(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ型水分解電極面、及び前記Ｎ型水分解電極面と反対側面のＰ型水分解電極面を有し、且つ前記Ｎ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光によって水を分解して、前記Ｎ型水分解電極面において水素を発生させ、且つＰ型水分解電極面において酸素を発生させる、光分解素子、
前記Ｎ型水分解電極面を収容して、前記Ｎ型水分解電極面において発生する水素を収集する、水素生成セル、並びに
前記Ｐ型水分解電極面を収容して、前記Ｐ型水分解電極面において発生する酸素を収集し、且つ前記光分解素子を介して前記水素生成セルに隣接している、酸素生成セル、
を有する、水分解装置であって
前記光分解素子が、前記水素生成セルと前記酸素生成セルとの間での水の流通を可能にする貫通孔を有し、且つ前記貫通孔が、水の分解のために前記Ｎ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される前記光を反対側の水分解電極面に透過させないように配置されている、
水分解装置。
【請求項２】
前記貫通孔が、水の分解のために前記Ｎ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される前記光の入射方向と異なる方向で形成されている、請求項１に記載の水分解装置。
【請求項３】
前記光分解素子が、互いにずらして積層された複数個の副光分解素子の集合体からなっており、それによって前記貫通孔が、前記複数個の副光分解素子の間の隙間として形成されている、請求項１又は２に記載の水分解装置。
【請求項４】
前記光分解素子が、多孔質であり、それによって前記貫通孔が、複数の気孔が連続してできた連続気孔として形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の水分解装置。
【請求項５】
前記水素生成セル及び酸素生成セルに水を入れ、そして前記Ｎ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に光を照射し、それによって前記水素生成セル及び酸素生成セルの水を分解して、Ｎ型水分解電極面において水素を発生させ、且つＰ型水分解電極面において酸素を発生させる、請求項１〜４のいずれかに記載の水分解装置を用いて水から水素及び水素を生成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒を用いて水を分解する水分解装置及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンエネルギーである水素をエネルギー源として用いることが多く提案されている。【０００３】
水素の製造のためには、炭化水素燃料を用いた水蒸気改質が一般的に行われている。また、近年では、水の分解、特に太陽光エネルギーを用いる水の分解によって、水から水素を得ることも考慮されている。水の分解によって水素を得る場合、得られる生成物は、水素、酸素及び水の混合物となることがある。この場合、水素を得るためには、この混合物から水素のみを分離して取り出す必要がある。【０００４】
これに関して、特開２００１−２１３６０８、特開平１０−２１８６０１、国際公開ＷＯ９９／３８２１５及び特開２００８−０７５０９７では、光を用いた水の触媒分解又は電気分解において、水素と酸素とを別々の電極において生成し、それによって水素と酸素とを別々に回収する水分解装置を提案している。
【発明の概要】
【０００５】
本発明では、水素と酸素とを別々の電極において生成させる水分解装置であって、効率的に光触媒反応を行わせるための構造を有する水分解装置、並びにその使用方法を提供する。
【０００６】
本発明の水分解装置は、Ｎ型水分解電極面、及びＮ型水分解電極面と反対側面のＰ型水分解電極面を有し、且つＮ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光によって水を分解して、Ｎ型水分解電極面において水素を発生させ、且つＰ型水分解電極面において酸素を発生させる、光分解素子；Ｎ型水分解電極面を収容して、Ｎ型水分解電極面において発生する水素を収集する、水素生成セル；並びにＰ型水分解電極面を収容して、Ｐ型水分解電極面において発生する酸素を収集し、且つ光分解素子を介して水素生成セルに隣接している、酸素生成セルを有する。
【０００７】
この本発明の水分解装置では、光分解素子が、水素生成セルと酸素生成セルとの間での水の流通を可能にする貫通孔を有し、且つ貫通孔が、水の分解のためにＮ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光を反対側の水分解電極面に透過させないように配置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、本発明の水分解装置を説明する図である。
図２は、本発明の水分解装置の１つの態様の作用について説明する図である。
図３は、本発明の水分解装置の他の態様の作用について説明する図である。
図４は、本発明の水分解装置で用いることができる光分解素子の上面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。
図５は、本発明の水分解装置の他の光分解素子の上面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。
図６は、本発明の水分解装置の他の光分解素子の上面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。
図７は、本発明の水分解装置の他の光分解素子の上面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。
図８は、従来の水分解装置の光分解素子の上面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の水分解装置は、水素と酸素とを別々の電極において生成し、それによって水素と酸素とを別々に回収することを可能にする。
【００１０】
具体的には例えば、本発明の水分解装置は、図１に示すような構造を有することができる。ここで、この図１に示す態様では、本発明の水分解装置は、Ｎ型水分解電極面（Ｎ）、及びＮ型水分解電極面（Ｎ）と反対側面のＰ型水分解電極面（Ｐ）を有する光分解素子（１０）；Ｎ型水分解電極面（Ｎ）を収容して、Ｎ型水分解電極面（Ｎ）において発生する水素（２１）を収集する、水素生成セル（２０）；並びにＰ型水分解電極面（Ｐ）を収容して、Ｐ型水分解電極面（Ｐ）において発生する酸素（３１）を収集し、且つ光分解素子（１０）を介して水素生成セル（２０）に隣接している、酸素生成セル（３０）を有する。
【００１１】
ここで、本発明の水分解装置において用いられている光分解素子（１０）は、図２で示されているように、Ｎ型水分解電極面（Ｎ）及び反対側のＰ型水分解電極面（Ｐ）を有し、且つＮ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に、水素生成セル（２０）及び／又は酸素生成セル（３０）の透明窓部分（２５、３５）を通して照射される光（５０）によって水（６０）を分解して、Ｎ型水分解電極面において水素を発生させ、且つＰ型水分解電極面において酸素を発生させる。
【００１２】
より具体的には、図２で示されているように、Ｎ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光（５０）は、Ｎ型水分解電極面（Ｎ）に電子（−）を提供して、水素イオン（Ｈ＋）から水素（Ｈ２）を生成し、またＰ型水分解電極面（Ｐ）に正孔（＋）を提供して、水分子（Ｈ２Ｏ）から酸素（Ｏ２）及び水素イオン（Ｈ＋）を生成する。なお、分解する水の中に水素イオンよりも水酸化物イオン（ＯＨ−）が多く含まれる場合には、この反応は、図３に示すように表すことができる。
【００１３】
本発明の水分解装置においては、光分解素子が、水素生成セルと酸素生成セルとの間での水の流通を可能にする貫通孔を有し、且つこの貫通孔が、水の分解のためにＮ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光を反対側の水分解電極面に透過させないように配置されている。
【００１４】
すなわち、本発明の水分解装置においては、図１で示すように、随意のイオン交換膜（４２）及びセル連通孔（４４）を通して水素生成セル（２０）と酸素生成セル（３０）との間で矢印（６２、６４）で示すように水（６０）の流通が可能になっているのに加えて又はこれに代えて、光分解素子（１０）の貫通孔を通して水素生成セル（２０）と酸素生成セル（３０）との間で矢印（６６）で示すように水（６０）の流通を可能が可能になっている。
【００１５】
この本発明の装置によれば、光分解素子が、水素生成セルと酸素生成セルとの間での水の流通を可能にする貫通孔を有していることによって、水素生成セルに配置されているＮ型水分解電極面側と酸素生成セルに配置されているＰ型水分解電極面側との間での電解液の移動が容易になる。すなわち例えば、この場合、Ｐ型水分解電極面側で発生した水素イオン（Ｈ＋）が、Ｐ型水分解電極面側に迅速に移動することができる。
【００１６】
また、この本発明の装置によれば、貫通孔が、水の分解のためにＮ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光によっては照射されない位置に配置されているので、貫通孔の存在によって水分解電極の受光面積が減少しない。すなわち、この本発明の装置によれば、Ｎ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光を有効に用いることができる。
【００１７】
本発明の水分解装置の光分解素子が有する貫通孔は、水の分解のためにＮ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光を反対側の水分解電極面に透過させない限り、任意の様式で配置されていてよい。
【００１８】
したがって例えば、貫通孔は、水の分解のためにＮ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光の入射方向と異なる方向、特にこの光の入射方向と２０°以上、５０°以上、又は８０°以上異なる角度で形成されていてよい。より特に、貫通孔は、水の分解のためにＮ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光の入射方向と実質的に垂直な方向で配置されていてよい。
【００１９】
光の入射方向と異なる方向に配置されている貫通孔は、任意の様式で形成されていてよい。
【００２０】
したがって例えば、図４に示すように、光分解素子（１０ａ）が折れ曲がった構造を有し、且つ貫通孔は、水の分解のためにＮ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に照射される光の入射方向と実質的に垂直な方向で配置されていてよい。この場合には、矢印（１１ａ）で示すようにして、貫通孔を通して水素生成セルと酸素生成セルとの間で水を流通させることができる。
【００２１】
また、例えば、図５〜７に示すように、光分解素子が、互いにずらして積層された複数個の副光分解素子（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）の集合体からなっており、それによって貫通孔が、複数個の副光分解素子の間の隙間として形成されていてよい。この場合には、矢印（１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）で示すようにして、貫通孔を通して水素生成セルと酸素生成セルとの間で水を流通させることができる。
【００２２】
なお、複数個の副光分解素子（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）は、一部を互いに結合させること、端部を固定すること等によって一体化して、光分解素子とすることができる。また、複数個の副光分解素子（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）は例えば、幅が１０μｍ〜１００ｍｍのストリップ状にすることができる。また更に、２個以上、５個以上、１０個以上、又は１００個以上の副光分解素子（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）の集合体が、光分解素子を形成していてもよい。
【００２３】
また更に、光分解素子は、多孔質であり、それによって貫通孔が、複数の気孔が連続してできた連続気孔として形成されていてもよい。
【００２４】
なお、従来の光分解素子（１０ｅ）は、図８に示すように、一体として形成されており、また水素生成セルと酸素生成セルとの間での水の流通を可能にする貫通孔を有していない。
【００２５】
本発明の水分解装置の使用においては、水素生成セル及び酸素生成セルに水、及び随意の電解質を入れ、そして光分解素子のＮ型及びＰ型水分解電極面の少なくとも一方に光、特に太陽光を照射し、それによって水を分解して、Ｎ型水分解電極面において水素を発生させ、且つＰ型水分解電極面において酸素を発生させる。
【００２６】
ここで、水と共に水素生成セル及び酸素生成セルに入れられる随意の電解質としては、本発明の水分解装置による水の分解の間に分解されにくい電解質を用いることが好ましい。したがって例えばこの電解質としては、水酸化ナトリウムを挙げることができる。
【００２７】
本発明の水分解装置で用いられる光分解素子の具体的な製造については、例えば特許特開２００１−２１３６０８を参照することができる。すなわち、この光分解素子は、酸素を発生させるＰ型水分解電極面としての酸化チタン層、水素を発生させるＮ型水分解電極面としての金属チタン層、及びこれらの酸化チタン層及び金属チタン層の間の白金層を有する積層体であってよい。なお、酸化チタン層に酸素発生用触媒としての酸化ルテニウム微粒子を担持すること、及び／又は金属チタン層に水素発生用触媒としての白金微粒子を担持することもできる。
【００２８】
また、この光分解素子は例えば、酸素を発生させるＰ型水分解電極面として酸化チタン層、水素を発生させるＮ型水分解電極面として酸窒化チタン層、及びこれらの酸化チタン層及び酸窒化チタン層の間の随意の白金層を有する積層体であってよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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