DE112011105524T5

DE112011105524T5 - Wasserstofferzeugungsvorrichtung und Verfahren, das diese verwendet

Info

Publication number: DE112011105524T5
Application number: DE112011105524.2T
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Nakanishi; Norihiko Nakamura; Hidekazu Arikawa; Hirofumi Fujiwara; Keiji Toh; Akiko Kumano; Shohei Matsumoto; Hidehito Kubo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2014-05-08
Also published as: JPWO2013021509A1; JP5737407B2; CN103732531A; WO2013021509A1

Abstract

Es wird eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung vorgeschlagen, die einen Fotokatalysator verwendet, um Wasserstoff aus flüssigem Wasser oder Wasserdampf zu erzeugen. Diese Wasserstofferzeugungsvorrichtung (10) umfasst: einen Wasserkanal (12), in dem flüssiges Wasser oder Wasserdampf zirkuliert, und auf dessen Außenumfangsseite sich die Wandfläche zumindest teilweise aus einem transparenten Material zusammensetzt; einen Wasserstoffkanal (18), in dem Wasserstoff zirkuliert und der auf der Innenumfangsseite des Wasserkanals (12) ausgebildet ist; eine Wasserstofftrennmembran (16), die zumindest einen Teil der Wandfläche zwischen dem Wasserkanal (12) und dem Wasserstoffkanal (18) bildet und Wasserstoff von dem flüssigen Wasser oder Wasserdampf im Wasserkanal (12) trennt und den Wasserstoff zum Wasserstoffkanal (18) liefert; und eine Fotokatalysatorschicht (14), die auf zumindest einem Teil einer Oberfläche auf der Wasserkanalseite der Wasserstofftrennmembran (16) positioniert ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung, die einen Fotokatalysator verwendet, um Wasserstoff aus flüssigem Wasser oder Wasserdampf zu erzeugen. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, das diese Wasserstofferzeugungsvorrichtung verwendet, um Wasserstoff zu erzeugen.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren sind zahlreiche Vorschläge zur Verwendung von sauberer Energie aus Wasserstoff als Energiequelle gemacht worden.
Um Wasserstoff zu erzeugen, ist Dampfreformierung, die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff verwendet, allgemeine Praxis. In den letzten Jahren wurden Überlegungen angestellt, Wasserstoff aus Wasser durch Wasserspaltung, insbesondere Sonnenenergie verwendender Wasserspaltung, zu erzielen. Wenn Wasserstoff durch Wasserspaltung erzeugt wird, zieht hinsichtlich des Punkts, die Nutzung der unerschöpflichen Sonnenenergie zu ermöglichen, die fotokatalytische Zerlegung von Wasser Aufmerksamkeit auf sich.
Bezüglich der Trennung von Wasserstoff aus einem durch Wasserspaltung erzielten Gemisch von Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser schlagen die JP 2004-35356 A und die JP 2004-292284 A vor, eine Wasserstofftrennmembran zu verwenden, die selektiv den Durchgang von lediglich Wasserstoff erlaubt. Dabei ist zu beachten, dass die JP 2008-207969 A vorschlägt, eine Wasserstofftrennmembran zur Trennung von Wasserstoff aus einem Mischgas zu verwenden, das durch Dampfreformierung erzielt wurde, die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff verwendet.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung sieht eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung vor, die einen Fotokatalysator verwendet, um Wasserstoff aus flüssigem Wasser oder Wasserdampf zu erzeugen. Des Weiteren sieht die Erfindung ein Verfahren vor, das diese Wasserstofferzeugungsvorrichtung verwendet, um Wasserstoff zu erzeugen.
Die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung hat einen Wasserkanal, durch den flüssiges Wasser oder Wasserdampf strömt und der eine Außenumfangswand hat, die zumindest teilweise aus einem transparenten Material besteht; einen Wasserstoffkanal, durch den Wasserstoff strömt und der sich an der Innenumfangsseite des Wasserkanals befindet; eine Wasserstofftrennmembran, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem Wasserkanal und Wasserstoffkanal bildet, Wasserstoff von dem flüssigen Wasser oder Wasserdampf im Wasserkanal trennt und den Wasserstoff zum Wasserstoffkanal liefert; und eine Fotokatalysatorschicht, die auf zumindest einem Teil der wasserkanalseitigen Oberfläche der Wasserstofftrennmembran angeordnet ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung.
2 ist eine Ansicht, die eine andere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung zeigt.
3 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Lichtfokussierungsbauteils zeigt, das für die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung verwendet werden soll.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung dient dazu, Wasserstoff aus flüssigem Wasser oder Wasserdampf zu erzeugen.
Und zwar kann die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung zum Beispiel einen Aufbau haben, wie er in 1 gezeigt ist. Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung hat die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung einen Wasserkanal 12, durch den flüssiges Wasser oder Wasserdampf (H₂O) strömt und der eine Außenumfangswand 11 hat, die zumindest teilweise aus einem transparenten Material besteht; einen Wasserstoffkanal 18, durch den Wasserstoff (H₂) strömt und der sich an der Innenumfangsseite des Wasserkanals 12 befindet; eine Wasserstofftrennmembran 16, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem Wasserkanal 12 und Wasserstoffkanal 13 bildet, Wasserstoff von dem flüssigen Wasser oder Wasserdampf im Wasserkanal 12 trennt und den Wasserstoff zum Wasserstoffkanal 18 liefert; und eine Fotokatalysatorschicht 14, die auf zumindest einem Teil der wasserkanalseitigen Oberfläche der Wasserstofftrennmembran 16 angeordnet ist.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung ist es möglich, den Wasserkanal 12 mit dem flüssigen Wasser oder Wasserdampf zu versorgen, Licht durch die aus dem transparenten Material bestehende Außenwand 11 des Wasserkanals hindurch auf die Fotokatalysatorschicht 14 treffen zu lassen und das flüssige Wasser oder den Wasserdampf durch den Fotokatalysator aufzuspalten, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, den Wasserstoff durch die Wasserstofftrennmembran 16 von dem Wasserkanal zu trennen, um den Wasserstoff dem Wasserstoffkanal zuzuführen, und dann den erzeugten Wasserstoff aus dem Wasserstoffkanal zu erhalten.
Gemäß der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung sind der Wasserstoffkanal und die Wasserstofftrennmembran an der Innenumfangsseite des Wasserkanals und der Fotokatalysatorschicht angeordnet, sodass durch die Außenwand des Wasserkanals gehendes Licht wirksam an der Fotokatalysatorschicht genutzt werden kann. Dadurch, dass dem Wasserstoffkanal nur der Wasserstoff unter dem erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt wird, ist es gemäß der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung insbesondere möglich, den Wasserstoff und Sauerstoff davon abzuhalten, sich am Wasserkanal erneut zu verbinden und wieder zu Wasser zu werden. Wenn dem Wasserkanal flüssiges Wasser zugeführt wird, ist es gemäß der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung zudem insbesondere möglich, Wasserstoffblasen in dem flüssigen Wasser zu verringern und daher das durch die Außenwand des Wasserkanals gehende Licht an der Fotokatalysatorschicht wirksam zu nutzen.
Um eine Trennung von Wasserstoff durch die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung zu erreichen, wird der Druck des Wasserkanals vorzugsweise größer als der Druck des Wasserstoffkanals eingestellt. Der genaue Druck hängt von der Betriebstemperatur der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung, dem Trennvermögen und der Festigkeit der verwendeten Membran usw. ab, doch wird der Druck des Wasserkanals zum Beispiel vorzugweise auf 1 Atmosphäre oder mehr eingestellt und der Druck des Wasserstoffkanals wird vorzugsweise auf einen kleineren Druck als der Druck des Wasserkanals eingestellt.
Darüber hinaus kann nach dem Erzeugen des Wasserstoffs durch die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung eine weitere Vorrichtung verwendet werden, um aus dem Produkt des Wasserkanals den Sauerstoff und den verbliebenen Wasserstoff zu extrahieren. Als die andere Vorrichtung kann in diesem Fall eine behälterartige Gas-Flüssigkeit-Trennvorrichtung genannt werden, die Gravitation, Zentrifugalkraft usw. nutzt. Nach der auf diese Weise erfolgenden Behandlung durch die Gas-Flüssigkeit-Trennvorrichtung setzt sich das Produkt aus dem Wasserkanal im Wesentlichen aus Wasser zusammen und kann weggetan und/oder zur erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung zurückgeführt werden.
Als die ”Wasserstofftrennmembran”, die in der Erfindung verwendet wird, ist es möglich, jede Membran zu verwenden, die verglichen mit Sauerstoff den bevorzugten Durchgang von Wasserstoff ermöglicht. Dabei kann das Molverhältnis (H₂/O₂) der Durchgangsmenge an Wasserstoff und der Durchgangsmenge an Sauerstoff bei der Betriebstemperatur zum Beispiel 2 oder mehr, 10 oder mehr, 50 oder mehr, 100 oder mehr oder 1.000 oder mehr betragen.
Als eine solche Wasserstofftrennmembran sind viele Membranen bekannt. Zum Beispiel kann auf die JP 2008-055295 A , die JP 2002-128512 A , die JP 2004-008971 A , die JP 2005-319383 A , die JP 2006-290686 A usw. Bezug genommen werden.
Des Weiteren ist hinsichtlich der Festigkeit manchmal die Verwendung eines porösen Keramikkörpers, eines Metallgitters oder eines anderen gasdurchlässigen Trägers vorzuziehen, der mit der Wasserstofftrennmembran beschichtet ist. Wenn ein solcher gasdurchlässiger Träger verwendet wird, kann, wie in 2(a) gezeigt ist, in der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung 10a der gasdurchlässige Träger 17a die Wasserstofftrennmembran 16a tragen und einen Wasserstoffkanal 18a haben, der sich auf seiner Innenumfangsseite befindet. Wenn ein solcher gasdurchlässiger Träger verwendet wird, kann des Weiteren, wie in 2(b) gezeigt ist, in der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung 10b der gasdurchlässige Träger 17b die Wasserstofftrennmembran 16b tragen und einen Wasserstoffkanal 18b bilden.
Als die ”Fotokatalysatorschicht”, die in der Erfindung verwendet wird, kann jeder Katalysator verwendet werden, der Wasser durch eine fotokatalytische Reaktion in Wasserstoff und Sauerstoff spalten kann, zum Beispiel ein Titanoxidkatalysator. Diese Fotokatalysatorschicht kann jede Form haben. Daher kann zum Beispiel, wie in 2(c) gezeigt ist, in der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung 10c die Fotokatalysatorschicht 14c auf der gesamten wasserkanalseitigen Oberfläche der Wasserstofftrennmembran 16c angeordnet sein. Des Weiteren kann zum Beispiel, wie in 2(d) gezeigt ist, in der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung 10d die Fotokatalysatorschicht 14d auch auf nur einem Teil der wasserkanalseitigen Oberfläche der Wasserstofftrennmembran 16d angeordnet sein. Außerdem kann die Fotokatalysatorschicht zum Beispiel eine konkav-konvexe Oberfläche haben, um den Kontakt mit dem flüssigen Wasser oder dem Wasserdampf im Wasserkanal zu verbessern.
Die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung kann zudem ein Sonnenlichtfokussierungsbauteil haben, um Sonnenlicht auf der Fotokatalysatorschicht zu fokussieren. Gemäß einer erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung, die außerdem ein solches Sonnenlichtfokussierungsbauteil hat, ist es möglich, die wirksame Nutzung von Sonnenenergie zur Erzeugung von Wasserstoff zu fördern.
Als das Sonnenlichtfokussierungsbauteil kann in diesem Fall ein Lichtfokussierungsbauteil der Parabolschüssel-Bauart, ein Lichtfokussierungsbauteil der Solarturm-Bauart oder ein Lichtfokussierungsbauteil der Parabolrinnen-Bauart verwendet werden. Und zwar ist ein Lichtfokussierungsbauteil der Parabolschüssel-Bauart ein Sonnenlichtfokussierungsbauteil, das einen schüsselförmigen Reflektionsteil, der Sonnenlicht reflektiert und fokussiert, und einen Lichtaufnahmeteil hat, der das fokussierte Licht aufnimmt. Es hat einen hohen Lichtfokussierungsgrad und kann daher eine Hochtemperaturwärmequelle ergeben, ist aber mit verhältnismäßig hohen Kosten verbunden. Des Weiteren ist ein Lichtfokussierungsbauteil der Solarturm-Bauart ein Solarlichtfokussierungsbauteil, das eine Vielzahl von Heliostaten (reflektierendes Teil) zum Reflektieren und Fokussieren von Sonnenlicht und einen Lichtaufnahmeteil hat, der oben auf dem Lichtaufnahmeturm angeordnet ist. Es hat einen großen Lichtfokussierungsgrad und kann daher eine Hochtemperaturwärmequelle ergeben, doch sind die Konstruktionskosten des Turms hoch und die Steuerung der reflektierenden Spiegel erfordert eine hochentwickelte Technologie. Darüber hinaus ist ein Lichtfokussierungsbauteil der Parabolrinnen-Bauart ein Sonnenlichtfokussierungsbauteil, das einen rinnenartigen Reflektionsteil, der Sonnenlicht reflektiert und fokussiert, und einen Lichtaufnahmeteil hat, der das fokussierte Licht aufnimmt. Es hat einen geringen Lichtfokussierungsgrad und liefert daher eine Niedrigtemperaturwärmequelle. Diese Lichtfokussierungsbauteile können Reflektionsteile haben, die mit Aluminium oder einem anderen reflektierenden Material bedeckt sind.
Eine erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung, die außerdem ein solches Sonnenlichtfokussierungsbauteil hat, kann auch eine Vorrichtung sein, wie sie zum Beispiel in 3 gezeigt ist.
Die in 3 gezeigte Wasserstofferzeugungsvorrichtung 100 hat ein Lichtfokussierungsbauteil der Parabolrinnen-Bauart 20. Am Licht fokussierenden Teil dieses Lichtfokussierungsbauteils der Parabolrinnen-Bauart 20 sind der Wasserstoffkanal 12, der Wasserkanal 18 usw. der Wasserstofferzeugungsvorrichtung angeordnet. Indem bei der in 3 gezeigten Wasserstofferzeugungsvorrichtung 100 der Wasserstoffkanal 12, der Wasserkanal 18 usw. der Wasserstofferzeugungsvorrichtung auf diese Weise am Licht fokussierenden Teil des Lichtfokussierungsbauteils 20 angeordnet sind, wird Sonnenlicht 50 auf dem Fotokatalysator 14 der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung fokussiert.
Die Kanäle müssen bei dieser Wasserstofferzeugungsvorrichtung 100 nicht gerade sein. Um die notwendigen Kanallängen zu erreichen, können sie auch gewunden ausgeführt sein.
Bei Verwendung dieser Wasserstofferzeugungsvorrichtung 100 wird dem Wasserkanal 12, wie durch den Pfeil 31 gezeigt ist, Wasser (H₂O) zugeführt, zumindest ein Teil des zugeführten Wassers wird durch eine fotokatalytische Reaktion in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, und zumindest ein Teil des Wasserstoffs und Sauerstoffs wird am Wasserstoffkanal 18 geborgen. Danach werden von der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung 100, wie durch den Pfeil 32 gezeigt ist, durch den Wasserkanal 12 und den Wasserstoffkanal 18 jeweils das nicht für die Reaktion verwendete Wasser und der das Wasser begleitende Sauerstoff (H₂O + O₂) sowie der Wasserstoff (H₂) geborgen.

Claims

Wasserstofferzeugungsvorrichtung mit einem Wasserkanal, durch den flüssiges Wasser oder Wasserdampf strömt und der eine Außenumfangswand hat, die zumindest teilweise aus einem transparenten Material besteht; einem Wasserstoffkanal, durch den Wasserstoff strömt und der sich an der Innenumfangsseite des Wasserkanals befindet; einer Wasserstofftrennmembran, die zumindest einen Teil einer Wand zwischen dem Wasserkanal und dem Wasserstoffkanal bildet, Wasserstoff von dem flüssigen Wasser oder Wasserdampf im Wasserkanal trennt und den Wasserstoff zum Wasserstoffkanal liefert; und einer Fotokatalysatorschicht, die auf zumindest einem Teil der wasserkanalseitigen Oberfläche der Wasserstofftrennmembran angeordnet ist.
Wasserstofferzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Druck des Wasserkanals größer als der des Wasserstoffkanals ist.
Wasserstofferzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wasserstofferzeugungsvorrichtung außerdem ein Sonnenlichtfokussierungsbauteil hat, das Sonnenlicht an der Fotokatalysatorschicht fokussiert.
Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff unter Verwendung einer Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das Folgendes umfasst: Versorgen des Wasserkanals mit dem flüssigen Wasser oder Wasserdampf, Licht durch eine Außenwand des aus dem transparenten Material bestehenden Wasserkanals hindurch auf die Fotokatalysatorschicht treffen lassen und das flüssige Wasser oder den Wasserdampf durch den Fotokatalysator spalten, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, Trennen des Wasserstoffs von dem flüssigen Wasser oder Wasserdampf in dem Wasserkanal, um den Wasserstoff dem Wasserstoffkanal zuzuführen, indem die Wasserstofftrennmembran verwendet wird, und Erhalten des erzeugten Wasserstoffs aus dem Wasserstoffkanal.