JPH101301A - 水素及び酸素の製造方法及び装置 - Google Patents

水素及び酸素の製造方法及び装置

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JPH101301A
JPH101301A JP8156751A JP15675196A JPH101301A JP H101301 A JPH101301 A JP H101301A JP 8156751 A JP8156751 A JP 8156751A JP 15675196 A JP15675196 A JP 15675196A JP H101301 A JPH101301 A JP H101301A
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hydrogen
oxygen
water
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anode
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JP8156751A
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Shigeru Nojima
野島  繁
Kozo Iida
耕三 飯田
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水を光分解して酸素及び水素を効率よく、し
かも分離された形で得ることができる水の光分解による
酸素及び水素の製造方法並びにその装置を提供するこ
と。 【解決手段】 光触媒により水を分解して水素及び酸素
を製造する方法において、水素イオン導伝性高分子固体
電解質膜の一方の面に光触媒からなる陽極層を、他方の
面に導電性材料からなる陰極層を設け、前記陽極層と陰
極層を結ぶ回路を設けた構成の光分解素子を水中に設置
し、光を照射することにより生成する電子を前記回路を
介して陰極層に導き、前記水素イオン導伝性高分子固体
電解質膜を通過して陰極層側に移動する水素イオンと結
合させるようにし、陽極側から酸素を、陰極側から水素
を捕集することを特徴とする水の光分解による酸素及び
水素の製造方法並びにそのための装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光触媒を用いて水を
光分解することによる、酸素(O2 )及び水素(H2
の製造方法並びにそのための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】TiO2 などの光触媒を用いて光照射を
行うことにより、水は分解して酸素と水素を生成するこ
とが知られている。従来の光触媒による水の光分解反応
を図3のモデルを用いて説明すると次のとおりである。 TiO2 などの光触媒粒子に光を照射すると、触媒
が光励起されて電子(e - )とホール(h+ :電子の欠
陥)を形成する。 形成されたホール上で酸化反応(H2 O+2h+
1/2O2 +2H+ )、電子上で還元反応(2H+ +2
- →H2 )が生じ、酸素及び水素が発生する。 この場合、触媒上で同時に生成した酸素と水素との
反応(H2 +1/2O2→H2 O)により、酸素と水素
が消費されてしまうため、捕集される酸素及び水素の量
はわずかである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前記方法の場合、生成
した酸素と水素との逆反応により反応効率が悪いため、
酸素及び水素の収率が低く、しかも捕集される生成物は
酸素と水素との混合物の形となっているため、クリーン
なエネルギとして重要視されている水素の製造方法とし
ては問題があった。本発明は前記従来技術の実状に鑑
み、水を光分解して酸素及び水素を効率よく、しかも分
離された形で得ることができる水の光分解による酸素及
び水素の製造方法並びにその装置を提供することを目的
とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】一般にTiO2 などの光
触媒を用いて水の分解反応を行わせる場合、電極では次
の反応が進行している。
【化1】陽極 H2 O+2h+ →1/2O2 +2H+ 陰極 2H+ +2e- →H2 ( h+ :ホール ,e- :電子 ) すなわち、光励起された触媒表面の電子(e- )とホー
ル(h+ )に反応物質がいかに効率良く関与するかが問
題であり、電子とホールの電荷分離を促進させることが
効率よく反応を進行させるために重要である。
【0005】本発明者らは水の光分解反応について種々
検討の結果、燃料電池の原理を応用し、高分子固体電解
質を使用することにより前記課題が解決できることを見
出し本発明を完成した。すなわち、本発明は次の(1)
及び(2)の構成を採るものである。
【0006】(1)光触媒により水を分解して水素及び
酸素を製造する方法において、水素イオン導伝性高分子
固体電解質膜の一方の面に光触媒からなる陽極層を、他
方の面に導電性材料からなる陰極層を設け、前記陽極層
と陰極層を結ぶ回路を設けた構成の光分解素子を水中に
設置し、光を照射することにより生成する電子を前記回
路を介して陰極層に導き、前記水素イオン導伝性高分子
固体電解質膜を通過して陰極層側に移動する水素イオン
と結合させるようにし、陽極側から酸素を、陰極側から
水素を捕集することを特徴とする水の光分解による酸素
及び水素の製造方法。
【0007】(2)水素イオン導伝性高分子固体電解質
膜の一方の面に光触媒からなる陽極層を、他方の面に導
電性材料からなる陰極層を設け、前記陽極層と陰極層を
結ぶ回路を設けた構成の光分解素子を水槽中に設置し、
前記水槽を陽極室と陰極室とに分離し、陽極室には酸素
捕集手段、陰極室には水素捕集手段を設け、さらに陽極
室には光照射手段を設けてなることを特徴とする水の光
分解による酸素及び水素の製造装置。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の水の光分解による
酸素及び水素の製造方法及びそのための装置について、
図面を用いて説明する。図1は本発明に係る水の光分解
システムの概念を示す説明図である。すなわち、本発明
においては水素イオン導伝性を有する高分子固体電解質
膜1の一方の表面に光触媒からなる陽極層2を設け、他
方の面に導電性材料からなる陰極層3を設けた光分解素
子4を水中に設置し、陽極層2に光を照射する。生じた
ホール(h+ )が水に作用しO2 とH+ を生成し、陰極
側から酸素が回収される。
【0009】H+ は水素イオン導伝性を有する高分子固
体電解質膜1で分離され、該高分子固体電解質膜1を通
って反対側の陰極層3に至り、外部回路5を介して陽極
層2から供給される電子(e- )と反応してH2 とな
り、回収される。
【0010】本発明においては、前記水素イオン導伝性
を有する高分子固体電解質膜の一方の表面に光触媒から
なる陽極層を、他方の面に導電性材料からなる陰極層を
それぞれ密着させて形成した光分解素子を使用する。
【0011】本発明で使用する水素イオン導伝性を有す
る高分子固体電解質膜としてはフッ素化スルホン酸有機
高分子(例えば、デュポン社製のナフィオン117な
ど)が好適である。形状は特に規制されるものではない
が、通常は薄いシート状(例えば厚さ1.5mm程度)
の形で使用するのが好ましい。
【0012】陽極層を形成する材料としては光触媒とし
て作用するTiO2 、ZrO2 、SrTiO3 、SiC
などが使用できるが、中でもTiO2 はバンドギャップ
エネルギが大きく、光照射により電子が価電子帯から伝
導帯へ励起されやすいため、特に好ましい。形状として
は厚さ0.01〜1mmのメッシュ状のものが好まし
く、前記高分子固体電解質膜の表面に密着した状態で設
置する。なお、Tiメッシュの形で作製すれば表面はT
iO2 となるので十分光触媒として作用する。電極とし
ての強度を持たせるためには0.01mm以上の厚さが
好ましく、有効なTiO2 表面積を得るためには1mm
以下とするのが好ましい。
【0013】これらの光触媒は180〜380nmの波
長の光で励起され、水銀ランプ、ブラックライトなどを
用いて光照射することにより水を酸素と水素とに分解す
ることができる。
【0014】陰極層を形成する導電性材料としてはPt
が好ましく、その形成方法としては高分子固体電解質膜
の表面にPtメッキ層を形成させ、さらに必要によりそ
の表面にPtメッシュを接着させた形で使用する。
【0015】
【実施例】以下実施例により本発明をさらに具体的に説
明する。 (実施例1)図2に本発明の光分解による酸素及び水素
の製造装置の実施例を示す。図2の装置は、一方の面に
Ptメッキを施した(Pt担持量1mg/cm2 )水素
イオン導伝性を有する高分子固体電解質膜1(ナフィオ
ン117:デュポン社製商品名、厚さ0.5mm、縦4
cm、横4cmの板状)の他方の面に、Tiメッシュ
(桂田グレイチング社製、厚さ0.1mm)を有効面積
が2.5cm×2.5cmとなるように接合させ、さら
にPtメッキ面にはPtメッシュを接合させて光分解素
子を構成した。
【0016】この光分解素子のTiメッシュ部分を陽極
層2とし、この部分を石英セル6で覆って陽極室13を
形成させた。また、Ptメッキ層とPtメッシュ部分を
陰極層3とし、この部分をパイレックスセル7で覆って
陰極室14を形成させた。なお、石英セル6及びパイレ
ックスセル7にはそれぞれ循環ポンプ12により各室に
水を循環させる水供給管15及び水返送管16が接続さ
れている。各室で発生する気体は循環する水と共に水返
送管16を介して気体捕集用試験管11に送られ捕集さ
れる。
【0017】図2中、符号5はターミナル9を介して陽
極層2と陰極層3を連結させる外部回路であり、8はパ
ッキン(この場合はゴアテックスシートを使用)であ
り、10は光照射用のUVランプである。
【0018】この装置における作用は次のとおりであ
る。 UVランプ10から陽極層2のTiメッシュ光触媒
(Tiメッシュは表面がTiO2 となり、光触媒機能を
示す)に光照射することにより、光触媒が励起してホー
ル(h+ )と電子(e- )を形成する。 ホール(h+ )と水が反応して、陽極層2で酸素が
発生する(H2 O+2h + →1/2O2 +2H+ )。一
方、電子(e- )は外部回路5を通って陰極層3へ移動
し、さらに、陽極で生成したH+ は高分子固体電解質膜
1中を移動して陰極層3側へ拡散する。 陰極層3において、陽極層2から移動したH+ と電
子(e- )が反応して水素が発生する(2H+ +2e-
→H2
【0019】(実施例2)実施例1で説明した構成の光
分解試験装置を用いて水の分解試験を行った。試験は1
00WのUVランプ(水銀ランプ:代表波長260n
m)を、陽極層2から25mmの位置に設置して光照射
し、陽極室13及び陰極室14で発生するガスを気体捕
集用試験管11で捕集し、経時的に分析した。結果を表
1に示す。
【0020】(比較例1)TiO2 光触媒単独の場合の
作用を確認するため、実施例2で使用した装置の陽極層
2と陰極層3を結合させる外部回路5を取り外した状態
で水の光分解を行い、発生するガスを気体捕集用試験管
11で捕集し、経時的に分析した結果を表1に併せて示
す。
【0021】
【表1】
【0022】表1の結果から、比較例1に示す従来の方
法では、光照射で生成した水素と酸素は逆反応により再
び水に戻ってしまうため、生成効率が低く、しかも混合
ガスの状態でしか得られない。これに対し、本発明の実
施例2によれば、水素及び酸素を効率的に発生させるこ
とができ、しかも両者はそれぞれ完全に分離された高純
度のガスとして得られることがわかる。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、光の照射により水を分
解し、効率よく水素及び酸素を製造することができる。
本発明の方法及び装置は、特に高価な高純度水素の製造
に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る水の光分解システムの概念を示す
説明図。
【図2】本発明の光分解による酸素及び水素の製造装置
の1実施例を示す説明図。
【図3】光触媒による水の光分解反応のモデルを示す説
明図。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光触媒により水を分解して水素及び酸素
    を製造する方法において、水素イオン導伝性高分子固体
    電解質膜の一方の面に光触媒からなる陽極層を、他方の
    面に導電性材料からなる陰極層を設け、前記陽極層と陰
    極層を結ぶ回路を設けた構成の光分解素子を水中に設置
    し、光を照射することにより生成する電子を前記回路を
    介して陰極層に導き、前記水素イオン導伝性高分子固体
    電解質膜を通過して陰極層側に移動する水素イオンと結
    合させるようにし、陽極側から酸素を、陰極側から水素
    を捕集することを特徴とする水の光分解による酸素及び
    水素の製造方法。
  2. 【請求項2】 水素イオン導伝性高分子固体電解質膜の
    一方の面に光触媒からなる陽極層を、他方の面に導電性
    材料からなる陰極層を設け、前記陽極層と陰極層を結ぶ
    回路を設けた構成の光分解素子を水槽中に設置し、前記
    水槽を陽極室と陰極室とに分離し、陽極室には酸素捕集
    手段、陰極室には水素捕集手段を設け、さらに陽極室に
    は光照射手段を設けてなることを特徴とする水の光分解
    による酸素及び水素の製造装置。
JP8156751A 1996-06-18 1996-06-18 水素及び酸素の製造方法及び装置 Withdrawn JPH101301A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006302695A (ja) * 2005-04-21 2006-11-02 Nissan Motor Co Ltd 光電気化学セル及びその製造方法
KR100682033B1 (ko) 2005-12-30 2007-02-12 포항공과대학교 산학협력단 물분해 수소 생성용 광촉매 복합체 및 이를 포함하는물분해 수소 생성용 조성물
JP2011213553A (ja) * 2010-03-31 2011-10-27 Mitsubishi Chemicals Corp 水素製造装置
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CN107740134A (zh) * 2017-10-19 2018-02-27 杭州泰博科技有限公司 一种光催化阳极电极分解水制氧气的装置及其方法

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