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JP2007039298A - Hydrogen generator, hydrogen generation method and hydrogen generation system - Google Patents

Hydrogen generator, hydrogen generation method and hydrogen generation system Download PDF

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JP2007039298A
JP2007039298A JP2005227802A JP2005227802A JP2007039298A JP 2007039298 A JP2007039298 A JP 2007039298A JP 2005227802 A JP2005227802 A JP 2005227802A JP 2005227802 A JP2005227802 A JP 2005227802A JP 2007039298 A JP2007039298 A JP 2007039298A
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JP
Japan
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hydrogen
proton
visible light
hydrogen generator
generator
Prior art date
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Application number
JP2005227802A
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Japanese (ja)
Inventor
Hidekazu Takahashi
秀和 高橋
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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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

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Abstract

【課題】光源から照射される可視光を利用して、可視光応答性光触媒材料により、水素を構成元素として有する化合物を含む水素源から水素を効率良く発生させる、又はプロトン及び電子として蓄積することができる水素発生装置、これを用いた水素発生方法、及び水素発生システムを提供すること。
【解決手段】プロトン生成部、プロトン伝導部、水素生成部、電子蓄積部、プロトン蓄積部、及びスイッチを備える。プロトン伝導部は、プロトン生成部及び水素生成部で狭持され、更に、プロトン蓄積部と接合されている。プロトン生成部と水素生成部とは、電子蓄積部と、スイッチと、をこの順に介して接続されている。プロトン生成部は、第1電気伝導材料、可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料を含有し、水素生成部は、第2電気伝導材料及び金属材料を含有する水素発生装置。
【選択図】なし
[PROBLEMS] To efficiently generate hydrogen from a hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element by using visible light responsive photocatalyst material radiated from a light source, or accumulate it as protons and electrons. A hydrogen generation apparatus capable of performing the above, a hydrogen generation method using the same, and a hydrogen generation system.
A proton generation unit, a proton conduction unit, a hydrogen generation unit, an electron storage unit, a proton storage unit, and a switch are provided. The proton conducting part is sandwiched between the proton generating part and the hydrogen generating part, and is further joined to the proton accumulating part. The proton generator and the hydrogen generator are connected to each other via an electron storage unit and a switch in this order. The proton generator includes a first electrically conductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material, and the hydrogen generator includes a second electrically conductive material and a metal material.
[Selection figure] None

Description

本発明は、水素発生装置、水素発生方法及び水素発生システムに係り、更に詳細には、光源から照射される可視光を利用して、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源から水素(H)を発生させる、又はプロトン及び電子として蓄積することができる水素発生装置、水素発生装置を用いた水素発生方法、及び水素発生装置を備えた水素発生システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen generator, a hydrogen generation method, and a hydrogen generation system, and more specifically, from a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element by using visible light irradiated from a light source. The present invention relates to a hydrogen generator capable of generating hydrogen (H 2 ) or storing it as protons and electrons, a hydrogen generation method using the hydrogen generator, and a hydrogen generation system including the hydrogen generator.

近年、移動体から排出されるガス問題や燃料資源の枯渇が心配されている。
そこで、近年では、水素(H)と酸素(O)を燃料とする燃料電池の開発研究がなされている。
In recent years, there are concerns about the problem of gas discharged from mobile objects and the depletion of fuel resources.
Therefore, in recent years, research and development of fuel cells using hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) as fuels have been conducted.

燃料電池は、水素(H)と酸素(O)を燃料として発電する。しかし、水素(H)は、天然には殆ど存在しないため、水素(H)を発生する装置が必要となる。
このような背景から、水(HO)の光触媒による水素(H)発生が研究され、注目されている。
The fuel cell generates power using hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) as fuel. However, since hydrogen (H 2 ) hardly exists in nature, an apparatus for generating hydrogen (H 2 ) is required.
From such a background, hydrogen (H 2 ) generation by water (H 2 O) photocatalyst has been studied and attracted attention.

例えば、互いに電気的に接続されたカソード及びアノードを、所定の水溶液を含む容器中に備えた水素生成装置が提案されている(特許文献1参照。)。
この装置のアノードは、p型半導体及びn型半導体からなるpn接合を有する太陽電池のp型半導体層の表面に、光照射により電子及び正孔対を励起する光触媒層が形成された構造を有する。そして、このアノードに光エネルギーが照射されることにより、カソード表面から水素ガスを発生することができる。
For example, a hydrogen generation apparatus has been proposed in which a cathode and an anode electrically connected to each other are provided in a container containing a predetermined aqueous solution (see Patent Document 1).
The anode of this device has a structure in which a photocatalytic layer for exciting electron and hole pairs by light irradiation is formed on the surface of a p-type semiconductor layer of a solar cell having a pn junction made of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. . By irradiating the anode with light energy, hydrogen gas can be generated from the cathode surface.

かかる水素生成装置は、1つの素子に水素生成と太陽電池との二つの機能を持たせ、太陽光のみで水素を高効率で生成することを目指している。
具体的には、シリコン(Si)等の太陽電池表面に、酸化チタン(TiO)等の光照射により電子及び正孔対を励起するいわゆる光触媒機能を有する半導体薄膜を堆積させた、TiO/Si等のヘテロ構造を採用する。
これにより、半導体薄膜(TiO等)を透過した長波長の太陽光を太陽電池層(Si等)で吸収して電子−正孔対を生成すると共に、半導体膜の水素生成ポテンシャルに太陽電池の起電力ポテンシャルを加えて持ち上げることにより、太陽光による水素生成効率を大幅に高めるというものである。
Such a hydrogen generation device aims to generate hydrogen with high efficiency only by sunlight by providing one element with two functions of hydrogen generation and a solar cell.
More specifically, the solar cell surface of a silicon (Si) or the like, deposition of the semiconductor thin film having a so-called photocatalytic function to excite the electrons and hole pairs by light irradiation such as titanium oxide (TiO 2), TiO 2 / A heterostructure such as Si is adopted.
Thus, long-wavelength sunlight transmitted through the semiconductor thin film (TiO 2 or the like) is absorbed by the solar cell layer (Si or the like) to generate electron-hole pairs, and the hydrogen generation potential of the semiconductor film By adding the electromotive potential and lifting it, the hydrogen generation efficiency by sunlight is greatly increased.

また、水を貯留する反応槽に、第1作用極と白金電極の第2作用極とを浸漬させて備え、両作用極間に介在させた直流電源により直流電圧を印加する水素生成装置が提案されている(特許文献2参照。)。   In addition, a hydrogen generation apparatus is proposed in which a first working electrode and a second working electrode of a platinum electrode are immersed in a reaction tank that stores water, and a DC voltage is applied by a DC power source interposed between the two working electrodes. (See Patent Document 2).

かかる水素生成装置は、具体的には、第1作用極は、ガラス基板の表面に、酸化インジウムスズ(ITO)を備えた透明電極を有し、この電極面に光触媒電極膜を備える。
この光触媒電極膜としては、二酸化チタン薄膜が採用され、その膜面に可視光吸収色素としてのルテニウム錯体を担持させている。
また、直流電圧は、第1作用極側がプラス、第2作用極側がマイナスとなるようにして2V未満の電圧値で印加する。この印加状況下で、タングステンランプの光を照射する。
特開2003−238104号公報 特開2002−356301号公報
Specifically, in this hydrogen generator, the first working electrode has a transparent electrode provided with indium tin oxide (ITO) on the surface of the glass substrate, and a photocatalytic electrode film is provided on the electrode surface.
As the photocatalytic electrode film, a titanium dioxide thin film is employed, and a ruthenium complex as a visible light absorbing dye is supported on the film surface.
Further, the DC voltage is applied at a voltage value of less than 2 V so that the first working electrode side is positive and the second working electrode side is negative. Under this application condition, the light from the tungsten lamp is irradiated.
JP 2003-238104 A JP 2002-356301 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の水素生成装置においては、高額な半導体薄膜を使用するため、装置が高額になるという問題点があった。
また、太陽光からの光照射量に対応して、水素の生成量が大きく変動し、特に光が当たらなくなると、水素を生成できなくなるという問題点があった。
However, the hydrogen generation apparatus described in Patent Document 1 has a problem that the apparatus is expensive because an expensive semiconductor thin film is used.
In addition, there is a problem that the amount of hydrogen generated varies greatly corresponding to the amount of light irradiated from sunlight, and hydrogen cannot be generated particularly when no light is applied.

更に、上記特許文献2に記載の水素生成装置においては、電圧を電極間にかけるため消費電力が大きく、投入したエネルギーに対して水素の発生効率が悪い、また、ルテニウム錯体を使用しているため耐久性に乏しい、という問題点があった。   Furthermore, in the hydrogen generator described in Patent Document 2, the voltage is applied between the electrodes, so that the power consumption is large, the generation efficiency of hydrogen is poor with respect to the input energy, and the ruthenium complex is used. There was a problem of poor durability.

更にまた、上記特許文献1及び2に記載の水素生成装置においては、水素を貯めておくための大きな水素タンクが必要であり、システム自体が大型のものとなる。よって、移動体にかかる水素生成装置を搭載することが容易でないという問題点もある。   Furthermore, the hydrogen generators described in Patent Documents 1 and 2 require a large hydrogen tank for storing hydrogen, and the system itself is large. Therefore, there is also a problem that it is not easy to mount the hydrogen generator on the moving body.

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光源から照射される可視光を利用して、可視光応答性光触媒材料により、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源から水素(H)を効率良く発生させる、又はプロトン(H)及び電子(e)として蓄積することができる水素発生装置、水素発生装置を用いた水素発生方法、及び水素発生装置を用いた水素発生システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is to use visible light responsive photocatalyst material with hydrogen ( A hydrogen generator and a hydrogen generator capable of efficiently generating hydrogen (H 2 ) from a hydrogen source containing a compound having H) as a constituent element or storing them as protons (H + ) and electrons (e ) An object of the present invention is to provide a hydrogen generation method and a hydrogen generation system using the hydrogen generation apparatus.

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源と可視光応答性光触媒材料とを接触させ、光源からの可視光を該可視光応答性光触媒材料に照射し、該水素源からプロトン(H)と電子(e)を生成し、得られたプロトン(H)の流れ及び電子(e)の流れを制御して、水素(H)の発生量を制御することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventor brought a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element into contact with a visible light responsive photocatalytic material, and obtained visible light from a light source. irradiating the said visible light responsive photocatalyst material, a hydrogen source and a proton (H +) electrons - generate, resulting protons (H +) of the flow and electron (e) - control the flow of (e) Thus, the inventors have found that the above object can be achieved by controlling the generation amount of hydrogen (H 2 ), and have completed the present invention.

即ち、本発明の水素発生装置は、光源から照射される可視光を利用して、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源から水素(H)を発生させる装置である。
かかる水素発生装置は、プロトン生成部と、プロトン伝導部と、水素生成部と、電子蓄積部と、プロトン蓄積部と、スイッチとを備え、該プロトン伝導部は、該プロトン生成部及び該水素生成部で狭持され、該プロトン伝導部は、該プロトン蓄積部と接合され、該プロトン生成部と該水素生成部とは、該プロトン生成部側から、該電子蓄積部と、該プロトン生成部及び該水素生成部を電気的に接続し得る該スイッチと、をこの順に介して接続され、該プロトン生成部は、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを含有し、該水素生成部は、第2電気伝導材料と金属材料とを含有することを特徴とする。
That is, the hydrogen generator of the present invention is an apparatus that generates hydrogen (H 2 ) from a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element, using visible light emitted from a light source.
Such a hydrogen generator includes a proton generation unit, a proton conduction unit, a hydrogen generation unit, an electron storage unit, a proton storage unit, and a switch, and the proton conduction unit includes the proton generation unit and the hydrogen generation unit. The proton conducting part is joined to the proton accumulating part, and the proton producing part and the hydrogen producing part are arranged from the proton producing part side to the electron accumulating part, the proton producing part, and The hydrogen generation unit is connected to the switch through which the hydrogen generation unit can be electrically connected in this order, and the proton generation unit includes a first electrically conductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material, The hydrogen generator includes a second electrically conductive material and a metal material.

また、本発明の水素発生方法は、上記本発明の水素発生装置を用いた水素発生方法であって、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源と可視光応答性光触媒材料とを接触させ、光源からの可視光を該可視光応答性光触媒材料に照射し、該水素源からプロトン(H)と電子(e)を生成し、得られたプロトン(H)の流れ及び電子(e)の流れを制御して、水素(H)の発生量を制御することを特徴とする。 The hydrogen generation method of the present invention is a hydrogen generation method using the hydrogen generation apparatus of the present invention, comprising a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element and a visible light responsive photocatalytic material. The visible light responsive photocatalyst material is irradiated with visible light from a light source to generate protons (H + ) and electrons (e ) from the hydrogen source, and the flow of protons (H + ) obtained and The flow of electrons (e ) is controlled to control the generation amount of hydrogen (H 2 ).

更に、本発明の水素発生システムは、上記本発明の水素発生装置を用いた水素発生システムであって、該水素発生装置と、該水素発生装置に水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源を供給する水素源供給手段と、該水素発生装置のスイッチを制御する制御手段とを備え、該制御手段が断続的に該スイッチを制御することを特徴とする。   Furthermore, the hydrogen generation system of the present invention is a hydrogen generation system using the hydrogen generator of the present invention, and includes the hydrogen generator and a compound having hydrogen (H) as a constituent element in the hydrogen generator. A hydrogen source supply means for supplying a hydrogen source and a control means for controlling a switch of the hydrogen generator, wherein the control means intermittently controls the switch.

本発明によれば、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源と可視光応答性光触媒材料とを接触させ、光源からの可視光を該可視光応答性光触媒材料に照射し、該水素源からプロトン(H)と電子(e)を生成し、得られたプロトン(H)の流れ及び電子(e)の流れを制御して、水素(H)の発生量を制御することなどとしたため、光源から照射される可視光を利用して、可視光応答性光触媒材料により、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源から水素(H)を効率良く発生させる、又はプロトン(H)及び電子(e)として蓄積することができる水素発生装置、水素発生装置を用いた水素発生方法、及び水素発生装置を用いた水素発生システムを提供することができる。 According to the present invention, a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element is brought into contact with a visible light responsive photocatalyst material, the visible light responsive photocatalyst material is irradiated with visible light from a light source, (e -) protons (H +) and electrons from the hydrogen source to produce the resulting protons (H +) of the flow and electron (e -) to control the flow of the generation amount of hydrogen (H 2) Because of control, etc., hydrogen (H 2 ) is efficiently obtained from a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element using visible light responsive photocatalytic material using visible light emitted from a light source. To provide a hydrogen generator that can be generated or stored as protons (H + ) and electrons (e ), a hydrogen generation method using the hydrogen generator, and a hydrogen generation system using the hydrogen generator. it can.

以下、本発明の水素発生装置について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の水素発生装置は、光源から照射される可視光を利用して、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源から水素(H)を発生させる装置であって、プロトン生成部と、プロトン伝導部と、水素生成部と、電子蓄積部と、プロトン蓄積部と、スイッチとを備え、該プロトン伝導部は、該プロトン生成部及び該水素生成部で狭持され、該プロトン伝導部は、該プロトン蓄積部と接合され、該プロトン生成部と該水素生成部とが、該プロトン生成部側から、該電子蓄積部と、該プロトン生成部及び該水素生成部を電気的に接続し得る該スイッチと、をこの順に介して接続されるものである。
Hereinafter, the hydrogen generator of the present invention will be described in detail.
As described above, the hydrogen generator of the present invention is an apparatus that generates hydrogen (H 2 ) from a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element, using visible light emitted from a light source. A proton generation unit, a proton conduction unit, a hydrogen generation unit, an electron storage unit, a proton storage unit, and a switch, and the proton conduction unit is sandwiched between the proton generation unit and the hydrogen generation unit. The proton conducting part is joined to the proton accumulating part, and the proton producing part and the hydrogen producing part are connected to the electron accumulating part, the proton producing part and the hydrogen producing part from the proton producing part side. Are connected via the switches in this order.

そして、かかるプロトン生成部は、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを含有し、かかる水素生成部は、第2電気伝導材料と金属材料とを含有する。   And this proton production | generation part contains a 1st electric conduction material, visible light responsive photocatalyst material, and a charge separation material, and this hydrogen production | generation part contains a 2nd electric conduction material and a metal material.

このような構成とすることにより、可視光応答性光触媒材料を光源から照射される可視光により活性化させながら、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源を当該可視光応答性光触媒材料に接触させ得るので、スイッチがオンの状態である場合には、水素(H)を効率良く発生させることができ、スイッチがオフの状態である場合には、電子(e)を電子蓄積部に、またプロトン(H)をプロトン蓄積部に、それぞれ蓄積することができる。 By adopting such a configuration, the visible light responsive photocatalyst material is activated by the visible light irradiated from the light source, and the hydrogen source containing the compound having hydrogen (H) as a constituent element is used as the visible light responsive photocatalyst. When the switch is in the on state, hydrogen (H 2 ) can be efficiently generated, and when the switch is in the off state, the electron (e ) Proton (H + ) can be stored in the storage unit and in the proton storage unit.

また、蓄積した状態からスイッチをオンの状態とすると、光源から光が照射されていない場合であっても水素(H)を発生させることができる。 Further, when the switch is turned on from the accumulated state, hydrogen (H 2 ) can be generated even when light is not irradiated from the light source.

更に、上記したように、水素(H)ではなく、電子(e)とプロトン(H)の状態で蓄積することができるため、システムを構築した際に、必ずしも水素タンクを必要とせず、また、水素タンクを配設する場合にもその水素タンクを小型化することができる。 Furthermore, as described above, since it can be stored in the state of electrons (e ) and protons (H + ) instead of hydrogen (H 2 ), a hydrogen tank is not necessarily required when the system is constructed. Also, when a hydrogen tank is provided, the hydrogen tank can be reduced in size.

また、水素源から水素(H)を得る際に利用するエネルギー源が従来より縮小化される。
具体的には、水素(H)を発生させるために外部電源によって印加を行うことを必ずしも必要とせず、水素発生装置を更に小型化することができる。
更にまた、高価な半導体薄膜を必ずしも利用する必要がないことやルテニウム錯体を必ずしも利用する必要がないことも相俟って、安価且つ耐久性を有するように設計することができるため、自動車などの移動体へ搭載することが容易になる。
Further, the energy source utilized in obtaining the hydrogen (H 2) from the hydrogen source is miniaturized than the conventional.
Specifically, it is not always necessary to apply an external power source to generate hydrogen (H 2 ), and the hydrogen generator can be further downsized.
Furthermore, since it is not always necessary to use an expensive semiconductor thin film and it is not always necessary to use a ruthenium complex, it can be designed to be inexpensive and durable. It becomes easy to mount on a moving body.

また、本発明においては、プロトン生成部と電子蓄積部との間に、電流検出器を備えていてもよい。
このような電流検出器は、スイッチがオンの状態の場合には、水素(H)の発生量を測定することができ、また、スイッチがオフの状態の場合には、電子蓄積部における大体の電子蓄積量を推測することができる。
そして、このような測定値や推測値に基づいて、水素発生装置の制御を実行することにより、より効率良く水素(H)を発生させることができる。
In the present invention, a current detector may be provided between the proton generator and the electron storage unit.
Such a current detector can measure the amount of hydrogen (H 2 ) generated when the switch is in an on state, and roughly in the electron storage section when the switch is in an off state. The amount of accumulated electrons can be estimated.
Based on such measurements or estimates, by executing the control of the hydrogen generating apparatus, can be generated more efficiently hydrogen (H 2).

更に、本発明においては、光検出器を備えていてもよい。
ここで、光検出器とは、いわゆる光センサーであって、光源から水素発生装置、より望ましくはプロトン生成部、更に望ましくは可視光応答性光触媒材料に照射される可視光を検出し、その照射量を測定することができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、フォトダイオードなどを用いることができる。
そして、このような光検出器の測定値に基づいて、水素発生装置の制御を実行することにより、より効率良く水素(H)を発生させることができる。
Furthermore, in the present invention, a photodetector may be provided.
Here, the photodetector is a so-called optical sensor that detects visible light irradiated from a light source to a hydrogen generator, more preferably a proton generator, and more preferably visible light-responsive photocatalyst material. There is no particular limitation as long as the amount can be measured, and for example, a photodiode or the like can be used.
Then, based on measurements of such light detector, by executing the control of the hydrogen generating apparatus, can be generated more efficiently hydrogen (H 2).

ここで、本発明の水素発生装置を図面を用いてより詳細に説明する。
図1は、本発明の水素発生装置の一例を示す概略図である。同図に示すように、水素発生装置1は、プロトン生成部10と、プロトン伝導部20と、水素生成部30と、電子蓄積部40と、プロトン蓄積部50と、スイッチ60と、電流検出器70と、光検出器80とを備える。
また、プロトン伝導部20は、プロトン生成部10及び水素生成部30に狭持され、更にプロトン蓄積部50と接合されている。
更に、プロトン生成部10と水素生成部30とが、プロトン生成部10側から電流検出器70と、電子蓄積部40と、プロトン生成部10及び水素生成部30を電気的に接続し得るスイッチ60と、を介して配線wにより接続されている。
なお、図1は、スイッチ60がオフの状態である場合を示している。
Here, the hydrogen generator of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the hydrogen generator of the present invention. As shown in the figure, the hydrogen generator 1 includes a proton generation unit 10, a proton conduction unit 20, a hydrogen generation unit 30, an electron storage unit 40, a proton storage unit 50, a switch 60, and a current detector. 70 and a photodetector 80.
The proton conducting unit 20 is sandwiched between the proton generating unit 10 and the hydrogen generating unit 30 and further joined to the proton accumulating unit 50.
Further, the proton generator 10 and the hydrogen generator 30 are connected to the current detector 70, the electron storage unit 40, and the switch 60 that can electrically connect the proton generator 10 and the hydrogen generator 30 from the proton generator 10 side. And are connected by a wiring w.
FIG. 1 shows a case where the switch 60 is in an off state.

そして、光源から矢印aで示すように可視光を照射させることにより、プロトン生成部10に含有される可視光応答性光触媒材料(図示せず。)を光源から照射される可視光により活性化させながら、水素源の一例である水(HO)を矢印bで示すように該可視光応答性光触媒材料に供給し接触させることによって、プロトン生成部10において電子(e)(図示せず。)とプロトン(H)(図示せず。)と矢印cで示すように酸素(O)を生成し、得られた電子(e)は電流検出器70を通り、電子蓄積部40に蓄積される一方、得られたプロトン(H)はプロトン伝導部20を通り、プロトン蓄積部50に蓄積される。
また、図1には、スイッチ60がオンの状態である場合を示さないが、その場合には、破線の矢印dで示すように、水素生成部30から水素(H)が発生する。なお、詳細については後述する。
Then, the visible light responsive photocatalyst material (not shown) contained in the proton generator 10 is activated by the visible light irradiated from the light source by irradiating visible light from the light source as indicated by an arrow a. However, by supplying water (H 2 O), which is an example of a hydrogen source, to the visible light-responsive photocatalytic material as shown by an arrow b, the electrons (e ) (not shown) are generated in the proton generator 10. ), Proton (H + ) (not shown), and oxygen (O 2 ) as indicated by an arrow c, and the obtained electrons (e ) pass through the current detector 70 and pass through the electron storage unit 40. On the other hand, the obtained proton (H + ) passes through the proton conducting part 20 and is accumulated in the proton accumulating part 50.
Further, FIG. 1 does not show a case where the switch 60 is in an ON state, but in that case, hydrogen (H 2 ) is generated from the hydrogen generation unit 30 as indicated by a dashed arrow d. Details will be described later.

また、本発明においては、備える電子蓄積部は、電子(e)を蓄積することができればその材料や形状について特に限定されるものではないが、ポリマー、金属又は金属酸化物、及びこれらの任意の組合わせに係る電子蓄積材料と、絶縁性材料とから成り、該電子蓄積材料が、該絶縁性材料に覆われた構造を有することが望ましい。 In addition, in the present invention, the electron storage section provided is not particularly limited as long as it can store electrons (e ), but the material and shape thereof are not particularly limited, but a polymer, metal or metal oxide, and any of these It is desirable that the electron storage material includes a combination of the above and an insulating material, and the electron storage material is covered with the insulating material.

上記電子蓄積材料であるポリマーとしては、特に限定されるものではないが、例えばポリアニリンやポリピロール、ポリチオフェンなどを挙げることができる。
また、電子蓄積材料である金属としては、特に限定されるものではないが、例えば鉄(Fe)やマンガン(Mn)、ニッケル(Ni)などを挙げることができる。
更に、電子蓄積材料である金属酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば三酸化タングステン(WO)や酸化ニッケル(NiO)、酸化銅(CuO)などを挙げることができ、耐久性や電子蓄積能力などの観点からWOを用いることが望ましい。
The polymer as the electron storage material is not particularly limited, and examples thereof include polyaniline, polypyrrole, and polythiophene.
The metal that is an electron storage material is not particularly limited, and examples thereof include iron (Fe), manganese (Mn), and nickel (Ni).
Furthermore, the metal oxide that is an electron storage material is not particularly limited, and examples thereof include tungsten trioxide (WO 3 ), nickel oxide (NiO), copper oxide (CuO), and the like. It is desirable to use WO 3 from the viewpoints of properties and electron storage capacity.

上記絶縁性材料としては、特に限定されるものではないが、軽量であり、形状を自由に設計することができる、更に透明であるという観点から、例えばポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートなどの絶縁性ポリマーを好適に用いることができる。   The insulating material is not particularly limited, but is preferably an insulating polymer such as polycarbonate or polyethylene terephthalate from the viewpoint of light weight, free design of shape, and transparency. Can be used.

図2に、本発明の水素発生装置が備える電子蓄積部の一例の概略的な断面形状を示す。同図に示すように、電子蓄積部40は、電子蓄積材料42の一例であるWOを例えばポリカーボネートのような絶縁性材料44の一例である絶縁ポリマーで覆われた構造を有している。
なお、電子蓄積材料42は配線wにより、図示しないプロトン生成部やスイッチと電気的に接続されている。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional shape of an example of an electron storage unit provided in the hydrogen generator of the present invention. As shown in the figure, the electron storage section 40 has a structure in which WO 3 which is an example of the electron storage material 42 is covered with an insulating polymer which is an example of an insulating material 44 such as polycarbonate.
The electron accumulating material 42 is electrically connected to a proton generator and a switch (not shown) through a wiring w.

更に、本発明においては、備えるプロトン蓄積部は、プロトン(H)を蓄積することができればその材料や形状について特に限定されるものではないが、固体高分子、ガラス又は金属酸化物、及びこれらの任意の組合せに係るプロトン蓄積材料と、プロトン流出防止材料とから成り、該プロトン蓄積材料が、該プロトン流出防止材料に覆われた構造を有することが望ましい。 Furthermore, in the present invention, the material and shape of the proton accumulating portion provided is not particularly limited as long as it can accumulate protons (H + ), but it is not limited to solid polymer, glass or metal oxide, and these It is desirable that the proton storage material according to any combination of the above and a proton efflux prevention material have a structure covered with the proton efflux prevention material.

上記プロトン蓄積材料である固体高分子としては、特に限定されるものではないが、例えばナフィオン(登録商標、デュポン社製)などのプロトン伝導膜を挙げることができる。
また、プロトン蓄積材料であるガラスとしては、特に限定されるものではないが、例えばリン酸塩ガラスなどのプロトン伝導ガラスを挙げることができる。
更に、プロトン蓄積材料である金属酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば三酸化タングステン(WO)や酸化ニッケル(NiO)、酸化銅(CuO)などを挙げることができ、耐久性やプロトン蓄積能力などの観点からWOを用いることが望ましい。
The solid polymer that is the proton storage material is not particularly limited, and examples thereof include a proton conductive membrane such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont).
Further, the glass that is a proton storage material is not particularly limited, and examples thereof include proton conductive glass such as phosphate glass.
Furthermore, the metal oxide that is a proton storage material is not particularly limited, and examples thereof include tungsten trioxide (WO 3 ), nickel oxide (NiO), copper oxide (CuO), and the like. It is desirable to use WO 3 from the viewpoints of properties and proton accumulation capacity.

上記プロトン流出防止材料としては、特に限定されるものではないが、軽量であり、形状を自由に設計すること、更に透明であることという観点から、例えばポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートなどのプロトン流出防止ポリマーを好適に用いることができる。   The proton efflux prevention material is not particularly limited, but from the viewpoint of being lightweight, freely designing the shape, and being transparent, for example, a proton efflux prevention polymer such as polycarbonate or polyethylene terephthalate is used. It can be used suitably.

ここで、備える電子蓄積部やプロトン蓄積部は、キャパシタ構造を有していることが電子(e)及びプロトン(H)の蓄積量を増加させることができるという観点から望ましい。
例えば、水素発生装置自体の構造によって、キャパシタ構造を構築してもよく、水素発生システムを構築する際に、複数の水素発生装置の配置によって、キャパシタ構造を構築してもよい。
Here, it is desirable that the electron storage unit and the proton storage unit provided have a capacitor structure from the viewpoint of increasing the amount of electrons (e ) and protons (H + ) stored.
For example, the capacitor structure may be constructed by the structure of the hydrogen generator itself, or the capacitor structure may be constructed by arranging a plurality of hydrogen generators when constructing the hydrogen generation system.

次に、本発明の水素発生装置における電子状態及び電子(e)の流れを説明する。
図3は、本発明の水素発生装置における電子状態及び電子(e)の流れを模式的に示す説明図である。同図に示すように、プロトン生成部10において生成した電子(e)は、電子蓄積部40に移動し、更に水素生成部30に移動する一方、図示しないが、プロトン生成部において生成したプロトン(H)は、プロトン伝導部に移動し、更に水素生成部に移動する。
なお、図示した電子蓄積部40における電子状態は、電子蓄積部を構成する電子蓄積材料として半導体の性質を持つ金属酸化物を用いた場合のものである。
Next, the electronic state and the flow of electrons (e ) in the hydrogen generator of the present invention will be described.
FIG. 3 is an explanatory view schematically showing the electronic state and the flow of electrons (e ) in the hydrogen generator of the present invention. As shown in the figure, the electrons (e ) generated in the proton generator 10 move to the electron accumulator 40 and further move to the hydrogen generator 30, while not shown, the protons generated in the proton generator (H + ) moves to the proton conducting part and further moves to the hydrogen generating part.
Note that the electronic state in the illustrated electron storage unit 40 is a case where a metal oxide having semiconductor properties is used as the electron storage material constituting the electron storage unit.

また、上述のように電子(e)とプロトン(H)の流れ、特に電子(e)の流れをスムーズなものとし、水素(H)を効率良く発生するためには、プロトン生成部、電子蓄積部及び水素生成部における電子状態は、各部における構成要素間のエネルギー準位の高さを比較した場合に、下記の[1]〜[4]の関係が成立していることが望ましい。 Further, as described above, in order to make the flow of electrons (e ) and protons (H + ), particularly the flow of electrons (e ) smooth, and to generate hydrogen (H 2 ) efficiently, proton generation The electronic states in the parts, the electron storage part, and the hydrogen generation part have the following relationships [1] to [4] when the energy levels between the components in each part are compared. desirable.

[1](可視光応答性光触媒材料の価電子帯の上端)<(電荷分離材料の価電子帯の上端)
[2](電荷分離材料の価電子帯の上端)<(可視光応答性光触媒材料の伝導帯の下端)<(電荷分離材料の伝導帯の下端)
[3](電荷分離材料の伝導帯の下端)>(電子蓄積部の電子占有状態の最高エネルギー準位)>(水素生成部の金属材料のフェルミ準位)
[4](可視光応答性光触媒材料の伝導帯の下端)>(電子蓄積部の電子占有状態の最高エネルギー準位)>(水素生成部の金属材料のフェルミ準位)
[1] (Upper end of valence band of visible light responsive photocatalytic material) <(Upper end of valence band of charge separation material)
[2] (Upper end of valence band of charge separation material) <(Lower end of conduction band of visible light responsive photocatalytic material) <(Lower end of conduction band of charge separation material)
[3] (Lower end of conduction band of charge separation material)> (Highest energy level of the electron occupying state of the electron storage portion)> (Fermi level of the metal material of the hydrogen generating portion)
[4] (Lower end of conduction band of visible light responsive photocatalytic material)> (Highest energy level of electron occupying state of electron accumulating part)> (Fermi level of metal material of hydrogen generating part)

上述のような関係が成立する場合には、大きく分けて電子(e)は次のような2つの流れ方をする。
即ち、可視光応答性光触媒材料で生成した電子(e)が電荷分離材料を介してから第1電気伝導材料に流れる場合と可視光応答性光触媒材料で生成した電子(e)が第1電気伝導材料に直接流れる場合がある。
When the above relationship is established, the electrons (e ) flow roughly in the following two ways.
That is, electrons generated by the visible light responsive photocatalyst material (e -) electrons are generated by the visible light responsive photocatalyst material and when flowing from through a charge separation material on the first electrically conductive material (e -) is first May flow directly into electrically conductive material.

まず、前述の場合に、可視光応答性光触媒材料への可視光の照射により、当該可視光応答性光触媒材料において生じたホール(正孔)、更に電子(e)とプロトン(H)の流れにより、水素(H)が発生するメカニズムを説明する。 First, in the above-described case, the visible light responsive photocatalyst material is irradiated with visible light, so that holes (holes) generated in the visible light responsive photocatalyst material, further electrons (e ) and protons (H + ) are generated. The mechanism by which hydrogen (H 2 ) is generated by the flow will be described.

なお、上記可視光応答性光触媒材料と上記電荷分離材料のそれぞれは、1種又は複数種を適宜混合して使用することができる。
このとき、可視光応答性光触媒材料における光吸収で生成された電子(e)とホール(正孔)が再結合しないようにするため、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料のバンドギャップを調整することが望ましい。
言い換えれば、可視光応答性光触媒材料における電子(e)を放出する電位(伝導帯のエネルギー準位)が、電荷分離材料のホール(正孔)に当該電子(e)が入る電位(価電子帯のエネルギー準位)より低く、電荷分離材料の伝導帯のエネルギー準位は、可視光応答性光触媒材料の伝導帯のエネルギー準位より高く、更に、電荷分離材料のバンドギャップは、可視光応答性光触媒材料のバンドギャップより小さいことが望ましい。
Each of the visible light responsive photocatalyst material and the charge separation material can be used alone or in combination.
At this time, in order to prevent recombination of electrons (e ) and holes (holes) generated by light absorption in the visible light responsive photocatalytic material, the band gap between the visible light responsive photocatalytic material and the charge separation material is increased. It is desirable to adjust.
In other words, the potential at which electrons (e ) are emitted in the visible light responsive photocatalytic material (the energy level of the conduction band) is the potential at which the electrons (e ) enter holes (holes) in the charge separation material. The energy level of the conduction band of the charge separation material is higher than the energy level of the conduction band of the visible light responsive photocatalytic material, and the band gap of the charge separation material is visible light. It is desirable to be smaller than the band gap of the responsive photocatalytic material.

図4は、上述の如き、好適な関係を有する可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料の吸収スペクトルの一例を示すグラフである。
なお、図4に示すにように、電荷分離材料はそれ自体でプラズモン吸収を示している。
FIG. 4 is a graph showing an example of an absorption spectrum of a visible light responsive photocatalytic material and a charge separation material having a preferable relationship as described above.
As shown in FIG. 4, the charge separation material itself exhibits plasmon absorption.

また、図5は、上述の如き、好適な関係を有する可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを含むプロトン生成部における電子状態及び電子流れの一例を示す説明図である。
図5に示すように、プロトン生成部において、可視光応答性光触媒材料に可視光が照射され、電子(e)が励起され、励起電子(e)とホール(正孔)が生成する。
また、同時に電荷分離材料にも可視光が照射され、電子(e)が励起され、励起電子(e)とホール(正孔)が生成する。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of an electronic state and an electron flow in the proton generation unit including the visible light responsive photocatalyst material and the charge separation material having a preferable relationship as described above.
As shown in FIG. 5, in the proton generator, visible light responsive photocatalytic material is irradiated with visible light, the electrons (e ) are excited, and excited electrons (e ) and holes (holes) are generated.
At the same time, the charge separation material is irradiated with visible light, and the electrons (e ) are excited to generate excited electrons (e ) and holes (holes).

このとき、例えば水素源の一例である水(HO)(図示せず。)が可視光応答性光触媒に接触すると、水(HO)はホールを受け取って、酸素(O)が発生する。
また、可視光応答性光触媒材料に生成した電子(e)は、電荷分離材料の価電子帯に入ることによって、ホール(正孔)が消失し、電荷分離材料に生成した電子(e)は、第1電気伝導材料(図示せず。)に移動する。更に、この第1電気伝導材料に移動した電子(e)は、電子蓄積部(図示せず。)に移動する。
そして、スイッチがオンの状態である場合には、この電子(e)は水素生成部へ移動する。一方、スイッチがオフの状態である場合には、電子蓄積部に電子(e)が蓄積される。
At this time, for example, when water (H 2 O) (not shown) as an example of a hydrogen source comes into contact with the visible light responsive photocatalyst, the water (H 2 O) receives a hole and oxygen (O 2 ) is appear.
Further, the electrons (e ) generated in the visible light responsive photocatalyst material enter the valence band of the charge separation material, whereby the holes (holes) disappear and the electrons (e ) generated in the charge separation material. Moves to a first electrically conductive material (not shown). Furthermore, the electrons (e ) moved to the first electrically conductive material move to an electron storage unit (not shown).
When the switch is on, the electrons (e ) move to the hydrogen generator. On the other hand, when the switch is off, electrons (e ) are accumulated in the electron accumulation unit.

更に、水(HO)から生成したプロトン(H)はプロトン伝導部に移動する。
そして、スイッチがオンの状態である場合には、このプロトン(H)は水素生成部へ移動する。一方、スイッチがオフの状態である場合には、プロトン蓄積部にプロトン(H)が蓄積される。
Furthermore, protons (H + ) generated from water (H 2 O) move to the proton conducting part.
Then, when the switch is on, this proton (H + ) moves to the hydrogen generator. On the other hand, when the switch is off, protons (H + ) are accumulated in the proton accumulation unit.

この結果、プロトン生成部では、次式(1)に示す反応が起こる。   As a result, the reaction shown in the following formula (1) occurs in the proton generator.

2HO→O+4H+4e…(1) 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e (1)

また、水素生成部では、次式(2)に示す反応が起こり、水素(H)が発生する。 In the hydrogen generator, the reaction shown in the following formula (2) occurs, and hydrogen (H 2 ) is generated.

4H+4e→2H…(2) 4H + + 4e → 2H 2 (2)

以上の結果、水素発生装置によって水素(H)を発生することができる。 As a result, hydrogen (H 2 ) can be generated by the hydrogen generator.

なお、後述の場合には、含有させた電荷分離材料が利用されていないが、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。具体的には、上述したように、プロトン生成部において、可視光応答性光触媒材料に可視光が照射され、電子(e)が励起され、励起電子(e)とホール(正孔)が生成する。
このとき、例えば水素源の一例である水(HO)が可視光応答性光触媒に接触すると、水(HO)はホール(正孔)を受け取って、酸素(O)が発生する。
また、可視光応答性光触媒材料に生成した電子(e)は、第1電気伝導材料に移動する。以降は上述した場合と同様の電子(e)及びプロトン(H)の流れ方よって、電子(e)及びプロトン(H)が蓄積され、水素発生装置から水素(H)が発生する。
In the case described later, the contained charge separation material is not used, but it goes without saying that it is included in the scope of the present invention. Specifically, as described above, in the proton generator, visible light-responsive photocatalytic material is irradiated with visible light, electrons (e ) are excited, and excited electrons (e ) and holes (holes) are generated. Generate.
At this time, for example, when water (H 2 O), which is an example of a hydrogen source, comes into contact with the visible light responsive photocatalyst, the water (H 2 O) receives holes and generates oxygen (O 2 ). .
Moreover, the electrons (e ) generated in the visible light responsive photocatalytic material move to the first electrically conductive material. Thereafter, electrons (e ) and protons (H + ) are accumulated according to the flow of electrons (e ) and protons (H + ) in the same manner as described above, and hydrogen (H 2 ) is generated from the hydrogen generator. To do.

次に、プロトン生成部の構造について説明する。
プロトン生成部においては、上記式(1)の反応が進行する限り、第1電気伝導材料、可視光応答性光触媒材料、電荷分離材料の3成分を種々の態様で含有できる。
Next, the structure of the proton generator will be described.
As long as the reaction of the above formula (1) proceeds, the proton generator can contain the three components of the first electrically conductive material, the visible light responsive photocatalytic material, and the charge separation material in various modes.

例えば、図6に示すように、第1電気伝導材料、可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料を混合分散させた単層11から構成できる。
このときは、上記3成分を均一分散させることができる。また、プロトン伝導部側に第1電気伝導材料を多く含め、表層側(水素源に接する層)に可視光応答性光触媒材料を多く含めることもできる。
For example, as shown in FIG. 6, it can be composed of a single layer 11 in which a first electrically conductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material are mixed and dispersed.
At this time, the three components can be uniformly dispersed. Further, a large amount of the first electrically conductive material can be included on the proton conductive portion side, and a large amount of visible light responsive photocatalytic material can be included on the surface layer side (layer in contact with the hydrogen source).

また、図7に示すように、第1層12と第2層13を順にプロトン伝導部に積層して構成することができる。
このときは、第1層12が第1電気伝導材料から成り、第2層13が可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを混合分散して成ることが好適である。
なお、配線(図示せず。)の一端は、プロトン伝導部に接する層(第1層)に接続するのが望ましい。
Further, as shown in FIG. 7, the first layer 12 and the second layer 13 can be sequentially stacked on the proton conducting portion.
In this case, it is preferable that the first layer 12 is made of the first electrically conductive material, and the second layer 13 is made by mixing and dispersing the visible light responsive photocatalytic material and the charge separation material.
Note that one end of the wiring (not shown) is preferably connected to a layer (first layer) in contact with the proton conducting portion.

更に、図8に示すように、第1〜第3層(12〜14)を順にプロトン伝導部に積層して構成することもできる。   Furthermore, as shown in FIG. 8, the first to third layers (12 to 14) may be sequentially stacked on the proton conducting portion.

例えば、第1〜第3層(12〜14)の全てが、第1電気伝導材料、可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料から成り、第1層12の主成分を第1電気伝導材料とし、第2層13の主成分を電荷分離材料とし、第3層14の主成分を可視光応答性光触媒材料とすることができる。
なお、「主成分」とは、第1電気伝導材料、可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料の3成分を含む層であればそれらの総含有量の1/3以上、2成分を含む層であればそれらの総含有量の1/2以上を占めることをいう。
For example, all of the first to third layers (12 to 14) are composed of a first electrically conductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material, and the main component of the first layer 12 is the first electrically conductive material. The main component of the second layer 13 can be a charge separation material, and the main component of the third layer 14 can be a visible light responsive photocatalytic material.
Note that the “main component” is a layer containing three or more components of the first electric conductive material, the visible light responsive photocatalytic material, and the charge separation material as long as it is 1/3 or more of the total content. If so, it means to occupy 1/2 or more of their total content.

また、第1層12が第1電気伝導材料、可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料から成り、主成分が第1電気伝導材料であり、第2層13が可視光応答性光触媒材料と電解分離材料から成り、主成分が電荷分離材料であり、第3層14が可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料から成り、主成分が可視光応答性光触媒材料である、ようにすることもできる。   The first layer 12 is made of a first electroconductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material, the main component is the first electroconductive material, and the second layer 13 is electrolyzed with the visible light responsive photocatalytic material. It is also possible to make it composed of a separation material, the main component is a charge separation material, the third layer 14 is composed of a visible light responsive photocatalyst material and a charge separation material, and the main component is a visible light responsive photocatalyst material. .

更に、第1層12が第1電気伝導材料から成り、第2層13が電荷分離材料から成り、第3層14が可視光応答性光触媒材料から成る、ようにすることもできる。
可視光応答性光触媒材料を水素源に接触させるように、第1電気伝導材料をプロトン伝導部に接触させるように、電荷分離材料を可視光応答性光触媒材料と第1電気伝導材料の中間部にあるように配置することが、水素発生効率の観点から望ましく、このような観点から、特に第1層12が第1電気伝導材料から成り、第2層13が電荷分離材料から成り、第3層14が可視光応答性光触媒材料から成る、ようにすることが望ましい。
Further, the first layer 12 may be made of a first electrically conductive material, the second layer 13 may be made of a charge separation material, and the third layer 14 may be made of a visible light responsive photocatalytic material.
The charge separation material is placed between the visible light responsive photocatalytic material and the first electrically conductive material so that the visible light responsive photocatalytic material is in contact with the hydrogen source, and the first electrically conductive material is in contact with the proton conducting portion. It is desirable to arrange in such a manner from the viewpoint of hydrogen generation efficiency. From such a viewpoint, in particular, the first layer 12 is made of the first electrically conductive material, the second layer 13 is made of the charge separation material, and the third layer is made. Desirably, 14 comprises a visible light responsive photocatalytic material.

ここで、上記単層のプロトン生成部を製造する際には、例えば、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを混合したスラリーを乾燥して、単層のプロトン生成部を得ることができるが、これに限定されるものではない。   Here, when manufacturing the single-layer proton generator, for example, a slurry in which the first electrically conductive material, the visible light-responsive photocatalyst material, and the charge separation material are mixed is dried to generate a single-layer proton generator. However, the present invention is not limited to this.

また、上記2層構造のプロトン生成部を製造する際には、特に限定されるものではないが、例えば、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第1層を形成し、この上に、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料を含んだスラリーを塗布し、乾燥し、第2層を形成して、2層構造のプロトン生成部を得ることができる。
このとき、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料は均一に又は不均一に塗布することができる。
Further, when the proton generation part having the above two-layer structure is produced, it is not particularly limited. For example, the conductive carbon cloth is coated with a slurry of conductive carbon particles or a conductive carbon porous body and dried. Then, a first layer is formed by pressing, and a slurry containing a visible light-responsive photocatalytic material and a charge separation material is applied on the first layer, followed by drying to form a second layer. A generation unit can be obtained.
At this time, the visible light responsive photocatalytic material and the charge separation material can be applied uniformly or non-uniformly.

更に、上記3層構造のプロトン生成部を製造する際には、特に限定されるものではないが、以下のように各材料の塗布後に、乾燥処理、プレス処理、熱処理を適宜行なえばよい。
例えば、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥して第1層を形成し、この上に、電荷分離材料を含むスラリーを塗布して、第2層を形成し、更にこの上に、可視光応答性光触媒材料を含むスラリーを塗布して、第3層を形成し、全体を加熱して、3層構造のプロトン生成部を得ることができる。
Furthermore, when producing the proton generation part having the three-layer structure, there is no particular limitation, but after applying each material, drying treatment, press treatment, and heat treatment may be appropriately performed as follows.
For example, a conductive carbon cloth or a conductive carbon porous material slurry is applied to a conductive carbon cloth, dried to form a first layer, a slurry containing a charge separation material is applied thereon, and a second layer is formed. A layer containing a visible light responsive photocatalyst material is applied thereon to form a third layer, and the whole is heated to obtain a proton generation part having a three-layer structure.

また、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第1層を形成し、この上に、電荷分離材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して、第2層を形成し、更にこの上に、可視光応答性光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥し、熱処理して第3層を形成し、3層構造のプロトン生成部を得ることができる。   Also, a conductive carbon cloth or conductive carbon porous material slurry is applied to the conductive carbon cloth, dried, pressed to form a first layer, and a slurry containing a charge separation material is applied thereon, A second layer is formed by drying, and a slurry containing a visible light responsive photocatalytic material is applied thereon, dried and heat-treated to form a third layer, and a proton generator having a three-layer structure is formed. Obtainable.

更に、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第1層を形成し、この上に電荷分離材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して、第2層を形成し、更にこの上に、可視光応答性光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第3層を形成し、3層構造のプロトン生成部を得ることができる。   Furthermore, the conductive carbon cloth is coated with a slurry of conductive carbon particles or a conductive carbon porous body, dried, pressed to form a first layer, and a slurry containing a charge separation material is coated thereon and dried. Then, a second layer is formed, and further, a slurry containing a visible light responsive photocatalytic material is applied thereon and dried to form a third layer, whereby a three-layer structure proton generator can be obtained. .

なお、上記乾燥処理は、特に限定されるものではないが、例えば120〜200℃、1〜2時間程度で行なうことができる。また、上記プレス処理は、特に限定されるものではないが、例えば、0.1〜40MPa程度で行なうことができる。更に、上記熱処理は、特に限定されるものではないが、例えば、400〜1200℃、2〜20時間程度で行なうことができる。   In addition, although the said drying process is not specifically limited, For example, it can carry out at 120-200 degreeC and about 1 to 2 hours. Moreover, although the said press process is not specifically limited, For example, it can carry out at about 0.1-40 Mpa. Furthermore, although the said heat processing is not specifically limited, For example, it can carry out at 400-1200 degreeC and about 2 to 20 hours.

次に、水素生成部の構造について説明する。
水素生成部においては、上記式(2)の反応が進行する限り、第2電気伝導材料と金属材料の2成分を種々の態様で含有できる。
Next, the structure of the hydrogen generator will be described.
As long as the reaction of the above formula (2) proceeds, the hydrogen generator can contain two components of the second electrically conductive material and the metal material in various modes.

例えば、図9に示すように、第2電気伝導材料と金属材料を混合分散させた単層31から構成できる。
このときは、上記2成分を均一分散することができる。また、プロトン伝導部側に第2電気伝導材料を多く含め、裏層側(水素と接する層)に金属材料を多く含めることもできる。
For example, as shown in FIG. 9, it can be configured from a single layer 31 in which a second electrically conductive material and a metal material are mixed and dispersed.
At this time, the two components can be uniformly dispersed. In addition, a large amount of the second electrically conductive material can be included on the proton conductive portion side, and a large amount of metal material can be included on the back layer side (layer in contact with hydrogen).

また、図10に示すように、第1層32と第2層33を順にプロトン伝導部に積層して構成することもできる。
例えば、第1層32の主成分を第2電気伝導材料とし、第2層33の主成分を金属材料とすることができる。
なお、配線(図示せず。)の一端は、プロトン伝導部に接する層(第1層)に接続するのが望ましい。
Further, as shown in FIG. 10, the first layer 32 and the second layer 33 may be sequentially stacked on the proton conducting portion.
For example, the main component of the first layer 32 can be a second electrically conductive material, and the main component of the second layer 33 can be a metal material.
Note that one end of the wiring (not shown) is preferably connected to a layer (first layer) in contact with the proton conducting portion.

更に、第1層32が第2電気伝導材料から成り、第2層33が金属材料から成る、ようにすることもできる。
第2電気伝導材料をプロトン伝導部に接触させるように、金属材料をプロトン伝導部から離すように、配置することが水素発生効率の観点から望ましく、このような観点から、特に第1層32が第2電気伝導材料から成り、第2層33が金属材料から成る、ようにすることが望ましい。
Further, the first layer 32 may be made of a second electrically conductive material, and the second layer 33 may be made of a metal material.
From the viewpoint of hydrogen generation efficiency, it is desirable to dispose the metal material so as to be in contact with the proton conducting portion so that the second electrically conductive material is in contact with the proton conducting portion. Desirably, the second layer 33 is made of a second electrically conductive material, and the second layer 33 is made of a metal material.

ここで、上記単層の水素生成部を製造する際には、特に限定されるものではないが、例えば、金属材料と第2電気伝導材料を含むスラリーを乾燥させて、単層の水素生成部を得ることができる。   Here, when manufacturing the single-layer hydrogen generation unit, although not particularly limited, for example, by drying the slurry containing the metal material and the second electrical conductive material, the single-layer hydrogen generation unit Can be obtained.

また、上記2層構造の水素生成部を製造する際には、特に限定されるものではないが、例えば、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第1層を形成し、この上に金属微粒子を含むスラリーを塗布し、乾燥して、第2層を形成し、全体を熱処理して、2層構造の水素生成部を得ることができる。   Further, when producing the two-layered hydrogen generation part, there is no particular limitation. For example, a conductive carbon cloth or a conductive carbon porous material slurry is applied to a conductive carbon cloth and dried. Then, a first layer is formed by pressing, a slurry containing metal fine particles is applied thereon, and dried to form a second layer, and the whole is heat-treated to obtain a two-layer structure hydrogen generator. be able to.

更に、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして、第1層を形成し、この上に金属微粒子を塗布し、乾燥して、第2層を形成し、2層構造の水素生成部を得ることもできる。   Furthermore, a conductive carbon cloth or a conductive carbon porous material slurry is applied to a conductive carbon cloth, dried, pressed to form a first layer, and metal fine particles are applied thereon and dried. It is also possible to form a second layer to obtain a hydrogen generation part having a two-layer structure.

他方、プロトン生成部、プロトン伝導部及び水素生成部の接合は、例えば、上記プロトン生成部と上記水素生成部との間に、プロトン伝導部を配設し、プレスで圧着することにより行なうことができる。このときは、例えば0.1〜40MPa程度で行なうことができる。   On the other hand, the proton generator, the proton conductor, and the hydrogen generator can be joined by, for example, disposing a proton conductor between the proton generator and the hydrogen generator, and pressing with a press. it can. In this case, for example, it can be performed at about 0.1 to 40 MPa.

次に、プロトン生成部の成分について説明する。
上述の如く、本発明においては、備えるプロトン生成部は、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを含有する。
Next, components of the proton generator will be described.
As described above, in the present invention, the proton generation unit provided includes the first electrically conductive material, the visible light responsive photocatalyst material, and the charge separation material.

上記可視光応答性光触媒材料としては、可視光の照射によって、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源からプロトン(H)を生成する機能を備え、好ましくは、水素源としての水(HO)からプロトン(H)を生成し、結果として酸素(O)を生成する機能を備えれば特に限定されるものではないが、例えば、五窒化三タンタル(Ta)光触媒、窒酸化タンタル(TaON)光触媒や酸化チタン(TiO)にクロム(Cr)とアンチモン(Sb)をドープした光触媒などが挙げられる。
更に、具体的には、以下の〔1〕〜〔6〕に記載の化合物を単独で又は混合して含有するものを挙げることができる。
The visible light-responsive photocatalytic material has a function of generating protons (H + ) from a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element by irradiation with visible light, preferably as a hydrogen source generate water (H 2 O) from the proton (H +), but as the oxygen (O 2) is not particularly limited if Sonaere the ability to produce results, for example, five nitride three tantalum (Ta 3 N 5 ) Photocatalysts, tantalum oxynitride (TaON) photocatalysts, photocatalysts obtained by doping titanium oxide (TiO 2 ) with chromium (Cr) and antimony (Sb), and the like.
Furthermore, what contains the compound as described in the following [1]-[6] individually or in mixture can be mentioned.

〔1〕五窒化三タンタル(Ta
〔2〕ストロンチウム−チタン酸化物(SrTiO)、銀−タンタル酸化物(AgTaO)、銀−ニオブ酸化物(AgNbO)、インジウム−タンタル酸化物(InTaO)、インジウム−ニオブ酸化物(InNbO)、ビスマス−バナジウム酸化物(BiVO)、又はこれらに窒素(N)、硫黄(S)、クロム(Cr)若しくはアンチモン(Sb)、及びこれらを任意に組合わせたものをドープした金属酸化物
〔3〕硫化亜鉛(ZnS)、銅(Cu)及び/又はニッケル(Ni)をドープしたZnS
〔4〕ガリウム(Ga)酸化物、インジウム(In)酸化物、亜鉛(Zn)酸化物、銀(Ag)酸化物、ナトリウム(Na)酸化物
〔5〕Ga硫化物、In硫化物、Zn硫化物、Ag硫化物、Na硫化物
〔6〕酸化ガリウム−酸化インジウム固溶体(Ga−In
[1] Tritantalum pentanitride (Ta 3 N 5 )
[2] Strontium-titanium oxide (SrTiO 3 ), silver-tantalum oxide (AgTaO 3 ), silver-niobium oxide (AgNbO 3 ), indium-tantalum oxide (InTaO 4 ), indium-niobium oxide (InNbO 4 ), metal oxides doped with bismuth-vanadium oxide (BiVO 4 ), or nitrogen (N), sulfur (S), chromium (Cr) or antimony (Sb), and any combination thereof. [3] ZnS doped with zinc sulfide (ZnS), copper (Cu) and / or nickel (Ni)
[4] Gallium (Ga) oxide, indium (In) oxide, zinc (Zn) oxide, silver (Ag) oxide, sodium (Na) oxide [5] Ga sulfide, In sulfide, Zn sulfide , Ag sulfide, Na sulfide [6] Gallium oxide-indium oxide solid solution (Ga 2 O 3 —In 2 O 3 )

また、上記可視光応答性光触媒材料は、平均径0.01〜50μmの微粒子から構成されることが好ましい。
このときは、光触媒で発生した正孔が水素源(例えば水等)とより反応し易くなるので有効である。
The visible light responsive photocatalytic material is preferably composed of fine particles having an average diameter of 0.01 to 50 μm.
This is effective because holes generated in the photocatalyst are more likely to react with a hydrogen source (for example, water).

更に、上記可視光応答性光触媒材料には、白金(Pt)、酸化ニッケル(NiO)、酸化ルテニウム(RuO)又は酸化イリジウム(IrO)、及びこれらの任意の組合わせに係る助触媒を担持させることができる。特に、Pt微粒子は多様な光触媒の助触媒となり得る。 Furthermore, the visible light responsive photocatalytic material includes platinum (Pt), nickel oxide (NiO), ruthenium oxide (Ru 2 O), iridium oxide (IrO 2 ), and a promoter associated with any combination thereof. It can be supported. In particular, Pt fine particles can serve as promoters for various photocatalysts.

上記光触媒と助触媒との代表的な組合わせとしては、Taに対してはPt、InTaOに対してはNiOなどを挙げることができる。
なお、上記光触媒と助触媒の使用量は、代表的にはモル比で1000:1〜10:1の範囲で使用できる。例えばTa:Ptのモル比は、現時点においては、100:1〜50:1が好適であることが分かっている。
Typical combinations of the photocatalyst and the cocatalyst include Pt for Ta 3 N 5 and NiO for InTaO 4 .
In addition, the usage-amount of the said photocatalyst and a co-catalyst can typically be used in the range of 1000: 1-10: 1 by molar ratio. For example, it has been found that the molar ratio of Ta 3 N 5 : Pt is currently preferably 100: 1 to 50: 1.

なお、上記可視光応答性光触媒材料と共に、紫外光応答性光触媒材料を使用することもできる。例えば、酸化チタン(TiO)、やタンタル酸アルカリ、タンタル酸アルカリ土類、ニオブ酸アルカリ、ニオブ酸アルカリ土類、ニオブ酸亜鉛などを挙げることができる。 In addition, an ultraviolet light-responsive photocatalyst material can be used together with the visible light-responsive photocatalyst material. For example, titanium oxide (TiO 2 ), alkali tantalate, alkaline earth tantalate, alkaline niobate, alkaline earth niobate, zinc niobate, and the like can be given.

上記電荷分離材料としては、上述した可視光応答性光触媒材料で発生する電子(e)とホール(正孔)の分離・移動を行なう機能を備えれば、好ましくは可視光応答性光触媒及び当該電荷分離材料自体で発生する電子(e)とホール(正孔)の分離・移動を行なう機能を備えれば、特に限定されるものではないが、前述の機能を有するものとして、例えばフラーレンを挙げることができ、後述の機能を有するものとして、例えばプラズモン吸収を示す微粒子及び色素の一方又は双方を含有するもの挙げることができる。
現時点における可視光応答性光触媒材料は、吸収できる可視光の波長域380nm〜550nmと限られており、特にプラズモン吸収を示す電荷分離材料は、吸収できる可視光の波長域を拡大できるという観点から好ましく、プラズモン吸収は構成元素や微粒子のサイズによって吸収波長が異なるので、必要に応じて適宜選択することができる。
The charge separation material is preferably a visible light responsive photocatalyst and a photocatalyst having the function of separating and moving electrons (e ) and holes (holes) generated in the visible light responsive photocatalyst material. There is no particular limitation as long as it has a function of separating and moving electrons (e ) and holes (holes) generated in the charge separation material itself. Examples of those having the functions described below include those containing one or both of fine particles exhibiting plasmon absorption and pigments.
The visible light responsive photocatalytic material at present is limited to a visible light wavelength range of 380 nm to 550 nm, and in particular, a charge separation material exhibiting plasmon absorption is preferable from the viewpoint that the wavelength range of visible light that can be absorbed can be expanded. Since the absorption wavelength of plasmon absorption varies depending on the constituent elements and the size of the fine particles, it can be appropriately selected as necessary.

上記フラーレンとしては、例えばC60やC70、C76、C78、C82、C84、C90、C96などを挙げることができ、また、フラーレンの内部に適宜金属原子を内包して使用することもできる。 Examples of the fullerene include C 60 , C 70 , C 76 , C 78 , C 82 , C 84 , C 90 , C 96, and the like, and a metal atom is appropriately included in the fullerene. You can also

上記プラズモン吸収を示す微粒子としては、例えば金(Au)、銀(Ag)のいずれか一方又は双方を使用することができる。
これらは、ナノサイズのロッド状、球状のいずれか一方又は双方の形状のものを使用できる。特にAuのナノロッドが有効である。
As the fine particles exhibiting plasmon absorption, for example, one or both of gold (Au) and silver (Ag) can be used.
These can be nano-sized rod-shaped, spherical one or both shapes. In particular, Au nanorods are effective.

また、上記プラズモン吸収を示す色素としては、例えばポルフィリン化合物、その金属錯体、フタロシアニン化合物又はその金属錯体、及びこれらの任意の組合わせに係るものを使用することができる。   Moreover, as a pigment | dye which shows the said plasmon absorption, the thing concerning a porphyrin compound, its metal complex, a phthalocyanine compound or its metal complex, and these arbitrary combinations can be used, for example.

更に、上述したように電荷分離材料としてはプラズモン吸収を示すものが好ましいが、上述したフラーレンは電子(e)のアクセプターとして有効に機能するため、プラズモン吸収を示すものに更にフラーレンを付加することが望ましい。 Further, as described above, a material that exhibits plasmon absorption is preferable as the charge separation material. However, since the above-described fullerene functions effectively as an acceptor of electrons (e ), additional fullerene is added to the material that exhibits plasmon absorption. Is desirable.

上記第1電気伝導材料としては、良好な導電性を示せば、特に限定されるものではないが、例えば導電性カーボン粒子、導電性カーボン多孔体又は導電性カーボンクロス、及びこれらを任意に組合わせたものを使用することができる。
また、導電性カーボン粒子や導電性カーボン多孔体は、電気伝導性に優れ、更に微粒子状であるため各種材料を担持し易いという利点がある。具体例としては、例えばカーボンブラックやカーボンナノチューブを挙げることができる。
一方、導電性カーボンクロスは、導電性に優れた繊維状のカーボンファイバーから成るものを好適に使用できる。
更に、後述する水素生成部における第2電気伝導材料としても、第1電気伝導材料と同様のものを使用することができる。
なお、第1電気伝導材料と第2電気伝導材料は同一でも異なってもよいことは言うまでもない。
The first electrical conductive material is not particularly limited as long as it exhibits good electrical conductivity. For example, the conductive carbon particles, the conductive carbon porous body, or the conductive carbon cloth, and any combination thereof can be used. Can be used.
Further, the conductive carbon particles and the conductive carbon porous body have an advantage that they are excellent in electrical conductivity, and are fine particles, so that various materials can be easily carried. Specific examples include carbon black and carbon nanotubes.
On the other hand, as the conductive carbon cloth, one made of a fibrous carbon fiber excellent in conductivity can be suitably used.
Furthermore, the same material as the first electrically conductive material can be used as the second electrically conductive material in the hydrogen generation section described later.
Needless to say, the first electrically conductive material and the second electrically conductive material may be the same or different.

次に、プロトン伝導部の成分について説明する。
上述の如く、本発明においては、備えるプロトン伝導部は、電子伝導性を殆ど示さず、良好なプロトン伝導性を示せば特に限定されるものではないが、例えば高分子及び酸化物のいずれか一方又は双方を含むプロトン伝導膜であることが望ましい。
例えば、高いプロトン伝導性を有するナフィオン(登録商標、デュポン社製)を使用することが望ましい。また、これ以外の高分子のプロトン伝導膜やプロトン伝導ガラスも使用可能である。例えば、プロトン伝導ガラスであるリン酸塩ガラスなどがある。
Next, the components of the proton conducting part will be described.
As described above, in the present invention, the proton conducting portion provided is not particularly limited as long as it exhibits almost no electron conductivity and good proton conductivity. For example, either one of a polymer and an oxide is used. Or it is desirable that it is a proton conductive membrane containing both.
For example, it is desirable to use Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) having high proton conductivity. Other polymer proton conducting membranes and proton conducting glasses can also be used. For example, there is phosphate glass which is proton conductive glass.

次に、水素生成部の成分について説明する。
上述の如く、本発明においては、備える水素生成部は、第2電気伝導材料と金属材料とを含有する。
Next, components of the hydrogen generator will be described.
As described above, in the present invention, the hydrogen generation unit provided includes the second electrically conductive material and the metal material.

上記金属材料としては、例えば、Pt、NiO、RuO又はIrO、及びこれらの任意の組合わせたものを使用することができ、特にPtが望ましい。また、これらの形状は微粒子状やチューブ状であることが望ましい。
なお、上記第2電気伝導材料としては、上述したように第1電気伝導材料と同様のものを使用できる。
As the metal material, for example, Pt, NiO, Ru 2 O or IrO 2 and any combination thereof can be used, and Pt is particularly desirable. Further, it is desirable that these shapes are fine particles or tubes.
As the second electrically conductive material, the same material as the first electrically conductive material can be used as described above.

また、本発明においては、上記光源としては、太陽光源、発光ダイオード、半導体レーザー又はこれらと同等の可視光を照射できるランプ、及びこれらを適宜組合わせて利用することができる。
特に、エネルギー変換効率が優れているという観点からは、非常に狭い領域の可視光領域の発光を可能にする発光ダイオードを使用するのが望ましい。
また、太陽が照っている限り、枯渇せず、利用できる太陽光は、直接使用してもよいし、集光して集めたものを使用してもよい。
更に、プリズムにより、可視光を分光して利用してもよい。
In the present invention, as the light source, a solar light source, a light emitting diode, a semiconductor laser, a lamp capable of emitting visible light equivalent to these, and a combination thereof can be used as appropriate.
In particular, from the viewpoint of excellent energy conversion efficiency, it is desirable to use a light emitting diode that enables light emission in a very narrow visible region.
Moreover, as long as the sun is shining, the sunlight which is not depleted and can be used may be used directly, or may be collected and collected.
Further, visible light may be spectrally separated by a prism.

更に、本発明においては、上記水素を構成元素として有する化合物を含む水素源としては、特に限定されるものではなく、例えばメタノールやエタノールなどのアルコールなどを適宜用いることができるが、水又は犠牲試薬含有水溶液を用いることが特に望ましい。
水を水素源とすることにより、排出するガスの問題を完全に解決できるという利点がある。
Furthermore, in the present invention, the hydrogen source containing the compound having hydrogen as a constituent element is not particularly limited. For example, alcohol such as methanol or ethanol can be used as appropriate, but water or a sacrificial reagent can be used. It is particularly desirable to use a containing aqueous solution.
By using water as a hydrogen source, there is an advantage that the problem of exhaust gas can be completely solved.

また、上記犠牲試薬含有水溶液に含まれる犠牲試薬としては、水中で、水酸化物イオン(OH)、亜硫酸イオン(SO 2−)、硫化物イオン(S2−)又は銀イオン(Ag)、及びこれらの任意の組合わせに係るイオンを発生させ得る化合物を含むことが好適である。
このような酸化され易い物質が溶液中に存在すると、これらは可視光応答性光触媒材料が励起状態のときに生成する正孔と反応するため、生成した電子(e)が正孔と再結合する確率が小さくなり、水素(H)が発生し易くなる。
代表的には、アルコール、亜硫酸カリウム、硫化ナトリウム、硝酸銀などを犠牲試薬として使用できる。
The sacrificial reagent contained in the sacrificial reagent-containing aqueous solution may be a hydroxide ion (OH ), a sulfite ion (SO 3 2− ), a sulfide ion (S 2− ), or a silver ion (Ag + ) in water. And compounds capable of generating ions according to any combination thereof.
When such oxidizable substances are present in the solution, they react with the holes generated when the visible light-responsive photocatalytic material is in an excited state, so that the generated electrons (e ) recombine with the holes. And the probability of hydrogen (H 2 ) is likely to be generated.
Typically, alcohol, potassium sulfite, sodium sulfide, silver nitrate or the like can be used as a sacrificial reagent.

また、本発明においては、当該水素発生装置が光透過性の筐体内に配設されていることが望ましい。
本発明の水素発生装置においては、発生する水素(H)をそのまま取り出すために、少なくとも水素生成部の周りの雰囲気が非酸化性であることを要し、また、プロトン生成部は、含有する可視光応答性光触媒材料に光が照射され得ることを要する。
このような要件を満たすようにするため、例えば水素発生装置自体が光透過性の筐体内に配設されている構造とすることが望ましい。
In the present invention, it is desirable that the hydrogen generator is disposed in a light-transmitting casing.
In the hydrogen generator of the present invention, in order to take out the generated hydrogen (H 2 ) as it is, it is necessary that at least the atmosphere around the hydrogen generator is non-oxidizing, and the proton generator contains It is necessary that the visible light-responsive photocatalytic material can be irradiated with light.
In order to satisfy such requirements, for example, it is desirable to have a structure in which the hydrogen generator itself is disposed in a light-transmitting casing.

次に、本発明の水素発生方法について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の水素発生方法は、上記本発明の水素発生装置を用いた水素発生方法であって、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源と可視光応答性光触媒材料とを接触させ、光源からの可視光を該可視光応答性光触媒材料に照射し、該水素源からプロトン(H)と電子(e)を生成し、得られたプロトン(H)の流れ及び電子(e)の流れを制御して、水素(H)の発生量を制御する方法である。
このような方法によって、可視光応答性光触媒材料を光源から照射される可視光により活性化させながら、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源を当該可視光応答性光触媒材料に接触させ得るので、水素(H)を効率良く発生させることができ、又は電子(e)及びプロトン(H)をそれぞれ蓄積することができる。
また、蓄積した状態からは、光源から光が照射されていない場合であっても、より具体的には、可視光光源からの照射量に応じて、水素(H)を発生させることができる。
Next, the hydrogen generation method of the present invention will be described in detail.
As described above, the hydrogen generation method of the present invention is a hydrogen generation method using the hydrogen generation apparatus of the present invention, and includes a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element and a visible light responsive photocatalytic material. contacting the door, the visible light from the light source is irradiated to the visible light responsive photocatalyst material, a hydrogen source and a proton (H +) electronic (e -) to generate the resulting protons (H +) In this method, the amount of hydrogen (H 2 ) generated is controlled by controlling the flow and the flow of electrons (e ).
By such a method, a visible light responsive photocatalyst material is activated by visible light irradiated from a light source, and a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element is brought into contact with the visible light responsive photocatalyst material. Therefore, hydrogen (H 2 ) can be generated efficiently, or electrons (e ) and protons (H + ) can be accumulated, respectively.
Further, even when light is not irradiated from the light source from the accumulated state, more specifically, hydrogen (H 2 ) can be generated according to the irradiation amount from the visible light source. .

次に、本発明の水素発生システムについて詳細に説明する。
上述の如く、本発明の水素発生システムは、上記本発明の水素発生装置を用いた水素発生システムであって、該水素発生装置と、該水素発生装置に水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源を供給する水素源供給手段と、該水素発生装置のスイッチを制御する制御手段とを備え、該制御手段が断続的に該スイッチを制御するものである。
このような構成とすることにより、非常にコンパクト且つエネルギー消費の少ない水素発生システムが構築可能となる。
また、このようなコンパクトな水素発生システムとすることにより、自動車などの移動体に搭載することが容易となる。
Next, the hydrogen generation system of the present invention will be described in detail.
As described above, the hydrogen generation system of the present invention is a hydrogen generation system using the hydrogen generation apparatus of the present invention, and the hydrogen generation apparatus and a compound having hydrogen (H) as a constituent element in the hydrogen generation apparatus And a control means for controlling the switch of the hydrogen generator, and the control means controls the switch intermittently.
By adopting such a configuration, it is possible to construct a hydrogen generation system that is very compact and consumes less energy.
Moreover, it becomes easy to mount in mobile bodies, such as a motor vehicle, by setting it as such a compact hydrogen generation system.

上記水素源供給手段としては、例えば、水素源タンク、圧力調整弁、圧力計、配管、コックなどを適宜組合わせて構成できる。
また、上記制御手段としては、水素発生装置のスイッチを制御することができれば特に限定されるものではなく、具体的には、16ビットマイクロコンピュータや従来公知の演算部を備えた電子制御装置を適宜使用することができる。
As said hydrogen source supply means, a hydrogen source tank, a pressure control valve, a pressure gauge, piping, a cock, etc. can be combined suitably, for example.
The control means is not particularly limited as long as it can control the switch of the hydrogen generator. Specifically, an electronic control device including a 16-bit microcomputer or a conventionally known arithmetic unit is appropriately used. Can be used.

更に、上記制御手段は、水素発生装置が備える光検出器からの検出データと電流検出器からの検出データとが入力されるように、更には、これらの検出データの積算データを算出できるようになっていてもよい。
更にまた、制御手段は、その内部に光検出器からの検出データに対する基準データを予め格納していてもよく、また、電流検出器からの検出データに対する電子蓄積量基準データや電子蓄積部の限界蓄積量を予め格納していてもよい。そのときは、かかる基準データの限界蓄積量を基準にして水素発生装置の制御を適切に実行することができる。
Further, the control means can input the detection data from the photodetector provided in the hydrogen generator and the detection data from the current detector, and further calculate the integrated data of these detection data. It may be.
Furthermore, the control means may store in advance reference data for the detection data from the photodetector, and may also limit the amount of electron storage reference data for the detection data from the current detector and the limit of the electron storage unit. The accumulated amount may be stored in advance. At that time, the control of the hydrogen generator can be appropriately executed based on the limit accumulation amount of the reference data.

また、上記制御手段は、水素源供給手段を制御できるようになっていてもよい。
具体的には、水素源供給手段が供給する水素源の供給量を、例えば備えるコックの開閉を制御手段により制御することができるようになっていてもよい。
The control means may be configured to control the hydrogen source supply means.
Specifically, the supply amount of the hydrogen source supplied by the hydrogen source supply unit may be controlled by the control unit, for example, for opening and closing of a cock provided.

図11は、本発明の水素発生システムの一例を示す概略図である。
同図に示すように、この水素発生システム100は、水素発生装置1と、水素源供給手段110と、制御手段120とを備える。
水素源供給手段110は、水素源の一例である水を貯留し、その水を水素発生装置1に送り込むコック(図示せず。)を有し、水素発生装置1に水を供給する。
制御手段120は、光源からの可視光照射量を図示しない光検出器によって、更には発生する水素(H)の要否によって、水素発生装置1のスイッチを制御し、水素(H)を必要とする場合には、スイッチをオンの状態にして、水素(H)を発生し、水素(H)を必要としない場合には、スイッチをオフの状態にして、電子(e)及びプロトン(H)をそれぞれ、水素発生装置1の電子蓄積部及びプロトン蓄積部に蓄積する。
FIG. 11 is a schematic view showing an example of the hydrogen generation system of the present invention.
As shown in the figure, the hydrogen generation system 100 includes a hydrogen generator 1, a hydrogen source supply unit 110, and a control unit 120.
The hydrogen source supply means 110 has a cock (not shown) that stores water, which is an example of a hydrogen source, and sends the water to the hydrogen generator 1, and supplies water to the hydrogen generator 1.
Control means 120 by a photodetector (not shown) visible light irradiation amount from the light source, the necessity of hydrogen (H 2) further generates controls for switches hydrogen generator 1, the hydrogen (H 2) When necessary, the switch is turned on to generate hydrogen (H 2 ), and when hydrogen (H 2 ) is not needed, the switch is turned off to provide electrons (e ). And protons (H + ) are stored in the electron storage unit and proton storage unit of the hydrogen generator 1, respectively.

また、本発明においては、備える制御装置が断続的にスイッチを制御するに際し、該水素発生装置の光検出器からのデータと該水素発生装置の電流検出器からの積算算出データとに基づいて該スイッチの制御を行なうことが望ましい。
このような構成とすることによって、非常にコンパクト且つエネルギー消費の少ない水素発生システムが構築可能となるだけでなく、水素発生効率をより向上させることができる。
Further, in the present invention, when the control device provided intermittently controls the switch, the control device is based on the data from the photodetector of the hydrogen generator and the integrated calculation data from the current detector of the hydrogen generator. It is desirable to control the switch.
By adopting such a configuration, it is possible not only to construct a hydrogen generation system that is very compact and consumes less energy, but also to improve the efficiency of hydrogen generation.

更に、本発明においては、水素タンクを備えていてもよい。この場合には、備える水素タンクを小型化することができ、非常にコンパクト且つエネルギー消費の少ない水素発生システムが構築可能となる。
更にまた、例えば、電子蓄積部及びプロトン蓄積部における電子及びプロトン蓄積量が限界となった際には、電子及びプロトンから水素を発生させて水素タンクに貯めることにより、より水素発生効率を向上させることができる。
なお、用いる水素タンクは、得られる水素を必要に応じて加圧して水素タンク内に貯めることができれば、特に限定されるものではなく、従来公知の水素タンクを用いることができ、また、加圧する際には、従来公知のポンプを用いることができる。
Further, in the present invention, a hydrogen tank may be provided. In this case, the hydrogen tank provided can be miniaturized, and a hydrogen generation system that is very compact and consumes less energy can be constructed.
Furthermore, for example, when the amount of electrons and protons accumulated in the electron accumulating unit and proton accumulating unit is limited, hydrogen is generated from the electrons and protons and stored in a hydrogen tank to further improve the hydrogen generation efficiency. be able to.
The hydrogen tank to be used is not particularly limited as long as the obtained hydrogen can be pressurized and stored in the hydrogen tank as needed, and a conventionally known hydrogen tank can be used and pressurized. In this case, a conventionally known pump can be used.

更にまた、本発明においては、可視光光源を備えていてもよい。可視光光源としては、例えば発光ダイオード、半導体レーザー又はこれらと同等の可視光を照射できるランプ、及びこれらを適宜組合わせて使用することができる。
例えば、自動車に水素発生システムを搭載した場合には、通常は他のエネルギーデバイスとして燃料電池を用いるが、例えば太陽光源が利用できない場合に、発光ダイオードなどにより燃料電池が発電する電気を有効に利用して、水素を発生させることもできる。
なお、水回収手段を備えていてもよく、燃料電池と組合わせることにより、具体的には燃料電池から排出される水を回収し、水素源として再利用することにより、備える水素源タンクを小型化又は無くすことができ、更にコンパクトな水素発生システムを構築することが可能となる。
Furthermore, in the present invention, a visible light source may be provided. As the visible light source, for example, a light emitting diode, a semiconductor laser, a lamp that can emit visible light equivalent to these, and a combination thereof can be used as appropriate.
For example, when a hydrogen generation system is installed in an automobile, a fuel cell is usually used as another energy device. For example, when a solar light source cannot be used, the electricity generated by the fuel cell using a light-emitting diode is effectively used. Thus, hydrogen can also be generated.
In addition, water recovery means may be provided, and in combination with the fuel cell, specifically, the water discharged from the fuel cell is recovered and reused as a hydrogen source, whereby the hydrogen source tank provided is reduced in size. Or a more compact hydrogen generation system can be constructed.

図12は、本発明の水素発生装置の制御フローの一例を示すフロー図である。
同図に示すように、STEP1(以下、「S1」のように略記する。)において、制御手段によって、発生させる水素が必要か否か判断する。必要である(YES)場合には、S2に進む。
S2において、光検出器と制御手段によって、太陽光が十分か否か判断する。十分である(YES)場合には、S3に進む。
S3において、水素源供給手段と制御手段によって、水素源の一種である水を供給する。
S4において、制御手段によって、スイッチをオンの状態にする。
S5において、水素発生装置の運転を実施し、水素を発生させる。
FIG. 12 is a flowchart showing an example of a control flow of the hydrogen generator of the present invention.
As shown in the figure, in STEP 1 (hereinafter abbreviated as “S1”), the control means determines whether or not hydrogen to be generated is necessary. If it is necessary (YES), the process proceeds to S2.
In S2, it is determined whether or not sunlight is sufficient by the photodetector and the control means. If it is sufficient (YES), the process proceeds to S3.
In S3, water which is a kind of hydrogen source is supplied by the hydrogen source supply means and the control means.
In S4, the control means turns on the switch.
In S5, the hydrogen generator is operated to generate hydrogen.

なお、S2において、十分でない(NO)場合には、S4に進む。そして、S4において、スイッチをオンの状態にすると、プロトン蓄積と電子蓄積部に、それぞれプロトンと電子が蓄積されている場合には、水素発生装置の運転が実施でき、水素を発生させる。   If it is not sufficient (NO) in S2, the process proceeds to S4. In S4, when the switch is turned on, when protons and electrons are accumulated in the proton accumulation and electron accumulation units, respectively, the operation of the hydrogen generator can be performed and hydrogen is generated.

また、S1において、必要でない(NO)場合には、S6に進む。
S6において、光検出器と制御手段によって、太陽光が十分か否か判断する。十分である(YES)場合には、S7に進む。
S7において、制御手段によって、スイッチをオフの状態にする。
S8において、水素源供給手段と制御手段によって、水素源の一種である水を供給する。
S9において、電子蓄積部とプロトン蓄積部に、それぞれ電子とプロトンを蓄積する。
なお、S6において、十分でない(NO)場合には、何もしない。
If it is not necessary (NO) in S1, the process proceeds to S6.
In S6, it is determined whether the sunlight is sufficient by the photodetector and the control means. If it is sufficient (YES), the process proceeds to S7.
In S7, the switch is turned off by the control means.
In S8, water which is a kind of hydrogen source is supplied by the hydrogen source supply means and the control means.
In S9, electrons and protons are stored in the electron storage unit and proton storage unit, respectively.
In S6, if it is not sufficient (NO), nothing is done.

以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to some examples.

(実施例1)
<プロトン生成部の作製>
可視光応答性光触媒材料としてTa、電荷分離材料としてプラズモン吸収を示す微粒子である金のナノロッド(長軸:65±16nm、短軸:20±6nm)、第1電気伝導材料としてカーボンファイバーとカーボンブラックを用意した。
耐熱性のセラミック基板に、第1電気伝導材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第1電気伝導材料から成る第1層を得、この上に電荷分離材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して電荷分離材料から成る第2層を得、この上に可視光応答性光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して可視光応答性光触媒から成る第3層を得、基板からこれらを剥離して3層構造のプロトン生成部を得た。
Example 1
<Production of proton generator>
Ta 3 N 5 as a visible light responsive photocatalytic material, gold nanorods (major axis: 65 ± 16 nm, minor axis: 20 ± 6 nm) as fine particles exhibiting plasmon absorption as a charge separation material, and carbon fiber as a first electric conductive material And carbon black.
A slurry containing a first electrically conductive material is applied to a heat-resistant ceramic substrate and dried to obtain a first layer made of the first electrically conductive material. A slurry containing a charge separation material is applied thereon and dried. To obtain a second layer made of a charge separation material, and apply a slurry containing a visible light responsive photocatalyst material thereon, and then dry to obtain a third layer made of a visible light responsive photocatalyst, and peel them off from the substrate. Thus, a proton generation part having a three-layer structure was obtained.

<水素生成部の作製>
金属材料としてPt微粒子、第2電気伝導材料としてカーボンファイバーとカーボンブラックを用意した。
耐熱性のセラミック基板に、第2電気伝導材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第2電気伝導材料から成る第1層を得、この上に金属材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して金属材料から成る第2層を得、基板からこれらを剥離して2層構造の水素生成部を得た。
<Preparation of hydrogen generator>
Pt fine particles were prepared as the metal material, and carbon fiber and carbon black were prepared as the second electrically conductive material.
A slurry containing a second electrically conductive material is applied to a heat-resistant ceramic substrate and dried to obtain a first layer made of the second electrically conductive material. A slurry containing a metal material is applied thereon and dried. A second layer made of a metal material was obtained, and these were peeled off from the substrate to obtain a two-layer structure hydrogen generator.

<電子蓄積部の作製>
電子蓄積材料としてWO、絶縁性ポリマーとしてポリカーボネートを用意した。電子蓄積材料を絶縁性ポリマーを用いて覆い、電子蓄積部を得た。
<Production of electron storage unit>
WO 3 was prepared as an electron storage material, and polycarbonate was prepared as an insulating polymer. The electron storage material was covered with an insulating polymer to obtain an electron storage portion.

<プロトン蓄積部の作製>
プロトン蓄積材料としてナフィオン(登録商標、デュポン社製)、プロトン流出防止材料としてポリカーボネートからなるプラスチック膜を用意した。プロトン蓄積材料をプラスチック膜を用いて覆い、プロトン蓄積部を得た。
<Production of proton accumulation part>
A plastic membrane made of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) as a proton storage material and polycarbonate as a proton outflow prevention material was prepared. The proton storage material was covered with a plastic membrane to obtain a proton storage part.

<水素発生装置の構築>
上記プロトン生成部、上記水素生成部、上記電子蓄積部、上記プロトン蓄積部、プロトン伝導部としてナフィオン膜、配線として銅線、光検出器としてフォトダイオード、スイッチ、電流検出器、光透過性筐体として無色透明のガラス容器を用意した。
プロトン伝導部20をプロトン生成部10及び水素生成部30とで狭持し、これらを型に入れ、プレスし、圧着接合した。更にプロトン伝導部20とプロトン蓄積部40とを接合し、プロトン生成部10の第1層12と電流検出器(図示せず。)とを配線(図示せず。)で接続し、該電流検出器と電子蓄積部(図示せず。)とを配線(図示せず。)で接続し、該電子蓄積部とスイッチ(図示せず。)を配線で接続し、更に該スイッチと水素生成部30の第1層32を配線で接続し、図13に示すように光透過性筐体内90に収納して、本例の水素発生装置を構築した。
図13は、実施例1の水素発生装置の概略的な構成図である。なお、電流検出器と電子蓄積部とスイッチは図示しないが、光透過性筐体90に収納されている。また、光検出器も図示しないがプロトン生成部10における可視光照射量を測定できるように配置されている。
<Construction of hydrogen generator>
The proton generation unit, the hydrogen generation unit, the electron storage unit, the proton storage unit, the proton conduction unit, a Nafion film, the wiring as a copper wire, the photodetector as a photodiode, a switch, a current detector, a light-transmitting casing A colorless and transparent glass container was prepared.
The proton conducting unit 20 was held between the proton generating unit 10 and the hydrogen generating unit 30, and these were put in a mold, pressed, and pressure bonded. Further, the proton conducting unit 20 and the proton accumulating unit 40 are joined, the first layer 12 of the proton generating unit 10 and a current detector (not shown) are connected by wiring (not shown), and the current detection is performed. The storage unit and the electron storage unit (not shown) are connected by wiring (not shown), the electron storage unit and the switch (not shown) are connected by wiring, and the switch and the hydrogen generation unit 30 are further connected. The first layer 32 was connected by wiring and housed in a light-transmitting casing 90 as shown in FIG. 13 to construct the hydrogen generator of this example.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of the hydrogen generator according to the first embodiment. Although not shown, the current detector, the electron storage unit, and the switch are housed in the light transmissive casing 90. Although not shown, the photodetector is also arranged so that the visible light irradiation amount in the proton generator 10 can be measured.

(実施例2)
<プロトン生成部の作製>
耐熱性のセラミック基板に、第1電気伝導材料、電荷分離材料及び可視光応答性光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第1電気伝導材料、電荷分離材料及び可視光応答性光触媒材料から成る均一分布の単層を得、基板からこれを剥離して単層構造のプロトン生成部を得た。
(Example 2)
<Production of proton generator>
A slurry containing a first electrically conductive material, a charge separation material and a visible light responsive photocatalyst material is applied to a heat resistant ceramic substrate, and dried to dry the first electrically conductive material, the charge separation material and the visible light responsive photocatalyst material. A monolayer having a uniform distribution was obtained, and this was peeled from the substrate to obtain a proton generation part having a single layer structure.

<水素生成部の作製>
耐熱性のセラミック基板に、第2電気伝導材料及び金属材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第2電気伝導材料及び金属材料から成る均一分布の単層を得、基板からこれを剥離して単層構造の水素生成部を得た。
<Preparation of hydrogen generator>
A slurry containing a second electrically conductive material and a metal material is applied to a heat resistant ceramic substrate, and dried to obtain a single layer of uniform distribution composed of the second electrically conductive material and the metal material. A hydrogen generation part having a single layer structure was obtained.

<水素発生装置の構築>
3層構造のプロトン生成部に替えて単層構造のプロトン生成部を用い、2層構造の水素生成部に替えて単層構造の水素生成部を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の水素発生装置を構築した。
<Construction of hydrogen generator>
The same configuration as in Example 1 except that a single-layer proton generator is used instead of the three-layer proton generator, and a single-layer hydrogen generator is used instead of the two-layer hydrogen generator. The hydrogen generator of this example was constructed.

(実施例3)
<プロトン生成部の作製>
電荷分離材料として用意したプラズモン吸収を示す微粒子である金のナノロッド(長軸:65±16nm、短軸:20±6nm)にフラーレン(C60)を付加し、フラーレン含有電荷分離材料を作成した。
フラーレン含有電荷分離材料を用いた以外は、実施例1のプロトン生成部の作製と同様の操作を繰り返して、プロトン生成部を得た。
(Example 3)
<Production of proton generator>
Fullerene (C 60 ) was added to gold nanorods (major axis: 65 ± 16 nm, minor axis: 20 ± 6 nm), which are fine particles exhibiting plasmon absorption prepared as a charge separation material, to produce a fullerene-containing charge separation material.
Except for using the fullerene-containing charge separation material, the same operation as in the production of the proton generator of Example 1 was repeated to obtain a proton generator.

<水素発生装置の構築>
上記フラーレン含有電荷分離材料を用いて作製した3層構造のプロトン生成部を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の水素発生装置を構築した。
<Construction of hydrogen generator>
A hydrogen generator of this example was constructed by adopting the same configuration as in Example 1 except that a proton generator having a three-layer structure manufactured using the fullerene-containing charge separation material was used.

(実施例4)
<プロトン蓄積部の作製>
プロトン蓄積材料としてプロトン伝導性ガラスを用いた以外は、実施例1におけるプロトン蓄積部の作製と同様の操作を繰り返して、プロトン蓄積部を得た。
Example 4
<Production of proton accumulation part>
Except for using proton conductive glass as the proton storage material, the same operation as in the production of the proton storage section in Example 1 was repeated to obtain a proton storage section.

<水素発生装置の構築>
上記プロトン伝導性ガラスを用いて作製したプロトン蓄積部を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の水素発生装置を構築した。
<Construction of hydrogen generator>
A hydrogen generator of this example was constructed by adopting the same configuration as that of Example 1 except that the proton accumulating part produced using the proton conductive glass was used.

(実施例5)
<プロトン生成部の作製>
電荷分離材料として亜鉛ポルフィリンを用いた以外は、実施例1のプロトン生成部の作製と同様の操作を繰り返して、プロトン生成部を得た。
(Example 5)
<Production of proton generator>
Except for using zinc porphyrin as the charge separation material, the same operation as in the production of the proton generator in Example 1 was repeated to obtain a proton generator.

<水素発生装置の構築>
上記亜鉛ポルフィリンを用いて作製したプロトン生成部を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の水素発生装置を構築した。
<Construction of hydrogen generator>
A hydrogen generator of this example was constructed by adopting the same configuration as in Example 1 except that the proton generator produced using the zinc porphyrin was used.

(実施例6)
<電子蓄積部の作製>
電子蓄積材料として鉄(Fe)を用いた以外は、実施例1における電子蓄積部の作製と同様の操作を繰り返して、電子蓄積部を得た。
(Example 6)
<Production of electron storage unit>
Except for using iron (Fe) as the electron storage material, the same operation as in the production of the electron storage unit in Example 1 was repeated to obtain an electron storage unit.

<水素生成装置の構築>
上記Feを用いて作製した電子蓄積部を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の水素発生装置を構築した。
<Construction of hydrogen generator>
A hydrogen generator of this example was constructed by adopting the same configuration as in Example 1 except that the electron accumulating part produced using Fe was used.

[性能評価1]
上記各例の水素発生装置(図1参照。)を用いて、筐体内に形成された流路に水を流通し、光源として太陽光を利用して、性能評価を実施した。
(評価条件)
・光源 :太陽光源
・水素源 :水
・蓄積時間 :1時間
[Performance evaluation 1]
Using the hydrogen generators of the above examples (see FIG. 1), water was circulated through a flow path formed in the housing, and sunlight was used as a light source for performance evaluation.
(Evaluation conditions)
・ Light source: Solar light source ・ Hydrogen source: Water ・ Accumulation time: 1 hour

上記性能評価の結果、実施例1の水素発生装置においては、太陽光を照射しないときでも水素を発生することができた。
また、実施例2においては、実施例1と比較して、単位時間当たりの水素発生量が少なかった。
更に、実施例3においては、実施例1と比較して、単位時間当たりの水素発生量が多かった。
また、実施例4においては、実施例1と比較して、単位時間当たりの水素発生量が同等であった。
更に、実施例5及び6においても、実施例1と比較して、単位時間当たりの水素発生量が同等であった。
As a result of the performance evaluation, the hydrogen generator of Example 1 was able to generate hydrogen even when it was not irradiated with sunlight.
In Example 2, the amount of hydrogen generated per unit time was smaller than that in Example 1.
Furthermore, in Example 3, the amount of hydrogen generated per unit time was larger than that in Example 1.
Further, in Example 4, the amount of hydrogen generated per unit time was equivalent to that in Example 1.
Furthermore, in Examples 5 and 6, the amount of hydrogen generated per unit time was equivalent to that in Example 1.

(実施例7)
図14は、自動車用水素発生システムの一例を示す概略図である。
同図に示すように、実施例1において構築した水素発生装置を用いて、自動車用の水素発生システムを構築した。
(Example 7)
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of an automobile hydrogen generation system.
As shown in the figure, an automobile hydrogen generation system was constructed using the hydrogen generation apparatus constructed in Example 1.

具体的には、自動車用水素発生システム200は、自動車のルーフ210に水素発生装置1を装着した。
水素を構成元素として有する化合物を含む水素源を供給する水素源供給手段としては、ルーフ210に取り付けた水素源タンク220に入った水を水素発生装置1へ流入させるためのコック(図示せず。)と、水素源タンク220と水素発生装置1との間をつなぐ管(図示せず。)を設けた。また、管の途中にポンプ(図示せず。)を設けた。
水素発生装置1のスイッチ等を制御する制御手段として、16ビットマイクロコンピュータ等を使用して、自動車の車体内部に内蔵した。
また、自動車用水素発生システム200では、得られた水素を水素タンク(図示せず。)に戻すようにした。
Specifically, in the automobile hydrogen generation system 200, the hydrogen generator 1 is mounted on the roof 210 of the automobile.
As a hydrogen source supply means for supplying a hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element, a cock (not shown) for flowing water that has entered the hydrogen source tank 220 attached to the roof 210 into the hydrogen generator 1. ) And a pipe (not shown) connecting the hydrogen source tank 220 and the hydrogen generator 1. A pump (not shown) was provided in the middle of the pipe.
A 16-bit microcomputer or the like was used as a control means for controlling the switch and the like of the hydrogen generator 1 and was built inside the vehicle body.
In the automobile hydrogen generation system 200, the obtained hydrogen is returned to the hydrogen tank (not shown).

以上、本発明を若干の好適実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、車両の外板に塗装した塗膜やウィンドガラスなどに内蔵することができる。
Although the present invention has been described in detail with some preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention.
For example, it can be incorporated in a paint film or window glass painted on the outer plate of the vehicle.

本発明の水素発生装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the hydrogen generator of this invention. 電子蓄積部の一例の概略的な断面形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic cross-sectional shape of an example of an electronic storage part. 本発明の水素発生装置における電子状態及び電子(e)の流れを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the electronic state and the flow of an electron (e < - >) in the hydrogen generator of this invention. 可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料の吸収スペクトルの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the absorption spectrum of a visible light responsive photocatalyst material and a charge separation material. 可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを含むプロトン生成部における電子状態及び電子流れの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the electronic state and electron flow in the proton production | generation part containing a visible light responsive photocatalyst material and a charge separation material. プロトン生成部の構造の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the structure of a proton production | generation part. プロトン生成部の構造の他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other example of the structure of a proton production | generation part. プロトン生成部の構造の更に他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the further another example of the structure of a proton production | generation part. 水素生成部の構造の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the structure of a hydrogen production | generation part. 水素生成部の構造の他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other example of the structure of a hydrogen production | generation part. 本発明の水素発生システムの一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the hydrogen generation system of this invention. 本発明の水素発生装置の制御フローの一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the control flow of the hydrogen generator of this invention. 実施例1の水素発生装置の概略的な構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a hydrogen generator of Example 1. FIG. 自動車用水素発生システムの一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the hydrogen generation system for motor vehicles.

符号の説明Explanation of symbols

1 水素発生装置
10 プロトン生成部
11 単層
12 第1層
13 第2層
13a 金のナノロッド
14 第3層
14a Ta
20 プロトン伝導部
30 水素生成部
31 単層
32 第1層
33 第2層
40 電子蓄積部
42 電子蓄積材料
44 絶縁性材料
50 プロトン蓄積部
52 プロトン蓄積材料
54 プロトン流出防止材料
60 スイッチ
70 電流検出器
80 光検出器
90 光透過性筐体
100 水素発生システム
110 水素源供給手段
120 制御手段
200 自動車用水素発生システム
210 ルーフ
220 水素源タンク
1 nanorods hydrogen generator 10 protons generating unit 11 monolayers 12 first layer 13 gold second layer 13a 14 third layer 14a Ta 3 N 5
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 Proton conduction part 30 Hydrogen production | generation part 31 Single layer 32 1st layer 33 2nd layer 40 Electron storage part 42 Electron storage material 44 Insulating material 50 Proton storage part 52 Proton storage material 54 Proton outflow prevention material 60 Switch 70 Current detector 80 Photodetector 90 Light transmissive casing 100 Hydrogen generation system 110 Hydrogen source supply means 120 Control means 200 Automotive hydrogen generation system 210 Roof 220 Hydrogen source tank

Claims (26)

光源から照射される可視光を利用して、水素を構成元素として有する化合物を含む水素源から水素を発生させる装置であって、
プロトン生成部と、プロトン伝導部と、水素生成部と、電子蓄積部と、プロトン蓄積部と、スイッチとを備え、
上記プロトン伝導部は、上記プロトン生成部及び上記水素生成部で狭持され、
上記プロトン伝導部は、上記プロトン蓄積部と接合され、
上記プロトン生成部と上記水素生成部とは、該プロトン生成部側から、上記電子蓄積部と、該プロトン生成部及び該水素生成部を電気的に接続し得る該スイッチと、をこの順に介して接続され、
上記プロトン生成部は、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを含有し、
上記水素生成部は、第2電気伝導材料と金属材料とを含有する、ことを特徴とする水素発生装置。
An apparatus for generating hydrogen from a hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element using visible light emitted from a light source,
A proton generation unit, a proton conduction unit, a hydrogen generation unit, an electron storage unit, a proton storage unit, and a switch;
The proton conducting part is sandwiched between the proton generating part and the hydrogen generating part,
The proton conducting part is joined to the proton accumulating part,
The proton generation unit and the hydrogen generation unit are connected in this order from the proton generation unit side to the electron storage unit and the switch that can electrically connect the proton generation unit and the hydrogen generation unit. Connected,
The proton generator includes a first electrically conductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material,
The hydrogen generator includes the second electrically conductive material and a metal material.
上記プロトン生成部と上記電子蓄積部との間に、電流検出器を備えることを特徴とする請求項1に記載の水素発生装置。   The hydrogen generator according to claim 1, further comprising a current detector between the proton generator and the electron storage unit. 光検出器を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の水素発生装置。   The hydrogen generator according to claim 1, further comprising a photodetector. 上記電子蓄積部が、ポリマー、金属及び金属酸化物から成る群より選ばれた少なくとも1種の電子蓄積材料と、絶縁性材料とから成り、
上記電子蓄積材料が、上記絶縁性材料に覆われた構造を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。
The electron accumulating portion comprises at least one electron accumulating material selected from the group consisting of polymers, metals and metal oxides, and an insulating material;
The hydrogen generating apparatus according to claim 1, wherein the electron storage material has a structure covered with the insulating material.
上記金属酸化物が、三酸化タングステンであることを特徴とする請求項4に記載の水素発生装置。   The hydrogen generator according to claim 4, wherein the metal oxide is tungsten trioxide. 上記プロトン蓄積部が、固体高分子、ガラス及び金属酸化物から成る群より選ばれた少なくとも1種のプロトン蓄積材料と、プロトン流出防止材料とから成り、
上記プロトン蓄積材料が、上記プロトン流出防止材料に覆われた構造を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。
The proton accumulating portion comprises at least one proton accumulating material selected from the group consisting of a solid polymer, glass and a metal oxide, and a proton outflow prevention material;
The hydrogen generation apparatus according to claim 1, wherein the proton storage material has a structure covered with the proton outflow prevention material.
上記固体高分子が、プロトン伝導膜であることを特徴とする請求項6に記載の水素発生装置。   The hydrogen generator according to claim 6, wherein the solid polymer is a proton conducting membrane. 上記ガラスが、プロトン伝導ガラスであることを特徴とする請求項6又は7に記載の水素発生装置。   The hydrogen generator according to claim 6 or 7, wherein the glass is proton conductive glass. 上記金属酸化物が、三酸化タングステンであることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   The hydrogen generator according to any one of claims 6 to 8, wherein the metal oxide is tungsten trioxide. 上記可視光応答性光触媒材料が、可視光の照射によって、水素を構成元素として有する化合物を含む水素源からプロトンを生成する機能を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   The said visible light responsive photocatalyst material has a function which produces | generates a proton from the hydrogen source containing the compound which has hydrogen as a structural element by irradiation of visible light, The claim | item 1 characterized by the above-mentioned. The hydrogen generator described in 1. 上記電荷分離材料が、上記可視光応答性光触媒材料又は上記可視光応答性光触媒材料及び当該電荷分離材料自体で発生する電子とホールの分離・移動を行なう機能を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   2. The charge separation material has a function of separating and moving electrons and holes generated in the visible light responsive photocatalyst material or the visible light responsive photocatalyst material and the charge separation material itself. 10. The hydrogen generator according to any one of items 10 to 10. 上記電荷分離材料が、プラズモン吸収を示す微粒子及び/又は色素を含有することを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   The hydrogen generation apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the charge separation material contains fine particles and / or a pigment exhibiting plasmon absorption. 上記プラスモン吸収を示す微粒子が、金及び/又は銀であり、ナノサイズのロッド状及び/又は球状であることを特徴とする請求項12に記載の水素発生装置。   13. The hydrogen generator according to claim 12, wherein the fine particles exhibiting plasmon absorption are gold and / or silver, and are nano-sized rod-shaped and / or spherical. 上記プラズモン吸収を示す色素が、ポルフィリン化合物、その金属錯体、フタロシアニン化合物及びその金属錯体から成る群より選ばれた少なくとも1種のものであることを特徴とする請求項12に記載の水素発生装置。   13. The hydrogen generator according to claim 12, wherein the dye exhibiting plasmon absorption is at least one selected from the group consisting of a porphyrin compound, a metal complex thereof, a phthalocyanine compound, and a metal complex thereof. 上記電荷分離材料が、フラーレンを含有することを特徴とする請求項1〜14のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   The hydrogen generator according to claim 1, wherein the charge separation material contains fullerene. 上記第1電気伝導材料及び/又は上記第2電気伝導材料が、導電性カーボン粒子、導電性カーボン多孔体及び導電性カーボンクロスから成る群より選ばれた少なくとも1種のものであることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   The first electric conductive material and / or the second electric conductive material is at least one selected from the group consisting of conductive carbon particles, a conductive carbon porous body, and a conductive carbon cloth. The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 15. 上記プロトン伝導部が、高分子及び/又は酸化物を含むプロトン伝導膜であることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   The hydrogen generator according to claim 1, wherein the proton conducting part is a proton conducting membrane containing a polymer and / or an oxide. 上記金属材料が、白金であることを特徴とする請求項1〜17のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   The hydrogen generation apparatus according to claim 1, wherein the metal material is platinum. 上記光源が、太陽光源、発光ダイオード、半導体レーザ及びこれらと同等の可視光を照射できるランプ、から成る群より選ばれた少なくとも1種のものであることを特徴とする請求項1〜18のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   19. The light source according to claim 1, wherein the light source is at least one selected from the group consisting of a solar light source, a light-emitting diode, a semiconductor laser, and a lamp capable of emitting visible light equivalent thereto. The hydrogen generator according to any one item. 上記水素を構成元素として有する化合物を含む水素源が、水又は犠牲試薬含有水溶液であることを特徴とする請求項1〜19のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   The hydrogen generation apparatus according to any one of claims 1 to 19, wherein the hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element is water or an aqueous solution containing a sacrificial reagent. 当該水素発生装置が光透過性の筐体内に配設されていることを特徴とする請求項1〜20のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。   21. The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 20, wherein the hydrogen generator is disposed in a light-transmitting casing. 請求項1〜21のいずれか1つの項に記載の水素発生装置を用いた水素発生方法であって、
水素を構成元素として有する化合物を含む水素源と可視光応答性光触媒材料とを接触させ、光源からの可視光を該可視光応答性光触媒材料に照射し、該水素源からプロトンと電子を生成し、得られたプロトンの流れ及び電子の流れを制御して、水素の発生量を制御することを特徴とする水素発生方法。
A hydrogen generation method using the hydrogen generator according to any one of claims 1 to 21,
A hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element is brought into contact with a visible light responsive photocatalytic material, and the visible light responsive photocatalytic material is irradiated with visible light from a light source to generate protons and electrons from the hydrogen source. A hydrogen generation method characterized by controlling the amount of generated hydrogen by controlling the flow of protons and the flow of electrons obtained.
請求項1〜21のいずれか1つの項に記載の水素発生装置を用いた水素発生システムであって、
上記水素発生装置と、該水素発生装置に水素を構成元素として有する化合物を含む水素源を供給する水素源供給手段と、該水素発生装置のスイッチを制御する制御手段と、を備え、
上記制御手段が断続的に上記スイッチを制御することを特徴とする水素発生システム。
A hydrogen generation system using the hydrogen generator according to any one of claims 1 to 21,
A hydrogen source supply means for supplying a hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element to the hydrogen generator, and a control means for controlling a switch of the hydrogen generator,
The hydrogen generation system, wherein the control means intermittently controls the switch.
上記制御装置が断続的に上記スイッチを制御するに際し、該水素発生装置の光検出器からのデータと該水素発生装置の電流検出器からの積算算出データとに基づいて該スイッチの制御を行なうことを特徴とする請求項23に記載の水素発生システム。   When the control device intermittently controls the switch, the switch is controlled based on data from the photodetector of the hydrogen generator and integrated calculation data from the current detector of the hydrogen generator. The hydrogen generation system according to claim 23. 水素タンクを備えることを特徴とする請求項23又は24に記載の水素発生システム。   The hydrogen generation system according to claim 23, further comprising a hydrogen tank. 可視光光源を備え、該光源が発光ダイオード、半導体レーザ及びこれらと同等の可視光を照射できるランプ、から成る群より選ばれた少なくとも1種のものであることを特徴とする請求項23〜25のいずれか1つの項に記載の水素発生システム。   A visible light source is provided, and the light source is at least one selected from the group consisting of a light emitting diode, a semiconductor laser, and a lamp capable of emitting visible light equivalent thereto. The hydrogen generation system according to any one of the items.
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