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1、(10)申请公布号 CN 102388167 A (43)申请公布日 2012.03.21 CN 102388167 A *CN102388167A* (21)申请号 201180001728.0 (22)申请日 2011.03.07 12/720,402 2010.03.09 US C25B 9/00(2006.01) C01B 3/04(2006.01) C01B 13/02(2006.01) (71)申请人 丰田自动车株式会社 地址 日本爱知县 (72)发明人 中西治通 有川英一 (74)专利代理机构 北京市中咨律师事务所 11247 代理人 田欣 段承恩 (54) 发明名称 水分解装置。
2、及其使用方法 (57) 摘要 本发明提供具有用于有效进行光催化反应的 结构的水分解装置、 以及该水分解装置的使用方 法， 所述水分解装置是在不同电极中生成氢气和 氧气的水分解装置。本发明的水分解装置具有 ： 光分解元件、 氢气生成单元以及氧气生成单元， 所 述光分解元件具有 N 型水分解电极面和相反侧面 的 P 型水分解电极面 ； 所述氢气生成单元， 收容 N 型水分解电极面， 收集在 N 型水分解电极面产生 的氢气 ； 所述氧气生成单元， 收容 P 型水分解电极 面， 收集在 P 型水分解电极面产生的氧气， 且介由 光分解元件与氢气生成单元邻接。在本发明的水 分解装置中， 光分解元件具有能够。
3、在氢气生成单 元与氧气生成单元之间流通水的贯通孔， 且贯通 孔以不使为了分解水而照射的光透过到相反侧的 水分解电极面的方式配置。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.10.10 (86)PCT申请的申请数据 PCT/JP2011/055852 2011.03.07 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/111845 JA 2011.09.15 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 6 页 CN 102388180 A1/1 页 2 1. 一种水分解装置， 具有 ： 光分解元。
4、件， 其具有 N 型水分解电极面、 和与所述 N 型水分解电极面相反侧面的 P 型水 分解电极面， 且通过照射到所述 N 型水分解电极面和 P 型水分解电极面的至少一方的光来 分解水， 在所述 N 型水分解电极面产生氢气， 且在 P 型水分解电极面产生氧气， 氢气生成单元， 其收容所述N型水分解电极面， 收集在所述N型水分解电极面产生的氢 气， 以及 氧气生成单元， 其收容所述P型水分解电极面， 收集在所述P型水分解电极面产生的氧 气， 且介由所述光分解元件与所述氢气生成单元邻接， 其中， 所述光分解元件具有能够在所述氢气生成单元与所述氧气生成单元之间流通水 的贯通孔， 且所述贯通孔以不使为了。
5、分解水而照射到所述 N 型水分解电极面和 P 型水分解 电极面的至少一方的所述光透过到相反侧的水分解电极面的方式配置。 2. 根据权利要求 1 所述的水分解装置， 其中， 所述贯通孔在与为了分解水而照射到所 述 N 型水分解电极面和 P 型水分解电极面的至少一方的所述光的入射方向不同方向形成。 3.根据权利要求1或2所述的水分解装置， 其中， 所述光分解元件包括互相错开地叠层 成的多个副光分解元件的集合体， 因此所述贯通孔作为所述多个副光分解元件之间的间隙 而形成。 4. 根据权利要求 1 3 的任一项所述的水分解装置， 其中， 所述光分解元件是多孔质 的， 因此所述贯通孔作为多个气孔连续形成。
6、的连续气孔而形成。 5. 一种使用权利要求 1 4 的任一项所述的水分解装置由水生成氢气和氢气的方法， 其中， 在所述氢气生成单元和氧气生成单元中加入水， 然后向所述N型水分解电极面和P型 水分解电极面的至少一方照射光， 从而将所述氢气生成单元和氧气生成单元的水分解， 在 N 型水分解电极面产生氢气， 且在 P 型水分解电极面产生氧气。 权 利 要 求 书 CN 102388167 A CN 102388180 A1/3 页 3 水分解装置及其使用方法 技术领域 0001 本发明涉及使用光催化剂来分解水的水分解装置及其使用方法。 背景技术 0002 近年来， 大量提出了使用清洁能源氢气作为能源。
7、的方案。 0003 为了制造氢气， 一般进行使用了烃燃料的水蒸气转化。此外， 近年来， 也考虑了通 过水的分解、 特别是使用太阳能的水的分解， 由水得到氢气。 在通过水的分解得到氢气的情 况下， 所得的生成物有时是氢气、 氧气和水的混合物。 在该情况下， 为了获得氢气， 需要从该 混合物中仅分离并取出氢气。 0004 关 于 这 方 面， 在 日 本 特 开 2001-213608、 日 本 特 开 平 10-218601、 国 际 公 开 WO99/38215 和日本特开 2008-075097 中提出了一种水分解装置， 在使用了光的水的催化分 解或电解中， 在不同电极中生成氢气和氧气， 由。
8、此分开回收氢气和氧气。 发明内容 0005 本发明提供具有用于有效进行光催化反应的结构的水分解装置、 以及该水分解装 置的使用方法， 所述水分解装置是在不同电极中生成氢气和氧气的水分解装置。 0006 本发明的水分解装置， 具有 ： 光分解元件、 氢气生成单元以及氧气生成单元， 所述 光分解元件具有 N 型水分解电极面、 和与 N 型水分解电极面相反侧面的 P 型水分解电极面， 且通过照射到 N 型水分解电极面和 P 型水分解电极面的至少一方的光来分解水， 在 N 型水 分解电极面产生氢气， 且在 P 型水分解电极面产生氧气 ； 所述氢气生成单元， 收容 N 型水分 解电极面， 收集在 N 型。
9、水分解电极面产生的氢气 ； 所述氧气生成单元， 收容 P 型水分解电极 面， 收集在 P 型水分解电极面产生的氧气， 且介由光分解元件与氢气生成单元邻接。 0007 在本发明的水分解装置中， 光分解元件具有能够在氢气生成单元与氧气生成单元 之间流通水的贯通孔， 且贯通孔以不使为了分解水而照射到 N 型水分解电极面和 P 型水分 解电极面的至少一方的光透过到相反侧的水分解电极面的方式配置。 附图说明 0008 图 1 是说明本发明的水分解装置的图。 0009 图 2 是对本发明的水分解装置的一个形态的作用进行说明的图。 0010 图 3 是对本发明的水分解装置的其它形态的作用进行说明的图。 00。
10、11 图 4 是可以在本发明的水分解装置中使用的光分解元件的俯视图 (a) 和立体图 (b)。 0012 图 5 是本发明的水分解装置的其它光分解元件的俯视图 (a) 和立体图 (b)。 0013 图 6 是本发明的水分解装置的其它光分解元件的俯视图 (a) 和立体图 (b)。 0014 图 7 是本发明的水分解装置的其它光分解元件的俯视图 (a) 和立体图 (b)。 0015 图 8 是现有的水分解装置的光分解元件的俯视图 (a) 和立体图 (b)。 说 明 书 CN 102388167 A CN 102388180 A2/3 页 4 具体实施方式 0016 本发明的水分解装置在不同电极中生。
11、成氢气和氧气， 由此可以分开回收氢气和氧 气。 0017 具体而言， 例如， 本发明的水分解装置可以具有图 1 所示那样的结构。这里， 在该 图 1 所示的形态中， 本发明的水分解装置具有 ： 光分解元件 (10)， 所述光分解元件 (10) 具 有 N 型水分解电极面 (N)、 和与 N 型水分解电极面 (N) 相反侧面的 P 型水分解电极面 (P) ； 氢气生成单元 (20)， 该单元收容 N 型水分解电极面 (N)， 收集在 N 型水分解电极面 (N) 产生 的氢气 (21) ； 以及氧气生成单元 (30)， 该单元收容 P 型水分解电极面 (P)， 收集在 P 型水分 解电极面 (P)。
12、 产生的氧气 (31)， 且介由光分解元件 (10) 与氢气生成单元 (20) 邻接。 0018 这里， 本发明的水分解装置中使用的光分解元件 (10)， 如图 2 所示， 具有 N 型水分 解电极面 (N) 和相反侧的 P 型水分解电极面 (P)， 且利用通过氢气生成单元 (20) 和 / 或氧 气生成单元 (30) 的透明窗部分 (25、 35) 照射到 N 型水分解电极面和 P 型水分解电极面的 至少一方的光 (50) 来分解水 (60)， 在 N 型水分解电极面产生氢气， 且在 P 型水分解电极面 产生氧气。 0019 更具体而言， 如图 2 所示， 照射到 N 型水分解电极面和 P 。
13、型水分解电极面的至少一 方的光 (50) 向 N 型水分解电极面 (N) 提供电子 (-)， 由氢离子 (H+) 生成氢气 (H2)， 而且向 P 型水分解电极面 (P) 提供空穴 (+)， 由水分子 (H2O) 生成氧气 (O2) 和氢离子 (H+)。另外， 在分解的水中， 与氢离子相比包含大量氢氧根离子 (OH-) 的情况下， 该反应可以如图 3 所示 那样表示。 0020 在本发明的水分解装置中， 光分解元件具有能够在氢气生成单元与氧气生成单元 之间流通水的贯通孔， 且该贯通孔以不使为了分解水而照射到 N 型分解电极面和 P 型水分 解电极面的至少一方的光透过到相反侧的水分解电极面的方式。
14、配置。 0021 即， 在本发明的水分解装置中， 如图1所示， 能够穿过随意的离子交换膜(42)和单 元连通孔 (44) 在氢气生成单元 (20) 与氧气生成单元 (30) 之间如箭头 (62、 64) 所示那样 流通水(60)， 此外或者作为代替， 能够穿过光分解元件(10)的贯通孔在氢气生成单元(20) 与氧气生成单元 (30) 之间如箭头 (66) 所示那样流通水 (60)。 0022 根据本发明的装置， 由于光分解元件具有能够在氢气生成单元与氧气生成单元之 间流通水的贯通孔， 因此能够使配置在氢气生成单元的 N 型水分解电极面侧和配置在氧气 生成单元的 P 型水分解电极面侧之间的电解液。
15、的移动变容易。即例如， 在该情况下， 在 P 型 水分解电极面侧产生的氢离子 (H+) 可以迅速地移动到 P 型水分解电极面侧。 0023 此外， 根据本发明的装置， 由于贯通孔配置在为了分解水而照射到 N 型水分解电 极面和 P 型水分解电极面的至少一方的光照射不到的位置， 因此贯通孔的存在不会减少水 分解电极的受光面积。即， 根据本发明的装置， 可以有效地使用照射到 N 型水分解电极面和 P 型水分解电极面的至少一方的光。 0024 本发明的水分解装置的光分解元件所具有的贯通孔， 只要不使为了分解水而照射 到 N 型水分解电极面和 P 型水分解电极面的至少一方的光透过到相反侧的水分解电极面。
16、， 则可以以任意的方式配置。 0025 因此， 例如， 贯通孔可以在与为了分解水而照射到N型水分解电极面和P型水分解 说 明 书 CN 102388167 A CN 102388180 A3/3 页 5 电极面的至少一方的光的入射方向不同的方向形成、 特别是以与该光的入射方向成 20以 上、 50以上、 或 80以上不同的角度形成。更特别地， 贯通孔可以在与为了分解水而照射 到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光的入射方向实质上垂直的方向配 置。 0026 配置在与光的入射方向不同方向的贯通孔可以以任意的方式形成。 0027 因此， 例如， 如图4所示那样， 光分解元件(10a)可。
17、以具有弯折的结构， 且贯通孔可 以在与为了分解水而照射到N型水分解电极面和P型水分解电极面的至少一方的光的入射 方向实质上垂直的方向配置。在该情况下， 可以如箭头 (11a) 所示那样穿过贯通孔在氢气 生成单元与氧气生成单元之间流通水。 0028 此外， 例如， 如图 5 7 所示那样， 光分解元件包括互相错开地叠层成的多个副光 分解元件 (10b、 10c、 10d) 的集合体， 由此贯通孔可以作为多个副光分解元件之间的间隙而 形成。在该情况下， 可以如箭头 (11b、 11c、 11d) 所示那样穿过贯通孔在氢气生成单元与氧 气生成单元之间流通水。 0029 另外， 多个副光分解元件 (1。
18、0b、 10c、 10d) 可以通过使一部分互相结合、 固定端部 等方式一体化， 制成光分解元件。此外， 多个副光分解元件 (10b、 10c、 10d) 可以制成例如宽 度为 10m 100mm 的带状。此外， 2 个以上、 5 个以上、 10 个以上或 100 个以上的副光分解 元件 (10b、 10c、 10d) 的集合体可以形成光分解元件。 0030 此外， 光分解元件是多孔质的， 因此贯通孔可以作为多个气孔连续形成的连续气 孔而形成。 0031 另外， 现有的光分解元件 (10e)， 如图 8 所示， 作为一体而形成， 而且不具有能够在 氢气生成单元与氧气生成单元之间流通水的贯通孔。。
19、 0032 在本发明的水分解装置的使用中， 向氢气生成单元和氧气生成单元中加入水和随 意的电解质， 然后向光分解元件的 N 型水分解电极面和 P 型水分解电极面的至少一方照射 光， 特别是太阳光， 由此分解水， 在N型水分解电极面产生氢气， 且在P型水分解电极面产生 氧气。 0033 这里， 作为与水一起加入到氢气生成单元和氧气生成单元的随意的电解质， 优选 使用在采用本发明的水分解装置分解水的期间难以分解的电解质。 因此， 例如， 作为该电解 质， 可以列举氢氧化钠。 0034 关于本发明的水分解装置中使用的光分解元件的具体的制造， 可以参照例如日本 特许特开 2001-213608。即， 。
20、该光分解元件可以是具有下述层的叠层体 ： 作为产生氧气的 P 型水分解电极面的氧化钛层、 作为产生氢气的 N 型水分解电极面的金属钛层、 和在这些氧 化钛层和金属钛层之间的铂层。另外， 也可以在氧化钛层负载作为氧气发生用催化剂的氧 化钌微粒、 和 / 或在金属钛层负载作为氢气发生用催化剂的铂微粒。 0035 此外， 该光分解元件可以是例如具有下述层的叠层体 ： 作为产生氧气的 P 型水分 解电极面的氧化钛层、 作为产生氢气的 N 型水分解电极面的氮氧化钛层、 和在这些氧化钛 层和氮氧化钛层之间的随意的铂层。 说 明 书 CN 102388167 A CN 102388180 A1/6 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 102388167 A CN 102388180 A2/6 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 102388167 A CN 102388180 A3/6 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 102388167 A CN 102388180 A4/6 页 9 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102388167 A CN 102388180 A5/6 页 10 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102388167 A CN 102388180 A6/6 页 11 图 8 说 明 书 附 图 CN 102388167 A 。