JP2018003041A - Hydrogen-generating photocell - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、光水素生成セルに関する。 The present disclosure relates to a photohydrogen generation cell.
従来、光触媒として機能する半導体材料を利用する技術として、前記半導体材料に光を照射することにより、水を分解して水素を採取する技術又は電気エネルギーを採取する技術が知られている(例えば、特許文献1及び2参照)。 Conventionally, as a technique using a semiconductor material that functions as a photocatalyst, a technique for collecting hydrogen by collecting light by irradiating the semiconductor material with light or a technique for collecting electric energy is known (for example, (See Patent Documents 1 and 2).
特許文献1には、太陽電池を構成するシリコン基板を再利用することを特徴とする、水分解用半導体光電極を用いた、水素生成モジュールが開示されている。この水素生成モジュールは、シリコン基板の一方の面には光触媒層を、他方の面には金属電極を形成した水分解用半導体光電極と、対極と、前記半導体光電極を保持する保持部材と、前記保持部材を収容し、かつ断面が液体を導入可能なように略凹形状である容器と、前記容器の上端を塞ぐ透明蓋板と、で構成されている。この水素生成モジュールにおいて、半導体光電極は、容器と蓋板との間に挟持されている。特許文献1には、ポンプにより加圧された水又は電解質水溶液が、半導体光電極と蓋板との間に供給されることが記載されている。この水素生成モジュールでは、半導体光電極と蓋板との間でオーバーフローした水又は電解質水溶液は、水素生成モジュール上部に設けられた排水口から回収され、再び利用される。 Patent Document 1 discloses a hydrogen generation module using a semiconductor photoelectrode for water splitting, wherein a silicon substrate constituting a solar cell is reused. The hydrogen generation module includes a water splitting semiconductor photoelectrode in which a photocatalyst layer is formed on one surface of a silicon substrate and a metal electrode is formed on the other surface, a counter electrode, a holding member that holds the semiconductor photoelectrode, The container is configured by a container having a substantially concave shape so as to accommodate the holding member and capable of introducing a liquid, and a transparent lid plate closing the upper end of the container. In this hydrogen generation module, the semiconductor photoelectrode is sandwiched between the container and the lid plate. Patent Document 1 describes that water or an aqueous electrolyte solution pressurized by a pump is supplied between a semiconductor photoelectrode and a lid plate. In this hydrogen generation module, the water or the electrolyte aqueous solution overflowed between the semiconductor photoelectrode and the cover plate is recovered from the drain provided in the upper part of the hydrogen generation module and reused.
特許文献2には、セルの下部から上部へ強制的にガスを流通させることを特徴とする、光電気化学セルが開示されている。半導体光電極又は対極が配置された空間において、下部に酸素又は水素ガスの導入管を、上部に酸素又は水素ガスの排出管を設けることで、空間内の水又は電解液中を下から上方向へ酸素又は水素ガスが流通する。その結果、半導体光電極表面、対極表面及び筐体内壁に付着した酸素及び水素の気泡は、ガス導入管から導入された酸素ガス及び水素ガスと一体となって空間の上部へ浮上する。これにより、半導体光電極表面、対極表面及び筐体内壁に付着した気泡が速やかに除去され、水の光分解効率が向上する。
特許文献1に開示されている水素生成モジュールは、水又は電解質水溶液がモジュール上部から供給され、オーバーフローした溶液がモジュール上部から排出される構成を有している。そのため、半導体光電極と蓋板との間隙に存在する溶液、とりわけ間隙の下部に存在する溶液は十分に流通せず滞留する。光照射によって半導体光電極表面及び対極表面で生成した酸素及び水素の気泡の一部は、前記両電極表面及び前記蓋板表面に付着するが、これら表面の近傍での溶液の流速が不十分であるため、付着した気泡は水流によって押し流されることなくこれら表面に留まり続ける。両電極表面に気泡が付着し続ければ、両電極表面と水又は電解質水溶液との接触が阻害されるため、水を光分解する効率が著しく低下する。また、蓋板表面に気泡が付着し続ければ、蓋板を通過する光が散乱され半導体光電極表面まで届く光量が減少するため、このことも水の光分解効率を低下させる一因となる。 The hydrogen generation module disclosed in Patent Document 1 has a configuration in which water or an aqueous electrolyte solution is supplied from the upper part of the module, and the overflowed solution is discharged from the upper part of the module. Therefore, the solution present in the gap between the semiconductor photoelectrode and the cover plate, particularly the solution present in the lower portion of the gap, does not sufficiently flow and stays. Some of the oxygen and hydrogen bubbles generated on the semiconductor photoelectrode surface and the counter electrode surface by light irradiation adhere to both the electrode surface and the lid plate surface, but the solution flow rate in the vicinity of these surfaces is insufficient. As a result, the attached bubbles continue to remain on these surfaces without being swept away by the water flow. If bubbles continue to adhere to the surfaces of both electrodes, contact between the surfaces of both electrodes and water or the aqueous electrolyte solution is hindered, so that the efficiency of photolyzing water is significantly reduced. Further, if bubbles continue to adhere to the lid plate surface, light passing through the lid plate is scattered and the amount of light reaching the semiconductor photoelectrode surface is reduced. This also contributes to a decrease in water photolysis efficiency.
特許文献2に開示されている光電気化学セルは、特許文献1の水素生成モジュールが有している電極表面及び筐体内壁表面の気泡付着の課題に対して、強制的に導入した気体を電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡と一体化させて浮上させてこれらの気泡を除去するという解決法を提示している。しかし、特許文献2の光電気化学セルでは、強制的に気体を導入するためにコンプレッサ及び流量制御器等を必要とする。これらの装置の動作には、外部からのエネルギー投入が必要となる。すなわち、特許文献2に開示されている光電気化学セルでは、これらの装置を導入することによるエネルギーロスが発生し、このエネルギーロスが光電気化学セル全体としてのエネルギー変換効率の低下の要因となる。
The photoelectrochemical cell disclosed in
そこで、本開示は、光触媒による水の分解反応を利用して水素を採取する光水素生成セルとして、外部からのエネルギー投入を必要とせずに電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡を除去して、電極表面及び筐体内壁表面に付着する気泡に起因する水の光分解効率の低下を抑えることができる光水素生成セルを提供することを目的とする。 Therefore, the present disclosure is a photohydrogen generation cell that collects hydrogen using a decomposition reaction of water by a photocatalyst, and removes bubbles adhering to the electrode surface and the inner wall surface of the housing without requiring external energy input. Thus, it is an object of the present invention to provide a photohydrogen generation cell capable of suppressing a decrease in the photolysis efficiency of water caused by bubbles adhering to the electrode surface and the inner wall surface of the housing.
本開示は、
筐体と、
前記筐体の内部空間を、第1の空間及び第2の空間に分けるセパレータと、
前記第1の空間内に配置され、導電層及び前記導電層上に形成された光半導体層を含む半導体光電極と、
前記第2の空間内に配置され、前記半導体光電極と電気的に接続された対極と、
前記第1の空間内及び前記第2の空間内の水を含む電解液と、
前記第1の空間内に配置された、気体蓄積面を有する気体蓄積部と、
を含む光水素生成セルであって
前記筐体は、前記第1の空間に面する透光面を有し、
前記半導体光電極において、前記導電層に対して前記光半導体層側の表面を第1表面とし、前記導電層に対して前記光半導体層側と反対側の表面を第2表面とした場合、前記気体蓄積部は、前記半導体光電極の前記第1表面と相対する領域内に配置されており、
前記気体蓄積面は、前記光水素生成セルが設置された状態において、鉛直方向下向き又は斜め下向きであって、かつ、前記半導体光電極の前記第1表面と交わる方向を向いた面を含み、
前記第1の空間内には、前記気体蓄積部に対して前記気体蓄積面側の第1領域と、前記気体蓄積部に対して前記気体蓄積面と反対側の第2領域との間の連通部が設けられている、
光水素生成セルを提供する。
This disclosure
A housing,
A separator that divides the internal space of the housing into a first space and a second space;
A semiconductor photoelectrode disposed in the first space and including a conductive layer and a photosemiconductor layer formed on the conductive layer;
A counter electrode disposed in the second space and electrically connected to the semiconductor photoelectrode;
An electrolyte containing water in the first space and the second space;
A gas accumulating portion having a gas accumulating surface, disposed in the first space;
A photohydrogen generation cell comprising: the housing has a light-transmitting surface facing the first space;
In the semiconductor photoelectrode, when the surface on the optical semiconductor layer side with respect to the conductive layer is a first surface and the surface opposite to the optical semiconductor layer side with respect to the conductive layer is a second surface, The gas accumulating part is disposed in a region facing the first surface of the semiconductor photoelectrode,
The gas storage surface includes a surface that is vertically downward or obliquely downward in a state where the photohydrogen generation cell is installed and that faces a direction intersecting the first surface of the semiconductor photoelectrode,
In the first space, communication between the first region on the gas storage surface side with respect to the gas storage portion and the second region on the opposite side of the gas storage surface with respect to the gas storage portion. Part is provided,
A photohydrogen generation cell is provided.
本開示の光水素生成セルは、外部からのエネルギー投入を必要とせずに電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡を除去して、電極表面及び筐体内壁表面に付着する気泡に起因する水の光分解効率の低下を抑えることができる。 The photohydrogen generation cell of the present disclosure removes bubbles adhering to the electrode surface and the inner wall surface of the housing without requiring external energy input, so that water caused by the air bubbles adhering to the electrode surface and the inner wall surface of the housing is removed. It is possible to suppress a decrease in the photolysis efficiency.
本開示の第1の態様に係る光水素生成セルは、
筐体と、
前記筐体の内部空間を、第1の空間及び第2の空間に分けるセパレータと、
前記第1の空間内に配置され、導電層及び前記導電層上に形成された光半導体層を含む半導体光電極と、
前記第2の空間内に配置され、前記半導体光電極と電気的に接続された対極と、
前記第1の空間内及び前記第2の空間内の水を含む電解液と、
前記第1の空間内に配置された、気体蓄積面を有する気体蓄積部と、
を含む光水素生成セルであって
前記筐体は、前記第1の空間に面する透光面を有し、
前記半導体光電極において、前記導電層に対して前記光半導体層側の表面を第1表面とし、前記導電層に対して前記光半導体層側と反対側の表面を第2表面とした場合、前記気体蓄積部は、前記半導体光電極の前記第1表面と相対する領域内に配置されており、
前記気体蓄積面は、前記光水素生成セルが設置された状態において、鉛直方向下向き又は斜め下向きであって、かつ、前記半導体光電極の前記第1表面と交わる方向を向いた面を含み、
前記第1の空間内には、前記気体蓄積部に対して前記気体蓄積面側の第1領域と、前記気体蓄積部に対して前記気体蓄積面と反対側の第2領域との間の連通部が設けられている。
A photohydrogen generation cell according to the first aspect of the present disclosure is provided.
A housing,
A separator that divides the internal space of the housing into a first space and a second space;
A semiconductor photoelectrode disposed in the first space and including a conductive layer and a photosemiconductor layer formed on the conductive layer;
A counter electrode disposed in the second space and electrically connected to the semiconductor photoelectrode;
An electrolyte containing water in the first space and the second space;
A gas accumulating portion having a gas accumulating surface, disposed in the first space;
A photohydrogen generation cell comprising: the housing has a light-transmitting surface facing the first space;
In the semiconductor photoelectrode, when the surface on the optical semiconductor layer side with respect to the conductive layer is a first surface and the surface opposite to the optical semiconductor layer side with respect to the conductive layer is a second surface, The gas accumulating part is disposed in a region facing the first surface of the semiconductor photoelectrode,
The gas storage surface includes a surface that is vertically downward or obliquely downward in a state where the photohydrogen generation cell is installed and that faces a direction intersecting the first surface of the semiconductor photoelectrode,
In the first space, communication between the first region on the gas storage surface side with respect to the gas storage portion and the second region on the opposite side of the gas storage surface with respect to the gas storage portion. Is provided.
従来の光水素生成セルでは、光照射により生成した酸素気泡の一部が、半導体光電極の表面に付着する。付着した気泡は、半導体光電極の表面と電解液との接触を阻害するため、電極表面上で起こる水の酸化反応の効率を低下させる。また、生成した気泡の一部は、筐体の透光面の筐体内側の面にも付着する。その結果、照射光は筐体の透光面1aで散乱され、半導体光電極まで到達する光量が減少する。このことも、光水素生成セルの水分解反応の効率を低下させる一因となる。[背景技術]の欄に記載したように、この気泡付着による効率低下を改善する方法として、光水素生成セル内の電解液を流通させる技術が既に提案されている(特許文献1)。この技術においては、電解液が光水素生成セル内で流速を持つことにより、両電極表面及び筐体内壁に付着した気泡のうち大きなものは電解液に洗い流され除去される。しかしながら、微小気泡は両電極表面及び筐体内壁に留まり続け、除去することが困難である。これは、気泡の構成要素である酸素が疎水性であることに原因がある。疎水性である気泡は、電解液よりも疎水性を持つ半導体光電極電極表面及び筐体内壁との親和性の方が高く、気泡と半導体光電極表面及び筐体内壁とが接している面積が大きいほど、気泡の付着力も大きくなる。一方、気泡は流速を持った電解液中に存在するため、浮力及び電解液が押し流す力を受ける。このとき、(付着力)>(浮力+押し流す力)であれば気泡は留まり続け、(付着力)<(浮力+押し流す力)であれば気泡は除去される。気泡と両電極表面及び筐体内壁とが接している面積を、気泡の単位体積あたりで考えると、微小な気泡ほど面積が大きい。すなわち、微小気泡ほど付着力の効果がより大きいため、付着したまま留まり続けやすい。また、[背景技術]の欄に記載した特許文献2では、強制的かつ間欠的なガス導入による付着気泡除去方法が提案されている。半導体光電極を内包する光水素生成セル中の空間内に導入した巨大な酸素気泡は疎水性であるため、浮力に従って上昇しながら半導体光電極表面、対極表面及び筐体内壁に付着した微小気泡と一体化する。一体化した巨大な気泡は前述の理由により(付着力)<(浮力)であるので、どこにも付着することなく空間内を上昇し、結果として半導体光電極表面及び筐体内壁に付着した微小気泡は完全かつ効率的に除去される。しかしながらこの除去方式には外部エネルギー投入によるガス導入が不可欠である。光水素生成セル全体としてのエネルギー変換効率を鑑みれば、ガス導入に係るエネルギーが不要であることが望ましい。
In the conventional photohydrogen generation cell, some of the oxygen bubbles generated by light irradiation adhere to the surface of the semiconductor photoelectrode. The adhering bubbles obstruct the contact between the surface of the semiconductor photoelectrode and the electrolytic solution, thereby reducing the efficiency of the water oxidation reaction that occurs on the electrode surface. In addition, some of the generated bubbles also adhere to the surface inside the housing of the light transmitting surface of the housing. As a result, the irradiation light is scattered by the
上記従来の光水素生成セルに対し、本開示の第1の態様に係る光水素生成セルでは、第1の空間内の第1領域において光半導体層表面で生成した小さな気泡が、気体蓄積部の気体蓄積面に蓄積される。時間経過とともに気体蓄積面における気体の蓄積量は増大する。そして、連通部において、蓄積された気体の浮上力、連通部上方の電解液にかかる重力、及び連通部近傍の電解液の表面張力の三者の力のバランスにおいて、蓄積された気体の浮上力が優勢になったときに、連通部を通って蓄積された気体が浮上する。このとき連通部を通って浮上する気体の気泡サイズは、半導体光電極の第1表面で生成した直後の気泡サイズよりも顕著に大きくなっている。そのため、気体蓄積部よりも上側である第1の空間の第2領域内における半導体光電極の第1表面、及び、気体蓄積部よりも上側である第1の空間の第2領域内における筐体の内壁に付着した気泡は、浮上した気体と一体になることで除去され、セル最上部まで浮上する。これにより、気泡に起因する半導体光電極の第1表面と電解液との接触阻害、及び、筐体の透光面から照射される光の散乱といった、水分解反応効率のロス要因が取り除かれる。このように、本開示の第1の態様に係る光水素生成セルは、外部からのエネルギー投入を必要とせずに電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡を除去して、電極表面及び筐体内壁表面に付着する気泡に起因する水の光分解効率の低下を抑えることができる。 In contrast to the conventional photohydrogen generation cell, in the photohydrogen generation cell according to the first aspect of the present disclosure, small bubbles generated on the surface of the optical semiconductor layer in the first region in the first space Accumulated on the gas accumulation surface. The amount of gas accumulated on the gas accumulation surface increases with time. The accumulated gas levitation force in the balance of the three forces of the buoyant force of the accumulated gas, the gravity applied to the electrolyte solution above the communicating portion, and the surface tension of the electrolyte solution in the vicinity of the communicating portion. When the gas becomes dominant, the accumulated gas rises through the communication portion. At this time, the bubble size of the gas that floats through the communicating portion is significantly larger than the bubble size immediately after being generated on the first surface of the semiconductor photoelectrode. Therefore, the first surface of the semiconductor photoelectrode in the second region of the first space that is above the gas storage unit, and the housing in the second region of the first space that is above the gas storage unit The bubbles adhering to the inner wall of the cell are removed by being integrated with the floating gas, and rise to the top of the cell. Thereby, loss factors of water splitting reaction efficiency such as contact inhibition between the first surface of the semiconductor photoelectrode and the electrolytic solution due to bubbles and scattering of light irradiated from the translucent surface of the housing are removed. Thus, the photohydrogen generation cell according to the first aspect of the present disclosure removes bubbles attached to the electrode surface and the inner wall surface of the electrode without requiring external energy input, and It is possible to suppress a decrease in water photolysis efficiency caused by bubbles adhering to the wall surface.
第2の態様において、例えば、第1の態様に係る光水素生成セルは、前記光水素生成セルが設置された状態において、前記第1の空間内の前記第1領域を水平方向に沿って複数の空間に分割する仕切り板をさらに含み、前記仕切り板の周縁の一部が、前記気体蓄積面と接していてもよい。 In the second aspect, for example, the photohydrogen generation cell according to the first aspect includes a plurality of the first regions in the first space along the horizontal direction in a state where the photohydrogen generation cell is installed. It may further include a partition plate that is divided into two spaces, and a part of the periphery of the partition plate may be in contact with the gas accumulation surface.
第2の態様に係る光水素生成セルによれば、電極表面及び筐体内壁全体に渡って均一に、電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡を除去することができるので、電極表面及び筐体内壁表面に付着する気泡に起因する水の光分解効率の低下を効果的に抑えることができる。 According to the photohydrogen generation cell according to the second aspect, bubbles attached to the electrode surface and the inner wall surface of the casing can be removed uniformly over the entire electrode surface and the inner wall of the casing. It is possible to effectively suppress a decrease in water photolysis efficiency caused by bubbles adhering to the body wall surface.
第3の態様において、例えば、第2の態様に係る光水素生成セルは、前記仕切り板を複数含んでおり、互いに隣接する前記仕切り板の面間隔が1〜20cmの範囲内でもよい。 In the third aspect, for example, the photohydrogen generation cell according to the second aspect includes a plurality of the partition plates, and the spacing between the partition plates adjacent to each other may be within a range of 1 to 20 cm.
第3の態様に係る光水素生成セルは、仕切り板が、互いに隣接する仕切り板の面間隔が上記範囲となるように設けられていることにより、連通部から気体を浮上させやすく、かつ、連通部のどの箇所からも気泡除去に十分な頻度で気泡を放出させることができる。これにより、電極表面及び筐体内壁全体に渡って均一に、電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡を除去することができるので、電極表面及び筐体内壁表面に付着する気泡に起因する水の光分解効率の低下を効果的に抑えることができる。 In the photohydrogen generation cell according to the third aspect, the partition plates are provided so that the surface spacing of the partition plates adjacent to each other is in the above range. Bubbles can be released from any part of the part with a frequency sufficient for removing bubbles. As a result, air bubbles adhering to the electrode surface and the inner wall surface of the housing can be removed uniformly over the entire electrode surface and inner wall of the housing, so that water caused by air bubbles adhering to the electrode surface and the inner wall surface of the housing can be removed. The degradation of the photodecomposition efficiency can be effectively suppressed.
第4の態様において、例えば、第2又は第3の態様に係る光水素生成セルでは、前記仕切り板は、前記仕切り板の主面が、前記筐体の前記透光面に対して概略垂直となる向きで設けられていてもよい。ここで、本明細書における「概略垂直」とは60°以上90°以下の角度を意味し、「概略平行」とは0°以上30°以下の角度を意味する。 In the fourth aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to the second or third aspect, the partition plate has a main surface of the partition plate substantially perpendicular to the light-transmitting surface of the housing. It may be provided in the direction. Here, “substantially perpendicular” in this specification means an angle of 60 ° to 90 °, and “substantially parallel” means an angle of 0 ° to 30 °.
第4の態様に係る光水素生成セルでは、仕切り板が上記のように配置されていることにより、電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡の除去を、電極表面及び筐体内壁全体に渡って均一に行うことができるように、第1領域を適切な空間に分割することができる。 In the photohydrogen generation cell according to the fourth aspect, since the partition plate is arranged as described above, the bubbles attached to the electrode surface and the inner wall surface of the casing are removed over the entire electrode surface and the inner wall of the casing. The first area can be divided into appropriate spaces so that the process can be performed uniformly.
第5の態様において、例えば、第2〜第4の態様のいずれか1つの態様に係る光水素生成セルでは、前記仕切り板は、前記仕切り板の主面が、前記光水素生成セルが設置された状態において鉛直方向と概略平行となる向きで設けられていてもよい。 In the fifth aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to any one of the second to fourth aspects, the partition plate has a main surface of the partition plate, and the photohydrogen generation cell is installed. It may be provided in a direction substantially parallel to the vertical direction.
第5の態様に係る光水素生成セルでは、仕切り板が上記のように配置されていることにより、電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡の除去を、電極表面及び筐体内壁全体に渡って均一に行うことができるように、第1領域を適切な空間に分割することができる。 In the photohydrogen generation cell according to the fifth aspect, since the partition plate is arranged as described above, it is possible to remove bubbles adhering to the electrode surface and the inner wall surface of the casing over the entire electrode surface and inner wall of the casing. The first area can be divided into appropriate spaces so that the process can be performed uniformly.
第6の態様において、例えば、第1〜第5の態様のいずれか1つの態様に係る光水素生成セルでは、前記筐体が薄型矩形形状を有しており、前記光水素生成セルが設置された状態において、前記筐体の高さ方向の縦辺の長さが、幅方向の横辺の長さよりも長くてもよい。 In the sixth aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to any one of the first to fifth aspects, the casing has a thin rectangular shape, and the photohydrogen generation cell is installed. In this state, the length of the vertical side of the casing in the height direction may be longer than the length of the horizontal side in the width direction.
第6の態様に係る光水素生成セルは、光水素生成セルが設置された状態で縦長となるように構成されている。これにより、気体蓄積部から連通部を介して放出されて、第2領域を上昇する気泡の経路が長くなる。その結果、第2領域を上昇する気泡が電極表面及び筐体内壁に付着した気泡を除去する効果が高くなる。 The photohydrogen generation cell according to the sixth aspect is configured to be vertically long with the photohydrogen generation cell installed. Thereby, the path | route of the bubble discharged | emitted via a communicating part from a gas storage part and rising a 2nd area | region becomes long. As a result, the effect of removing the bubbles adhering to the electrode surface and the inner wall of the housing by the bubbles rising in the second region is enhanced.
第7の態様において、例えば、第1〜第6の態様のいずれか1つの態様に係る光水素生成セルでは、前記半導体光電極が、前記第1表面が前記筐体の前記透光面と対向する向きで配置されていてもよい。 In the seventh aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to any one of the first to sixth aspects, the semiconductor photoelectrode is configured such that the first surface faces the light-transmitting surface of the housing. It may be arranged in the direction.
第7の態様に係る光水素生成セルでは、半導体光電極の第1表面上で発生した気泡に、当該気泡が第1表面から脱離する向きに浮力がかかるため、第1表面上に気泡が付着することで第1表面と電解液との接触が阻害される確率を低減することができる。 In the photohydrogen generation cell according to the seventh aspect, since buoyancy is applied to the bubbles generated on the first surface of the semiconductor photoelectrode in the direction in which the bubbles are detached from the first surface, the bubbles are formed on the first surface. By adhering, the probability that the contact between the first surface and the electrolytic solution is inhibited can be reduced.
第8の態様において、例えば、第7の態様に係る光水素生成セルでは、前記連通部が、前記気体蓄積部と前記半導体光電極の前記第1表面との間の間隙、前記気体蓄積部と前記筐体の前記透光面との間の間隙、及び、前記気体蓄積部に設けられた貫通孔から選択される少なくともいずれか1つであってもよい。 In an eighth aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to the seventh aspect, the communication part includes a gap between the gas storage part and the first surface of the semiconductor photoelectrode, the gas storage part, It may be at least one selected from a gap between the casing and the translucent surface and a through-hole provided in the gas storage unit.
第8の態様に係る光水素生成セルでは、連通部が上記のように形成されていることで、電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡の除去を効果的に行うことができる。 In the photohydrogen generation cell according to the eighth aspect, since the communicating portion is formed as described above, it is possible to effectively remove bubbles adhering to the electrode surface and the housing inner wall surface.
第9の態様において、例えば、第8の態様に係る光水素生成セルでは、前記連通部が、前記気体蓄積部と前記半導体光電極の前記第1表面との間の間隙であってもよい。 In a ninth aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to the eighth aspect, the communication part may be a gap between the gas storage part and the first surface of the semiconductor photoelectrode.
第9の態様に係る光水素生成セルでは、連通部が上記のように形成されていることで、電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡の除去を効果的に行うことができる。 In the photohydrogen generation cell according to the ninth aspect, since the communicating portion is formed as described above, it is possible to effectively remove bubbles adhering to the electrode surface and the housing inner wall surface.
第10の態様において、例えば、第1〜第6の態様のいずれか1つの態様に係る光水素生成セルでは、前記導電層が透光性を有し、前記半導体光電極が、前記第2表面が前記筐体の前記透光面と対向する向きで配置されていてもよい。 In a tenth aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to any one of the first to sixth aspects, the conductive layer has a light-transmitting property, and the semiconductor photoelectrode has the second surface. May be arranged in a direction facing the translucent surface of the housing.
第10の態様に係る光水素生成セルでは、照射光が、半導体光電極の第1表面で発生した気泡に到達するよりも前段で半導体光電極の光半導体層に達するため、発生気泡による照射光量の減衰を低減することができる。 In the photohydrogen generation cell according to the tenth aspect, the irradiation light reaches the photo-semiconductor layer of the semiconductor photoelectrode before reaching the bubbles generated on the first surface of the semiconductor photoelectrode. Can be reduced.
第11の態様において、例えば、第10の態様に係る光水素生成セルでは、前記連通部が、前記気体蓄積部と前記セパレータとの間の間隙、前記気体蓄積部と前記半導体光電極の前記第1表面との間の間隙、及び、前記気体蓄積部に設けられた貫通孔から選択される少なくともいずれか1つであってもよい。 In an eleventh aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to the tenth aspect, the communication part includes a gap between the gas storage part and the separator, and the gas storage part and the semiconductor photoelectrode It may be at least one selected from a gap between the surface and a through hole provided in the gas accumulating portion.
第11の態様に係る光水素生成セルでは、連通部が上記のように形成されていることで、電極表面、筐体内壁表面、及びセパレータに付着した気泡の除去を効果的に行うことができる。 In the photohydrogen generation cell according to the eleventh aspect, since the communicating portion is formed as described above, it is possible to effectively remove bubbles attached to the electrode surface, the inner wall surface of the housing, and the separator. .
第12の態様において、例えば、第11の態様に係る光水素生成セルでは、前記連通部が、前記気体蓄積部と前記セパレータとの間の間隙であってもよい。 In a twelfth aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to the eleventh aspect, the communication part may be a gap between the gas storage part and the separator.
第12の態様に係る光水素生成セルでは、連通部が上記のように形成されていることで、電極表面、筐体内壁表面、及びセパレータに付着した気泡の除去を効果的に行うことができる。 In the photohydrogen generation cell according to the twelfth aspect, since the communicating portion is formed as described above, it is possible to effectively remove bubbles attached to the electrode surface, the inner wall surface of the housing, and the separator. .
第13の態様において、例えば、第1〜第12の態様のいずれか1つの態様に係る光水素生成セルでは、前記光水素生成セルが設置された状態での水平面内において、前記透光面1aと前記セパレータとの最短距離を前記第1の空間の厚さAとし、前記厚さAの方向と平行な方向における前記連通部の最大長さを前記連通部の長さBとし、前記厚さAの方向と垂直な方向における前記連通部の最大幅を前記連通部の幅Wとした場合、前記第1の空間の厚さAと前記連通部の長さBと前記連通部の幅Wとが、0.17×A2/W≦B≦A−0.17×A2/Wの関係を満たしてもよい。
In the thirteenth aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to any one of the first to twelfth aspects, in the horizontal plane in a state where the photohydrogen generation cell is installed, the
第13の態様に係る光水素生成セルでは、第1の空間と連通部とが上記関係を満たすように設けられていることで、電極表面、筐体内壁表面、及びセパレータに付着した気泡の除去を効果的に行うことができる。 In the photohydrogen generation cell according to the thirteenth aspect, the first space and the communication portion are provided so as to satisfy the above relationship, thereby removing bubbles attached to the electrode surface, the inner wall surface of the housing, and the separator. Can be carried out effectively.
第14の態様において、例えば、第1〜第13の態様のいずれか1つの態様に係る光水素生成セルでは、前記気体蓄積部は、前記光水素生成セルが設置された状態において前記第1の空間の鉛直方向の中心よりも下側となる領域内に配置されていてもよい。 In a fourteenth aspect, for example, in the photohydrogen generation cell according to any one of the first to thirteenth aspects, the gas accumulation unit is configured to have the first hydrogen gas in a state where the photohydrogen generation cell is installed. You may arrange | position in the area | region below the center of the perpendicular direction of space.
第14の態様に係る光水素生成セルによれば、気体蓄積部が上記のように配置されていることにより、気体蓄積部から連通部を介して放出されて、第2領域を上昇する気泡の経路が長くなる。その結果、第2領域を上昇する気泡が電極表面及び筐体内壁に付着した気泡を除去する効果が高くなる。 According to the photohydrogen generation cell according to the fourteenth aspect, since the gas storage unit is arranged as described above, the bubbles released from the gas storage unit through the communication unit and rising in the second region The route becomes longer. As a result, the effect of removing the bubbles adhering to the electrode surface and the inner wall of the housing by the bubbles rising in the second region is enhanced.
以下、本開示の光水素生成セルの実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態は一例であり、本開示は以下の実施形態に限定されない。また、以下の実施形態では、同一部材に同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the photohydrogen generation cell of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiment is an example, and the present disclosure is not limited to the following embodiment. Moreover, in the following embodiment, the same code | symbol may be attached | subjected to the same member and the overlapping description may be abbreviate | omitted.
(実施形態1)
実施形態1の光水素生成セルについて、図1及び図2を用いて説明する。図1は、本実施形態の光水素生成セルの一構成例を示す概略断面図である。また、図2は、図1に示された光水素生成セルを筐体の透光面側からみた斜視図であり、すなわち光水素生成セルの第1の空間側の構成を示している。
(Embodiment 1)
The photohydrogen generation cell of Embodiment 1 is demonstrated using FIG.1 and FIG.2. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the photohydrogen generation cell of the present embodiment. FIG. 2 is a perspective view of the photohydrogen generation cell shown in FIG. 1 as viewed from the light-transmitting surface side of the housing, that is, the configuration of the first space side of the photohydrogen generation cell.
図1及び図2に示す光水素生成セル100は、筐体1と、筐体1の内部空間を第1の空間3及び第2の空間4に分けるセパレータ2と、第1の空間3内に配置された半導体光電極5と、第2の空間内に配置された対極6と、第1の空間3内及び第2の空間4内の水を含む電解液7と、第1の空間3内に配置された気体蓄積部8と、を備えている。半導体光電極5と対極6とは、電気的接続部10によって互いに電気的に接続されている。光水素生成セル100には、さらに、筐体1を貫通し、かつ第1の空間3の内部に連通するガス取出口11と、筐体1を貫通し、かつ第2の空間4の内部に連通するガス取出口12とが設けられている。
A
次に、光水素生成セル100の各構成について、具体的に説明する。
Next, each configuration of the
筐体1は、第1の空間3に面する透光面1aを有している。この透光面1aが、筐体1の光が照射される面(光照射面)となる。透光面1aは、電解液7に対する耐腐食性及び絶縁性を有し、かつ可視光領域の光を透過させる材料で形成されることが望ましい。より望ましくは、透光面1aが、可視光領域の波長に加えて可視光領域の周辺波長も含めた光を透過させる材料で形成されることである。その材料としては、例えば、ガラス及び樹脂が挙げられる。筐体1の透光面1a以外の部分は、電解液7に対する耐腐食性及び絶縁性を有していればよく、光を透過する性質を持つ必要はない。筐体1の透光面1a以外の部分の材料には、前述のガラス及び樹脂に加えて、表面が耐腐食及び絶縁加工された金属等を用いることができる。
The housing 1 has a
セパレータ2は、上記のとおり、筐体1内を、半導体光電極5を収容する第1の空間3と、対極6を収容する第2の空間4とに分けている。セパレータ2は、例えば図1に示されているように、筐体1の光照射面である透光面1aと概略平行になるように配置されることが望ましい。セパレータ2は、第1の空間3内の電解液7と第2の空間4内の電解液7との間でイオンのやり取りを行わせる役割を担う。そのため、セパレータ2の少なくとも一部分は、第1の空間3内及び第2の空間4内の電解液7と接している。セパレータ2は、電解液7中の電解質を透過させ、かつ、電解液7中の酸素ガス及び水素ガスの透過を抑制する機能を有する材料によって形成されている。セパレータ2の材料としては、例えば、高分子固体電解質等の固体電解質が挙げられる。高分子固体電解質としては、ナフィオン(登録商標)等のイオン交換膜が挙げられる。セパレータ2によって筐体内部における酸素発生側の空間と水素発生側の空間とが分離されるので、生成した酸素と水素とを互いに分離して回収することができる。
As described above, the
半導体光電極5は、導電層51と、導電層51上に形成された光半導体層52とを含む。半導体光電極5は、例えば図1に示されているように、導電層51の主面が筐体1の光照射面である透光面1aと概略平行になる向きに設けられることが望ましい。ここでは、半導体光電極5において、導電層51に対して光半導体層52側の表面を第1表面とし、導電層51に対して光半導体層52側と反対側の表面を第2表面と定義する。図1及び2に示す例では、半導体光電極5は、導電層51と光半導体層52とからなる。したがって、図1及び2に示す例では、光半導体層52の導電層51と接している面と反対側の表面が半導体光電極5の第1表面となり、導電層51の光半導体層52と接している面と反対側の表面が半導体光電極5の第2表面となる。本実施形態の光水素生成セル100では、半導体光電極5の第1表面が筐体1の透光面1aと対向する向きで配置されている。
The
導電層51には、例えば、導電性を有する基板、又は、導電性を有する材料が表面に成膜された基板を用いることができる。導電層51としては、例えば、金属板、酸化インジウムスズ(ITO)が表面に成膜されたガラス板及びフッ素ドープ酸化スズ(FTO)が表面に成膜されたガラス板が挙げられる。
For the
光半導体層52は、n型半導体又はp型半導体によって形成されている。光半導体層52がn型半導体によって形成されていれば、半導体光電極5からは酸素が、対極6からは水素が生成する。逆に、光半導体層52がp型半導体によって形成されていれば、半導体光電極5からは水素が、対極6からは酸素が生成する。光半導体層52は、光照射によって電子が励起して水を分解する必要がある。そのため、伝導帯のバンドエッジ準位が水素イオンの標準還元電位である0V以下であり、かつ、価電子帯のバンドエッジ準位が水の標準酸化電位である+1.23V以上である半導体によって形成されていることが好ましい。このような半導体としては、チタン、ジルコニウム、バナジウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、銅、亜鉛、カドミウム、ガリウム、インジウム及びゲルマニウムの酸化物、酸窒化物及び窒化物、これらの複合酸化物、酸窒化物及び窒化物、これらにアルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオンを添加したものが、有効に用いられる。また、伝導帯のバンドエッジ準位が水素イオンの標準還元電位0V以下の物質からなる膜と、価電子帯のバンドエッジ準位が水の標準酸化電位+1.23V以上の物質からなる膜とを互いに接合した積層膜も、光半導体層52として有効に用いられる。一例として、例えばWO3/ITO/Si積層膜等が有効に用いられる。
The
対極6には、導電性を有し、光半導体層52がn型半導体である場合には水素生成反応に、p型半導体である場合には酸素生成反応に活性な材料を用いる。対極6の材料としては、水の電気分解用の電極として一般的に用いられるカーボン及び貴金属が挙げられる。具体的には、カーボン、白金、白金担持カーボン、パラジウム、イリジウム、ルテニウム及びニッケル等を採用できる。対極6の形状は特には限定されず、さらにその設置位置も第2の空間4内であれば特には限定されない。対極6と第2の空間4の内壁は、互いに接していてもよいし離れていてもよい。
The
電気的接続部10には、例えば一般的な金属導線を用いることができる。
For the
第1の空間3内及び第2の空間4内に収容された電解液7は、水を含む電解液であればよく、酸性であっても中性であっても塩基性であってもよい。例えば、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、リン酸二水素ナトリウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム及び水酸化ナトリウム等の電解質が、単独で又は複数混合で溶解した水溶液が有効に用いられる。
The
次に、気体蓄積部8について説明する。気体蓄積部8は、第1の空間3内において、半導体光電極5の第1表面と相対する領域内に配置されている。また、気体蓄積部8は、光水素生成セル100が設置された状態において、第1の空間3の鉛直方向の中心よりも下側となる領域内に配置されていることが望ましい。気体蓄積部8は、気体蓄積面8aを有している。気体蓄積面8aは、光水素生成セル100が設置された状態において、鉛直方向下向き又は斜め下向きであって、かつ、半導体光電極5の第1表面と交わる方向を向いた面を含んでいる。なお、「気体蓄積面8aが半導体光電極5の第1表面と交わる方向を向いた面を含む」とは、換言すると、気体蓄積面8aが半導体光電極5の第1表面と平行な面のみからなるのではなく、気体蓄積面8aの一部又は全体が半導体電極5の第1表面と平行ではないということである。なお、気体蓄積部8は、第1の空間3の内部を完全に分離するわけではない。すなわち、第1の空間3内には、気体蓄積部8に対して気体蓄積面8a側の第1領域3aと、気体蓄積部8に対して気体蓄積面8aと反対側の第2領域3bとの間の連通部9が設けられている。
Next, the
上記のように設けられた気体蓄積部8によれば、第1の空間3の第1領域3a内で生成した酸素(又は水素)ガスの少なくとも一部が、浮力により上昇して気体蓄積面8aで蓄積される。そして蓄積量が一定以上になると、蓄積されていた酸素(又は水素)ガスは気体蓄積面8aから溢れ出る。溢れ出たガスは、連通部9を通って、第1の空間3内の気体蓄積部8よりも上側の第2領域3bに放出される。半導体光電極5の第1表面で生成したサイズの小さな酸素(又は水素)の気泡は、浮力により上昇して気体蓄積面8aで一旦溜められることにより、他の気泡と一体となってそのサイズが増大する。サイズが増大した気泡が気体蓄積部8から連通部9を介して放出されることにより、気体蓄積部8よりも上側(第2領域3a)にある半導体光電極5の第1表面及び筐体内壁に付着した小さな気泡は、気体蓄積部8から連通部9を通って放出された大きな気泡と一体となって浮上する。このように、本実施形態の光水素生成セル100は、気体蓄積部8が設けられていることにより、半導体光電極5の第1表面及び筐体内壁に付着した気泡の除去を、外部エネルギーを投入することなく自発的に実現することが可能となる。その結果、半導体光電極5において気体生成反応が起こる第1表面及び筐体内壁に付着した気泡が速やかに除去されて、光水素生成セルの水の光分解効率が向上する。
According to the
光水素生成セル100では、半導体光電極5の第1表面が筐体1の透光面1aと対向する向きで配置されている。したがって、連通部9は、気体蓄積部8と半導体光電極5の第1表面との間の間隙、気体蓄積部8と筐体1の透光面1aとの間の間隙、及び、気体蓄積部8に設けられた貫通孔から選択される少なくともいずれか1つとすることができる。図1及び2に示された例では、気体蓄積部8と半導体光電極5の第1表面との間の間隙が連通部9を形成している。
In the
連通部9は、第1の空間3の第1領域3aと第2領域3bとを連通させる構成であればよいため、その形状及び大きさは特には限定されない。しかし、気体蓄積面8aで蓄積された気体が間欠的に第2領域3bに放出されるためには、連通部9の大きさは、例えば、1mm〜50mmが好適である。ただし、連通部9の大きさの具体的な最適値は、筐体1の第1の空間3の大きさ(厚さ)等によっても異なる。例えば、連通部9において、気体蓄積部8に蓄積された気体の浮上力、連通部9上方の電解液7にかかる重力、及び連通部9近傍の電解液7の表面張力の三者がほぼ釣り合うように連通部9の大きさを調節することにより、連通部9からの気体の間欠的な放出が実現される。例えば、光水素生成セル100が設置された状態での水平面内において、透光面1aとセパレータ2との最短距離を第1の空間3の厚さAとし、厚さAの方向と平行な方向における連通部9の最大長さを連通部9の長さBとし、厚さAの方向と垂直な方向における連通部9の最大幅を連通部9の幅Wとした場合、第1の空間3の厚さAと連通部9の長さBと連通部9の幅Wとが、0.17×A2/W≦B≦A−0.17×A2/Wの関係を満たすようにすることが望ましい。
Since the
上記の、第1の空間3の厚さAと連通部9の長さBと連通部9の幅Wとの望ましい関係について、図3及び4を参照しながらより詳しく説明する。図3及び4は、第1の空間3の厚さAと連通部9の長さBと連通部9の幅Wとの関係を説明するための模式図である。なお、図3及び4には図示していないが、連通部9の幅Wは、図3及び4において紙面に垂直な方向に延びており、すなわち図3及び4に示された連通部9の奥行に相当する。
The desirable relationship among the thickness A of the
図3に示すように、連通部9の長さBが小さいと、通常、連通部9の直下に位置する気泡のみが連通部9を通過して上昇する。したがって、連通部9の長さBが小さすぎる場合、連通部9を通過する気泡体積が小さいために、上昇する気泡が筐体1の内壁と半導体光電極5の表面との双方に接触しにくくなる場合がある。仮に、気体蓄積部8と連通部9との直下に、第1の空間3の厚さAの3倍(=3A)の深さの気泡が蓄積されると想定した場合、上昇する気泡が筐体1の内壁と半導体光電極5の表面との双方に接触しやすくなるためには、3A×B×W(連通部下側の直方体気泡体積)≧(π/6)A3(連通部上側の球形気泡体積)の関係式を満たすことが望ましい。この関係式を整理すると、0.17×A2/W≦Bとなる。
As shown in FIG. 3, when the length B of the
一方、連通部9の長さBが大きい場合についても、気体蓄積部8と連通部9との直下に第1の空間3の厚さAの3倍(=3A)の深さの気泡が蓄積されるとの想定の下に、第1の空間3の厚さAと連通部9の長さBと連通部9の幅Wとの関係について説明する。図4に示すように、連通部9の長さBが大きすぎる場合は、気体蓄積部8の直下に蓄積できる気泡量が少なく、この気泡が上昇した場合、気泡体積が小さいために、上昇する気泡が筐体1の内壁と半導体光電極5の表面との双方に接触しにくくなる場合がある。上昇する気泡が筐体1の内壁と半導体光電極5の表面との双方に接触しやすくなるためには、3A×(A−B)×W(気体蓄積部下側の直方体気泡体積)≧(π/6)A3(連通部上側の球形気泡体積)の関係式を満たすことが望ましい。この関係式を整理すると、B≦A−0.17×A2/Wとなる。
On the other hand, even when the length B of the
気体蓄積部8を筐体1の内部に設置する方法は、特には限定されない。気体蓄積部8は、筐体1に直接固定されていてもよいし、何らかの治具を介して筐体1に固定されていてもよい。
The method for installing the
光水素生成セル100は、設置された状態で筐体1を透光面1aから平面視した場合であって、かつ水平方向に平行な方向を横方向とし、前記横方向に垂直な方向を縦方向とした場合に、筐体1の縦方向長さ(図2参照)が、筐体1の横方向長さ(図2参照)よりも長いことが望ましい。すなわち、本実施形態の光水素生成セル100のように筐体1が薄型矩形形状を有している場合は、光水素生成セル100が設置された状態において、筐体1の高さ方向の縦辺の長さが、幅方向の横辺の長さよりも長いことが望ましい。このように、光水素生成セル100が設置された状態で縦長となるように構成されることで、気体蓄積部8から連通部9を介して放出されて、第2領域3bを上昇する気泡の経路が長くなる。その結果、上昇する気泡による半導体光電極5の第1表面及び筐体内壁に付着した気泡の除去効果が高くなる。
The
次に、光水素生成セル100の動作について、光半導体層52がn型半導体である場合に即して説明する。
Next, the operation of the
光水素生成セル100では、筐体1の透光面1aと、第1の空間3内の電解液7とを透過した光が、半導体光電極5の光半導体層52に入射する。光半導体層52が光を吸収して電子の光励起が起こり、光半導体層52において伝導帯に電子が、価電子帯に正孔がそれぞれ生じる。正孔は、半導体光電極5の第1表面、すなわちここでは光半導体層52の表面(電解液7との界面)側に移動し、半導体光電極5の第1表面で水分子を酸化して、その結果酸素が生成する(下記反応式(1))。一方、伝導帯に生じた電子は導電層51側に移動する。導電層51に移動した電子は、電気的接続部10を介して対極6側に移動する。対極6の内部を移動して対極6の表面(電解液7との界面)に到達した電子は、対極6の表面でプロトンを還元して、その結果水素が生成する。
In the
4h++2H2O→O2↑+4H+ (1)
4e-+4H+→2H2↑ (2)
4h + + 2H 2 O → O 2 ↑ + 4H + (1)
4e - + 4H + → 2H 2 ↑ (2)
第1の空間3内で生成した酸素ガスは、第1の空間3の内部に連通するガス取出口11を介して採取される。第2の空間4内で生成した水素ガスは、第2の空間4の内部に連通するガス取出口12を介して採取される。
Oxygen gas generated in the
光水素生成セル100では、第1の空間3内の第1領域3aにおいて光半導体層52表面で生成した小さな酸素気泡が、気体蓄積部8の気体蓄積面8aに蓄積される。時間経過とともに気体蓄積面8aにおける酸素ガスの蓄積量は増大する。そして、連通部9において、蓄積された酸素ガスの浮上力、連通部9上方の電解液7にかかる重力、及び連通部9近傍の電解液7の表面張力の三者の力のバランスにおいて、酸素ガスの浮上力が優勢になったときに、連通部9を通って蓄積された酸素ガスが浮上する。このとき連通部9を通って浮上する酸素ガスの気泡サイズは、半導体光電極5の第1表面で生成した直後の気泡サイズよりも顕著に大きくなっている。そのため、気体蓄積部8よりも上側である第1の空間3の第2領域3b内における半導体光電極5の第1表面、及び、気体蓄積部8よりも上側である第1の空間3の第2領域3b内における筐体1の内壁に付着した酸素気泡は、浮上した酸素ガスと一体になることで除去され、セル最上部まで浮上する。これにより、気泡に起因する半導体光電極5の第1表面と電解液7との接触阻害、及び、筐体1の透光面1aから照射される光の散乱といった、水分解反応効率のロス要因が取り除かれる。これにより、光水素生成セル100の水の光分解反応の効率は、気体蓄積部8を備えていない従来の光水素生成セルのそれよりも向上する。
In the
なお、本実施形態の光水素生成セル100において、光半導体層52がp型半導体で形成されている場合は、前述のn型半導体で形成されている場合に即した動作の説明において酸素と水素を入れ替えることにより、光水素生成セル100の動作を説明できる。
In the
(実施形態2)
本開示の実施形態2に係る光水素生成セルについて、図5を用いて説明する。図5は、実施形態2に係る光水素生成セルの一例を、筐体の透光面側からみた斜視図である。
(Embodiment 2)
A photohydrogen generation cell according to
図5に示す光水素生成セル200は、仕切り板11が追加されている点以外は、実施形態1の光水素生成セル100と同様の構成を有する。そのため、ここでは、仕切り板13についてのみ説明する。
The
仕切り板13は、光水素生成セル200が設置された状態において、第1の空間3内の第1領域3aを水平方向に沿って複数の空間(分割空間)に分割する。仕切り板13の周縁の一部は、気体蓄積面8aと接している。なお、図5に示す例では仕切り板13の外形は矩形であるため、仕切り板13の一辺と気体蓄積面8aとが接している。このような構成の仕切り板13を設けることにより、気体蓄積部8によって気体が蓄積される領域が空間的に複数に仕切られる。実施形態1で説明したように、気体蓄積部8で蓄積された気体が連通部9を通って浮上するのは、蓄積された気体の浮上力、連通部9上方の電解液7にかかる重力、及び連通部9近傍の電解液7の表面張力の三者の力のバランスにおいて、気体の浮上力が優勢になったときである。本実施形態の光水素生成セル200では、このような気体浮上の現象が、分割された各分割空間で起こることになる。したがって、適切な間隔で仕切り板13を設けることにより、連通部9のうち気体が浮上する箇所が一部分に限定されることなく、分割空間のそれぞれの連通部9から気泡除去に十分な頻度で気泡を放出することができる。その結果、電極表面及び筐体内壁全体に渡って均一に、電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡を除去することができ、電極表面及び筐体内壁表面に付着する気泡に起因する水の光分解効率の低下を効果的に抑えることができる。
The
仕切り板13は1つだけでもよいが、図5に示されているように複数設置されていることが望ましい。これにより、第1領域3aをより小さい空間に分割できるので、電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡の除去を、電極表面及び筐体内壁全体に渡ってより均一に行うことができる。
Although only one
仕切り板13が設けられていない場合、又は、仕切り板13の面間隔が広すぎる場合には、連通部9のうち気体が浮上する箇所と、電解液7が流れ落ちる箇所とが空間的につながっているため、連通部9のある箇所から気体が浮上したときに、別の箇所の連通部9から電解液7が流れ落ちることで上記三者の力のバランスが調整される。さらに推し進めると、連通部9のある限定的な箇所からのみ偏って気体が放出される、という状況が起こる懸念がある。仕切り板13を適切な間隔で設けることにより、連通部9における気体の浮上する箇所と、電解液7が流れ落ちる箇所とが1つの分割空間内に生じるので、この懸念を防ぐことができる。このように、適切な間隔で仕切り板13を設けることにより、連通部9のどの箇所からも気泡除去に十分な頻度での気泡を放出することができるため、電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡の除去を、電極表面及び筐体内壁全体に渡ってより一層均一に行うことができる。仕切り板13の適切な間隔は光水素生成セル200の大きさ及び間隙の大きさによって異なるが、連通部9からガスが浮上しやすいよう、かつ、上記懸念の状況が起こりにくいように、互いに隣接する仕切り板13の面間隔を例えば1cm〜20cmとすることが好適である。
When the
仕切り板13は、第1の空間3内の第1領域3aを水平方向に沿って複数の空間に分割できればよいため、その形状は特には限定されない。第1の空間3内の第1領域3aの分割のしやすさを考慮すると、図5に示されているような矩形の仕切り板13が好適である。
Since the
仕切り板13の設置方法も、特には限定されない。例えば、図5に示すように、仕切り板13は、仕切り板13の主面が、筐体1の透光面1aに対して概略垂直であって、かつ、光水素生成セル200が設置された状態において鉛直方向と概略平行となる向きで設けられていることが好ましい。換言すると、仕切り板13は、仕切り板13の主面の法線ベクトルが、光水素生成セル200が設置された状態において水平方向と概略平行、かつ、透光面1aの法線ベクトルと概略垂直となる向きで設けられていることが好ましい。仕切り板13をこのように配置することにより、電極表面及び筐体内壁表面に付着した気泡の除去を、電極表面及び筐体内壁全体に渡って均一に行うことができるように、第1領域3aを各分割空間に分割することができる。
The installation method of the
仕切り板13は、電解液7に対する耐腐食性及び絶縁性を有し、かつ気体を透過しない機能を有する材料によって形成されることが望ましい。また、図5に示す例のように、半導体光電極5が、第1表面、すなわち光半導体層52の表面が筐体1の透光面1aと対向する向きで配置されている場合、仕切り板13は半導体光電極5に対して光照射側に配置されることになる。したがって、このような構成の場合、仕切り板13の材料は、上記特性に加えて、可視光領域の光、さらに望ましくは可視光領域の波長に加えて可視光領域の周辺波長も含めた光が透過する材料であることが好ましい。その材料としては、例えば、ガラス及び樹脂が挙げられる。
The
次に、光水素生成セル200の動作について説明する。光水素生成セル200の動作は、仕切り板13が追加されていることによって異なる点以外は、実施形態1で示した光水素生成セル100の場合と同じである。そのため、ここでは、仕切り板13に関係する動作についてのみ説明する。また、本実施形態においても、光半導体層52がn型半導体である場合に即して説明する。
Next, the operation of the
第1の空間3内の第1領域3aにおいて光半導体層52表面で生成した小さな酸素気泡が、気体蓄積部8の気体蓄積面8aに蓄積される。この酸素気泡の蓄積は、仕切り板13で分割された分割空間それぞれで行われる。時間経過とともに気体蓄積面8aにおける酸素ガスの蓄積量は増大する。そして、各分割空間内の連通部9において、蓄積された酸素ガスの浮上力、連通部9上方の電解液7にかかる重力、及び連通部9近傍の電解液7の表面張力の三者の力のバランスにおいて、酸素ガスの浮上力が優勢になったときに、連通部9を通って蓄積された酸素ガスが浮上する。連通部9を通って浮上した酸素ガスによる電極表面及び筐体内壁の気泡除去の作用は、実施形態1の光水素生成セル100の場合と同じである。
Small oxygen bubbles generated on the surface of the
本実施形態の光水素生成セル200では、連通部9からの酸素ガスの浮上が分割空間それぞれで起こるので、半導体光電極5の表面全体及び筐体1の第1の空間3の内壁近傍全体を酸素ガスが均一に通過することになる。したがって、光水素生成セル200は、仕切り板13が設けられていないセルと比較すると、電極表面及び筐体内壁の付着気泡をより効率的に除去することができる。
In the
(実施形態3)
本開示の実施形態3に係る光水素生成セルについて、図6を用いて説明する。図6は、本実施形態の光水素生成セルの一構成例を示す概略断面図である。
(Embodiment 3)
A photohydrogen generation cell according to
図6に示す光水素生成セル300は、半導体光電極5の配置が実施形態1の光水素生成セル100と異なり、さらに半導体光電極5の配置の違いに伴う変更(気体蓄積部8及び連通部9の位置的変更等)が行われている点を除き、実施形態1の光水素生成セル100と同様の構成を有する。そのため、ここでは、半導体光電極5と、気体蓄積部8及び連通部9の位置的特徴とについて説明する。
The
半導体光電極5は、第2表面(導電層51に対して光半導体層52側と反対側の表面)が筐体1の透光面1aと対向する向きで配置されている。図6に示す例では、半導体光電極5は、導電層51と光半導体層52とからなる。したがって、図6に示す例では、光半導体層52の導電層51と接している面と反対側の面が半導体光電極5の第1表面となり、導電層51の光半導体層52と接している面と反対側の面が半導体光電極5の第2表面となる。
The
光水素生成セル300においては、半導体光電極5に導電層51側から光が入射することになる。したがって、導電層51は透光性を有する。また、図6に示すように、半導体光電極5の第2表面は透光面1aの筐体内側の面と直接接合されていていることが望ましい。導電層51と透光面1aとが直接接合されていることにより、透光面1aと半導体光電極5との間に電解液5等が介在することがないので、光半導体層52に到達する光のロスを抑えることができる。
In the
気体蓄積部8は、光水素生成セル300が設置された状態において第1の空間3の鉛直方向の中心よりも下側となる領域内であって、かつ、半導体光電極5の第1表面と相対する領域内に配置されている。すなわち、本実施形態における気体蓄積部8は、半導体光電極5に対して光照射側と反対側に配置されている。
The
連通部9は、気体蓄積部8とセパレータ2との間の間隙、気体蓄積部8と半導体光電極5の第1表面との間の間隙、及び、気体蓄積部8に設けられた貫通孔から選択される少なくともいずれか1つとすることができる。図6に示された例では、気体蓄積部8とセパレータ2との間の間隙が連通部9を形成している。実施形態1の光水素生成セル100の場合と同様に、連通部9は、第1の空間3の第1領域3aと第2領域3bとを連通させる構成であればよいため、その形状及び大きさは特には限定されない。連通部9の好ましい形状及び大きさ等は、実施形態1の光水素生成セル100の場合と同様である。
The
本実施形態の光水素生成セル300に対し、実施形態2の光水素生成セル200の仕切り板13をさらに設けることも可能である。
It is possible to further provide the
光水素生成セル300のように、半導体光電極5が、半導体光電極5の光半導体層52への光照射が導電層51を介して行われるように配置されている場合でも、気体蓄積部8は、実施形態1の光水素生成セル100の場合と同様の作用効果を奏することができる。なお、光水素生成セル300の動作は、半導体光電極5への光照射が導電層51側から行われる点を除き、実施形態1の光水素生成セル100の動作と同じであるので、ここでは説明を省略する。
Even in the case where the
(実施例1)
本開示の実施例1について、具体的に説明する。実施例1では、図1及び図2に示した光水素生成セル100と同様の構成を有する光水素生成セルを用いた。ただし、気体蓄積部8は、図1及び図2に示した例とは異なり、筐体1の透光面1aに対して気体蓄積面8aが垂直となるように、透光面1aの筐体内側の面と直接接合されていた。
Example 1
Example 1 of the present disclosure will be specifically described. In Example 1, a photohydrogen generation cell having the same configuration as the
筐体1の透光面1aには、ガラス板(縦210mm×横210mm×厚さ3mm)を用いた。透光面1a以外には樹脂部材を用いて、内寸厚さ10mmの筐体1を作製した。ガラス板と樹脂部材との間には樹脂製のシール材を挟み、筐体1内部からの液体及び気体の漏洩を防ぐ構造とした。
A glass plate (length 210 mm × width 210 mm ×
セパレータ2には、電解液中のプロトンの透過を可能とし、かつ、電解液中に発生した酸素及び水素の透過を抑制するイオン交換膜(「ナフィオン」デュポン社製)を用いた。
As the
導電層51には、金属チタン基板(縦200mm×横200mm×厚さ0.1mm)を用いた。金属チタン基板上に、光半導体層52として、厚さ100nmの酸化チタン膜(アナタース型)を、スパッタ法で作製した。
For the
対極6には、金属チタン基板(縦200mm×横200mm×厚さ0.1mm)上に白金をスパッタ成膜したものを用いた。
As the
筐体1とセパレータ2とによって作られる第1の空間3内には、光半導体層52を成膜した導電層51を、第2の空間4内には対極6としての金属チタン基板を、それぞれ、基板面が筐体1の透光面1aとほぼ平行になるように配置した。導電層51と対極6とを電気的接続部10で電気的に接続した。電解液7には、0.25mol/Lの炭酸ナトリウム水溶液を用いた。
In the
気体蓄積部8には、樹脂製部材であって、縦10mm×横200mm×厚さ1〜2mmで、20mm間隔で波型形状を有している部材を用いた。この樹脂製部材を、筐体1の透光面1aの筐体内側の面に、下からの高さ50mmの箇所に接合させて固定した。連通部9は気体蓄積部8と光半導体層52の表面との間の間隙によって形成されており、その大きさは、約3mmであった。
For the
以上のように作製した本実施例の光水素生成セル100に対し、透光面1a側から強度300Wのキセノンランプを用いて光を照射した。光照射に伴い、半導体光電極5の光半導体層52の表面からは直径約0.3〜0.5mmの酸素微小気泡が発生し、光半導体層52及び筐体1の第1の空間3の内壁表面に付着した。生じた酸素微小気泡の一部は、気体蓄積部8の気体蓄積面8aに蓄積し、間欠的に連通部9から浮上した。浮上した酸素ガスの直径は約10mmであった。浮上した酸素ガスによって、光半導体層52及び筐体1の第1の空間3の内壁表面に付着した微小気泡のうち、浮上した酸素ガスの通り道上に存在するものに関しては、完全に除去が行われた。
The
本開示の光水素生成セルは、光の照射による水素生成反応の効率を向上させることができるので、燃料電池への水素供給源等として好適に利用できる。 Since the photohydrogen generation cell of the present disclosure can improve the efficiency of the hydrogen generation reaction by light irradiation, it can be suitably used as a hydrogen supply source to the fuel cell.
100,200,300 光水素生成セル
1 筐体
1a 透光面
2 セパレータ
3 第1の空間
3a 第1領域
3b 第2領域
4 第2の空間
5 半導体光電極
51 導電層
52 光半導体層
6 対極
7 電解液
8 気体蓄積部
8a 気体蓄積面
9 連通部
10 電気的接続部
11,12 ガス取出口
13 仕切り板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,200,300 Photohydrogen production | generation cell 1 Housing | casing 1a
Claims (14)
前記筐体の内部空間を、第1の空間及び第2の空間に分けるセパレータと、
前記第1の空間内に配置され、導電層及び前記導電層上に形成された光半導体層を含む半導体光電極と、
前記第2の空間内に配置され、前記半導体光電極と電気的に接続された対極と、
前記第1の空間内及び前記第2の空間内の水を含む電解液と、
前記第1の空間内に配置された、気体蓄積面を有する気体蓄積部と、
を含む光水素生成セルであって
前記筐体は、前記第1の空間に面する透光面を有し、
前記半導体光電極において、前記導電層に対して前記光半導体層側の表面を第1表面とし、前記導電層に対して前記光半導体層側と反対側の表面を第2表面とした場合、前記気体蓄積部は、前記半導体光電極の前記第1表面と相対する領域内に配置されており、
前記気体蓄積面は、前記光水素生成セルが設置された状態において、鉛直方向下向き又は斜め下向きであって、かつ、前記半導体光電極の前記第1表面と交わる方向を向いた面を含み、
前記第1の空間内には、前記気体蓄積部に対して前記気体蓄積面側の第1領域と、前記気体蓄積部に対して前記気体蓄積面と反対側の第2領域との間の連通部が設けられている、
光水素生成セル。 A housing,
A separator that divides the internal space of the housing into a first space and a second space;
A semiconductor photoelectrode disposed in the first space and including a conductive layer and a photosemiconductor layer formed on the conductive layer;
A counter electrode disposed in the second space and electrically connected to the semiconductor photoelectrode;
An electrolyte containing water in the first space and the second space;
A gas accumulating portion having a gas accumulating surface, disposed in the first space;
A photohydrogen generation cell comprising: the housing has a light-transmitting surface facing the first space;
In the semiconductor photoelectrode, when the surface on the optical semiconductor layer side with respect to the conductive layer is a first surface and the surface opposite to the optical semiconductor layer side with respect to the conductive layer is a second surface, The gas accumulating part is disposed in a region facing the first surface of the semiconductor photoelectrode,
The gas storage surface includes a surface that is vertically downward or obliquely downward in a state where the photohydrogen generation cell is installed and that faces a direction intersecting the first surface of the semiconductor photoelectrode,
In the first space, communication between the first region on the gas storage surface side with respect to the gas storage portion and the second region on the opposite side of the gas storage surface with respect to the gas storage portion. Part is provided,
Photohydrogen generation cell.
前記仕切り板の周縁の一部が、前記気体蓄積面と接している、
請求項1に記載の光水素生成セル。 In the state where the photohydrogen generation cell is installed, further includes a partition plate that divides the first region in the first space into a plurality of spaces along a horizontal direction,
A part of the periphery of the partition plate is in contact with the gas accumulation surface,
The photohydrogen generation cell according to claim 1.
互いに隣接する前記仕切り板の面間隔が1〜20cmの範囲内である、
請求項2に記載の光水素生成セル。 Including a plurality of the partition plates;
The spacing between the partition plates adjacent to each other is within a range of 1 to 20 cm.
The photohydrogen generation cell according to claim 2.
請求項2又は3に記載の光水素生成セル。 The partition plate is provided in a direction in which a main surface of the partition plate is substantially perpendicular to the translucent surface of the housing.
The photohydrogen production cell according to claim 2 or 3.
請求項2〜4のいずれか1項に記載の光水素生成セル。 The partition plate is provided in a direction in which a main surface of the partition plate is substantially parallel to a vertical direction in a state where the photohydrogen generation cell is installed.
The photohydrogen production cell according to any one of claims 2 to 4.
前記光水素生成セルが設置された状態において、前記筐体の高さ方向の縦辺の長さが、幅方向の横辺の長さよりも長い、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の光水素生成セル。 The housing has a thin rectangular shape,
In the state where the photohydrogen generation cell is installed, the length of the vertical side of the casing in the height direction is longer than the length of the horizontal side in the width direction.
The photohydrogen generation cell according to any one of claims 1 to 5.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の光水素生成セル。 The semiconductor photoelectrode is disposed in a direction in which the first surface faces the light transmitting surface of the housing.
The photohydrogen generation cell according to any one of claims 1 to 6.
請求項7に記載の光水素生成セル。 The communication part includes a gap between the gas storage part and the first surface of the semiconductor photoelectrode, a gap between the gas storage part and the translucent surface of the housing, and the gas storage part. Is at least one selected from through-holes provided in
The photohydrogen generation cell according to claim 7.
請求項8に記載の光水素生成セル。 The communication part is a gap between the gas storage part and the first surface of the semiconductor photoelectrode.
The photohydrogen generation cell according to claim 8.
前記半導体光電極は、前記第2表面が前記筐体の前記透光面と対向する向きで配置されている、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の光水素生成セル。 The conductive layer has translucency;
The semiconductor photoelectrode is arranged with the second surface facing the translucent surface of the housing,
The photohydrogen generation cell according to any one of claims 1 to 6.
請求項10に記載の光水素生成セル。 The communication portion includes a gap between the gas accumulation portion and the separator, a gap between the gas accumulation portion and the first surface of the semiconductor photoelectrode, and a through hole provided in the gas accumulation portion. Is at least one selected from
The photohydrogen generation cell according to claim 10.
請求項11に記載の光水素生成セル。 The communication part is a gap between the gas storage part and the separator.
The photohydrogen generation cell according to claim 11.
前記第1の空間の厚さAと前記連通部の長さBと前記連通部の幅Wとが、0.17×A2/W≦B≦A−0.17×A2/Wの関係を満たす、
請求項1〜12のいずれか1項に記載の光水素生成セル。 In the horizontal plane in a state where the photohydrogen generation cell is installed, the shortest distance between the translucent surface and the separator is the thickness A of the first space, and in a direction parallel to the direction of the thickness A. When the maximum length of the communication portion is the length B of the communication portion, and the maximum width of the communication portion in the direction perpendicular to the direction of the thickness A is the width W of the communication portion,
The thickness A of the first space, the length B of the communicating portion, and the width W of the communicating portion satisfy a relationship of 0.17 × A 2 /W≦B≦A−0.17×A 2 / W. Meet,
The photohydrogen generation cell according to any one of claims 1 to 12.
請求項1〜13のいずれか1項に記載の光水素生成セル。 The gas accumulation unit is disposed in a region below the center in the vertical direction of the first space in a state where the photohydrogen generation cell is installed.
The photohydrogen generation cell according to any one of claims 1 to 13.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016126576A JP2018003041A (en) | 2016-06-27 | 2016-06-27 | Hydrogen-generating photocell |
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JP2016126576A JP2018003041A (en) | 2016-06-27 | 2016-06-27 | Hydrogen-generating photocell |
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