JP2011162428A - Apparatus and method for producing hydrogen - Google Patents

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章人 吉田
Shunsuke Sata
俊輔 佐多
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    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for producing hydrogen, which has high utilization efficiency of light, and produces hydrogen with high efficiency, and in which the hydrogen generation rate does not decrease. <P>SOLUTION: The apparatus for producing hydrogen includes: a photoelectric conversion section having a light receiving surface and a rear surface; and a first gas generation section and a second gas generation section, which are provided on the rear surface in parallel. In the first gas generation section and the second gas generation section, one of the sections is a hydrogen generation section for generating H<SB>2</SB>from an electrolytic solution, and the other is an oxygen generation section for generating O<SB>2</SB>from the electrolytic solution. At least one of the first gas generation section and the second gas generation section is constituted of a plurality of sections. The first gas generation section is electrically connected with the rear surface, and the second gas generation section is electrically connected to the light receiving surface through a first electroconductive part. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素製造装置および水素製造方法に関する。   The present invention relates to a hydrogen production apparatus and a hydrogen production method.

近年、化石燃料資源の枯渇および地球温暖化ガス排出抑制などの観点から、再生可能エネルギーの利用が望まれている。再生可能エネルギー源としては太陽光、水力、風力、地熱、潮力、バイオマスなど多岐にわたるが、その中でも、太陽光は利用可能なエネルギー量が大きいこと、他の再生可能エネルギーに対し地理的制約が比較的少ないことから、太陽光から効率よく利用可能なエネルギーを生み出す技術の早期な開発と普及が望まれている。   In recent years, the use of renewable energy has been desired from the viewpoint of depletion of fossil fuel resources and the suppression of global warming gas emissions. There are a wide variety of renewable energy sources such as sunlight, hydropower, wind power, geothermal power, tidal power, and biomass. Among them, sunlight has a large amount of available energy, and there are geographical constraints on other renewable energy. Because of the relatively small amount, early development and popularization of technology that can efficiently use energy from sunlight is desired.

太陽光から生み出される利用可能なエネルギーの形態としては、太陽電池や太陽光熱タービンを用いて製造される電気エネルギー、太陽光エネルギーを熱媒体に集めることによる熱エネルギー、その他にも太陽光を用いた物質還元による液体燃料や水素などの貯蔵可能な燃料エネルギー等が挙げられる。太陽電池技術および太陽熱利用技術については、すでに実用化されている技術が多いものの、エネルギー利用効率が未だ低いことと、電気および熱を作り出す際のコストが依然高いことから、これらの改善に向けた技術開発が行われている。さらに、これら電気や熱というエネルギー形態は、短期のエネルギー変動を補完するような使用法は実現できるものの、例えば季節変動などの長期での変動を補完することは極めて困難であることや、エネルギー量の増加により発電設備の稼働率低下を招く可能性があることが課題である。これに対し、液体燃料や水素など、エネルギーを物質として蓄えておくことは、長期変動を効率よく補完するとともに発電設備の稼働率を高める技術として極めて有力であり、今後エネルギー利用効率を最大限に高め、二酸化炭素の排出量を徹底的に削減するためには必要不可欠な技術である。   Possible forms of energy generated from sunlight include electrical energy produced using solar cells and solar thermal turbines, thermal energy by collecting solar energy in a heat medium, and other types of sunlight. Examples include storable fuel energy such as liquid fuel and hydrogen by substance reduction. Many solar cell technologies and solar heat utilization technologies have already been put into practical use, but the energy utilization efficiency is still low, and the cost of producing electricity and heat is still high. Technology development is underway. Furthermore, while these forms of electricity and heat can be used to supplement short-term energy fluctuations, it is extremely difficult to supplement long-term fluctuations such as seasonal fluctuations, It is a problem that there is a possibility that the operating rate of the power generation equipment may be reduced due to the increase in power generation. On the other hand, storing energy as a substance, such as liquid fuel and hydrogen, is extremely effective as a technology that efficiently supplements long-term fluctuations and increases the operating rate of power generation facilities. It is an indispensable technology to raise and reduce carbon dioxide emissions thoroughly.

貯蔵可能な燃料の形態としては、炭化水素などの液体燃料や、バイオガス、水素などの気体燃料、バイオマス由来の木材ペレットや太陽光で還元された金属などの固体燃料などに大別することができる。インフラ整備の容易性、エネルギー密度の観点では液体燃料、燃料電池などとのトータルの利用効率向上の観点では水素をはじめとする気体燃料、貯蔵可能性とエネルギー密度の観点では固体燃料というように、各形態において長所短所を有するが、原料として容易に入手可能な水を利用できる観点から、太陽光により水を分解することによる水素製造技術が特に注目されている。   The types of fuel that can be stored are roughly divided into liquid fuels such as hydrocarbons, gaseous fuels such as biogas and hydrogen, solid pellets such as biomass-derived wood pellets and metals reduced by sunlight. it can. In terms of ease of infrastructure development and energy density, liquid fuel, gaseous fuel including hydrogen in terms of total utilization efficiency improvement with fuel cells, etc., solid fuel in terms of storability and energy density, Although each form has advantages and disadvantages, a hydrogen production technique by decomposing water with sunlight has attracted particular attention from the viewpoint that water that can be easily obtained as a raw material can be used.

水を原料として太陽光エネルギーを利用し水素を製造する方法としては、酸化チタン等の光触媒に白金を担持させ、この物質を水中に入れ光照射することにより半導体中で電荷分離を行い、電解液中のプロトンを還元、水を酸化することによる光分解法や、高温ガス炉などの熱エネルギーを利用して水を高温で直接分解する、あるいは金属等の酸化還元と共役させて間接的に分解する熱分解法、藻類など光を利用する微生物の代謝を利用した生物法、太陽電池で発電した電気と水の電気分解水素製造装置を組み合わせた水電気分解法、太陽電池に使用される光電変換材料に水素発生触媒、酸素発生触媒を担持することにより、光電変換で得られる電子と正孔を水素生成触媒、酸素発生触媒で反応に利用する光起電力法等が挙げられる。この中で、光電変換部と水素生成部を一体化することにより、小型の水素製造装置を作製することの可能性を有するものは光分解法、生物法、光起電力法と考えられるが、太陽光エネルギーの変換効率の観点から、光起電力法は実用化に最も近い技術の一つと考えられる。   As a method of producing hydrogen using solar energy using water as a raw material, platinum is supported on a photocatalyst such as titanium oxide, and this substance is put in water to perform light separation in a semiconductor, and an electrolytic solution. The water is decomposed directly at high temperature using the photolysis method by reducing protons and oxidizing water, or by using thermal energy such as a high-temperature gas furnace, or indirectly by coupling with redox of metals, etc. Pyrolysis method that uses the metabolism of microorganisms that use light such as algae, water electrolysis method that combines electricity generated by solar cells and water electrolysis hydrogen production equipment, photoelectric conversion used in solar cells Examples of the method include a photovoltaic method in which electrons and holes obtained by photoelectric conversion are used in a reaction by a hydrogen generation catalyst and an oxygen generation catalyst by supporting a hydrogen generation catalyst and an oxygen generation catalyst on the material. Among these, the one that has the possibility of producing a small hydrogen production device by integrating the photoelectric conversion unit and the hydrogen generation unit is considered to be a photolysis method, a biological method, a photovoltaic method, From the viewpoint of the conversion efficiency of solar energy, the photovoltaic method is considered to be one of the technologies closest to practical use.

これまでに、光分解法や光起電力法による光電変換と水素発生を一体化した水素製造装置の例が開示されている。光分解法では例えば、特許文献1によると、ルテニウム錯体を吸着させた酸化チタンの光触媒電極と、白金電極、ヨウ素もしくは鉄の酸化還元を利用した装置が開示されている。また、特許文献2、3によると、2層の光触媒をタンデム接続し、白金カウンター電極を接続、間にイオン交換膜を挟むことにより一体化構造を採用している。一方、光起電力法では、光電変換部と水素生成部、酸素生成部を一体化した水素製造装置のコンセプトが発表されている(非特許文献1)。これによると、電荷分離は光電変換部、水素生成と酸素生成はそれぞれに対応する触媒を用いることにより行われる。光電変換部は太陽電池に利用される材料が用いられている。例えば、非特許文献2の場合、3層のシリコンp−i−n層で電荷分離を行った上で、水素発生は白金触媒が担い、酸素発生は酸化ルテニウムが担っている。また、非特許文献3では、異なる波長の光を吸収する多接合光電変換材料を、水素発生触媒にPt、酸素発生触媒にRuO2を用い、高効率化を図っている。また特許文献4や非特許文献3では、基盤上に、水素発生触媒(NiFeO)と、3層のシリコンp−i−nを並列に積層、シリコン層の上にさらに酸素発生触媒(Co−Mo)を担持することにより、一体化水素製造装置を作製している。 Until now, the example of the hydrogen production apparatus which integrated photoelectric conversion and hydrogen generation by the photolysis method or the photovoltaic method has been disclosed. In the photolysis method, for example, according to Patent Document 1, a titanium oxide photocatalyst electrode on which a ruthenium complex is adsorbed and a platinum electrode, an apparatus using oxidation reduction of iodine or iron is disclosed. According to Patent Documents 2 and 3, an integrated structure is adopted by connecting two layers of photocatalysts in tandem, connecting a platinum counter electrode, and sandwiching an ion exchange membrane therebetween. On the other hand, in the photovoltaic method, a concept of a hydrogen production apparatus in which a photoelectric conversion unit, a hydrogen generation unit, and an oxygen generation unit are integrated has been announced (Non-Patent Document 1). According to this, charge separation is performed by using a photoelectric conversion unit, and hydrogen generation and oxygen generation are performed using corresponding catalysts. The photoelectric conversion part is made of a material used for solar cells. For example, in Non-Patent Document 2, after charge separation is performed with three silicon pin layers, hydrogen generation is performed by a platinum catalyst, and oxygen generation is performed by ruthenium oxide. Further, in Non-Patent Document 3, a multi-junction photoelectric conversion material that absorbs light of different wavelengths is used by using Pt as a hydrogen generation catalyst and RuO 2 as an oxygen generation catalyst to achieve high efficiency. In Patent Document 4 and Non-Patent Document 3, a hydrogen generation catalyst (NiFeO) and three layers of silicon pin are stacked in parallel on a substrate, and an oxygen generation catalyst (Co-Mo) is further formed on the silicon layer. ) To produce an integrated hydrogen production apparatus.

特開2006−89336号公報JP 2006-89336 A 特表2003−504799号公報Special table 2003-504799 gazette 特表2004−504934号公報Special table 2004-504934 gazette 特開2003−288955号公報JP 2003-288955 A

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America、2006年、43巻、15729−15735頁Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 43, 15729-15735 Applied Physics Letters、1989年、55巻、386−387頁Applied Physics Letters, 1989, 55, 386-387. Journal of Physical Chemistry,2009年、113巻、14575−14581頁Journal of Physical Chemistry, 2009, 113, 14575-14581 International Journal of Hydrogen Energy、2003年、28巻、1167−1169頁International Journal of Hydrogen Energy, 2003, 28, 1167-1169.

上記のとおり、光電変換と水素発生を一体化した水素製造装置の構造に関するいくつかの検討は既に開示されているが、より高効率で水素を製造するためには光の利用率を最大限に高めることが必要である。例えば、装置内の受光表面で気体が発生する場合、発生した気体によって入射光が散乱するため、入射光を十分利用できず、光利用効率の低下を招いてしまうことは大きな課題である。さらに、光電変換部の受光面に触媒を担持した場合、触媒により入射光が反射もしくは吸収されてしまうため、これによっても光利用率が低下することが課題となっている。また、光の散乱が起きないように光電変換部の受光面と酸素触媒を電極膜で電気的に接続させる方法も検討もされているが、構造上、光電変換部の面積が、他の部材(酸素生成触媒など)の面積によって制限されるため、光利用率が低下することが回避し難い課題である。さらに特にデバイスの大型化に伴って、水素発生触媒付近の電解液と、酸素発生触媒付近の電解液との間でプロトン濃度の不均衡が生じることにより、水素発生速度が低下することが課題となっている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光利用効率が高く、高効率で水素を製造することができ、水素発生速度が低下しない水素製造装置を提供する。
As described above, several studies on the structure of a hydrogen production system that integrates photoelectric conversion and hydrogen generation have already been disclosed, but in order to produce hydrogen with higher efficiency, the light utilization rate is maximized. It is necessary to increase. For example, when gas is generated on the light-receiving surface in the apparatus, incident light is scattered by the generated gas, so that incident light cannot be used sufficiently, leading to a reduction in light utilization efficiency. Furthermore, when a catalyst is carried on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit, incident light is reflected or absorbed by the catalyst, and this also causes a problem that the light utilization rate is lowered. In addition, a method of electrically connecting the light receiving surface of the photoelectric conversion unit and the oxygen catalyst with an electrode film so as to prevent light scattering has been studied, but the area of the photoelectric conversion unit is structurally different from other members. Since it is limited by the area (such as an oxygen generation catalyst), it is difficult to avoid a decrease in the light utilization rate. In particular, with the increase in size of the device, the problem is that the hydrogen generation rate decreases due to the proton concentration imbalance between the electrolyte near the hydrogen generation catalyst and the electrolyte near the oxygen generation catalyst. It has become.
The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a hydrogen production apparatus that has high light utilization efficiency, can produce hydrogen with high efficiency, and does not reduce the hydrogen generation rate.

本発明は、受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上に並列に設けられた第1の気体発生部および第2の気体発生部とを備え、第1の気体発生部および第2の気体発生部のうち、一方は電解液からH2を発生させる水素発生部であり、他方は電解液からO2を発生させる酸素発生部であり、第1の気体発生部および第2の気体発生部は、少なくとも一方が複数であり、第1の気体発生部は前記裏面と電気的に接続され、第2の気体発生部は第1の導電部を介して前記受光面と電気的に接続することを特徴とする水素製造装置を提供する。 The present invention includes a photoelectric conversion unit having a light receiving surface and a back surface, and a first gas generation unit and a second gas generation unit provided in parallel on the back surface, the first gas generation unit and the first gas generation unit Of the two gas generation units, one is a hydrogen generation unit that generates H 2 from the electrolytic solution, and the other is an oxygen generation unit that generates O 2 from the electrolytic solution, and the first gas generation unit and the second gas generation unit At least one of the gas generating units is plural, the first gas generating unit is electrically connected to the back surface, and the second gas generating unit is electrically connected to the light receiving surface via the first conductive unit. Provided is a hydrogen production apparatus characterized by being connected.

本発明によれば、光電変換部の受光面に光を入射させることにより光電変換部に起電力を生じさせることができ、受光面と裏面との間に電位差が生じさせることができる。このことにより、光電変換部の裏面と電気的に接続した第1の気体発生部と、光電変換部の受光面と第1の導電部を介して電気的に接続した第2の気体発生部との間も電位差を生じさせることができる。この電位差が生じた第1の気体発生部と第2の気体発生部とに電解液を接触させることにより、第1の気体発生部と第2の気体発生部のうち、どちらか一方で電解液からH2を発生させることができ、他方で電解液からO2を発生させることができる。この発生したH2を回収することにより水素を製造することができる。 According to the present invention, an electromotive force can be generated in the photoelectric conversion unit by causing light to enter the light receiving surface of the photoelectric conversion unit, and a potential difference can be generated between the light receiving surface and the back surface. Accordingly, the first gas generation unit electrically connected to the back surface of the photoelectric conversion unit, the second gas generation unit electrically connected to the light receiving surface of the photoelectric conversion unit via the first conductive unit, and A potential difference can be generated between the two. By bringing the electrolytic solution into contact with the first gas generating unit and the second gas generating unit in which this potential difference has occurred, either the first gas generating unit or the second gas generating unit is used as the electrolytic solution. Can generate H 2 , while O 2 can be generated from the electrolyte. By recovering the generated H 2 , hydrogen can be produced.

本発明によれば、光電変換部の裏面上に水素発生部および酸素発生部を設けるため、受光面に電解液を介さず光を入射させることができ、電解液による入射光の吸収や入射光の散乱を防止することができる。このことにより、光電変換部へ入射光の量を多くすることができ、光利用効率を高くすることができる。
また、本発明によれば、光電変換部の裏面上に水素発生部および酸素発生部を設けるため、受光面に入射する光が、水素発生部および酸素発生部、ならびにそこからそれぞれ発生する水素及び酸素により吸収や散乱されることはない。このことにより、光電変換部へ入射光の量を多くすることができ、光利用効率を高くすることができる。
According to the present invention, since the hydrogen generation unit and the oxygen generation unit are provided on the back surface of the photoelectric conversion unit, light can be incident on the light receiving surface without passing through the electrolytic solution. Can be prevented. As a result, the amount of incident light to the photoelectric conversion unit can be increased, and the light use efficiency can be increased.
In addition, according to the present invention, since the hydrogen generation unit and the oxygen generation unit are provided on the back surface of the photoelectric conversion unit, the light incident on the light receiving surface is generated by the hydrogen generation unit and the oxygen generation unit, and the hydrogen and It is not absorbed or scattered by oxygen. As a result, the amount of incident light to the photoelectric conversion unit can be increased, and the light use efficiency can be increased.

本発明によれば、光電変換部の裏面上に水素発生部および酸素発生部を設けるため、光電変換部の受光面を水素製造装置が受光する面の大部分に設けることができる。このことにより、光利用効率をより高くすることができる。
また、本発明によれば、光電変換部と、水素発生部および酸素発生部とが同一の装置に設けられているため、従来の太陽電池と水の電気分解装置を組み合わせるよりも、水素製造コストを低下させることができる。
また、本発明によれば、第1の導電部を介して第2の気体発生部と光電変換部の受光面とが電気的に接続するため、光電変換部を全面にわたり均一な材料による構造とすることができる。このため、光電変換部の受光面を広くすることができ、また、水素製造装置の製造コストを低下させることができる。
また、本発明によれば、第1の気体発生部および第2の気体発生部は、少なくとも一方が複数であり、かつ、並列に設けられる。このことにより第1の気体発生部と第2の気体発生部とが隣接する部分が増加し、第1の気体発生部付近の電解液と第2の気体発生部付近の電解液との間のプロトンがイオン伝導する距離を短くすることができる。また、このプロトンがイオン伝導する電解液またはイオン交換体のプロトン伝導経路が多くすることができ、プロトン伝導領域の比率を大きくすることができる。この結果、伝導プロトンの濃度を小さくすることができる。
このことにより、プロトンが第1の気体発生部付近の電解液と第2の気体発生部付近の電解液において移動しやすくなり、プロトン濃度の不均衡を小さくすることができる。その結果、水素発生速度の低下を防止することができる。さらに、水素製造装置を大型化し、製造する水素量が多くなった場合でも、プロトン濃度の不均衡による水素発生速度の低下を防止することができる。また、第1の気体発生部付近の電解液と第2の気体発生部付近の電解液との間のプロトンの移動は、水素発生反応の律速となる場合があるため、プロトンを移動しやすくできることにより、水素発生反応の速度を最大限に高めることができる。
According to the present invention, since the hydrogen generation unit and the oxygen generation unit are provided on the back surface of the photoelectric conversion unit, the light receiving surface of the photoelectric conversion unit can be provided on most of the surface on which the hydrogen production apparatus receives light. Thereby, the light utilization efficiency can be further increased.
Further, according to the present invention, since the photoelectric conversion unit, the hydrogen generation unit, and the oxygen generation unit are provided in the same device, the hydrogen production cost is higher than the combination of the conventional solar cell and water electrolysis device. Can be reduced.
Further, according to the present invention, since the second gas generation unit and the light receiving surface of the photoelectric conversion unit are electrically connected via the first conductive unit, the photoelectric conversion unit has a structure made of a uniform material over the entire surface. can do. For this reason, the light-receiving surface of a photoelectric conversion part can be enlarged, and the manufacturing cost of a hydrogen production apparatus can be reduced.
Further, according to the present invention, at least one of the first gas generation unit and the second gas generation unit is plural and provided in parallel. As a result, the portion where the first gas generating unit and the second gas generating unit are adjacent to each other is increased, and the gap between the electrolyte near the first gas generating unit and the electrolyte near the second gas generating unit is increased. Proton ion conduction distance can be shortened. Further, the number of proton conduction paths of the electrolyte solution or ion exchanger through which protons conduct ions can be increased, and the ratio of proton conduction regions can be increased. As a result, the concentration of the conductive proton can be reduced.
This facilitates movement of protons in the electrolyte solution in the vicinity of the first gas generation part and the electrolyte solution in the vicinity of the second gas generation part, and the proton concentration imbalance can be reduced. As a result, a decrease in hydrogen generation rate can be prevented. Furthermore, even if the hydrogen production apparatus is enlarged and the amount of hydrogen produced increases, it is possible to prevent a decrease in the hydrogen generation rate due to an imbalance in proton concentration. In addition, proton movement between the electrolyte solution near the first gas generation unit and the electrolyte solution near the second gas generation unit may be rate-limiting in the hydrogen generation reaction, and therefore protons can be easily transferred. Thus, the speed of the hydrogen generation reaction can be maximized.

本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the structure of the hydrogen production apparatus of one Embodiment of this invention. 図1の点線A―Aの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the dotted line AA of FIG. 本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略裏面図である。It is a schematic back view which shows the structure of the hydrogen production apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the hydrogen production apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the structure of the hydrogen production apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the hydrogen production apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the hydrogen production apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the structure of the hydrogen production apparatus of one Embodiment of this invention.

本発明の水素製造装置は、受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上に並列に設けられた第1の気体発生部および第2の気体発生部とを備え、第1の気体発生部および第2の気体発生部のうち、一方は電解液からH2を発生させる水素発生部であり、他方は電解液からO2を発生させる酸素発生部であり、第1の気体発生部および第2の気体発生部は、少なくとも一方が複数であり、第1の気体発生部は前記裏面と電気的に接続され、第2の気体発生部は第1の導電部を介して前記受光面と電気的に接続することを特徴とする。 The hydrogen production apparatus of the present invention includes a photoelectric conversion unit having a light receiving surface and a back surface, a first gas generation unit and a second gas generation unit provided in parallel on the back surface, and a first gas One of the generation unit and the second gas generation unit is a hydrogen generation unit that generates H 2 from the electrolytic solution, and the other is an oxygen generation unit that generates O 2 from the electrolytic solution, and the first gas generation unit And at least one of the second gas generation units is plural, the first gas generation unit is electrically connected to the back surface, and the second gas generation unit is connected to the light receiving surface via the first conductive unit. It is characterized by being electrically connected to.

水素製造装置とは、水を含む電解液から水素を製造することができる装置である。
光電変換部とは、光を受光し起電力が生じる部分である。
受光面とは、光が入射する光電変換部の面である。
裏面とは、受光面の裏の面である。
A hydrogen production apparatus is an apparatus that can produce hydrogen from an electrolyte containing water.
The photoelectric conversion part is a part that receives light and generates an electromotive force.
The light receiving surface is a surface of the photoelectric conversion unit on which light is incident.
The back surface is the back surface of the light receiving surface.

本発明の水素製造装置において、第1の気体発生部および第2の気体発生部は、交互に並ぶように設けられることが好ましい。
このような構成によれば、第1の気体発生部付近の電解液と第2の気体発生部付近の電解液との間のプロトンがイオン伝導する距離をより短くすることができる。
本発明の水素製造装置において、第1の気体発生部と第2の気体発生部との間に隔壁をさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、第1の気体発生部および第2の気体発生部でそれぞれ発生した水素および酸素を分離することができ、水素をより効率的に回収することができる。
本発明の水素製造装置において、隔壁は、第1の気体発生部と第2の気体発生部とを仕切るように設けられることが好ましい。
このような構成によれば、水素をより効率的に回収することができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, it is preferable that the first gas generation unit and the second gas generation unit are provided so as to be alternately arranged.
According to such a configuration, it is possible to further shorten the distance of proton conduction between the electrolyte near the first gas generator and the electrolyte near the second gas generator.
In the hydrogen production apparatus of the present invention, it is preferable that a partition wall is further provided between the first gas generation unit and the second gas generation unit.
According to such a configuration, hydrogen and oxygen generated in the first gas generation unit and the second gas generation unit can be separated, and hydrogen can be recovered more efficiently.
In the hydrogen production apparatus of the present invention, the partition wall is preferably provided so as to partition the first gas generation unit and the second gas generation unit.
According to such a configuration, hydrogen can be recovered more efficiently.

本発明の水素製造装置において、第1の気体発生部および第2の気体発生部は、実質的に長方形であることが好ましく、かつ、前記隔壁を挟んで長辺が隣接するように設けられることが好ましい。
このような構成によれば、第1の気体発生部付近の電解液と第2の気体発生部付近の電解液との間のプロトンがイオン伝導する距離をより短くすることができる。また、第1の気体発生部および第2の気体発生部を形成する領域を広くすることができ、水素発生量をより多くすることができる。また、実質的に長方形とし、かつ、隔壁を挟んで設けることにより、発生させた水素または酸素を容易に回収することができる。
本発明の水素製造装置において、第1の気体発生部の一方の短辺の外側に設けられた第1ガス排出口と、第2の気体発生部の一方の短辺の外側に設けられた第2ガス排出口とをさらに備えることが好ましく、第1ガス排出口および第2ガス排出口は並んで設けられることが好ましい。
このような構成によれば、発生させた水素または酸素を容易に回収することができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, the first gas generation unit and the second gas generation unit are preferably substantially rectangular, and are provided so that the long sides are adjacent to each other with the partition wall in between. Is preferred.
According to such a configuration, it is possible to further shorten the distance of proton conduction between the electrolyte near the first gas generator and the electrolyte near the second gas generator. Moreover, the area | region which forms a 1st gas generation part and a 2nd gas generation part can be enlarged, and hydrogen generation amount can be increased more. In addition, the generated hydrogen or oxygen can be easily recovered by providing a substantially rectangular shape and sandwiching the partition wall.
In the hydrogen production apparatus of the present invention, the first gas discharge port provided outside one short side of the first gas generation unit and the first gas discharge port provided outside one short side of the second gas generation unit. It is preferable to further include two gas discharge ports, and the first gas discharge port and the second gas discharge port are preferably provided side by side.
According to such a configuration, the generated hydrogen or oxygen can be easily recovered.

本発明の水素製造装置において、第1ガス排出口および第2ガス排出口は複数であり、複数の第1ガス排出口は、1つの第1ガス排出路に導通し、複数の第1ガス排出口は、1つの第2ガス排出路に導通することが好ましい。
このような構成によれば、発生させた水素または酸素をより容易に回収することができ、利便性を高くすることができる。
本発明の水素製造装置において、隔壁は、イオン交換体を含むことが好ましい。
このような構成によれば、第1の気体発生部の上部の空間に導入された電解液と第2の気体発生部の上部の空間に導入された電解液との間のプロトン濃度の不均衡を解消することができ、安定して水素および酸素を発生させることができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, there are a plurality of first gas discharge ports and a plurality of second gas discharge ports, and the plurality of first gas discharge ports are electrically connected to one first gas discharge path, and a plurality of first gas discharge ports are provided. The outlet is preferably connected to one second gas discharge path.
According to such a configuration, the generated hydrogen or oxygen can be recovered more easily, and the convenience can be enhanced.
In the hydrogen production apparatus of the present invention, the partition preferably includes an ion exchanger.
According to such a configuration, the proton concentration imbalance between the electrolyte introduced into the space above the first gas generator and the electrolyte introduced into the space above the second gas generator. Can be eliminated, and hydrogen and oxygen can be generated stably.

本発明の水素製造装置において、第2の気体発生部は、絶縁部を介して前記裏面上に設けられることが好ましい。
このような構成によれば、第2の気体発生部と光電変換部の裏面との間にリーク電流が流れることを防止することができる。
本発明の水素製造装置において、前記裏面と第1の気体発生部との間に設けられた第2電極をさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の起電力により光電変換部の裏面と第1の気体発生部と間に流れる電流を大きくすることができ、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, it is preferable that the second gas generation unit is provided on the back surface through an insulating unit.
According to such a configuration, it is possible to prevent leakage current from flowing between the second gas generation unit and the back surface of the photoelectric conversion unit.
In the hydrogen production apparatus of the present invention, it is preferable to further include a second electrode provided between the back surface and the first gas generation unit.
According to such a configuration, the current flowing between the back surface of the photoelectric conversion unit and the first gas generation unit can be increased by the electromotive force of the photoelectric conversion unit, and hydrogen or oxygen can be generated more efficiently. Can do.

本発明の水素製造装置において、第2電極および前記絶縁部は、前記電解液に対する耐食性および遮液性を有することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部と電解液との接触を防止することができ、電解液による光電変換部の腐食を防止することができる。
本発明の水素製造装置において、第1の導電部は、前記受光面に接触する第1電極と、第1電極および第2の気体発生部にそれぞれ接触する第2の導電部とを含むことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の受光面と第2の気体発生部を電気的に接続させることができ、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, it is preferable that the second electrode and the insulating portion have corrosion resistance and liquid shielding properties against the electrolytic solution.
According to such a configuration, contact between the photoelectric conversion unit and the electrolytic solution can be prevented, and corrosion of the photoelectric conversion unit due to the electrolytic solution can be prevented.
In the hydrogen production apparatus of the present invention, the first conductive part includes a first electrode that contacts the light receiving surface, and a second conductive part that contacts the first electrode and the second gas generation part, respectively. preferable.
According to such a configuration, the light receiving surface of the photoelectric conversion unit and the second gas generation unit can be electrically connected, and hydrogen or oxygen can be generated more efficiently.

本発明の水素製造装置において、第2の導電部は、前記光電変換部を貫通するコンタクトホールに設けられることが好ましい。
このような構成によれば、第1電極と第2の気体発生部を電気的に接続させることができ、第2の導電部を設けたことによる光電変換部の受光面の面積の減少を少なくすることができる。
本発明の水素製造装置において、第2導電部は、前記受光面と平行な断面を有し、該断面は、第1の気体発生部および第2の気体発生部の列方向と平行な細長い形状を有することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の受光面と第2の気体発生部との間の電荷の移動に伴う電位の低下をより小さくすることができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, it is preferable that the second conductive portion is provided in a contact hole that penetrates the photoelectric conversion portion.
According to such a configuration, the first electrode and the second gas generation unit can be electrically connected, and the reduction in the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit due to the provision of the second conductive unit is reduced. can do.
In the hydrogen production apparatus of the present invention, the second conductive portion has a cross section parallel to the light receiving surface, and the cross section is an elongated shape parallel to the column direction of the first gas generating portion and the second gas generating portion. It is preferable to have.
According to such a configuration, it is possible to further reduce the potential drop caused by the movement of electric charge between the light receiving surface of the photoelectric conversion unit and the second gas generation unit.

本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、透光性を有する基板の上に設けられることが好ましい。
このような構成によれば、基板上に形成する必要がある光電変換部を本発明の水素製造装置に適用することができる。また、本発明の水素製造装置を取り扱いやすくすることができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, the photoelectric conversion unit is preferably provided on a light-transmitting substrate.
According to such a structure, the photoelectric conversion part which needs to be formed on a board | substrate can be applied to the hydrogen production apparatus of this invention. In addition, the hydrogen production apparatus of the present invention can be easily handled.

本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、p型半導体層、i型半導体層およびn型半導体層からなる光電変換層を有することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部がpin構造を有することができ、効率よく光電変換をすることができる。また、光電変換部で生じる起電力をより大きくすることができ、電解液をより効率的に電気分解することができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, the photoelectric conversion unit preferably has a photoelectric conversion layer composed of a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer.
According to such a configuration, the photoelectric conversion unit can have a pin structure, and photoelectric conversion can be performed efficiently. Moreover, the electromotive force generated in the photoelectric conversion unit can be increased, and the electrolytic solution can be electrolyzed more efficiently.

本発明の水素製造装置において、前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からH2が発生する反応の触媒および電解液からO2が発生する反応の触媒を含むことが好ましい。
このような構成によれば、水素発生部における電解液からH2が発生する反応の反応速度を増大させることができ、酸素発生部における電解液からO2が発生する反応の反応速度を増大させることができる。このことにより、光電変換部で生じた起電力により、より効率的にH2を製造することができ、光の利用効率を向上させることができる。
本発明の水素製造装置において、水素発生部および酸素発生部のうち少なくとも一方は、触媒が担持された多孔質の導電体であることが好ましい。
このような構成によれば、第1の気体発生部および第2の気体発生部のうち少なくとも一方の触媒表面積を大きくすることができ、より効率的に酸素または水素を発生させることができる。また、多孔質の導電体を用いることにより、光電変換部と触媒との間の電流が流れることによる電位の変化を抑制することができ、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, it is preferable that each of the hydrogen generation unit and the oxygen generation unit includes a catalyst for a reaction for generating H 2 from the electrolytic solution and a catalyst for a reaction for generating O 2 from the electrolytic solution.
According to such a configuration, the reaction rate of the reaction in which H 2 is generated from the electrolytic solution in the hydrogen generation unit can be increased, and the reaction rate of the reaction in which O 2 is generated from the electrolytic solution in the oxygen generation unit is increased. be able to. Thus, H 2 can be more efficiently produced by the electromotive force generated in the photoelectric conversion unit, and the light utilization efficiency can be improved.
In the hydrogen production apparatus of the present invention, it is preferable that at least one of the hydrogen generation part and the oxygen generation part is a porous conductor carrying a catalyst.
According to such a configuration, the surface area of at least one of the first gas generation unit and the second gas generation unit can be increased, and oxygen or hydrogen can be generated more efficiently. In addition, by using a porous conductor, a change in potential due to a current flowing between the photoelectric conversion unit and the catalyst can be suppressed, and hydrogen or oxygen can be generated more efficiently.

本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、透光性を有する基板の上に設けられ、第1の気体発生部および第2の気体発生部の上に前記基板に対向する天板をさらに備え、第1の気体発生部および第2の気体発生部と前記天板との間に空間が設けられることが好ましい。
このような構成によれば、第1の気体発生部および第2の気体発生部と前記天板との間に電解液を導入することができ、第1の気体発生部および第2の気体発生部において電解液からより効率的にH2およびO2が発生させることができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, the photoelectric conversion unit is provided on a light-transmitting substrate, and a top plate facing the substrate is provided on the first gas generation unit and the second gas generation unit. Further, it is preferable that a space is provided between the first gas generation unit and the second gas generation unit and the top plate.
According to such a configuration, the electrolytic solution can be introduced between the first gas generation unit and the second gas generation unit and the top plate, and the first gas generation unit and the second gas generation H 2 and O 2 can be more efficiently generated from the electrolytic solution in the part.

本発明の水素製造装置において、第1の気体発生部と第2の気体発生部との間に隔壁をさらに備え、前記隔壁は、第1の気体発生部と前記天板との間の空間および第2の気体発生部と天板との間の空間とを仕切るように設けられることが好ましい。
このような構成によれば、第1の気体発生部および第2の気体発生部でそれぞれ発生した水素および酸素を分離することができ、水素をより効率的に回収することができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, a partition is further provided between the first gas generation unit and the second gas generation unit, and the partition includes a space between the first gas generation unit and the top plate, and It is preferable to be provided so as to partition the space between the second gas generation unit and the top plate.
According to such a configuration, hydrogen and oxygen generated in the first gas generation unit and the second gas generation unit can be separated, and hydrogen can be recovered more efficiently.

また、本発明は、本発明の水素製造装置を前記受光面が水平面に対し傾斜するように設置し、前記水素製造装置の下部から前記水素製造装置に電解液を導入し、太陽光を前記受光面に入射させることにより前記水素発生部および前記酸素発生部からそれぞれ水素および酸素を発生させ、前記水素製造装置の上部から水素および酸素を排出する水素製造方法も提供する。
本発明の水素製造方法によれば、太陽光を利用して、低コストで水素を製造することができる。
In the present invention, the hydrogen production apparatus of the present invention is installed such that the light receiving surface is inclined with respect to a horizontal plane, an electrolyte is introduced into the hydrogen production apparatus from a lower part of the hydrogen production apparatus, and sunlight is received. There is also provided a hydrogen production method in which hydrogen and oxygen are respectively generated from the hydrogen generation unit and the oxygen generation unit by being incident on a surface, and hydrogen and oxygen are discharged from an upper part of the hydrogen production apparatus.
According to the hydrogen production method of the present invention, hydrogen can be produced at low cost using sunlight.

以下、図面に示す実施形態を用いてこの発明を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。   The present invention will be described below with reference to embodiments shown in the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description.

水素製造装置の構成
図1は本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示し、光電変換部の受光面側から見た概略平面図である。図2は、図1の点線A−Aの概略断面図である。図3は、本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示し、光電変換部の裏面側から見た概略裏面図である。
Configuration of Hydrogen Production Device FIG. 1 shows a configuration of a hydrogen production device according to an embodiment of the present invention, and is a schematic plan view seen from the light receiving surface side of a photoelectric conversion unit. 2 is a schematic cross-sectional view taken along a dotted line AA in FIG. FIG. 3 shows a configuration of the hydrogen production apparatus according to the embodiment of the present invention, and is a schematic back view seen from the back side of the photoelectric conversion unit.

本実施形態の水素製造装置23は、受光面および裏面を有する光電変換部2と、前記裏面の上に並列に設けられた第1の気体発生部8および第2の気体発生部7とを備え、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7のうち、一方は電解液からH2を発生させる水素発生部であり、他方は電解液からO2を発生させる酸素発生部であり、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7は、少なくとも一方が複数であり、第1の気体発生部8は前記裏面と電気的に接続され、第2の気体発生部7は第1の導電部9を介して前記受光面と電気的に接続することを特徴とする。 The hydrogen production apparatus 23 of this embodiment includes a photoelectric conversion unit 2 having a light receiving surface and a back surface, and a first gas generation unit 8 and a second gas generation unit 7 provided in parallel on the back surface. One of the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 is a hydrogen generation unit that generates H 2 from the electrolytic solution, and the other is an oxygen generation unit that generates O 2 from the electrolytic solution. At least one of the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 is plural, the first gas generation unit 8 is electrically connected to the back surface, and the second gas generation unit 7 is It is electrically connected to the light receiving surface via the first conductive portion 9.

また、本実施形態の水素製造装置23に含まれる第1の導電部9は、第1電極4と第2の導電部10からなってもよい。また、本実施形態の水素製造装置23は、基板1、第2電極5、絶縁部11、隔壁13、天板14、電解液流路15、シール材16、給水口18、第1ガス排出口20、第2ガス排出口19、第1ガス排出路25および第2ガス排出路26を備えてもよい。
以下、本実施形態の水素製造装置について説明する。
In addition, the first conductive unit 9 included in the hydrogen production apparatus 23 of the present embodiment may include the first electrode 4 and the second conductive unit 10. Further, the hydrogen production apparatus 23 of the present embodiment includes the substrate 1, the second electrode 5, the insulating portion 11, the partition wall 13, the top plate 14, the electrolyte flow path 15, the sealing material 16, the water supply port 18, and the first gas discharge port. 20, a second gas discharge port 19, a first gas discharge path 25, and a second gas discharge path 26 may be provided.
Hereinafter, the hydrogen production apparatus of this embodiment will be described.

1.基板
基板1は、本実施形態の水素製造装置23が備えてもよい。また、光電変換部2は、受光面が基板1側となるように透光性の基板1の上に設けられてもよい。なお、光電変換部2が、半導体基板などからなり一定の強度を有する場合、基板1は省略することが可能である。また、光電変換部2が樹脂フィルムなど柔軟性を有する材料の上に形成可能な場合、基板1は省略することができる。
1. Substrate The substrate 1 may be provided in the hydrogen production apparatus 23 of the present embodiment. Moreover, the photoelectric conversion part 2 may be provided on the translucent board | substrate 1 so that a light-receiving surface may become the board | substrate 1 side. In addition, when the photoelectric conversion part 2 consists of semiconductor substrates etc. and has fixed intensity | strength, the board | substrate 1 can be abbreviate | omitted. Moreover, when the photoelectric conversion part 2 can be formed on a flexible material such as a resin film, the substrate 1 can be omitted.

また、基板1は、本水素製造装置を構成するための土台となる部材である。また、太陽光を光電変換部2の受光面で受光するためには、透明であり光透過率が高いことが好ましいが、光電変換部2へ効率的な光の入射が可能な構造であれば、光透過率に制限はない。
光透過率が高い基板材料として、例えば、ソーダガラス、石英ガラス、パイレックス(登録商標)、合成石英板等の透明なリジッド材、あるいは透明樹脂板やフィルム材等が好適に用いられる。化学的および物理的安定性を備える点より、ガラス基板を用いることが好ましい。
基板1の光電変換部2側の表面には、入射した光が光電変換部2の表面で有効に乱反射されるように、微細な凹凸構造に形成することができる。この微細な凹凸構造は、例えば反応性イオンエッチング(RIE)処理もしくはブラスト処理等の公知の方法により形成することが可能である。
Moreover, the board | substrate 1 is a member used as the foundation for comprising this hydrogen production apparatus. Moreover, in order to receive sunlight with the light-receiving surface of the photoelectric conversion unit 2, it is preferable to be transparent and have a high light transmittance. However, as long as the light can be efficiently incident on the photoelectric conversion unit 2. There is no limit to the light transmittance.
As a substrate material having a high light transmittance, for example, a transparent rigid material such as soda glass, quartz glass, Pyrex (registered trademark), or a synthetic quartz plate, or a transparent resin plate or film material is preferably used. In view of chemical and physical stability, it is preferable to use a glass substrate.
On the surface of the substrate 1 on the photoelectric conversion unit 2 side, a fine uneven structure can be formed so that incident light is effectively diffusely reflected on the surface of the photoelectric conversion unit 2. This fine concavo-convex structure can be formed by a known method such as reactive ion etching (RIE) treatment or blast treatment.

2.第1の導電部
第1の導電部9は、第2の気体発生部7と光電変換部2の受光面とを電気的に接続させる。また、第1の導電部9は、1つの部材からなってもよく、第1電極4と第2の導電部10からなってもよい。第1の導電部9を設けることにより、光電変換部2の受光面の電位と第2の気体発生部7の電位をほぼ同じにすることができ、第2の気体発生部7で水素または酸素を発生させることができる。
第1の導電部9が1つの部材からなる場合としては、例えば、光電変換部2の受光面と第2の気体発生部7を電気的に接続させる金属配線などである。また、例えば、Agからなる金属配線である。また、この金属配線は、光電変換部2に入射する光を減少させいないように、フィンガー電極のような形状を有してもよい。第1の導電部9は、基板1の光電変換部2側に設けられてもよく、光電変換部2の受光面に設けられてもよい。
2. First Conductive Unit The first conductive unit 9 electrically connects the second gas generating unit 7 and the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2. Further, the first conductive portion 9 may be composed of one member, or may be composed of the first electrode 4 and the second conductive portion 10. By providing the first conductive portion 9, the potential of the light receiving surface of the photoelectric conversion portion 2 and the potential of the second gas generation portion 7 can be made substantially the same, and hydrogen or oxygen can be generated in the second gas generation portion 7. Can be generated.
Examples of the case where the first conductive portion 9 is made of one member include metal wiring that electrically connects the light receiving surface of the photoelectric conversion portion 2 and the second gas generation portion 7. For example, it is a metal wiring made of Ag. Further, the metal wiring may have a shape like a finger electrode so as not to reduce light incident on the photoelectric conversion unit 2. The first conductive unit 9 may be provided on the photoelectric conversion unit 2 side of the substrate 1 or may be provided on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2.

3.第1電極
第1電極4は、基板1の上に設けることができ、光電変換部2の受光面と接触するように設けることができる。また、第1電極4は透光性を有してもよい。また、第1電極4は、基板1を省略可能の場合、光電変換部2の受光面に直接設けられてもよい。第1電極4を設けることにより、光電変換部2の受光面と第2の気体発生部7との間に流れる電流を大きくすることができる。
第1電極4は、例えば、ITO、SnO2などの透明導電膜からなってもよく、Ag、Auなどの金属のフィンガー電極からなってもよい。
3. 1st electrode The 1st electrode 4 can be provided on the board | substrate 1, and can be provided so that the light-receiving surface of the photoelectric conversion part 2 may be contacted. Moreover, the 1st electrode 4 may have translucency. Moreover, the 1st electrode 4 may be directly provided in the light-receiving surface of the photoelectric conversion part 2, when the board | substrate 1 can be abbreviate | omitted. By providing the first electrode 4, the current flowing between the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the second gas generation unit 7 can be increased.
The first electrode 4 may be made of a transparent conductive film such as ITO or SnO 2, or may be made of a metal finger electrode such as Ag or Au.

以下に第1電極4を透明導電膜とした場合について説明する。
透明導電膜は、光電変換部2の受光面と第2の気体発生部7とのコンタクトを取りやすくするために用いている。
一般に透明電極として使用されているものを用いることが可能である。具体的にはIn−Zn−O(IZO)、In−Sn−O(ITO)、ZnO−Al、Zn−Sn−O、SnO2等を挙げることができる。なお本透明導電膜は、太陽光の光線透過率が85%以上、中でも90%以上、特に92%以上であることが好ましい。このことにより光電変換部2が光を効率的に吸収することができるためである。
透明導電膜の作成方法としては公知の方法を用いることができ、スパッタリング、真空蒸着、ゾルゲル法、クラスタービーム蒸着法、PLD(Pulse Laser Deposition)法などが挙げられる。
A case where the first electrode 4 is a transparent conductive film will be described below.
The transparent conductive film is used to facilitate contact between the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the second gas generation unit 7.
What is generally used as a transparent electrode can be used. Specifically, In—Zn—O (IZO), In—Sn—O (ITO), ZnO—Al, Zn—Sn—O, SnO 2 and the like can be given. The transparent conductive film preferably has a sunlight transmittance of 85% or more, particularly 90% or more, and particularly 92% or more. This is because the photoelectric conversion unit 2 can absorb light efficiently.
As a method for producing the transparent conductive film, a known method can be used, and examples thereof include sputtering, vacuum deposition, sol-gel method, cluster beam deposition method, and PLD (Pulse Laser Deposition) method.

4.光電変換部
光電変換部2は、受光面および裏面を有し、光電変換部2の裏面の上に第1の気体発生部8と第2の気体発生部7が並列に設けられている。なお、受光面とは、光電変換するための光を受光する面であり、裏面とは、受光面の裏の面である。また、光電変換部2は、第1電極4が設けられた基板1の上に受光面を下にして設けることができる。
光電変換部2の形は、特に限定されないが、例えば、実質的に方形である。光電変換部2が実質的に方形の場合、光電変換部の一辺と平行に、一定の幅を有する第1の気体発生部8と一定の幅を有する第2の気体発生部7を並列に並べることができる。この場合、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7の並んだ方向の光電変換部2の幅は、例えば、50cm以上200cm以下である。このことにより、水素製造装置を大型化することができ、水素発生量を多くすることができる。また、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7の並んだ方向に垂直な方向の光電変換部2の幅は、例えば、50cm以上200cm以下である。
4). Photoelectric Conversion Unit The photoelectric conversion unit 2 has a light receiving surface and a back surface, and a first gas generation unit 8 and a second gas generation unit 7 are provided in parallel on the back surface of the photoelectric conversion unit 2. The light receiving surface is a surface that receives light for photoelectric conversion, and the back surface is the back surface of the light receiving surface. The photoelectric conversion unit 2 can be provided on the substrate 1 on which the first electrode 4 is provided with the light receiving surface facing down.
Although the shape of the photoelectric conversion part 2 is not specifically limited, For example, it is substantially square. When the photoelectric conversion unit 2 is substantially square, the first gas generation unit 8 having a certain width and the second gas generation unit 7 having a certain width are arranged in parallel with one side of the photoelectric conversion unit. be able to. In this case, the width of the photoelectric conversion unit 2 in the direction in which the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 are arranged is, for example, 50 cm or more and 200 cm or less. As a result, the size of the hydrogen production apparatus can be increased, and the amount of hydrogen generation can be increased. Moreover, the width | variety of the photoelectric conversion part 2 of the direction perpendicular | vertical to the direction where the 1st gas generation part 8 and the 2nd gas generation part 7 were located is 50 cm or more and 200 cm or less, for example.

光電変換部2は、入射光により電荷分離することができ、受光面と裏面との間に起電力が生じるものであれば、特に限定されないが、例えば、シリコン系半導体を用いた光電変換部、化合物半導体を用いた光電変換部、色素増感剤を利用した光電変換部、有機薄膜を用いた光電変換部などである。   The photoelectric conversion unit 2 is not particularly limited as long as it can perform charge separation by incident light and generates an electromotive force between the light receiving surface and the back surface. For example, the photoelectric conversion unit using a silicon-based semiconductor, A photoelectric conversion unit using a compound semiconductor, a photoelectric conversion unit using a dye sensitizer, a photoelectric conversion unit using an organic thin film, and the like.

光電変換部2は、光を受光することにより、水素発生部および酸素発生部においてそれぞれ水素と酸素が発生するために必要な起電力が生じる材料を使用する必要がある。水素発生部と酸素発生部の電位差は、水分解のための理論電圧(1.23V)より大きくする必要があり、そのためには光電変換部2で十分大きな電位差を生み出す必要がある。そのため光電変換部2は、pn接合など起電力を生じさせる部分を二接合以上直列に接続することが好ましい。   The photoelectric conversion unit 2 needs to use a material that generates electromotive force necessary to generate hydrogen and oxygen in the hydrogen generation unit and the oxygen generation unit, respectively, by receiving light. The potential difference between the hydrogen generation unit and the oxygen generation unit needs to be larger than the theoretical voltage (1.23 V) for water splitting. For that purpose, it is necessary to generate a sufficiently large potential difference in the photoelectric conversion unit 2. Therefore, it is preferable that the photoelectric conversion unit 2 connects two or more junctions in series such as a pn junction to generate electromotive force.

光電変換を行う材料は、シリコン系半導体、化合物半導体、有機材料をベースとしたものなどが挙げられるが、いずれの光電変換材料も使用することが可能である。また、起電力を大きくするために、これらの光電変換材料を積層することが可能である。積層する場合には同一材料で多接合構造を形成することが可能であるが、光学的バンドギャップの異なる複数の光電変換層を積層し、各々の光電変換層の低感度波長領域を相互に補完することにより、広い波長領域にわたり入射光を効率よく吸収することが可能となる。これらの複数の光電変換層は、それぞれ異なるバンドギャップを有することが好ましい。このような構成によれば、光電変換部で生じる起電力をより大きくすることができ、電解液をより効率的に電気分解することができる。   Examples of the material that performs photoelectric conversion include silicon-based semiconductors, compound semiconductors, and materials based on organic materials, and any photoelectric conversion material can be used. In order to increase the electromotive force, these photoelectric conversion materials can be stacked. In the case of stacking, it is possible to form a multi-junction structure with the same material, but stacking multiple photoelectric conversion layers with different optical band gaps and complementing the low sensitivity wavelength region of each photoelectric conversion layer mutually By doing so, incident light can be efficiently absorbed over a wide wavelength region. The plurality of photoelectric conversion layers preferably have different band gaps. According to such a configuration, the electromotive force generated in the photoelectric conversion unit can be further increased, and the electrolytic solution can be electrolyzed more efficiently.

また、光電変換層間の直列接続特性の改善や、光電変換部2で発生する光電流の整合のために、層間に透明導電膜等の導電体を介在させることが可能である。これにより光電変換部2の劣化を抑制することが可能となる。
光電変換部2の例を以下に具体的に説明する。また、光電変換部2は、これらを組み合わせたものでもよい。
Moreover, it is possible to interpose a conductor such as a transparent conductive film between the layers in order to improve the serial connection characteristics between the photoelectric conversion layers and to match the photocurrent generated in the photoelectric conversion unit 2. Thereby, it becomes possible to suppress deterioration of the photoelectric conversion unit 2.
An example of the photoelectric conversion unit 2 will be specifically described below. The photoelectric conversion unit 2 may be a combination of these.

4−1.シリコン系半導体を用いた光電変換部
シリコン系半導体を用いた光電変換部2は、例えば、単結晶型、多結晶型、アモルファス型、球状シリコン型、及びこれらを組み合わせたもの等が挙げられる。いずれもp型半導体とn型半導体が接合したpn接合を有することができる。また、p型半導体とn型半導体との間にi型半導体を設けたpin接合を有するものとすることもできる。また、pn接合を複数有するもの、pin接合を複数有するもの、pn接合とpin接合を有するものとすることもできる。
シリコン系半導体とは、シリコンを含む半導体であり、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、シリコンゲルマニウムなどである。また、シリコンなどにn型不純物またはp型不純物が添加されたものも含み、また、結晶質、非晶質、微結晶のものも含む。
また、シリコン系半導体を用いた光電変換部2は、基板1の上に形成された薄膜または厚膜の光電変換層であってもよく、また、シリコンウェハなどのウェハにpn接合またはpin接合を形成したものでもよく、また、pn接合またはpin接合を形成したウェハの上に薄膜の光電変換層を形成したものでもよい。
4-1. Photoelectric conversion part using a silicon-based semiconductor Examples of the photoelectric conversion part 2 using a silicon-based semiconductor include a single crystal type, a polycrystalline type, an amorphous type, a spherical silicon type, and combinations thereof. Any of them can have a pn junction in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are joined. Further, a pin junction in which an i-type semiconductor is provided between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor may be provided. Further, it may have a plurality of pn junctions, a plurality of pin junctions, or a pn junction and a pin junction.
The silicon-based semiconductor is a semiconductor containing silicon, such as silicon, silicon carbide, or silicon germanium. In addition, silicon or the like in which n-type impurities or p-type impurities are added is included, and crystalline, amorphous, or microcrystalline silicon is also included.
The photoelectric conversion unit 2 using a silicon-based semiconductor may be a thin film or a thick photoelectric conversion layer formed on the substrate 1, and a pn junction or a pin junction is formed on a wafer such as a silicon wafer. A thin film photoelectric conversion layer may be formed on a wafer on which a pn junction or a pin junction is formed.

シリコン系半導体を用いた光電変換部2の形成例を以下に示す。
基板1上に積層した第1電極4上に、第1導電型半導体層をプラズマCVD法等の方法で形成する。この第1導電型半導体層としては、導電型決定不純物原子濃度が1×1018〜5×1021/cm3程度ドープされた、p+型またはn+型の非晶質Si薄膜、または多結晶あるいは微結晶Si薄膜とする。第1導電型半導体層の材料としては、Siに限らず、SiCあるいはSiGe,Six1-x等の化合物を用いることも可能である。
An example of forming the photoelectric conversion unit 2 using a silicon-based semiconductor is shown below.
A first conductivity type semiconductor layer is formed on the first electrode 4 stacked on the substrate 1 by a method such as a plasma CVD method. As the first conductive type semiconductor layer, a p + type or n + type amorphous Si thin film doped with a conductivity type determining impurity atom concentration of about 1 × 10 18 to 5 × 10 21 / cm 3 , a polycrystalline or A microcrystalline Si thin film is used. The material of the first conductivity type semiconductor layer is not limited to Si, and it is also possible to use a compound such as SiC, SiGe, or Si x O 1-x .

このように形成された第1導電型半導体層上に、結晶質Si系光活性層として多結晶あるいは微結晶の結晶質Si薄膜をプラズマCVD法等の方法で形成する。なお、導電型は第1導電型半導体よりドーピング濃度が低い第1導電型とするか、あるいはi型とする。結晶質Si系光活性層の材料としては、Siに限らず、SiCあるいはSiGe,Six1-x等の化合物を用いることも可能である。 On the first conductivity type semiconductor layer thus formed, a polycrystalline or microcrystalline crystalline Si thin film is formed as a crystalline Si photoactive layer by a method such as plasma CVD. The conductivity type is the first conductivity type having a lower doping concentration than the first conductivity type semiconductor, or the i conductivity type. The material for the crystalline Si-based photoactive layer is not limited to Si, and it is also possible to use a compound such as SiC, SiGe, or Si x O 1-x .

次に、結晶質Si系光活性層上に半導体接合を形成するため、第1導電型半導体層とは反対導電型である第2導電型半導体層をプラズマCVD等の方法で形成する。この第2導電型半導体層としては、導電型決定不純物原子が1×1018〜5×1021/cm3程度ドープされた、n+型またはp+型の非晶質Si薄膜、または多結晶あるいは微結晶Si薄膜とする。第2導電型半導体層の材料としては、Siに限らず、SiCあるいはSiGe,Six1-x等の化合物を用いることも可能である。また接合特性をより改善するために、結晶質Si系光活性層と第2導電型半導体層との間に、実質的にi型の非単結晶Si系薄膜を挿入することも可能である。このようにして、受光面に最も近い光電変換層を一層積層することができる。 Next, in order to form a semiconductor junction on the crystalline Si-based photoactive layer, a second conductivity type semiconductor layer having a conductivity type opposite to the first conductivity type semiconductor layer is formed by a method such as plasma CVD. As the second conductivity type semiconductor layer, an n + type or p + type amorphous Si thin film doped with about 1 × 10 18 to 5 × 10 21 / cm 3 of conductivity type determining impurity atoms, or a polycrystalline or microscopic A crystalline Si thin film is used. The material of the second conductivity type semiconductor layer is not limited to Si, and it is also possible to use a compound such as SiC, SiGe, or Si x O 1-x . In order to further improve the bonding characteristics, it is possible to insert a substantially i-type non-single-crystal Si-based thin film between the crystalline Si-based photoactive layer and the second conductive type semiconductor layer. In this manner, one photoelectric conversion layer closest to the light receiving surface can be stacked.

続けて第二層目の光電変換層を形成する。第二層目の光電変換層は、第1導電型半導体層、結晶質Si系光活性層、第2導電型半導体層からなり、それぞれの層は、第一層目の光電変換層中の対応する第1導電型半導体層、結晶質Si系光活性層、第2導電型半導体層と同様に形成する。二層のタンデムで水分解に十分な電位を得ることができない場合は、三層あるいはそれ以上の層状構造を取ることが好ましい。ただし第二層目の光電変換層の結晶質Si系光活性層の体積結晶化分率は、第一層目の結晶質Si系光活性層と比較すると高くすることが好ましい。三層以上積層する場合も同様に下層と比較すると体積結晶化分率を高くすることが好ましい。これは、長波長域での吸収が大きくなり、分光感度が長波長側にシフトし、同じSi材料を用いて光活性層を構成した場合においても、広い波長域で感度を向上させることが可能となるためである。すなわち、結晶化率の異なるSiでタンデム構造にすることにより、分光感度が広くなり、光の高効率利用が可能となる。このとき低結晶化率材料を受光面側にしないと高効率とならない。また結晶化率が40%以下に下がるとアモルファス成分が増え、劣化が生じてしまう。   Subsequently, a second photoelectric conversion layer is formed. The second photoelectric conversion layer is composed of a first conductivity type semiconductor layer, a crystalline Si-based photoactive layer, and a second conductivity type semiconductor layer, each layer corresponding to the first photoelectric conversion layer. The first conductive type semiconductor layer, the crystalline Si-based photoactive layer, and the second conductive type semiconductor layer are formed. When a potential sufficient for water splitting cannot be obtained with a two-layer tandem, it is preferable to take a three-layer structure or more. However, the volume crystallization fraction of the crystalline Si photoactive layer of the second photoelectric conversion layer is preferably higher than that of the first crystalline Si photoactive layer. Similarly, when three or more layers are laminated, it is preferable to increase the volume crystallization fraction as compared with the lower layer. This increases the absorption in the long wavelength region, shifts the spectral sensitivity to the long wavelength side, and can improve the sensitivity in a wide wavelength region even when the photoactive layer is configured using the same Si material. It is because it becomes. That is, by using a tandem structure with Si having different crystallization rates, the spectral sensitivity is widened, and light can be used with high efficiency. At this time, if the low crystallization rate material is not on the light receiving surface side, high efficiency cannot be achieved. Further, when the crystallization rate is lowered to 40% or less, the amorphous component increases and deterioration occurs.

4−2.化合物半導体を用いた光電変換部
化合物半導体を用いた光電変換部は、例えば、III−V族元素で構成されるGaP、GaAsやInP、InAs、II−VI族元素で構成されるCdTe/CdS、I−III−VI族で構成されるCIGS(Copper Indium Gallium DiSelenide)などを用いpn接合を形成したものが挙げられる。
4-2. Photoelectric conversion part using compound semiconductor The photoelectric conversion part using a compound semiconductor is, for example, GaP, GaAs, InP, InAs, or IId-VI group elements composed of III-V group elements, CdTe / CdS, Examples thereof include those in which a pn junction is formed using CIGS (Copper Indium Gallium DiSelenide) composed of a group I-III-VI.

化合物半導体を用いた光電変換部の製造方法の一例を以下に示すが、本製造方法では、製膜処理等はすべて有機金属気相成長法(MOCVD;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置を使って連続して行われる。III族元素の材料としては、例えばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなどの有機金属が水素をキャリアガスとして成長装置に供給される。V族元素の材料としては、例えばアルシン(AsH3)、ホスフィン(PH3)、スチビン(SbH3)等のガスが使われる。p型不純物またはn型不純物のドーパントとしては、例えばp型化にはジエチルジンク、またはn型化には、モノシラン(SiH4)やジシラン(Si26)、セレン化水素(H2Se)等が利用される。これらの原料ガスを、例えば700℃に加熱された基板上に供給することにより熱分解させ、所望の化合物半導体材料膜をエピタキシャル成長させることが可能である。これら成長層の組成は導入するガス組成により、また膜厚はガスの導入時間によって制御することが可能である。これらの光電変換部を多接合積層する場合は、層間での格子定数を可能な限り合わせることにより、結晶性に優れた成長層を形成することができ、光電変換効率を向上することが可能となる。 An example of a method for manufacturing a photoelectric conversion unit using a compound semiconductor is shown below. In this manufacturing method, all film forming processes and the like are continuously performed using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus. Done. As a group III element material, for example, an organic metal such as trimethylgallium, trimethylaluminum, or trimethylindium is supplied to the growth apparatus using hydrogen as a carrier gas. For example, a gas such as arsine (AsH 3 ), phosphine (PH 3 ), and stibine (SbH 3 ) is used as the material of the group V element. As a dopant of p-type impurities or n-type impurities, for example, diethyl zinc for p-type conversion, monosilane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), hydrogen selenide (H 2 Se) for n-type conversion. Etc. are used. These source gases can be thermally decomposed by supplying them onto a substrate heated to, for example, 700 ° C., and a desired compound semiconductor material film can be epitaxially grown. The composition of these growth layers can be controlled by the gas composition to be introduced, and the film thickness can be controlled by the gas introduction time. When multi-junction laminating these photoelectric conversion parts, it is possible to form a growth layer with excellent crystallinity by adjusting the lattice constant between layers as much as possible, and to improve the photoelectric conversion efficiency. Become.

pn接合を形成した部分以外にも、例えば受光面側に公知の窓層や、非受光面側に公知の電界層等を設けることによりキャリア収集効率を高める工夫を有してもよい。また不純物の拡散を防止するためのバッファ層を有していてもよい。   In addition to the portion where the pn junction is formed, for example, a known window layer on the light receiving surface side or a known electric field layer on the non-light receiving surface side may be provided to improve carrier collection efficiency. Further, a buffer layer for preventing diffusion of impurities may be provided.

4−3.色素増感剤を利用した光電変換部
色素増感剤を利用した光電変換部は、例えば、主に多孔質半導体、色素増感剤、電解質、溶媒などにより構成される。
多孔質半導体を構成する材料としては、例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム等公知の半導体から1種類以上を選択することが可能である。多孔質半導体を基板上に形成する方法としては、半導体粒子を含有するペーストをスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたCVD法等により製膜する方法、PVD法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
4-3. Photoelectric conversion part using a dye sensitizer The photoelectric conversion part using a dye sensitizer is mainly composed of, for example, a porous semiconductor, a dye sensitizer, an electrolyte, a solvent, and the like.
As a material constituting the porous semiconductor, for example, one or more kinds of known semiconductors such as titanium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, barium titanate, strontium titanate, cadmium sulfide can be selected. As a method for forming a porous semiconductor on a substrate, a paste containing semiconductor particles is applied by a screen printing method, an ink jet method and the like, dried or baked, a method of forming a film by a CVD method using a raw material gas, etc. , PVD method, vapor deposition method, sputtering method, sol-gel method, method using electrochemical oxidation-reduction reaction, and the like.

多孔質半導体に吸着する色素増感剤としては、可視光領域および赤外光領域に吸収を持つ種々の色素を用いることが可能である。ここで、多孔質半導体に色素を強固に吸着させるには、色素分子中にカルボン酸基、カルボン酸無水基、アルコキシ基、スルホン酸基、ヒドロキシル基、ヒドロキシルアルキル基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基等が存在することが好ましい。これらの官能基は、励起状態の色素と多孔質半導体の伝導帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供する。   As the dye sensitizer adsorbed on the porous semiconductor, various dyes having absorption in the visible light region and the infrared light region can be used. Here, in order to firmly adsorb the dye to the porous semiconductor, the carboxylic acid group, carboxylic anhydride group, alkoxy group, sulfonic acid group, hydroxyl group, hydroxylalkyl group, ester group, mercapto group, phosphonyl in the dye molecule It is preferable that a group or the like exists. These functional groups provide an electrical bond that facilitates electron transfer between the excited state dye and the conduction band of the porous semiconductor.

これらの官能基を含有する色素として、例えば、ルテニウムビピリジン系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、アゾ系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ベリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素等が挙げられる。   Examples of dyes containing these functional groups include ruthenium bipyridine dyes, quinone dyes, quinone imine dyes, azo dyes, quinacridone dyes, squarylium dyes, cyanine dyes, merocyanine dyes, and triphenylmethane dyes. Xanthene dyes, porphyrin dyes, phthalocyanine dyes, berylene dyes, indigo dyes, naphthalocyanine dyes, and the like.

多孔質半導体への色素の吸着方法としては、例えば多孔質半導体を、色素を溶解した溶液(色素吸着用溶液)に浸漬する方法が挙げられる。色素吸着用溶液に用いられる溶媒としては、色素を溶解するものであれば特に制限されず、具体的には、エタノール、メタノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトニトリル等の窒素化合物類、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン等の芳香族炭化水素、酢酸エチル等のエステル類、水等を挙げることができる。   Examples of the method for adsorbing the dye to the porous semiconductor include a method in which the porous semiconductor is immersed in a solution in which the dye is dissolved (dye adsorption solution). The solvent used in the dye adsorption solution is not particularly limited as long as it dissolves the dye, and specifically, alcohols such as ethanol and methanol, ketones such as acetone, ethers such as diethyl ether and tetrahydrofuran. Nitrogen compounds such as acetonitrile, aliphatic hydrocarbons such as hexane, aromatic hydrocarbons such as benzene, esters such as ethyl acetate, water, and the like.

電解質は、酸化還元対とこれを保持する液体または高分子ゲル等固体の媒体からなる。
酸化還元対としては一般に、鉄系、コバルト系等の金属類や塩素、臭素、ヨウ素等のハロゲン物質が好適に用いられ、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム等の金属ヨウ化物とヨウ素の組み合わせが好ましく用いられる。さらに、ジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド等のイミダゾール塩等を混入することもできる。
The electrolyte is composed of a redox pair and a solid medium such as a liquid or polymer gel holding the redox pair.
In general, iron- and cobalt-based metals and halogen substances such as chlorine, bromine, and iodine are preferably used as the redox pair, and metal iodides such as lithium iodide, sodium iodide, and potassium iodide and iodine are used. The combination of is preferably used. Furthermore, imidazole salts such as dimethylpropylimidazole iodide can also be mixed.

また、溶媒としては、プロピレンカーボネート等のカーボネート化合物、アセトニトリル等のニトリル化合物、エタノール、メタノール等のアルコール、その他、水や非プロトン極性物質等が用いられるが、中でも、カーボネート化合物やニトリル化合物が好適に用いられる。   As the solvent, carbonate compounds such as propylene carbonate, nitrile compounds such as acetonitrile, alcohols such as ethanol and methanol, water, aprotic polar substances, and the like are used. Of these, carbonate compounds and nitrile compounds are preferred. Used.

4−4.有機薄膜を用いた光電変換部
有機薄膜を用いた光電変換部は、電子供与性および電子受容性を持つ有機半導体材料で構成される電子正孔輸送層、または電子受容性を有する電子輸送層と電子供与性を有する正孔輸送層とが積層されたものであってもよい。
電子供与性の有機半導体材料としては、電子供与体としての機能を有するものであれば特に限定されないが、塗布法により製膜できることが好ましく、中でも電子供与性の導電性高分子が好適に使用される。
4-4. Photoelectric conversion part using organic thin film A photoelectric conversion part using an organic thin film comprises an electron hole transport layer composed of an organic semiconductor material having electron donating properties and electron accepting properties, or an electron transport layer having electron accepting properties. It may be a laminate of a hole transport layer having an electron donating property.
The electron-donating organic semiconductor material is not particularly limited as long as it has a function as an electron donor, but it is preferable that a film can be formed by a coating method, and among them, an electron-donating conductive polymer is preferably used. The

ここで導電性高分子とはπ共役高分子を示し、炭素−炭素またはヘテロ原子を含む二重結合または三重結合が、単結合と交互に連なったπ共役系からなり、半導体的性質を示すものをさす。   Here, the conductive polymer means a π-conjugated polymer, which is composed of a π-conjugated system in which double bonds or triple bonds containing carbon-carbon or hetero atoms are alternately linked to single bonds, and exhibits semiconducting properties. Point.

電子供与性の導電性高分子材料としては、例えばポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリシラン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、およびこれらの誘導体、共重合体、あるいはフタロシアニン含有ポリマー、カルバゾール含有ポリマー、有機金属ポリマー等が挙げられる。中でも、チオフェン−フルオレン共重合体、ポリアルキルチオフェン、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体、フルオレン−フェニレンビニレン共重合体、チオフェン−フェニレンビニレン共重合体等が好適に利用される。   Examples of the electron-donating conductive polymer material include polyphenylene, polyphenylene vinylene, polythiophene, polycarbazole, polyvinyl carbazole, polysilane, polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, polyfluorene, polyvinyl pyrene, polyvinyl anthracene, and derivatives, Examples thereof include a polymer, a phthalocyanine-containing polymer, a carbazole-containing polymer, and an organometallic polymer. Among these, thiophene-fluorene copolymer, polyalkylthiophene, phenyleneethynylene-phenylene vinylene copolymer, fluorene-phenylene vinylene copolymer, thiophene-phenylene vinylene copolymer, and the like are preferably used.

電子受容性の有機半導体材料としては、電子受容体としての機能を有するものであれば特に限定されないが、塗布法により製膜できることが好ましく、中でも電子供与性の導電性高分子が好適に使用される。
電子受容性の導電性高分子としては、例えばポリフェニレンビニレン、ポリフルオレン、およびこれらの誘導体、共重合体、あるいはカーボンナノチューブ、フラーレンおよびこれらの誘導体、CN基またはCF3基含有ポリマーおよびそれらの−CF3置換ポリマー等が挙げられる。
The electron-accepting organic semiconductor material is not particularly limited as long as it has a function as an electron acceptor. However, it is preferable that a film can be formed by a coating method, and among them, an electron-donating conductive polymer is preferably used. The
Examples of the electron-accepting conductive polymer include polyphenylene vinylene, polyfluorene, and derivatives and copolymers thereof, or carbon nanotubes, fullerene and derivatives thereof, CN group or CF 3 group-containing polymers, and -CF thereof. Examples thereof include 3- substituted polymers.

また、電子供与性化合物がドープされた電子受容性の有機半導体材料や、電子受容性化合物がドープされた電子供与性の有機半導体材料等を用いることが可能である。電子供与性化合物がドープされる電子受容性の導電性高分子材料としては、上述の電子受容性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子供与性化合物としては、例えばLi、K、Ca、Cs等のアルカリ金属やアルカリ土類金属のようなルイス塩基を用いることができる。なお、ルイス塩基は電子供与体として作用する。また、電子受容性化合物がドープされる電子供与性の導電性高分子材料としては、上述した電子供与性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子受容性化合物としては、例えばFeCl3、AlCl3、AlBr3、AsF6やハロゲン化合物のようなルイス酸を用いることができる。なお、ルイス酸は電子受容体として作用する。 In addition, an electron-accepting organic semiconductor material doped with an electron-donating compound, an electron-donating organic semiconductor material doped with an electron-accepting compound, or the like can be used. Examples of the electron-accepting conductive polymer material doped with the electron-donating compound include the above-described electron-accepting conductive polymer material. As the electron-donating compound to be doped, for example, a Lewis base such as an alkali metal such as Li, K, Ca, or Cs or an alkaline earth metal can be used. The Lewis base acts as an electron donor. Examples of the electron-donating conductive polymer material doped with the electron-accepting compound include the above-described electron-donating conductive polymer material. As the electron-accepting compound to be doped, for example, a Lewis acid such as FeCl 3 , AlCl 3 , AlBr 3 , AsF 6 or a halogen compound can be used. In addition, Lewis acid acts as an electron acceptor.

上記にて示した光電変換部2においては、第一義的には太陽光を受光させ光電変換を行うことを想定しているが、用途により蛍光灯や白熱灯、LED、特定の熱源から発せられる光等の人工光を照射し光電変換を行うことも可能である。   In the photoelectric conversion unit 2 shown above, it is assumed that sunlight is received and photoelectric conversion is primarily performed. However, it is emitted from a fluorescent lamp, an incandescent lamp, an LED, or a specific heat source depending on the application. It is also possible to perform photoelectric conversion by irradiating artificial light such as light.

5.第2電極
第2電極5は、光電変換部2と第1の気体発生部8との間に設けることができる。第2電極5を設けることにより、光電変換部2の裏面の電位と第1の気体発生部8の電位をほぼ同じにすることができる。また、光電変換部2の裏面と第1の気体発生部8との間のオーミックロスを低減することができる。また、光電変換部2の裏面と第1の気体発生部8との間に流れる電流を大きくすることができる。このことにより、光電変換部2で生じた起電力により水素または酸素をより効率的に発生させることができる。なお、光電変換部2の裏面と第1の気体発生部8とを電気抵抗を小さくコンタクトすることが可能である場合、第2電極5は、省略することが可能である。また、第2電極5は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、電解液による光電変換部2の腐食を防止することができる。
第2電極5は、導電性を有すれば特に限定されないが、例えば、金属薄膜であり、また、例えば、Al、Ag、Auなどの薄膜である。これらは、例えば、スパッタリングなどにより形成することができる。また、例えば、In−Zn−O(IZO)、In−Sn−O(ITO)、ZnO−Al、Zn−Sn−O、SnO2等の透明導電膜である。
5. Second Electrode The second electrode 5 can be provided between the photoelectric conversion unit 2 and the first gas generation unit 8. By providing the second electrode 5, the potential of the back surface of the photoelectric conversion unit 2 and the potential of the first gas generation unit 8 can be made substantially the same. Moreover, the ohmic cross between the back surface of the photoelectric conversion unit 2 and the first gas generation unit 8 can be reduced. Moreover, the electric current which flows between the back surface of the photoelectric conversion part 2 and the 1st gas generation part 8 can be enlarged. Thereby, hydrogen or oxygen can be more efficiently generated by the electromotive force generated in the photoelectric conversion unit 2. In addition, when it is possible to contact the back surface of the photoelectric conversion unit 2 and the first gas generation unit 8 with a small electric resistance, the second electrode 5 can be omitted. Moreover, it is preferable that the 2nd electrode 5 has the corrosion resistance with respect to electrolyte solution, and the liquid shielding property with respect to electrolyte solution. Thereby, corrosion of the photoelectric conversion part 2 by electrolyte solution can be prevented.
Although it will not specifically limit if the 2nd electrode 5 has electroconductivity, For example, it is a metal thin film, for example, is thin films, such as Al, Ag, Au. These can be formed by, for example, sputtering. Further, for example, a transparent conductive film such as In—Zn—O (IZO), In—Sn—O (ITO), ZnO—Al, Zn—Sn—O, and SnO 2 is used.

6.絶縁部
絶縁部11は、光電変換部2の裏面と第2の気体発生部7との間に設けることができる。また、絶縁部11は、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7との間に設けることもできる。さらに、絶縁部11は、第1の導電部9と光電変換部2との間、第2の導電部10と光電変換部2との間、および第2導電部10と第2電極5との間に設けることができる。
絶縁部11を設けることにより、光電変換部2で生じた起電力により、光電変換部2の受光面と第2の気体発生部7との間に電流を流し、光電変換部2の裏面と第1の気体発生部8との間に電流を流すことができる。また、リーク電流をより小さくすることができる。このことにより、光電変換部2の受光面の電位と第2の気体発生部7の電位をほぼ同じにすることができ、また、光電変換部2の裏面の電位と第1の気体発生部8の電位をほぼ同じにすることができ、より効率的に水素および酸素を発生させることができる。
また、絶縁部11は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、電解液による光電変換部2の腐食を防止することができる。
6). Insulating part The insulating part 11 can be provided between the back surface of the photoelectric conversion part 2 and the second gas generating part 7. The insulating part 11 can also be provided between the first gas generating part 8 and the second gas generating part 7. Furthermore, the insulating part 11 is between the first conductive part 9 and the photoelectric conversion part 2, between the second conductive part 10 and the photoelectric conversion part 2, and between the second conductive part 10 and the second electrode 5. It can be provided in between.
By providing the insulating unit 11, an electromotive force generated in the photoelectric conversion unit 2 causes a current to flow between the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the second gas generation unit 7. A current can flow between the gas generating unit 8 and the first gas generating unit 8. Further, the leakage current can be further reduced. Thus, the potential of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the potential of the second gas generation unit 7 can be made substantially the same, and the potential of the back surface of the photoelectric conversion unit 2 and the first gas generation unit 8 can be made. Can be made substantially the same, and hydrogen and oxygen can be generated more efficiently.
Moreover, it is preferable that the insulation part 11 has the corrosion resistance with respect to electrolyte solution, and the liquid shielding property with respect to electrolyte solution. Thereby, corrosion of the photoelectric conversion part 2 by electrolyte solution can be prevented.

絶縁部11としては、有機材料、無機材料を問わず用いることが可能であり、例えば、ポリアミド、ポリイミド、ポリアリーレン、芳香族ビニル化合物、フッ素系重合体、アクリル系重合体、ビニルアミド系重合体等の有機ポリマー、無機系材料としては、Al23等の金属酸化物、多孔質性シリカ膜等のSiO2や、フッ素添加シリコン酸化膜(FSG)、SiOC、HSQ(Hydrogen Silsesquioxane)膜、SiNx、シラノール(Si(OH)4)をアルコール等の溶媒に溶かし塗布・加熱することにより製膜する方法を用いることが可能である。 The insulating part 11 can be used regardless of an organic material or an inorganic material. For example, polyamide, polyimide, polyarylene, aromatic vinyl compound, fluorine polymer, acrylic polymer, vinylamide polymer, etc. Examples of organic polymers and inorganic materials include metal oxides such as Al 2 O 3 , SiO 2 such as porous silica films, fluorine-added silicon oxide films (FSG), SiOC, HSQ (Hydrogen Silsesquioxane) films, SiN x , It is possible to use a method of forming a film by dissolving silanol (Si (OH) 4 ) in a solvent such as alcohol and applying and heating.

絶縁部11を形成する方法としては、絶縁性材料を含有するペーストをスクリーン印刷法、インクジェット法、スピンコーティング法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたCVD法等により製膜する方法、PVD法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法を利用した方法等が挙げられる。   As a method for forming the insulating portion 11, a film containing a paste containing an insulating material is applied by a screen printing method, an ink jet method, a spin coating method, etc., dried or baked, or a CVD method using a source gas is used. And a method using a PVD method, a vapor deposition method, a sputtering method, a sol-gel method, and the like.

7.第2の導電部
第2の導電部10は、第1電極4と第2の気体発生部7とにそれぞれ接触するように設けることができる。第2の導電部10を設けることにより、容易に光電変換部2の受光面に接触した第1電極4と第2の気体発生部7とを電気的に接続することができる。
第2の導電部10は光電変換部2の受光面と接触した第1電極4と光電変換部2の裏面上に設けられた第2の気体発生部7とに接触するため、光電変換部2の受光面と平行な第2導電部の断面積を大きくしすぎると、光電変換部2の受光面の面積を小さくすることにつながる。また、光電変換部2の受光面に平行な第2の導電部10の断面積を小さくしすぎると光電変換部2の受光面の電位と第2の気体発生部7の電位との間に差が生じ、電解液を分解する電位差が得られなくなる場合もあり、水素または酸素の発生効率の減少につながる場合もある。従って、光電変換部2の受光面と平行な第2導電部の断面積は、一定の範囲である必要がある。例えば、光電変換部2の受光面と平行な第2導電部の断面積(第2導電部が複数の場合、その断面積の総計)は、光電変換部2の受光面の面積を100%としたとき、0.1%以上10%以下とすることができ、好ましくは、0.5%以上8%以下、さらに好ましくは、1%以上6%以下とすることができる。
7). Second Conductive Part The second conductive part 10 can be provided so as to be in contact with the first electrode 4 and the second gas generating part 7, respectively. By providing the second conductive portion 10, the first electrode 4 that is in contact with the light receiving surface of the photoelectric conversion portion 2 and the second gas generating portion 7 can be easily electrically connected.
Since the second conductive unit 10 contacts the first electrode 4 in contact with the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the second gas generation unit 7 provided on the back surface of the photoelectric conversion unit 2, the photoelectric conversion unit 2 If the cross-sectional area of the second conductive portion parallel to the light receiving surface is too large, the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion portion 2 is reduced. Further, if the cross-sectional area of the second conductive part 10 parallel to the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 is made too small, there is a difference between the potential of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the potential of the second gas generating unit 7. May occur, and a potential difference for decomposing the electrolytic solution may not be obtained, which may lead to a decrease in the generation efficiency of hydrogen or oxygen. Therefore, the cross-sectional area of the second conductive part parallel to the light receiving surface of the photoelectric conversion part 2 needs to be within a certain range. For example, the cross-sectional area of the second conductive part parallel to the light-receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 (the total of the cross-sectional areas when there are a plurality of second conductive parts) is 100% of the area of the light-receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 In this case, it can be 0.1% or more and 10% or less, preferably 0.5% or more and 8% or less, and more preferably 1% or more and 6% or less.

また、第2の導電部10は、光電変換部2を貫通するコンタクトホールに設けられてもよい。このことにより、第2導電部10を設けることによる光電変換部2の受光面の面積の減少をより小さくすることができる。また、このことにより、光電変換部2の受光面と第2の気体発生部7との間の電流経路を短くすることができ、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。また、このことにより、光電変換部2の受光面と平行な第2の導電部10の断面積を容易に調節することができる。
また、第2の導電部10が設けられたコンタクトホールは、1つまたは複数でもよく、円形の断面を有してもよい。また、光電変換部2の受光面と平行なコンタクトホールの断面積(コンタクトホールが複数の場合、その断面積の総計)は、光電変換部2の受光面の面積を100%としたとき、0.1%以上10%以下とすることができ、好ましくは、0.5%以上8%以下、さらに好ましくは、1%以上6%以下とすることができる。このような構成によれば、第2の導電部を設けたことによる光電変換部の受光面の面積の減少を少なくすることができる。
また、第2の導電部10は、図4のように光電変換部2を貫通するコンタクトホールに設けられた部分と第2の気体発生部7と絶縁部11との間に設けられた部分からなってもよい。このことにより、第2の気体発生部7と第2の導電部10との電気的な接続が十分となり、光電変換部2の受光面と第2の気体発生部7との電位をほぼ同じにすることができる。また、第2の気体発生部7に導電率が低い触媒などを用いることができる。
また、第2の導電部10は、光電変換部2が形成されていない領域に設けられてもよい。
Further, the second conductive portion 10 may be provided in a contact hole that penetrates the photoelectric conversion portion 2. Thereby, the reduction in the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 due to the provision of the second conductive unit 10 can be further reduced. In addition, this makes it possible to shorten the current path between the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the second gas generation unit 7 and to generate hydrogen or oxygen more efficiently. In addition, this makes it possible to easily adjust the cross-sectional area of the second conductive portion 10 parallel to the light receiving surface of the photoelectric conversion portion 2.
In addition, the contact hole provided with the second conductive portion 10 may be one or plural, and may have a circular cross section. The cross-sectional area of the contact hole parallel to the light-receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 (the sum of the cross-sectional areas when there are a plurality of contact holes) is 0 when the area of the light-receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 is 100%. .1% or more and 10% or less, preferably 0.5% or more and 8% or less, more preferably 1% or more and 6% or less. According to such a configuration, the reduction in the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit due to the provision of the second conductive unit can be reduced.
Further, the second conductive portion 10 is formed from a portion provided in a contact hole penetrating the photoelectric conversion portion 2 and a portion provided between the second gas generating portion 7 and the insulating portion 11 as shown in FIG. It may be. As a result, the electrical connection between the second gas generation unit 7 and the second conductive unit 10 is sufficient, and the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the potential of the second gas generation unit 7 are substantially the same. can do. In addition, a catalyst having low conductivity can be used for the second gas generation unit 7.
Further, the second conductive unit 10 may be provided in a region where the photoelectric conversion unit 2 is not formed.

第2の導電部10の材料は、導電性を有しているものであれば特に制限されない。導電性粒子を含有するペースト、例えばカーボンペースト、Agペースト等をスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたCVD法等により製膜する方法、PVD法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。   The material of the second conductive portion 10 is not particularly limited as long as it has conductivity. A paste containing conductive particles, for example, a carbon paste, an Ag paste or the like applied by screen printing, an inkjet method, etc., dried or baked, a method of forming a film by a CVD method using a raw material gas, a PVD method, Examples thereof include a vapor deposition method, a sputtering method, a sol-gel method, and a method using an electrochemical redox reaction.

図5は本発明の一実施形態の水素製造装置を受光面側から見た形態である。第2の導電部10の光電変換部2の受光面と平行な断面は、図1のように円形でもよく、図4のように細長い形状を有してもよい。また、第2の導電部10の数は、図1のように第2の気体発生部7、1つに対し複数でもよく、図5のように第2の気体発生部7、1つに対し1つでもよい。また、光電変換部2の受光面と第2の気体発生部7とを電気的に接続するためのコンタクトホールに設けられた第2の導電部10が、隔壁13と実質的に平行な長い形状を形成していてもよい。また、コンタクトホールに設けられた第2の導電部10は、光電変換部2の受光面と平行な断面を有し、該断面は、第1の気体発生部および第2の気体発生部の列方向と平行な形状を有してもよい。   FIG. 5 shows a hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention as viewed from the light receiving surface side. The cross section of the second conductive unit 10 parallel to the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 may be circular as shown in FIG. 1 or may be elongated as shown in FIG. Further, the number of the second conductive parts 10 may be plural for each of the second gas generating parts 7 as shown in FIG. 1, and for each of the second gas generating parts 7 and 1 as shown in FIG. One may be sufficient. In addition, the second conductive portion 10 provided in the contact hole for electrically connecting the light receiving surface of the photoelectric conversion portion 2 and the second gas generating portion 7 has a long shape substantially parallel to the partition wall 13. May be formed. The second conductive portion 10 provided in the contact hole has a cross section parallel to the light receiving surface of the photoelectric conversion portion 2, and the cross section is a row of the first gas generation portion and the second gas generation portion. You may have a shape parallel to a direction.

8.第1の気体発生部
第1の気体発生部8は、光電変換部2の裏面の上に設けられる。このことにより、第1の気体発生部8は光電変換部2に入射する光を遮ることはない。また、第1の気体発生部8は、水素発生部および酸素発生部のいずれか一方であり、光電変換部2の裏面と電気的に接続する。このことにより、光電変換部2の裏面の電位と第1の気体発生部8の電位をほぼ同じとすることができ、光電変換部2で生じた起電力により水素または酸素を発生させることができる。また、第1の気体発生部8は、複数であり、第2の気体発生部7と交互に並列に並ぶように設けられてもよい。このことにより、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7との境界部を多くすることができ、第1の気体発生部8付近の電解液と第2の気体発生部7付近の電解液の距離を短くすることができる。また、第1の気体発生部8付近の電解液と第2の気体発生部7付近の電解液との間のプロトン濃度の不均衡を解消しようとするプロトンの移動を容易にすることができる。このことにより、プロトン濃度の不均衡による水素発生速度の低下を防止することができる。
8). First Gas Generation Unit The first gas generation unit 8 is provided on the back surface of the photoelectric conversion unit 2. Thus, the first gas generation unit 8 does not block the light incident on the photoelectric conversion unit 2. The first gas generation unit 8 is one of a hydrogen generation unit and an oxygen generation unit, and is electrically connected to the back surface of the photoelectric conversion unit 2. Thereby, the potential of the back surface of the photoelectric conversion unit 2 and the potential of the first gas generation unit 8 can be made substantially the same, and hydrogen or oxygen can be generated by the electromotive force generated in the photoelectric conversion unit 2. . Moreover, the 1st gas generation | occurrence | production part 8 is plural, and it may be provided so that it may be arranged in parallel with the 2nd gas generation | occurrence | production part 7 alternately. As a result, the boundary between the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 can be increased, and the electrolyte solution in the vicinity of the first gas generation unit 8 and the vicinity of the second gas generation unit 7 The distance of the electrolyte solution can be shortened. In addition, it is possible to facilitate the movement of protons in order to eliminate the proton concentration imbalance between the electrolyte near the first gas generator 8 and the electrolyte near the second gas generator 7. This can prevent a decrease in the hydrogen generation rate due to an imbalance of proton concentration.

また、第1の気体発生部8は、第2の気体発生部7と接触しないように設けることができる。このことにより、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7との間にリーク電流が流れるのを防止することとができる。さらに、第1の気体発生部8は、電解液流路15に露出してもよい。このことにより、第1の気体発生部8の表面で電解液からH2またはO2を発生させることができる。 Further, the first gas generation unit 8 can be provided so as not to contact the second gas generation unit 7. Thereby, it is possible to prevent leakage current from flowing between the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7. Further, the first gas generation unit 8 may be exposed to the electrolyte flow path 15. As a result, H 2 or O 2 can be generated from the electrolytic solution on the surface of the first gas generating unit 8.

9.第2の気体発生部
第2の気体発生部7は、光電変換部2の裏面の上に設けられる。このことにより、第2の気体発生部7は光電変換部2に入射する光を遮ることはない。また、第2の気体発生部7は、水素発生部および酸素発生部のいずれか一方であり、光電変換部2の受光面と第1の導電部9を介して電気的に接続する。このことにより、光電変換部2の受光面の電位と第2の気体発生部7の電位をほぼ同じにすることができ、光電変換部2で生じた起電力により水素または酸素を発生させることができる。また、第2の気体発生部7は、複数であり、第1の気体発生部8と交互に並列に並ぶように設けられてもよい。このことにより、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7との間のプロトンの伝導経路を増加させることができ、プロトン濃度の不均衡による水素発生速度の低下を防止することができる。また、第2の気体発生部7は、絶縁部11を介して光電変換部2の裏面の上に設けられてもよい。また、第2の気体発生部7は、第1の気体発生部8と接触しないように設けることができる。このことによりリーク電流が流れることを防止することができる。また、第2の気体発生部7は、電解液流路15に露出してもよい。このことにより、第2の気体発生部7の表面で電解液からH2またはO2を発生させることができる。
9. Second Gas Generating Unit The second gas generating unit 7 is provided on the back surface of the photoelectric conversion unit 2. Thus, the second gas generation unit 7 does not block the light incident on the photoelectric conversion unit 2. The second gas generation unit 7 is one of a hydrogen generation unit and an oxygen generation unit, and is electrically connected to the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 via the first conductive unit 9. Thereby, the potential of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the potential of the second gas generation unit 7 can be made substantially the same, and hydrogen or oxygen can be generated by the electromotive force generated in the photoelectric conversion unit 2. it can. Moreover, the 2nd gas generation part 7 is plural, and it may be provided so that it may be arranged in parallel with the 1st gas generation part 8 alternately. As a result, the proton conduction path between the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 can be increased, and the decrease in the hydrogen generation rate due to the proton concentration imbalance can be prevented. it can. Further, the second gas generation unit 7 may be provided on the back surface of the photoelectric conversion unit 2 via the insulating unit 11. Further, the second gas generation unit 7 can be provided so as not to contact the first gas generation unit 8. This can prevent a leakage current from flowing. Further, the second gas generation unit 7 may be exposed to the electrolyte flow path 15. As a result, H 2 or O 2 can be generated from the electrolytic solution on the surface of the second gas generating unit 7.

また、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7は、実質的に長方形であってもよく、また帯状であってもよい。実質的に長方形または帯状の第1の気体発生部8と実質的に長方形または帯状の第2の気体発生部7が、交互に並列に並んで設けられてもよい。また、この第1の気体発生部8と第2の気体発生部7との間に隔壁13が設けられてもよい。さらに、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7は、隔壁13を挟んで長辺が隣接するように設けられてもよい。   Further, the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 may be substantially rectangular or strip-shaped. The substantially rectangular or strip-shaped first gas generating section 8 and the substantially rectangular or strip-shaped second gas generating section 7 may be alternately arranged in parallel. Further, a partition wall 13 may be provided between the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7. Furthermore, the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 may be provided such that the long sides are adjacent to each other with the partition wall 13 interposed therebetween.

また、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7の並列に並んだ方向の幅は、特に限定されないが、例えば、同じであってもよく、図6のように異なってもよい。第1の気体発生部8は、例えば5cm以上20cm以下の幅を有してもよい。第2の気体発生部7は、例えば5cm以上20cm以下の幅を有してもよい。このような構成によれば、水素製造装置を大型化した場合でも、第1の気体発生部付近の電解液と第2の気体発生部付近の電解液との間のプロトンがイオン伝導する距離を短くすることができる。その結果、プロトン濃度の不均衡を小さくすることができ、水素発生速度の低下を防止することができる。
また、第1の気体発生部8の幅は、第2の気体発生部8の幅を100としたとき、50以上200以下であってもよく、50以上80以下および120以上200以下であってもよい。このような構成によれば、第1の気体発生部および第2の気体発生部のうち、水素発生部となる方の幅を酸素発生部となる方の幅より広くすることができ、水素と酸素の発生量の違いによる水素発生速度の低下を防止することができる。
Moreover, although the width | variety of the direction where the 1st gas generation part 8 and the 2nd gas generation part 7 were arranged in parallel is not specifically limited, For example, it may be the same and may differ like FIG. . The first gas generation unit 8 may have a width of, for example, 5 cm or more and 20 cm or less. The 2nd gas generation part 7 may have a width | variety of 5 cm or more and 20 cm or less, for example. According to such a configuration, even when the hydrogen production apparatus is enlarged, the distance that protons ion-conduct between the electrolyte near the first gas generator and the electrolyte near the second gas generator is reduced. Can be shortened. As a result, the proton concentration imbalance can be reduced, and a decrease in the hydrogen generation rate can be prevented.
Further, the width of the first gas generation unit 8 may be 50 or more and 200 or less, or 50 or more and 80 or less and 120 or more and 200 or less, where the width of the second gas generation unit 8 is 100. Also good. According to such a structure, the width | variety of the direction used as a hydrogen generation part can be made wider than the width | variety used as an oxygen generation part among a 1st gas generation part and a 2nd gas generation part, A decrease in the hydrogen generation rate due to the difference in the amount of oxygen generated can be prevented.

また、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7のうち、水素発生部となる方の幅は、酸素発生部となる方の幅より広くてもよい。また、水素発生部となる方の幅は、酸素発生部となる方の幅の1.2倍〜2.5倍であってもよい。また、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7のうち水素発生部となる方の幅を酸素発生部となる方の幅の実質的に2倍とすることもできる。また、この幅に合わせて水素発生部の上部の電解液流路15の幅と酸素発生部の上部の電解液流路15の幅を実質的に2:1としてもよい。水からの水素および酸素発生量比は2:1であることから、水素発生部が含む水素発生触媒および酸素発生部が含む酸素発生触媒の活性が同等で、触媒担持量が同等であるなら、この構成により、気泡や気体がたまることなどによる水素発生速度と酸素発生速度への影響をほぼ同じにすることができ、水素をより効率的に発生させることができる。   Moreover, the width | variety of the direction used as a hydrogen generation part among the 1st gas generation part 8 and the 2nd gas generation part 7 may be wider than the width | variety used as an oxygen generation part. Further, the width of the hydrogen generation part may be 1.2 to 2.5 times the width of the oxygen generation part. In addition, the width of the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 that becomes the hydrogen generation unit can be substantially double the width of the direction that becomes the oxygen generation unit. Further, the width of the electrolyte channel 15 above the hydrogen generator and the width of the electrolyte channel 15 above the oxygen generator may be substantially 2: 1 in accordance with this width. Since the ratio of hydrogen and oxygen generation amount from water is 2: 1, if the activity of the hydrogen generation catalyst contained in the hydrogen generation part and the oxygen generation catalyst contained in the oxygen generation part are equivalent and the catalyst loading is equivalent, According to this configuration, the influence on the hydrogen generation rate and the oxygen generation rate due to accumulation of bubbles and gas can be made substantially the same, and hydrogen can be generated more efficiently.

また、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7のうち少なくとも一方は、前記受光面の面積より大きい触媒表面積を有することが好ましい。このような構成によれば、光電変換部で生じる起電力により、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。
また、第1の気体発生部および第2の気体発生部のうち少なくとも一方は、触媒が担持された多孔質の導電体であることが好ましい。このような構成によれば、第1の気体発生部および第2の気体発生部のうち少なくとも一方の触媒表面積を大きくすることができ、より効率的に酸素または水素を発生させることができる。また、多孔質の導電体を用いることにより、光電変換部と触媒との間の電流が流れることによる電位の変化を抑制することができ、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。
Moreover, it is preferable that at least one of the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 has a catalyst surface area larger than the area of the light receiving surface. According to such a configuration, hydrogen or oxygen can be generated more efficiently by the electromotive force generated in the photoelectric conversion unit.
Moreover, it is preferable that at least one of the first gas generation unit and the second gas generation unit is a porous conductor carrying a catalyst. According to such a configuration, the surface area of at least one of the first gas generation unit and the second gas generation unit can be increased, and oxygen or hydrogen can be generated more efficiently. In addition, by using a porous conductor, a change in potential due to a current flowing between the photoelectric conversion unit and the catalyst can be suppressed, and hydrogen or oxygen can be generated more efficiently.

10.水素発生部
水素発生部は、電解液からH2を発生させる部分であり、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7のうちどちらか一方である。なお、水素発生部付近の電解液から水素が発生するため、この電解液のプロトン濃度は減少すると考えられる。このプロトン濃度の低下は、酸素発生部付近の電解液との間で、プロトン伝導が生じることにより解消される。
10. Hydrogen generating part The hydrogen generating part is a part that generates H 2 from the electrolytic solution, and is one of the first gas generating part 8 and the second gas generating part 7. In addition, since hydrogen generate | occur | produces from the electrolyte solution near a hydrogen generation part, it is thought that the proton concentration of this electrolyte solution decreases. This decrease in proton concentration is eliminated by the generation of proton conduction with the electrolyte near the oxygen generating portion.

また、水素発生部は、電解液からH2が発生する反応の触媒を含んでもよい。このことにより、電解液からH2が発生する反応の反応速度を大きくすることができる。水素発生部は、電解液からH2が発生する反応の触媒のみからなってもよく、この触媒が担持体に担持されたものであってもよい。また、水素発生部は、光電変換部2の受光面の面積より大きい触媒表面積を有してもよい。このことにより、電解液からH2が発生する反応をより速い反応速度とすることができる。また、水素発生部は、触媒が担持された多孔質の導電体であってもよい。このことにより、触媒表面積を大きくすることができる。また、光電変換部2の受光面または裏面と水素発生部に含まれる触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。また、この水素発生部を第1の気体発生部8としたとき、第2電極を省略しても光電変換部2の裏面と触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。さらに、水素発生部は、水素発生触媒としてPt、Ir、Ru、Pd、Rh、Au、Fe、NiおよびSeのうち少なくとも1つを含んでもよい。このような構成によれば、光電変換部で生じる起電力により、より速い反応速度で水素を発生させることができる。 Further, the hydrogen generation unit may include a catalyst for a reaction in which H 2 is generated from the electrolytic solution. Thereby, the reaction rate of the reaction in which H 2 is generated from the electrolytic solution can be increased. The hydrogen generation part may consist only of a catalyst for the reaction in which H 2 is generated from the electrolytic solution, or this catalyst may be supported on a support. Further, the hydrogen generation unit may have a catalyst surface area larger than the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2. Thereby, the reaction in which H 2 is generated from the electrolytic solution can be set to a faster reaction rate. The hydrogen generation part may be a porous conductor carrying a catalyst. This can increase the catalyst surface area. In addition, a change in potential due to a current flowing between the light receiving surface or the back surface of the photoelectric conversion unit 2 and the catalyst included in the hydrogen generation unit can be suppressed. Moreover, when this hydrogen generating part is the first gas generating part 8, even if the second electrode is omitted, a change in potential due to current flowing between the back surface of the photoelectric conversion part 2 and the catalyst is suppressed. Can do. Furthermore, the hydrogen generation unit may include at least one of Pt, Ir, Ru, Pd, Rh, Au, Fe, Ni, and Se as a hydrogen generation catalyst. According to such a configuration, hydrogen can be generated at a higher reaction rate by the electromotive force generated in the photoelectric conversion unit.

電解液からH2が発生する反応の触媒(水素発生触媒)は、2つのプロトンと2つの電子から1分子の水素への変換を促進する触媒であり、化学的に安定であり、水素生成過電圧が小さい材料を用いることができる。例えば、水素に対して触媒活性を有するPt,Ir,Ru,Pd,Rh,Au等の白金族金属およびその合金あるいは化合物、水素生成酵素であるヒドロゲナーゼの活性中心を構成するFe,Ni,Seの合金あるいは化合物、およびこれらの組み合わせ等を好適に用いることが可能である。中でもPtおよびPtを含有するナノ構造体は水素発生過電圧が小さく好適に用いることが可能である。光照射により水素発生反応が確認されるCdS,CdSe,ZnS,ZrO2などの材料を用いることもできる。 The catalyst for the reaction of generating H 2 from the electrolyte (hydrogen generation catalyst) is a catalyst that promotes the conversion of two protons and two electrons into one molecule of hydrogen, is chemically stable, and generates hydrogen overvoltage. Can be used. For example, platinum group metals such as Pt, Ir, Ru, Pd, Rh, and Au, which have catalytic activity for hydrogen, and alloys or compounds thereof, Fe, Ni, and Se that constitute the active center of hydrogenase that is a hydrogen-producing enzyme. An alloy or a compound, a combination thereof, or the like can be preferably used. Among them, a nanostructure containing Pt and Pt has a small hydrogen generation overvoltage and can be suitably used. Materials such as CdS, CdSe, ZnS, and ZrO 2 whose hydrogen generation reaction is confirmed by light irradiation can also be used.

水素発生触媒を直接光電変換部2の裏面などに担持することは可能であるが、反応面積をより大きくし気体生成速度を向上させるために、触媒を導電体に担持することができる。触媒を担持する導電体としては、金属材料、炭素質材料、導電性を有する無機材料等が挙げられる。   Although it is possible to directly support the hydrogen generating catalyst on the back surface of the photoelectric conversion unit 2, the catalyst can be supported on a conductor in order to increase the reaction area and improve the gas generation rate. Examples of the conductor carrying the catalyst include metal materials, carbonaceous materials, and conductive inorganic materials.

金属材料としては、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する材料が好ましい。具体的には、Au、Pt、Pd等の貴金属、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su、Si等の金属並びにこれらの金属の窒化物および炭化物、ステンレス鋼、Cu−Cr、Ni−Cr、Ti−Pt等の合金が挙げられる。金属材料には、Pt、Ti、Au、Ag、Cu、Ni、Wからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが、他の化学的な副反応が少ないという観点から、より好ましい。これら金属材料は、比較的電気抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下を抑制することができる。また、Cu、Ag、Zn等の酸性雰囲気下での耐腐食性に乏しい金属材料を用いる場合には、Au、Pt、Pd等の耐腐食性を有する貴金属および金属、カーボン、グラファイト、グラッシーカーボン、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等によって耐腐食性に乏しい金属の表面をコーティングしてもよい。   As the metal material, a material having electronic conductivity and resistance to corrosion in an acidic atmosphere is preferable. Specifically, noble metals such as Au, Pt, Pd, metals such as Ti, Ta, W, Nb, Ni, Al, Cr, Ag, Cu, Zn, Su, Si, and nitrides and carbides of these metals, Examples of the alloy include stainless steel, Cu—Cr, Ni—Cr, and Ti—Pt. It is more preferable that the metal material contains at least one element selected from the group consisting of Pt, Ti, Au, Ag, Cu, Ni, and W from the viewpoint that there are few other chemical side reactions. These metal materials have a relatively small electric resistance, and can suppress a decrease in voltage even when a current is extracted in the surface direction. Further, when using a metal material having poor corrosion resistance in an acidic atmosphere such as Cu, Ag, Zn, etc., noble metals and metals having corrosion resistance such as Au, Pt, Pd, carbon, graphite, glassy carbon, A metal surface having poor corrosion resistance may be coated with a conductive polymer, a conductive nitride, a conductive carbide, a conductive oxide, or the like.

炭素質材料としては、化学的に安定で導電性を有する材料が好ましい。例えば、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、VGCF、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン等の炭素粉末や炭素繊維が挙げられる。   As the carbonaceous material, a chemically stable and conductive material is preferable. Examples thereof include carbon powders and carbon fibers such as acetylene black, vulcan, ketjen black, furnace black, VGCF, carbon nanotube, carbon nanohorn, and fullerene.

導電性を有する無機材料としては、例えば、In−Zn−O(IZO)、In−Sn−O(ITO)、ZnO−Al、Zn−Sn−O、SnO2、酸化アンチモンドープ酸化スズが挙げられる。 Examples of the inorganic material having conductivity include In—Zn—O (IZO), In—Sn—O (ITO), ZnO—Al, Zn—Sn—O, SnO 2 , and antimony oxide-doped tin oxide. .

なお、導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン等が挙げられ、導電性窒化物としては、窒化炭素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化ゲルマニウム、窒化チタニウム、窒化ジルコニウム、窒化タリウム等が挙げられ、導電性炭化物としては、炭化タンタル、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタニウム、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化鉄、炭化ニッケル、炭化ハフニウム、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化クロム等が挙げられ、導電性酸化物としては、酸化スズ、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化アンチモンドープ酸化スズ等が挙げられる。   In addition, examples of the conductive polymer include polyacetylene, polythiophene, polyaniline, polypyrrole, polyparaphenylene, polyparaphenylene vinylene, and the like, and examples of the conductive nitride include carbon nitride, silicon nitride, gallium nitride, indium nitride, and nitride. Germanium, titanium nitride, zirconium nitride, thallium nitride, etc. are listed, and conductive carbides include tantalum carbide, silicon carbide, zirconium carbide, titanium carbide, molybdenum carbide, niobium carbide, iron carbide, nickel carbide, hafnium carbide, tungsten carbide. , Vanadium carbide, chromium carbide, and the like. Examples of the conductive oxide include tin oxide, indium tin oxide (ITO), and antimony oxide-doped tin oxide.

水素発生触媒を担持する導電体の構造としては、板状、箔状、棒状、メッシュ状、ラス板状、多孔質板状、多孔質棒状、織布状、不織布状、繊維状、フェルト状が好適に使用できる。また、フェルト状電極の表面を溝状に圧着した溝付き導電体は、電気抵抗と電極液の流動抵抗を低減できるので好適である。   The structure of the conductor supporting the hydrogen generation catalyst includes a plate shape, a foil shape, a rod shape, a mesh shape, a lath plate shape, a porous plate shape, a porous rod shape, a woven fabric shape, a nonwoven fabric shape, a fiber shape, and a felt shape. It can be used suitably. Further, a grooved conductor in which the surface of the felt-like electrode is pressure-bonded in a groove shape is preferable because the electric resistance and the flow resistance of the electrode liquid can be reduced.

11.酸素発生部
酸素発生部は、電解液からO2を発生させる部分であり、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7のうちどちらか一方である。なお、酸素発生部付近の電解液から酸素が発生するため、この電解液のプロトン濃度は増加すると考えられる。このプロトン濃度の増加は、水素発生部付近の電解液との間で、プロトン伝導が生じることにより解消される。
11. Oxygen generating part The oxygen generating part is a part for generating O 2 from the electrolytic solution, and is either one of the first gas generating part 8 and the second gas generating part 7. In addition, since oxygen generate | occur | produces from the electrolyte solution near an oxygen generation part, it is thought that the proton concentration of this electrolyte solution increases. This increase in proton concentration is eliminated by the generation of proton conduction with the electrolyte near the hydrogen generation part.

また、酸素発生部は、電解液からO2が発生する反応の触媒を含んでもよい。このことにより、電解液からO2が発生する反応の反応速度を大きくすることができる。また、酸素発生部は、電解液からO2が発生する反応の触媒のみからなってもよく、この触媒が担持体に担持されたものであってもよい。また、酸素発生部は、光電変換部2の受光面の面積より大きい触媒表面積を有してもよい。このことにより、電解液からO2が発生する反応をより速い反応速度とすることができる。また、酸素発生部は、触媒が担持された多孔質の導電体であってもよい。このことにより、触媒表面積を大きくすることができる。また、光電変換部2の受光面または裏面と酸素発生部に含まれる触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。また、この水素発生部を第1の気体発生部8としたとき、第2電極を省略しても光電変換部2の裏面と触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を小さくすることができる。さらに、酸素発生部は、酸素発生触媒としてMn、Ca、Zn、CoおよびIrのうち少なくとも1つを含んでもよい。このような構成によれば、光電変換部で生じる起電力により、より速い反応速度で酸素を発生させることができる。 Further, the oxygen generation unit may include a catalyst for a reaction in which O 2 is generated from the electrolytic solution. Thereby, the reaction rate of the reaction in which O 2 is generated from the electrolytic solution can be increased. Further, the oxygen generation part may consist only of a catalyst for the reaction that generates O 2 from the electrolytic solution, or the catalyst may be supported on a carrier. Further, the oxygen generation unit may have a catalyst surface area larger than the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2. Thereby, the reaction in which O 2 is generated from the electrolytic solution can be set to a faster reaction rate. The oxygen generation part may be a porous conductor carrying a catalyst. This can increase the catalyst surface area. In addition, a change in potential due to a current flowing between the light receiving surface or the back surface of the photoelectric conversion unit 2 and the catalyst included in the oxygen generation unit can be suppressed. Moreover, when this hydrogen generating part is the first gas generating part 8, even if the second electrode is omitted, the change in potential due to current flowing between the back surface of the photoelectric conversion part 2 and the catalyst is reduced. Can do. Furthermore, the oxygen generation unit may include at least one of Mn, Ca, Zn, Co, and Ir as an oxygen generation catalyst. According to such a configuration, oxygen can be generated at a higher reaction rate by the electromotive force generated in the photoelectric conversion unit.

電解液からO2が発生する反応の触媒(酸素発生触媒)は、2つの水分子から1分子の酸素および4つのプロトンと4つの電子への変換を促進する触媒であり、化学的に安定であり、酸素発生過電圧が小さい材料を用いることができる。例えば、光を用い水から酸素発生を行う反応を触媒する酵素であるPhotosystem IIの活性中心を担うMn,Ca,Zn,Coを含む酸化物あるいは化合物や、Pt,RuO2,IrO2等の白金族金属を含む化合物や、Ti,Zr,Nb,Ta,W,Ce,Fe,Ni等の遷移金属を含む酸化物あるいは化合物、および上記材料の組み合わせ等を用いることが可能である。中でも酸化イリジウム、酸化マンガン、酸化コバルト、リン酸コバルトは、過電圧が小さく酸素発生効率が高いことから好適に用いることができる。 The catalyst for the reaction of generating O 2 from the electrolyte (oxygen generating catalyst) is a catalyst that promotes the conversion of two water molecules into one molecule of oxygen, four protons, and four electrons, and is chemically stable. In addition, a material having a small oxygen generation overvoltage can be used. For example, oxides or compounds containing Mn, Ca, Zn, Co, which are active centers of Photosystem II, which is an enzyme that catalyzes the reaction of generating oxygen from water using light, and platinum such as Pt, RuO 2 , IrO 2 It is possible to use compounds containing group metals, oxides or compounds containing transition metals such as Ti, Zr, Nb, Ta, W, Ce, Fe, Ni, and combinations of the above materials. Among these, iridium oxide, manganese oxide, cobalt oxide, and cobalt phosphate can be suitably used because they have low overvoltage and high oxygen generation efficiency.

酸素発生触媒を直接光電変換部2の受光面または裏面に担持することは可能であるが、反応面積をより大きくし気体生成速度を向上させるために、触媒を導電体に担持することができる。触媒を担持する導電体としては、金属材料、炭素質材料、導電性を有する無機材料等が挙げられる。これらの説明は、「10.水素発生部」に記載した水素発生触媒についての説明が矛盾がない限り当てはまる。   Although the oxygen generating catalyst can be directly supported on the light receiving surface or the back surface of the photoelectric conversion unit 2, the catalyst can be supported on a conductor in order to increase the reaction area and improve the gas generation rate. Examples of the conductor carrying the catalyst include metal materials, carbonaceous materials, and conductive inorganic materials. These explanations apply as long as there is no contradiction in the explanation of the hydrogen generation catalyst described in “10. Hydrogen generation section”.

水素発生触媒および酸素発生触媒の単独の触媒活性が小さい場合、助触媒を用いることも可能である。例えば、Ni,Cr,Rh,Mo,Co,Seの酸化物あるいは化合物などが挙げられる。   When the catalytic activity of the hydrogen generating catalyst and the oxygen generating catalyst alone is small, a promoter can be used. Examples thereof include oxides or compounds of Ni, Cr, Rh, Mo, Co, and Se.

なお、水素発生触媒、酸素発生触媒の担持方法は、導電体もしくは半導体に直接塗布する方法や、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等のPVD法、CVD法等の乾式塗工法、電析法など、材料により適宜その手法を変え作製ことが可能である。光電変換部と触媒の間に適宜導電物質を担持することが可能である。また水素発生および酸素発生のための触媒活性が十分でない場合、金属やカーボン等の多孔質体や繊維状物質、ナノ粒子等に担持することにより反応表面積を大きくし、水素及び酸素発生速度を向上させることが可能である。   The method for supporting the hydrogen generating catalyst and the oxygen generating catalyst can be applied directly to a conductor or semiconductor, PVD methods such as vacuum deposition, sputtering, and ion plating, dry coating methods such as CVD, The method can be appropriately changed depending on the material such as an analysis method. A conductive material can be appropriately supported between the photoelectric conversion unit and the catalyst. Also, when the catalytic activity for hydrogen generation and oxygen generation is not sufficient, the reaction surface area is increased by supporting it on porous materials such as metals and carbon, fibrous materials, nanoparticles, etc., and the hydrogen and oxygen generation rates are improved. It is possible to make it.

12.天板
天板14は、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7の上に基板1と対向するように設けることができる。また、天板14は、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7と天板14との間に空間が設けられるように設けることができる。
12 The top plate 14 can be provided on the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 so as to face the substrate 1. Moreover, the top plate 14 can be provided such that a space is provided between the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 and the top plate 14.

また、天板14は、電解液などの流路を構成し、生成した水素および酸素を閉じ込めるために構成される材料であり、機密性が高い物質が求められる。透明なものであっても不透明なものであっても特に限定されるものではないが、水素および酸素が発生していることを視認できる点においては透明な材料であることが好ましい。透明な天板としては特に限定されず、例えば石英ガラス、パイレックス(登録商標)、合成石英板等の透明なリジッド材、あるいは透明樹脂板、透明樹脂フィルムなどを挙げることができる。中でも、ガスの透過性がなく、化学的物理的に安定な物質である点でガラス材を用いることが好ましい。   In addition, the top plate 14 is a material that forms a flow path of an electrolytic solution and the like to confine the generated hydrogen and oxygen, and a highly confidential substance is required. It is not particularly limited whether it is transparent or opaque, but is preferably a transparent material from the viewpoint that hydrogen and oxygen are visible. The transparent top plate is not particularly limited, and examples thereof include a transparent rigid material such as quartz glass, Pyrex (registered trademark), and a synthetic quartz plate, a transparent resin plate, and a transparent resin film. Among them, it is preferable to use a glass material because it is a gas that is not chemically permeable and is chemically and physically stable.

13.隔壁
隔壁13は、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7とを仕切るようにも受けることができる。また、隔壁13は、第1の気体発生部8と天板14との間の空間および第2の気体発生部7と天板14との間の空間とを仕切るように設けることができる。このことにより、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7で発生させた水素および酸素が混合することを防止することができ、水素および酸素を分離して回収することができる。
また、隔壁13は、イオン交換体を含んでもよい。このことにより、第1の気体発生部8と天板14との間の空間の電解液と第2の気体発生部7と天板14との間の空間の電解液でアンバランスとなったプロトン濃度を一定に保つことができる。つまり、プロトンが隔壁9を介してイオンの移動が起こることによりプロトン濃度のアンバランスを解消することができる。
13. Partition Wall The partition wall 13 can also be received so as to partition the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7. Further, the partition wall 13 can be provided so as to partition the space between the first gas generation unit 8 and the top plate 14 and the space between the second gas generation unit 7 and the top plate 14. Thereby, it is possible to prevent the hydrogen and oxygen generated in the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 from being mixed, and to separate and recover the hydrogen and oxygen.
The partition wall 13 may include an ion exchanger. As a result, protons that are unbalanced by the electrolytic solution in the space between the first gas generating unit 8 and the top plate 14 and the electrolytic solution in the space between the second gas generating unit 7 and the top plate 14 are obtained. The concentration can be kept constant. That is, the proton concentration can be eliminated through the movement of ions through the partition walls 9.

隔壁13は、例えば、図2のように天板14に接触するように設けてもよく、図7のように天板14と隔壁13との間に空間が残るように設けてもよい。図7のように設けることにより、プロトンのアンバランスをより容易に解消できる。また、隔壁13に孔を設けてもよい。このことによりプロトンのアンバランスをより容易に解消できる。なお、天板14と隔壁13との間に空間を設けても、水素製造装置を光電変換部2の受光面を上向きに設置することにより、水素と酸素の混合を防止することができる。また、隔壁13の天板14に近い部分に孔を設けることにより水素と酸素の混合を防止することができる。   For example, the partition wall 13 may be provided so as to contact the top plate 14 as shown in FIG. 2, or may be provided so that a space remains between the top plate 14 and the partition wall 13 as shown in FIG. By providing as shown in FIG. 7, proton imbalance can be more easily eliminated. Further, the partition wall 13 may be provided with holes. This can more easily eliminate proton imbalance. Even if a space is provided between the top plate 14 and the partition wall 13, the hydrogen production apparatus is installed with the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 facing upward, so that mixing of hydrogen and oxygen can be prevented. Moreover, mixing of hydrogen and oxygen can be prevented by providing a hole near the top plate 14 of the partition wall 13.

図2においては第1の気体発生部8と天板14との間の電解液流路15と第2の気体発生部7と天板14との間の電解液流路15を隔壁13で完全に隔離していたが、上記電解液流路間のイオン移動に障害が無ければ、図7のように隔壁13をガス流路を形成するように設置することが可能である。この場合、図7に示すように、発生する水素および酸素が混合しないように隔壁13を印刷法など、より低コストな手段にて設置することが可能となる。この際、基板1と天板14を結合する箇所はシール材16となる。構造の安定性を増すために、一部に隔壁9を天板14に接触するように設けることも可能である。
隔壁9は、光電変換部2の裏面と平行な帯状の断面を有してもよく、この断面は、1cm以上5cm以下の幅を有してもよい。また、1cm以上3cm以下の幅を有してもよい。このような構成によれば、発生させた水素および酸素をより効率的に回収することができ、かつ、第1の気体発生部と第2の気体発生部との間隔をより短くすることができ、プロトン濃度の不均衡をより小さくすることができる。
In FIG. 2, the electrolyte channel 15 between the first gas generator 8 and the top plate 14 and the electrolyte channel 15 between the second gas generator 7 and the top plate 14 are completely separated by the partition wall 13. However, if there is no obstacle to the ion movement between the electrolyte flow paths, the partition wall 13 can be installed to form a gas flow path as shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 7, the partition wall 13 can be installed by a lower cost means such as a printing method so that the generated hydrogen and oxygen are not mixed. At this time, a portion where the substrate 1 and the top plate 14 are joined becomes the sealing material 16. In order to increase the stability of the structure, it is also possible to provide a part of the partition wall 9 in contact with the top plate 14.
The partition wall 9 may have a belt-like cross section parallel to the back surface of the photoelectric conversion unit 2, and the cross section may have a width of 1 cm or more and 5 cm or less. Moreover, you may have a width | variety of 1 cm or more and 3 cm or less. According to such a configuration, the generated hydrogen and oxygen can be recovered more efficiently, and the interval between the first gas generation unit and the second gas generation unit can be further shortened. The proton concentration imbalance can be further reduced.

電解液からの水素発生量および酸素発生量の割合は、2:1のモル比であり、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7により、気体発生量が異なる。このため、装置内の含水量を一定量にする目的から、隔壁13は水を透過する材料であることが好ましい。隔壁13は、例えば、多孔質ガラス、多孔質ジルコニア、多孔質アルミナ等の無機膜あるいはイオン交換体を用いることが可能である。
イオン交換体としては、当該分野で公知のイオン交換体をいずれも使用でき、プロトン伝導性膜、カチオン交換膜、アニオン交換膜等を使用できる。
The ratio of the hydrogen generation amount and the oxygen generation amount from the electrolytic solution is a 2: 1 molar ratio, and the gas generation amount differs between the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7. For this reason, it is preferable that the partition wall 13 is made of a material that allows water to pass through in order to keep the water content in the apparatus constant. For the partition wall 13, for example, an inorganic film such as porous glass, porous zirconia, or porous alumina or an ion exchanger can be used.
As the ion exchanger, any ion exchanger known in the art can be used, and a proton conductive membrane, a cation exchange membrane, an anion exchange membrane, or the like can be used.

プロトン伝導性膜の材質としては、プロトン伝導性を有しかつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜又はコンポジット膜を用いることができる。   The material of the proton conductive film is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity and electrical insulation, and a polymer film, an inorganic film, or a composite film can be used.

高分子膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、デュポン社製のナフィオン(登録商標)、旭化成社製のアシプレックス(登録商標)、旭硝子社製のフレミオン(登録商標)等の膜や、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の炭化水素系電解質膜等が挙げられる。   Examples of the polymer membrane include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., and Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., which are perfluorosulfonic acid electrolyte membranes. Examples thereof include membranes and hydrocarbon electrolyte membranes such as polystyrene sulfonic acid and sulfonated polyether ether ketone.

無機膜としては、例えば、リン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウム等からなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、スルホン化ポリイミド系ポリマー、タングステン酸等の無機物とポリイミド等の有機物とのコンポジット等からなる膜が挙げられ、具体的にはゴア社製のゴアセレクト膜(登録商標)や細孔フィリング電解質膜等が挙げられる。さらに、高温環境下(例えば、100℃以上)で使用する場合には、スルホン化ポリイミド、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム等が挙げられる。   Examples of the inorganic film include films made of phosphate glass, cesium hydrogen sulfate, polytungstophosphoric acid, ammonium polyphosphate, and the like. Examples of the composite membrane include a membrane made of a sulfonated polyimide polymer, a composite of an inorganic material such as tungstic acid and an organic material such as polyimide, and specifically, Gore Select membrane (registered trademark) or pores manufactured by Gore. Examples thereof include a filling electrolyte membrane. Furthermore, when used in a high temperature environment (for example, 100 ° C. or higher), sulfonated polyimide, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS), sulfonated polybenzimidazole, phosphonated polybenzimidazole, sulfuric acid. Examples include cesium hydrogen and ammonium polyphosphate.

カチオン交換膜としては、カチオンを移動させることができる固体高分子電解質であればよい。具体的には、パーフルオロカーボンスルフォン酸膜や、パーフルオロカーボンカルボン酸膜等のフッ素系イオン交換膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、ポリスチレンスルホン酸膜、スルホン酸化スチレン・ビニルベンゼン共重合体膜等が挙げられる。   The cation exchange membrane may be any solid polymer electrolyte that can move cations. Specifically, fluorine ion exchange membranes such as perfluorocarbon sulfonic acid membranes and perfluorocarbon carboxylic acid membranes, polybenzimidazole membranes impregnated with phosphoric acid, polystyrene sulfonic acid membranes, sulfonated styrene / vinylbenzene copolymers Examples include membranes.

支持電解質溶液のアニオン輸率が高い場合には、アニオン交換膜の使用が好ましい。アニオン交換膜としては、アニオンの移動可能な固体高分子電解質を使用できる。具体的には、ポリオルトフェニレンジアミン膜、アンモニウム塩誘導体基を有するフッ素系イオン交換膜、アンモニウム塩誘導体基を有するビニルベンゼンポリマー膜、クロロメチルスチレン・ビニルベンゼン共重合体をアミノ化した膜等が挙げられる。
水素発生、酸素発生がそれぞれ水素発生触媒、酸素発生触媒にて選択的に行われ、これに伴うイオンの移動が起こる場合、必ずしもイオン交換のための特殊な膜等の部材を配置する必要はない。ガスを物理的に隔離することのみの目的であれば、後述のシール材に記載の紫外線硬化性樹脂あるいは熱硬化性樹脂を用いることが可能である。
When the anion transport number of the supporting electrolyte solution is high, it is preferable to use an anion exchange membrane. As the anion exchange membrane, a solid polymer electrolyte capable of transferring anions can be used. Specifically, a polyorthophenylenediamine film, a fluorine-based ion exchange film having an ammonium salt derivative group, a vinylbenzene polymer film having an ammonium salt derivative group, a film obtained by aminating a chloromethylstyrene / vinylbenzene copolymer, etc. Can be mentioned.
When hydrogen generation and oxygen generation are selectively performed by a hydrogen generation catalyst and an oxygen generation catalyst, respectively, and ion movement accompanying this occurs, it is not always necessary to arrange a member such as a special membrane for ion exchange. . For the purpose of only physically isolating the gas, it is possible to use an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin described in a sealing material described later.

14.シール材
シール材16は、基板1と天板14を接着し、水素製造装置23内を流れる電解液および水素製造装置23内で生成した水素および酸素を密閉するための材料である。シール材16は、例えば、紫外線硬化性接着剤、熱硬化性接着剤等が好適に使用されるが、その種類は限定されるものではない。紫外線硬化性の接着剤としては、200〜400nmの波長を持つ光を照射することにより重合が起こり光照射後数秒で硬化反応が起こる樹脂であり、ラジカル重合型とカチオン重合型に分けられ、ラジカル重合型樹脂としてはアクリルレート、不飽和ポリエステル、カチオン重合型としては、エポキシ、オキセタン、ビニルエーテル等が挙げられる。また熱硬化性の高分子接着剤としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、熱硬化性ポリイミド等の有機樹脂が挙げられる。熱硬化性の高分子接着剤は、熱圧着時に圧力を掛けた状態で加熱重合し、その後、加圧したまま、室温まで冷却することにより、各部材を良好に接合させるため、締め付け部材等を要しない。また、有機樹脂に加えて、ガラス基板に対して密着性の高いハイブリッド材料を用いることが可能である。ハイブリッド材料を用いることによって、弾性率や硬度等の力学的特性が向上し、耐熱性や耐薬品性が飛躍的に向上する。ハイブリッド材料は、無機コロイド粒子と有機バインダ樹脂とから構成される。例えば、シリカなどの無機コロイド粒子と、エポキシ樹脂、ポリウレタンアクリレート樹脂やポリエステルアクリレート樹脂などの有機バインダ樹脂とから構成されるものが挙げられる。
14 Sealing material The sealing material 16 is a material for bonding the substrate 1 and the top plate 14 and sealing the electrolyte flowing in the hydrogen production apparatus 23 and the hydrogen and oxygen generated in the hydrogen production apparatus 23. As the sealing material 16, for example, an ultraviolet curable adhesive, a thermosetting adhesive, or the like is preferably used, but the type thereof is not limited. The UV curable adhesive is a resin that undergoes polymerization upon irradiation with light having a wavelength of 200 to 400 nm and undergoes a curing reaction within a few seconds after light irradiation, and is divided into a radical polymerization type and a cationic polymerization type. Examples of the polymerization type resin include acrylates, unsaturated polyesters, and examples of the cationic polymerization type include epoxy, oxetane, and vinyl ether. Examples of the thermosetting polymer adhesive include organic resins such as phenol resin, epoxy resin, melamine resin, urea resin, and thermosetting polyimide. The thermosetting polymer adhesive is heated and polymerized in a state where pressure is applied at the time of thermocompression bonding, and then cooled to room temperature while being pressurized. I don't need it. In addition to the organic resin, a hybrid material having high adhesion to the glass substrate can be used. By using a hybrid material, mechanical properties such as elastic modulus and hardness are improved, and heat resistance and chemical resistance are dramatically improved. The hybrid material is composed of inorganic colloidal particles and an organic binder resin. For example, what is comprised from inorganic colloidal particles, such as a silica, and organic binder resin, such as an epoxy resin, a polyurethane acrylate resin, and a polyester acrylate resin, is mentioned.

ここではシール材16と記しているが、基板1と天板14を接着させる機能を有するものであれば限定されず、樹脂製あるいは金属製のガスケットを用い外部からネジ等の部材を用いて物理的に圧力を加え機密性を高める方法等を適宜用いることも可能である。   Here, the sealing material 16 is described, but the sealing material 16 is not limited as long as it has a function of bonding the substrate 1 and the top plate 14. Physically using a member such as a screw from the outside using a resin or metal gasket. In addition, it is possible to appropriately use a method of increasing the confidentiality by applying pressure.

15.電解液流路
電解液流路15は、第1の気体発生部8と天板14との間の空間および第2の気体発生部7と天板14との間の空間とすることができる。また、電解液流路15は、隔壁13により仕切ることができる。
生成した水素及び酸素の気泡が効率よく第1の気体発生部8または第2の気体発生部7から離れるように、電解液流路の内部で電解液を循環させるような例えばポンプやファン、熱による対流発生装置などの簡易装置を備え付けることも可能である。
15. Electrolyte Channel The electrolyte channel 15 can be a space between the first gas generator 8 and the top plate 14 and a space between the second gas generator 7 and the top plate 14. Further, the electrolyte channel 15 can be partitioned by the partition wall 13.
For example, a pump, a fan, heat, etc. that circulates the electrolyte in the electrolyte channel so that the generated hydrogen and oxygen bubbles are efficiently separated from the first gas generator 8 or the second gas generator 7. It is also possible to provide a simple device such as a convection generator.

16.給水口、第1ガス排出口、第2ガス排出口、第1ガス排出路および第2ガス排出路
給水口18は、水素製造装置23に含まれるシール材16の一部に開口を作ることにより設けることができる。給水口18は、水素及び酸素へと分解された水を補充するために配置され、その配置箇所および形状は、原料となる水が効率よく水素製造装置へ供給されさえすれば、特に限定されるものではないが、流動性および供給の容易性の観点から、水素製造装置下部に設置することが好ましい。
16. The water supply port, the first gas discharge port, the second gas discharge port, the first gas discharge channel and the second gas discharge channel The water supply port 18 is formed by making an opening in a part of the sealing material 16 included in the hydrogen production device 23. Can be provided. The water supply port 18 is arranged for replenishing water decomposed into hydrogen and oxygen, and the arrangement location and shape thereof are particularly limited as long as water as a raw material is efficiently supplied to the hydrogen production apparatus. Although it is not a thing, it is preferable to install in the lower part of a hydrogen production apparatus from a viewpoint of fluidity | liquidity and the ease of supply.

また、第1ガス排出口20および第2ガス排出口19は、給水口18を下側にして水素製造装置23を設置したとき、水素製造装置23の上側の部分のシール材16に開口を作ることにより設けることができる。また、第1ガス排出口20は、第1の気体発生部の一方の短辺の外側に設けられてもよく、第2ガス排出口19は、第2の気体発生部の一方の短辺の外側に設けられてもよい。また、第1ガス排出口20と第2ガス排出口19は、それぞれ隔壁13を挟んで第1の気体発生部20側と第2の気体発生部19側に設けることができる。   The first gas discharge port 20 and the second gas discharge port 19 make an opening in the sealing material 16 in the upper part of the hydrogen production device 23 when the hydrogen production device 23 is installed with the water supply port 18 facing downward. Can be provided. Further, the first gas discharge port 20 may be provided outside one short side of the first gas generation unit, and the second gas discharge port 19 is formed on one short side of the second gas generation unit. It may be provided outside. Moreover, the 1st gas exhaust port 20 and the 2nd gas exhaust port 19 can be provided in the 1st gas generation part 20 side and the 2nd gas generation part 19 side on both sides of the partition 13.

また、第1ガス排出口20と第2ガス排出口19は、複数であり、交互に並ぶように設けられてもよい。また、図8に示すように複数の第1ガス排出口20は、1つの第1ガス排出路25に導通していてもよく、複数の第2ガス排出口19は1つの第2ガス排出路26に導通していてもよい。このことにより、発生させた水素をより容易に回収することができ、利便性をよくすることができる。   Moreover, the 1st gas exhaust port 20 and the 2nd gas exhaust port 19 are plurality, and may be provided so that it may rank alternately. Further, as shown in FIG. 8, the plurality of first gas discharge ports 20 may be connected to one first gas discharge passage 25, and the plurality of second gas discharge ports 19 are connected to one second gas discharge passage. 26 may be conducted. As a result, the generated hydrogen can be more easily recovered and the convenience can be improved.

このように給水口18、第1ガス排出口20、第2ガス排出口19、第1ガス排出路25および第2ガス排出路26を設けることにより、水素製造装置23を光電変換部2の受光面が上向きの状態で水平面に対し傾斜し、給水口18が下側になり第1ガス排出口20および第2ガス排出口19が上側になるように設置することができる。このように設置することにより、給水口18から電解液を水素製造装置23内に導入し、電解液流路15を電解液で満たすことができる。この状態で、水素製造装置23に光を入射させることにより、水素発生部および酸素発生部でそれぞれ、連続して水素および酸素を発生させることができる。この発生した水素および酸素は、隔壁13により分離することができ、水素及び酸素は水素製造装置23の上部へ上昇し、第1ガス排出路25および第2ガス排出路26から回収することができる。   Thus, by providing the water supply port 18, the first gas discharge port 20, the second gas discharge port 19, the first gas discharge channel 25, and the second gas discharge channel 26, the hydrogen production device 23 receives light from the photoelectric conversion unit 2. It can be installed so that the surface is inclined with respect to the horizontal plane with the water supply port 18 on the lower side and the first gas discharge port 20 and the second gas discharge port 19 on the upper side. By installing in this way, the electrolytic solution can be introduced into the hydrogen production device 23 from the water supply port 18 and the electrolytic solution flow path 15 can be filled with the electrolytic solution. In this state, by making light incident on the hydrogen production apparatus 23, hydrogen and oxygen can be continuously generated in the hydrogen generation unit and the oxygen generation unit, respectively. The generated hydrogen and oxygen can be separated by the partition wall 13, and the hydrogen and oxygen can rise to the upper part of the hydrogen production device 23 and can be recovered from the first gas discharge path 25 and the second gas discharge path 26. .

17.電解液
電解液は、電解質を含む水溶液であり、例えば、0.1MのH2SO4を含む電解液、0.1Mリン酸カリウム緩衝液などである。
17. Electrolytic Solution The electrolytic solution is an aqueous solution containing an electrolyte, such as an electrolytic solution containing 0.1 M H 2 SO 4 , a 0.1 M potassium phosphate buffer solution, or the like.

実施例
本発明を以下に示す実施例を用いてより具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
EXAMPLES The present invention will be described more specifically with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the examples.

1.実施例1
図1〜図3に示すような次の水素製造装置を作製した。
作製した水素製造装置は、基板1であるガラス基板上に、第1電極4であるSnO2薄膜が設けられている。その第1電極4上に、a−Si層で構成される三接合の光電変換部2が積層され、さらにその表面に酸化インジウムスズ(ITO)で構成される透明電極層の第2電極5が設けられている。この第2電極5上に水素発生触媒4を担持した水素発生部(第1の気体発生部8)が設けられ、一方、第2電極5とはポリイミド膜により構成される絶縁部11で隔離した形で、第1電極4からAgペーストにより作製された第2の導電部10を通じて酸素発生触媒を担持した酸素発生部(第2の気体発生部7)が設けられている。水素発生部と酸素発生部は複数並列に配置されており、水素発生部および酸素発生部が設けられる層上に電解液が流れる構造を取るように、基板1とガラス製の天板14で挟み込むように、電解液を流す空間である電解液流路15を設け、水素と酸素が混合しないよう、水素発生部と酸素発生部の間にガラスフィルタ製の隔壁13を設けた構造を構成した。以下にその作製プロセスについて詳細を示す。
1. Example 1
The following hydrogen production apparatus as shown in FIGS.
In the produced hydrogen production apparatus, the SnO 2 thin film as the first electrode 4 is provided on the glass substrate as the substrate 1. A three-junction photoelectric conversion unit 2 composed of an a-Si layer is stacked on the first electrode 4, and a second electrode 5 of a transparent electrode layer composed of indium tin oxide (ITO) is further formed on the surface. Is provided. A hydrogen generation part (first gas generation part 8) carrying the hydrogen generation catalyst 4 is provided on the second electrode 5 while being isolated from the second electrode 5 by an insulating part 11 made of a polyimide film. In this form, an oxygen generating part (second gas generating part 7) carrying an oxygen generating catalyst is provided from the first electrode 4 through the second conductive part 10 made of Ag paste. A plurality of hydrogen generation units and oxygen generation units are arranged in parallel, and are sandwiched between the substrate 1 and the glass top plate 14 so as to have a structure in which the electrolyte flows on the layer where the hydrogen generation unit and the oxygen generation unit are provided. As described above, a structure in which an electrolytic solution flow path 15 that is a space for flowing an electrolytic solution is provided and a partition wall 13 made of a glass filter is provided between the hydrogen generating portion and the oxygen generating portion so that hydrogen and oxygen are not mixed is configured. Details of the manufacturing process will be described below.

基板1および第1電極4としては、旭硝子社製のUタイプニ酸化スズ(SnO2)付きガラス基板を用いた。
次に、プラズマCVD法により、a―Siの製膜を行った。まず、基板温度150℃で、SiH4およびCO2を主ガス、B26をドーピングガス、水素を希釈ガスとして、膜厚20nmのa−SiOのp層を製膜した。その後、SiH4を主ガス、H2を希釈ガスとして膜厚200nmのa−Siのi層、再びSiH4およびCO2を主ガス、PH3をドーピングガス、水素を希釈ガスとして、膜厚10nmのa−SiOのn層を順次製膜し、pin接合を有する光電変換層を形成した。この後、同様の方法でpin接合を有する光電変換層をさらに2層形成し、3層の光電変換層からなる光電変換部2を形成した。続けてスパッタリング法により、膜厚200nmのITOを形成した。製膜された光電変換部2および第2電極5は、フォトリソグラフィー工程、(1)シリコン薄膜上にレジストを塗布、(2)フォトマスクを用いて光露光を行い、レジストにマスクパターンの潜像を形成、(3)現像してレジストをパターン化し、薄膜をエッチング、(4)レジスト剥離、によりコンタクトホールを形成するパターニングを行った。
As the substrate 1 and the first electrode 4, a glass substrate with U-type tin dioxide (SnO 2 ) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. was used.
Next, an a-Si film was formed by plasma CVD. First, an a-SiO p layer having a thickness of 20 nm was formed at a substrate temperature of 150 ° C. using SiH 4 and CO 2 as main gases, B 2 H 6 as a doping gas, and hydrogen as a diluent gas. Thereafter, an a-Si i-layer having a film thickness of 200 nm using SiH 4 as the main gas and H 2 as the dilution gas, again with a film thickness of 10 nm using SiH 4 and CO 2 as the main gas, PH 3 as the doping gas, and hydrogen as the dilution gas. N layers of a-SiO were sequentially formed to form a photoelectric conversion layer having a pin junction. Thereafter, two more photoelectric conversion layers having pin junctions were formed by the same method, and the photoelectric conversion unit 2 including three photoelectric conversion layers was formed. Subsequently, ITO having a film thickness of 200 nm was formed by a sputtering method. The formed photoelectric conversion part 2 and the second electrode 5 are a photolithography process, (1) a resist is applied on a silicon thin film, (2) light exposure is performed using a photomask, and a latent image of a mask pattern is formed on the resist. And (3) development to pattern the resist, the thin film was etched, and (4) resist stripping was performed to form a contact hole.

次に、第2の導電部10と光電変換部2及び第2電極5を絶縁するための絶縁部11を形成するために、スピンコート法にて原料塗布、焼成を行うことによりポリイミド膜を作製した。続けて、Agペーストをスクリーン印刷法にて基板上に塗布、その上に酸化イリジウムシートを配置し、加熱処理によりコンタクトホールに第2の導電部10および酸素発生部を形成した。また、スパッタ法によりPtを第2電極5上に製膜し水素発生部を作製した。
水素発生触媒と酸素発生触媒の間には、多孔質ガラス製の隔壁9を配置し、基板と天板、および基板・天板と隔壁を耐酸性エポキシ樹脂のシール材13を用い接続することにより、本発明による水素製造装置の作製を行った。
Next, in order to form the insulating part 11 for insulating the second conductive part 10 from the photoelectric conversion part 2 and the second electrode 5, a material is applied and baked by spin coating to produce a polyimide film. did. Subsequently, Ag paste was applied onto the substrate by screen printing, an iridium oxide sheet was placed thereon, and the second conductive portion 10 and the oxygen generation portion were formed in the contact hole by heat treatment. Further, Pt was formed on the second electrode 5 by sputtering to produce a hydrogen generating part.
A porous glass partition wall 9 is disposed between the hydrogen generation catalyst and the oxygen generation catalyst, and the substrate and the top plate, and the substrate / top plate and the partition wall are connected by using an acid-resistant epoxy resin sealing material 13. A hydrogen production apparatus according to the present invention was produced.

2.実施例2
図5に示すような水素製造装置を次の条件で作製した。
実施例1と同様の方法で、基板1上に、光電変換部2、第2電極5、絶縁部11、第2の導電部10、酸素発生部(第2の気体発生部7)、水素発生部(第1の気体発生部8)をそれぞれ形成した。ここで実施例1との差異は、第2の導電部10を設けたコンタクトホールが第2の気体発生部7の長軸方向に沿って設けられている点である。このように、コンタクトホールの個数を減らすことにより、接触不良を減少させることが可能である上、第2の気体発生部7の幅をより狭くする際にも、コンタクトホールの断面積が、第2の導電部10に接続されている第2の気体発生部7の幅よりも狭く本構造によるコンタクト形成が可能であり、効率よく水素および酸素の製造が可能となる。
2. Example 2
A hydrogen production apparatus as shown in FIG. 5 was produced under the following conditions.
In the same manner as in Example 1, on the substrate 1, the photoelectric conversion unit 2, the second electrode 5, the insulating unit 11, the second conductive unit 10, the oxygen generation unit (second gas generation unit 7), and hydrogen generation Parts (first gas generation part 8) were formed. Here, the difference from the first embodiment is that the contact hole provided with the second conductive portion 10 is provided along the long axis direction of the second gas generating portion 7. Thus, by reducing the number of contact holes, it is possible to reduce contact failure, and also when the width of the second gas generator 7 is made narrower, the cross-sectional area of the contact holes is The contact formation by this structure can be made narrower than the width of the second gas generating part 7 connected to the two conductive parts 10, and hydrogen and oxygen can be produced efficiently.

3.実施例3
図7に示すような水素製造装置を次の条件で作製した。
実施例1と同様の方法で、基板1上に、光電変換部2、第2電極5、絶縁部11、第2の導電部10、酸素発生部(第2の気体発生部7)、水素発生部(第1の気体発生部8)をそれぞれ形成した。
続けて、隔壁13は図7に示されるように、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7が設置された間の箇所に、ガスが効率的に集められるように熱硬化性ポリイミドをスクリーン印刷法により作製した上で、基板側の材料と天板材料をシール材により装置の周辺を封止した。このようにして水素製造装置の作製を行った。
3. Example 3
A hydrogen production apparatus as shown in FIG. 7 was produced under the following conditions.
In the same manner as in Example 1, on the substrate 1, the photoelectric conversion unit 2, the second electrode 5, the insulating unit 11, the second conductive unit 10, the oxygen generation unit (second gas generation unit 7), and hydrogen generation Parts (first gas generation part 8) were formed.
Subsequently, as shown in FIG. 7, the partition wall 13 is thermosetting so that the gas is efficiently collected at a location between the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7. After the polyimide was produced by the screen printing method, the periphery of the device was sealed with a sealing material for the substrate side material and the top plate material. In this way, a hydrogen production apparatus was produced.

4.実施例4
図6に示すような水素製造装置を次の条件で作製した。
実施例1と同様の方法で、基板1上に、光電変換部2、第2電極5、絶縁部11、第2の導電部10、酸素発生部(第2の気体発生部7)、水素発生部(第1の気体発生部8)をそれぞれ形成した。ここで実施例1との差異は、第1の気体発生部8と第2の気体発生部7の幅が異なる点である。水1分子を電気分解する際、水素が1分子、酸素が0.5分子の割合で生成するため、触媒活性および触媒担持量により触媒層の幅を変化させ、バランスを取ることが可能となった。
4). Example 4
A hydrogen production apparatus as shown in FIG. 6 was produced under the following conditions.
In the same manner as in Example 1, on the substrate 1, the photoelectric conversion unit 2, the second electrode 5, the insulating unit 11, the second conductive unit 10, the oxygen generation unit (second gas generation unit 7), and hydrogen generation Parts (first gas generation part 8) were formed. Here, the difference from the first embodiment is that the widths of the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 are different. When one molecule of water is electrolyzed, hydrogen is generated at a ratio of 1 molecule and oxygen is generated at a ratio of 0.5 molecule. Therefore, it is possible to change the width of the catalyst layer according to the catalyst activity and the amount of supported catalyst to achieve a balance. It was.

5.実施例5
実施例1により作製される水素製造装置のうち、酸素発生部を次のように作製した。
ガラスフィルターを隔壁とするガラス製電気化学セルのカソード側にpH7、0.1Mのリン酸カリウム緩衝液および0.5mMの硝酸コバルトを、アノード側にpH7、0.1Mのリン酸カリウム緩衝液を投入した。多孔質カーボンをカソード側電解液中に浸し、Ptメッシュをアノード電解液中に浸し、両極を電気的に接続した後、1.29V(vs NHE)の電位をかけることにより電気化学的にリン酸コバルトを多孔質カーボン上に担持した。このように作製した酸素発生触媒を実施例1の水素製造装置の第2の気体発生部7に形成することにより、表面積をより大きくし酸素発生速度を向上させた装置を作製することが可能となった。
5. Example 5
In the hydrogen production apparatus produced in Example 1, the oxygen generation unit was produced as follows.
PH 7 and 0.1M potassium phosphate buffer and 0.5mM cobalt nitrate on the cathode side of a glass electrochemical cell with a glass filter as a partition, and pH 7 and 0.1M potassium phosphate buffer on the anode side. I put it in. Porous carbon is immersed in the cathode electrolyte, Pt mesh is immersed in the anode electrolyte, the electrodes are electrically connected, and then a phosphoric acid is electrochemically applied by applying a potential of 1.29 V (vs NHE). Cobalt was supported on porous carbon. By forming the oxygen generation catalyst thus prepared in the second gas generation unit 7 of the hydrogen production apparatus of Example 1, it is possible to manufacture an apparatus having a larger surface area and an improved oxygen generation rate. became.

6.実施例6
実施例1により作製された水素製造装置を太陽光が受光面に対して垂直方向に入射するように斜めに設置した。給水口18より、0.1MのH2SO4を含む電解液を、液面が第1ガス排出口20および第2ガス排出口19付近まで注入し、太陽光を照射したところ、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7からそれぞれ水素および酸素が生成し、第1ガス排出口20より水素が、第1ガス排出口20より酸素が排出されることをガスクロマトグラフィにて確認した。
6). Example 6
The hydrogen production apparatus produced in Example 1 was installed obliquely so that sunlight was incident in a direction perpendicular to the light receiving surface. An electrolyte containing 0.1 M H 2 SO 4 was injected from the water supply port 18 to the vicinity of the first gas outlet 20 and the second gas outlet 19 and irradiated with sunlight. It is confirmed by gas chromatography that hydrogen and oxygen are generated from the gas generator 8 and the second gas generator 7, respectively, and that hydrogen is discharged from the first gas outlet 20 and oxygen is discharged from the first gas outlet 20. did.

7.実施例7
実施例5により作製された酸素発生触媒を第2の気体発生部7に形成した水素製造装置を太陽光が受光面に対して垂直方向に入射するように斜めに設置した。給水口18より、pH7、0.1Mリン酸カリウム緩衝液を含む電解液を、液面が第1ガス排出口20および第2ガス排出口19付近まで注入し、太陽光を照射したところ、第1の気体発生部8および第2の気体発生部7からそれぞれ水素および酸素が生成し、第1ガス排出口20より水素が、第1ガス排出口20より酸素が排出されることをガスクロマトグラフィにて確認した。これにより中性の電解液を用いても水素製造が可能となることが確認された。
7). Example 7
A hydrogen production apparatus in which the oxygen generation catalyst produced in Example 5 was formed in the second gas generation unit 7 was installed obliquely so that sunlight was incident in a direction perpendicular to the light receiving surface. When the electrolyte surface containing the pH 7, 0.1M potassium phosphate buffer solution was injected from the water supply port 18 to the vicinity of the first gas discharge port 20 and the second gas discharge port 19 and irradiated with sunlight, The gas chromatography indicates that hydrogen and oxygen are generated from the first gas generation unit 8 and the second gas generation unit 7 respectively, and that hydrogen is discharged from the first gas discharge port 20 and oxygen is discharged from the first gas discharge port 20. Confirmed. As a result, it was confirmed that hydrogen could be produced using a neutral electrolyte.

本発明の水素製造装置は、太陽光エネルギーを用いることにより水を分解し水素および酸素を製造する創エネルギー装置として利用される。家庭や水素ステーション、大規模水素製造工場にてオンサイトで水素を製造することが可能となる。   The hydrogen production apparatus of the present invention is utilized as an energy creation apparatus that decomposes water by using solar energy to produce hydrogen and oxygen. Hydrogen can be produced on-site at home, hydrogen stations, and large-scale hydrogen production plants.

1: 基板 2:光電変換部 4:第1電極 5:第2電極 7:第2の気
体発生部 8:第1の気体発生部 9:第1の導電部 10:第2の導電部 11:絶縁部 13:隔壁 14:天板 15:電解液流路 16:シール材 18:給水口 19:第2ガス排出口 20:第1ガス排出口 23:水素製造装置 25:第1ガス排出路 26:第2ガス排出路
1: Substrate 2: Photoelectric conversion unit 4: First electrode 5: Second electrode 7: Second gas generation unit 8: First gas generation unit 9: First conductive unit 10: Second conductive unit 11: Insulating part 13: Partition 14: Top plate 15: Electrolyte flow path 16: Sealing material 18: Water supply port 19: Second gas discharge port 20: First gas discharge port 23: Hydrogen production device 25: First gas discharge channel 26 : Second gas discharge passage

Claims (21)

受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上に並列に設けられた第1の気体発生部および第2の気体発生部とを備え、
第1の気体発生部および第2の気体発生部のうち、一方は電解液からH2を発生させる水素発生部であり、他方は電解液からO2を発生させる酸素発生部であり、
第1の気体発生部および第2の気体発生部は、少なくとも一方が複数であり、
第1の気体発生部は前記裏面と電気的に接続され、第2の気体発生部は第1の導電部を介して前記受光面と電気的に接続することを特徴とする水素製造装置。
A photoelectric conversion unit having a light receiving surface and a back surface, and a first gas generation unit and a second gas generation unit provided in parallel on the back surface,
Of the first gas generation unit and the second gas generation unit, one is a hydrogen generation unit that generates H 2 from the electrolytic solution, and the other is an oxygen generation unit that generates O 2 from the electrolytic solution,
At least one of the first gas generator and the second gas generator is plural,
The first gas generation unit is electrically connected to the back surface, and the second gas generation unit is electrically connected to the light receiving surface via a first conductive unit.
第1の気体発生部および第2の気体発生部は、交互に並ぶように設けられた請求項1に記載の装置。   The apparatus according to claim 1, wherein the first gas generation unit and the second gas generation unit are provided so as to be alternately arranged. 第1の気体発生部と第2の気体発生部との間に隔壁をさらに備える請求項1または2に記載の装置。   The apparatus according to claim 1, further comprising a partition wall between the first gas generation unit and the second gas generation unit. 前記隔壁は、第1の気体発生部と第2の気体発生部とを仕切るように設けられた請求項3に記載の装置。   The said partition is an apparatus of Claim 3 provided so that the 1st gas generation part and the 2nd gas generation part may be partitioned off. 第1の気体発生部および第2の気体発生部は、実質的に長方形であり、かつ、前記隔壁を挟んで長辺が隣接するように設けられた請求項3または4に記載の装置。   5. The apparatus according to claim 3, wherein the first gas generation unit and the second gas generation unit are substantially rectangular and are provided so that long sides are adjacent to each other with the partition wall interposed therebetween. 第1の気体発生部の一方の短辺の外側に設けられた第1ガス排出口と、
第2の気体発生部の一方の短辺の外側に設けられた第2ガス排出口とをさらに備え、
第1ガス排出口および第2ガス排出口は並んで設けられた請求項5に記載の装置。
A first gas discharge port provided on the outer side of one short side of the first gas generating unit;
A second gas discharge port provided on the outer side of one short side of the second gas generation unit,
The apparatus according to claim 5, wherein the first gas outlet and the second gas outlet are provided side by side.
第1ガス排出口および第2ガス排出口は複数であり、
複数の第1ガス排出口は、1つの第1ガス排出路に導通し、
複数の第2ガス排出口は、1つの第2ガス排出路に導通する請求項6に記載の装置。
The first gas outlet and the second gas outlet are plural,
The plurality of first gas discharge ports are connected to one first gas discharge path,
The apparatus according to claim 6, wherein the plurality of second gas discharge ports are connected to one second gas discharge path.
前記隔壁は、イオン交換体を含む請求項3〜7のいずれか1つに記載の装置。   The apparatus according to claim 3, wherein the partition wall includes an ion exchanger. 第2の気体発生部は、絶縁部を介して前記裏面上に設けられた請求項1〜8のいずれか1つに記載の装置。   The device according to claim 1, wherein the second gas generation unit is provided on the back surface via an insulating unit. 前記裏面と第1の気体発生部との間に設けられた第2電極をさらに備える請求項9に記載の装置。   The apparatus according to claim 9, further comprising a second electrode provided between the back surface and the first gas generation unit. 第2電極および前記絶縁部は、前記電解液に対する耐食性および遮液性を有する請求項10に記載の装置。   The device according to claim 10, wherein the second electrode and the insulating portion have corrosion resistance and liquid shielding properties against the electrolytic solution. 第1の導電部は、前記受光面に接触する第1電極と、第1電極および第2の気体発生部にそれぞれ接触する第2の導電部とを含む請求項1〜11のいずれか1つに記載の装置。   The first conductive portion includes a first electrode in contact with the light receiving surface, and a second conductive portion in contact with the first electrode and the second gas generation unit, respectively. The device described in 1. 第2の導電部は、前記光電変換部を貫通するコンタクトホールに設けられた請求項12に記載の装置。   The device according to claim 12, wherein the second conductive portion is provided in a contact hole that penetrates the photoelectric conversion portion. 第2の導電部は、前記受光面と平行な断面を有し、
該断面は、第1の気体発生部および第2の気体発生部の列方向と平行な細長い形状を有する請求項13に記載の装置。
The second conductive portion has a cross section parallel to the light receiving surface,
The apparatus according to claim 13, wherein the cross section has an elongated shape parallel to a row direction of the first gas generation unit and the second gas generation unit.
前記光電変換部は、透光性を有する基板の上に設けられた請求項1〜14のいずれか1つに記載の装置。   The said photoelectric conversion part is an apparatus as described in any one of Claims 1-14 provided on the board | substrate which has translucency. 前記光電変換部は、p型半導体層、i型半導体層およびn型半導体層からなる光電変換層を有する請求項1〜15のいずれか1つに記載の装置。   The device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion layer including a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer. 前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からH2が発生する反応の触媒および電解液からO2が発生する反応の触媒を含む請求項1〜16のいずれか1つに記載の装置。 The hydrogen generation part and the oxygen generation part respectively include a catalyst for a reaction in which H 2 is generated from the electrolytic solution and a catalyst for a reaction in which O 2 is generated from the electrolytic solution. apparatus. 前記水素発生部および前記酸素発生部のうち少なくとも一方は、触媒が担持された多孔質の導電体である請求項17に記載の装置。   The apparatus according to claim 17, wherein at least one of the hydrogen generator and the oxygen generator is a porous conductor carrying a catalyst. 前記光電変換部は、透光性を有する基板の上に設けられ、
第1の気体発生部および第2の気体発生部の上に前記基板に対向する天板をさらに備え、第1の気体発生部および第2の気体発生部と前記天板との間に空間が設けられた請求項1〜18のいずれか1つに記載の装置。
The photoelectric conversion unit is provided on a substrate having translucency,
A top plate facing the substrate is further provided on the first gas generation unit and the second gas generation unit, and a space is provided between the first gas generation unit and the second gas generation unit and the top plate. 19. Apparatus according to any one of the preceding claims, provided.
第1の気体発生部と第2の気体発生部との間に隔壁をさらに備え、
前記隔壁は、第1の気体発生部と前記天板との間の空間および第2の気体発生部と天板との間の空間とを仕切るように設けられた請求項19に記載の装置。
A partition is further provided between the first gas generation unit and the second gas generation unit,
The said partition is an apparatus of Claim 19 provided so that the space between a 1st gas generation part and the said top plate and the space between a 2nd gas generation part and a top plate may be partitioned off.
請求項1〜20のいずれか1つに記載の水素製造装置を前記受光面が水平面に対し傾斜するように設置し、
前記水素製造装置の下部から前記水素製造装置に電解液を導入し、太陽光を前記受光面に入射させることにより前記水素発生部および前記酸素発生部からそれぞれ水素および酸素を発生させ、前記水素製造装置の上部から水素および酸素を排出する水素製造方法。
The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 20, wherein the light receiving surface is inclined with respect to a horizontal plane,
An electrolyte is introduced into the hydrogen production apparatus from a lower part of the hydrogen production apparatus, and sunlight and light are incident on the light receiving surface to generate hydrogen and oxygen from the hydrogen generation part and the oxygen generation part, respectively. A method for producing hydrogen in which hydrogen and oxygen are discharged from the upper part of the apparatus.
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