JP2008075097A - 光水電解装置及び光水電解システム - Google Patents

Abstract

【課題】小さい設置面積でエネルギー効率が高い光水電解装置及び光水電解システムを提供する。
【解決手段】本発明は、外壁２７によって構成された複数のケーシング４９の内部に電解液Ｌを収容し、かつ、それぞれのケーシング４９の内部に隔壁を設けた光水電解セル１１を複数備えた光水電解装置であって、前記隔壁の下部は、イオン伝導膜の両面に光触媒電極及び対極を形成した光水電解電極膜接合体３３に構成されて前記電解液Ｌ中に浸漬されると共に、前記光触媒電極及び対極が互いに導通され、前記複数の光水電解セル１１内におけるそれぞれの光水電解電極膜接合体３３が電気的に直列に接続されている。
【選択図】図１１

Description

本発明は、光水電解装置及び光水電解システムに関する。

従来から、太陽エネルギーを有効利用するために、この太陽エネルギーを利用し易いエネルギー形態に変換及び貯蔵する技術の研究が行われている。太陽電池はその代表的な例であるが、コストが高いために普及が進まず、より安価なシステムの開発が望まれている。

一方、例えば二酸化チタン等の光触媒は、光エネルギーを吸収し電子と正孔を生成することによって、さまざまな化学反応を引き起こす。特に二酸化チタンの場合には、価電子帯の位置が深く、生成する正孔による酸化力は塩素やオゾンにも勝るとされている。

例えば、特開平１０−２１８６０１号公報においては、光触媒を用いた太陽光による水の分解方法が開示されている。このような装置は水中に光触媒粉末を分散させ、そこに光を当てる構成となっている。光を当てると、光触媒の価電子帯の電子が伝導帯へと励起され、価電子帯にはホールが形成される。このホールが水を酸化することで酸素が発生する一方、励起電子は水中のプロトンを還元し水素を発生させる。しかし、この例では、水素と酸素の取り出し口が一つであるため得られるガスは水素、酸素の混合ガスであり、エネルギーとして有効利用するには、これらを別途分離する必要があった。また、このようなシステムのエネルギー効率（得られた水素のエンタルピー／入射光エネルギー量）は非常に低いものである。この原因として、水素と酸素が同じ場所で発生することで逆反応が起きていることが理由に挙げられる。

このような効率低下の原因を排除するため、例えば、特開２００１−２１３６０８では、光触媒電極とその対極を白金薄膜を介して導通させ、また、水槽内がイオン交換膜または塩橋で仕切られた構造を提案している。

この装置においては、太陽光が水槽の透過窓を通じて入射し、光触媒中の電子を価電子帯から伝導帯へ励起する。この際に価電子帯の電子が抜けた部分にはホールが形成される。価電子帯に生じたホールは、水と光触媒界面に形成されるショットキーバリヤーによって生じた界面電位の傾きによって、触媒と水の界面に移動する。界面に達したホールは以下の反応を起こし、酸素を発生する。

２Ｈ_２Ｏ＋４ｈ^＋→４Ｈ^＋＋Ｏ_２・・・・・［１］
伝導帯に生じた電子は白金薄膜中を伝導し、対極へ運ばれる。また、光触媒部で発生したプロトンは、ナフィオンなどのイオン交換膜を介して対極側の水貯留部へ輸送される。この水貯留部と電子伝導体の界面には白金（Ｐｔ）などの水素発生触媒が塗布されているため、電子伝導帯を輸送されてきた電子とプロトンから以下の還元反応がおきる。

２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２・・・・・［２］
このようにして発生した水素と酸素は白金薄膜およびイオン交換膜によって仕切られた２つの水電解層でそれぞれ発生するため、水素と酸素を分離する必要がなく、逆反応によるエネルギー効率低下の怖れもない。
特開平１０−２１８６０１号公報 特開２００１−２１３６０８公報

しかしながら、前記特許文献２に開示された技術においては、太陽光が水槽の透過窓を通じて入射する構成となっている場合、光を水平方向から入るように光学系を設計する必要があるなど、大面積での設置には適しない構成となっていた。また、光水電解セルを高集積化して、セル内を流れる電流値を小さくすることがエネルギー効率向上の観点から望まれるが、未だその例はない。

そこで、本発明は、小さい設置面積でエネルギー効率が高い光水電解装置及び光水電解システムを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明に係る光水電解装置は、外壁によって構成された複数のケーシングの内部に純水又は電解液を収容し、かつ、それぞれのケーシングの内部に隔壁を設けた光水電解セルを複数備えた光水電解装置であって、前記隔壁の下部は、イオン伝導膜の両面に光触媒電極及び対極を形成した光水電解電極膜接合体に構成されて前記純水又は電解液中に浸漬されると共に、前記光触媒電極及び対極が互いに導通され、前記複数の光水電解セル内におけるそれぞれの光水電解電極膜接合体が電気的に直列に接続されていることを特徴とする。

本発明に係る光水電解装置によれば、複数の光水電解電極膜接合体を直列に接続することにより、設置面積を小さくすることができ、また、光水電解装置全体に流れる電流値が小さくなる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態による光水電解システム１は、大別すると、光水電解装置３、水素タンク５、貯水タンク７、純水供給装置（図示せず）、及び電解液濃度センサ９を備えている。

前記光水電解装置３は、太陽光から得られる光エネルギーを水素エネルギーに変換する機能を有し、複数の光水電解セル１１から構成されている。この光水電解装置３には、太陽光の日射量を測定する日射センサ１３が設けられている。

また、水素タンク５は、前記光水電解装置３で発生した水素を貯留するものであり、光水電解装置３に水素ガス用配管１５を介して接続されている。

そして、光水電解装置３と貯水タンク７は、電解液用配管１７を介して接続されており、該電解液用配管１７内を電解液Ｌが図１の矢印方向に沿って循環している。この電解液Ｌは、光水電解により水素及び酸素を発生させる原料となる。また、電解液用配管１７の途中には、昇圧ポンプ及びフローコントローラが配設されている。昇圧ポンプは、前記光水電解セル１１に、水電解の材料となる電解液Ｌを供給するために必要な水圧を付与するものであり、光水電解セル１１へ供給する電解液Ｌの流量調整を行うものである。貯水タンク７は、前記光水電解セル１１に供給する電解液Ｌの貯留を行うものである。なお、電解液用配管１７には、昇圧ポンプ８及びフローコントローラ１０が設けられている。

一方、前記純水供給装置は、純水用配管１９を介して貯水タンク７に接続されている。この純水用配管１９の途中には、フローコントローラ２１及びストップバルブ２３が配設されている。このフローコントローラ２１は、貯水タンク７へ供給する純水の流量調整を行うものであり、ストップバルブ２３は、貯水タンク７へ供給する純水の開通と停止を任意に行う。そして、前記貯水タンク７には、該貯水タンク内に収容された電解液Ｌの濃度を測定する濃度センサ（図示せず）が設けられている。

また、図２は本発明の実施形態による光水電解装置３を構成する光水電解セルを示す斜視図、図３は図２のＡ−Ａ線による断面図、及び図４は本発明の実施形態による光水電解装置３を示す平面図である。

これらの図に示すように、光水電解装置３は、上下方向及び左右方向に沿って並設された複数の光水電解セル１１から構成されている。また、隣接する光水電解セル１１間には、交流抵抗計２５が配設されており、該交流抵抗計２５を用いて、各光水電解セル１１間の交流抵抗値を計測する。

それぞれの光水電解セル１１は、外周部分が透明なガラス板又は合成樹脂板からなる外壁２７によって囲まれた箱状のケーシング４９を有しており、図３に示すように水平状態から角度θ分だけ傾斜して配置されている。光水電解セル１１内の下部には、電解液Ｌが収容されており、また、厚さ方向中央には、光水電解セル１１内を２つの空間に画成する隔壁２９が設けられている。さらに、各光水電解セル１１同士は、図示しない配線を介して直列に接続されている。

図５及び図６は、光水電解セル内の隔壁を示している。

この隔壁２９は、上部側に配置されたガス分離膜３１と、下部側に配置された光水電解電極膜接合体３３(Membrane Electrode Assembly)とが一体に接合されたものであり、発生水素と発生酸素とを分離する役割を果たす。

光水電解電極膜接合体３３には、図６に示すように、厚さ方向中央部に配置されたイオン伝導膜であるNafion膜３５の両面に、光触媒電極３７と白金で形成された対極３９とがそれぞれ形成されている。この光水電解電極膜接合体３３では、太陽光の照射により光水電解を起こし、光触媒電極３７からは酸素、対極３９からは水素が発生する。なお、ガス分離膜３１の両面には、光触媒電極３７及び対極３９は形成されていない。

また、隔壁２９の下端には、図５に示すように、矩形状の貫通孔４１が形成されており、該貫通孔４１を介して光水電解セル１１内を電解液Ｌが流通することができる。そして、貫通孔４１の周辺の枠部分２９ａにも、光触媒電極３７及び白金対極３９が形成されている。

そして、図７に示すように、光水電解セル１１の外壁２７には、平面視矩形状の流通孔４３が形成されており、該流通孔４３の開口面積を可変自在とする可動壁４５が設けられている。該可動壁４５は、外壁２７の高さ方向（長手方向）に沿ってスライド自在に構成されており、上方に移動すると、開口部分の開口面積が小さくなり、下方に移動すると、開口面積が大きくなる。

ここで、各寸法について説明する。

流通孔４３の上下方向長さはＸ_０であり、可動壁４５の上下方向長さはＸ_３である。可動壁４５は上下方向に沿ってスライド可能に構成されており、可動壁４５の上端４５ａと流通孔４３の上端４３ａとの距離Ｘ_２が、流通孔４３の開口部分の上下長さとなっている。なお、流通孔４３の下端４３ｂと可動壁４５の上端４５ａとの距離はＸ_１となっている。

次いで、本発明の実施形態による光水電解システムの作動手順を図８を用いて大まかに説明する。

まず、光水電解装置３の傾斜角を調整し（Ｓ１）、該光水電解装置３の光水電解セル１１内に供給する電解液Ｌの供給量を調整する（Ｓ２）。そして、日射量を測定し（Ｓ３）、その日射量が所定範囲内であるか否かを検出し（Ｓ４）、所定範囲内である場合は、光水電解装置３の運転を停止すべきか否かを判断する（Ｓ５）。なお、日射量が所定範囲外の場合は、光水電解装置３の傾斜角を再度調整したり、光水電解装置３の運転を停止しない場合は、日射量の測定を再度行ったりする。

以下に、図８の各手順について更に詳細に説明する。

図９は、本発明の実施形態による光水電解セルの傾斜角度の設定手順を示すフローチャートである。

光水電解セル１１の傾斜角を設定するサブルーチンにおいては、光水電解装置３に設けられた傾斜角可変な日射センサ１３を用いて、まずθ＝０°における日射量Ｑを測定する（Ｓ１１）。その後、図１０に示すように、徐々に傾斜角θを増加させる（Ｓ１２）。そして、ｄＱ／ｄθ＝０となるθ_ｍａｘを検知し（Ｓ１３）、光水電解セル１１全体の傾斜角をθ＝θ_ｍａｘに固定する（Ｓ１４）。

次いで、光水電解セル１１における可動壁４５の位置を検出し、以下の式で表されるＸ＝Ｘ_１に固定する（Ｓ１５）。

Ｘ_１＝Ｄ／ｔａｎθ
ここで、図１１に示すように、光水電解電極膜接合体３３の上端３３ａと可動壁４５の上端４５ａとは略同じ高さ位置に配置されている。また、Ｄは、光水電解セル１１内の光水電解電極膜接合体３３と外壁２７との厚さ方向の距離である。また、光水電解電極膜接合体３３の上端３３ａから光水電解セル１１の外壁２７に向けて降ろした垂線の足Ｐは、流通孔４３の下端位置４３ｂと一致している。

このように、光水電解セル１１内における電解液Ｌの液面高さｈは、光水電解電極膜接合体３３の上端３３ａ及び可動壁４５の上端４５ａの高さと略一致している。

以上のような操作を行うことにより、どのような傾斜角θにおいても、光水電解電極膜接合体３３が電解液Ｌに浸漬することとなり、光水電解システム１全体のエネルギー変換効率を向上させることができる。

次に、光水電解装置に供給する電解液の供給量を決定する手順を図１２を用いて説明する。

ここで、電解液Ｌの供給量が多すぎる場合は、電解液Ｌの循環に必要な昇圧ポンプ８の駆動エネルギーが大きくなるため、光水電解システム１全体のエネルギー変換効率を低下させてしまう。また、水分解によって電解液Ｌ中の水分が消費されるため、必要最低限の水分は常に供給する必要がある。

まず、光水電解セル１１を最適傾斜角に配置した際に光水電解セル１１に流れる電流の電流値Ｉ_０を、図外の電流計によって計測する（Ｓ２１）。

全ての光水電解セル１１は直列で接続されているため、光水電解セル１１内で消費される水量Ｓ_０は以下の式で計算される（Ｓ２２）。

Ｓ_０＝Ｉ_０／２Ｆ＊Ｍ
ここで、Ｆはファラデー定数、Ｍは水の分子量である。

このように計算された電解液Ｌの供給量は、光水電解セル１１に必要な最低水量であるため、太陽高度、天候などの変化を考慮してΔＳの水量を追加して、（Ｓ_０＋ΔＳ）の電解液Ｌを光水電解システム１に供給する。この際、カウント数をｋ＝０とする（Ｓ２３）。

次のステップでは、隣接する光水電解セル１１間の交流抵抗値Ｒを、前述した図３に示す交流抵抗計２５によって計測する（Ｓ２４）。ここで、ある閾値Ｒ_０を前もって定めておき、光水電解システム１内における光水電解セル１１の全てがＲ＞Ｒ_０であるかどうかの判断を行う（Ｓ２５）。

ＲがＲ_０以上である場合、隣り合う光水電解セル１１間は電解液Ｌを通して導通していないと判断し、水流量決定サブルーチンを終了する。

一方、ＲがＲ_０未満である場合、隣り合う光水電解セル１１間は電解液Ｌを通して導通していると判断し、電解液Ｌを間欠的に供給するモードに入る。間欠的に供給することにより、光水電解セル１１間を電解液Ｌが移動する際に、電解質と電解質の間で空間が生じるため電解液Ｌを通じた導通を防ぐことができる。なお、この際になるべく間欠時間ｔ_ａを小さくすることが望まれる。つまり、必要以上に間欠時間が大きいと一度に大量の電解液Ｌが光水電解セル１１内に供給されることとなり、光水電解セル１１内における電解液Ｌの水位の安定性を乱す。従って、本実施形態では、カウント数ｋを増やすごとにｔ_ａを増加させるフローとしている。具体的には、カウント数ｋを（ｋ＋１）とし（Ｓ２６）、電解液Ｌの供給量をＦ_０、間欠時間間隔ｔ_{ａ（ｋ＋１）}として、電解液Ｌの供給を開始する（Ｓ２７）。また、図１３に示すように、その際にｔ_ａの増加に伴って、電解液Ｌを供給する時間における水量を増加させてＳ_１とし、平均すると（Ｓ_０＋ΔＳ）の水量が供給されるように調整する。

なお、図８のＳ３及びＳ４に示すように、水量決定後は、太陽光日射量を常に監視しておいて、日射量の変化がΔＱ_０を超えた時点で、再度、光水電解セル１１の最適設置角θを設定する。

また、本実施形態による光水電解システム１では、図１で説明したように、電解液Ｌを貯留する貯水タンク７を設け、該貯水タンク７に純水を供給する。図１４のフローチャートを用いて、貯水タンク７内に収容された電解液Ｌの濃度を所定値以上に維持する手順を説明する。なお、電解液Ｌの濃度の代わりに、イオン伝導度を測定及び管理する。

まず、貯水タンク７内の電解液Ｌのイオン伝導度Ｃを測定する（Ｓ３１）。そして、このイオン伝導度Ｃが所定値Ｃ_０よりも高くなった場合に（Ｓ３２）、ストップバルブ２３を解放する（Ｓ３３）と共に、フローコントローラ２１で流量調整を行う（Ｓ３４）。

光水電解装置３では、水のみが消費されて、電解液Ｌの濃度が上がる一方であるため、その電解液Ｌの濃度を一定値以下に保つことができる。

なお、前記実施形態においては、光水電解セル１１を複数の平面上に設置する例を述べたが、電解液Ｌとして純水を用いる場合、図１５及び図１６に示すように、光水電解電極膜接合体３３を分割して単一の光水電解セル１１内に配設しても良い。

これらの図に示すように、隔壁４７の下部には光水電解電極膜接合体３３が複数設けられている。この光水電解電極膜接合体３３は、中央側に配置されたNafion膜３５と、該Nafion膜３５の表面及び裏面に形成された矩形状の光触媒電極３７及び白金からなる対極３９とから構成されている。そして、それぞれの光触媒電極３７と対極３９は複数に分割されて、一枚のNafion膜３５上に並設されている。なお、各光触媒電極３７及び対極３９は、図外の配線を介して直列に接続されている。また、外壁２７によって構成されるケーシング４９の内部には、純水Ｗが収容されている。

以下に、本発明の実施形態による作用効果を説明する。

（１）本発明の実施形態による光水電解装置３は、外壁２７によって構成された複数のケーシング４９の内部に電解液Ｌを収容し、かつ、それぞれのケーシング４９の内部に隔壁２９を設けた光水電解セル１１を複数備えた光水電解装置３であって、前記隔壁２９の下部は、イオン伝導膜（Nafion膜）３５の両面に光触媒電極３７及び対極３９を形成した光水電解電極膜接合体３３に構成されて前記電解液Ｌ中に浸漬されると共に、前記光触媒電極３７及び対極３９が互いに導通され、前記複数の光水電解セル１１内におけるそれぞれの光水電解電極膜接合体３３が電気的に直列に接続されている。このように、複数の光水電解電極膜接合体３３を直列に接続することにより、設置面積を小さく設定することができ、また、光水電解装置３全体に流れる電流値が小さくなる。

（２）また、本発明の実施形態による別の光水電解装置５１は、図１５及び図１６に示すように、外壁２７によって構成された単一のケーシング４９の内部に純水Ｗを収容し、かつ、ケーシング４９の内部に隔壁４７を設けた単一の光水電解セルを備え、前記隔壁４７の下部は、単一のイオン伝導膜（Nafion膜）３５の両面に光触媒電極３７及び対極３９を複数形成した光水電解電極膜接合体３３に構成されて前記純水Ｗ中に浸漬されると共に、前記光触媒電極３７及び対極３９が互いに導通され、それぞれの光水電解電極膜接合体３３が電気的に直列に接続されている。このため、光水電解装置５１を構成する光水電解セルの構造が簡素になり、コストを低減することができる。

（３）前記複数の光水電解電極膜接合体３３が、同一平面上のイオン伝導膜に配置されているため、光水電解セルの構造を簡単にすることができる。

（４）また、前記複数の光水電解セル１１同士が、各光水電解セル１１に収容された電解液Ｌを通じた電気的導通を防止するように構成されているため、各光水電解セル１１における光触媒と対極３９との間に生じる電位差を正確に制御できる。

（５）そして、前記光水電解セル１１の外壁２７に流通孔４３を設け、隣接する光水電解セル１１同士に、前記流通孔４３を介して電解液Ｌが流通可能に構成しているため、光水電解装置３全体における電解液Ｌの供給部分及び排出部分の数を低減することができる。

（６）さらに、前記水又は電解液Ｌを間欠的に流通させることにより、隣接する光水電解セル１１同士の電気的導通を防止するようにしているため、電解液Ｌの供給時における短絡を簡便に防止することができる。

（７）また、前記水又は電解液Ｌの流量を調整することにより、隣接する光水電解セル１１同士の電気的導通を防止するようにしているため、電解液Ｌの供給時における短絡を簡便に防止することができる。

（８）さらに、前記光水電解セル１１で生成された水素の発生量を検知又は推測する水素発生量検知手段又は水素発生量推測手段を設け、これらの水素発生量検知手段又は水素発生量推測手段から得られた水素量データに基づいて、太陽光から水素へのエネルギー変換効率を最大化する光水電解セル１１の傾斜角、及び、光水電解セル１１に供給する電解液Ｌの流量を決定している。このため、太陽光の照射角度や天候によって定まる光水電解セル１１の最適傾斜角を確実に決定することができる。また、発生する水素量によって定まる必要最小限度の電解液Ｌ量を供給することにより、余分なポンピングロスの発生を防止することができる。

（９）そして、前記光水電解セル１１の外壁２７に形成した流通孔４３の開口部分の開口面積が可変自在であり、かつ、流通孔４３の下端４３ｂと光水電解電極膜接合体３３の上端３３ａとの高さが一致するように、流通孔４３の開口面積を調整可能にしている。このため、光水電解セル１１の傾斜角が変化しても、光水電解電極膜接合体３３の全体を電解液Ｌに浸漬した状態に保持することができる。

（１０）そして、前記水素発生量推測手段は、太陽光の照射量を日射センサ１３で検知して、この検知量に基づいて水素の発生量を推測する手段であるため、日射量から直接的に光水電解セル１１の最適傾斜角を決定することができる。

（１１）前記水素発生量検知手段は、光水電解セル１１内で発生した水素の量を検知する水素流量計であるため、発生した水素量を直接的に求めることができる。

（１２）水素発生量推測手段は、光水電解装置３を流れる電流値に基づいて、発生する水素量を推測する手段であるため、電流量から発生水素量を正確に推測することができる。

（１３）前記水素発生量推測手段は、前記光水電解セル１１に供給する電解液Ｌの濃度に基づいて水素発生量を推測する手段であるため、電解液Ｌの濃度から水分解によって消費された水の量を検知し、発生水素量を正確に検知することができる。

（１４）前記電解液Ｌの濃度を、電解液Ｌのイオン伝導度を用いて検知するため、イオン伝導度と電解液Ｌの濃度との関係から、電解液Ｌ濃度を正確に推測することができる。

（１５）前記電解液Ｌの濃度を、電解液ＬのｐＨを用いて検知するため、ｐＨと電解液Ｌ濃度との関係から、電解液Ｌの濃度を正確に推測することができる。

（１６）前記光触媒電極３７と対極３９の間に、水分解を促進する極性の電圧を印加するため、光触媒電極３７と対極３９との間の電位差を任意に調整することができる。

（１７）また、光水電解セル１１を分割して複数設けているため、それぞれの光水電解セル１１の間を流れる電流の距離が小さくなり、抵抗損失が減る。

（１８）さらに、光水電解セル１１を分割する際に、各々の光水電解セル１１中に収容されている電解液Ｌ同士が液絡していないので、各々の光水電解セル１１の電極にかかる電位を水電解電位に必要な最低限の電位にコントロールできる。液絡している場合、各々の光水電解セル１１が直列に接続されているため、セル最上流の電極と最下流の電極には水電解電位に必要な電位差以上に電位が発生し、水電解以外の反応が起きる可能性がある。

（１９）光電解セルが複数に分割されているので、一つの大きな水電解槽とする場合に比べて、光水電解セル１１下部の水圧が低くなる。水圧が高いと水電解に必要な電圧が高くなるため、光水電解システム１のエネルギー変換効率が低下する。

（２０）電解液Ｌを用いることで、光水電解セル１１内部における電解液Ｌのイオン伝導性が増すため、電気抵抗によるエネルギーロスが低減される。

以上、本発明の実施形態について述べてきたが、本発明はこれらに限定されるものではない。

さらに、本実施形態においては、光水電解セル１１間で電解液Ｌが電気的に導通するのを防ぐ手段として、電解液Ｌを間欠的に供給する方法を採用したが、余剰の電解液Ｌ供給量ΔＳを減らすことによって、導通を防止しても良い。また、光水電解セル１１内で消費される電解液Ｌの量Ｓ_０を決定するために、光水電解セル１１内を流れる電流値を指標としたが、実際に発生する水素量や、日射量Ｑにエネルギー変換効率を掛けた値、又は、前記貯水タンク７内に供給する純水の量から決定することも可能である。

また、本実施形態では、光触媒としてバイアス電圧を印加しないで水電解が可能なものを想定したが、光触媒電極３７と対極３９との間にバイアス電圧を印加することも可能である。

本発明の実施形態による光水電解システムの全体を示す概略図である。 本発明の実施形態による光水電解セルを示す斜視図である。 図２のＡ−Ａ線による断面図である。 本発明の実施形態による光水電解装置を示す平面図である。 本発明の実施形態による光水電解セル内の隔壁を示す平面図である。 図５の側面図である。 本発明の実施形態による光水電解セルの周囲を構成する外壁の平面図である。 本発明の実施形態による光水電解システムの作動手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による光水電解セルの傾斜角度の設定手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による光水電解セルの傾斜角を示す側面図である。 本発明の実施形態による光水電解セルの傾斜角と可動壁との位置関係を示す側面図である。 本発明の実施形態による光水電解装置に供給する電解質液量の設定手順を示すフローチャートである。 電解液の流量と時間との関係を示すグラフである。 貯水タンク内の電解質液の濃度を管理するフローチャートである。 本発明の別の実施形態による光水電解電極膜接合体を示す平面図である。 図１５の光水電解電極膜接合体を収容した光水電解セルの側面図である。

符号の説明

Ｌ…電解液
Ｗ…純水
１…光水電解システム
３，５１…光水電解装置
１１…光水電解セル
２７…外壁
２９…隔壁
３３…光水電解電極膜接合体
３５…Nafion膜（イオン伝導膜）
３７…光触媒電極
３９…対極
４３…流通孔
４７…隔壁
４９…ケーシング

Claims (17)

1. 外壁によって構成された複数のケーシングの内部に電解液を収容し、かつ、それぞれのケーシングの内部に隔壁を設けた光水電解セルを複数備えた光水電解装置であって、
   前記隔壁の下部は、イオン伝導膜の両面に光触媒電極及び対極を形成した光水電解電極膜接合体に構成されて前記電解液中に浸漬されると共に、前記光触媒電極及び対極が互いに導通され、
   前記複数の光水電解セル内におけるそれぞれの光水電解電極膜接合体が電気的に直列に接続されていることを特徴とする光水電解装置。
2. 外壁によって構成された単一のケーシングの内部に純水を収容し、かつ、ケーシングの内部に隔壁を設けた単一の光水電解セルを備えた光水電解装置であって、
   前記隔壁の下部は、単一のイオン伝導膜の両面に光触媒電極及び対極を複数形成した光水電解電極膜接合体に構成されて前記純水中に浸漬されると共に、前記光触媒電極及び対極が互いに導通され、
   それぞれの光水電解電極膜接合体が電気的に直列に接続されていることを特徴とする光水電解装置。
3. 前記光水電解電極膜接合体は、光水電解セル内に配設された同一平面上のイオン伝導膜に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光水電解装置。
4. 前記複数の光水電解セル同士が、各光水電解セルに収容された電解液を通じた電気的導通を防止するように構成されたことを特徴とする請求項１又は３に記載の光水電解装置。
5. 前記光水電解セルの外壁に流通孔を設け、前記流通孔を介して隣接する光水電解セル同士で電解液が流通可能に構成されたことを特徴とする請求項１、３又は４に記載の光水電解装置。
6. 前記電解液を間欠的に流通させることにより、隣接する光水電解セル同士の電気的導通を防止するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の光水電解装置。
7. 前記電解液の流量を調整することにより、隣接する光水電解セル同士の電気的導通を防止するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の光水電解装置。
8. 前記光水電解セルで生成された水素の発生量を検知する水素発生量検知手段、又は水素の発生量を推測する水素発生量推測手段を設け、これらの水素発生量検知手段又は水素発生量推測手段から得られた水素量データに基づいて、太陽光を水素へ変換する際のエネルギー変換効率を最大にする光水電解セルの傾斜角、及び、光水電解セルに供給する電解液の流量を決定することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光水電解装置。
9. 前記流通孔の開口面積が可変自在であり、かつ、流通孔の開口部分の下端と隔壁の光水電解電極膜接合体の上端との高さが一致するように、流通孔の開口面積を調整可能にしたことを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の光水電解装置。
10. 前記水素発生量推測手段は、日射センサで検知した太陽光の照射量に基づいて水素の発生量を推測する手段であることを特徴とする請求項８に記載の光水電解装置。
11. 前記水素発生量検知手段は、光水電解セル内で発生した水素の量を検知する水素流量計であることを特徴とする請求項８に記載の光水電解装置。
12. 前記水素発生量推測手段は、光水電解装置を流れる電流値に基づいて、発生する水素量を推測する手段であることを特徴とする請求項８に記載の光水電解装置。
13. 前記水素発生量推測手段は、前記光水電解セルに供給する電解液の濃度に基づいて水素発生量を推測する手段であることを特徴とする請求項８に記載の光水電解装置。
14. 前記電解液の濃度を、電解液のイオン伝導度を用いて検知することを特徴とする請求項１３に記載の光水電解装置。
15. 前記電解液の濃度を、電解液のｐＨを用いて検知することを特徴とする請求項１３に記載の光水電解装置。
16. 前記光触媒電極と対極との間に、水分解を促進する極性の電圧を印加することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光水電解装置。
17. 前記請求項１〜１６のいずれか１項に記載された光水電解装置を備えたことを特徴とする光水電解システム。

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