使用了光催化剂的氢气制造装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种在通过使用了光催化剂的水的分解反应而制造氢气的装置中尽可能不使氢气的制造效率降低或能够在使其提高的同时实现装置的小型化的结构。氢气制造装置(1)被构成为，包括：容器部(2)，其对水(W)进行容纳；光催化剂部件，其设为以与容器部内的水接触的方式被配置的光催化剂部件(3)，并具有光催化剂，所述光催化剂为，当被照射光时，产生激励电子和空穴，发生将水分解为氢和氧的水的分解反应，而产生氢气的光催化剂；光源(4)，其发出向光催化剂部件照射的光；热交换单元(7)，其将光源的排热传递给容器部内的水，在光催化剂部件处会被分解的容器内的水通过热交换单元并通过光源的排热而被加热。过光源的排热而被加热。过光源的排热而被加热。

【技术实现步骤摘要】
使用了光催化剂的氢气制造装置


[0001]本专利技术涉及一种氢气制造装置，更加详细而言，涉及一种通过使用了光催化剂的水的分解反应来制造氢气的装置。

技术介绍

[0002]期待氢气作为即使燃烧也不产生二氧化碳的干净的下一代的燃料来利用。由于氢气能够通过由使用光催化剂的光能量而产生的水的分解反应来生成，因此，已经提出了各种使用了光催化剂的氢气的制造技术。例如，在专利文献1、2中，公开了通过紫外光或可见光的照射而发生水的分解反应而产生氢气的光催化剂和其调制方法。专利文献3公开了一种包含利用由太阳光中的紫外光至可见光形成的光催化剂的水的氧化反应单元和利用由太阳光中的可见光至红外光的热的水的还原反应单元在内的氢制造装置的结构。专利文献4提出了一种使分散有光催化剂颗粒的水在具有受光窗的框体内循环并发生由光导致的水的分解反应而产生氢气的氢产生装置的结构。专利文献5提出了一种对内置有由置于水中的光催化剂构成的电极21的接收器照射利用太阳光集光器而聚集的光从而激励光催化剂内的荷电子并实施周围的水的电分解而连续生成氢气的氢产生系统的结构。另外，虽然不是氢气的制造技术，但在专利文献6中公开了如下的情况：使由sp3晶体结构的碳同素异形体构成的片状碳材料浸入使二氧化碳溶解而成的溶剂中，在通过加热器而使溶剂的温度上升的同时向溶剂照射紫外光，从而使碳材料由于激励而使二氧化碳的C＝O键断开，生成一氧化碳，并且，生成甲烷。
[0003]在先技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1：日本特表平9
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>510657
[0006]专利文献2：日本特开2003
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251197
[0007]专利文献3：日本特开2013
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234077
[0008]专利文献4：日本特开2015
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218103
[0009]专利文献5：日本特开2017
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24956
[0010]专利文献6：日本特开2016
‑
108181

技术实现思路

[0011]专利技术所要解决的课题
[0012]在如上所述向浸渍在水中的光催化剂照射光而发生水的分解反应并制造氢气的技术中，如果能够使装置或系统的尺寸尽可能小型化，则是有利的。作为实现该目的的一个方法，可以考虑如下的情况，即，提高照射在每单位量的光催化剂上的光的密度(光强度)，提高在光催化剂中产生的激励电子和空穴的密度，由此，增大由每单位量的光催化剂制造的氢气的量。例如，为了制造氢气，即使在使用作为可再生的能量的太阳能的情况下，如果将太阳光直接向光催化剂照射，也会由于其光密度较低，从而当要将更大量的光能量供给
至光催化剂时，光催化剂所占的空间会变大，如果以更高密度将光向光催化剂照射，则能够减小光催化剂所占的空间，并能够使用于制造氢的系统或装置的尺寸更加小型化。但是，关于这一点，根据本专利技术的专利技术人等的研究，如在后面的具体实施方式部分中详细说明的那样，令人惊奇的是，发现当增大照射在光催化剂上的光密度时，氢气的制造效率(每入射光量的氢气的制造量)会减少。认为这是因为，即使由于光强度的增大而使在光催化剂中产生的激励电子和空穴的密度增大，激励电子以及空穴和水的分解反应的速度也会变慢，激励电子和空穴分别在与水反应前通过复合而会消失，因此，能量未被有效地用于氢气的制造。由此，很明显，即使为了氢制造系统或装置的小型化而仅增大照射在光催化剂上的光的密度，氢气相对于所照射的光量的制造效率也会降低，无法同时实现小型化和高效率化。
[0013]可是，在本专利技术的专利技术人等的进一步的研究中，还发现当作为反应物的水的温度变高时，氢气的制造效率会变高。因此，在氢气的制造装置或系统的小型化中，如果使水的温度上升，则好像能够补偿由于照射在光催化剂上的光的密度的增大而导致的氢气制造的效率的降低。此时，为了对水进行加热，并未另外使用从外部供给能量的加热器，只要能够利用产生向光催化剂照射的照射光的光源的排热，更具体而言，只要不仅是从光源向水的辐射热还在光源中装备将其排热直接传递给水的热交换单元，以能够实施足以使氢气的制造效率上升的水的加热，则还能够更加提高与氢制造相关的能量的利用效率。在本专利技术中，利用了该知识。
[0014]因此，本专利技术的主要的课题在于，提供一种在通过使用了光催化剂的水的分解反应来制造氢气的装置中尽可能使氢气的制造的效率不降低或者使其提高同时能够实现装置的小型化的结构。
[0015]此外，本专利技术的另一个课题在于，提供如上文所述的装置且被构成为更加提高与氢制造相关的能量的利用效率的装置。
[0016]用于解决课题的手段
[0017]根据本专利技术的一个方式，上述的课题通过氢气制造装置来实现，所述氢气制造装置包括：容器部，其对水进行容纳；光催化剂部件，其设为以浸渍于所述容器部内的水中的方式被配置的光催化剂部件，并具有光催化剂，所述光催化剂为，当被照射光时，产生激励电子和空穴，发生将水分解为氢和氧的水的分解反应，而产生氢气的光催化剂；光源，其发出向所述光催化剂部件照射而引起所述水的分解反应的光；热交换单元，其将所述光源的排热传递给所述容器部内的水，在所述光催化剂部件处会被分解的所述容器内的水通过所述热交换单元并通过所述光源的排热而被加热。
[0018]在上述的结构中，“光催化剂”可以为，如上文所述，在被照射光时，能够引起水的分解反应，使水还原，从而产生氢气的物质。“光催化剂部件”可以为由所涉及的光催化剂物质本身形成的部件或在任意的基板或基质上固定光催化剂物质而成的部件的任意一个。“光源”典型地为，接受电力的供给，而发出被光催化剂吸收而引起水的分解反应的光的任意的形式的光源。此外，为了被向光催化剂照射的光有效地被光催化剂吸收而生成激励电子和空穴，优选为，对光源的发光波长进行选择，以落入光催化剂的量子产率(可以被任意选择)超过预定的阈值的波段。关于这一点，如在后面的具体实施方式部分所例示的那样，典型的光催化剂的量子产率在照射光的波长低于某个波长附近时急剧增大。因此，可以对光源进行选择，以使光源的发光波长成为与产生所涉及的光催化剂的量子产率的急剧的增
大的波长相比靠短波长侧。作为在本专利技术中可利用的光催化剂，例如，能够利用SrTiO3(钛酸锶)、Ga2O3(氧化镓)、GaN(氮化镓)、NaTaO3(钽酸钠)、TiO2(氧化钛)等。另一方面，作为光源，可以采用各种发光二极管(LED)，具体而言，能够利用使用了氮化铟镓(InGaN)、金刚石(紫外)、氮化镓(GaN)/氮化铝镓(AlGaN)(紫外、蓝色)、硒化锌(蓝色)、氧化锌(近紫外、紫色、蓝色)的物质。而且，在本专利技术的装置的结构中，如上文所述，设置有“热交换单元”。作为所涉及的热交换单元，只要光源的排热传递给容器内的水，则可以为任意的形态。作为一个方式，如在后面的具体实施方式部分所例示的那样，可以在光源中设置实现将从该处释放的排热向液体传递的热交换器的功能的机能的结构，在该热交换器的结构中装备使容器部内的水循环的结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢气制造装置，包括：容器部，其对水进行容纳；光催化剂部件，其设为以与所述容器部内的水接触的方式被配置的光催化剂部件，并具有光催化剂，所述光催化剂为，当被照射光时，产生激励电子和空穴，发生将水分解为氢和氧的水的分解反应，而产生氢气的光催化剂；光源，其发出向所述光催化剂部件照射而引起所述水的分解反应的光；热交换单元，其将所述光源的排热传递给所述容器部内的水，在所述光催化剂部件处会被分解的所述容器内的水通过所述热交换单元并通过所述光源的排热而被加热。2.如权利要求1所述的氢气制造装置，其中，所述光源被构成为，通过利用太阳能发电而获得的电力来工作并发出向所述光催化剂部件照射的所述光，并且，其工作时的排热通过所述热交换单元而被传递给所述水。3.如权利要求1或2所述的氢气制造装置，其中，向所述光催化剂部件照射的所述光的密度被调节为，赋予预定值以上的光催化剂效率的密度或者比之低的密度，所述光催化剂效率为氢气的产生量相对于被入射至所述光催化剂的光子量的比例。4.如权利要求1至3中的任意一项所述的氢气制造装置，其中，从所述光源发出的光被构成为被封闭在所述容器部内。5.如权利要求4所述的氢气制造装置，其中，所述容器部具有光反射机构，所述光反射机构用于将从所述光源发出的光封闭在所述容器内。6.如权利要求4或5所述的氢气制造装置，其中，所述光催化剂部件为以层状形成有所述光催化剂的部件，所述光催化剂的层的厚度被形成为在所述光最初入射至所述光催化剂的层时所述光未全部被所述光催化剂吸收的厚度，透过了所述光催化剂部件的光再次向所述光...

【专利技术属性】
技术研发人员：増田泰造，奥村健一，富泽亮太，吉村篤轨，
申请(专利权)人：丰田合成株式会社，
类型：发明
国别省市：