JP2012107280A - 気体製造装置、気体製造方法および気体製造装置アレイ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の気体製造装置は、受光面およびその裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上に並べて設けられ、かつ、電解液に接触可能な面をそれぞれ有する第1および第2電解用電極とを備え、第1および第2電解用電極が電解液と接触するとき、第1および第2電解用電極は、前記光電変換部が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第1気体および第2気体が発生するように設けられ、前記光電変換部の受光面を水平にしたとき、第1電解用電極と第2電解用電極とは、電解液に接触可能な面と水平な基準面との間の傾斜角が異なることを特徴とする。
【選択図】図3
Description
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、発生させた気体を簡素化された配管により回収できる気体製造装置を提供する。
本発明によれば、光電変換部の裏面上に第1電解用電極および第2電解用電極を設けるため、光電変換部の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。
本発明によれば、光電変換部の裏面上に第1電解用電極および第2電解用電極を設けるため、受光面に入射する光が、第1および第2電解用電極、ならびにそこからそれぞれ発生する第1気体及び第2気体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。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部の受光面を水平にしたとき、第1電解用電極の電解液に接触可能な面の上端に近接して設けられた第1気体排出口と、第2電解用電極の電解液に接触可能な面の上端に近接して設けられた第2気体排出口とをさらに備え、第1電解用電極は、第1気体を第1気体排出口から回収できるように傾斜した電解液に接触可能な面を有し、第2電解用電極は、第2気体を第2気体排出口から回収できるように傾斜した電解液に接触可能な面を有することが好ましい。
このような構成によれば、第1気体を第1気体排出口から回収することができ、第2気体を第2気体排出口から回収することができる。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、方形状の受光面を有し、第1および第2気体排出口は、それぞれ前記光電変換部の受光面の対向する辺に近接して設けられたことが好ましい。このような構成によれば、第1気体排出口および第2気体排出口を光電変換部の両側に設けることができ、第1気体を回収するための配管および第2気体を回収するための配管を簡素化することができる。
このような構成によれば、第1気体が発生する反応が生じる部分と、第2気体が発生する反応が生じる部分との間の距離を短くすることができ、電解液中で生じるイオン濃度の不均衡をより少なくすることができる。また、電解液に接触可能な面を帯状とすることにより、第1気体および第2気体を容易に回収することができる。
本発明の気体製造装置において、第1電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた第1型部および第2電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた第2型部をさらに備え、第1型部および第2型部は、前記光電変換部の受光面を水平にしたとき、第1電解用電極の電解液に接触可能な面と水平な基準面との間の傾斜角と、第2電解用電極の電解液に接触可能な面と前記基準面との間の傾斜角とが異なるように成形されたことが好ましい。
このような構成によれば、第1電解用電極の電解液に接触可能な面と水平な基準面との間の傾斜角と、第2電解用電極の電解液に接触可能な面と前記基準面との間の傾斜角とを容易に異なるようにすることができる。
このような構成によれば、第1型部と第2型部を容易に成形することができる。
本発明の気体製造装置において、第1型部と第1電解用電極との間または第2型部と第2電解用電極との間に第1導電部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、光電変換部が受光することにより生じた起電力を第1および第2電解用電極に出力するとき、内部抵抗をより小さくすることができる。
本発明の気体製造装置において、第1および第2電解用電極は、それぞれ電解液に接触可能な面に傾斜方向に伸びる溝状のくぼみを有することが好ましい。
このような構成によれば、第1気体および第2気体をそれぞれ気泡として溝状のくぼみに沿って上昇させることができ、第1気体および第2気体を分離して回収することができる。また、この構成によれば、第1電解用電極と第2電解用電極との間に設ける隔壁も省略可能である。
このような構成によれば、第1気体を回収するための回収口と第2気体を回収するための回収口とをそれぞれ気体製造装置の両側に設けることができ、第1気体を回収するための配管と第2気体を回収するための配管をそれぞれ気体製造装置の両側に設けることができる。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、受光することによりその受光面と裏面との間に起電力が生じ、第1電解用電極は、前記光電変換部の裏面と電気的に接続し、第2電解用電極は、前記光電変換部の受光面と電気的に接続することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部に積層構造のものを利用することができる。
このような構成によれば、内部抵抗を小さくすることができる。
本発明の気体製造装置において、第1電極と第2電解用電極とを電気的に接続する第2導電部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、光電変換部の受光面と第2電解用電極とを電気的に接続することができる。
本発明の気体製造装置において、第2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電解用電極との間の配線距離を短くすることができ、内部抵抗を小さくすることができる。
このような構成によれば、第2導電部を少ない工程で設けることができ、製造コストを低減することができる。
本発明の気体製造装置において、第2電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた第2型部を備え、第2型部は、絶縁性を有し、かつ、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、第2電解用電極は、第2型部の前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられ、かつ、第1電極と接触することが好ましい。
このような構成によれば、第2導電部を設けることなく、第1電極と第2電解用電極とを電気的に接続することができる。
このような構成によれば、光電変換部が受光することにより生じる起電力を第1および第2電解用電極に出力するとき、光電変換部の裏面と第1電解用電極との間の内部抵抗をより小さくすることができる。
本発明の気体製造装置において、第2電極と第1電解用電極とを電気的に接続する第3導電部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、光電変換部の裏面と第1電解用電極とを電気的に接続することができる。
このような構成によれば、容易に光電変換部の裏面と第1電解用電極とを電気的に接続することができる。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、受光することにより前記裏面の第1および第2区域間に電位差が生じ、第1区域は、第1電解用電極と電気的に接続し、第2区域は、第2電解用電極と電気的に接続することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部を第1区域と第2区域との間に起電力が生じるものとすることができる。
このような構成によれば、光電変換部が受光することにより、光電変換部の裏面の第1および第2区域間に起電力を生じさせることができる。
本発明の気体製造装置において、透光性基板をさらに備え、前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部を透光性基板の上に形成することができる。
このような構成によれば、透光性基板の形により第1および第2電解用電極の電解液に接触可能な面の傾斜角が異なるように、第1および第2電解用電極を設けることができる。
本発明の気体製造装置において、第2電解用電極は、絶縁部を介して前記光電変換部の裏面上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、リーク電流が生じることを防止することができる。
本発明の気体製造装置において、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、光電変換部に光を入射させることにより起電力を生じさせることができる。
このような構成によれば、容易に高電圧の起電力を第1および第2電解用電極に出力することができる。
本発明の気体製造装置において、各光電変換層は、第4導電部により直列接続されたことが好ましい。
このような構成によれば、各光電変換層を並べて設けることができる。
本発明の気体製造装置において、第1電解用電極および第2電解用電極のうち、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、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、燃料電池の燃料となる水素を製造することができる。
このような構成によれば、より効率的に水素および酸素を製造することができる。
本発明の気体製造装置において、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、水素または酸素が発生する反応の触媒面積を広くすることができる。
本発明の気体製造装置において、前記水素発生部は、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つを含むことが好ましい。
このような構成によれば、電解液から水素を効率よく発生させることができる。
このような構成によれば、電解液から酸素を効率よく発生させることができる。
本発明の気体製造装置において、透光性基板と電解液室とをさらに備え、前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられ、第1電解用電極および第2電解用電極の上に天板をさらに備え、前記電解液室は、第1電解用電極および第2電解用電極と前記天板との間に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、第1電解用電極の電解液に接触可能な面と、第2電解用電極の電解液に接触可能な面とを電解液室に面して設けることができ、第1および第2電解用電極を電解液に接触させることができる。
このような構成によれば、隔壁により第1気体と第2気体を分離することができる。
本発明の気体製造装置において、前記隔壁は、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、電解液中で生じるイオン濃度の不均衡を容易に解消することができる。
また、本発明は、本発明の気体製造装置を前記光電変換部の受光面が実質的に水平となるように設置し、前記気体製造装置は、第1気体を排出する第1気体排出口と、第2気体を排出する第2気体排出口と、電解液室とを備え、前記電解液室に電解液を導入し、太陽光を前記光電変換部の受光面に入射させることにより第1電解用電極および第2電解用電極からそれぞれ第1気体および第2気体を発生させ、第1気体排出口および第2気体排出口からそれぞれ第1気体および第2気体を排出する気体製造方法も提供する。
本発明の気体製造方法によれば、光電変換部に光を入射させることにより、第1気体および第2気体を製造ことができ、容易に第1気体および第2気体を回収することができる。
本発明の気体製造装置アレイによれば、第1気体および第2気体の発生量を多くすることができ、第1気体および第2気体を第1気体排出路および第2気体排出路からそれぞれ回収することができる。また、第1気体排出路および第2気体排出路を簡素化して設けることができる。
図1は本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略平面図である。図2〜4は、それぞれ図1の一点鎖線A−A、点線B−B、点線C−Cにおける気体製造装置の概略断面図である。図5は本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略裏面図である。また図6〜16はそれぞれ本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。なお、図6、13、15の断面図は、図1の点線B−Bにおける気体製造装置の断面図に対応し、図7、8、11、12、14、16の断面図は、図1の点線C−Cにおける気体製造装置の断面図に対応し、図9、10は、図1の一点鎖線A−Aにおける気体製造装置の断面図に対応する。
また、本実施形態の気体製造装置23は、透光性基板1を備えてもよい。
以下、本実施形態の気体製造装置について説明する。
透光性基板1は、本実施形態の気体製造装置23が備えてもよい。また、光電変換部2は、受光面が透光性基板1側となるように透光性基板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、透光性基板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、透光性基板1は省略することができる。
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。
透光性基板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。
このような成形された透光性基板1は、ガラスなどを型に流し込むことにより形成してもよく、板状基板を変形させることにより形成してもよく、板状の基板を組み合わせることにより形成してもよい。
第1電極4は、透光性基板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、透光性基板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は、第2電解用電極7と電気的に接続することができる。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電解用電極7との間に流れる電流を大きくすることができる。また、光電変換部2が図14〜16のように光電変換部2の裏面の第1区域と第2区域との間に起電力が生じるものである場合、第1電極4は不要である。
第1電極4は、図4、7、8、11のように第2導電部10を介して第2電解用電極7と電気的に接続してもよく、図12のように第2電解用電極7と接触してもよい。
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。
透明導電膜は、光電変換部2の受光面と第2電解用電極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。
また、第2導電部10は、図11のように光電変換部2の側面を覆うように設けられてもよい。
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電解用電極8と第2電解用電極7が設けられる。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が設けられた透光性基板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は、例えば、図2〜4、6〜13のように受光面と裏面との間に起電力が生じるものであってもよく、図14〜16のように裏面の第1区域と第2区域との間に起電力が生じるものであってもよい。図14〜16のような光電変換部2は、n型半導体領域37とp型半導体領域36を形成した半導体基板などにより形成することができる。また、透光性基板1が図6、7のように傾斜角の異なる部分を有している場合、傾斜角の異なる部分の上にそれぞれ光電変換部2を形成し、これらの光電変換部を電気的に接続してもよい。
光電変換部2の形は、特に限定されないが、例えば、方形状とすることができる。
光電変換部2は、入射光により電荷分離することができ、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。
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。また、以下の光電変換部2の例は、矛盾しない限り光電変換層とすることもできる。
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、透光性基板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。
透光性基板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,SixO1-x等の化合物を用いることも可能である。
シリコン基板としては、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板などを用いることができ、p型であっても、n型であっても、i型であってもよい。このシリコン基板の一部にPなどのn型不純物を熱拡散またはイオン注入などによりドープすることによりn型半導体領域37を形成し、シリコン基板のほかの一部にBなどのp型不純物を熱拡散またはイオン注入などによりドープすることによりp型半導体領域36を形成することができる。このことにより、シリコン基板にpn接合、pin接合、npp+接合またはpnn+接合などを形成することができ、光電変換部2を形成することができる。
なお、ここではシリコン基板を用いて説明したが、pn接合、pin接合、npp+接合またはpnn+接合などを形成することができる他の半導体基板を用いてもよい。また、n型半導体領域37およびp型半導体領域36を形成することができれば、半導体基板に限定されず、基板上に形成された半導体層であってもよい。
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。
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。
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。
有機薄膜を用いた光電変換部2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。
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。
第2電極5は、光電変換部2の裏面と第1型部11との間および光電変換部2の裏面と第2型部12との間に設けることができる。また、第2電極5は、第1電解用電極8と電気的に接続することができる。第2電極5を設けることにより、光電変換部2の裏面と第1電解用電極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、第2電極5は、図3、13のように第3導電部17を介して第1電解用電極8と電気的に接続してもよく、第1電解用電極8と接触してもよい。また、第3導電部17は、図3のように第1型部11に設けられたコンタクトホール内に設けられてもよく、図13のように第1型部11の側部を覆うように設けられてもよい。
また、第2電極5は、図6、7のように、光電変換部2の裏面と絶縁部21との間および光電変換部2の裏面と第1電解用電極8との間に設けられてもよい。
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。
第1型部11は、光電変換部2の裏面と第1電解用電極8との間に設けることができ、第2型部12は、光電変換部2の裏面と第2電解用電極7との間に設けることができる。また、第1型部11および第2型部12は、光電変換部2の受光面を水平にしたとき、第1電解用電極8の電解液に接触可能な面と水平な基準面との間の傾斜角と、第2電解用電極7の電解液に接触可能な面と水平な基準面との間の傾斜角とが異なるように成形されたものであってもよい。このように成形された第1型部11および第2型部12を設けることにより、第1電解用電極が電解液に接触する面と第2電解用電極の電解液に接触する面の傾斜角度を調節することができる。
第1型部11および第2型部12は、例えば、固体樹脂から形成することができる。固体樹脂とすることにより、所望の形状を有する第1型部11および第2型部12を形成することができる。
また、第1型部11は導電性材料からなってもよい。このことにより、第1型部を介して光電変換部2の裏面と第1電解用電極8とを電気的に接続することができる。
第1導電部9は、例えば、図8、11、14、16のように第2型部12と第2電解用電極7との間に設けることができ、また、例えば、図13、15のように第1型部11と第1電解用電極8との間に設けることができる。
第1導電部11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。
絶縁部21は、リーク電流の発生を防止するために設けることができる。例えば、図4、7、8のように第2導電部10を光電変換部2を貫通するコンタクトホール内に設ける場合、コンタクトホールの側壁に絶縁部21を設けることができる。また、図7のように第2型部12を設けない場合、第2電解用電極7と光電変換部2の裏面との間に設けることができる。また、第2型部12が導電性を有する場合、第2型部12と光電変換部2の裏面との間に絶縁部21を設けることもできる。
第1電解用電極8および第2電解用電極7は、光電変換部2の裏面上にそれぞれ設けられ、かつ、光電変換部2の裏面側の面とその裏面であり電解液に接触可能な面をそれぞれ有する。このことにより、第1電解用電極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電解用電極8および第2電解用電極7は、電解液と接触するとき、光電変換部2が受光することにより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第1気体および第2気体を発生するように設けられる。例えば、光電変換部2が受光することにより受光面とその裏面との間に起電力が生じる場合、第1電解用電極8は、図3、6、13のように光電変換部2の裏面と電気的に接続することができ、第2電解用電極7は、図4、7、8、11、12のように光電変換部2の受光面と電気的に接続することができる。また、光電変換部2が受光することによりその裏面の第1区域と第2区域との間に起電力が生じる場合、図14〜16のように第1電解用電極8は第1区域と第2区域のうちどちらか一方と電気的に接続し、第2電解用電極7は第1区域と第2区域のうち他方と電気的に接続することとができる。
第1電解用電極8および第2電解用電極7の傾斜角の差は、第1気体および第2気体を回収するための第1気体排出口20および第2気体排出口19が、例えば光電変換部2の受光面を水平にしたときに上下にずれるような差であってもよい。また、たとえば、図1のように気体製造装置23の両側のうち一方に第1気体排出口20が形成され、他方に第2気体排出口19が形成されるように、第1電解用電極8および第2電解用電極7の傾斜角の差がつけられてもよい。
なお、第1電解用電極8および第2電解用電極7の電解液に接触可能な面は、第1気体または第2気体が電解液中を気泡として上昇するときに案内面となるものであれば、平面であっても曲面であってもよい。また、電解液に接触可能な面が曲面であり、その傾斜角が場所により異なる場合、この曲面の傾斜角はその平均の傾斜角をいう。
また、第1電解用電極8および第2電解用電極7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電解用電極8および第2電解用電極7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、より効率的に第1気体または第2気体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2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、より効率的に第1気体または第2気体を発生させることができる。
第1電解用電極8および第2電解用電極7のうち、一方は水素発生部であってもよく、他方が酸素発生部であってもよい。この場合、第1気体および第2気体のうち一方は水素であり、他方は酸素である。
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電解用電極8および第2電解用電極7のうちどちらか一方である。
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。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2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。
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。
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電解用電極8および第2電解用電極7のうちどちらか一方である。
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。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。
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。
天板14は、第1電解用電極8および第2電解用電極7の上に透光性基板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電解用電極8および第2電解用電極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。この空間を電解液室15とすることができ、電解液室15に電解液を導入することにより、第1電解用電極8および第2電解用電極7を電解液に接触させることができる。また、天板に箱状のものを用いる場合、天板14は箱体の底の部分であってもよい。
隔壁13は、第1電解用電極8と第2電解用電極7とを仕切るように設けることができる。また、隔壁13は、第1電解用電極8と天板14との間の空間である電解液室15および第2電解用電極7と天板14との間の空間である電解液室15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電解用電極8および第2電解用電極7で発生させた第1気体および第2気体が混合することを防止することができ、第1気体および第2気体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電解用電極8と天板14との間の空間の電解液と第2電解用電極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イオン濃度を一定に保つことができる。
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。
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。
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。
シール材16は、透光性基板1と天板14を接着し、気体製造装置23内を流れる電解液および気体製造装置23内で生成した第1気体および第2気体を密閉するための材料である。天板14に箱状のものを用いる場合、この箱体と透光性基板1とを接着するためにシール材16が用いられる。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。
電解液室15は、第1電解用電極8と天板14との間の空間および第2電解用電極7と天板14との間の空間とすることができる。また、電解液室15は、隔壁13により仕切ることができる。
生成した第1気体及び第2気体の気泡が効率よく第1電解用電極8または第2電解用電極7から離れるように、電解液室15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。
給水口18は、気体製造装置23に含まれるシール材16の一部、もしくは天板14の一部など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、第1気体及び第2気体へと分解された電解液を補充するために配置され、その配置箇所および形状は、原料となる電解液が効率よく気体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。
電解液は、第1気体および第2気体の原料となるものであれば特に限定されないが、例えば、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。この場合、電解液から第1気体および第2気体として水素および酸素を製造することができる。
本実施形態の気体製造方法は、気体製造装置23を前記受光面が実質的に水平となるように設置し、前記気体製造装置は、第1気体を排出する第1気体排出口と、第2気体を排出する第2気体排出口と、電解液室とを備え、前記電解液室に電解液を導入し、太陽光を前記光電変換部の受光面に入射させることにより第1電解用電極および第2電解用電極からそれぞれ第1気体および第2気体を発生させ、第1気体排出口および第2気体排出口からそれぞれ第1気体および第2気体を排出する。
このことにより第1気体および第2気体を製造することができる。
本実施形態の気体製造装置アレイは、複数の本実施形態の気体製造装置23と、第1気体排出路25と、第2気体排出路26とを備え、各気体製造装置23は、第1気体を排出する第1気体排出口20と第2気体を排出する第2気体排出口19とを備え、第1気体排出路25は、各気体製造装置23の第1気体排出口20と導通し、第2気体排出路26は、各気体製造装置23の第2気体排出口19と導通する。たとえば、図19のように気体製造装置を配置することにより気体製造装置アレイを形成することができ、この場合、第1気体排出路25と第2気体排出路26とを各気体製造装置23の両側に設けることができるため、配管を簡素化することができる。
Claims (36)
- 受光面およびその裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上に並べて設けられ、かつ、電解液に接触可能な面をそれぞれ有する第1および第2電解用電極とを備え、
第1および第2電解用電極が電解液と接触するとき、第1および第2電解用電極は、前記光電変換部が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第1気体および第2気体が発生するように設けられ、
前記光電変換部の受光面を水平にしたとき、第1電解用電極と第2電解用電極とは、電解液に接触可能な面と水平な基準面との間の傾斜角が異なることを特徴とする気体製造装置。 - 前記光電変換部の受光面を水平にしたとき、第1電解用電極の電解液に接触可能な面の上端に近接して設けられた第1気体排出口と、第2電解用電極の電解液に接触可能な面の上端に近接して設けられた第2気体排出口とをさらに備え、
第1電解用電極は、第1気体を第1気体排出口から回収できるように傾斜した電解液に接触可能な面を有し、
第2電解用電極は、第2気体を第2気体排出口から回収できるように傾斜した電解液に接触可能な面を有する請求項1に記載の装置。 - 前記光電変換部は、方形状の受光面を有し、
第1および第2気体排出口は、それぞれ前記光電変換部の受光面の対向する辺に近接して設けられた請求項2に記載の装置。 - 第1および第2電解用電極は、少なくとも一方が複数であり、かつ、それぞれ帯状の電解液に接触可能な面を有し、かつ、この面の長辺が隣接するように交互に設けられた請求項1〜3のいずれか1つに記載の装置。
- 第1電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた第1型部および第2電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた第2型部をさらに備え、
第1型部および第2型部は、前記光電変換部の受光面を水平にしたとき、第1電解用電極の電解液に接触可能な面と水平な基準面との間の傾斜角と、第2電解用電極の電解液に接触可能な面と前記基準面との間の傾斜角とが異なるように成形された請求項1〜4のいずれか1つに記載の装置。 - 第1型部および第2型部は、固体樹脂からなる請求項5に記載の装置。
- 第1型部と第1電解用電極との間または第2型部と第2電解用電極との間に第1導電部をさらに備える請求項5または6に記載の装置。
- 第1および第2電解用電極は、それぞれ電解液に接触可能な面に傾斜方向に伸びる溝状のくぼみを有する請求項1〜7のいずれか1つに記載の装置。
- 光電変換部の受光面を水平にしたとき、
第1電解用電極は、水平な基準面との間の傾斜角が1度以上60度以下の電解液に接触可能な面を有し、第2電解用電極は、前記基準面との間の傾斜角が120度以上179度以下の電解液に接触可能な面を有する請求項1〜8のいずれか1つに記載の装置。 - 前記光電変換部は、受光することによりその受光面と裏面との間に起電力が生じ、
第1電解用電極は、前記光電変換部の裏面と電気的に接続し、
第2電解用電極は、前記光電変換部の受光面と電気的に接続する請求項1〜9のいずれか1つに記載の装置。 - 前記光電変換部の受光面に接触する第1電極をさらに備える請求項1〜10のいずれか1つに記載の装置。
- 第1電極と第2電解用電極とを電気的に接続する第2導電部をさらに備える請求項11に記載の装置。
- 第2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。
- 第2電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた第2型部を備え、
第2型部は、絶縁性を有し、かつ、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、
第2導電部は、第2型部の前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられた請求項12に記載の装置。 - 第2電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた第2型部を備え、
第2型部は、絶縁性を有し、かつ、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、
第2電解用電極は、第2型部の前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられ、かつ、第1電極と接触する請求項11に記載の装置。 - 第1電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた第1型部と、第2電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた第2型部とを備え、
前記光電変換部の裏面と第1型部との間および前記光電変換部の裏面と第2型部との間に設けられた第2電極をさらに備える請求項1〜15のいずれか1つに記載の装置。 - 第2電極と第1電解用電極とを電気的に接続する第3導電部をさらに備える請求項16に記載の装置。
- 第3導電部は、第1型部の側部を覆うように設けられ、かつ、第2電極と接触する請求項17に記載の装置。
- 前記光電変換部は、受光することにより前記裏面の第1および第2区域間に電位差が生じ、
第1区域は、第1電解用電極と電気的に接続し、
第2区域は、第2電解用電極と電気的に接続する請求項1〜9のいずれか1つに記載の装置。 - 前記光電変換部は、n型半導体部およびp型半導体部を有する少なくとも1つの半導体材料からなり、
第1および第2区域のうち、一方は前記n型半導体部の一部であり、他方は前記p型半導体部の一部である請求項19に記載の装置。 - 透光性基板をさらに備え、
前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられた請求項1〜20のいずれか1つに記載の装置。 - 透光性基板をさらに備え、
前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられ、
前記透光性基板は、記光電変換部の受光面を水平にしたとき、第1電解用電極の電解液に接触可能な面と水平な基準面との間の傾斜角と、第2電解用電極の電解液に接触可能な面と前記基準面との間の傾斜角とが異なるように成形された請求項1〜6のいずれか1つに記載の装置。 - 第2電解用電極は、絶縁部を介して前記光電変換部の裏面上に設けられた請求項22に記載の装置。
- 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1〜23のいずれか1つに記載の装置。
- 前記光電変換部は、直列接続した複数の光電変換層を含み、
前記複数の光電変換層は、受光することにより生じる起電力を第1電解用電極および第2電解用電極に供給する請求項1〜24のいずれか1つに記載の装置。 - 各光電変換層は、第4導電部により直列接続された請求項25に記載の装置。
- 第1電解用電極および第2電解用電極のうち、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、
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1〜26のいずれか1つに記載の装置。 - 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、前記受光面の面積より大きい触媒表面積を有する請求項27に記載の装置。
- 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27または28に記載の装置。
- 前記水素発生部は、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つを含む請求項27〜29のいずれか1つに記載の装置。
- 前記酸素発生部は、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つを含む請求項27〜30のいずれか1つに記載の装置。
- 透光性基板と電解液室とをさらに備え、
前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられ、
第1電解用電極および第2電解用電極の上に天板をさらに備え、
前記電解液室は、第1電解用電極および第2電解用電極と前記天板との間に設けられた請求項1〜31のいずれか1つに記載の装置。 - 第1電解用電極と前記天板との間の電解液室および第2電解用電極と天板との間の電解液室とを仕切る隔壁をさらに備える請求項32に記載の装置。
- 前記隔壁は、イオン交換体を含む請求項33に記載の装置。
- 請求項1〜34のいずれか1つに記載の気体製造装置を前記光電変換部の受光面が実質的に水平となるように設置し、
前記気体製造装置は、第1気体を排出する第1気体排出口と、第2気体を排出する第2気体排出口と、電解液室とを備え、
前記電解液室に電解液を導入し、太陽光を前記光電変換部の受光面に入射させることにより第1電解用電極および第2電解用電極からそれぞれ第1気体および第2気体を発生させ、第1気体排出口および第2気体排出口からそれぞれ第1気体および第2気体を排出する気体製造方法。 - 複数の請求項1〜34のいずれか1つに記載の気体製造装置と、第1気体排出路と、第2気体排出路とを備え、
各気体製造装置は、第1気体を排出する第1気体排出口と第2気体を排出する第2気体排出口とを備え、
第1気体排出路は、各気体製造装置の第1気体排出口と導通し、
第2気体排出路は、各気体製造装置の第2気体排出口と導通する気体製造装置アレイ。
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