JP6948393B2 - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Description
水が酸性溶液中で電気分解されるとき
陰極:2H++2e→H2 φθ=0.0V
陽極:H2O→1/2O2+2H++2e φθ=1.23V
水がアルカリ溶液中で電気分解されるとき
陰極:2H2O+2e→H2+2OH− φθ=−0.83V
陽極:2OH−→1/2O2+H2O+2e φθ=0.4V
全体的な電解反応:
H2O→H2+1/2O2 φθ=1.23V
理論的分解電圧 Ed
酸素過電位 h酸素
水素過電位 h水素
溶液のオーム電圧降下 IR溶液
隔膜のオーム電圧降下 IR隔膜
バブル効果電圧降下 IR気体
電極のオーム電圧降下 IRu
電解槽の電圧(合計) V=Ed+h酸素+h水素+ΣIR
A 第1導光部
B 第2導光部
C 第3導光部
2 導光内側コア
3 光吸収層
4 内側電極層
5 絶縁層
6 ボイド層
7 微小電極
8 プロトン交換膜
9 外側電極層
10 導電層
11 水素製造用光ケーブル
12 保護スリーブ
13 電解槽
14 電解質
15 ケーブルインタフェース銅リング
16 補助位置決めネット
17 上側開口板
18 下側開口板
19 光ファイバ固定孔
20 消泡ネット
21 ガス出口
22 水入口
23 水出口
24 廃液排出口
25 外部電源
26 ワイヤ
Claims (20)
- 光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバであって、導光内側コア(2)を含み、該導光内側コア(2)は、少なくとも前端が後方に延出する第1導光部(A)と、該第1導光部(A)の後面に接続された第2導光部(B)とを含み、前記第1導光部(A)は、光透過性の周壁を含み、前記第2導光部(B)は、光透過性または不透明性の周壁を含み、
前記導光内側コア(2)の第1導光部(A)は、内側から外側に向かって、光吸収層(3)と、内側電極層(4)と、絶縁層(5)と、プロトン交換膜(8)と、外側電極層(9)とを含み、前記絶縁層(5)と前記プロトン交換膜(8)の間にボイド層(6)が形成され、前記光吸収層(3)は、光によって励起されて電子を生成し、前記導光内側コア(2)から伝達された光エネルギを電気エネルギに変換する光起電力材料層であり、前記内側電極層(4)は、前記絶縁層(5)および前記ボイド層(6)を貫通する複数の微小電極(7)を介してプロトン交換膜(8)と連通し、該複数の微小電極(7)は、前記内側電極層(4)の周囲に均等に配置され、前記外側電極層(9)は多孔質導電性構造であり、
前記導光内側コア(2)の第2導光部(B)は導電層(10)を含み、該導電層(10)は、前記内側電極層(4)に連結される
ことを特徴とする光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。 - 前記導電層(10)が導電材料によって前記内側電極層(4)と一体化されている、ことを特徴とする請求項1に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記導光内側コア(2)は、前記第2導光部(B)の後面に連結される第3導光部(C)をさらに含み、該第3導光部(C)は不透明な周壁を備える、ことを特徴とする請求項1に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記導光内側コア(2)の第1導光部(A)の前端の前記内側電極層(4)は、前記絶縁層(5)で覆われて密封される、ことを特徴とする請求項1に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記光吸収層(3)が50nm〜20μmの厚さを有し、前記内側電極層(4)が50nm〜50μmの厚さを有し、前記絶縁層(5)が10nm〜50μmの厚さを有し、前記微小電極(7)が100nm〜20μmの半径を有し、前記プロトン交換膜(8)が0.05〜0.5mmの厚さを有する、ことを特徴とする請求項1に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記導光内側コア(2)が、石英光ファイバ、プラスチック製光ファイバ、結晶光ファイバ、ポリマー材料光導管、ガラス光導管、ガラス光ファイバまたは透明マイカ光ファイバの中の一つである、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記微小電極(7)が、Pt電極、Pd電極、またはNiSを含む鉄Fe電極である、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記微小電極(7)が、インプリントリソグラフィ技術によって前記絶縁層(5)を貫通し、前記内側電極層(4)と連通する、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記内側電極層(4)または前記外側電極層(9)が陰極として使用されるとき、材料はPt、Pd、Cu、Al、グラフェン、Ti、Tl、Cr、またはAuであり、前記外側電極層(9)または内側電極層(4)が陽極として使用されるとき、材料は触媒を担持するCまたはNiであり、該触媒は、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、またはそれらの混合物である、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記光吸収層(3)が、前記導光内側コア(2)の表面に有機金属蒸着または化学蒸着により被覆されたジカルボキシビピリジンの二価ホスホニウム塩の形態の有機染料であり、あるいは、有機染料を有機ビスコースと真空下で混合して、前記導光内側コア(2)の表面に光吸収層(3)を形成する、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記光吸収層(3)が、真空スプレー、真空スパッタリング、熱蒸着または物理的蒸着によって、前記導光内側コア(2)の表面に被覆された無機半導体材料からなり、該無機半導体材料は、TiO2、ZnS、CdSe、MoS、CuInSまたはGaInPである、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記無機半導体材料が、n型TiO2、ZnSまたは5〜10nmの粒径を有するCdSe量子ドットである、ことを特徴とする請求項11に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記絶縁層(5)が、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポリイミドまたはパリレンである、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 前記プロトン交換膜(8)が、ペルフルオロスルホン酸膜、スルホン化ポリスチレン膜、変性ペルフルオロスルホン酸ポリマー膜、または1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート膜である、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ。
- 保護スリーブ(12)と、該保護スリーブ(12)内に軸方向に束ねられた状態で配置された複数の請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電気的水分解による水素製造用の微小電極光ファイバ(1)とを含む、光電気的水分解による水素製造用光ケーブル。
- 光電気的水分解による水素製造装置であって、
電解槽(13)を含むものであり、水素製造用光ケーブル(11)、内側電極集束器、外側電極集束器、および光ファイバ分散装置を含み、前記水素製造用光ケーブル(11)は、請求項15に記載の光電気的水分解による水素製造用光ケーブルであり、前記電解槽(13)内に延出して水を電気分解し、水素を製造するものであり、
前記水素製造用光ケーブル(11)の保護スリーブ(12)は、束ねられた状態の微小電極光ケーブル(1)の第1導光部(A)の前端の一部が切り開かれて、該第1導光部(A)の外面で外側電極層(9)に露出し、前記水素製造用光ケーブル(11)の保護スリーブ(12)は、束ねられた状態の微小電極光ファイバ(1)の第2導光部(B)の一部が切り開かれて、該第2導光部(B)の外面で導電層(10)に露出し、
前記束ねられた状態の微小電極光ファイバ(1)の第1導光部(A)は、ファイバ分散装置によって分散されるとともに、電解槽(13)の電解質(14)に浸漬され、第1導光部(A)の外面の外側電極層(9)が外側電極収束器に電気的に接続され
前記束ねられた状態の微小電極光ファイバ(1)の第2導光部(B)は電解槽(13)の外側に配置され、第2導光部(B)の外面の導電層(10)は内側電極収束器に電気的に接続される、ことを特徴とする光電気的水分解による水素製造装置。 - 複数の水素製造用光ケーブル(11)が前記電解槽(13)の上方に配列状態で配置される、ことを特徴とする請求項16に記載の光電気的水分解による水素製造装置。
- 前記光ファイバ分散装置は、電解槽(13)の上部および下部にそれぞれ固定配置される上側開口板(17)および下側開口板(18)を含み、該上側開口板(17)および下側開口板(18)はそれぞれ、垂直方向に対応する配列の複数の光ファイバ固定孔(19)を含み、各微小電極光ファイバ(1)の第1導光部(A)は、上側および下側の光ファイバ固定孔(19)を介して固定される、ことを特徴とする請求項16に記載の光電気的水分解による水素製造装置。
- 前記上側開口板(17)は絶縁体であり、前記下側開口板(18)は、前記光ファイバ固定孔(19)を介して各微小電極光ファイバ(1)の第1導光部(A)の外面上の外側電極層(9)に接続される外側電極収束器として使用される導電体であり、内側電極集束器は、ケーブルインタフェース銅リング(15)であり、保護スリーブ(12)が除去された束ねられた状態の微小電極光ファイバ(1)の第2導光部(B)において、外面で導電層(10)と接触する、ことを特徴とする請求項18に記載の光電気的水分解による水素製造装置。
- 前記電解槽(13)が消泡ネット(20)を備える、ことを特徴とする請求項16に記載の光電気的水分解による水素製造装置。
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