JP2013023728A - Electrolytic cell, and device and method for producing gas - Google Patents

Electrolytic cell, and device and method for producing gas Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolytic cell electrolyzing an electrolyte and capable of efficiently collecting generated bubbles.SOLUTION: An electrolytic cell includes at least one electrolytic electrode 7 and a sidewall part 17. The electrolytic electrode 7 configures a first inner surface of the electrolytic cell. The sidewall part 17 configures a second inner surface of the electrolytic cell, the second inner surface facing the first inner surface. The sidewall part 17 has a first level difference part 45 so that a distance between the first inner surface and the second inner surface becomes wider at an upper part of the electrolytic cell than at the bottom side part. The first level difference part 45 is provided such that, when an electrolyte is stored in the electrolytic cell to be electrolyzed and bubbles are generated from the first inner surface, the bubbles are convected in the electrolyte between a liquid level 41 and the first level difference part 45 due to the buoyancy of the bubbles.

Description

本発明は、電解槽、気体製造装置および気体製造方法に関する。   The present invention relates to an electrolytic cell, a gas production apparatus, and a gas 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 restrictions on other renewable energy sources. 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。
これまでに、光電変換と、その光起電力を利用し電解液を電気分解することにより水素を発生させる水素製造装置が開示されている(例えば、特許文献1)。このような水素製造装置を用いることにより、太陽光エネルギーを効率よく水素として貯蔵することができる。
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.
So far, a hydrogen production apparatus has been disclosed in which hydrogen is generated by photoelectric conversion and electrolysis of an electrolytic solution using the photovoltaic power (for example, Patent Document 1). By using such a hydrogen production apparatus, solar energy can be efficiently stored as hydrogen.

また、電解液を電気分解し水素を発生させる装置では、電解槽で気泡として発生させた水素を電解液と共に気泡分離装置に移動させ、水素を回収した後、電解液を再び電解槽に導入することにより水素を回収している(例えば、特許文献2)。   Further, in an apparatus that electrolyzes an electrolytic solution to generate hydrogen, hydrogen generated as bubbles in the electrolytic cell is moved together with the electrolytic solution to the bubble separation device, and after hydrogen is recovered, the electrolytic solution is again introduced into the electrolytic cell. Thus, hydrogen is recovered (for example, Patent Document 2).

特許第4594438号公報Japanese Patent No. 4559438 特開2007−84914号公報JP 2007-84914 A

しかし、従来の電解液を電気分解し気泡を発生させる装置では、気泡分離装置が必要であり装置を大型化する必要がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電解液を電気分解し発生させた気泡を効率よく回収することができる電解槽を提供する。
However, in a conventional apparatus for electrolyzing an electrolytic solution to generate bubbles, a bubble separation device is required, and the device needs to be enlarged.
This invention is made | formed in view of such a situation, and provides the electrolytic cell which can collect | recover efficiently the bubbles which electrolyzed the electrolyte solution and were generated.

本発明は、少なくとも1つの電解用電極と側壁部とを有する電解槽であって、前記電解用電極は、前記電解槽の第1内側面を構成し、前記側壁部は、第1内側面に対向する、前記電解槽の第2内側面を構成し、前記側壁部は、前記電解槽の上部において第1内側面と第2内側面との間隔が底側より広くなるような第1段差部を有し、第1段差部は、前記電解槽に電解液を収容して電気分解し第1内側面から気泡を発生させたとき、気泡の浮力により液面と第1段差部との間の電解液中で気泡が対流するように設けられたことを特徴とする電解槽を提供する。   The present invention is an electrolytic cell having at least one electrode for electrolysis and a side wall, wherein the electrode for electrolysis constitutes a first inner surface of the electrolytic cell, and the side wall is formed on the first inner surface. Opposing the second inner side surface of the electrolytic cell, and the side wall part is a first step portion in which an interval between the first inner side surface and the second inner side surface is wider than the bottom side in the upper part of the electrolytic cell. The first stepped portion is formed between the liquid surface and the first stepped portion by the buoyancy of the bubbles when the electrolytic solution is accommodated in the electrolytic cell and electrolyzed to generate bubbles from the first inner surface. There is provided an electrolytic cell characterized in that bubbles are provided in a convection in an electrolytic solution.

本発明によれば、電解用電極が電解槽の第1内側面を構成するため、電解液を電気分解し電解用電極の表面から気泡を発生させたとき、発生した気泡を第1内側面に沿って、又は第1内側面から離脱して電解液中を浮上させることができ、電解液の液面から気泡中の気体を気相中に放出させることができ、発生気体を回収することができる。
本発明によれば、第1内側面に対向する、電解槽の第2内側面を構成する側壁部が、電解槽の上部において第1内側面と第2内側面との間隔が底側より広くなるような第1段差部を有するため、電解用電極の表面から発生し第1内側面に沿って浮上した気泡のうち液面から気相中に放出されない小さい気泡(泡の直径が小さく、表面張力が大きい気泡)を第1段差部と電解液の液面との間の電解液中で対流させることができる。このことにより、小さい気泡がぶつかり大きな気泡(泡の直径が大きく、表面張力が小さい気泡)になる確率を高くすることができ、気泡中の気体が気相中に放出できるようになり、電解用電極の表面で気泡として発生させた気体を効率よく回収することができる。その結果、気泡分離装置を設けなくても、効率よく発生気体を回収することができるようになり、装置を小型化することができる。
また、第1段差部を設けることにより、小さい気泡が第1段差部よりも深い電解槽中に流れることを抑制することができ、小さい気泡が電解液中に広く拡散することおよび電解槽の内壁全体に吸着することを抑制することができる。その結果、電解液を電気分解し発生させた気泡を効率よく回収することができる。また、電解用電極表面に吸着する気泡を少なくすることができ、電気分解反応が生じる電解用電極の表面積を広くすることができる。さらに、小さい気泡が電解液中に広く拡散することにより生じる電解液の液面の上昇を抑制することができ、電解液が発生気体を回収するための配管などに侵入することを抑制することができる。
According to the present invention, since the electrode for electrolysis constitutes the first inner surface of the electrolytic cell, when the electrolytic solution is electrolyzed to generate bubbles from the surface of the electrode for electrolysis, the generated bubbles are formed on the first inner surface. Along with or away from the first inner surface, the electrolyte solution can be levitated, the gas in the bubbles can be released into the gas phase from the electrolyte surface, and the generated gas can be recovered it can.
According to the present invention, the side wall portion that constitutes the second inner side surface of the electrolytic cell facing the first inner side surface has a larger distance between the first inner side surface and the second inner side surface than the bottom side in the upper part of the electrolytic cell. Among the bubbles generated from the surface of the electrode for electrolysis and floating along the first inner surface, the small bubbles that are not released from the liquid surface into the gas phase (the diameter of the bubbles is small, the surface Bubbles with high tension) can be convected in the electrolytic solution between the first step portion and the surface of the electrolytic solution. This makes it possible to increase the probability that small bubbles will collide and become large bubbles (bubbles with a large bubble diameter and low surface tension), and the gas in the bubbles can be released into the gas phase. The gas generated as bubbles on the surface of the electrode can be efficiently recovered. As a result, the generated gas can be efficiently recovered without providing a bubble separation device, and the device can be miniaturized.
Further, by providing the first step portion, it is possible to suppress small bubbles from flowing into the electrolytic cell deeper than the first step portion, and the small bubbles diffuse widely in the electrolytic solution and the inner wall of the electrolytic cell. Adsorption to the whole can be suppressed. As a result, bubbles generated by electrolysis of the electrolytic solution can be efficiently recovered. Further, the number of bubbles adsorbed on the surface of the electrode for electrolysis can be reduced, and the surface area of the electrode for electrolysis that causes an electrolysis reaction can be increased. Furthermore, it is possible to suppress an increase in the level of the electrolytic solution caused by the wide diffusion of small bubbles in the electrolytic solution, and to prevent the electrolytic solution from entering a pipe for collecting the generated gas. it can.

本発明の一実施形態の電解槽の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the electrolytic cell of one Embodiment of this invention. 図1の点線A−Aにおける電解槽の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the electrolytic cell in dotted line AA of FIG. (a)は図1の一点鎖線B−Bにおける電解槽の概略断面図であり、(b)は図1の一点鎖線C−Cにおける電解槽の概略断面図である。(A) is a schematic sectional drawing of the electrolytic cell in the dashed-dotted line BB of FIG. 1, (b) is a schematic sectional drawing of the electrolytic cell in the dashed-dotted line CC of FIG. 図3の一点鎖線で囲んだ範囲Eにおける電解槽の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the electrolytic cell in the range E enclosed with the dashed-dotted line of FIG. (a)〜(f)は、それぞれ本発明の一実施形態の電解槽の一部の概略断面図である。(A)-(f) is a schematic sectional drawing of a part of electrolytic cell of one Embodiment of this invention, respectively. (a)および(b)は、それぞれ本発明の一実施形態の電解槽の概略断面図である。(A) And (b) is a schematic sectional drawing of the electrolytic cell of one Embodiment of this invention, respectively. 本発明の一実施形態の気体製造装置の概略上面図である。It is a schematic top view of the gas manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention. 図7の点線F−Fにおける気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus in the dotted line FF of FIG. 本発明の一実施形態の気体製造装置の概略裏面図である。It is a schematic back view of the gas manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention. 図7の一点鎖線G−Gにおける気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus in the dashed-dotted line GG of FIG. 図7の一点鎖線H−Hにおける気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus in the dashed-dotted line HH of FIG. 図10の点線で囲んだ範囲Jにおける気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus in the range J enclosed with the dotted line of FIG. 本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention. 従来の電解槽の一部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of a part of conventional electrolytic cell.

本発明の電解槽は、少なくとも1つの電解用電極と側壁部とを有する電解槽であって、前記電解用電極は、前記電解槽の第1内側面を構成し、前記側壁部は、第1内側面に対向する、前記電解槽の第2内側面を構成し、前記側壁部は、前記電解槽の上部において第1内側面と第2内側面との間隔が底側より広くなるような第1段差部を有し、第1段差部は、前記電解槽に電解液を収容して電気分解し第1内側面から気泡を発生させたとき、気泡の浮力により液面と第1段差部との間の電解液中で気泡が対流するように設けられたことを特徴とする。
本発明において、電解用電極とは、印加される電圧により電解液を電気分解する電極である。
本発明において、側壁部とは、電解槽の側壁を構成する部分である。この電解槽の側壁とは、電解槽内の電解液を溜めるための側壁であってもよく、電解槽内の電解液を仕切るための側壁であってもよい。
本発明において、電解槽の内側面とは、電解槽の内面のうち、底面と、底面に対向する上面以外の面である。
本発明において、段差部とは、段状となった部分で、表面に高低差が生じている部分である。
The electrolytic cell of the present invention is an electrolytic cell having at least one electrode for electrolysis and a side wall portion, and the electrode for electrolysis constitutes a first inner surface of the electrolytic cell, and the side wall portion has a first side surface. The second inner side surface of the electrolytic cell facing the inner side surface is configured, and the side wall portion has a first gap between the first inner side surface and the second inner side surface that is wider than the bottom side in the upper part of the electrolytic cell. The first step portion has an electrolyte solution stored in the electrolytic cell and electrolyzed to generate bubbles from the first inner surface, and the liquid level and the first step portion are generated by the buoyancy of the bubbles. It is characterized in that the air bubbles are provided so as to convect in the electrolyte solution.
In the present invention, the electrode for electrolysis is an electrode for electrolyzing an electrolytic solution with an applied voltage.
In this invention, a side wall part is a part which comprises the side wall of an electrolytic cell. The side wall of the electrolytic cell may be a side wall for storing the electrolytic solution in the electrolytic cell, or may be a side wall for partitioning the electrolytic solution in the electrolytic cell.
In the present invention, the inner surface of the electrolytic cell is a surface other than the bottom surface and the upper surface facing the bottom surface among the inner surfaces of the electrolytic cell.
In the present invention, the stepped portion is a stepped portion where a difference in height is generated on the surface.

本発明の電解槽において、第1段差部は、電解液を電気分解し第1内側面から気泡を発生させたとき、電解液の液面近傍の気泡が第1段差部より深い前記電解槽内へ流れることを抑制するように設けられことが好ましい。
このような構成によれば、電解用電極から発生させた気泡が電解液中に広く拡散することおよび電解槽の内壁全体に吸着することを抑制することができる。
本発明の電解槽において、第1段差部は、複数の段差を含むことが好ましい。
このような構成によれば、複数の段差で気泡を浮上させることができ、電解用電極から発生させた気泡が電解液中に広く拡散することをより抑制することができる。
In the electrolytic cell of the present invention, when the first step portion electrolyzes the electrolytic solution and generates bubbles from the first inner surface, the bubbles near the liquid surface of the electrolytic solution are deeper than the first step portion in the electrolytic bath. It is preferable to be provided so as to suppress the flow to
According to such a structure, it can suppress that the bubble generated from the electrode for electrolysis spread | diffuses widely in electrolyte solution, and adsorb | sucks to the whole inner wall of an electrolytic vessel.
In the electrolytic cell of the present invention, it is preferable that the first step portion includes a plurality of steps.
According to such a configuration, the bubbles can be floated at a plurality of steps, and the bubbles generated from the electrode for electrolysis can be further suppressed from being diffused widely in the electrolytic solution.

本発明の電解槽において、第2内側面は、第1面と、第1面の、前記電解槽の底側に設けられ、かつ、第1面と第1内側面との間隔よりも、第1内側面との間隔が狭い第2面とを有し、第1段差部は、第1面と第2面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内側面と、第1面と、第1段差部と、電解液の液面とで囲まれた範囲で気泡を対流させることができる。
本発明の電解槽において、第1面は、親水性を有することが好ましい。
このような構成によれば、第1面上での気泡の流れをスムーズにすることができる。
In the electrolytic cell of the present invention, the second inner surface is provided on the first surface, the first surface on the bottom side of the electrolytic cell, and more than the distance between the first surface and the first inner surface. Preferably, the first step portion is provided between the first surface and the second surface. The second surface has a narrow distance from the inner surface.
According to such a configuration, air bubbles can be convected within a range surrounded by the first inner surface, the first surface, the first stepped portion, and the electrolyte surface.
In the electrolytic cell of the present invention, the first surface preferably has hydrophilicity.
According to such a configuration, the flow of bubbles on the first surface can be made smooth.

本発明の電解槽において、前記側壁部は、第1段差部の、前記電解槽の底側に第2段差部を有し、第2内側面は、第2面の、前記電解槽の底側に設けられ、かつ、第2面と第1内側面との間隔よりも、第1内側面との間隔が広い第3面を有し、第2段差部は、第2面と第3面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、電解槽内の電解液の量を減少させずに第1段差を設けることができる。また、第1内側面と第1面との間隔を小さくすることができ、電解液の液面と第1段差との間の気泡が対流する電解液の量を少なくすることができ、気泡が合体し気泡中の気体が気相中に放出しやすくすることができる。このことにより、電解液中を対流する気泡中の気体をより早く気相中に放出することができる。
本発明の電解槽において、前記電解槽は、前記電解用電極として第1電解用電極と第2電解用電極とを備え、第1および第2電解用電極は、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たことが好ましい。
このような構成によれば、電解液を電気分解し第1気体および第2気体を製造することができる。
In the electrolytic cell of the present invention, the side wall portion has a second stepped portion on the bottom side of the electrolytic cell of the first stepped portion, and the second inner side surface is a bottom surface of the electrolytic cell on the second surface. And has a third surface that is wider than the distance between the second surface and the first inner surface than the first inner surface, and the second step portion includes the second surface and the third surface. It is preferable that it was provided between.
According to such a configuration, the first step can be provided without reducing the amount of the electrolytic solution in the electrolytic cell. Moreover, the space | interval of a 1st inner surface and a 1st surface can be made small, the quantity of the electrolyte solution which the bubble between the liquid level of electrolyte solution and a 1st level | step difference can convect can be decreased, and a bubble is generated. The gas in the bubbles can be easily combined and released into the gas phase. Thereby, the gas in the bubble which convects in the electrolytic solution can be released into the gas phase earlier.
In the electrolytic cell of the present invention, the electrolytic cell includes a first electrolysis electrode and a second electrolysis electrode as the electrolysis electrode, and the first and second electrolysis electrodes electrolyze the electrolytic solution, respectively. It is preferable that the first gas and the second gas are generated.
According to such a configuration, the electrolytic solution can be electrolyzed to produce the first gas and the second gas.

本発明の電解槽において、第1および第2電解用電極は、並列に設けられ、第1電解用電極と第2電解用電極との間に設けられた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、電解槽を扁平な形状とすることができ、太陽電池の裏面側に設置することが可能となり、隔壁により第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。
本発明の電解槽において、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。
本発明の電解槽において、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。
In the electrolytic cell of the present invention, it is preferable that the first and second electrolysis electrodes are further provided with a partition wall provided in parallel and provided between the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode.
According to such a configuration, the electrolytic cell can be flattened, can be installed on the back side of the solar cell, and the first gas and the second gas can be separated and recovered by the partition wall. it can.
In the electrolytic cell of the present invention, the partition preferably includes an ion exchanger.
According to such a structure, the imbalance of the ion concentration which arises in electrolyte solution can be eliminated easily.
In the electrolytic cell of the present invention, it is preferable that one of the first gas and the second gas is hydrogen and the other is oxygen.
According to such a configuration, hydrogen serving as a fuel for the fuel cell can be produced.

また、本発明は、本発明の電解槽と、受光面およびその裏面を有する光電変換部とを備え、第1および第2電解用電極は、前記裏面の上に並列に設けられ、かつ、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た気体製造装置も提供する。
本発明の気体製造装置によれば、第1および第2電解用電極は、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ているため、第1電解用電極の表面で第1気体を発生させることができ、第2電解用電極の表面で第2気体を発生させることができる。
また、本発明の気体製造装置によれば、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。
さらに、本発明の気体製造装置によれば、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。
In addition, the present invention includes the electrolytic cell of the present invention, a photoelectric conversion unit having a light receiving surface and a back surface thereof, and the first and second electrodes for electrolysis are provided in parallel on the back surface, and There is also provided a gas production apparatus provided to electrolyze an electrolytic solution using an electromotive force generated by receiving light by a photoelectric conversion unit to generate a first gas and a second gas, respectively.
According to the gas production apparatus of the present invention, the first and second electrolysis electrodes use the electromotive force generated when the photoelectric conversion unit receives light to electrolyze the electrolytic solution, and the first gas and the second gas are respectively Since it is provided to generate, the first gas can be generated on the surface of the first electrolysis electrode, and the second gas can be generated on the surface of the second electrolysis electrode.
Further, according to the gas production apparatus of the present invention, since the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode are provided on the back surface of the photoelectric conversion unit, light is incident on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit without passing through the electrolytic solution. And absorption of incident light and scattering of incident light by 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.
Furthermore, according to the gas manufacturing apparatus of the present invention, since the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode are provided on the back surface of the photoelectric conversion unit, the light incident on the light receiving surface is the first and second electrolysis electrodes. , And the first gas and the second gas generated therefrom are not absorbed or scattered. 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するように設けられ、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ように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部に積層構造のものを利用することができる。
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絶縁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、第2電解用電極と光電変換部の裏面との間にリーク電流が発生するのを防止することができる。
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, the photoelectric conversion unit receives light to generate an electromotive force between the light receiving surface and the back surface, and the first electrolysis electrode is electrically connected to the back surface of the photoelectric conversion unit. It is preferable that the second electrolysis electrode is provided so as to be electrically connected to the light receiving surface of the photoelectric conversion unit.
According to such a structure, the thing of a laminated structure can be utilized for a photoelectric conversion part.
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable to further include an insulating portion provided between the second electrolysis electrode and the back surface of the photoelectric conversion portion.
According to such a configuration, it is possible to prevent a leak current from being generated between the second electrolysis electrode and the back surface of the photoelectric conversion unit.

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に接触する第1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、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。
In the gas production apparatus of the present invention, it is preferable that the gas production apparatus further includes a first electrode that contacts the light receiving surface of the photoelectric conversion unit.
According to such a configuration, the internal resistance can be reduced.
The gas manufacturing apparatus of the present invention preferably further includes a first conductive portion that electrically connects the first electrode and the second electrolysis electrode.
According to such a structure, the light-receiving surface of a photoelectric conversion part and the 2nd electrode for electrolysis can be electrically connected.

本発明の気体製造装置において、第1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。
本発明の気体製造装置において、前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、第1導電部は、前記絶縁部の一部であり前記光電変換部の側面を覆う部分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、第1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。
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the first conductive portion is provided in a contact hole that penetrates the photoelectric conversion portion.
According to such a configuration, the wiring distance between the light receiving surface of the photoelectric conversion unit and the second electrolysis electrode can be shortened, and the internal resistance can be reduced.
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, the insulating portion is provided so as to cover a side surface of the photoelectric conversion portion, and the first conductive portion is a part of the insulating portion and covers a side surface of the photoelectric conversion portion. Preferably provided above.
According to such a configuration, the first conductive portion can be provided with a small number of steps, and the manufacturing cost can be reduced.

本発明の気体製造装置において、前記絶縁部は、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、前記絶縁部の一部であり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1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。
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。
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, the insulating portion is provided so as to cover a side surface of the photoelectric conversion portion, and the second electrolysis electrode is a part of the insulating portion and covers the side surface of the photoelectric conversion portion. It is preferable that the first electrode is provided on the first electrode and is in contact with the first electrode.
According to such a configuration, the first electrode and the second electrolysis electrode can be electrically connected without providing the first conductive portion.
In the gas production apparatus of the present invention, it is preferable that the photoelectric conversion unit has a photoelectric conversion layer including a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer.
According to such a configuration, an electromotive force can be generated by causing light to enter the photoelectric conversion unit.

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光電変換部の裏面の第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するように設けられ、第2区域は、第2電解用電極と電気的に接続するように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の第1区域と第2区域との間に生じた起電力を第1電解用電極と第2電解用電極と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、第1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、かつ、第1区域上および第2区域上に開口を有する絶縁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、第1区域と第2区域との間に、光電変換部が受光することにより生じる起電力を効率よく発生させることができる。
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, the photoelectric conversion unit receives a light to generate a potential difference between the first and second areas on the back surface of the photoelectric conversion unit, and the first area is electrically connected to the first electrolysis electrode. It is preferable that the second area is provided so as to be electrically connected to the second electrolysis electrode.
According to such a configuration, the electromotive force generated between the first area and the second area of the photoelectric conversion unit can be output to the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode.
The gas manufacturing apparatus of the present invention further includes an insulating portion provided between the first and second electrolysis electrodes and the back surface of the photoelectric conversion portion, and having openings on the first area and the second area. It is preferable.
According to such a configuration, an electromotive force generated when the photoelectric conversion unit receives light can be efficiently generated between the first area and the second area.

本発明の気体製造装置において、第1区域は、第3導電部を介して第1電解用電極と電気的に接続するように設けられ、第2区域は、第2導電部を介して第2電解用電極と電気的に接続するように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部が受光することにより生じる起電力を第1電解用電極と第2電解用電極とに出力するときのオーミックロス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、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、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。
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, the first area is provided so as to be electrically connected to the first electrolysis electrode via the third conductive part, and the second area is provided via the second conductive part. It is preferably provided so as to be electrically connected to the electrode for electrolysis.
According to such a configuration, it is possible to reduce ohmic loss when the electromotive force generated by the photoelectric conversion unit receiving light is output to the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode.
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, the photoelectric conversion part is made of at least one semiconductor material having an n-type semiconductor part and a p-type semiconductor part, and one of the first and second areas is the n-type semiconductor part. It is preferable that the other part is a part of the p-type semiconductor part.
According to such a configuration, an electromotive force can be generated between the first and second areas on the back surface of the photoelectric conversion unit when the photoelectric conversion unit receives light.

本発明の気体製造装置において、透光性を有する第1基板をさらに備え、前記光電変換部は、第1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、光電変換部を第1基板の上に形成することができる。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、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ように設けられたことが好ましい。
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。
In the gas production apparatus of the present invention, it is preferable that the gas production apparatus further includes a first substrate having translucency, and the photoelectric conversion unit is provided on the first substrate.
According to such a configuration, the photoelectric conversion unit can be formed on the first substrate.
In the gas production apparatus of the present invention, the photoelectric conversion unit includes a plurality of photoelectric conversion layers connected in series, and the plurality of photoelectric conversion layers generate electromotive force generated by receiving light in the first electrolysis electrode and the second electrolysis. It is preferable that it is provided so as to be supplied to the electrode.
According to such a configuration, a high voltage electromotive force can be easily output to the first and second electrolysis electrodes.

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4導電部は、前記光電変換層の受光面側に設けられた透光性電極と、前記光電変換層の裏面側に設けられた裏面電極とを含むことが好ましい。
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。
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, each photoelectric conversion layer is preferably connected in series by a fourth conductive portion.
According to such a configuration, the photoelectric conversion layers can be provided side by side.
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, the fourth conductive portion may include a translucent electrode provided on the light receiving surface side of the photoelectric conversion layer and a back electrode provided on the back surface side of the photoelectric conversion layer. preferable.
According to such a configuration, the photoelectric conversion layers can be provided side by side.

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である水素発生触媒および電解液からO2が発生する反応の触媒である酸素発生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。
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。
In the gas production apparatus of the present invention, one of the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode is a hydrogen generation unit that generates H 2 from the electrolytic solution, and the other is oxygen generation that generates O 2 from the electrolytic solution. The hydrogen generation part and the oxygen generation part are respectively a hydrogen generation catalyst that is a catalyst for the reaction that generates H 2 from the electrolytic solution and an oxygen generation catalyst that is a catalyst for the reaction that generates O 2 from the electrolytic solution. It is preferable to include.
According to such a configuration, hydrogen serving as a fuel for the fuel cell can be produced.
In the gas 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 catalyst area of the reaction in which hydrogen or oxygen is generated can be increased.

本発明の気体製造装置において、前記水素発生触媒は、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。
本発明の気体製造装置において、前記酸素発生触媒は、Mn、Ca、Zn、CoおよびIr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、第1電解用電極および第2電解用電極の上に第2基板をさらに備え、第2基板は、前記側壁部を含むことが好ましい。
このような構成によれば、第1および第2電解用電極がそれぞれ第1内側面を構成し、第2基板が第2内側面を構成する電解槽を気体製造装置が備えることができる。
In the gas production apparatus of the present invention, the hydrogen generation catalyst preferably contains at least one of Pt, Ir, Ru, Pd, Rh, Au, Fe, Ni, and Se.
According to such a configuration, hydrogen can be efficiently generated from the electrolytic solution.
In the gas production apparatus of the present invention, it is preferable that the oxygen generation catalyst contains at least one of Mn, Ca, Zn, Co, and Ir.
According to such a configuration, oxygen can be efficiently generated from the electrolytic solution.
In the gas manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that a second substrate is further provided on the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode, and the second substrate includes the side wall portion.
According to such a configuration, the gas production apparatus can include an electrolytic cell in which the first and second electrolysis electrodes each constitute the first inner surface, and the second substrate constitutes the second inner surface.

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水平面に対し傾斜するように設置し、前記気体製造装置の下部から前記気体製造装置に電解液を導入し、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、前記気体製造装置の上部から第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、光電変換部の受光面に光を入射させることにより、第1気体および第2気体を製造することができる。
Further, the present invention provides the gas production apparatus of the present invention so that the light receiving surface of the photoelectric conversion unit is inclined with respect to a horizontal plane, introduces an electrolyte into the gas production apparatus from the lower part of the gas production apparatus, By making light incident on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit, a first gas and a second gas are generated from the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode, respectively. A gas production method for discharging two gases is also provided.
According to the gas production method of the present invention, the first gas and the second gas can be produced by making light incident on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit.

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。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。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to 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.

電解槽の構成
図1は、本実施形態の電解槽の概略断面図であり、図2は図1の点線A−Aにおける電解槽の概略断面図である。また、図3(a)は図1の一点鎖線B−Bにおける電解槽の概略断面図であり、図3(b)は図1の一点鎖線C−Cにおける電解槽の概略断面図である。さらに、図4は、図3の一点鎖線で囲んだ範囲Eにおける電解槽の概略断面図である。
Diagram 1 of the electrolytic cell is a schematic cross-sectional view of the electrolytic cell of the present embodiment, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the electrolytic cell in the dotted line A-A of FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of the electrolytic cell taken along one-dot chain line BB in FIG. 1, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional view of the electrolytic cell taken along one-dot chain line CC in FIG. Further, FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the electrolytic cell in a range E surrounded by an alternate long and short dash line in FIG.

本実施形態の電解槽21は、少なくとも1つの電解用電極7、8と側壁部17とを有する電解槽21であって、電解用電極7、8は、電解槽21の第1内側面42を構成し、側壁部17は、第1内側面42に対向する、電解槽21の第2内側面43を構成し、側壁部17は、電解槽21の上部において第1内側面42と第2内側面43との間隔が底側より広くなるような第1段差部45を有し、第1段差部45は、電解槽21に電解液を収容して電気分解し第1内側面42から気泡を発生させたとき、気泡の浮力により液面41と第1段差部45との間の電解液中で気泡が対流するように設けられたことを特徴とする。
以下、本実施形態の電解槽21について説明する。
本実施形態の電解槽21は、例えば、図1〜3のように第1基板上に第1電解用電極8と第2電解用電極7とを隔壁13を挟んで並列に設置し、第2基板14を第1電解用電極8と第2電解用電極7の上部に設置し、第1基板1と第2基板14とをシール材16により接合することにより、電解槽21を形成することができる。また、給水口18、第1気体排出口20、第2気体排出口19を設けることができる。また、第1および第2電解用電極8、7に電圧を印加するために、配線52、端子部10を設けることができる。
なお、ここでは、第1基板1と第2基板14とを用いる電解槽21について例示したが、例えば、箱型の電解槽に第1および第2電解用電極8、7を設置した電解槽21でもよい。
The electrolytic cell 21 of the present embodiment is an electrolytic cell 21 having at least one electrode for electrolysis 7, 8 and a side wall portion 17, and the electrodes 7, 8 for electrolysis have a first inner side surface 42 of the electrolytic cell 21. The side wall portion 17 constitutes a second inner side surface 43 of the electrolytic cell 21 that opposes the first inner side surface 42, and the side wall portion 17 is formed at the upper part of the electrolytic cell 21 with the first inner side surface 42 and the second inner side surface 43. The first step portion 45 has a first step portion 45 that is wider than the bottom side with respect to the side surface 43. The first step portion 45 contains the electrolytic solution in the electrolytic cell 21 and electrolyzes bubbles from the first inner side surface 42. When generated, the bubbles are provided so that the bubbles convect in the electrolytic solution between the liquid surface 41 and the first step portion 45 by the buoyancy of the bubbles.
Hereinafter, the electrolytic cell 21 of this embodiment will be described.
In the electrolytic cell 21 of the present embodiment, for example, as shown in FIGS. 1 to 3, the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 are arranged in parallel on the first substrate with the partition wall 13 interposed therebetween. The electrolytic cell 21 can be formed by installing the substrate 14 on the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 and joining the first substrate 1 and the second substrate 14 with the sealing material 16. it can. Moreover, the water supply port 18, the 1st gas exhaust port 20, and the 2nd gas exhaust port 19 can be provided. Moreover, in order to apply a voltage to the 1st and 2nd electrodes 8 and 7, the wiring 52 and the terminal part 10 can be provided.
In addition, although illustrated about the electrolytic cell 21 using the 1st board | substrate 1 and the 2nd board | substrate 14 here, the electrolytic cell 21 which installed the electrode 8 and 7 for 1st and 2nd electrolysis in the box-type electrolytic cell, for example is shown. But you can.

1.電解用電極
本実施形態の電解槽21は、少なくとも1つの電解用電極を有する。また、本実施形態の電解槽21は、第1電解用電極8および第2電解用電極7の両方を有することができる。このことにより、第1電解用電極8と第2電解用電極との間に電圧を印加することにより、電解槽21内の電解液を電気分解することができる。また、電解槽21は、複数組の第1電解用電極8および第2電解用電極7を有することもできる。
また、本実施形態のうち1つの電解用電極を有する電解槽21としては、例えば、電解槽21に第1電解用電極8が設けられ、他の電解槽に第2電解用電極が設けられ、電解槽21内の電解液と他の電解槽内の電解液とが塩橋により電気的に連結されている電解槽である。
1. Electrolysis Electrode The electrolytic cell 21 of the present embodiment has at least one electrolysis electrode. Further, the electrolytic cell 21 of the present embodiment can have both the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7. Thus, the electrolytic solution in the electrolytic cell 21 can be electrolyzed by applying a voltage between the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode. In addition, the electrolytic cell 21 may have a plurality of sets of first electrolysis electrodes 8 and second electrolysis electrodes 7.
Moreover, as the electrolytic cell 21 having one electrode for electrolysis in the present embodiment, for example, the first electrolytic electrode 8 is provided in the electrolytic cell 21, and the second electrolytic electrode is provided in the other electrolytic cell, This is an electrolytic cell in which the electrolytic solution in the electrolytic cell 21 and the electrolytic solution in another electrolytic cell are electrically connected by a salt bridge.

第1および第2電解用電極8、7は、電解槽21に溜められた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ることができる。例えば、第1電解用電極8と第2電解用電極7は、その間に電圧を印加できるように設けられる。また、第1および第2電解用電極8、7は、それぞれ配線52により端子部10に電気的に接続することができる。このことにより、端子部10に外部電源を接続することができ、外部電源により第1電解用電極8と第2電解用電極7との間に電圧を印加することができる。
また、電解液は水を含み、第1気体および第2気体のうち一方は水素であり、他方は酸素であってもよい。このことにより、電解液に含まれる水を電気分解し、水素および酸素を発生させることができる。
The first and second electrodes for electrolysis 8 and 7 can be provided so as to electrolyze the electrolytic solution stored in the electrolytic cell 21 to generate a first gas and a second gas, respectively. For example, the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 are provided so that a voltage can be applied between them. Also, the first and second electrolysis electrodes 8 and 7 can be electrically connected to the terminal portion 10 by the wiring 52, respectively. Thus, an external power source can be connected to the terminal portion 10, and a voltage can be applied between the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 by the external power source.
The electrolytic solution may include water, and one of the first gas and the second gas may be hydrogen and the other may be oxygen. As a result, water contained in the electrolyte can be electrolyzed to generate hydrogen and oxygen.

第1または第2電解用電極8、7は、電解槽21の第1内側面を構成する。このことにより、第1または第2電解用電極8、7は、電解槽21に溜められた電解液と接触することができ、この電解液を電気分解し気泡を発生させることができる。
第1または第2電解用電極8、7は、第1基板1上に設けることができる。この場合、第1基板1と第1または第2電解用電極8、7とで電解槽21の側壁となる。第1基板1は、電解槽21の側壁となりうる強度を有すれば特に限定されない。また、第1または第2電解用電極8、7は、箱型の水槽の内側面上に設けることもできる。この場合、第1または第2電解用電極8、7に対向する、箱型の水槽の内側面を有する側壁が側壁部17となる。
The first or second electrode 8 or 7 for electrolysis constitutes the first inner surface of the electrolytic cell 21. As a result, the first or second electrode for electrolysis 8, 7 can come into contact with the electrolytic solution stored in the electrolytic cell 21, and the electrolytic solution can be electrolyzed to generate bubbles.
The first or second electrolysis electrodes 8 and 7 can be provided on the first substrate 1. In this case, the first substrate 1 and the first or second electrolysis electrodes 8 and 7 form the side wall of the electrolytic cell 21. The 1st board | substrate 1 will not be specifically limited if it has the intensity | strength which can become the side wall of the electrolytic vessel 21. FIG. Moreover, the 1st or 2nd electrode for electrolysis 8 and 7 can also be provided on the inner surface of a box-shaped water tank. In this case, the side wall portion 17 that has the inner surface of the box-shaped water tank facing the first or second electrolysis electrode 8, 7 becomes the side wall portion 17.

第1または第2電解用電極8、7は、並列に設けることができる。このことにより、電解槽21を扁平な形状にすることができ、例えば、太陽電池の裏面上に設置することが容易になり、太陽電池の光起電力を効率よく利用して電解液を電気分解することができる。例えば、図1、2のように第1および第2電解用電極8、7を隔壁13を挟んで並列に設けることができる。   The first or second electrolysis electrodes 8 and 7 can be provided in parallel. As a result, the electrolytic cell 21 can be flattened, for example, it can be easily installed on the back surface of the solar cell, and the electrolytic solution can be electrolyzed by efficiently using the photovoltaic power of the solar cell. can do. For example, as shown in FIGS. 1 and 2, the first and second electrolysis electrodes 8 and 7 can be provided in parallel with the partition wall 13 therebetween.

第1電解用電極8および第2電解用電極7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、その面の長辺が隣接するように交互に設けられてもよい。このように、第1電解用電極8および第2電解用電極7を設けることにより、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。
第1電解用電極8および第2電解用電極7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、安定して第1気体および第2気体を発生させることができる。例えば、第1電解用電極8および第2電解用電極7に電解液に対する耐食性を有する金属板または金属膜を用いることができる。
At least one of the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 has a plurality of surfaces, each of which has a surface that can contact the strip-shaped electrolyte solution, and the long sides of the surfaces are adjacent to each other. It may be provided alternately. In this way, by providing the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7, the distance between the portion where the reaction generating the first gas occurs and the portion where the reaction generating the second gas occurs is increased. It can be shortened, and the ion concentration imbalance generated in the electrolyte can be reduced. Moreover, the 1st gas and 2nd gas can be collect | recovered easily by making the surface which can contact electrolyte solution into strip | belt shape.
The first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 preferably have corrosion resistance to the electrolytic solution and liquid shielding properties to the electrolytic solution. Thus, the first gas and the second gas can be generated stably. For example, a metal plate or a metal film having corrosion resistance against the electrolytic solution can be used for the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7.

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、第1または第2電解用電極8、7を流れる電流の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。また、この場合、第1電解用電極8または第2電解用電極7を電解液に対する遮液性を有する部分と多孔質からなる部分の二層構造とすることもできる。
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。
In addition, at least one of the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 is preferably a porous conductor carrying a catalyst. According to such a configuration, the surface area of at least one of the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 can be increased, and the first gas or the second gas can be generated more efficiently. Can do. Further, by using a porous conductor, it is possible to suppress a change in the potential of the current flowing through the first or second electrolysis electrode 8 or 7, and to generate the first gas or the second gas more efficiently. Can be made. In this case, the first electrolysis electrode 8 or the second electrolysis electrode 7 can also have a two-layer structure of a portion having a liquid shielding property against the electrolytic solution and a porous portion.
One of the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 may be a hydrogen generation unit, and the other may be an oxygen generation unit. In this case, one of the first gas and the second gas is hydrogen, and the other is oxygen.

2.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とすることができる。
また、水素発生部は、電解液からH2が発生する反応の触媒(水素発生触媒)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、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。このような構成によれば、第1電解用電極7と第2電解用電極8との間に電圧を印加することにより、より速い反応速度で水素を発生させることができる。
2. Hydrogen generating part The hydrogen generating part is a part that generates H 2 from the electrolytic solution, and can be either the first electrolysis electrode 8 or the second electrolysis electrode 7.
Further, the hydrogen generation part may include a catalyst (hydrogen generation 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. The hydrogen generation part may be a porous conductor carrying a catalyst. This can increase the catalyst surface area. According to such a configuration, by applying a voltage between the first electrolysis electrode 7 and the second electrolysis electrode 8, hydrogen can be generated at a faster reaction rate.

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。
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。
The hydrogen generating catalyst can be supported on the conductor. Examples of the conductor carrying the catalyst include metal materials, carbonaceous materials, and conductive inorganic materials.
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.

3.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とすることができる。
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、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。さらに、酸素発生部は、酸素発生触媒を含んでもよく、酸素発生触媒は、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、第1電解用電極8と第2電解用電極7との間に印加される電圧により、より速い反応速度で酸素を発生させることができる。
3. Oxygen generating portion The oxygen generating portion is a portion that generates O 2 from the electrolytic solution, and can be either the first electrolysis electrode 8 or the second electrolysis electrode 7.
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. The oxygen generation part may be a porous conductor carrying a catalyst. This can increase the catalyst surface area. Furthermore, the oxygen generation unit may include an oxygen generation catalyst, and the oxygen generation catalyst may include at least one of Mn, Ca, Zn, Co, and Ir. According to such a configuration, oxygen can be generated at a higher reaction rate by the voltage applied between the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7.

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、「2.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。
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。
The oxygen generating catalyst can be supported on the conductor. 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 “2. Hydrogen generation section”.
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.

4.側壁部
本実施形態の電解槽21は、第1内側面に対向する、電解槽21の第2内側面を構成する側壁部17を有する。本実施形態の電解槽21が第1電解用電極8と第2電解用電極7の両方を有する場合、それぞれに対応する側壁部17を有することができる。
側壁部17は、電解槽21の上部において第1内側面と第2内側面との間隔が底側より広くなるような第1段差部45を有する。具体的に説明すると、電解槽21が図3のような断面を有する場合、側壁部17である第2基板14が第1段差部45を有することができる。また、段差部45より上の側壁部17と第1または第2電解用電極8、7との間隔a(第1面47と第1内側面42との間隔a)は、段差部45より下の側壁部17と第1または第2電解用電極8、7との間隔b(第2面48と第1内側面42との間隔b)よりも広い。このことにより、電解槽21に溜められた電解液を電気分解し第1内側面42から気泡を発生させたとき、気体の浮力により液面41と第1段差部45との間の電解液中で気泡12を対流させることができる。このことを図面を用いて説明する。
4). Side wall part The electrolytic cell 21 of this embodiment has the side wall part 17 which comprises the 2nd inner surface of the electrolytic cell 21 facing a 1st inner surface. When the electrolytic cell 21 of the present embodiment has both the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7, it can have the side wall portions 17 corresponding to each.
The side wall part 17 has the 1st level | step-difference part 45 in which the space | interval of a 1st inner surface and a 2nd inner surface becomes wider in the upper part of the electrolytic cell 21 than a bottom side. More specifically, when the electrolytic cell 21 has a cross section as shown in FIG. 3, the second substrate 14 that is the side wall portion 17 can have the first step portion 45. Further, the distance a between the side wall portion 17 above the step portion 45 and the first or second electrolysis electrodes 8, 7 (the interval a between the first surface 47 and the first inner side surface 42) is lower than the step portion 45. This is wider than the distance b (the distance b between the second surface 48 and the first inner surface 42) between the side wall portion 17 and the first or second electrolysis electrode 8, 7. As a result, when the electrolytic solution stored in the electrolytic cell 21 is electrolyzed to generate bubbles from the first inner side surface 42, the electrolytic solution between the liquid level 41 and the first step portion 45 is caused by gas buoyancy. The bubble 12 can be convected. This will be described with reference to the drawings.

図4は、図3の一点鎖線で囲んだ範囲Eにおける電解槽の概略断面図であり、電解槽21を電解液で満たし、電解用電極により電解液を電気分解し気泡を発生させたときの模式図である。第1電解用電極8と第2電解用電極7との間に電圧を印加したとき、電解槽21内の電解液が電気分解することにより、第1電解用電極8の第1内側面42において第1気体が気泡12として発生し、第2電解用電極7の第1内側面42において第2気体が気泡12として発生する。第1内側面42において発生した気泡12は、その浮力により第1内側面42に沿って電解液中を浮上し、電解液の液面41の近傍にまで浮上した気泡は、その内部の気体を気相中に放出する。放出された気体は、第1気体排出口20または第2気体排出口19から排出され第1気体または第2気体を回収することができる。このとき、比較的直径の大きい気泡12中の気体は、容易に電解液の液面から気相中に放出されるが、比較的直径の小さい気泡12中の気体は、容易に電解液の液面から気相中に放出されず、気泡が電解液中を漂うことがある。この理由は明らかではないが、比較的直径の大きい気泡の表面張力は比較的小さく、比較的直径の小さい気泡の表面張力は比較的大きいためと考えられる。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the electrolytic cell in the range E surrounded by the one-dot chain line in FIG. 3, when the electrolytic cell 21 is filled with the electrolytic solution, and the electrolytic solution is electrolyzed with the electrode for electrolysis to generate bubbles. It is a schematic diagram. When a voltage is applied between the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7, the electrolytic solution in the electrolytic cell 21 is electrolyzed, so that the first inner surface 42 of the first electrolysis electrode 8 The first gas is generated as bubbles 12, and the second gas is generated as bubbles 12 on the first inner surface 42 of the second electrolysis electrode 7. The bubbles 12 generated on the first inner side surface 42 float in the electrolyte along the first inner side surface 42 by the buoyancy, and the bubbles that rise to the vicinity of the liquid level 41 of the electrolyte solution Release into the gas phase. The released gas is discharged from the first gas discharge port 20 or the second gas discharge port 19 and can collect the first gas or the second gas. At this time, the gas in the bubble 12 having a relatively large diameter is easily released from the liquid surface of the electrolytic solution into the gas phase, but the gas in the bubble 12 having a relatively small diameter is easily discharged from the electrolyte solution. Bubbles may drift in the electrolyte without being released from the surface into the gas phase. The reason for this is not clear, but it is considered that the surface tension of bubbles having a relatively large diameter is relatively small, and the surface tension of bubbles having a relatively small diameter is relatively large.

第1内側面42から気泡12を発生させたとき、気泡12が第1内側面42に沿って浮上することにより、電解液が第1内側面42に沿って流れる上昇流が生じると考えられる。また、電解用電極が発熱することによってもこの上昇流が生じると考えられる。また、電解用電極の表面の気泡を効率よく回収するために攪拌機などによりこのような上昇流を生じさせてもよい。
この電解液の上昇流は、電解液の液面41の近傍において、第1内側面42側から第2内側面43側に向かう流れに変わると考えられる。さらにこの電解液の流れは、第2内側面43の第1面47の近傍において電解槽21の底に向かう流れに変わると考えられ、その後、第1段差部45の近傍を流れ、電解槽21の底に向かって流れ、電解槽21内で対流すると考えられる。
When the bubbles 12 are generated from the first inner side surface 42, it is considered that the upward flow of the electrolyte flowing along the first inner side surface 42 is generated by the bubbles 12 floating along the first inner side surface 42. Further, it is considered that this upward flow is also generated when the electrode for electrolysis generates heat. Further, such an upward flow may be generated by a stirrer or the like in order to efficiently collect bubbles on the surface of the electrode for electrolysis.
The upward flow of the electrolytic solution is considered to change to a flow from the first inner side surface 42 side toward the second inner side surface 43 side in the vicinity of the liquid surface 41 of the electrolytic solution. Further, it is considered that the flow of the electrolytic solution changes to a flow toward the bottom of the electrolytic cell 21 in the vicinity of the first surface 47 of the second inner side surface 43, and then flows in the vicinity of the first stepped portion 45. It is thought that it flows toward the bottom of the cell and convects in the electrolytic cell 21.

第1内側面42から発生した気泡12で、電解液の液面近傍に浮上した気泡12のうち、直径が比較的小さく内部の気体が気相中に放出されない気泡は、電解液の流れに乗って電解槽21内を流れると考えられる。しかし、電解液が第1段差部45の近傍を流れるとき、電解液は第2内側面43の第1面47側から第1内側面42側に向かって流れるため、電解液中の気泡12はその浮力により浮上すると考えられる。従って、第1段差部45を設けることにより、気泡12が電解槽21の底に向かう電解液の流れに乗らずに気泡12を再び浮上させることができる。この気泡12は電解液の液面近傍に浮上し、再び第1内側面42側から第2内側面43側に向かう電解液の流れに乗ると考えられる。
従って、第1段差部45を設けることにより、液面41と第1段差部45との間の電解液中で気泡12を対流させることができる。このことにより、液面41と第1段差部45との間の電解液中で複数の気泡を合体させ比較的直径の大きい気泡とすることができる。比較的直径の大きい気泡は、その内部の気体を容易に気相中に放出することができ、放出された気体は、第1気体排出口20または第2気体排出口19から排出され第1気体または第2気体を回収することができる。
Among the bubbles 12 generated from the first inner side surface 42 and floating near the liquid surface of the electrolytic solution, the bubbles having a relatively small diameter and in which the internal gas is not released into the gas phase ride on the flow of the electrolytic solution. It is considered that the gas flows in the electrolytic cell 21. However, when the electrolytic solution flows in the vicinity of the first stepped portion 45, the electrolytic solution flows from the first surface 47 side of the second inner side surface 43 toward the first inner side surface 42 side. It is thought that it floats by the buoyancy. Therefore, by providing the first step 45, the bubbles 12 can be lifted again without the bubbles 12 getting on the electrolyte flow toward the bottom of the electrolytic cell 21. It is considered that the bubbles 12 float near the liquid surface of the electrolytic solution and again ride on the flow of the electrolytic solution from the first inner side surface 42 side toward the second inner side surface 43 side.
Therefore, by providing the first step portion 45, the bubbles 12 can be convected in the electrolytic solution between the liquid surface 41 and the first step portion 45. Thereby, a plurality of bubbles can be combined in the electrolyte solution between the liquid surface 41 and the first step portion 45 to form a bubble having a relatively large diameter. The bubbles having a relatively large diameter can easily release the gas therein into the gas phase, and the released gas is discharged from the first gas discharge port 20 or the second gas discharge port 19 and the first gas. Alternatively, the second gas can be recovered.

これらのことにより、本実施形態の電解槽21では、第1気体または第2気体を効率よく回収することができる。また、電解液の液面41近傍の気泡が第1段差部45より深い電解槽21内へ流れることを抑制することができる。また、電解液中に気泡として存在する気体の量を少なくすることができ、気泡の発生による電解液の液面の上昇を小さくすることができる。このことにより、電解液が第1気体または第2気体を排出するための配管に侵入することを抑制することができる。さらに、電解液中の気泡量を少なくすることができるため、第1または第2電解用電極8、7に吸着する気泡の量も少なくすることができる。このことにより、第1または第2電解用電極8、7の表面において、第1気体または第2気体を効率よく発生させることができる。   By these things, in the electrolytic cell 21 of this embodiment, 1st gas or 2nd gas can be collect | recovered efficiently. Moreover, it is possible to suppress the bubbles near the liquid surface 41 of the electrolytic solution from flowing into the electrolytic cell 21 deeper than the first stepped portion 45. Further, the amount of gas present as bubbles in the electrolytic solution can be reduced, and the rise in the liquid level of the electrolytic solution due to the generation of bubbles can be reduced. Thereby, it can suppress that electrolyte solution penetrate | invades into piping for discharging | emitting 1st gas or 2nd gas. Furthermore, since the amount of bubbles in the electrolytic solution can be reduced, the amount of bubbles adsorbed on the first or second electrolysis electrodes 8 and 7 can also be reduced. Accordingly, the first gas or the second gas can be efficiently generated on the surface of the first or second electrolysis electrode 8 or 7.

次に、第1段差部45を有さない電解槽を用いて、電解用電極の表面から気泡を発生させた場合について説明する。図20は、第1段差部を有さない電解槽に電解液を満たし、電解用電極により電解液を電気分解し気泡を発生させたときの模式図であり、図4に対応する。
電解用電極107の表面から気泡を発生させた場合、気泡は電解液の液面まで浮上し、比較的大きな気泡は内部の気体を気相中に放出し、比較的小さな気泡は、電解液の流れに乗って電解槽内を流れる。第1段差部45を有さない電解槽では、電解用電極107が構成する内側面に沿って上昇流が生じ、この内側面に対向する内側面に沿って下降流が生じる。比較的小さな気泡は、この下降流の乗って流れるため、電解槽全体に拡散することになる。このため、電解槽全体に拡散された気泡は、電解槽の内面に広く吸着する。このことにより、電解液中の気泡の量が多くなり電解用電極107から発生させた気体の回収効率が低下する。また、電解液中の気泡の量が多くなることにより、気泡の発生による電解液の液面の上昇が大きくなる。このことにより、電解液が第1気体または第2気体を排出するための配管に侵入する確率が高くなる。さらに電解用電極の表面に吸着する気泡の量が多くなり、電解用電極表面での気体発生効率が低下する。
従って、本実施形態の電解槽21のように側壁部17に第1段差部45を設けることにより、このような気体回収効率の低下を抑制することができ、電解液の液面の上昇を抑制することができ、電解用電極表面での気体発生効率の低下を抑制することができる。
Next, a case where bubbles are generated from the surface of the electrode for electrolysis using an electrolytic cell not having the first step portion 45 will be described. FIG. 20 is a schematic view when an electrolytic bath not having the first step portion is filled with the electrolytic solution, and the electrolytic solution is electrolyzed by the electrode for electrolysis to generate bubbles, and corresponds to FIG.
When bubbles are generated from the surface of the electrode 107 for electrolysis, the bubbles rise to the liquid level of the electrolyte, relatively large bubbles release the internal gas into the gas phase, and relatively small bubbles Ride through the flow and flow through the electrolytic cell. In an electrolytic cell that does not have the first step 45, an upward flow is generated along the inner surface formed by the electrolysis electrode 107, and a downward flow is generated along the inner surface facing the inner surface. Since relatively small bubbles flow along this downward flow, they diffuse throughout the electrolytic cell. For this reason, the bubbles diffused throughout the electrolytic cell are widely adsorbed on the inner surface of the electrolytic cell. As a result, the amount of bubbles in the electrolytic solution increases, and the recovery efficiency of the gas generated from the electrolysis electrode 107 decreases. Further, the increase in the amount of bubbles in the electrolytic solution increases the rise in the liquid level of the electrolytic solution due to the generation of bubbles. This increases the probability that the electrolyte enters the piping for discharging the first gas or the second gas. Furthermore, the amount of bubbles adsorbed on the surface of the electrode for electrolysis increases, and the gas generation efficiency on the surface of the electrode for electrolysis decreases.
Therefore, by providing the first step portion 45 on the side wall portion 17 as in the electrolytic cell 21 of the present embodiment, such a decrease in gas recovery efficiency can be suppressed, and an increase in the electrolyte level is suppressed. It is possible to suppress a decrease in gas generation efficiency on the surface of the electrode for electrolysis.

側壁部17は、第1内側面42に対向する、電解槽21の第2内側面43を構成し、第1段差部45を有するものであれば、特に限定されない。また、側壁部17は、1つの部材から構成されてもよく、複数の部材から構成されてもよい。側壁部17は、例えば、図2、3のように第1段差部45を有する第2基板14から構成されてもよい。
また、図5(a)〜(f)は、それぞれ本実施形態の電解槽21の一部の概略断面図であり、図4に対応する。
The side wall portion 17 is not particularly limited as long as it constitutes the second inner side surface 43 of the electrolytic cell 21 facing the first inner side surface 42 and has the first stepped portion 45. Moreover, the side wall part 17 may be comprised from one member, and may be comprised from several members. The side wall part 17 may be comprised from the 2nd board | substrate 14 which has the 1st level | step-difference part 45 like FIG.
FIGS. 5A to 5F are schematic sectional views of a part of the electrolytic cell 21 of the present embodiment, and correspond to FIG.

第1段差部45は、電解槽21の上部において第1内側面42と第2内側面43との間隔が底側より広くなるような段差を含み、電解液を電気分解し第1内側面42から気泡を発生させたとき、気泡の浮力により液面41と第1段差部45との間の電解液中で気泡が対流するように設けられたものであれば特に限定されないが、例えば、図3、図5(b)〜(d)のように側壁部17の実質的に平行な第1面47と第2面48との間に設けられた段差を含む部分であってもよい。   The first step portion 45 includes a step in which the space between the first inner side surface 42 and the second inner side surface 43 is wider than the bottom side at the upper part of the electrolytic cell 21, and electrolyzes the electrolytic solution to form the first inner side surface 42. Is not particularly limited as long as it is provided so that bubbles are convected in the electrolyte solution between the liquid surface 41 and the first stepped portion 45 due to the buoyancy of the bubbles. 3. It may be a part including a step provided between the substantially parallel first surface 47 and second surface 48 of the side wall portion 17 as shown in FIGS.

第1段差部45は、例えば、図5(a)のように、上方ほど第1内側面42との間隔が広くなる第1面47と、第1内側面42に実質的に平行な第2面48との間に設けられた段差を含む部分であってもよい。このことにより、第1面47上で気泡を浮上しやすくすることができる。   For example, as shown in FIG. 5A, the first step portion 45 includes a first surface 47 whose distance from the first inner surface 42 becomes wider toward the upper side, and a second surface substantially parallel to the first inner surface 42. It may be a portion including a step provided between the surface 48. This makes it easier for the bubbles to rise on the first surface 47.

第1段差部45は、例えば、図5(b)のように、段差により形成される面が第1面47に近づくに従い電解槽21の底の方に近づくように傾斜した面となるような段差を含む部分であってもよい。このことにより、電解液の流れに乗って第1段差部45の近傍に流れてきた気泡がその浮力により浮上しやすくなり、気泡が電解液の液面41と第1段差部45との間の電解液中で対流しやすくすることができる。   For example, as shown in FIG. 5B, the first step portion 45 is a surface that is inclined so as to approach the bottom of the electrolytic cell 21 as the surface formed by the step approaches the first surface 47. It may be a part including a step. This makes it easier for the bubbles that have flowed in the vicinity of the first step portion 45 on the flow of the electrolyte to rise due to the buoyancy, and the bubbles are located between the liquid surface 41 of the electrolyte and the first step portion 45. It is possible to facilitate convection in the electrolytic solution.

第1段差部45は、例えば、図5(c)のように、複数の段差を含む部分であってもよい。このことにより、電解液の流れに乗って第1段差部45の近傍に流れてきた気泡を複数の段差により浮上させることができ、気泡が電解液の液面と第1段差部45との間の電解液中で対流しやすくすることができる。   For example, the first step portion 45 may be a portion including a plurality of steps as shown in FIG. As a result, the bubbles that have flowed in the vicinity of the first stepped portion 45 along the flow of the electrolyte can be lifted by the plurality of steps, and the bubbles are located between the liquid surface of the electrolyte and the first stepped portion 45. It is possible to facilitate convection in the electrolyte solution.

側壁部17は、例えば、図5(d)のように、第2基板14と親水性部材50から構成されてもよく、第1段差部45は、親水性部材50から構成される第1面47と第2基板14から構成される第2面48との間に設けられた段差を含む部分であってもよい。このことにより、側壁部17の第1面47を親水性にすることができ、第1面上での気泡の流れをスムーズにすることができる。親水性部材50としては、例えば、ポリアルキレングリコール(PEGなど)、ポリアクリルアミド、デキストラン、プルラン、フィコールなどの親水性ポリマーを第1面上にディップコート、スプレーコート、スピンコートなどの方法によりコーティングすることにより形成した部材が挙げられる。また、これらの親水性ポリマーからなるシートを第1面上に貼り付けたものでもよい。
また、第2基板14に親水性材料からなる部材を取り付け、第1段差部45および第1面47を形成してもよい。
また、第1面47が親水性部材で構成されていない場合でも、第1面47が親水性となるように表面処理した場合でも同様の効果が生じる。従って、本実施形態の電解槽21に含まれる側壁部17は、第1面47が親水化処理されたものであってもよい。第1面47を親水化処理する方法としては、プラズマ処理で第1面47上に親水基を生成する方法などが挙げられる。
なお、第1段差部45により形成される面は、親水性を有さないことが好ましい。このことにより、この面を気泡がスムーズに流れ電解槽21の底方向に流れるのを抑制することができる。
For example, as illustrated in FIG. 5D, the side wall portion 17 may be configured by the second substrate 14 and the hydrophilic member 50, and the first stepped portion 45 is the first surface configured by the hydrophilic member 50. It may be a portion including a step provided between 47 and the second surface 48 constituted by the second substrate 14. As a result, the first surface 47 of the side wall portion 17 can be made hydrophilic, and the flow of bubbles on the first surface can be made smooth. As the hydrophilic member 50, for example, a hydrophilic polymer such as polyalkylene glycol (PEG, etc.), polyacrylamide, dextran, pullulan, ficoll, etc. is coated on the first surface by a method such as dip coating, spray coating, spin coating or the like. The member formed by this is mentioned. Moreover, what adhered the sheet | seat which consists of these hydrophilic polymers on the 1st surface may be used.
Further, a member made of a hydrophilic material may be attached to the second substrate 14 to form the first step portion 45 and the first surface 47.
Further, even when the first surface 47 is not made of a hydrophilic member, the same effect is produced even when the surface treatment is performed so that the first surface 47 is hydrophilic. Therefore, the side wall portion 17 included in the electrolytic cell 21 of the present embodiment may be one in which the first surface 47 is subjected to a hydrophilic treatment. Examples of a method for hydrophilizing the first surface 47 include a method of generating a hydrophilic group on the first surface 47 by plasma processing.
In addition, it is preferable that the surface formed by the first step portion 45 does not have hydrophilicity. Thereby, it is possible to suppress the bubbles from flowing smoothly on this surface and flowing toward the bottom of the electrolytic cell 21.

第1段差部45は、例えば、図5(e)、(f)のように、曲面である第1面47と第2面48との間に設けられた段差を含む部分であってもよい。また、第1段差部45に含まれる段差により形成される面は、曲面であってもよい。このことにより、第1面近傍および第1段差部45近傍の電解液の流れをスムーズにすることができ、電解液の乱流が生じるのを抑制することができ、気泡が乱流により第1段差部45より深い電解槽21内に拡散するのを抑制することができる。   The first step portion 45 may be a portion including a step provided between the first surface 47 and the second surface 48 which are curved surfaces, for example, as shown in FIGS. . Further, the surface formed by the steps included in the first step portion 45 may be a curved surface. As a result, the flow of the electrolyte solution in the vicinity of the first surface and the vicinity of the first step portion 45 can be made smooth, so that the turbulent flow of the electrolyte solution can be suppressed, and the bubbles are first generated by the turbulent flow. Diffusion into the electrolytic cell 21 deeper than the step 45 can be suppressed.

また、図6(a)(b)は、それぞれ本実施形態の電解槽21の概略断面図である。
側壁部17は、第1段差45の、電解槽21の底側に第2段差部46を有してもよい。また、第2内側面は、第2面48の、電解槽21の底側に設けられ、かつ、第2面48と第1内側面42との間隔bよりも第1内側面42との間隔cが広い第3面49を有してもよい。そして、第2段差部46は、第2面48と第3面49との間に設けられてもよい。このことにより、電解槽21内の電解液の量を減少させずに第1段差45を設けることができる。また、第1内側面42と第1面47との間隔aを小さくすることができ、電解液の液面41と第1段差45との間の気泡12が対流する電解液の量を少なくすることができ、気泡12が合体し気泡中の気体が気相中に放出しやすくすることができる。このことにより、電解液中を対流する気泡中の気体をより早く気相中に放出することができる。
また、第1面47と第1内側面42との間隔aは、第3面49と第1内側面42との間隔cよりも狭くてもよい。このことにより、電解槽21内の電解液の量を減少させずに電解液の液面41と第1段差45との間の気泡12が対流する電解液の量を少なくすることができ、気泡12が合体し気泡中の気体がより気相中に放出しやすくすることができる。
Moreover, Fig.6 (a) (b) is a schematic sectional drawing of the electrolytic cell 21 of this embodiment, respectively.
The side wall part 17 may have a second step part 46 on the bottom side of the electrolytic cell 21 of the first step 45. The second inner surface is provided on the bottom side of the electrolytic cell 21 on the second surface 48, and the distance between the first inner surface 42 and the distance b between the second surface 48 and the first inner surface 42. You may have the 3rd surface 49 where c is wide. The second stepped portion 46 may be provided between the second surface 48 and the third surface 49. Thus, the first step 45 can be provided without reducing the amount of the electrolytic solution in the electrolytic cell 21. Further, the distance a between the first inner surface 42 and the first surface 47 can be reduced, and the amount of the electrolytic solution convected by the bubbles 12 between the liquid surface 41 of the electrolytic solution and the first step 45 can be reduced. It is possible that the bubbles 12 are combined and the gas in the bubbles is easily released into the gas phase. Thereby, the gas in the bubble which convects in the electrolytic solution can be released into the gas phase earlier.
Further, the interval a between the first surface 47 and the first inner side surface 42 may be narrower than the interval c between the third surface 49 and the first inner side surface 42. As a result, the amount of the electrolytic solution convected by the bubbles 12 between the liquid surface 41 of the electrolytic solution and the first step 45 can be reduced without reducing the amount of the electrolytic solution in the electrolytic cell 21. 12 can be combined, and the gas in the bubbles can be more easily released into the gas phase.

なお、側壁部17の第1段差45および第2段差46は、図6(a)のように1つの部材、例えば第2基板14を加工して形成されてもよく、図6(b)のように複数の部材、例えば、第2基板14と段差部材51とにより形成されてもよい。   Note that the first step 45 and the second step 46 of the side wall portion 17 may be formed by processing one member, for example, the second substrate 14 as shown in FIG. 6A, as shown in FIG. Thus, a plurality of members, for example, the second substrate 14 and the step member 51 may be formed.

なお、第2基板14は、電解液室15を構成し、生成した第1気体および第2気体を閉じ込めることができる必要があり、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、第1気体および第2気体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。透明な第2基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。   The second substrate 14 constitutes the electrolyte chamber 15 and needs to be able to confine the generated first gas and second gas, and a highly confidential substance is required. It is not particularly limited whether it is transparent or opaque, but it is preferably a transparent material in that it can be visually confirmed that the first gas and the second gas are generated. . The transparent second substrate 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.

5.隔壁
本実施形態の電解槽21が第1電解用電極8と第2電解用電極7を有し、これらが並列に設けられた場合、電解槽21は、第1電解用電極8と第2電解用電極7との間に隔壁13を有することができる。
また、隔壁13は、第1電解用電極8と第2基板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と第2基板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。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を複数設ける場合、隔壁13は、並列に並ぶ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と第2基板14との間の空間の電解液と第2電解用電極7と第2基板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。
5. Partition Wall When the electrolytic cell 21 of the present embodiment has the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 and these are provided in parallel, the electrolytic cell 21 has the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode. A partition wall 13 can be provided between the electrode 7 for use.
The partition wall 13 is an electrolytic solution chamber 15 that is a space between the first electrolysis electrode 8 and the second substrate 14 and an electrolytic solution chamber that is a space between the second electrolysis electrode 7 and the second substrate 14. 15 can be provided to partition. When at least one of the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 is provided, the partition walls 13 can be provided so as to be arranged in parallel. As a result, the first gas and the second gas generated by the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 can be prevented from mixing, and the first gas and the second gas can be separated. It can be recovered.
The partition wall 13 may include an ion exchanger. As a result, the ions are unbalanced by the electrolytic solution in the space between the first electrolysis electrode 8 and the second substrate 14 and the electrolytic solution in the space between the second electrolysis electrode 7 and the second substrate 14. The concentration can be kept constant.

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。
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。
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.
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。
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。
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.
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.

6.シール材
シール材16は、第1基板1と第2基板14を接着し、電解槽21内の電解液および第1および第2電解用電極8、7から発生させた第1気体および第2気体を密閉するための材料である。第2基板14に箱状のものを用いる場合、この箱体と第1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。
6). Sealing material The sealing material 16 bonds the first substrate 1 and the second substrate 14, and the first gas and the second gas generated from the electrolytic solution in the electrolytic cell 21 and the first and second electrolysis electrodes 8 and 7. It is a material for sealing. When a box-shaped substrate is used for the second substrate 14, a sealing material 16 is used for bonding the box and the first substrate 1. 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、第1基板1と第2基板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 it is not limited as long as it has a function of bonding the first substrate 1 and the second substrate 14, and a member such as a screw is externally used using a resin or metal gasket. It is also possible to appropriately use a method of applying pressure physically to increase confidentiality.

7.電解液室
電解液室15は、第1電解用電極8と第2基板14との間の空間および第2電解用電極7と第2基板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。
7). Electrolyte Chamber The electrolyte chamber 15 can be a space between the first electrolysis electrode 8 and the second substrate 14 and a space between the second electrolysis electrode 7 and the second substrate 14. Further, the electrolyte chamber 15 can be partitioned by the partition wall 13.
For example, a pump or a fan that circulates the electrolyte in the electrolyte chamber 15 so that the generated bubbles of the first gas and the second gas are efficiently separated from the first electrolysis electrode 8 or the second electrolysis electrode 7. It is also possible to provide a simple device such as a heat convection generator.

8.給水口、第1気体排出口、第2気体排出口、第1気体排出路および第2気体排出路
給水口18は、電解槽21に含まれるシール材16の一部、もしくは第2基板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電解槽21へ供給されさえすれば、特に限定されるものではない。
8). Water supply port, first gas discharge port, second gas discharge port, first gas discharge channel and second gas discharge channel The water supply port 18 is a part of the sealing material 16 included in the electrolytic cell 21 or the second substrate 14. It can be provided by making an opening in a part or the like. The water supply port 18 is arranged to replenish the electrolytic solution that has been decomposed into the first gas and the second gas, and the location and shape of the water supply port 18 can even be efficiently supplied to the electrolytic cell 21 as the raw material electrolytic solution. For example, there is no particular limitation.

また、第1気体排出口20は、第1電解用電極8の電解液に接触可能な面の上端に近接して設けることができる。また、第2気体排出口19は、第2電解用電極7の電解液に接触可能な面の上端に近接して設けることができる。   The first gas outlet 20 can be provided close to the upper end of the surface of the first electrolysis electrode 8 that can come into contact with the electrolytic solution. The second gas discharge port 19 can be provided close to the upper end of the surface of the second electrolysis electrode 7 that can come into contact with the electrolytic solution.

また、第1気体排出口20は、第1気体排出路と導通することができ、第2気体排出口19は第2気体排出路と導通することができる。また、第1気体排出路は、複数の第1気体排出口20と導通することができ、第2気体排出路は、複数の第2気体排出口19と導通することができる。このことにより、電解槽21で発生させた第1気体および第2気体を回収することができる。   Moreover, the 1st gas exhaust port 20 can be connected with a 1st gas exhaust path, and the 2nd gas exhaust port 19 can be connected with a 2nd gas exhaust path. In addition, the first gas discharge path can be connected to the plurality of first gas discharge ports 20, and the second gas discharge path can be connected to the plurality of second gas discharge ports 19. Thereby, the first gas and the second gas generated in the electrolytic cell 21 can be recovered.

9.電解液
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。
9. Electrolytic Solution The electrolytic solution is not particularly limited as long as it is a raw material for the first gas and the second gas. For example, the electrolytic solution is an aqueous solution containing an electrolyte, for example, an electrolytic solution containing 0.1 M H 2 SO 4 , 0.1M potassium phosphate buffer. In this case, hydrogen and oxygen can be produced from the electrolytic solution as the first gas and the second gas.

気体製造装置の構成
図7は、本実施形態の気体製造装置23の概略平面図であり、図8は、図7の点線F−Fにおける気体製造装置23の概略断面図であり、図9は、本実施形態の気体製造装置23の概略裏面図である。なお、図9において第2基板は省略している。
図10は、図7の一点鎖線G−Gにおける気体製造装置23の概略断面図であり、図11は図7の一点鎖線H−Hにおける気体製造装置23の概略断面図である。なお、図10、図11は、光電変換部2に効率よく太陽光が入射するように気体製造装置23を傾けて設置し、電解槽21に電解液を入れたときの概略断面図である。また、図12は、図10の点線で囲んだ範囲Jにおける気体製造装置23の概略断面図である。
図13〜図19は、それぞれ本実施形態の気体製造装置23の概略断面図であり、図8の概略断面図に対応する。
Diagram 7 of the gas producing apparatus is a schematic plan view of a gas production apparatus 23 of the present embodiment, FIG. 8 is a schematic sectional view of a gas production device 23 in a dotted line F-F of FIG. 7, FIG. 9 It is a schematic back view of the gas manufacturing apparatus 23 of this embodiment. In FIG. 9, the second substrate is omitted.
10 is a schematic cross-sectional view of the gas production device 23 taken along the alternate long and short dash line GG in FIG. 7, and FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the gas production device 23 taken along the alternate long and short dash line HH in FIG. 10 and 11 are schematic cross-sectional views when the gas production device 23 is installed at an angle so that sunlight efficiently enters the photoelectric conversion unit 2 and the electrolytic solution is put into the electrolytic cell 21. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the gas production device 23 in a range J surrounded by a dotted line in FIG.
13 to 19 are schematic cross-sectional views of the gas production apparatus 23 of the present embodiment, and correspond to the schematic cross-sectional view of FIG.

本実施形態の気体製造装置23は、本実施形態の電解槽21と、受光面およびその裏面を有する光電変換部2とを備え、第1および第2電解用電極8、7は、光電変換部2の裏面の上に並列に設けられ、かつ、光電変換部2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たことを特徴とする。
また、光電変換部2は、透光性を有する第1基板1上に設けることができる。
以下、本実施形態の気体製造装置23について説明する。
なお、本実施形態の気体製造装置23は、本実施形態の電解槽21を含むため、上述の電解槽21についての説明が、矛盾がない限り本実施形態の気体製造装置にも当てはまる。
The gas production apparatus 23 of the present embodiment includes the electrolytic cell 21 of the present embodiment and the photoelectric conversion unit 2 having a light receiving surface and a back surface thereof, and the first and second electrolysis electrodes 8 and 7 are photoelectric conversion units. 2 is provided in parallel on the back surface of 2 and is provided so as to electrolyze the electrolytic solution using electromotive force generated by the photoelectric conversion unit 2 receiving light to generate a first gas and a second gas, respectively. It is characterized by that.
Moreover, the photoelectric conversion part 2 can be provided on the 1st board | substrate 1 which has translucency.
Hereinafter, the gas production apparatus 23 of the present embodiment will be described.
In addition, since the gas production apparatus 23 of this embodiment contains the electrolytic vessel 21 of this embodiment, the description about the above-mentioned electrolytic vessel 21 is applicable also to the gas production apparatus of this embodiment as long as there is no contradiction.

1.透光性を有する第1基板
透光性を有する第1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、受光面が第1基板1側となるように第1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、第1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、第1基板1は省略することができる。
1. The 1st board | substrate which has translucency The 1st board | substrate 1 which has translucency may be equipped with the gas manufacturing apparatus 23 of this embodiment. The photoelectric conversion unit 2 may be provided on the first substrate 1 so that the light receiving surface is on the first substrate 1 side. In addition, when the photoelectric conversion part 2 consists of semiconductor substrates etc. and has fixed intensity | strength, the 1st 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 first substrate 1 can be omitted.

また、第1基板1は、本気体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。
第1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 1st board | substrate 1 is a member used as the foundation for comprising this gas manufacturing 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.
A fine uneven structure can be formed on the surface of the first substrate 1 on the photoelectric conversion unit 2 side so that incident light is effectively irregularly 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電極、第1導電部
第1電極4は、第1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、第1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18、19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8、14、17のように第1導電部9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16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。
2. First Electrode, First Conductive Part The first electrode 4 can be provided on the first substrate 1 and can be provided in contact with the light receiving surface of the photoelectric conversion part 2. Moreover, the 1st electrode 4 may have translucency. Further, the first electrode 4 may be provided directly on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 when the first substrate 1 can be omitted. The first electrode 4 can be electrically connected to the second electrolysis electrode 7. By providing the first electrode 4, the current flowing between the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the second electrolysis electrode 7 can be increased. Moreover, when the photoelectric conversion part 2 produces an electromotive force between the 1st area and the 2nd area of the back surface of the photoelectric conversion part 2 like FIG. 18, 19, the 1st electrode 4 is unnecessary.
The first electrode 4 may be electrically connected to the second electrolysis electrode 7 through the first conductive portion 9 as shown in FIGS. 8, 14 and 17, and the second electrolysis electrode 7 as shown in FIG. You may contact with.
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。
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 electrolysis electrode 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.

第1導電部9は、第1電極4と第2電解用電極7とにそれぞれ接触するように設けることができる。第1導電部9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電解用電極7とを電気的に接続することができる。
また、第1導電部9は、図8、14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てもよい。このことにより、光電変換部2の受光面と第2電解用電極7との間の電流経路を短くすることができ、より効率的に第1気体および第2気体を発生させることができる。また、第1導電部9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、第1導電部9は、図17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。
The first conductive portion 9 can be provided so as to be in contact with the first electrode 4 and the second electrolysis electrode 7. By providing the first conductive portion 9, the first electrode 4 and the second electrolysis electrode 7 in contact with the light receiving surface of the photoelectric conversion portion 2 can be easily electrically connected.
Moreover, the 1st electroconductive part 9 may be provided in the contact hole which penetrates the photoelectric conversion part 2 like FIG. Thus, the current path between the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 and the second electrolysis electrode 7 can be shortened, and the first gas and the second gas can be generated more efficiently. Moreover, the contact hole provided with the 1st electroconductive part 9 may have one or more, and may have a circular cross section.
Moreover, the 1st electroconductive part 9 may be provided so that the side surface of the photoelectric conversion part 2 may be covered like FIG.

第1導電部9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 1st electroconductive part 9 will not be restrict | limited especially if it has electroconductivity. 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.

3.光電変換部
光電変換部2は、受光面およびその裏面を有し、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が設けられた第1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8、13〜17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18、19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ってもよい。図18、19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。
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。
3. Photoelectric Conversion Unit The photoelectric conversion unit 2 has a light receiving surface and a back surface thereof, and a first electrolysis electrode 8 and a second electrolysis electrode 7 are provided 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 first substrate 1 on which the first electrode 4 is provided with the light receiving surface facing down. For example, an electromotive force may be generated between the light receiving surface and the back surface of the photoelectric conversion unit 2 as illustrated in FIGS. 8 and 13 to 17. An electromotive force may be generated between the first area and the second area. 18 and 19 can be formed by a semiconductor substrate on which an n-type semiconductor region 37 and a p-type semiconductor region 36 are formed.
Although the shape of the photoelectric conversion part 2 is not specifically limited, For example, it can be set as a square shape.
The photoelectric conversion unit 2 is not particularly limited as long as it can separate charges by incident light and generates an electromotive force. For example, the photoelectric conversion unit using a silicon-based semiconductor or the photoelectric conversion unit using a compound semiconductor A photoelectric conversion part using a dye sensitizer, a photoelectric conversion part using an organic thin film, and the like.

第1気体および第2気体のうちどちらか一方が水素であり、他方が酸素の場合、光電変換部2は、光を受光することにより、第1電解用電極8および第2電解用電極7において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。第1電解用電極8と第2電解用電極7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。例えば、図17、19のように並べて設けられた光電変換層を第4導電部33により直列接続した構造を有することができる。   When either one of the first gas and the second gas is hydrogen and the other is oxygen, the photoelectric conversion unit 2 receives light in the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7. It is necessary to use a material that generates an electromotive force necessary for generating hydrogen and oxygen. The potential difference between the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 needs to be larger than the theoretical voltage (1.23 V) for water decomposition, and for this purpose, a sufficiently large potential difference needs to be generated in the photoelectric conversion unit 2. There is. Therefore, it is preferable that the photoelectric conversion unit 2 connects two or more junctions in series such as a pn junction to generate an electromotive force. For example, it can have a structure in which the photoelectric conversion layers provided side by side as shown in FIGS.

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2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 2 can be 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。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。
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. Moreover, as long as there is no contradiction, the example of the following photoelectric conversion parts 2 can also be made into a photoelectric converting layer.

3−1.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、第1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。
3-1. 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.
In addition, the photoelectric conversion unit 2 using a silicon-based semiconductor may be a thin film or thick photoelectric conversion layer formed on the first substrate 1, and a pn junction or a pin is attached to a wafer such as a silicon wafer. A junction may be formed, or 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。
第1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 first 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 , or many A crystalline or 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 conductive 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 a conductivity type determining impurity atom, or polycrystalline Alternatively, a microcrystalline 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.

次に、シリコン基板を用いた光電変換部2の形成例を以下に示す。
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型半導体部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型半導体部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。
Next, the example of formation of the photoelectric conversion part 2 using a silicon substrate is shown below.
As the silicon substrate, a single crystal silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate, or the like can be used, and may be p-type, n-type, or i-type. An n-type semiconductor portion 37 is formed by doping an n-type impurity such as P into a part of the silicon substrate by thermal diffusion or ion implantation, and a p-type impurity such as B is heated on the other part of the silicon substrate. The p-type semiconductor portion 36 can be formed by doping by diffusion or ion implantation. Thus, pn junction in the silicon substrate, pin junction can be formed and npp + junction or pnn + junction, it is possible to form a photoelectric conversion unit 2.

n型半導体部37およびp型半導体部36は、図18、19のようにシリコン基板にそれぞれ1つの領域を形成することができ、n型半導体領域37およびp型半導体領域36のうちどちらか一方を複数形成することもできる。また、図19のようにn型半導体領域37およびp型半導体領域36を形成したシリコン基板を並べて設置し、第4導電部33により直列接続することにより光電変換部2を形成することもできる。
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型半導体部37およびp型半導体部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。
Each of the n-type semiconductor portion 37 and the p-type semiconductor portion 36 can form one region on the silicon substrate as shown in FIGS. 18 and 19, and one of the n-type semiconductor region 37 and the p-type semiconductor region 36 is formed. A plurality of can be formed. In addition, as shown in FIG. 19, the photoelectric conversion unit 2 can be formed by arranging the silicon substrates on which the n-type semiconductor region 37 and the p-type semiconductor region 36 are arranged side by side and connecting them in series by the fourth conductive unit 33.
Note that, although described with reference to a silicon substrate, pn junction, pin junction, may use other semiconductor substrate or the like can be formed npp + junction or pnn + junction. In addition, as long as the n-type semiconductor portion 37 and the p-type semiconductor portion 36 can be formed, the semiconductor layer is not limited to the semiconductor substrate, and may be a semiconductor layer formed on the substrate.

3−2.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。
3-2. 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 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.

3−3.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。
3-3. 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 is present. 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。   Examples of the solvent include carbonate compounds such as propylene carbonate, nitrile compounds such as acetonitrile, alcohols such as ethanol and methanol, water, aprotic polar substances, and the like. Of these, carbonate compounds and nitrile compounds are preferred. Used.

3−4.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。
3-4. Photoelectric conversion part using organic thin film Photoelectric conversion part 2 using an organic thin film is 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. And a hole transport layer having an electron donating property may be laminated.
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.

4.第2電極
第2電極5は、光電変換部2の裏面と第1電解用電極8との間および光電変換部2の裏面と絶縁部11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、第1電解用電極8と接触してもよい。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。
4). Second Electrode The second electrode 5 can be provided between the back surface of the photoelectric conversion unit 2 and the first electrolysis electrode 8 and between the back surface of the photoelectric conversion unit 2 and the insulating unit 11. The second electrode 5 can be electrically connected to the first electrolysis electrode 8. By providing the second electrode 5, it is possible to reduce ohmic cross between the back surface of the photoelectric conversion unit 2 and the first electrolysis electrode 8. The second electrode 5 may be in contact with the first electrolysis electrode 8. 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.

5.絶縁部
絶縁部11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8、14のように第1導電部9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11を設けることができる。
また、絶縁部11は、例えば、図8、13〜17のように第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。このことにより、第2電解用電極7と光電変換部2の裏面との間でリーク電流が生じるのを防止することができる。また、光電変換部2が図18、19のように受光することにより光電変換部2の裏面の第1区域と第2区域との間に電位差を生じるものである場合、絶縁部11は、第1電解用電極8と光電変換部2の裏面との間、および第2電解用電極7と光電変換部2の裏面との間に設けられ、絶縁部11は、第1区域上および第2区域上に開口を有してもよい。このことにより、光電変換部2が受光することにより形成される電子およびホールを効率よく分離することができ、光電変換効率をより高くすることができる。
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、リーク電流の発生を防止することができ、また、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。
5. Insulating part The insulating part 11 can be provided in order to prevent the occurrence of leakage current. For example, as shown in FIGS. 8 and 14, when the first conductive portion 9 is provided in a contact hole that penetrates the photoelectric conversion portion 2, the insulating portion 11 can be provided on the side wall of the contact hole.
Moreover, the insulating part 11 can be provided between the electrode 7 for 2nd electrolysis and the back surface of the photoelectric conversion part 2 like FIG. This can prevent a leak current from being generated between the second electrolysis electrode 7 and the back surface of the photoelectric conversion unit 2. When the photoelectric conversion unit 2 receives light as shown in FIGS. 18 and 19 to generate a potential difference between the first area and the second area on the back surface of the photoelectric conversion unit 2, the insulating unit 11 1 between the electrode 8 for electrolysis and the back surface of the photoelectric conversion unit 2, and between the second electrode for electrolysis 7 and the back surface of the photoelectric conversion unit 2, and the insulating unit 11 is provided on the first area and the second area. You may have an opening on it. Thereby, the electrons and holes formed by the photoelectric conversion unit 2 receiving light can be efficiently separated, and the photoelectric conversion efficiency can be further increased.
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, generation | occurrence | production of a leakage current can be prevented and 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.

6.第2導電部、第3導電部
第2導電部24は、絶縁部11と第2電解用電極7との間に設けることができ、第3導電部25は、絶縁部11と第1電解用電極8との間に設けることができる。第2導電部24または第3導電部25を設けることにより、光電変換部2が受光することにより生じた起電力を効率よく第1電解用電極8および第2電解用電極7に出力することができ、オーミックロスを低減することができる。第2導電部24、第3導電部25は、例えば、図18、19に示すように設けることができる。
第2導電部24または第3導電部25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、オーミック抵抗の上昇を防止することができ、また、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導電部24または第3導電部25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。
6). The second conductive portion and the third conductive portion The second conductive portion 24 can be provided between the insulating portion 11 and the second electrolysis electrode 7, and the third conductive portion 25 is the insulating portion 11 and the first electrolysis portion It can be provided between the electrodes 8. By providing the second conductive portion 24 or the third conductive portion 25, the electromotive force generated by the photoelectric conversion portion 2 receiving light can be efficiently output to the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7. It is possible to reduce ohmic cross. The second conductive part 24 and the third conductive part 25 can be provided as shown in FIGS.
The second conductive portion 24 or the third conductive portion 25 preferably has corrosion resistance to the electrolytic solution and liquid shielding properties to the electrolytic solution. Thereby, an increase in ohmic resistance can be prevented, and corrosion of the photoelectric conversion unit 2 due to the electrolytic solution can be prevented.
The second conductive portion 24 or the third conductive portion 25 is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, the second conductive portion 24 or the third conductive portion 25 is a metal thin film, and is a thin film such as Al, Ag, or 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.

7.第1電解用電極、第2電解用電極、側壁部
第1電解用電極8および第2電解用電極7は、上述した電解槽21の電解用電極の説明が矛盾しない限り当てはまるが、気体製造装置23において、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の裏面上に並列に設けられる。また、第1および第2電解用電極8、7は、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気体が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、図8、13〜17のように、第1電解用電極8は、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、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18、19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ができる。
7). The first electrolysis electrode, the second electrolysis electrode, the side wall portion The first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 are applicable as long as the above description of the electrolysis electrode of the electrolytic cell 21 is not contradictory, but the gas production apparatus 23, the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 are provided in parallel on the back surface of the photoelectric conversion unit 2. In addition, the first and second electrolysis electrodes 8 and 7 electrolyze the electrolytic solution using an electromotive force generated when the photoelectric conversion unit 2 receives light, so that a first gas and a second gas are generated, respectively. Is provided.
For example, when an electromotive force is generated between the light receiving surface and the back surface thereof when the photoelectric conversion unit 2 receives light, the first electrolysis electrode 8 is connected to the back surface of the photoelectric conversion unit 2 as illustrated in FIGS. The second electrolysis electrode 7 can be electrically connected to the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2. Further, when an electromotive force is generated between the first area and the second area on the back surface of the photoelectric conversion unit 2 by receiving light, the first electrolysis electrode 8 is connected to the first area and the second area as shown in FIGS. The second electrolysis electrode 7 can be electrically connected to the other of the first area and the second area.

また、第1電解用電極8は、切換部29を介して光電変換部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、切換部29を介して光電変換部2の受光面と電気的に接続することができる。例えば、気体製造装置23が図13のような断面を有する場合、第2電解用電極7は切換部29を介して光電変換部2の受光面と電気的に接続することができ、気体製造装置23が図14のような断面を有する場合、第1電解用電極8は切換部29を介して光電変換部2の裏面と電気的に接続することができ、気体製造装置23が図15のような断面を有する場合、第2電解用電極7は切換部29を介して光電変換部2の受光面と電気的に接続することができ、第1電解用電極8は切換部29を介して光電変換部2の裏面と電気的に接続することができる。
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、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2で生じる起電力により、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。
The first electrolysis electrode 8 can be electrically connected to the back surface of the photoelectric conversion unit 2 through the switching unit 29, and the second electrolysis electrode 7 can be connected to the photoelectric conversion unit 2 through the switching unit 29. It can be electrically connected to the light receiving surface. For example, when the gas production apparatus 23 has a cross section as shown in FIG. 13, the second electrolysis electrode 7 can be electrically connected to the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 via the switching unit 29. 14 has a cross section as shown in FIG. 14, the first electrolysis electrode 8 can be electrically connected to the back surface of the photoelectric conversion unit 2 via the switching unit 29, and the gas production device 23 is as shown in FIG. 15. In the case of having a simple cross section, the second electrolysis electrode 7 can be electrically connected to the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 via the switching unit 29, and the first electrolysis electrode 8 can be electrically connected via the switching unit 29. It can be electrically connected to the back surface of the converter 2.
Moreover, it is preferable that at least one of the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 has a catalyst surface area larger than the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2. According to such a configuration, the first gas or the second gas can be generated more efficiently by the electromotive force generated in the photoelectric conversion unit 2.

また、気体発生装置23において、光電変換部2と第1または第2電解用電極8、7とが電解槽21の側壁を構成する。また、光電変換部2を第1基板1上に設けている場合、第1基板1も側壁を構成する。
例えば、気体製造装置23が図10および図11のような断面を有する場合、第1基板1、光電変換部2、第1又は第2電解用電極8、7などが電解槽21の1つの側壁となり、第2基板14が電解槽21の1つの側壁となる。そして図10では、第2電解用電極7が電解槽21の第1内側面42を構成し、この第1内側面に対向する部分の第2基板14が側壁部17となり、第2内側面43を構成する。また、図11では、第1電解用電極8が電解槽21の第1内側面42を構成し、この第1内側面に対向する部分の第2基板14が側壁部17となり、第2内側面43を構成する。気体製造装置23の側壁部17については、上述の電解槽21の側壁部17についての説明が矛盾しない限り当てはまり、側壁部17は、第1段差部45を有する。また、側壁部17は、第2段差部46を有することができる。
In the gas generator 23, the photoelectric conversion unit 2 and the first or second electrolysis electrodes 8 and 7 constitute the side wall of the electrolytic cell 21. When the photoelectric conversion unit 2 is provided on the first substrate 1, the first substrate 1 also constitutes a side wall.
For example, when the gas production apparatus 23 has a cross section as shown in FIGS. 10 and 11, the first substrate 1, the photoelectric conversion unit 2, the first or second electrolysis electrodes 8, 7, etc. are one side wall of the electrolytic cell 21. Thus, the second substrate 14 becomes one side wall of the electrolytic cell 21. In FIG. 10, the second electrolysis electrode 7 constitutes the first inner surface 42 of the electrolytic cell 21, and the portion of the second substrate 14 facing the first inner surface becomes the side wall portion 17, and the second inner surface 43. Configure. In FIG. 11, the first electrolysis electrode 8 constitutes the first inner side surface 42 of the electrolytic cell 21, and the portion of the second substrate 14 facing the first inner side surface becomes the side wall portion 17, and the second inner side surface 43 is configured. About the side wall part 17 of the gas manufacturing apparatus 23, unless the description about the side wall part 17 of the above-mentioned electrolytic vessel 21 is inconsistent, the side wall part 17 has the 1st level | step-difference part 45. FIG. Further, the side wall portion 17 can have a second stepped portion 46.

ここでは、光電変換部2に効率よく太陽光が入射するように、気体製造装置23を傾けて設置し、電解槽21に電解液を満たし、第1および第2電解用電極8、7の表面から気泡を発生させた場合について説明する。
図12は、図10の点線で囲んだ範囲Jにおける気体製造装置23の概略断面図であり、第2電解用電極7の第1内側面42から気泡を発生させたときの模式図である。光電変換部2に太陽光を入射させ、光電変換部2の光起電力により第1電解用電極8と第2電解用電極7との間に電圧が印加されたとき、電解槽21内の電解液が電気分解することにより、第1電解用電極8の第1内側面42において第1気体が気泡12として発生し、第2電解用電極7の第1内側面42において第2気体が気泡12として発生する。第1内側面42において発生した気泡12は、その浮力により第1内側面42に沿って電解液中を浮上し、電解液の液面41の近傍にまで浮上した気泡は、その内部の気体を気相中に放出する。放出された気体は、第1気体排出口20または第2気体排出口19から排出され第1気体または第2気体を回収することができる。このとき、比較的直径の大きい気泡12中の気体は、容易に電解液の液面から気相中に放出されるが、比較的直径の小さい気泡12中の気体は、容易に電解液の液面から気相中に放出されず、気泡が電解液中を漂うことがある。
Here, the gas production apparatus 23 is inclined and installed so that sunlight efficiently enters the photoelectric conversion unit 2, the electrolytic solution is filled in the electrolytic cell 21, and the surfaces of the first and second electrolysis electrodes 8 and 7. A case where bubbles are generated from the above will be described.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the gas production device 23 in a range J surrounded by a dotted line in FIG. 10, and is a schematic view when bubbles are generated from the first inner side surface 42 of the second electrolysis electrode 7. When sunlight is incident on the photoelectric conversion unit 2 and a voltage is applied between the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 by the photovoltaic power of the photoelectric conversion unit 2, electrolysis in the electrolytic cell 21 is performed. When the liquid is electrolyzed, a first gas is generated as bubbles 12 on the first inner surface 42 of the first electrolysis electrode 8, and a second gas is generated on the first inner surface 42 of the second electrolysis electrode 7. Occurs as. The bubbles 12 generated on the first inner side surface 42 float in the electrolyte along the first inner side surface 42 by the buoyancy, and the bubbles that rise to the vicinity of the liquid level 41 of the electrolyte solution Release into the gas phase. The released gas is discharged from the first gas discharge port 20 or the second gas discharge port 19 and can collect the first gas or the second gas. At this time, the gas in the bubble 12 having a relatively large diameter is easily released from the liquid surface of the electrolytic solution into the gas phase, but the gas in the bubble 12 having a relatively small diameter is easily discharged from the electrolyte solution. Bubbles may drift in the electrolyte without being released from the surface into the gas phase.

第1内側面42から気泡12を発生させたとき、気泡12が第1内側面42に沿って浮上することにより、電解液が第1内側面42に沿って流れる上昇流が生じると考えられる。また、電解用電極が発熱することによってもこの上昇流が生じると考えられる。また、電解用電極の表面の気泡を効率よく回収するために攪拌機などによりこのような上昇流を生じさせてもよい。
この電解液の上昇流は、電解液の液面41の近傍において、シール部材16に沿って側壁部17の第1面47に向かう流れとなり、さらに第1面47の近傍、第1段差部45の近傍を流れ、その後、電解槽21の底に向かって流れ、電解槽21内で対流すると考えられる。
When the bubbles 12 are generated from the first inner side surface 42, it is considered that the upward flow of the electrolyte flowing along the first inner side surface 42 is generated by the bubbles 12 floating along the first inner side surface 42. Further, it is considered that this upward flow is also generated when the electrode for electrolysis generates heat. Further, such an upward flow may be generated by a stirrer or the like in order to efficiently collect bubbles on the surface of the electrode for electrolysis.
The upward flow of the electrolytic solution is a flow toward the first surface 47 of the side wall portion 17 along the seal member 16 in the vicinity of the liquid surface 41 of the electrolytic solution, and further in the vicinity of the first surface 47 and the first step portion 45. It is considered that the air then flows toward the bottom of the electrolytic cell 21 and then convects in the electrolytic cell 21.

第1内側面42から発生した気泡12で、電解液の液面近傍に浮上した気泡12のうち、直径が比較的小さく内部の気体が気相中に放出されない気泡は、電解液の流れに乗って電解槽21内を流れると考えられる。しかし、電解液が第1段差部45の近傍を流れるとき、電解液は第2内側面43の第1面47側から第1内側面42側に向かって流れるため、電解液中の気泡12はその浮力により浮上すると考えられる。従って、第1段差部45を設けることにより、気泡12が電解槽21の底に向かう電解液の流れに乗らずに気泡12を再び浮上させることができる。この気泡12は電解液の液面近傍に浮上し、再び第1内側面42側から第2内側面43側に向かう電解液の流れに乗ると考えられる。
従って、第1段差部45を設けることにより、液面41と第1段差部45との間の電解液中で気泡12を対流させることができる。このことにより、液面41と第1段差部45との間の電解液中で複数の気泡を合体させ比較的直径の大きい気泡とすることができる。比較的直径の大きい気泡は、その内部の気体を容易に気相中に放出することができ、放出された気体は、第1気体排出口20または第2気体排出口19から排出され第1気体または第2気体を回収することができる。
Among the bubbles 12 generated from the first inner side surface 42 and floating near the liquid surface of the electrolytic solution, the bubbles having a relatively small diameter and in which the internal gas is not released into the gas phase ride on the flow of the electrolytic solution. It is considered that the gas flows in the electrolytic cell 21. However, when the electrolytic solution flows in the vicinity of the first stepped portion 45, the electrolytic solution flows from the first surface 47 side of the second inner side surface 43 toward the first inner side surface 42 side. It is thought that it floats by the buoyancy. Therefore, by providing the first step 45, the bubbles 12 can be lifted again without the bubbles 12 getting on the electrolyte flow toward the bottom of the electrolytic cell 21. It is considered that the bubbles 12 float near the liquid surface of the electrolytic solution and again ride on the flow of the electrolytic solution from the first inner side surface 42 side toward the second inner side surface 43 side.
Therefore, by providing the first step portion 45, the bubbles 12 can be convected in the electrolytic solution between the liquid surface 41 and the first step portion 45. Thereby, a plurality of bubbles can be combined in the electrolyte solution between the liquid surface 41 and the first step portion 45 to form a bubble having a relatively large diameter. The bubbles having a relatively large diameter can easily release the gas therein into the gas phase, and the released gas is discharged from the first gas discharge port 20 or the second gas discharge port 19 and the first gas. Alternatively, the second gas can be recovered.

8.切換部
切換部29は、光電変換部2が受光することにより生じる起電力を第1外部回路へ出力させる回路と、光電変換部2が受光することにより生じる起電力を第1電解用電極8および第2電解用電極7に出力し電解液からそれぞれ第1気体および第2気体を発生させる回路とを切り換えることができる。このことにより、光電変換部2が受光することにより生じる起電力を第1外部回路へ電力として供給でき、また、光電変換部2が受光することにより生じる起電力を用いて第1気体および第2気体を製造することができる。
切換部29が第1外部回路と電気的に接続する方法は、特に限定されないが、例えば、切換部29が出力端子を備え、出力端子を介して第1外部回路と電気的に接続してもよい。
8). Switching unit The switching unit 29 includes a circuit that outputs an electromotive force generated when the photoelectric conversion unit 2 receives light to the first external circuit, and an electromotive force generated when the photoelectric conversion unit 2 receives light. It is possible to switch between circuits that output to the second electrolysis electrode 7 and generate the first gas and the second gas from the electrolyte, respectively. As a result, the electromotive force generated when the photoelectric conversion unit 2 receives light can be supplied as power to the first external circuit, and the first gas and the second gas are generated using the electromotive force generated when the photoelectric conversion unit 2 receives light. A gas can be produced.
A method for electrically connecting the switching unit 29 to the first external circuit is not particularly limited. For example, the switching unit 29 includes an output terminal and is electrically connected to the first external circuit via the output terminal. Good.

また、切換部29は、第2外部回路と電気的に接続することができ、かつ、第2外部回路から入力される起電力を第1電解用電極8および第2電解用電極7に出力し電解液からそれぞれ第1気体および第2気体を発生させる回路に切り換えることができる。このことにより、第2外部回路から入力される起電力を利用して、電解液から第1気体および第2気体を製造することができる。
切換部29が第2外部回路と電気的に接続する方法は特に限定されないが、例えば、切換部29が入力端子を備え、入力端子を介して第2外部回路と電気的に接続してもよい。
The switching unit 29 can be electrically connected to the second external circuit, and outputs an electromotive force input from the second external circuit to the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7. It can switch to the circuit which produces | generates 1st gas and 2nd gas, respectively from electrolyte solution. Thus, the first gas and the second gas can be produced from the electrolyte using the electromotive force input from the second external circuit.
The method for electrically connecting the switching unit 29 to the second external circuit is not particularly limited. For example, the switching unit 29 may include an input terminal and be electrically connected to the second external circuit via the input terminal. .

気体製造方法
本実施形態の気体製造方法は、気体製造装置23を光電変換部2の受光面が水平面に対し傾斜するように設置し、電解液室15に電解液を導入し、太陽光を光電変換部2の受光面に入射させることにより第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20および第2気体排出口19からそれぞれ第1気体および第2気体を排出させることができる。
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。
Gas Manufacturing Method In the gas manufacturing method of the present embodiment, the gas manufacturing apparatus 23 is installed so that the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 is inclined with respect to the horizontal plane, the electrolytic solution is introduced into the electrolytic solution chamber 15, and sunlight is photoelectrically generated. The first gas and the second gas are generated from the first electrolysis electrode 8 and the second electrolysis electrode 7 by being incident on the light receiving surface of the conversion unit 2, and the first gas discharge port 20 and the second gas discharge port 19. The first gas and the second gas can be discharged respectively from
Thereby, the first gas and the second gas can be produced.

1:第1基板 2:光電変換部 4:第1電極 5:第2電極 7:第2電解用電極 8:第1電解用電極 9:第1導電部 10:端子部 11:絶縁部 12:気泡 13:隔壁 14:第2基板 15:電解液室 16:シール材 17:側壁部 18:給水口 19:第2気体排出口 20:第1気体排出口 21:電解槽 22:電解液 23:気体製造装置 24:第2導電部 25:第3導電部 28:光電変換層 29:切換部 30:透光性電極 31:裏面電極 33:第4導電部 35:半導体部 36:p型半導体部 37:n型半導体部 40:アイソレーション 41:液面 42:第1内側面 43:第2内側面 45:第1段差部 46:第2段差部 47:第1面 48:第2面 49:第3面 50:親水性部材 51:段差部材 52:配線 101:基板 107:電解用電極 114:第2基板 116:シール材 119:気体排出口     1: 1st board | substrate 2: Photoelectric conversion part 4: 1st electrode 5: 2nd electrode 7: Electrode for 2nd electrolysis 8: Electrode for 1st electrolysis 9: 1st electroconductive part 10: Terminal part 11: Insulation part 12: Bubble 13: Partition 14: Second substrate 15: Electrolyte chamber 16: Sealing material 17: Side wall 18: Water supply port 19: Second gas discharge port 20: First gas discharge port 21: Electrolytic tank 22: Electrolyte solution 23: Gas production device 24: second conductive part 25: third conductive part 28: photoelectric conversion layer 29: switching part 30: translucent electrode 31: back electrode 33: fourth conductive part 35: semiconductor part 36: p-type semiconductor part 37: n-type semiconductor portion 40: isolation 41: liquid level 42: first inner side surface 43: second inner side surface 45: first stepped portion 46: second stepped portion 47: first surface 48: first 2nd surface 49: 3rd surface 50: Hydrophilic member 51: Step member 52: Wiring 101: Substrate 107: Electrode for electrolysis 114: Second substrate 116: Sealing material 119: Gas discharge port

Claims (33)

少なくとも1つの電解用電極と側壁部とを有する電解槽であって、
前記電解用電極は、前記電解槽の第1内側面を構成し、
前記側壁部は、第1内側面に対向する、前記電解槽の第2内側面を構成し、
前記側壁部は、前記電解槽の上部において第1内側面と第2内側面との間隔が底側より広くなるような第1段差部を有し、
第1段差部は、前記電解槽に電解液を収容して電気分解し第1内側面から気泡を発生させたとき、気泡の浮力により液面と第1段差部との間の電解液中で気泡が対流するように設けられたことを特徴とする電解槽。
An electrolytic cell having at least one electrode for electrolysis and a side wall,
The electrode for electrolysis constitutes a first inner surface of the electrolytic cell,
The side wall portion constitutes a second inner surface of the electrolytic cell facing the first inner surface,
The side wall portion has a first step portion such that an interval between the first inner side surface and the second inner side surface is wider than the bottom side at the upper part of the electrolytic cell,
When the first step portion contains the electrolytic solution in the electrolytic cell and is electrolyzed to generate bubbles from the first inner surface, the buoyancy of the bubbles causes an electrolyte solution between the liquid surface and the first step portion. An electrolytic cell characterized in that bubbles are provided to convect.
第1段差部は、電解液を電気分解し第1内側面から気泡を発生させたとき、電解液の液面近傍の気泡が第1段差部より深い前記電解槽内へ流れることを抑制するように設けられた請求項1に記載の電解槽。   The first step portion suppresses the bubbles in the vicinity of the electrolyte surface from flowing into the electrolytic cell deeper than the first step portion when the electrolyte is electrolyzed to generate bubbles from the first inner surface. The electrolytic cell according to claim 1, which is provided on the surface. 第1段差部は、複数の段差を含む請求項1または2に記載の電解槽。   The electrolytic cell according to claim 1, wherein the first step portion includes a plurality of steps. 第2内側面は、第1面と、第1面の、前記電解槽の底側に設けられ、かつ、第1面と第1内側面との間隔よりも、第1内側面との間隔が狭い第2面とを有し、
第1段差部は、第1面と第2面との間に設けられた請求項1〜3のいずれか1つに記載の電解槽。
The second inner surface is provided on the first surface and on the bottom side of the electrolytic cell of the first surface, and the distance between the first inner surface and the first surface is larger than the distance between the first surface and the first inner surface. A second narrow surface,
The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the first step portion is provided between the first surface and the second surface.
第1面は、親水性を有する請求項4に記載の電解槽。   The electrolytic cell according to claim 4, wherein the first surface has hydrophilicity. 前記側壁部は、第1段差部の、前記電解槽の底側に第2段差部を有し、
第2内側面は、第2面の、前記電解槽の底側に設けられ、かつ、第2面と第1内側面との間隔よりも、第1内側面との間隔が広い第3面を有し、
第2段差部は、第2面と第3面との間に設けられた請求項4または5に記載の電解槽。
The side wall portion has a second step portion on the bottom side of the electrolytic cell of the first step portion,
The second inner surface is provided on the bottom surface of the electrolytic cell on the second surface, and a third surface having a larger distance between the first inner surface than the distance between the second surface and the first inner surface. Have
The electrolytic cell according to claim 4 or 5, wherein the second step portion is provided between the second surface and the third surface.
前記電解槽は、前記電解用電極として第1電解用電極と第2電解用電極とを備え、
第1および第2電解用電極は、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た請求項1〜6のいずれか1つに記載の電解槽。
The electrolytic cell includes a first electrolysis electrode and a second electrolysis electrode as the electrolysis electrode,
The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the first and second electrodes for electrolysis are provided so as to electrolyze the electrolytic solution to generate a first gas and a second gas, respectively.
第1および第2電解用電極は、並列に設けられ、
第1電解用電極と第2電解用電極との間に設けられた隔壁をさらに備える請求項7に記載の電解槽。
The first and second electrolysis electrodes are provided in parallel,
The electrolytic cell according to claim 7, further comprising a partition wall provided between the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode.
前記隔壁は、イオン交換体を含む請求項8に記載の電解槽。   The electrolytic cell according to claim 8, wherein the partition wall includes an ion exchanger. 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請求項7〜9のいずれか1つに記載の電解槽。   The electrolytic cell according to any one of claims 7 to 9, wherein one of the first gas and the second gas is hydrogen and the other is oxygen. 請求項7〜10のいずれか1つに記載の電解槽と、受光面およびその裏面を有する光電変換部とを備え、
第1および第2電解用電極は、前記裏面の上に並列に設けられ、かつ、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た気体製造装置。
The electrolytic cell according to any one of claims 7 to 10, and a photoelectric conversion unit having a light receiving surface and a back surface thereof,
The first and second electrodes for electrolysis are provided in parallel on the back surface, and electrolyze the electrolytic solution using electromotive force generated by the photoelectric conversion unit receiving light, respectively, and the first gas and the second electrode, respectively. 2 A gas production apparatus provided to generate gas.
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するように設けられ、
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ように設けられた請求項11に記載の装置。
The photoelectric conversion unit generates an electromotive force between the light receiving surface and the back surface by receiving light,
The first electrolysis electrode is provided so as to be electrically connected to the back surface of the photoelectric conversion unit,
The device according to claim 11, wherein the second electrolysis electrode is provided so as to be electrically connected to a light receiving surface of the photoelectric conversion unit.
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絶縁部をさらに備える請求項12に記載の装置。   The apparatus according to claim 12, further comprising an insulating part provided between a second electrolysis electrode and a back surface of the photoelectric conversion part. 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12または13に記載の装置。   The apparatus according to claim 12, further comprising a first electrode that contacts a light receiving surface of the photoelectric conversion unit. 第1電極と第2電解用電極とを電気的に接続する第1導電部をさらに備える請求項14に記載の装置。   The apparatus according to claim 14, further comprising a first conductive portion that electrically connects the first electrode and the second electrolysis electrode. 第1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15に記載の装置。   The device according to claim 15, wherein the first conductive part is provided in a contact hole penetrating the photoelectric conversion part. 前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、
第1導電部は、前記絶縁部の一部であり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15に記載の装置。
The insulating part is provided so as to cover a side surface of the photoelectric conversion part,
The device according to claim 15, wherein the first conductive portion is provided on a portion that is a part of the insulating portion and covers a side surface of the photoelectric conversion portion.
前記絶縁部は、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、前記絶縁部の一部であり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14に記載の装置。
The insulating part is provided so as to cover a side surface of the photoelectric conversion part,
The device according to claim 14, wherein the second electrolysis electrode is provided on a portion that is a part of the insulating portion and covers a side surface of the photoelectric conversion portion, and is in contact with the first electrode.
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11〜18のいずれか1つに記載の装置。   The device according to claim 11, 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. 前記光電変換部は、受光することにより前記光電変換部の裏面の第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するように設けられ、第2区域は、第2電解用電極と電気的に接続するように設けられた請求項11に記載の装置。
The photoelectric conversion unit generates a potential difference between the first and second areas on the back surface of the photoelectric conversion unit by receiving light,
The apparatus according to claim 11, wherein the first area is provided to be electrically connected to the first electrolysis electrode, and the second area is provided to be electrically connected to the second electrolysis electrode.
第1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、かつ、第1区域上および第2区域上に開口を有する絶縁部をさらに備える請求項20に記載の装置。   21. The apparatus according to claim 20, further comprising an insulating part provided between the first and second electrolysis electrodes and the back surface of the photoelectric conversion part and having openings on the first area and the second area. 第1区域は、第3導電部を介して第1電解用電極と電気的に接続するように設けられ、第2区域は、第2導電部を介して第2電解用電極と電気的に接続するように設けられた請求項21に記載の装置。   The first area is provided so as to be electrically connected to the first electrolysis electrode via the third conductive part, and the second area is electrically connected to the second electrolysis electrode via the second conductive part. 24. The apparatus of claim 21, wherein the apparatus is arranged to do so. 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20〜22のいずれか1つに記載の装置。
The photoelectric conversion part is made of at least one semiconductor material having an n-type semiconductor part and a p-type semiconductor part,
23. The apparatus according to claim 20, wherein one of the first and second areas is a part of the n-type semiconductor part, and the other is a part of the p-type semiconductor part.
透光性を有する第1基板をさらに備え、
前記光電変換部は、第1基板の上に設けられた請求項11〜23のいずれか1つに記載の装置。
A first substrate having translucency;
The said photoelectric conversion part is an apparatus as described in any one of Claims 11-23 provided on the 1st board | substrate.
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ように設けられた請求項11〜24のいずれか1つに記載の装置。
The photoelectric conversion unit includes a plurality of photoelectric conversion layers connected in series,
The device according to any one of claims 11 to 24, wherein the plurality of photoelectric conversion layers are provided so as to supply an electromotive force generated by receiving light to the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode.
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。   26. The apparatus according to claim 25, wherein each photoelectric conversion layer is connected in series by a fourth conductive portion. 第4導電部は、前記光電変換層の受光面側に設けられた透光性電極と、前記光電変換層の裏面側に設けられた裏面電極とを含む請求項26に記載の装置。   27. The device according to claim 26, wherein the fourth conductive portion includes a translucent electrode provided on a light receiving surface side of the photoelectric conversion layer and a back electrode provided on a back surface side of the photoelectric conversion layer. 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である水素発生触媒および電解液からO2が発生する反応の触媒である酸素発生触媒を含む請求項11〜27のいずれか1つに記載の装置。
Of the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode, 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,
The hydrogen generation part and the oxygen generation part each include a hydrogen generation catalyst that is a catalyst for a reaction that generates H 2 from an electrolytic solution and an oxygen generation catalyst that is a catalyst for a reaction that generates O 2 from an electrolytic solution. The device according to any one of -27.
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28に記載の装置。   29. The apparatus according to claim 28, wherein at least one of the hydrogen generator and the oxygen generator is a porous conductor carrying a catalyst. 前記水素発生触媒は、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28または29に記載の装置。   30. The apparatus according to claim 28 or 29, wherein the hydrogen generation catalyst includes at least one of Pt, Ir, Ru, Pd, Rh, Au, Fe, Ni, and Se. 前記酸素発生触媒は、Mn、Ca、Zn、CoおよびIrのうち少なくとも1つを含む請求項28〜30のいずれか1つに記載の装置。   The apparatus according to any one of claims 28 to 30, wherein the oxygen generation catalyst includes at least one of Mn, Ca, Zn, Co, and Ir. 第1電解用電極および第2電解用電極の上に第2基板をさらに備え、
第2基板は、前記側壁部を含む請求項11〜31のいずれか1つに記載の装置。
A second substrate is further provided on the first electrolysis electrode and the second electrolysis electrode,
The device according to claim 11, wherein the second substrate includes the side wall portion.
請求項11〜32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水平面に対し傾斜するように設置し、
前記気体製造装置の下部から前記気体製造装置に電解液を導入し、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、前記気体製造装置の上部から第1気体および第2気体を排出する気体製造方法。
The gas production apparatus according to any one of claims 11 to 32 is installed such that a light receiving surface of the photoelectric conversion unit is inclined with respect to a horizontal plane,
An electrolyte is introduced into the gas production apparatus from the lower part of the gas production apparatus, and sunlight is made incident on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit, whereby the first gas and the second electrolysis electrode are respectively supplied to the first gas and A gas production method for generating a second gas and discharging the first gas and the second gas from an upper part of the gas production apparatus.
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