JP2013220983A - 光水素生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】光水素生成デバイスの電極表面に発生する気泡を除去するための水流を生み出す水流ポンプには駆動エネルギーがかかる。
【解決手段】光を照射することで水素を生成する光水素生成デバイスと、光水素生成デバイスで生成された水素の気泡と、水を含む電解液からなる気液混合水を、水素と水を含む電解液と、に分離せしめる気液分離器と、光水素生成デバイスと気液分離器とをつなぐ気液パイプと、気液分離器で分離された水を含む電解液を、光水素生成デバイスへと再び導入する電解液パイプと、を備え、気液分離器は、光水素生成デバイスの上方に位置し、気液混合水は、光水素生成デバイスから気液分離器へ、気液混合水に含まれた気泡の浮力により、気液パイプを介して導かれる光水素生成システム。
【選択図】図２

Description

本発明は、光の照射により水素を生成するデバイスを備えた光水素生成システムに関する。

水素は、燃料電池などを用いて電気や熱に変換しても最終生成物が無害で安全な水であり、最も環境負荷の小さい究極のエネルギーである。そのため、水素をエネルギー基盤とした社会インフラに向けて、各要素技術の研究開発が進められている。

エネルギー媒体としての水素は天然にも存在するが、ほとんどは石油や天然ガスの改質により製造される。また、水を電気分解することによって製造することも可能であるが、電気分解に必要な電気エネルギーが多大である。よって、これらの方法は環境負荷に対する根本的な解決にならない。ただし、太陽電池により光エネルギーを電気に変換し、その電力で電気分解するシステムは可能であるが、太陽電池の製造コスト、エネルギー消費量などを考慮すると、必ずしも有効な製造方法とはいえない。

これに対し、光触媒を用いた水素生成は、水と太陽光から直接水素を製造するシステムであり、太陽光エネルギーを有効に水素エネルギーに変換できる。そのため、光触媒を利用した光水素生成デバイス、および、そのシステムの検討が活発に進められている。

ここで、光水素生成デバイスは大きく分類して、粉末式と電極式に分けられる。

粉末式は、水溶液に光触媒材料の粉末を分散させて、粒子に光を照射することで水素と酸素を生成し、一定量のガスが生成したところで、水素と酸素に分離して取り出す方式である。しかし、この方式では、水素と酸素を分離するためにエネルギーが必要となる、水素と酸素が同じ場所で発生するために逆反応（水素と酸素から水が生成される反応）が進行して水素の生成効率が低下する、などの問題がある。

一方、電極式は、光触媒を導電性基板上に成膜した光電極と、これと導線などで電気的に接続された対極と、を水溶液中に浸漬させた構成となる。光触媒がｎ型半導体の場合、光電極に光を照射すると、光電極側では酸素が発生し、対極側では水素が発生する。この場合、水素と酸素を別々の電極で発生させるので、水素と酸素の分離が簡単であるというメリットがある。

ここで、電極式の光水素生成デバイスでは、光電極および対極から発生した気泡が電極に吸着すると、反応が進行する電極表面への反応物質の拡散輸送が制限されることで、水素生成効率の低下の要因となる。そのため、水溶液を物理的に攪拌することにより、気泡を除去して反応物質の拡散輸送を促進させ、水素生成効率を高める方式が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２５４４８９号公報

しかし、従来のように、電極表面に発生した気泡を除去するために水溶液を攪拌するには、水流ポンプなどを利用して水流を起こさせるといったシステムが必要となる。そのため、その駆動エネルギーが必要となり、光水素生成システム全体としてのエネルギー変換効率を低下させるという課題を有していた。

本発明は、かかる課題を解決するもので、水流を起こさせるために必要なエネルギーを低減させ、高効率な光水素生成システムを提供する。

本発明の光水素生成システムは、光水素生成デバイスの上方に気液分離器を設置し、光水素生成デバイスで発生した気泡と、この気泡の浮力により上方へ導かれる水（電解液）と、からなる気液混合水を、光水素生成デバイスの上方において気液分離し、分離された水（電解液）を再び光水素生成デバイスへと導入する。それによって、高低差から生じる水（電解液）の位置エネルギーを、電極表面に発生した気泡を除去するための水流を起こさせるために利用する。

本構成によって、水流を起こさせるためのシステムの駆動エネルギーを低減させ、光水素生成システムとしてのエネルギー効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における光水素生成システムを構成する光水素生成デバイスの一構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態１における光水素生成システムの一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態１における光水素生成システムの他の例を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１における光水素生成システムを構成する、光水素生成デバイス１００の一構成例を示す。

光水素生成デバイス１００は、光電極１０１と、対極１０２と、光電極１０１と対極１０２とを電気的に接続する外部回路１０３と、を備える。これらは、筐体１０４の内部に収容されている。光電極１０１は、光触媒として機能する光触媒性半導体を含んでいれば良い。

光電極１０１は、例えば、導電性基板と、当該導電性基板上に設けられた、光触媒として機能する光触媒性導体の層と、によって形成されることができる。光電極１０１に含まれる光触媒性半導体は、必ずしも単相の半導体である必要はなく、複数種類の半導体からなる複合体でもよい。

対極１０２は、金属および炭素材料などの導体物質から形成されていてもよいし、導電基材に金属が担持された構造を有していてもよい。

ここで、外部回路１０３は、必ずしも設けられなくてもよい。光電極１０１と対極１０２とが直接接している場合など、外部回路１０３を用いずに光電極１０１と対極１０２との電気的な接続が得られる場合は、外部回路１０３を設ける必要はない。また光電極１０１と対極１０２との間には、バイアスを印加できるような機構が設けられていてもよい。

光水素生成デバイスの筐体１０４の内部には、少なくとも分解に用いられる水を含んだ電解液（第１電解液１０６および第２電解液１０７）が、さらに収容されている。筐体１０４の内部は、電解液を循環させるための電解液循環経路（図示せず）と連通している。したがって、電解液は、筐体１０４の内部を流通している。電解液は、水素生成を効率的に行うために、支持電解質、酸化還元材料、犠牲試薬およびｐＨ調整材料などを含んでいても良い。

筐体１０４の光電極１０１側の面の一部は、太陽光を透過する部材で構成されている。また、筐体１０４は、例えば図１に示すように光電極１０１が効率的に太陽光を受光することが可能となるような角度、もしくは、例えば建築物の屋根などの設置する面の勾配に合わせて設置されることが望ましい。

筐体１０４において、光電極１０１と対極１０２との間には、セパレータ１０５が配置されている。このセパレータ１０５は、筐体１０４内部を、光電極１０１側の領域と対極１０２側の領域とに分離している。セパレータ１０５によって、電解液は、光電極１０１の表面と接する第１電解液１０６と、対極１０２の表面と接する第２電解液１０７とに分離される。セパレータ１０５は、電解液に含まれるイオンは透過するが、気体を遮断するような材質からなっていることが好ましい。セパレータ１０５で筐体１０４内を光電極１０１側の領域と対極１０２側の領域とに分離することにより、生成した水素ガスおよび酸素ガスが混合することが防止される。

第１電解液１０６は、第１電解液導入口１０８より筐体１０４の内部に導入される。光電極１０１に含まれる光触媒性半導体がｎ型半導体の場合、光電極１０１に太陽光が照射されると、第１電解液導入口１０８より導入された第１電解液１０６中の水の一部は、光電極表面上で以下の反応式（１）の反応に用いられる。その結果、酸素が生成する。一方、励起された電子は、光電極１０１を構成する導電性基板および外部回路１０３を伝導して、対極１０２表面上で以下の反応式（２）の反応に用いられる。その結果、水素が生成する。

４ｈ^＋ ＋ ２Ｈ_２Ｏ → Ｏ_２↑ ＋ ４Ｈ^＋ （１）
４ｅ⁻ ＋ ４Ｈ^＋ → ２Ｈ_２↑ （２）
第１電解液１０６は流動しており、光電極１０１上で発生した酸素は、第１電解液１０６と共に気液混合液として、第１電解液導出口１０９から筐体１０４の外部へ導出される。

一方、対極と接する第２電解液１０７は、第２電解液導入口１１０から、筐体１０４の内部に導入される。第２電解液１０７は流動しており、対極１０２上で発生した水素は、第２電解液１０７と共に気液混合液として、第２電解液導出口１１１から筐体１０４の外部へ導出される。

また、光電極１０１に含まれる光触媒性半導体がｐ型半導体の場合、光電極１０１上では反応式（２）の反応により水素が、対極１０２上では反応式（１）の反応により酸素が、それぞれ発生する。

図２に、本発明の実施の形態１における光水素生成システムの一例の構成を示す。

水素生成システムを構成する光水素生成デバイス１００の説明は前述したので省略する。以下、光電極１０１を構成する光触媒性半導体がｎ型半導体である場合について説明する。

本実施の形態の光水素生成システムは、光水素生成デバイス１００の上方（地表面からの高さ方向において上方）に第１気液分離器２０１と第２気液分離器２０２とが設置されている。そして、第１および第２気液分離器のそれぞれの導入口が、第１電解液導出口１０９から導出される、酸素と第１電解液１０６とからなる気液混合水を流通させる第１気液パイプ２０３、第２電解液導出口１１１から導出される、水素と第２電解液１０７とからなる気液混合水を流通させる第２気液パイプ２０４と、に接続されている。さらに、第１および第２気液分離器のそれぞれの導出口が、第１気液分離器２０１によって分離された電解液を流通する第１電解液パイプ２０５と、第２気液分離器２０２によって分離された電解液を流通する第２電解液パイプ２０６と、に接続されている。第１電解液パイプ２０５と第２電解液パイプ２０６は、それぞれ、光水素生成デバイス１００の第１電解液導入口１０８、第２電解液導入口１１０に接続されるが、このとき一度合流したあと再び分岐した構造となる。第１電解液パイプ２０５と第２電解液パイプ２０６の合流部分には、水流を発生させるための水流ポンプ２０７が設置されている。さらに、第１電解液パイプ２０５と第２電解液パイプ２０６の任意の部分に、貯水タンク２０８から水を補給するための水配管２０９が接続されており、筐体１０４の電解液の量が減少した場合に水を補給できる構造となっている。水配管２０９上には、例えばフローコントローラー２１０が設置されているのが好ましい。また、第２気液分離器２０２は、水素貯蔵タンク２１１に水素配管２１２を通して接続されており、第２気液分離器２０２で分離された水素を貯蔵することができる。水素配管２１２上には、水素を貯蔵するための昇圧ポンプ２１３が設置されているのが好ましい。

まず、光電極側における動作について記述する。光電極１０１に光を照射すると、光電極１０１の表面上に酸素の気泡が発生する。この気泡が電極表面に吸着した場合、ガス生成効率が低下するため、これを防ぐべく水流ポンプ２０７を駆動させ、第１電解液１０６を循環させる。このとき、発生した酸素気泡は第１電解液１０６と合わさって気液混合水となり、酸素気泡の浮力によって光水素生成デバイス１００の第１電解液導出口１０９から、第１気液パイプ２０３を通して上方へ導かれる。そのため、水流の向きを下方から上方へと設定することにより、水流は気液混合水の流れと同じになる。それにより、酸素気泡による浮力によって気液混合水が揚水される分だけ、水流を生み出すために必要となる水流ポンプ２０７の駆動エネルギーを低減することができる。また、上方へ導かれた気液混合水は、上方に設置された第１気液分離器２０１によって、酸素と電解液に分離される。分離された電解液は、第１電解液パイプ２０５を通して、光水素生成デバイス１００の第１電解液導入口１０８から再び筐体１０４内部へ導入される。このとき分離された電解液は、第１気液分離器２０１が光水素生成デバイス１００の上方に設置されているために高低差による位置エネルギーを獲得している。そのため、第１電解液パイプ２０５を、重力によって自然と下方へと流動するので、水流を生みだすための水流ポンプ２０７の駆動エネルギーは特に必要としない。また、第１気液分離器２０１で分離された酸素は大気中へ放出されるが、酸素は無害であるため、大気汚染の心配はない。

次に、対極１０２側における動作について記述する。光電極１０１に光を照射すると、対極１０２表面上に水素の気泡が発生する。この気泡が電極表面に吸着した場合、ガス生成効率が低下するため、これを防ぐべく水流ポンプ２０７を駆動させ、第２電解液１０７を循環させる。このとき、発生した水素気泡は第２電解液１０７と合わさって気液混合水となり、水素気泡の浮力によって光水素生成デバイス１００の第２電解液導出口１１１から、第２気液パイプ２０４を通して上方へ導かれる。そのため、水流の向きを下方から上方へと設定することにより、水流は気液混合水の流れと同じになる。それにより、気泡による浮力によって気液混合水が揚水される分だけ、水流を生み出すために必要となる水流ポンプ２０７の駆動エネルギーを低減することができる。また、上方へ導かれた気液混合水は、上方に設置された第２気液分離器２０２によって、水素と電解液に分離される。分離された電解液は、第２電解液パイプ２０６を通して、光水素生成デバイス１００の第２電解液導入口１１０から再び筐体１０４内部へ導入される。このとき分離された電解液は、第２気液分離器２０２が光水素生成デバイス１００の上方に設置されているために高低差による位置エネルギーを獲得している。そのため、第２電解液パイプ２０６を、重力によって自然と下方へと流動するので、水流を生みだすための水流ポンプ２０７の駆動エネルギーは特に必要としない。分離された水素は水素貯蔵タンク２１１へと貯蔵される。

以上、本発明の実施の形態１における光水素生成システムの、第１および第２の気液分離器を備える一構成例を説明したが、かかる気液分離器については、いずれか一方の気液分離器を備えるだけでも、本発明の効果を得ることは可能である。

図３に、本発明の実施の形態１における光水素生成システムの他の例の構成を示す。これは、図２の構成において、第２気液分離器２０２と第２電解液パイプ２０６による光水素生成システムの構成のみを取り出したもので、対極１０２側における動作については、上述した通りである。

例えば、設置場所の制限等によって一つの気液分離器しか置けない場合は、水素の気泡と水を含む電解液を分離する第２気液分離器だけを備えれば良い。なお、第１および第２の気液分離器の双方を備えることで、本発明の効果を良好に得られることは言うまでもない。

本発明の光水素生成システムによって、水流を起こさせるためのシステムの駆動エネルギーを低減させ、光水素生成システムとしてのエネルギー効率を向上させることができるため、得られた水素を燃料電池等で活用することができる。

１００ 光水素生成デバイス
１０１ 光電極
１０２ 対極
１０３ 外部回路
１０４ 筐体
１０５ セパレータ
１０６ 第１電解液
１０７ 第２電解液
１０８ 第１電解液導入口
１０９ 第１電解液導出口
１１０ 第２電解液導入口
１１１ 第２電解液導出口
２０１ 第１気液分離器
２０２ 第２気液分離器
２０３ 第１気液パイプ
２０４ 第２気液パイプ
２０５ 第１電解液パイプ
２０６ 第２電解液パイプ
２０７ 水流ポンプ
２０８ 貯水タンク
２０９ 水配管
２１０ フローコントローラー
２１１ 水素貯蔵タンク
２１２ 水素配管
２１３ 昇圧ポンプ

Claims (4)

1. 光を照射することで水素を生成する光水素生成デバイスと、
   前記光水素生成デバイスで生成された水素の気泡と、水を含む電解液からなる気液混合水を、水素と水を含む電解液と、に分離せしめる気液分離器と、
   前記光水素生成デバイスと前記気液分離器とをつなぐ気液パイプと、
   前記気液分離器で分離された水を含む電解液を、前記光水素生成デバイスへと再び導入する電解液パイプと、を備え、
   前記気液分離器は、前記光水素生成デバイスの上方に位置し、
   前記気液混合水は、前記光水素生成デバイスから前記気液分離器へ、前記気液混合水に含まれた気泡の浮力により、前記気液パイプを介して導かれる
   光水素生成システム。
2. 前記気液パイプと前記電解液パイプとから構成され、水を含む電解液を前記気液分離器から前記光水素生成デバイスへ循環させるための電解液循環経路上に、水を含む電解液を循環させるための水流ポンプを
   更に備えた、請求項１に記載の光水素生成システム。
3. 前記水素生成デバイスで生成された水素を貯蔵する貯蔵タンクを
   更に備えた、請求項１に記載の光水素生成システム。
4. 前記光水素生成デバイスで消費された水を補給するための貯水タンクを
   更に備えた、請求項１に記載の光水素生成システム。

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