[发明专利]氢气产生装置和氢气产生方法

说明书

技术领域

本发明涉及氢气产生装置和用于产生氢气的方法。

背景技术

近来，预期鉴于化石燃料资源的穷尽和全球温室气体的排放限制而使用可再生能量。从各种资源产生可再生能量，所述各种资源例如是日光、水力发电、风力发电、地热、潮汐发电和生物量，其中，因为日光与其他可再生能源相比在可利用能量上量大并且在地理限制上较小，所以预期开发用于从日光有效地产生可利用能量并且变得在早期被广泛使用的技术。

从日光产生的可利用能量包括由太阳能电池或太阳能热涡轮产生的电能、通过向热介质收集太阳能而产生的热能和通过使用日光还原物质而产生的可存储燃料能量，该可存储燃料能量例如是液体燃料或氢气。虽然许多太阳能电池技术和太阳能热利用技术已经被投入实用，但是这些技术正在被开发以改善，因为能量利用效率仍然较低，并且用于产生电和热的成本仍然较高。此外，虽然以电和热等的形式的能量可以用于补充短期能量波动，但是存在下述问题：很难补充诸如季节波动的长期波动，并且可以因为在能量上的增大而降低电源设施的运行率。同时，将能量存储为诸如液体燃料或氢气的物质作为用于有效地补充长期波动并且改善电源设施的运行率的技术极其重要，并且，就是该不可缺少的技术最大地增强能量使用效率并且彻底地减少在未来的二氧化碳排放量。

可存储的燃料可以大体被划分为下述形式：诸如烃的液体燃料、诸如生物气或氢气的气体燃料和诸如生物量得出的木屑颗粒或由日光还原的金属的固态燃料。这些形式的每一个具有好和差点，使得液体燃料在基础架构构造的容易性和能量密度上有益，诸如氢气的气体燃料在使用燃料电池的总的使用效率改善上有益，固体燃料在可存储性和能量密度上有益，其中，用于通过日光分解水的氢气产生技术特别吸引关注，因为容易获得的水可以被用作原材料。

用于使用太阳能和作为原材料的水来产生氢气的方法包括：光解方法，其中，在诸如氧化钛的光催化剂上负载铂，该材料被置于水内，并且通过光照射来在半导体中分离电荷，并且还原质子，并且在电解液中氧化水；热解方法，其中，通过使用在高温燃气炉中的热能来在高温下将水直接地热解，或者通过结合金属氧化还原剂而间接热解水；生物方法，其利用使用光的诸如藻类的微生物的新陈代谢；水电解方法，其中，由太阳能电池产生的电力与用于水电解的氢气产生装置组合；以及，光生伏打方法，其中，在太阳能电池中使用的光电转换材料上负载氢气产生催化剂和氧气产生催化剂，并且，在通过光电转换提供的电子和空穴的反应中使用氢气产生催化剂和氧气产生催化剂。其中，光解方法、生物方法和光生伏打方法被看作有可能通过集成光电转换部分和氢气产生部分来产生小尺寸氢气产生装置，但是相信光生伏打方法是鉴于来自日光的能量的转换效率而实际使用的最可能技术之一。

已经公开了氢气产生装置的示例，其中，通过光解方法或光生伏打方法将光电转换与氢气产生整合。关于光解方法，专利文件1公开了使用氧化钛光催化电极、铂电极和碘或铁的氧化还原的装置，所述氧化钛光催化电极吸收钌络合物。此外，专利文件2通过下述方式来使用集成结构：将两个光催化层串联，连接铂对电极，并且在其间夹着离子交换膜。同时，关于光生伏打方法，公开了氢气产生装置的概念，该氢气产生装置集成地具有光电转换部分、氢气产生部分和氧气产生部分（非专利文件1）。根据该文，通过光电转换部分来执行电荷分离，并且，通过使用分别与氢气产生和氧气产生对应的催化剂来执行氢气产生和氧气产生。光电转换部分由在太阳能电池中使用的材料构成。例如，根据非专利文件2，在对于三个硅p-i-n层执行电荷分离后，通过铂催化剂来进行氢气产生，并且通过氧化钌来进行氧气产生。同时，根据专利文件3和非专利文件3，通过下述方式来产生一体的氢气产生装置：将氢气产生催化剂（NiFeO）和三个硅p-i-n层并行地层叠在衬底上，并且在硅层上负载氧气产生催化剂（Co-Mo）。

现有技术文件

专利文件

专利文件1：日本未审查专利公开2006-89336

专利文件2：日本未审查专利公开2004-504934

专利文件3：日本未审查专利公开2003-288955

专利文件4：日本未审查专利公开2004-197167

非专利文件

非专利文件1：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States ofAmerica，2006，43卷，15729至15735页

非专利文件2：Applied Physics Letters，1989，55卷，386至387页