JP2014196217A - 電極、および、ガス生成装置 - Google Patents

電極、および、ガス生成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】生成された水素ガスの気泡が電極の表面上の残ることを抑制する。
【解決手段】電解液から水素ガスを生成する電極は、表面を有する基部と、基部の表面から突出する突出部であって、基部の表面上の互いに離れた位置に配置された複数の突出部と、を含む。突出部の表面の材料は、基部の表面の材料よりも水素過電圧が低い材料を含む。
【選択図】 図5

Description

本発明は、光触媒を用いて水から水素ガスと酸素ガスとの少なくとも一方を生成するガス生成装置に関するものである。
光触媒(例えば、酸化チタン(TiO)や酸化タングステン(WO)等の酸化物半導体)を用いて、水から水素ガスと酸素ガスとを生成する技術が知られている。例えば、光触媒層を有する電極と、Pt金属板からなる電極と、を備える水素生成装置が提案されている。光触媒層を有する電極で、酸素ガスが生成される。Pt金属板からなる電極で、水素ガスが生成される。
特開2003−238104号公報
通常は、電解液と電極との接触面積が小さい場合よりも大きい場合の方が、水素ガス生成の反応は促進される。接触面積を大きくするためには、メッシュ状の部分や凹凸形状の部分等の表面積が拡張された部分を備える電極を採用することができる。ところで、表面積が拡張された部分では、電極の表面が平らではないので、生成された水素ガスの気泡が、電極と複数の位置で接触する場合がある。そのような気泡は、電極から離れずに電極の表面上に残る場合があった。気泡が電極の表面上に残ると、電解液と電極との接触面積が小さくなるので、水素ガス生成の反応が抑制される場合があった。
本発明の主な利点は、生成された水素ガスの気泡が電極の表面上の残ることを抑制することである。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
水を含む電解液から光触媒を用いて水素ガスと酸素ガスとを生成するガス生成装置用の、電解液から水素ガスを生成する電極であって、
表面を有する基部と、
前記基部の前記表面から突出する突出部であって、前記基部の前記表面上の互いに離れた位置に配置された複数の前記突出部と、
を含み、
前記突出部の表面の材料は、前記基部の前記表面の材料よりも水素過電圧が低い材料を含む、
電極。
この構成によれば、基部の表面での水素ガスの生成よりも、突出部の表面での水素ガスの生成が促進される。通常は、凹んだ電極で水素ガスが生成される場合と比べて、突出する電極で水素ガスが生成される場合には、水素ガスの気泡が電極から離れやすい。従って、生成された水素ガスの気泡が電極の表面上の残ることを抑制できる。
[適用例2]
適用例1に記載の電極であって、
前記基部の前記表面の材料は、鉄と、銅と、炭素と、亜鉛と、水銀と、鉛とのうちから選択された材料を含み、
前記突出部の前記表面の材料は、白金と、鉄と、銅と、炭素と、亜鉛と、水銀とのうちから選択される材料であって、前記基部の前記表面の前記材料よりも水素過電圧が低い材料を、含む、
電極。
この構成によれば、適切に、基部での水素ガスの生成よりも、突出部での水素ガスの生成を、促進できる。
[適用例3]
水を含む電解液から光触媒を用いて水素ガスと酸素ガスとを生成するガス生成装置であって、
適用例1または2に記載の電極である第1電極と、
前記第1電極を収容する第1室と、
前記電解液から酸素ガスを生成する光触媒を含む第2電極と、
前記第2電極を収容する第2室と、
を備える、ガス生成装置。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ガス生成装置用の電極、その電極を備えるガス生成装置、そのガス生成装置と燃料電池とを備える発電システム、等の態様で実現することができる。
本発明の一実施例としてのガス生成システムの概略図である。 ガス生成装置800の構成を示す断面図である。 ガス生成装置800の分解断面図である。 ガス生成装置800の分解斜視図である。 第1電極310の概略図である。 突出部312を形成する手順の例を示す概略図である。 参考例における水素ガスの気泡の挙動を示す概略図である。 実施例における水素ガスの気泡の挙動を示す概略図である。 突出部の別の実施例を示す概略図である。 突出部の別の実施例を示す概略図である。
A.第1実施例:
A1.ガス生成装置の概要:
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図1は、本発明の一実施例としてのガス生成システムの概略図である。ガス生成システム900は、水の電気分解によって水素ガスと酸素ガスとを生成する。ガス生成システム900は、ガス生成装置800と、直流電源400と、電解液供給装置500と、を備えている。
ガス生成装置800は、水素ガスが生成される第1室210を形成する部材(詳細は後述)と、第1室210に収容される第1電極310と、酸素ガスが生成される第2室220を形成する部材(詳細は後述)と、第2室220に収容される第2電極320と、第1室210と第2室220との間を仕切る分離膜330と、を備えている。
直流電源400は、2つの電極310、320の間にバイアス電圧を印加する。第1電極310には、直流電源400の負極が接続され、第2電極320には、直流電源400の正極が接続されている。
電解液供給装置500は、2つの室210、220に、水を含む電解液を供給する。電解液供給装置500は、第1供給路510を介して第1室210に接続され、第2供給路520を介して第2室220に接続されている。水を含む電解液としては、プロトン(H。水素イオンとも呼ばれる)の伝導を許容するNaSOの水溶液が用いられる。ただし、電解液としては、プロトン(H)の伝導を許容する他の電解液(例えば、NaHCOの水溶液)を採用してもよい。
2つの室210、220の間を仕切る分離膜330は、ガスの通過を制限する膜であり、第1電極310によって生成された水素ガスが第2室220に移動することと、第2電極320によって生成された酸素ガスが第1室210に移動することを、制限している。これにより、生成された水素ガスと酸素ガスとが分離され、それらのガスの混合が抑制される。また、分離膜330は、プロトン(H)の伝導性を有している。本実施例では、このような分離膜330として、スルホン酸基を含むフッ素系樹脂(例えば、ナフィオン(デュポン社の商標))の膜が用いられている。このようなフッ素系樹脂の膜は、電解質膜とも呼ばれる。
第1電極310は、導電性材料(詳細は後述)を用いて構成されている。第2電極320は、光を用いて水の電気分解を促進する光触媒としての酸化タングステン(WO)を含む導電性材料を用いて構成されている。第2電極320に太陽光等の光が照射されると、光触媒の作用により、水(HO)から、酸素ガス(O)と、プロトン(H)とが生成され、そして、電子(e)が、第2電極320に生じる。
酸素ガスは、第2室220に接続された第2ガス流路420を通じて、第2室220の外に排出される。排出された酸素ガスは、図示しない酸素タンクに貯留される。ただし、酸素ガスを、貯留せずに、所定の空間(例えば、大気中)に解放してもよい。第2電極320に生じた電子(e)は、直流電源400に移動し、直流電源400から第1電極310へ電子(e)が供給される。プロトン(H)は、分離膜330を通り抜けて、第1室210に移動する。
第1室210に移動したプロトン(H)は、第1電極310で電子(e)と結合して、水素ガス(H)を生成する。生成された水素ガス(H)は、第1室210に接続された第1ガス流路410を通じて、第1室210の外に排出される。排出された水素ガス(H)は、例えば、図示しない水素タンクに貯留される。また、水素ガスが、図示しない燃料電池に供給されてもよい。
A2.ガス生成装置の詳細:
図2は、ガス生成装置800の構成を示す断面図であり、図3はガス生成装置800の分解断面図であり、図4は、ガス生成装置800の分解斜視図である。図中には、互いに直交する3つの方向Dx、Dy、Dzが示されている。図2と図3とは、第2方向Dyと直交する断面図であり、図4(A)に示すA−A断面である。図4(A)と図4(B)との間では、観察する方向が互いに逆方向である。以下、第1方向Dxを「+Dx方向」とも呼び、第1方向Dxの反対方向を「−Dx方向」とも呼ぶ。また、+Dx方向側を、単に「+Dx側」とも呼び、−Dx方向側を、単に「−Dx側」とも呼ぶ。「+Dy方向」と「−Dy方向」と「+Dy側」と「−Dy側」と「+Dz方向」と「−Dz方向」と「+Dz側」と「−Dz側」とについても、同様である。なお、本実施例では、第2方向Dyが鉛直上方向を向くように、ガス生成装置800の向きが設定される。
A2−1.第1室:
図2に示すように、第1室210は、容器110と分離膜330とによって形成される空間である。以下、容器110を、「第1室形成部110」とも呼ぶ。容器110は、−Dz方向を向いた開口111と、開口111に連通する凹部である収容室112と、を有する有底の容器である。
図2、図3に示すように、容器110は、収容室112の+Dx側に形成されて+Dx方向に沿って延びる貫通孔113を有している。貫通孔113は、収容室112と容器110の外部とを連通する。以下、貫通孔113が収容室112から外部に向かって延びる方向(ここでは、第1方向Dx)を、「挿入方向Dx」とも呼ぶ。なお、容器110は、絶縁性材料(例えば、樹脂)を用いて単一の部材として形成されている。
図3、図4(B)に示すように、第1電極310は、板状の部分311(「基部311」と呼ぶ)と、基部311の両面(+Dz側の第1面s1と−Dz側の第2面s2)に固定された複数の突出部312と、基部311の+Dx側の端部に固定されたバスバー313と、バスバー313に固定されて+Dx方向に向かって突出する端子314と、含んでいる。図4(B)に示すように、基部311は、第1方向Dxと平行なライン状の端と、第2方向Dyと平行なライン状の端と、を有する略矩形状のプレートであり、第3方向Dzと直交するように配置されている。バスバー313と端子314とは、例えば、ステンレス鋼で形成されている。基部311は、例えば、炭素で形成され、突出部312は、例えば、白金で形成されている。水素ガスの生成は、基部311と突出部312との両方が電解液中に沈んだ状態で、すなわち、基部311と突出部312との両方が電解液と接触した状態で、進行する。第1電極310の詳細については、後述する。
図2に示すように、第1電極310の端子314は、収容室112内(すなわち、容器110内)から、容器110の貫通孔113に挿入されている。端子314と貫通孔113との間は、Oリング315によって、シールされている。Oリング315は、弾性材料(例えば、ゴム)を用いて形成されている。貫通孔113は、端子314が貫通孔113に挿入されることによって、第1電極310を支持している。
図4(B)に示すように、容器110の−Dz側の端面には、開口111を囲むループ状の溝118が形成されている。この溝118には、第1シール部材391が嵌め込まれる(図2)。第1シール部材391の−Dz側(すなわち、容器110の−Dz側)には、分離膜330が配置されている。分離膜330は、容器110の開口111を塞いでいる。分離膜330と容器110との間は、第1シール部材391によってシールされている。第1シール部材391は、弾性材料(例えば、ゴム)を用いて形成されている。
A2−2.第2室:
図2に示すように、第2室220は、第2室形成部140と分離膜330とガラス板324とによって形成される空間である。第2室形成部140は、第1壁部材120と、第1壁部材120の−Dz側に配置される第2壁部材130と、を含んでいる。
図4に示すように、第1壁部材120は、第3方向Dzに沿って延びる貫通孔122を有するループ状の部材である。図3、図4(B)に示す様に、第1壁部材120は、貫通孔122の大きさが互いに異なる第1部分120a(+Dz側の部分)と第2部分120b(−Dz側の部分)との2つの部分に区分される。第2部分120bによって形成される貫通孔122は、第1部分120aによって形成される貫通孔122よりも、大きい。なお、第1壁部材120は、絶縁性材料(例えば、樹脂)を用いて形成されている。
図4に示すように、第2壁部材130は、第3方向Dzに沿って延びる貫通孔132を有するループ状の部材である。図3、図4(B)に示すように、第3方向Dzを向いて観察した場合、貫通孔132の形状は、略矩形状である。なお、第2壁部材130は、絶縁性材料(例えば、樹脂)を用いて形成されている。
図3、図4(A)に示すように、第2電極320は、ガラス板324と、ガラス板324の+Dz側の面上の全体に形成された透明導電層323と、透明導電層323の+Dz側の面上の縁よりも内側の部分に形成された光触媒層322と、透明導電層323の+Dz側の面上の縁部分と全周に亘って接触する金具325と、を含んでいる。金具325は、光触媒層322を覆わないように、ループ状に形成されている。図2に示すように、第2電極320は、第1壁部材120の第2部分120bに嵌め込まれ、第1壁部材120の第1部分120aと第2壁部材130とによって挟まれる。第2壁部材130の貫通孔132は、ガラス板324によって閉じられる。第1壁部材120の貫通孔122のガラス板324よりも+Dz側の空間が、第2室220に対応する。
図3、図4に示すように、金具325の内周側には、ループ状の第3シール部材393が配置されている。第3シール部材393は、透明導電層323と第1壁部材120(より具体的には、第1部分120a)との間に挟まれて、第2電極320と第1壁部材120との間を、貫通孔122の全周に亘って、シールする。第3シール部材393は、弾性材料(例えば、ゴム)を用いて形成されている。
光触媒層322は、酸化タングステン(WO)を膜状に形成したものである。透明導電層323は、導電性材料の例としてのFTO(フッ素ドープ酸化スズ)を膜状に形成したものであり、光触媒層322によって用いられる光を透過可能である。ガラス板324も、光触媒層322によって用いられる光を透過可能である。図2に示すように、光(例えば、太陽光)は、第2壁部材130の貫通孔132から入射し、ガラス板324と透明導電層323を透過して、光触媒層322に至る。光を受けた光触媒層322は、水の電気分解を促進する。また、光触媒層322では、電子(e)が生じる。生じた電子(e)は、透明導電層323を介して、金具325に集められる。
金具325は、導電性材料(例えば、ステンレス鋼)を用いて形成されている。金具325は、透明導電層323の縁部分と全周に亘って接触しているので、透明導電層323から電子(e)を効率よく集めることができる。また、金具325は、金具325と透明導電層323との間の接触抵抗を低減させるために、弾性を有するように構成されている。本実施例では、金具325は、導電性材料の網を折り畳むことによって、形成されている。金具325の第3方向Dzの厚さは、第3シール部材393のつぶし率を考慮して、透明導電層323との十分な接触面積を実現できるように、設定されている。金具325には、図示しない端子がガス生成装置800の外部から接続される。図4(B)に示すように、第1壁部材120の第2部分120bの+Dx側には、図示しない端子を挿入するための切欠124が形成されている。
図4(A)に示すように、第1壁部材120の+Dz側の端面には、貫通孔122を囲むループ状の溝128が形成されている。この溝128には、第2シール部材392が嵌め込まれる(図2)。第2シール部材392の+Dz側(すなわち、第1壁部材120の+Dz側)には、分離膜330が配置されている。分離膜330は、第1壁部材120の貫通孔122を塞いでいる。分離膜330と第1壁部材120との間は、第2シール部材392によってシールされている。第2シール部材392は、弾性材料(例えば、ゴム)を用いて形成されている。
A2−3.その他の部分の構成:
図4に示すように、ガス生成装置800の複数の部材は、複数のボルト380によって固定される。複数のボルト380のために、容器110は、複数のネジ孔119を有し、第1壁部材120は、複数のネジ孔129を有し、第2壁部材130は、複数のネジ孔139を、有している。容器110のネジ孔119には、雌ネジが形成されている。ボルト380は、−Dz側から、ネジ孔139、129を通り抜け、そして、容器110のネジ孔119にねじ込まれる。複数のネジ孔119、129、139は、収容室112と貫通孔122、132(すなわち、第1室210と第2室220)の周囲を囲むように、配置されている。
なお、図示を省略するが、容器110には、第1ガス流路410(図1)を接続するための接続口と、第1供給路510を接続するための接続口と、が設けられている。また、図示を省略するが、第1壁部材120には、第2ガス流路420を接続するための接続口と、第2供給路520を接続するための接続口と、が設けられている。
A3.第1電極について:
A3−1.構成:
図5(A)は、第1電極310の斜視図であり、図5(B)は、基部311の第1面s1の一部の拡大斜視図である。図5(B)に示すように、基部311の第1面s1上には、多数の突出部312が設けられている。本実施例では、複数の突出部312は、第1面s1上の互いに離れた位置に配置されている。そして、各突出部312の形状は、略円柱形状である。円柱形状の一端面(すなわち、円形状の端面)が、第1面s1に固定されている。各突出部312は、基部311の第1面s1から、第1面s1と垂直な方向(具体的には、+Dz方向)に向かって、突出している。図5(C)は、図5(B)のB−B断面である。この断面は、第1方向Dxと直交し、基部311と突出部312とを含んでいる。図示するように、基部311の第2面s2にも、第1面s1と同様に、多数の突出部312が固定されている。第2面s2に固定された突出部312は、第2面s2から−Dz方向に向かって突出している。本実施例では、基部311は、第2方向Dy、すなわち、鉛直方向に沿って延びるように配置される。そして、突出部312は、第3方向Dzと平行な方向、すなわち、水平方向に突出するように、配置される。
A3−2.製造方法:
図6は、基部311の第1面s1上に突出部312を形成する手順の例を示す概略図である。図6には、図5(C)と同様の断面図が示されている。本実施例では、いわゆるスパッタリングによって、突出部312が形成される。
まず、基部311が準備される。本実施例では、基部311は、炭素(より具体的には、グラファイト)で構成された板である。例えば、カーボンペーパーを所定の矩形状に切断して得られる部材を、基部311として採用することができる。
次に、図6(A)に示すように、基部311の第1面s1上に、マスク312Mが配置される。マスク312Mには、格子状に配置された複数の開口312oが設けられている。各開口312oの形状は、スパッタリングによって突出部312が形成されるように、決定されている。図6(A)の例では、開口312oの形状は、略円柱形状であり、その内径は、突出部312の外径312Dとおおよそ同じである、マスク312Mの形成方法としては、公知の種々の方法を採用可能である。例えば、いわゆるフォトレジストを用いることによって、第1面s1上にマスク312Mを形成可能である。
次に、図6(B)に示すように、突出部312の材料(ここでは、白金)を用いたスパッタリングによって、開口312o内に突出部312が形成される。開口312oの底(すなわち、第1面s1)まで十分な量の材料の粒子を供給する方法としては、公知の方法(例えば、いわゆるコリメートスパッタリング)を採用可能である。
次に、図6(C)に示すように、マスク312Mが除去される。例えば、マスク312Mを有機溶剤に溶解させることによって、マスク312Mが除去される。以上により、突出部312が形成される。突出部312は、第1面s1上に、直接的に、形成されているので、基部311と突出部312との間の良好な導電性を実現できる。基部311の第2面s2にも、同じ手順に従って、複数の突出部312が形成される。
基部311は、バスバー313に固定される。固定方法としては、基部311とバスバー313との間の導電性を実現する任意の方法を採用可能である。例えば、バスバー313として2枚の金属板を採用し、2枚の金属板を用いて基部311を挟持する方法を採用可能である。バスバー313は、端子314に固定される。固定方法としては、バスバー313と端子314との間の導電性を実現する任意の方法を採用可能である。例えば、溶接を採用可能である。なお、第1電極310の部材311、312、313、314の形成と接続との順番としては、任意の順番を採用可能である。
A3−3.気泡の挙動:
図7、図8は、第1電極で生成される水素ガスの気泡の挙動を示す概略図である。図7は、参考例を示し、図8は、実施例を示している。まず、図7の参考例について説明する。図7には、参考例の第1電極310xの一部の断面図が示されている。実施例の第1電極310との差異は、基部311xと突出部312xとが同じ材料で構成されている点だけである。例えば、参考例の基部311xと突出部312xとは、同じ白金で構成されている。基部311xの形状は、実施例の基部311の形状と、同じである。突出部312xの形状は、実施例の突出部312の形状と、同じである。なお、図示された断面図は、図5(C)に示す第1電極310の断面と同様に、第1方向Dxと直交し、基部311xと突出部312xとを含む断面を表している。
図中には、基部311xの第1面sx1から+Dz方向に向かって突出する2つの突出部312xが示されている。ここで、+Dy側の突出部312xを、「第1突出部312xu」と呼び、−Dy側の突出部312xを、「第2突出部312xd」と呼ぶ。第1突出部312xuの表面のうち、第2突出部312xd側(すなわち、−Dy側)の表面を、「第1側面sxu」と呼ぶ。第2突出部312xdの表面のうち、第1突出部312xu側(すなわち、+Dy側)の表面を、「第2側面sxd」と呼ぶ。また、基部311xの第1面sx1を、「底面sx1」とも呼ぶ。底面sx1と第1側面sxuとが形成する隅を、「第1隅cnx1」と呼ぶ。底面sx1と第2側面sxdとが形成する隅を、「第2隅cnx2」と呼ぶ。以下、2つの突出部312xの間の領域、すなわち、底面sx1と第1側面sxuと第2側面sxdとで囲まれた領域における気泡の挙動について、説明する。
図中に示された白丸は、気泡を表している。図中で、気泡は、簡略化されて、円で示されている。実際には、気泡の形状は、環境(例えば、電解液の流れや、気泡と電極との接触状況)に応じて、種々に変化し得る。黒丸は、気泡と電極との接触位置(「付着位置」とも呼ぶ)を表している。図中では、2つの突出部312xの間の領域以外の領域の気泡の図示が省略されている。
水素ガスの生成が進行することに応じて、気泡の状態は、図7(A)から図7(D)の順番に変化する。図7(A)の状態では、底面sx1と第1側面sxuと第2側面sxdとのそれぞれで水素ガスが生成され、各面sx1、sxu、sxdに、小さい気泡が付着している。各気泡の形状は、略球形状である。この段階では、1つの気泡は、1つの位置で、電極と接触している。
図7(B)の状態では、電極310xに付着した複数の気泡が、合体することによって、より大きな1つの気泡を形成する。形成された気泡の形状も、通常は、略球形状である。ここで、合体前の付着位置は、合体後にも、維持され得る。例えば、第1気泡71aは、図7(A)に示す第1隅cnx1の近傍の2つの気泡70a1、70a2、すなわち、第1側面sxuに付着していた気泡70a1と、底面sx1に付着していた気泡70a2と、から形成されている。この第1気泡71aは、底面sx1と第1側面sxuとの両方に付着している。第2気泡71bは、図7(A)に示す第2隅cnx2の近傍の2つの気泡70b1、70b2、すなわち、第1側面sxuに付着していた気泡71b1と、底面sx1に付着していた気泡71b2と、から形成されている。この第2気泡71bは、底面sx1と第2側面sxdとの両方に付着している。このように、2つの面によって形成される隅の近傍では、一方の面に付着していた気泡と他方の面に付着していた気泡とが合体することによって、2つの面の両方に付着する気泡が形成され得る。
一方、合体前の複数の気泡のそれぞれの付着位置が同じ平面上に配置されている場合、合体によっておおよそ球形状の気泡が形成されることによって、複数の付着位置は、1つの付着位置に集約され得る。例えば、第3気泡71cは、図7(A)中の、共通の第1側面sxuに付着していた2つの気泡70c1、70c2から形成されている。この第3気泡71cは、1つの位置で、第1側面sxuと接触している。第4気泡71dは、図7(A)中の、共通の第2側面sxdに付着していた2つの気泡70d1、70d2から形成されている。この第4気泡71dは、1つの位置で、第2側面sxdと接触している。
図7(C)の状態は、図示しない小さい気泡との合体を繰り返すことによって、気泡が大きく成長した状態である。図7(B)の気泡71a、71b、71c、71dは、それぞれ成長して、気泡72a、72b、72c、72dを形成する。第1気泡72aと第2気泡71bとは、2つの位置で電極310xと接触し、第3気泡72cと第4気泡72dとは、1つの位置で電極310xと接触している。
第1気泡72aは、2つの位置で電極310xと接触しているので、第1気泡72aと電極310xとの間の付着力は、1つの位置で電極310xと接触する気泡72c、72dと電極310xとの間の付着力よりも強い。このような強い付着力に起因して、第1気泡72aは、電極310xから離脱せずに、電極310xに付着し続け得る。第2気泡72bも、同様に、2つの位置で電極310xと接触しているので、電極310xから離脱せずに、電極310xに付着し続け得る。
第3気泡72cは、電極310xに付着し続けている気泡72a、72bと同程度の大きさに成長している。上述のように、第3気泡72cと電極310xとの間の付着力は、気泡72a、72bと電極310xとの間の付着力よりも弱い。従って、第3気泡72cは、浮力によって、第1側面sxuから離脱し得る。第4気泡72dも、同様に、浮力によって、第2側面sxdから離脱し得る。
図7(D)の状態は、図7(C)の状態から、さらに、気泡が大きく成長した状態である。気泡73は、図7(C)の2つの気泡72a、72bが合体することによって、形成されている。この気泡73は、底面sx1と第1側面sxuと第2側面sxdとの3つの面と接触している。このように、気泡73は、3つの位置で電極310xと接触しているので、大きく成長したにも拘わらずに、電極310xから離脱せずに、電極310xに付着し続け得る。このように、電極310xに付着し続ける大きな気泡73は、電極310xの表面(ここでは、表面sx1、sxu、sxd)が新たな電解液と接触することを抑制する。この結果、水素ガス生成の効率が、低下する場合がある。
次に、図8を参照して、実施例について説明する。図8は、図5(C)に示す断面の一部、具体的には、基部311の第1面s1から+Dz方向に向かって突出する2つの突出部312を示している。以下、図7で説明した部分と同じ部分には、同じ名前を用いて、説明を行う。具体的には、+Dy側の突出部312を、「第1突出部312u」と呼び、−Dy側の突出部312を「第2突出部312d」と呼ぶ。第1突出部312uの表面のうち、第2突出部312d側(すなわち、−Dy側)の表面を、「第1側面su」と呼ぶ。第2突出部312dの表面のうち、第1突出部312u側(すなわち、+Dy側)の表面を、「第2側面sd」と呼ぶ。また、基部311の第1面s1を、「底面s1」とも呼ぶ。底面s1と第1側面suとが形成する隅を、「第1隅cn1」と呼ぶ。底面s1と第2側面sdとが形成する隅を、「第2隅cn2」と呼ぶ。
水素ガスの生成が進行することに応じて、気泡の状態は、図8(A)から図8(D)の順番に変化する。図8(A)の状態では、第1側面suと第2側面sdとのそれぞれで水素ガスが生成され、各面su、sdに、小さい気泡が付着している。一方、底面s1では、側面su、sdと比べて、水素ガスの生成が進行し難い。この理由は、基部311の材料(ここでは、炭素)の水素過電圧が、突出部312の材料(ここでは、白金)の水素過電圧よりも、高いからである。なお、水素過電圧は、水素ガスの生成に伴う過電圧である。水素過電圧が低いほど、水素ガスが生成され易い。
図8(B)の状態では、電極310に付着した複数の気泡が、合体することによって、より大きな1つの気泡を形成する。図7(B)の例とは異なり、底面s1では、気泡の数が少なく、また、気泡の成長も抑制されている。従って、気泡の合体は、主に、第1側面su上と、第2側面sd上と、で進行する。図8(B)の例では、第1側面suに付着した複数の気泡から、第1気泡81aと第3気泡81cとが、形成される。第2側面sdに付着した複数の気泡から、第2気泡81bと第4気泡81dとが、形成される。図8(B)の例では、気泡と電極310との間の接触位置の総数は、いずれの気泡81a〜81dに関しても、1である。
図8(C)の状態では、図示しない小さい気泡との合体を繰り返すことによって、気泡が大きく成長した状態である。図8(B)の気泡81a、81b、81c、81dは、それぞれ成長して、気泡82a、82b、82c、82dを形成する。これらの気泡82a、82b、82c、82dは、図7(C)の気泡72c、72dと同様に、1つの位置で電極310に付着している。従って、これらの気泡82a、82b、82c、82dは、いずれも、浮力によって、電極310から離脱し得る。
図8(D)の状態は、成長した気泡が離脱した後の状態である。この状態は、図8(A)に示す状態と同じである。第1側面suと第2側面sdとのそれぞれで、水素ガスの生成が進行し、各面su、sdに、小さい気泡が付着している。以後、図8(A)〜図8(D)の変化が、繰り返される。
このように、実施例の第1電極310では、互いに離れた位置に配置された複数の突出部312の材料の水素過電圧が、それらの突出部312が固定された基部311の材料の水素過電圧よりも低いので、基部311での水素ガスの生成が抑制され、突出部312での水素ガスの生成が促進される。従って、基部311と突出部312との両方に付着する気泡が生成されることが抑制されるので、水素ガスの気泡が第1電極310の表面上に残ることを抑制できる。この結果、水素ガスの生成効率の低下を抑制できる。
また、通常は、第1電極と電解液との接触面積が小さい場合よりも大きい場合の方が、水素ガスの生成反応が促進される。この点に着目すれば、第1電極の全ての表面で、水素ガスの生成を活発に進行させることが好ましいというのが従来の考え方であった。例えば、仮に、第1電極として、単一材料(例えば、白金やステンレス鋼)で構成された網状の部材を採用すると仮定する。この場合、目の細かい網を採用すれば、第1電極と電解液との広い接触面積を容易に実現できる。しかし、目の細かい網を採用する場合、図7(C)の気泡72a、72bが電極310xから離脱し難いのと同様の理由により、網に付着した気泡が、網から離脱し難い。この結果、網に大量の気泡が付着し続け、水素ガスの生成効率が低下する場合がある。
そこで、本実施例では、敢えて、第1電極310の基部311の材料として、突出部312の材料(ここでは、白金)よりも水素過電圧が高い材料(ここでは、炭素)を採用している。これにより、第1電極310の一部分(すなわち、基部311)での水素ガスの生成が、他の部分(すなわち、突出部312)よりも、抑制される。この場合、第1電極310の表面の全体で水素ガスの生成が活発に進行し得る場合と比べて、水素ガスの生成が活発に進行し得る部分の面積が小さくなるが、気泡が第1電極310の表面上に残ることが抑制される。従って、総合的な水素ガスの生成効率が低下することを抑制できる。このように、本実施例の第1電極310を採用すれば、気泡の付着による水素ガスの生成効率の低下を抑制できる。
また、複数の突出部312を用いることによって、電解液と第1電極310との接触面積を容易に増大できる。従って、水素ガスの生成効率を向上できる。
B.第2実施例:
図9は、突出部の別の実施例を示す概略図である。図9(A)は、図5(B)と同様の斜視図であり、図9(B)は、図5(C)と同様の断面図である。図9(A)に示すように、突出部312aの形状は、略円錐形状であり、突出部312aは、第1面s1から、第1面s1と垂直な方向(具体的には、+Dz方向)に向かって、突出している。突出部312aの外径は、基部311の第1面s1から遠いほど、小さい。図9(B)に示すように、第2面s2にも、第1面s1と同様に、多数の突出部312aが固定されている。突出部312aは、第1実施例の突出部312と同様に、白金で構成されている。第2実施例の第1電極310aの他の部分の構成は、第1実施例の第1電極310の構成と同じである。第2実施例の第1電極310aは、第1実施例の第1電極310の代わりに、利用可能である。
第2実施例の第1電極310aを採用する場合も、第1実施例の第1電極310を採用する場合と同様に、基部311と突出部312aとの両方に付着する気泡が生成されることが抑制される。この結果、水素ガスの気泡が第1電極310aの表面上に残ることを抑制できる。そして、水素ガスの生成効率が低下することを抑制できる。また、複数の突出部312aを用いることによって、電解液と第1電極310aとの接触面積を容易に増大できる。従って、水素ガスの生成効率を向上できる。
ここで、電極からの気泡の離脱について、検討する。仮に、電極が、細長い針状の部分と、平面部分とを含むと仮定する。この場合、針状の部分に付着する気泡は、平面部分に付着する気泡よりも、電極から離脱し易い。このように、表面が凸状に湾曲する部分では、表面が平らな部分よりも、気泡が離脱し易い。この理由は、表面が凸状に湾曲する部分では、表面が平らな部分よりも、気泡と電極との接触部分の面積が小さいからだと推定される。
図9の実施例では、突出部312aの形状は、略円錐形状である。突出部312aの外径は、基部311から遠いほど、小さい。また、外径が小さいほど、気泡と電極との接触面積が小さくなる傾向にある。従って、突出部312aの表面のうちの基部311から遠い部分では、気泡が突出部312aから離脱し易い。このように、略円錐形状の突出部312aは、突出部312aからの気泡の離脱を促進できる。従って、水素ガスの気泡が第1電極310aの表面上に残ることを抑制できる。この結果、水素ガスの生成効率が低下することを抑制できる。
また、突出部312aの外径は、基部311に近いほど大きいので、突出部312aと基部311との接触部分の面積が小さくなることを抑制できる。従って、突出部312aが、基部311から外れることを、抑制できる。また、突出部312aと基部311との間の電気抵抗が大きくなることを、抑制できる。
なお、略円錐形状の突出部312aを形成する方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、基部311の第1面s1上に突出部312の材料の膜を形成し、形成された膜上にマスクを形成し、マスク上からのショットブラストによって、突出部312aを形成可能である。第2面s2上の突出部312aについても、同様である。
C.第3実施例:
図10は、突出部の別の実施例を示す概略図である。図10(A)は、図5(B)と同様の斜視図であり、図10(B)は、図5(C)と同様の断面図である。図10(A)に示すように、突出部312bの形状は、略円錐台形状であり、突出部312bは、第1面s1から、第1面s1と垂直な方向(具体的には、+Dz方向)に向かって、突出している。突出部312bの外径は、基部311の第1面s1から遠いほど、大きい。図10(B)に示すように、第2面s2にも、第1面s1と同様に、多数の突出部312bが固定されている。突出部312bは、第1実施例の突出部312と同様に、白金で構成されている。第3実施例の第1電極310bの他の部分の構成は、第1実施例の第1電極310の構成と同じである。第3実施例の第1電極310bは、第1実施例の第1電極310の代わりに、利用可能である。
第3実施例の第1電極310bを採用する場合も、第1実施例の第1電極310を採用する場合と同様に、基部311と突出部312bとの両方に付着する気泡が生成されることが抑制される。この結果、水素ガスの気泡が第1電極310bの表面上に残ることを抑制できる。そして、水素ガスの生成効率が低下することを抑制できる。また、複数の突出部312bを用いることによって、電解液と第1電極310bとの接触面積を容易に増大できる。従って、水素ガスの生成効率を向上できる。
なお、略円錐台形状の突出部312bを形成する方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、図6で説明した手順と同様の手順に従って、突出部312bを形成可能である。具体的には、開口312oの底(すなわち、第1面s1)まで十分な量の材料の粒子を供給するための対策を省略することによって、第3実施例の突出部312bを形成可能である。
D.変形例:
(1)上記各実施例において、突出部312、312a、312bのサイズとしては、種々のサイズを採用可能である。図5(B)、図5(C)には、突出部312の外径312Dおよび高さ312Hと、2つの突出部312の間の最短距離312Gと、が示されている。例えば、外径312Dについては、以下の通りである。突出部312の強度を向上するためには、外径312Dが大きいことが好ましい。一方、第1電極310に設けられる突出部312の総数を増やすためには、外径312Dが小さいことが好ましい。例えば、外径312Dは、100マイクロメートル以上、かつ、5ミリメートル以下の範囲内であることが好ましく、200マイクロメートル以上、かつ、2ミリメートル以下の範囲内であることが特に好ましく、300マイクロメートル以上、かつ、1ミリメートル以下の範囲内であることが最も好ましい。外径312Dを、100マイクロメートル以上に設定すれば、突出部312の強度を容易に向上できる。また、外径312Dを、5ミリメートル以下に設定すれば、基部311に固定される突出部312の総数を、容易に増大できるので、第1電極310と電解液との接触面積を、容易に増大できる。ただし、外径312Dを、100マイクロメートル未満に設定してもよく、5ミリメートルよりも大きな値に設定してもよい。
高さ312Hについては、以下の通りである。突出部312の強度を向上するためには、高さ312Hが小さいことが好ましい。一方、第1電極310と電解液との接触面積を増大するためには、高さ312Hが大きいことが好ましい。例えば、高さ312Hは、100マイクロメートル以上、かつ、20ミリメートル以下の範囲内であることが好ましく、200マイクロメートル以上、かつ、10ミリメートル以下の範囲内であることが特に好ましく、300マイクロメートル以上、かつ、1ミリメートル以下の範囲内であることが最も好ましい。高さ312Hを、100マイクロメートル以上に設定すれば、第1電極310と電解液との接触面積を、容易に増大できる。また、高さ312Hを、20ミリメートル以下に設定すれば、突出部312の強度を容易に向上できる。ただし、高さ312Hを、100マイクロメートル未満に設定してもよく、20ミリメートルよりも大きな値に設定してもよい。
最短距離312Gについては、以下の通りである。第1電極310と電解液との接触面積を増大するためには、最短距離312Gが小さいことが好ましい。一方、気泡の離脱を促進するためには、最短距離312Gが大きいことが好ましい。例えば、最短距離312Gは、100マイクロメートル以上、かつ、5ミリメートル以下の範囲内であることが好ましく、200マイクロメートル以上、かつ、2ミリメートル以下の範囲内であることが特に好ましく、300マイクロメートル以上、かつ、1ミリメートル以下の範囲内であることが最も好ましい。最短距離312Gを100マイクロメートル以上に設定すれば、1つの気泡が複数の突出部312に付着することを抑制できるので、気泡が第1電極310の表面上に残ることを抑制できる。最短距離312Gを5ミリメートル以下に設定すれば、第1電極310に設けられる突出部312の総数を、容易に増大できるので、第1電極310と電解液との接触面積を、容易に増大できる。ただし、最短距離312Gを、100マイクロメートル未満に設定してもよく、5ミリメートルよりも大きな値に設定してもよい。
また、図9(B)には、第2実施例の突出部312aの外径312aD(最大外径)および高さ312aHと、2つの突出部312aの間の最短距離312aGと、が示されている。図10(B)には、第3実施例の突出部312bの外径312bD(最大外径)および高さ312bHと、2つの突出部312bの間の最短距離312bGと、が示されている。外径312aD、312bDの好ましい範囲としては、上述の第1実施例の外径312Dの好ましい範囲と同じ範囲を採用可能である。高さ312aH、312bHの好ましい範囲としては、上述の第1実施例の高さ312Hの好ましい範囲と同じ範囲を採用可能である。また、最短距離312aG、312bGの好ましい範囲としては、上述の第1実施例の最短距離312Gの好ましい範囲と同じ範囲を採用可能である。
(2)第1電極の突出部の形状としては、図5、図9、図10で説明した形状に限らず、種々の形状を採用可能である。例えば、多角形に基づく角柱や、半球形状を採用してもよい。一般的には、外側に向かって凸な形状、すなわち、窪みのない形状を採用することが好ましい。こうすれば、気泡が突出部に付着し続けることを抑制できる。
(3)第1電極の突出部の延びる方向(すなわち、突出する方向)としては、第1電極の基部の表面に対して直交する方向に限らず、種々の方向を採用可能である。例えば、基部の表面と斜めに交差する方向を採用してもよい。より具体的には、斜め上方向(すなわち、鉛直上側に向かって傾斜した方向)を採用してもよい。こうすれば、突出部に付着した気泡の離脱を促進できる。
(4)第1電極の構成としては、上記各実施例の構成とは異なる種々の構成を採用可能である。例えば、基部(例えば、平板部分)と突出部とを含む形状の全体を、カーボンを用いて形成し、基部の表面をマスクした状態で、突出部の表面を白金でメッキしてもよい。このように、突出部の表面の除いた残りの部分が、基部と連続な部分であってもよい。通常は、水素ガスの生成反応は、電極と電解液とが接触する部分、すなわち、電極の表面で、進行する。従って、突出部の表面の材料が、基部の表面の材料よりも水素過電圧が低い材料を含むことによって、突出部での水素ガスの生成を促進できる。
(5)基部(例えば、平板部分)の表面の材料と突出部の表面の材料としては、種々の材料を採用可能である。例えば、白金(Pt)と、鉄(Fe)と、銅(Cu)と、炭素(C)と、亜鉛(Zn)と、水銀(Hg)と、鉛(Pb)と、のような種々の導電性材料を採用可能である。ここで、突出部の表面の材料としては、基部の表面の材料よりも低い水素過電圧を示す材料が、採用される。例えば、上に挙げた材料から基部の表面の材料を選択し、そして、残った材料のうちの基部の表面の材料よりも低い水素過電圧を示す材料を、突出部の表面の材料として採用することができる。なお、上に挙げた材料に関しては、水素過電圧の大小関係は、おおよそ、Pt<<Fe<Cu=C<Zn<Hg<Pbである。実際の水素過電圧は、電解液の種類に応じて異なり得るので、電解液の種類に応じて、材料を選択することが好ましい。また、上に挙げた材料に限らず、他の材料を、基部の表面、または、突出部の表面の材料として採用してもよい。例えば、突出部の表面が、ルテニウム(Ru)を含んでもよい。いずれの場合も、基部よりも突出部で水素ガスの生成が活発であれば、突出部の表面の材料の水素過電圧は、基部の表面の材料の水素過電圧よりも、小さいと推定できる。
また、基部は、複数種類の材料を用いて、構成されていてもよい。同様に、突出部は、複数種類の材料を用いて、構成されていてもよい。いずれの場合も、突出部の表面が、基部の表面に含まれる材料よりも低い水素過電圧を示す材料を含むことが好ましい。こうすれば、基部の表面での水素ガスの生成よりも、突出部の表面での水素ガスの生成を、促進できる。また、基部の表面の材料は、突出部の表面の材料よりも低い水素過電圧を示す材料を、含まないことが好ましい。こうすれば、基部の表面で水素ガスの生成が進行することを抑制できる。
(6)第1電極の基部の形状としては、平板形状に限らず、種々の形状を採用可能である。例えば、パイプ形状を採用してもよい。この場合、パイプ形状の外周面と内周面とのそれぞれに、突出部を設けることが好ましい。また、基部の大きさとしては、第1電極を収容する室の大きさに適した任意の大きさを採用可能である。また、基部の配置方向としても、種々の方向を採用可能である。例えば、上記各実施例において、基部311が、鉛直方向と直交する方向、すなわち、水平方向に沿って拡がるように、配置されてもよい。この場合、第1面s1と第2面s2とのうちの鉛直下側の面の突出部を省略してもよい。この理由は、基部311の表面のうちの鉛直下側の面に複数の突出部を設けると、電極から離脱して上昇しようとする気泡が複数の突出部によって補足される可能性が高いからである。
(7)第1電極の突出部の形成方法としては、スパッタリングやショットブラストに限らず、種々の方法を採用可能である。例えば、棒状の部材を基部に貫通させることによって、突出部を形成してもよい。この場合、棒状の部材のうちの基部から飛び出した部分が、突出部に対応する。
(8)酸素を生成する電極に用いられる光触媒としては、酸化タングステン(WO)に限らず、光を用いて水の電気分解を促進する種々の材料を採用可能である。なお、光触媒の材料としては、必ずしもWOに限定されるものでなく、TiO(二酸化チタン)、SrTiO(チタン酸ストロンチウム)、BaTiO(チタン酸バリウム)、ZrO(酸化亜鉛)、SnO(二酸化錫(すず))、CdS(硫化カドミウム)等の任意の高機能酸化物半導体光触媒を選択することができる。
(9)第1室210を形成する第1室形成部110と、第2室220を形成する第2室形成部140と、のそれぞれの構成としては、図2〜図4で説明した構成に限らず、任意の構成を採用可能である。例えば、第2室形成部140が、第2電極320を挟む複数の部材120、130で構成されているのと同様に、第1室形成部110が、第1電極310を挟む複数の部材で構成されていてもよい。こうすれば、第1室210内の端から他の端まで拡がる大きなサイズの第1電極310を利用できる。
(10)分離膜330としては、ガス(具体的には、水素ガスと酸素ガス)の通過を制限(好ましくは、防止)する種々の膜を採用可能である。ここで、水素ガスの生成を効率よく行うためには、プロトン(H)の伝導性を有する膜が採用される。例えば、プロトン(H)が通過し得る程度の多数の細孔が設けられたフィルタを採用可能である。また、プロトン(H)の伝導性が良好な膜としては、上述したフッ素系樹脂の膜のほか、例えば、炭化水素系樹脂の膜を採用可能である。
以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。
110...第1室形成部、111...開口、112...収容室、113...貫通孔、118...溝、119...ネジ孔、120...第1壁部材、120a...第1部分、120b...第2部分、122...貫通孔、124...切欠、128...溝、129...ネジ孔、130...第2壁部材、132...貫通孔、139...ネジ孔、140...第2室形成部、210...第1室、220...第2室、310、310a、310b、310x...第1電極、311、311x...基部、312、312a、312b、312d、312x、312xu、312xd、312u...突出部、312M...マスク、312o...開口、313...バスバー、314...端子、315...Oリング、320...第2電極、322...光触媒層、323...透明導電層、324...ガラス板、325...金具、330...分離膜、380...ボルト、391...第1シール部材、392...第2シール部材、393...第3シール部材、400...直流電源、410...第1ガス流路、420...第2ガス流路、500...電解液供給装置、510...第1供給路、520...第2供給路、800...ガス生成装置、900...ガス生成システム、s1...第1面(底面)、s2...第2面、su...第1側面、sd...第2側面、sx1...第1面(底面)、sxu...第1側面、sxd...第2側面

Claims (3)

  1. 水を含む電解液から光触媒を用いて水素ガスと酸素ガスとを生成するガス生成装置用の、電解液から水素ガスを生成する電極であって、
    表面を有する基部と、
    前記基部の前記表面から突出する突出部であって、前記基部の前記表面上の互いに離れた位置に配置された複数の前記突出部と、
    を含み、
    前記突出部の表面の材料は、前記基部の前記表面の材料よりも水素過電圧が低い材料を含む、
    電極。
  2. 請求項1に記載の電極であって、
    前記基部の前記表面の材料は、鉄と、銅と、炭素と、亜鉛と、水銀と、鉛とのうちから選択された材料を含み、
    前記突出部の前記表面の材料は、白金と、鉄と、銅と、炭素と、亜鉛と、水銀とのうちから選択される材料であって、前記基部の前記表面の前記材料よりも水素過電圧が低い材料を、含む、
    電極。
  3. 水を含む電解液から光触媒を用いて水素ガスと酸素ガスとを生成するガス生成装置であって、
    請求項1または2に記載の電極である第1電極と、
    前記第1電極を収容する第1室と、
    前記電解液から酸素ガスを生成する光触媒を含む第2電極と、
    前記第2電極を収容する第2室と、
    を備える、ガス生成装置。
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