为水的电解用的电极使用的碳及贵金属。具体而言，可以采用碳、铂、载铂碳、钯、铱、钌及镍等。
电连接部8可以使用一般的金属导线。
进入第一及第二空间内的电解液9只要是包含水的电解液即可，可以是酸性，可以是中性，也可以是碱性。例如，可以适当使用硫酸、盐酸、氯化钾、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠等。
电解液供给孔10及电解液排出孔11使用相对于电解液9具有耐腐蚀性及绝缘性的材料。第一氢流通孔12、第二氢流通孔13、第一氧流通孔 14及第二氧流通孔15使用具有在大气压以下的压力下不使氢或氧透过且不吸附氢或氧的功能的材料。具体而言，可以使用玻璃、树脂、对表面进行了耐腐蚀·绝缘加工的金属等。
电解液供给孔10、电解液排出孔11、第一氢流通孔12、第二氢流通孔13、第一氧流通孔14及第二氧流通孔15之间的相互的位置关系如前所述。
接着，结合设置了氧流通孔的情况说明氢生成单元100的动作。
在氢生成单元100中，透过了进入到框体1及第二空间内的电解液9的光向光半导体电极6入射。光半导体电极6吸收光而发生电子的光激发，在光半导体电极6中，在传导带产生电子，在价电子带产生空穴。此时，由于光半导体电极6与电解液9的接触，在光半导体电极6的表面(与电解液9的界面)附近产生能带弯曲，因此，通过光照射产生的空穴随着能带弯曲而向光半导体电极6的表面(与电解液9的界面)侧移动。该空穴在光半导体电极6的表面将水分子氧化而生成氧(下述反应式(1))。另一方面，在传导带产生的电子向导电性基板5侧移动。移动到导电性基板5的电子通过电连接部8向对电极7侧移动。在对电极7的内部移动而到达对电极7表面(与电解液9的界面)的电子在对电极7的表面将阳离子还原而生成氢。
4h++2H2O→O2↑+4H+ (1)
4e-+4H+→2H2↑ (2)
在对电极7的表面生成的氢气泡在进入第一空间内的电解液9中浮起，到达电解液9的液面上。然后，通过第一氢流通孔12及第二氢流通孔13向氢生成单元100的外部移动。另一方面，在光半导体电极6的表面生成的氧气泡在进入第二空间内的电解液9中浮起，到达电解液9的液面上。然后，通过第一氧流通孔14及第二氧流通孔15向氢生成单元100的外部移动。
伴随着通过水的光分解而生成氢及氧，电解液9的量减少。为了补充该减少的量，从电解液供给孔10向第一空间及第二空间供给必要量的电解液。此时，在过剩地供给电解液的情况下，电解液在重力的作用下从电解液排出孔11自动地排出，因此，第一空间及第二空间内的电解液9的 液面高度总是恒定地保持为电解液排出孔11下端的高度。因此，在配置成比电解液排出孔11靠铅垂上侧的所有氢及氧流通孔12～15中不会混入有电解液9，能容易地获得仅气体流通的机构。
(实施方式2)
如前所述，本发明的氢生成单元的电解液供给孔10、电解液排出孔11、第一氢流通孔12及第二氢流通孔13的相互的位置关系为满足将氢生成单元最终作为氢生成设备、能量系统设置的状态即可的位置关系。
因此，不仅在如实施方式1那样将氢生成单元100沿水平面设置的前提下确定电解液供给孔10、电解液排出孔11、第一氢流通孔12及第二氢流通孔13的位置关系，而且，在将氢生成单元以一定的角度倾斜地设置在例如房盖、屋顶等上、或放倒90度而设置在池子的水面等上那样的前提下确定该位置关系。
因此，使用图2A说明相对于水平面具有角度θ地设置的情况下的实施方式的氢生成设备。
图2A是表示本实施方式的氢生成单元的结构的示意图。
氢生成单元200具备与实施方式1的氢生成单元100相同的结构要素。与氢生成单元100相比，仅电解液供给孔10、电解液排出孔11、第一氢流通孔12及第二氢流通孔13的位置互不相同，但在相对于水平面具有角度θ地设置的状态下，它们相互的位置关系与氢生成单元100相同。
即，在设置有氢生成单元200的图2A的状态下，电解液供给孔10配置成比电解液排出孔11靠铅垂上侧，第一氢流通孔12配置成比电解液供给孔10靠铅垂上侧，第二氢流通孔13配置成比电解液排出孔11靠铅垂上侧。
另外，在进行氧的收集的情况下，将第一氧流通孔14及第二氧流通孔15以在设置了氢生成单元200的状态下与实施方式1同样的位置关系设于第二空间侧即可。
即，在设置了氢生成单元200的图2A的状态下，电解液供给孔10配置成比电解液排出孔11靠铅垂上侧，第一氧流通孔14配置成比电解液供给孔10靠铅垂上侧，第二氧流通孔15配置成比电解液排出孔11靠铅垂上侧。
以上，在氢生成单元200相对于水平面以角度θ设置的状态下，也与实施方式1同样地，在配置成比电解液排出孔11靠铅垂上侧的所有的氢及氧流通孔12～15中不会混入电解液9，能容易地获得仅气体流通的机构。
另外，根据本实施方式的氢生成单元的结构，若将角度θ设定为例如考虑了日本的纬度的值，则能吸取更多的照射光30，因此，能提高氢生成单元200的氢生成效率。另外，由于能高效率地设置于倾斜的房盖等上，因此也对节省空间有所贡献。
在此，通过将氢生成单元200的第一氢流通孔12设于第一空间3内的最靠铅垂上方的位置，能进一步提高氢生成效率。
图2B是表示本实施方式的氢生成单元200的其他结构的示意图。
在本结构中，将第一氢流通孔12设于第一空间3内的最靠铅垂上方的位置即框体1的角部A的正下方。同时，第二氢流通孔13也优选尽可能地接近第一氢流通孔，通过如此设置，能使电解液9的液面极力上升至第一空间3内的铅垂上方，因此，也能极力增大浸渍于电解液9中的对电极7的面积。
相应地，优选将第一氧流通孔14设于第二空间4内的最靠铅垂上方的位置即框体1的角部B的正下方。同时，第二氧流通孔15也优选尽可能地接近第一氧流通孔，通过如此设置，能使电解液9的液面极力上升至第二空间4内的铅垂上方，因此，也能极力增大浸渍于电解液9中的光半导体电极6的面积。
以上，能使氢生成单元200的第一空间3或第二空间4中的无用空间为最小限度，并且能使浸渍于电解液9中的光半导体电极6、对电极7的面积最大，因此，能进一步提高氢生成单元200的氢生成效率。
(实施方式3)
使用图3A说明本发明的实施方式3的氢生成设备。图3A是表示本实施方式的氢生成设备的结构的示意图。
本实施方式的氢生成设备300除了追加第一接头16及第二接头17这点、多个氢生成单元通过第一接头16及第二接头17连接这点、作为电解液循环机构追加电解液储藏部19、电解液供给管20及电解液排出管21 这点、作为氢收集机构追加氢收集管22这点之外，具有与实施方式1的氢生成单元100相同的结构。因此，在此，仅说明第一及第二接头、多个氢生成单元的连接机构、电解液循环机构及氢收集机构。
在构成氢生成设备300的氢生成单元310中如下所述地设有第一接头16及第二接头17。
在电解液供给孔10及电解液排出孔11上设有彼此简单地连接的第一接头16。第一接头16由相对于电解液具有耐腐蚀性及绝缘性的材料构成，只要是成为不会引起电解液漏出的机构的材料即可。例如可以利用橡胶、树脂、对表面进行了耐腐蚀·绝缘加工的金属等。
在第一氢流通孔12、第二氢流通孔13上设有彼此简单地连接的第二接头17。第二接头17由具有在大气压以下的压力下氢不透过且不吸附的功能的材料构成，只要是成为不会引起氢漏出的机构的材料即可。例如可以利用橡胶、树脂、对表面进行了耐腐蚀·绝缘加工的金属等。
另外，也可以根据需要在第一氧流通孔14及第二氧流通孔15上设置彼此简单地连接的第三接头18(未图示)。第三接头18由具有在大气压以下的压力下氧不透过且不吸附的功能的材料构成，只要是成为不会引起氧漏出的机构的材料即可。例如可以利用橡胶、树脂、对表面进行了耐腐蚀·绝缘加工的金属等。
与第一空间侧相连的电解液供给孔10的位置与第一氢流通孔12的位置之间的间隔配置为和与第一空间侧相连的电解液上游侧的氢生成单元的电解液排出孔11的位置与第二氢流通孔13的位置之间的间隔相等。另外，在根据需要设置氧流通孔且彼此连接的情况下，与第二空间侧相连的电解液供给孔10的位置与第一氧流通孔14的位置之间的间隔配置为和与第二空间侧相连的电解液上游侧的氢生成单元的电解液排出孔11的位置与第二氧流通孔15的位置之间的间隔相等。由此，能将完全相同的两个氢生成单元310以第一空间侧及第二空间侧的第一接头16及第二接头17的至少三点相连接。仅通过准备多个单一的氢生成单元310并反复连接，就能将氢生成单元310连续地连结。
而且，在氢生成设备300中设有电解液储藏部19、电解液供给管20、电解液排出管21及氢收集管22。
电解液储藏部19、电解液供给管20及电解液排出管21由相对于电解液具有耐腐蚀性的材料形成。例如，可以利用玻璃、树脂、对表面进行了耐腐蚀·绝缘加工的金属等。
在电解液储藏部19设有向储藏部内供给水及电解质的机构以能适当调整电解液浓度。另外，设有向电解液供给管20流出必要量的电解液的机构。
电解液供给管20配置为将电解液储藏部19和在氢生成设备300中配置成最靠铅垂上侧(从电解液角度观察为最上游)的氢生成单元310的电解液供给孔10连接。
电解液排出管21配置为将电解液储藏部19和在氢生成设备300中配置成最靠铅垂下侧(从电解液角度观察为最下游)的氢生成单元310的电解液排出孔11连接。
氢收集管22由具有在大气压以下的压力下氢不透过且不吸附的功能的材料形成。例如，可以利用玻璃、树脂、金属等。
氢收集管22例如配置为其一端与在氢生成设备300中配置成最靠铅垂上侧(从电解液角度观察为最上游)的氢生成单元310的第一氢流通孔12连接。此时，优选未与其他连接而多余的氢流通孔被密封。
另外，在进行氧收集的情况下，可以设置氧收集管23，该氧收集管23由具有在大气压以下的压力下氧不透过且不吸附的功能的材料形成，且与氢收集管22同样地配置。此时，优选未与其他连接而多余的氧流通孔被密封。
在以往的光水电解装置中，需要在配置的光水电解单元的各单元上安装氢收集管，因此，存在氢收集管的配管长度显著变长、繁杂且歧管较多而难以控制氢的流通、配管设置所需的工时较多这样的课题。但是，通过采用本发明的氢生成设备300的结构，能大幅降低氢收集用的配管长度及歧管数量，能解决前述的所有课题。另外，能简单且合理地进行多个氢生成单元的连结。
接着，说明氢生成设备300的动作。氢生成设备300的动作除了追加第一～第三接头16～18这点、多个氢生成单元通过第一～第三接头16～18连接这点、作为电解液循环机构追加电解液储藏部19、电解液供给管 20及电解液排出管21这点、作为氢收集机构追加氢收集管22这点之外，与在实施方式1中所示的氢生成单元100的情况相同。因此，在此，仅说明第一～第三接头、多个氢生成单元的连接机构、电解液循环机构及氢收集机构。
储存于电解液储藏部19的电解液通过电解液储藏部19进行动作而通过电解液供给管20向在氢生成设备300中配置成最靠铅垂上侧(从电解液角度观察为最上游)的氢生成单元310供给必要量。另外，电解液通过第一接头16的连接点从上游侧朝向下游侧依次向各氢生成单元供给。其结果是，各氢生成单元的电解液面在成为规定高度的状态下稳定。最终，从配置成最靠铅垂下侧(从电解液角度观察为最下游)的氢生成单元的电解液排出孔11排出的电解液通过电解液排出管21返回电解液储藏部19。
贮存于各氢生成单元310的第一空间上部的氢反复通过氢流通孔向相邻的单元移动，最终被从氢收集管22收集。
由于电解液量减少在氢生成设备300中由于光照射而水进行分解的量，因此，向电解液储藏部19补充适当的水及电解质。由此能将氢生成设备300内的电解液9的浓度保持为恒定。
以上的结果是，能够大幅降低氢收集用的配管长度及歧管数量，进行由多个氢生成单元生成的氢的收集。由此，容易进行向建筑物、氢站的房盖等的施工，实用度提高。
另外，通过根据需要设置与氢收集管22同样地进行动作的氧收集管23，还能高效率地收集贮存于各氢生成单元310的第二空间上部的氧。
关于本实施方式的氢生成设备，通过进一步设置电解液检测传感器31，从而能自动地补充减少的电解液。图3B是表示本实施方式的氢生成设备的变形例的结构的示意图。
氢生成设备301在氢生成设备300中的电解液排出管21的中途设置能检测电解液的通过的有无的电解液检测传感器31。需要说明的是，电解液检测传感器31也可以设于电解液储藏部19。
电解液9由于氢生成设备301的动作而逐渐减少。因此，例如在预先设定的时间从电解液储藏部19经由电解液供给管20向各氢生成单元310供给电解液9。电解液9从各氢生成单元310的电解液供给孔10经由电解 液排出孔11接连地流动，最终流出到电解液排出管21，被电解液检测传感器31检测到。此时，停止从电解液储藏部19供给电解液9，从而能仅在需要时将必要量的电解液9自动地向各氢生成单元310补充。
(实施方式4)
使用图4说明本发明的实施方式4的氢生成设备。图4是表示本实施方式的氢生成单元的结构的示意图。
本实施方式的氢生成设备400除了关于构成氢生成设备400的各氢生成单元410彼此的位置关系以及各氢生成单元410的电解液供给孔10、电解液排出孔11、第一氢流通孔12及第二氢流通孔13的配置方法的点以外具有与实施方式3的氢生成设备300同样的结构。因此，在此，仅说明各氢生成单元彼此的位置关系以及电解液供给·排出管及氢流通孔的配置方法。
在氢生成设备400中，所有的氢生成单元410配置为其上表面彼此、下表面彼此分别没有高低差。
各氢生成单元410的电解液供给孔10、电解液排出孔11、第一氢流通孔12及第二氢流通孔13配置为遵守前述的位置关系的规则。即，电解液供给孔10配置成比电解液排出孔11靠铅垂上侧。第一氢流通孔12配置成比电解液供给孔10靠铅垂上侧。第二氢流通孔13配置成比电解液排出孔11靠铅垂上侧。另外，相邻的单元的连接对象的电解液供给孔10和电解液排出孔11以及第一氢流通孔12和第二氢流通孔13分别配置为相同高度(距单元下表面的距离)。由此，能保证前述的“所有的氢生成单元配置为其上表面彼此、下表面彼此分别没有高低差”。但是，作为其结果，电解液供给·排出管及氢流通孔的配置高度(距单元下表面的距离)必然根据各单元而有所不同。
需要说明的是，根据需要，为了收集氧，可以以与氢流通孔同样的要领配置氧流通孔。
根据本实施方式的结构，在设置氢生成设备时，所有的氢生成单元沿横向排列成一直线，因此，在通常对长方形或梯形的建筑物、氢站的房盖等施工时，能进一步减少施工面上未配置氢生成单元的部分的面积，实用度提高。
关于氢生成设备400的动作，与实施方式3的氢生成设备300相同，因此省略说明。
需要说明的是，通过在本实施方式的氢生成设备400中应用实施方式3的氢生成设备301的电解液检测传感器31，并进行同样的控制，也能自动地补充减少的电解液。
(实施方式5)
使用图5说明本发明的实施方式5的能量系统。图5是表示本实施方式的能量系统的结构的示意图。
本实施方式的能量系统500在具有与实施方式3的氢生成设备300同样的结构的氢生成设备24的基础上设有氢储藏部25、氢供给管26及燃料电池27。
本实施方式的能量系统500中的、氢生成设备24的材料及结构与在实施方式3中所示的氢生成设备300相同，因此，在此省略说明，仅说明与氢储藏部25、氢供给管26及燃料电池27有关的部分。
氢储藏部25设为一方与氢收集管22连接、另一方与氢供给管26连接。氢供给管26的另一端设为与燃料电池27连接。
氢储藏部25及氢供给管26由具有在大气压以下的压力下氢不透过且不吸附的功能的材料形成。例如，可以利用玻璃、树脂、金属等。
氢储藏部25具有取入并储存在氢收集管22中流通的氢中的必要量的功能及使储存的氢中的必要量向氢供给管26流出的功能。
燃料电池27可以采用以氢为负极活性物质的一般的燃料电池。例如，可以利用固体高分子型燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、碱电解质型燃料电池等。
接着，说明能量系统500的动作。能量系统500的动作中的氢生成设备24与在实施方式3中所示的氢生成设备300相同，因此，在此省略说明，仅说明与氢储藏部25、氢供给管26及燃料电池27有关的动作。
在氢生成设备的氢收集管22中流通的氢由于氢储藏部25进行动作而流入到氢储藏部25内，暂时被储存。进而，被储存的氢与燃料电池27的动作状况相应地从氢储藏部25通过氢供给管26向燃料电池27供给。除了向燃料电池27输送氢以外还输送含有正极活性物质的气体、例如空气 等，燃料电池27进行发电和供热水。被消耗的氢作为水等从燃料电池27排出。以上的结果是，提供能将照射光30的光能在氢生成设备24中转换为氢能、进而根据需要在燃料电池27中转换为电能的能量系统。
(实施方式6)
使用图6说明本发明的实施方式6的能量系统。图6是表示本实施方式的能量系统的结构的示意图。
本实施方式的能量系统600是与实施方式3的氢生成设备300相同的结构，且在设有氧收集管23的氢生成设备24的基础上设有氢储藏部25、氢供给管26、燃料电池27、氧储藏部28及氧供给管29。
本实施方式的能量系统600中的、氢生成设备24、氢储藏部25、氢供给管26及燃料电池27的材料及结构与在实施方式5中所示的能量系统500相同，因此省略说明。在此，仅说明与氧储藏部28及氧供给管29有关的部分。
氧储藏部28设为一方与氧收集管23连接、另一方与氧供给管29连接。氧供给管29的另一端设为与燃料电池27连接。
氧储藏部28及氧供给管29由具有在大气压以下的压力下氢不透过且不吸附的功能的材料形成。例如，可以利用玻璃、树脂、金属等。
接着，说明能量系统600的动作。能量系统600的动作中的、氢生成设备24、氢储藏部25、氢供给管26及燃料电池27与实施方式5所示的能量系统500相同，因此省略说明。在此，仅说明与氧储藏部28及氧供给管29有关的动作。
在氢生成设备的氧收集管23中流通的氧由于氧储藏部28进行动作而流入到氧储藏部28内，被暂时储存。进而，被储存的氧与燃料电池27的动作状态相应地从氧储藏部28通过氧供给管29向燃料电池27供给。向燃料电池27输送作为负极活性物质的氢、作为正极活性物质的氧，在燃料电池27中进行发电和供热水。被消耗的氢和氧发生反应而成为水，从燃料电池27排出。本实施方式的能量系统600利用纯氧使燃料电池动作，因此，与利用空气等的实施方式5的能量系统500相比，能提供燃料电池的能量转换效率显著提高的能量系统。
工业实用性
本发明的氢生成单元、氢生成设备及使用该氢生成设备的能量系统能提高利用光的照射进行的氢生成反应的效率，因此，能适当地利用为向燃料电池等的氢供给源。
符号说明
1 框体
2 分隔件
3 第一空间
4 第二空间
5 导电性基板
6 光半导体电极
7 对电极
8 电连接部
9 电解液
10 电解液供给孔
11 电解液排出孔
12 第一氢流通孔
13 第二氢流通孔
14 第一氧流通孔
15 第二氧流通孔
16 第一接头
17 第二接头
18 第三接头
19 电解液储藏部
20 电解液供给管
21 电解液排出管
22 氢收集管
23 氧收集管
24 氢生成设备
25 氢储藏部
26 氢供给管
27 燃料电池
28 氧储藏部
29 氧供给管
30 照射光
31 电解液检测传感器
100、200、310、410 氢生成单元
300、301、400 氢生成设备
500、600 能量系统

Claims (16)

1.一种氢生成设备，具备通过对光半导体电极照射光来分解水从而生成氢的多个氢生成单元，其中，
所述氢生成单元具备：
框体，所述框体的被照射光的面具有透光性；
分隔件，所述分隔件将所述框体内部的空间分为第一空间及第二空间；
对电极，所述对电极配置于所述第一空间内；
所述光半导体电极，所述光半导体电极配置于所述第二空间内，且形成在导电性基板上；
电连接部，所述电连接部将所述光半导体电极与所述对电极之间电连接；
电解液，所述电解液位于所述第一空间内及所述第二空间内，且含有所述水；
第一氢流通孔及第二氢流通孔，所述第一氢流通孔及第二氢流通孔贯通与所述第一空间或所述第二空间中的生成氢的一侧相连的所述框体，
电解液供给孔及电解液排出孔以贯通框体的方式分别设在所述第一空间侧及所述第二空间侧，
所述第一空间侧的电解液供给孔配置成比所述第一空间侧的电解液排出孔靠铅垂上侧，
所述第二空间侧的电解液供给孔配置成比所述第二空间侧的电解液排出孔靠铅垂上侧，
所述第一氢流通孔配置成比所述第一空间或所述第二空间中的生成氢的一侧的电解液供给孔靠铅垂上侧，
所述第二氢流通孔配置成比所述第一空间或所述第二空间中的生成氢的一侧的电解液排出孔靠铅垂上侧，
各氢生成单元经由第一接头及第二接头连接，
所述第一接头将一个氢生成单元的所述第一空间或所述第二空间中的生成氢的一侧的电解液排出孔与另一个氢生成单元的所述第一空间或所述第二空间中的生成氢的一侧的电解液供给孔相互连接，
所述第二接头将所述一个氢生成单元的所述第二氢流通孔及所述另一个氢生成单元的所述第一氢流通孔相互连接。
2.根据权利要求1所述的氢生成设备，其中，
各氢生成单元还具备第一氧流通孔及第二氧流通孔，所述第一氧流通孔及第二氧流通孔贯通与所述第一空间或所述第二空间中的生成氧的一侧相连的所述框体，
所述第一氧流通孔配置成比所述第一空间或所述第二空间中的生成氧的一侧的所述电解液供给孔靠铅垂上侧，
所述第二氧流通孔配置成比所述第一空间或所述第二空间中的生成氧的一侧的所述电解液排出孔靠铅垂上侧。
3.根据权利要求1所述的氢生成设备，其中，
所述氢生成单元设置为相对于水平面具有一定的角度θ，在该状态下满足所有的所述配置。
4.根据权利要求3所述的氢生成设备，其中，
在所述氢生成单元中，所述第一氢流通孔配置于所述第一空间或所述第二空间中的生成氢的一侧的空间中的最靠铅垂上方的位置。
5.根据权利要求2所述的氢生成设备，其中，
所述氢生成单元设置为相对于水平面具有一定的角度θ，在该状态下满足所有的所述配置，
在所述氢生成单元中，所述第一氧流通孔配置于所述第一空间或所述第二空间中的生成氧的一侧的空间中的最靠铅垂上方的位置。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的氢生成设备，其中，
所述分隔件是离子交换膜。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的氢生成设备，其中，
所述分隔件具有供所述电解液循环的开口部。
8.根据权利要求2所述的氢生成设备，其中，
各氢生成单元经由第三接头连接，
所述第三接头将所述一个氢生成单元中的所述第二氧流通孔及所述另一个氢生成单元中的所述第一氧流通孔相互连接。
9.根据权利要求1所述的氢生成设备，其中，
以所述多个氢生成单元的上表面彼此、下表面彼此分别没有高低差的方式配置，
所述另一个氢生成单元的所述框体上的所述电解液供给孔的距氢生成单元的上表面的位置配置为，所述一个氢生成单元的所述框体上的所述电解液供给孔的距氢生成单元的上表面的位置靠铅垂方向下侧。
10.根据权利要求1所述的氢生成设备，其中，还具有：
电解液储藏部；
电解液供给管，所述电解液供给管从所述电解液储藏部向在所述氢生成设备中配置成最靠铅垂上侧的电解液供给孔连接；
电解液排出管，所述电解液排出管从在所述氢生成单元或氢生成设备中配置成最靠铅垂下侧的电解液供给孔向所述电解液储藏部连接。
11.根据权利要求10所述的氢生成设备，其中，
在所述电解液排出管或所述电解液储藏部还设置有电解液检测传感器，
根据通过所述电解液检测传感器检测到电解液而停止从所述电解液储藏部向所述电解液供给管供给电解液。
12.根据权利要求10所述的氢生成设备，其中，
在所述电解液储藏部内具有供给水及电解质的机构。
13.根据权利要求1所述的氢生成设备，其中，
在所述氢生成设备中具有氢收集管，所述氢收集管的一端与未与所述另一个氢生成单元的第一氢流通孔或第二氢流通孔连接的所述一个氢生成单元的第一氢流通孔或第二氢流通孔连接。
14.根据权利要求1所述的氢生成设备，其中，
在所述氢生成设备中具有氧收集管，所述氧收集管的一端与未与所述另一个氢生成单元的第一氧流通孔或第二氧流通孔连接的所述一个氢生成单元的第一氧流通孔或第二氧流通孔连接。
15.一种能量系统，其中，具有：
权利要求1所述的氢生成设备；
储藏通过所述氢生成设备生成的氢的氢储藏部；以及
燃料电池。
16.根据权利要求15所述的能量系统，其中，
还具有储藏通过所述氢生成设备生成的氧的氧储藏部。
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