JP2022543662A - 放射支援電解装置セルおよびパネル - Google Patents
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Abstract
Description
(i)少なくとも光アノード、カソード、およびアノード、または、(ii)少なくとも光カソード、アノード、およびカソードと、容器とを備え、容器は、事例(i)において、該カソードによって、または、事例(ii)において、アノードによって少なくとも2つの別個のチャンバに分割され、さらに、該チャンバは、少なくとも1つの電解質と、少なくとも1つのガス分離器と、少なくとも1つの光カソード、光アノード、アノード、またはカソードとをさらに含み、該容器の少なくとも一部は、電気的に光活性であるように該光アノードまたは光カソードによって要求される電磁照射に対して透過性であり、それによって、該光アノードが照射され、該カソードに電気的に接続されている間、電位が該カソードと該アノードとの間に印加されるとき、または、該光カソードが該アノードに電気的に接続されている間、電位が該アノードと該カソードとの間に印加されるとき、該電解質は、該照射された光アノードまたは光カソードなしに取得されるものより高い電解率において少なくとも2つのガス状生成物に電解される。
M+H2O+e-←→M+OH- (1)
負極(またはカソード)反応は、可逆的である。
Ni(OH)2+OH-←→NiOOH+H2O+e- (2)
したがって、アルカリ性電解装置における水酸化ニッケル正極に関する水素生成プロセスは、以下の式によって統御される。
Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e- (3)
2OH-→H2O+1/2O2+2e- (4)
電解中、この場合、水素を生成する目的のために電解装置に印加される電流の一部は、代わりに、酸素発生反応(4)によって消費される。式(4)の酸素発生は、それが、より低い水素生成率に寄与するので、望ましくない。
hν+SC→(e-+p+) (5)
電子および正電荷が、外部印加電位からではなく、光と半導体光アノードとの相互作用から生じることを除いて、酸素発生に関する統御反応(6)は、従来のアノードに関する上記の(4)と同じであることが分かり得る。
2p++2OH-→H2O+1/2O2 (6)
a)液体電解質を保持することが可能な容器と、
b)光電極、第1の電極、および第2の電極であって、(i)光電極は、光アノードであり、第1の電極は、カソードであり、第2の電極は、アノードであるか、または(ii)光電極は、光カソードであり、第1の電極は、アノードであり、第2の電極は、カソードであるかのいずれかであり、第1の電極は、容器を別個の第1および第2のチャンバに分割し、それらの各々は、液体電解質を保持することが可能であり、光電極は、第1のチャンバ内に配置され、第2の電極は、第2のチャンバ内に配置された光電極、第1の電極、および第2の電極と
を備え、
c)該容器は、それに衝突する放射の少なくとも一部が光電極に到達することを可能にし、
d)容器は、第1の電極において発生させられたガスを除去するために配置された第1の開口と、第2の電極および/または光電極において発生させられたガスを除去するために配置された少なくとも1つの第2の開口とを有し、
e)光電極は、第1の電極に電気的に接続され、電圧源が、第1の電極と第2の電極との間に電圧差を提供するように配置される。
本発明の電解装置セルを提供することと、
セルの第1および第2のチャンバ内に電解質を設置することと、
光電極を放射にさらしながら、第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加することと、
を含む。
1つの電極は、
容器と、
該容器内に配置された第2の電解質と、
該1つの電極と反対の極性であり、該第2の電解質と接触して該容器内に配置された光電極であって、該光電極は、該電気化学セルに衝突する放射を受け取るように配置されている、光電極と、
該第1の電解質と接触し、該光電極に電気的に接続される、該容器の外面上の導電性部材と
を備えている。
本発明はさらに、例えば、以下を提供する。
(項目1)
電解装置セルであって、前記電解装置セルは、
a.液体電解質を保持することが可能な容器と、
b.光電極、第1の電極、および第2の電極と
を備え、
(i)前記光電極は、光アノードであり、前記第1の電極は、カソードであり、前記第2の電極は、アノードであるか、または、
(ii)前記光電極は、光カソードであり、前記第1の電極は、アノードであり、前記第2の電極は、カソードであり、
前記第1の電極は、前記容器を別個の第1および第2のチャンバに分割しており、前記第1および第2のチャンバの各々は、液体電解質を保持することが可能であり、前記光電極は、前記第1のチャンバ内に配置され、前記第2の電極は、前記第2のチャンバ内に配置されており、
c.前記容器は、それに衝突する放射の少なくとも一部が前記光電極に到達することを可能にし、
d.前記容器は、前記第1の電極において発生させられたガスを除去するために配置された第1の開口と、前記第2の電極および/または前記光電極において発生させられたガスを除去するために配置された少なくとも1つの第2の開口とを有し、
e.前記光電極は、前記第1の電極に電気的に接続され、電圧源が、前記第1の電極と第2の電極との間に電圧差を提供するように配置されている、
電解装置セル。
(項目2)
前記光電極と前記第1の電極との間で前記第1のチャンバ内に配置された第1のガス分離器と、前記第1の電極と前記第2の電極との間で前記第2のチャンバ内に配置された第2のガス分離器とをさらに備え、前記第1および第2のガス分離器は、それらをガス気泡が通過することを防止するが、それらを電流が通過することを可能にする、項目1に記載の電解装置セル。
(項目3)
前記光電極は、ルーバまたは開口を提供されている、項目1に記載の電解装置セル。
(項目4)
前記光電極は、放射を少なくとも近赤外線に吸収し、それによって、前記容器内の電解質を加熱する能力を有する、項目1に記載の電解装置セル。
(項目5)
放射を前記光電極上に方向付けるように配置されたフレネルレンズまたは円筒形リフレクタの形態における光放射集光器をさらに備えている、項目1に記載の電解装置セル。
(項目6)
前記光電極および第2の電極の各々は、チタン、ニッケル、炭素、または黒鉛のうちの1つ以上を備えているそれら自体の伝導性電極基部を有する、項目1に記載の電解装置セル。
(項目7)
前記第1および第2の電極のうちの1つは、ニッケル上またはステンレス鋼上の水酸化ニッケル、チタン上の混合金属酸化物(MMO)、チタン上のめっきニッケルまたは水酸化ニッケルフィルム、チタン上またはステンレス鋼上のニッケルまたは水酸化ニッケル粒子を備えている、項目1に記載の電解装置セル。
(項目8)
前記ガス分離器は、ポリオレフィンの不織フェルトを備えている、項目2に記載の電解装置セル。
(項目9)
前記ガス分離器の表面は、ガス気泡がそれに付着することを防止するように、またはそれを低減させるように処理されている、項目2に記載の電解装置セル。
(項目10)
前記光電極は、(1)チタニアによって通常吸収されるそれの範囲を超えた光を吸収するように染色されたチタニア、(2)窒素、炭素、シリコン、または他の元素を用いてドープされたチタニア、(3)チタン酸ストロンチウム、(4)タングステンまたはタングステン酸化物、硫化カドミウム、鉄または鉄の酸化物、またはシリコンを伴うチタニアおよびチタンの化合物および合金、(5)保護ニッケル表面粒子を播種されたシリコン、(6)上でリストアップされるようなドーパント、染料、または化合物をさらに備えている二酸化チタンのナノチューブ、(7)半導体材料をさらに備えているカーボンナノチューブ、(8)グラフェンのみ、または上でリストアップされる光アノード材料と組み合わせられたグラフェン、(9)強化された光吸収のために量子ドットまたはフォトニックバンドギャップ結晶のいずれかを組み込む光アノード、および、(10)半導体のバンドギャップがより多くの太陽光スペクトルを有利に吸収するように改変されるように、バンドエッジが水素および/または酸素発生電位とより有利に整列させられるようにも、ナノ構造が二酸化チタン(チタニアまたはTiO 2 )等の半導体を歪ませる光アノード、および、(11)歪ませられたチタニア光アノードと組み合わせた上記光アノード材料のうちのいずれかまたは全てのうちの少なくとも1つを備えている、項目1に記載の電解装置セル。
(項目11)
前記第1および第2の電極のうちの1つは、混合金属酸化物を用いて、または、ニッケルまたは水酸化ニッケルのフィルムまたは粒子を用いてコーティングされたチタン金属基部を備えている、項目1に記載の電解装置セル。
(項目12)
前記第1および第2の電極のうちの1つは、シートまたは発泡体形態におけるステンレス鋼、リボンまたは発泡体形態におけるニッケル、黒鉛、またはチタンのうちの1つ以上を備えている、項目1に記載の電解装置セル。
(項目13)
前記第1および第2のチャンバは、化学組成において異なる2つの電解質を含む、項目1に記載の電解装置セル。
(項目14)
前記光電極は、ダイオードとして機能する、項目1に記載の電解装置セル。
(項目15)
パネルを形成するように物理的に接続され、電気的に直列または並列で接続された項目1に記載の複数の電解装置セルを備えている電解装置パネル。
(項目16)
電解をもたらす方法であって、前記方法は、
項目1に記載の電解装置セルを提供することと、
前記セルの前記第1および第2のチャンバ内に電解質を設置することと、
前記光電極を放射にさらしながら、前記第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加することと
を含む、方法。
(項目17)
電気化学セルであって、前記電気化学セルは、アノード電極と、カソード電極と、前記アノードおよびカソード電極と接触している第1の電解質と、電圧制御手段とを備え、前記電圧制御手段は、前記アノード電極とカソード電極との間に電位差を印加し、および/または、電気化学セルによって発生させられた電圧を受け取り、それによって、前記電極において電気化学反応をもたらし、
1つの電極は、
容器と、
前記容器内に配置された第2の電解質と、
前記1つの電極と反対の極性の光電極であって、前記光電極は、前記第2の電解質と接触して前記容器内に配置され、前記光電極は、前記電気化学セルに衝突する放射を受け取るように配置されている、光電極と、
前記容器の外面上の導電性部材と
を備え、
前記導電性部材は、前記第1の電解質と接触し、前記光電極に電気的に接続されている、
電気化学セル。
(項目18)
電気化学セルであって、前記電気化学セルは、アノード電極と、カソード電極と、前記アノードおよびカソード電極と接触する電解質と、電圧制御手段とを備え、前記電圧制御手段は、前記アノード電極とカソード電極との間に電位差を印加し、および/または、電気化学セルによって発生させられた電圧を受け取り、それによって、前記電極において電気化学反応をもたらし、
少なくとも1つの電極は、光電極であり、前記光電極は、前記電気化学セルの外部に衝突する放射を受け取り、赤外線放射を吸収し、前記電解質を加熱するために配置され、それによって、電解効率を改良する、電気化学セル。
Claims (18)
- 電解装置セルであって、前記電解装置セルは、
a.液体電解質を保持することが可能な容器と、
b.光電極、第1の電極、および第2の電極と
を備え、
(i)前記光電極は、光アノードであり、前記第1の電極は、カソードであり、前記第2の電極は、アノードであるか、または、
(ii)前記光電極は、光カソードであり、前記第1の電極は、アノードであり、前記第2の電極は、カソードであり、
前記第1の電極は、前記容器を別個の第1および第2のチャンバに分割しており、前記第1および第2のチャンバの各々は、液体電解質を保持することが可能であり、前記光電極は、前記第1のチャンバ内に配置され、前記第2の電極は、前記第2のチャンバ内に配置されており、
c.前記容器は、それに衝突する放射の少なくとも一部が前記光電極に到達することを可能にし、
d.前記容器は、前記第1の電極において発生させられたガスを除去するために配置された第1の開口と、前記第2の電極および/または前記光電極において発生させられたガスを除去するために配置された少なくとも1つの第2の開口とを有し、
e.前記光電極は、前記第1の電極に電気的に接続され、電圧源が、前記第1の電極と第2の電極との間に電圧差を提供するように配置されている、
電解装置セル。 - 前記光電極と前記第1の電極との間で前記第1のチャンバ内に配置された第1のガス分離器と、前記第1の電極と前記第2の電極との間で前記第2のチャンバ内に配置された第2のガス分離器とをさらに備え、前記第1および第2のガス分離器は、それらをガス気泡が通過することを防止するが、それらを電流が通過することを可能にする、請求項1に記載の電解装置セル。
- 前記光電極は、ルーバまたは開口を提供されている、請求項1に記載の電解装置セル。
- 前記光電極は、放射を少なくとも近赤外線に吸収し、それによって、前記容器内の電解質を加熱する能力を有する、請求項1に記載の電解装置セル。
- 放射を前記光電極上に方向付けるように配置されたフレネルレンズまたは円筒形リフレクタの形態における光放射集光器をさらに備えている、請求項1に記載の電解装置セル。
- 前記光電極および第2の電極の各々は、チタン、ニッケル、炭素、または黒鉛のうちの1つ以上を備えているそれら自体の伝導性電極基部を有する、請求項1に記載の電解装置セル。
- 前記第1および第2の電極のうちの1つは、ニッケル上またはステンレス鋼上の水酸化ニッケル、チタン上の混合金属酸化物(MMO)、チタン上のめっきニッケルまたは水酸化ニッケルフィルム、チタン上またはステンレス鋼上のニッケルまたは水酸化ニッケル粒子を備えている、請求項1に記載の電解装置セル。
- 前記ガス分離器は、ポリオレフィンの不織フェルトを備えている、請求項2に記載の電解装置セル。
- 前記ガス分離器の表面は、ガス気泡がそれに付着することを防止するように、またはそれを低減させるように処理されている、請求項2に記載の電解装置セル。
- 前記光電極は、(1)チタニアによって通常吸収されるそれの範囲を超えた光を吸収するように染色されたチタニア、(2)窒素、炭素、シリコン、または他の元素を用いてドープされたチタニア、(3)チタン酸ストロンチウム、(4)タングステンまたはタングステン酸化物、硫化カドミウム、鉄または鉄の酸化物、またはシリコンを伴うチタニアおよびチタンの化合物および合金、(5)保護ニッケル表面粒子を播種されたシリコン、(6)上でリストアップされるようなドーパント、染料、または化合物をさらに備えている二酸化チタンのナノチューブ、(7)半導体材料をさらに備えているカーボンナノチューブ、(8)グラフェンのみ、または上でリストアップされる光アノード材料と組み合わせられたグラフェン、(9)強化された光吸収のために量子ドットまたはフォトニックバンドギャップ結晶のいずれかを組み込む光アノード、および、(10)半導体のバンドギャップがより多くの太陽光スペクトルを有利に吸収するように改変されるように、バンドエッジが水素および/または酸素発生電位とより有利に整列させられるようにも、ナノ構造が二酸化チタン(チタニアまたはTiO2)等の半導体を歪ませる光アノード、および、(11)歪ませられたチタニア光アノードと組み合わせた上記光アノード材料のうちのいずれかまたは全てのうちの少なくとも1つを備えている、請求項1に記載の電解装置セル。
- 前記第1および第2の電極のうちの1つは、混合金属酸化物を用いて、または、ニッケルまたは水酸化ニッケルのフィルムまたは粒子を用いてコーティングされたチタン金属基部を備えている、請求項1に記載の電解装置セル。
- 前記第1および第2の電極のうちの1つは、シートまたは発泡体形態におけるステンレス鋼、リボンまたは発泡体形態におけるニッケル、黒鉛、またはチタンのうちの1つ以上を備えている、請求項1に記載の電解装置セル。
- 前記第1および第2のチャンバは、化学組成において異なる2つの電解質を含む、請求項1に記載の電解装置セル。
- 前記光電極は、ダイオードとして機能する、請求項1に記載の電解装置セル。
- パネルを形成するように物理的に接続され、電気的に直列または並列で接続された請求項1に記載の複数の電解装置セルを備えている電解装置パネル。
- 電解をもたらす方法であって、前記方法は、
請求項1に記載の電解装置セルを提供することと、
前記セルの前記第1および第2のチャンバ内に電解質を設置することと、
前記光電極を放射にさらしながら、前記第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加することと
を含む、方法。 - 電気化学セルであって、前記電気化学セルは、アノード電極と、カソード電極と、前記アノードおよびカソード電極と接触している第1の電解質と、電圧制御手段とを備え、前記電圧制御手段は、前記アノード電極とカソード電極との間に電位差を印加し、および/または、電気化学セルによって発生させられた電圧を受け取り、それによって、前記電極において電気化学反応をもたらし、
1つの電極は、
容器と、
前記容器内に配置された第2の電解質と、
前記1つの電極と反対の極性の光電極であって、前記光電極は、前記第2の電解質と接触して前記容器内に配置され、前記光電極は、前記電気化学セルに衝突する放射を受け取るように配置されている、光電極と、
前記容器の外面上の導電性部材と
を備え、
前記導電性部材は、前記第1の電解質と接触し、前記光電極に電気的に接続されている、
電気化学セル。 - 電気化学セルであって、前記電気化学セルは、アノード電極と、カソード電極と、前記アノードおよびカソード電極と接触する電解質と、電圧制御手段とを備え、前記電圧制御手段は、前記アノード電極とカソード電極との間に電位差を印加し、および/または、電気化学セルによって発生させられた電圧を受け取り、それによって、前記電極において電気化学反応をもたらし、
少なくとも1つの電極は、光電極であり、前記光電極は、前記電気化学セルの外部に衝突する放射を受け取り、赤外線放射を吸収し、前記電解質を加熱するために配置され、それによって、電解効率を改良する、電気化学セル。
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