JP5194490B2 - 電力供給システム - Google Patents

Description

この発明は、家庭内等に電力を供給する電力供給システムに関するものである。

現在、紫外、紫〜青〜緑色光源として用いられているＩｎＧａＡｌＮ（ＩＩＩ族窒化物半導体）系デバイスは、その殆どがサファイアおよびシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を基板とし、その基板上にＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）およびＭＢＥ法（分子線結晶成長法）等を用いて作製されている。

このように、サファイアおよびシリコンカーバイドを基板として用いた場合、熱膨張係数および格子定数が基板とＩＩＩ族窒化物半導体とでそれぞれ大きく異なっているため、ＩＩＩ族窒化物半導体内に多くの結晶欠陥が含まれることとなる。この結晶欠陥は、デバイス特性を低下させ、たとえば、発光デバイスにおいては、寿命が短い、動作電力が大きい、等の欠点に直接関係する。

また、サファイア基板は、絶縁体であるため、従来の発光デバイスのように基板側から電極を取り出すことが不可能であった。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体側から電極を取り出すことが必要となる。その結果、デバイスの面積が大きくなり、高コスト化を招くという不都合があった。そして、デバイスの面積が大きくなると、サファイア基板とＩＩＩ族窒化物半導体という異種材料の組み合わせに伴う基板の反りという新たな問題が発生する。

さらに、サファイア基板上に作製されたＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、劈開によるチップ分離が困難であり、レーザダイオード（ＬＤ）において必要とされる共振器端面を得ることは、容易ではない。このため、現在は、ドライエッチング、またはサファイア基板を厚さ１００μｍ以下まで研磨した後に劈開に近い形に分離し、共振器端面の形成を行なっている。したがって、従来のＬＤのように、共振器端面の形成とチップ分離とを単一工程で行なうことが困難であり、工程の複雑化によるコスト高を招いていた。

これらの問題を解決するため、サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を選択的に横方向に成長させるなどの工夫をし、結晶欠陥を低減させることが提案された。これにより、結晶欠陥を低減させることが可能となったが、サファイア基板の絶縁性および上述した劈開の困難性に関する問題は、依然として残っている。

こうした問題を解決するためには、基板上に結晶成長する材料と同一である窒化ガリウム（ＧａＮ）基板が最適である。そのため、気相成長および融液成長等により、バルクＧａＮを結晶成長させる方法が、各種、提案されている。しかし、未だ高品質かつ実用的な大きさを有するＧａＮ基板は、実現されていない。

ＧａＮ基板を実現する１つの方法として、ナトリウム（Ｎａ）をフラックスとして用いたＧａＮ結晶成長方法が提案されている（特許文献１）。この方法は、アジ化ナトリウム（ＮａＮ_３）と金属Ｇａとを原料として、ステンレス製の反応容器（容器内寸法：内径＝７．５ｍｍ、長さ＝１００ｍｍ）にＮａＮ_３および金属Ｇａを窒素雰囲気中で封入し、その反応容器を６００〜８００℃の温度で２４〜１００時間保持することにより、ＧａＮ結晶が成長するものである。

この方法は、６００〜８００℃と比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も高々１００ｋｇ／ｃｍ^２程度と比較的低く、実用的な成長条件であることが特徴である。

そして、最近では、アルカリ金属とＩＩＩ族金属との混合融液と、窒素を含むＶ族原料とを反応させることにより、高品質なＩＩＩ族窒化物結晶が実現されている（特許文献２）。

一方、家庭用の電力を賄うための電力供給システムとして燃料電池システムおよび太陽光発電システムが知られている。
米国特許第５８６８８３７号明細書 特開２００１−５８９００号公報

しかし、燃料電池システムを家庭内の電力を賄う電力供給システムとして用いる場合、原料ガスである水素ガスを容易に燃料電池に供給することが困難であるという問題がある。

また、太陽光発電システムを家庭内の電力を賄う電力供給システムとして用いる場合、夜間、天候および季節等の要因によって家庭内で必要な電力を太陽光発電システムによって賄うことが困難であるという問題がある。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、水素ガスを容易に燃料電池に供給して電力を発電する電力供給システムを提供することである。

また、この発明の別の目的は、太陽光発電システムを補完する電力供給システムを提供することである。

この発明によれば、電力供給システムは、ガス発生器と、燃料電池と、電力供給器とを備える。ガス発生器は、酸素ガスおよび水素ガスを発生する。燃料電池は、ガス発生器によって発生された水素ガスを少なくとも用いて直流電力を発電する。電力供給器は、燃料電池が発電した直流電力に基づいて、電気負荷に電力を供給する。そして、ガス発生器は、電解液と、陽極電極と、陰極電極と、電流源とを含む。陽極電極は、坩堝、及び前記坩堝の内部に形成され且つ電解液に浸漬されたＩＩＩ族窒化物結晶、を有する。陰極電極は、電解液に浸漬される。電流源は、陽極電極と陰極電極との間に直流電流を流す。

好ましくは、電力供給器は、燃料電池によって発電された直流電力を交流電力に変換して家庭内の電気機器に供給する電力変換器からなる。

好ましくは、電力供給器は、自動車に搭載された二次電池を燃料電池が発電した直流電力によって充電する充電器からなる。

好ましくは、電力供給システムは、太陽電池モジュールをさらに備える。太陽電池モジュールは、太陽光によって直流電力を発電する。そして、電力供給器は、太陽電池モジュールが発電した第１の直流電力を交流電力に変換して家庭内の電気機器に供給するとともに、第１の直流電力が家庭内の電気機器を駆動するために必要な基準電力よりも少ないとき、燃料電池が発電した第２の直流電力を交流電力に変換して家庭内の電気機器に供給する電力変換器からなる。

好ましくは、電流源は、太陽電池からなる。

好ましくは、燃料電池は、ガス発生器が発生した水素ガスおよび酸素ガスを用いて直流電力を発電する。

好ましくは、ＩＩＩ族窒化物結晶は、坩堝の壁面および／または底面に形成された複数のＩＩＩ族窒化物結晶からなる。

好ましくは、ＩＩＩ族窒化物結晶の伝導帯端は、電解液中の水素イオンのエネルギーレベルよりも高く、ＩＩＩ族窒化物結晶の価電子帯端は、電解液中の水のエネルギーレベルよりも高い。

好ましくは、ＩＩＩ族窒化物結晶は、窒化ガリウム結晶からなる。陰極電極は、白金からなる。電解液は、塩酸を含む。

この発明においては、電力供給システムは、ＩＩＩ族窒化物結晶からなる陽極電極と、陰極電極とを電解液に浸漬して酸素ガスおよび水素ガスを発生し、その発生した水素ガスを少なくとも燃料電池に供給して直流電力を発電するとともに、発電した直流電力に基づいて、電力を電気負荷に供給する。

したがって、この発明によれば、水素ガスを容易に燃料電池に供給して電力を発電できる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による電力供給システムの構成を示す概略図である。図１を参照して、電力供給システム４００は、ガス発生器３００と、燃料電池４１０と、ガス供給管４２０，４３０と、電力供給器４４０とを備える。

ガス供給管４２０は、一方端がガス発生器３００に連結され、他方端が燃料電池４１０に連結される。ガス供給管４３０は、一方端がガス発生器３００に連結され、他方端が燃料電池４１０に連結される。

ガス発生器３００は、後述する方法によって酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｈ_２）を発生し、その発生した酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｈ_２）をそれぞれガス供給管４２０，４３０へ供給する。

ガス供給管４２０は、ガス発生器３００によって発生された酸素ガス（Ｏ_２）を燃料電池４１０へ供給する。ガス供給管４３０は、ガス発生器３００によって発生された水素ガス（Ｈ_２）を燃料電池４１０へ供給する。燃料電池４１０は、ガス発生器３００から受けた酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｈ_２）を用いて直流電力を発電する。電力供給器４４０は、燃料電池４１０が発電した直流電力をそのまま、または交流電力に変換して電気負荷に供給する。

なお、電力供給システム４００においては、ガス発生器３００は、水素ガス（Ｈ_２）のみを燃料電池４１０へ供給するようにしてもよい。この場合、燃料電池４１０は、空気を取り入れ、ガス発生器３００から供給された水素ガス（Ｈ_２）と空気中の酸素ガス（Ｏ_２）とを用いて直流電力を発電する。

また、燃料電池４１０は、固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、高分子電解質形燃料電池およびアルカリ水溶液形燃料電池のいずれであってもよい。

図２は、図１に示すガス発生器３００の構成を示す概略図である。図２を参照して、ガス発生器３００は、容器３１０と、電解液３２０と、陽極電極３３０と、陰極電極３４０と、リード線３５０，３６０と、太陽電池３７０とを備える。

容器３１０は、略Ｕ字形状の断面形状からなり、ガス発生部３１１，３１２を有する。電解液３２０は、１モル／Ｌの塩酸（ＨＣｌ）水溶液からなり、容器３１０に入れられる。陽極電極３３０は、ガス発生部３１１に配置され、電解液３２０に浸漬される。そして、陽極電極３３０は、坩堝１０と、複数のＧａＮ結晶６とからなる。坩堝１０は、ＳＵＳ３１６Ｌからなる。複数のＧａＮ結晶６は、坩堝１０の内壁および底面に形成される。そして、複数のＧａＮ結晶６の各々は、柱状形状からなる。

陰極電極３４０は、ガス発生部３１２に配置され、電解液３２０に浸漬される。そして、陰極電極３４０は、白金（Ｐｔ）からなる。リード線３５０は、陽極電極３３０の坩堝１０を太陽電池３７０の正極に接続する。リード線３６０は、陰極電極３４０を太陽電池３７０の陰極に接続する。太陽電池３７０は、たとえば、アモルファスシリコン太陽電池からなり、リード線３５０とリード線３６０との間に接続される。そして、太陽電池３７０は、光（太陽光および室内灯の光等）を受けると、所定の直流電圧を発生し、その発生した所定の直流電圧を陽極電極３３０と陰極電極３４０との間に印加する。

図３は、図２に示す陽極電極３３０を作製する結晶成長装置の概略断面図である。図３を参照して、結晶成長装置１００は、坩堝１０と、反応容器２０と、配管３０と、融液保持部材４０と、加熱装置５０，６０と、温度センサー５１，６１と、ガス供給管７０，８０と、バルブ９０，１１０，１５０と、圧力調整器１２０と、ガスボンベ１３０と、排気管１４０と、真空ポンプ１６０と、圧力センサー１７０，１９０と、金属融液１８０と、制御装置２００とを備える。

坩堝１０は、略円柱形状を有する。反応容器２０は、坩堝１０と所定の間隔を隔てて坩堝１０の周囲に配置される。すなわち、反応容器２０は、坩堝１０を内部に含む。そして、反応容器２０は、本体部２１と、蓋部２２とからなる。本体部２１および蓋部２２の各々は、ＳＵＳ３１６Ｌからなり、本体部２１と蓋部２２との間は、メタルオーリングによってシールされる。

配管３０は、重力方向ＤＲ１において、一方端が坩堝１０の下側で反応容器２０に連結され、他方端がガス供給管８０に連結される。

融液保持部材４０は、たとえば、金属およびセラミック等からなり、反応容器２０と配管３０との連結部よりも下側の配管３０内に設置される。

加熱装置５０は、反応容器２０の外周面２０Ａを囲むように配置される。加熱装置６０は、反応容器２０の底面２０Ｂに対向して配置される。温度センサー５１，６１は、それぞれ、加熱装置５０，６０に近接して配置される。

ガス供給管７０は、一方端がバルブ９０を介して反応容器２０に連結され、他方端が圧力調整器１２０を介してガスボンベ１３０に連結される。ガス供給管８０は、一方端が配管３０に連結され、他方端がガス供給管７０に連結される。

バルブ９０は、反応容器２０の近傍でガス供給管７０に装着される。圧力調整器１２０は、ガスボンベ１３０の近傍でガス供給管７０に装着される。ガスボンベ１３０は、ガス供給管７０に連結される。

排気管１４０は、一方端がバルブ１５０を介して反応容器２０に連結され、他方端が真空ポンプ１６０に連結される。バルブ１５０は、反応容器２０の近傍で排気管１４０に装着される。真空ポンプ１６０は、排気管１４０に連結される。

圧力センサー１７０は、反応容器２０に取り付けられる。金属融液１８０は、金属ナトリウム（金属Ｎａ）融液からなり、融液保持部材４０によって配管３０内に保持される。圧力センサー１９０は、金属融液１８０に接して配管３０に取り付けられる。

坩堝１０は、金属Ｎａと、金属ガリウム（金属Ｇａ）とを含む混合融液２１０を保持する。反応容器２０は、坩堝１０の周囲を覆う。配管３０は、金属融液１８０を保持する。

融液保持部材４０は、配管３０の内壁との間に数十μｍの孔が形成されるように外周面に凹凸構造を有し、配管３０内の空間３１へ供給された窒素ガスを金属融液１８０の方向へ通過させ、窒素ガスを金属融液１８０を介して空間２３内へ供給する。また、融液保持部材４０は、金属融液１８０の表面張力により金属融液１８０を配管３０内に保持する。

加熱装置５０は、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置５０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ１に応じて電流源によってヒーターに電流を流し、反応容器２０の外周面２０Ａから坩堝１０および反応容器２０を結晶成長温度に加熱する。温度センサー５１は、加熱装置５０のヒーターの温度Ｔ１を検出し、その検出した温度Ｔ１を制御装置２００へ出力する。

加熱装置６０も、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置６０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ２に応じて電流源によってヒーターに電流を流し、反応容器２０の底面２０Ｂから坩堝１０および反応容器２０を結晶成長温度に加熱する。温度センサー６１は、加熱装置６０のヒーターの温度Ｔ２を検出し、その検出した温度Ｔ２を制御装置２００へ出力する。

ガス供給管７０は、ガスボンベ１３０から圧力調整器１２０を介して供給された窒素ガスをバルブ９０を介して反応容器２０内へ供給する。ガス供給管８０は、ガスボンベ１３０から圧力調整器１２０を介して供給された窒素ガスを配管３０内へ供給する。

バルブ９０は、ガス供給管７０内の窒素ガスを反応容器２０内へ供給し、または窒素ガスの反応容器２０内への供給を停止する。バルブ１１０は、ガス供給管８０内の窒素ガスを配管３０内へ供給し、または窒素ガスの配管３０内への供給を停止する。圧力調整器１２０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ３に応じて、ガスボンベ１３０からの窒素ガスを所定の圧力にしてガス供給管７０，８０に供給する。

ガスボンベ１３０は、窒素ガスを保持する。排気管１４０は、反応容器２０内の気体を真空ポンプ１６０へ通過させる。バルブ１５０は、反応容器２０内と排気管１４０とを空間的に繋げ、または反応容器２０内と排気管１４０とを空間的に遮断する。真空ポンプ１６０は、排気管１４０およびバルブ１５０を介して反応容器２０内の真空引きを行なう。

圧力センサー１７０は、加熱装置５０，６０によって加熱されていない反応容器２０内の圧力を検出する。金属融液１８０は、融液保持部材４０を介して導入された窒素ガスを空間２３へ供給する。

制御装置２００は、温度Ｔ１，Ｔ２をそれぞれ温度センサー５１，６１から受け、その受けた温度Ｔ１，Ｔ２に基づいて、坩堝１０および反応容器２０の温度を所望の温度に設定するための制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２を生成する。そして、制御装置２００は、その生成した制御信号ＣＴＬ１，２をそれぞれ加熱装置５０，６０へ出力する。

また、制御装置２００は、圧力センサー１９０から金属融液１８０の静水圧Ｐｓを受け、その受けた静水圧Ｐｓに基づいて空間２３の圧力Ｐｉｎを求める。より具体的には、反応容器２０内の空間２３の圧力Ｐｉｎが相対的に高くなれば、金属融液１８０の静水圧Ｐｓは、圧力Ｐｉｎに比例して相対的に高くなる。また、反応容器２０内の空間２３の圧力Ｐｉｎが相対的に低くなれば、金属融液１８０の静水圧Ｐｓは、圧力Ｐｉｎに比例して相対的に低くなる。

このように、静水圧Ｐｓは、空間２３内の圧力Ｐｉｎに比例する。したがって、制御装置２００は、静水圧Ｐｓと圧力Ｐｉｎとの比例係数を保持しており、その保持している比例係数を静水圧Ｐｓに乗算することにより、静水圧Ｐｓに基づいて圧力Ｐｉｎを求める。

そして、制御装置２００は、空間２３の圧力Ｐｉｎを求めると、その求めた圧力Ｐｉｎを所望の圧力に設定するための制御信号ＣＴＬ３を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ３を圧力調整器１２０へ出力する。

圧力センサー１９０は、金属融液１８０の静水圧Ｐｓを検出し、その検出した静水圧Ｐｓを制御装置２００へ出力する。

図４は、図３に示す融液保持部材４０の斜視図である。図４を参照して、融液保持部材４０は、栓４１と、凸部４２とを含む。栓４１は、略円柱形状からなる。凸部４２は、略半円形の断面形状を有し、栓４１の外周面に栓４１の長さ方向ＤＲ２に沿って形成される。

図５は、融液保持部材４０の配管３０への取付状態を示す平面図である。図５を参照して、凸部４２は、栓４１の円周方向に複数個形成され、複数の凸部４２は、数十μｍの間隔ｄで形成される。また、凸部４２は、数十μｍの高さＨを有する。融液保持部材４０の複数の凸部４２は、配管３０の内壁３０Ａに接する。これにより、融液保持部材４０は、配管３０の内壁３０Ａに嵌合する。

凸部４２が数十μｍの高さＨを有し、数十μｍの間隔ｄで栓４１の外周面に配置される結果、融液保持部材４０が配管３０の内壁３０Ａに嵌合した状態では、融液保持部材４０と配管３０の内壁３０Ａとの間に、直径が略数十μｍである空隙４３が複数個形成される。

この空隙４３は、栓４１の長さ方向ＤＲ２に窒素ガスを通過させるとともに、金属融液１８０の表面張力によって金属融液１８０を保持し、金属融液１８０が栓４１の長さ方向ＤＲ２に通過するのを阻止する。

図６は、ＧａＮ結晶を結晶成長させるときの圧力と温度との関係を規定する圧力／温度相関図を金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比に対して示す図である。なお、金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比ｒは、ｒ＝［金属Ｎａ］／（［金属Ｎａ］＋［金属Ｇａ］）によって定義される。

図６の（ａ）は、混合比ｒがｒ＝０．４である場合の圧力／温度相関図ＰＴ１を示し、図６の（ｂ）は、混合比ｒがｒ＝０．７である場合の圧力／温度相関図ＰＴ２を示し、図６の（ｃ）は、混合比ｒがｒ＝０．９５である場合の圧力／温度相関図ＰＴ３を示す。

そして、図６の（ａ），（ｂ），（ｃ）の各々において、縦軸は、反応容器２０内の空間２３における窒素ガスのガス圧力を表し、横軸は、坩堝１０および反応容器２０の温度（＝混合融液２１０の温度）の逆数を表す。

図６の（ａ）を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ１は、領域ＲＥＧ１１，ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３，ＲＥＧ１４を有する。領域ＲＥＧ１１は、直線ｋ１によって領域ＲＥＧ１２と仕切られ、領域ＲＥＧ１２は、直線ｋ２によって領域ＲＥＧ１３と仕切られ、領域ＲＥＧ１３は、直線ｋ３によって領域ＲＥＧ１４と仕切られる。

そして、領域ＲＥＧ１１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域であり、領域ＲＥＧ１２は、新たな核の発生を抑制してＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域ＲＥＧ１３は、柱状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であり、領域ＲＥＧ１４は、板状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域である。

このように、圧力／温度相関図ＰＴ１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域ＲＥＧ１１と、形状または成長機構が異なるＧａＮ結晶を結晶成長させる領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３，ＲＥＧ１４とからなる。

図６の（ｂ）を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ２は、領域ＲＥＧ２１，ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４を有する。領域ＲＥＧ２１は、直線ｋ４によって領域ＲＥＧ２２と仕切られ、領域ＲＥＧ２２は、直線ｋ５によって領域ＲＥＧ２３と仕切られ、領域２３は、直線ｋ６によって領域ＲＥＧ２４と仕切られる。

そして、領域ＲＥＧ２１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域であり、領域ＲＥＧ２２は、新たな核の発生を抑制してＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域ＲＥＧ２３は、柱状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であり、領域ＲＥＧ２４は、板状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域である。

このように、圧力／温度相関図ＰＴ２も、ＧａＮ結晶を溶解させる領域ＲＥＧ２１と、形状または成長機構が異なるＧａＮ結晶を結晶成長させる領域ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４とからなる。

図６の（ｃ）を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ３は、領域ＲＥＧ３１，ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４を有する。領域ＲＥＧ３１は、直線ｋ７によって領域ＲＥＧ３２と仕切られ、領域ＲＥＧ３２は、直線ｋ８によって領域ＲＥＧ３３と仕切られ、領域３３は、直線ｋ９によって領域ＲＥＧ３４と仕切られる。

そして、領域ＲＥＧ３１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域であり、領域ＲＥＧ３２は、新たな核の発生を抑制してＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域ＲＥＧ３３は、柱状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であり、領域ＲＥＧ３４は、板状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域である。

このように、圧力／温度相関図ＰＴ３も、ＧａＮ結晶を溶解させる領域ＲＥＧ３１と、形状または成長機構が異なるＧａＮ結晶を結晶成長させる領域ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４とからなる。

上述したように、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の各々は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域、種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させる領域、柱状形状のＧａＮ結晶を結晶成長させる領域および板状形状のＧａＮ結晶を結晶成長させる領域からなるが、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３は、それぞれ、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３よりも広く、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２４は、圧力／温度相関図ＰＴ１，ＰＴ３の領域ＲＥＧ１４，ＲＥＧ３４よりも広く、圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３は、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３と同じ広さを有し、かつ、金属Ｇａを補充しながらＧａＮ結晶を結晶成長させる。

したがって、圧力／温度相関図ＰＴ１は、種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長および柱状形状からなるＧａＮ結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図であり、圧力／温度相関図ＰＴ２は、板状形状からなるＧａＮ結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図であり、圧力／温度相関図ＰＴ３は、種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長に適した領域である。

圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３が圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３と同じ広さを有するにも係わらず、圧力／温度相関図ＰＴ３が種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長だけに適しているのは、圧力／温度相関図ＰＴ３を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合、金属Ｇａを補充する必要があり、領域ＲＥＧ３２における結晶成長（種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長）の方が領域ＲＥＧ３３における結晶成長（柱状形状からなるＧａＮ結晶の結晶成長）よりも金属Ｇａの消費量が少ないからである。
この発明においては、混合比ｒに応じてＧａＮ結晶の結晶成長に用いる圧力／温度相関図を圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３から選択し、その選択した圧力／温度相関図（圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３のいずれか）に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３におけるガス圧力および混合融液２１０の温度をそれぞれ設定してＧａＮ結晶を結晶成長する。

図７は、坩堝１０および反応容器２０の温度のタイミングチャートである。また、図８は、図７に示す２つのタイミングｔ１，ｔ２間における坩堝１０および反応容器２０内の状態を示す模式図である。なお、図７において、直線ｋ１０は、坩堝１０および反応容器２０の温度を示す。

図７を参照して、加熱装置５０，６０は、直線ｋ１０に従って温度が上昇し、かつ、７００℃に保持されるように坩堝１０および反応容器２０を加熱する。加熱装置５０，６０が坩堝１０および反応容器２０を加熱し始めると、坩堝１０および反応容器２０の温度は、上昇し始め、タイミングｔ１において９８℃に達し、タイミングｔ２で７００℃に達する。

そうすると、坩堝１０および反応容器２０が７００℃まで昇温される過程で、融液保持部材４０よりも上側の配管３０の温度が９８℃以上に上昇され、配管３０内に保持された金属Ｎａは溶け、金属融液１８０（＝金属Ｎａ融液）が配管３０内に生成される。また、坩堝１０中の金属Ｎａおよび金属Ｇａは溶け、混合融液２１０が坩堝１０中で生成される。

その結果、空間２３内の窒素ガス４は、金属融液１８０（＝金属Ｎａ融液）および融液保持部材４０を介して配管３０内の空間３１へ拡散することができず、空間２３内に閉じ込められる（図８参照）。

この場合、金属融液１８０に接する配管３０の部分は、金属融液１８０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧Ｐ_Ｎａが混合融液２１０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧Ｐ_{Ｎａ−Ｇａ}に略一致する温度に加熱装置６０によって昇温される。すなわち、金属融液１８０に接する配管３０の部分は、金属融液１８０からの金属Ｎａの蒸発と、混合融液２１０からの金属Ｎａの蒸発とが略平衡になる温度に加熱装置６０によって昇温される。

したがって、金属融液１８０から混合融液２１０への金属Ｎａの移動と、混合融液２１０から金属融液１８０への金属Ｎａの移動とが略平衡になり、見かけ上、金属融液１８０と混合融液２１０との間で金属Ｎａの移動が停止される。その結果、金属融液１８０および混合融液２１０からの金属Ｎａの蒸発による混合融液２１０中の金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比の変動が抑制される。

このように、坩堝１０および反応容器２０が７００℃に加熱されると、金属融液１８０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧Ｐ_Ｎａが混合融液２１０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧Ｐ_{Ｎａ−Ｇａ}に略一致し、空間２３内には、窒素ガス４と金属Ｎａ蒸気５とが混在する。

そして、坩堝１０および反応容器２０の温度が７００℃に達すると、空間２３内の窒素ガス４は、金属Ｎａを媒介として混合融液２１０中に取り込まれる。そして、坩堝１０の側壁および底面からＧａＮ結晶が結晶成長する。

その後、ＧａＮ結晶の結晶成長の進行に伴って、空間２３内の窒素ガスが消費されると、空間２３の圧力Ｐ１が配管３０内の空間３１の圧力Ｐ２よりも低くなる。そうすると、空間２３の圧力Ｐ１と空間３１の圧力Ｐ２との圧力差に応じて、窒素ガスが空間３１から空間２３へ補給される。この場合、融液保持部材４０は、空間３１の窒素ガスを金属融液１８０へ透過させ、金属融液１８０は、窒素ガスを泡１８１として空間２３へ導く。そして、空間２３の圧力Ｐ１が空間３１の圧力Ｐ２と同程度に上昇すると、空間３１から空間２３への窒素ガスの補給は停止される。

図９は、図３に示す結晶成長装置１００を用いて結晶成長または溶解させたＧａＮ結晶の模式図である。図９の（ａ）は、図６に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合を示し、図９の（ｂ）は、図６に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１４に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合を示す。

また、図９の（ｃ）は、図６に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させた場合を示し、図９の（ｄ）は、図６に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を溶解させた場合を示す。

図９の（ａ）を参照して、領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合、複数のＧａＮ結晶６が坩堝１０の底面１１から結晶成長する。そして、複数のＧａＮ結晶６の各々は、尖った先端が坩堝１０の底面１１に接触し、ｃ軸（＜０００１＞）方向へ結晶成長した柱状形状からなる。また、複数のＧａＮ結晶６は、その大きさが相互に異なり、坩堝１０の底面１１に対して相互に異なる方向へ結晶成長する。

図９の（ｂ）を参照して、領域ＲＥＧ１４に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合、複数のＧａＮ結晶７が坩堝１０内で結晶成長する。そして、複数のＧａＮ結晶７の各々は、ｃ面（（０００１））方向（ｃ軸に垂直な方向）に結晶成長した板状形状からなる。また、複数のＧａＮ結晶７は、その大きさが相互に異なる。

図９の（ｃ）を参照して、領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合、種結晶６ＡからＧａＮ結晶８が結晶成長する。種結晶６Ａは、領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて結晶成長された複数のＧａＮ結晶６（図９の（ａ）参照）のうちの１個のＧａＮ結晶からなる。この場合、複数のＧａＮ結晶６のうち、不要なＧａＮ結晶を除去し、坩堝１０の底面１１に対して略垂直に結晶成長したＧａＮ結晶６を種結晶６Ａとして底面１１に残す。これによって、坩堝１０の底面１１に固定された種結晶６Ａを容易に作製できる。

上述したように、複数のＧａＮ結晶６は、ｃ軸方向へ結晶成長するので、種結晶６Ａもｃ軸方向へ結晶成長したＧａＮ結晶からなる。したがって、領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて種結晶６Ａから結晶成長したＧａＮ結晶８もｃ軸方向へ結晶成長する。そして、領域ＲＥ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いたＧａＮ結晶の結晶成長においては、坩堝１０の側壁および底面１１における核の発生が抑制されるため、大きさサイズのＧａＮ結晶８を結晶成長できる。

図９の（ｄ）を参照して、領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を処理すると、ＧａＮ結晶９が溶解され、ＧａＮ結晶９Ａが坩堝１０の底面１１に残る。

なお、図６に示す圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４，ＲＥＧ２２および圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４，ＲＥＧ３２は、それぞれ、図９の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すＧａＮ結晶６，７，８を結晶成長させ、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２１および圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３１は、図９の（ｄ）に示すＧａＮ結晶９を溶解させる。

図１０は、ＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。図１０を参照して、一連の動作が開始されると、Ａｒガスが充填されたグローブボックス内へ坩堝１０、反応容器２０および配管３０を入れる。そして、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを配管３０内に入れる（ステップＳ１）。なお、Ａｒガスは、水分量が１０ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素量が１０ｐｐｍ以下であるＡｒガスである（以下、同じ）。

その後、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを所定の混合比ｒで坩堝１０に入れる（ステップＳ２）。この場合、たとえば、混合比ｒ＝０．４で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れる。そして、金属Ｎａおよび金属Ｇａを入れた坩堝１０を反応容器２０内に設置する。

引続いて、坩堝１０および反応容器２０内にＡｒガスを充填した状態で坩堝１０および反応容器２０を結晶成長装置１００に設定する。そして、バルブ１５０を開け、真空ポンプ１６０によって坩堝１０および反応容器２０内に充填されたＡｒガスを排気する。真空ポンプ１６０によって坩堝１０および反応容器２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きした後、バルブ１５０を閉じ、バルブ９０，１１０を開けて窒素ガスをガスボンベ１３０からガス供給管７０，８０を介して坩堝１０および反応容器２０内へ充填する。この場合、圧力調整器１２０によって坩堝１０および反応容器２０内の圧力が０．１ＭＰａ程度になるように坩堝１０および反応容器２０内へ窒素ガスを供給する。

そして、圧力センサー１７０によって検出した反応容器２０内の圧力が０．１ＭＰａ程度になると、バルブ９０，１１０を閉じ、バルブ１５０を開けて真空ポンプ１６０によって坩堝１０および反応容器２０内に充填された窒素ガスを排気する。この場合も、真空ポンプ１６０によって坩堝１０および反応容器２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きする。

そして、この坩堝１０および反応容器２０内の真空引きと坩堝１０および反応容器２０内への窒素ガスの充填とを数回繰り返し行なう。

その後、真空ポンプ１６０によって坩堝１０および反応容器２０内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ１５０を閉じ、バルブ９０，１１０を開けて窒素ガスを坩堝１０および反応容器２０の空間２３へ供給する（ステップＳ３）。

その後、制御装置２００は、混合比ｒ＝０．４に応じて決定された圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３を用いたＧａＮ結晶の結晶成長が行なわれる場合、領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を外部から受ける。たとえば、制御装置２００は、５．０５ＭＰａの圧力および７００℃の温度をそれぞれ領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度として外部から受ける。

そうすると、制御装置２００は、坩堝１０および反応容器２０の温度を所望の温度（＝７００℃）に設定するための制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２をそれぞれ加熱装置５０，６０へ出力するとともに、空間２３の窒素ガスのガス圧力を所望の圧力（＝５．０５ＭＰａ）に設定するための制御信号ＣＴＬ３を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ３を圧力調整器１２０へ出力する。

そして、加熱装置５０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ１に応じて、坩堝１０および反応容器２０を外周面２０Ａから７００℃に加熱し、加熱装置６０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ２に応じて、坩堝１０および反応容器２０を底面２０Ｂから７００℃に加熱する。また、圧力調整器１２０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ３に応じて、空間２３の圧力が５．０５ＭＰａになるように窒素ガスをガス供給管７０，８０、配管３０および融液保持部材４０を介して空間２３へ供給する。

すなわち、所定の混合比ｒに応じて決定された圧力／温度相関図ＰＴ１に含まれる所望の圧力（＝５．０５ＭＰａ）および所望の温度（＝７００℃）に空間２３における窒素ガスの圧力および坩堝１０の温度を設定する（ステップＳ４）。

そして、所定の時間、所望の圧力および所望の温度が保持され（ステップＳ５）、所定の時間が経過すると、坩堝１０および反応容器２０の温度が降温される（ステップＳ６）。これにより、柱状形状からなるＧａＮ結晶が製造され、一連の動作が終了する。

なお、上記においては、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合について説明したが、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１，ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１４および圧力／温度相関図ＰＴ２，ＰＴ３の領域ＲＥＧ２１，ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４，ＲＥＧ３１，ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長またはＧａＮ結晶を溶解させる動作も、図１０に示すフローチャートに従って実行される。

このように、この発明においては、複数の混合比（ｒ＝０．４，０．７，０．９５）に対応して複数の圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３が設けられており、所定の混合比ｒに応じて決定された圧力／温度相関図（圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３のいずれか）を用いてＧａＮ結晶が結晶成長または溶解される。

上記においては、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の１つの領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長または溶解させる場合について説明したが、この発明においては、これに限らず、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させてもよい。この場合、図１０に示すフローチャートのステップＳ４は、複数のステップからなる。

図１１は、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図１０に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。

図１１を参照して、図１０に示すステップＳ３が終了すると、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４１）、ＧａＮ結晶を結晶成長する。これにより、柱状形状からなる複数のＧａＮ結晶が坩堝１０の底面１１に形成される。

その後、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４２）、ステップＳ４１において結晶成長したＧａＮ結晶を溶解する。これによって、サイズが小さいＧａＮ結晶が溶解され、サイズの大きいＧａＮ結晶が坩堝１０の底面１１に残る。そして、坩堝１０の底面１１に残ったＧａＮ結晶が種結晶となる。

引き続き、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４３）、種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長する。

その後、一連の動作は、図１０に示すステップＳ５へ移行する。

このように、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３、領域ＲＥＧ１１および領域ＲＥＧ１２に含まれる複数の所望の圧力および複数の所望の温度を順次用いることによって、柱状形状からなる複数のＧａＮ結晶６を坩堝１０の底面１１に結晶成長させ、その結晶成長させた複数のＧａＮ結晶６の一部を溶解して種結晶を作製し、さらに、その作製した種結晶からＧａＮ結晶８を結晶成長できる。

図１２は、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図１０に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するための他のフローチャートである。

なお、図１２に示すフローチャートは、種結晶が予め坩堝１０の底面１１に設置されている場合のフローチャートである。

図１２を参照して、図１０に示すステップＳ３が終了すると、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４１Ａ）、種結晶を溶解する。

その後、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４２Ａ）、種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長する。

その後、一連の動作は、図１０に示すステップＳ５へ移行する。

このように、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１および領域ＲＥＧ１２に含まれる複数の所望の圧力および複数の所望の温度を順次用いることによって、種結晶の一部を溶解し、その溶解した種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長できる。

種結晶を予め坩堝１０の底面１１に設置し、その設置した種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させる場合、種結晶の表面が酸化されたり、種結晶の表面に水分等の不純物が付着しているので、領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定して種結晶の一部を溶解し、その後、領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定して溶解後の種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させることにしたものである。これにより、ＧａＮ結晶を種結晶から連続的に結晶成長させることができる。

図１３は、図３に示す結晶成長装置１００を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させたときの坩堝１０の断面図である。図１３を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させることにより、複数のＧａＮ結晶６が坩堝１０の内壁および底面１１に形成される。

すなわち、結晶成長装置１００を用いて坩堝１０中でＧａＮ結晶を結晶成長させることにより、図２に示す陽極電極３３０を作製することができる。上述したように、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３は、柱状形状からなる複数のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であるので、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させることにより、複数のＧａＮ結晶６が内壁および底面１１に形成された坩堝１０からなる陽極電極３３０を作製することができる。そして、結晶成長された複数のＧａＮ結晶６の各々は、ｎ型ＧａＮからなる。

図１４は、ガス発生器３００における水素ガスおよび酸素ガスの発生機構を説明するための図である。ガス発生器３００において、陽極電極３３０を構成する複数のＧａＮ結晶６および陰極電極３４０を構成するＰｔは、電解液３２０に浸漬されているので、ＧａＮ結晶／電解液／Ｐｔのエネルギー図は、図１４に示すようになる。

ＧａＮ結晶６は、ｎ型であるので、ＧａＮ結晶と電解液との界面では、伝導帯および価電子帯が上側に曲がる。そして、電解液３２０中の水素イオン（Ｈ^＋）のエネルギー準位は、ＧａＮ結晶６の伝導帯Ｅｃよりも低く、電解液３２０中の水（Ｈ_２Ｏ）のエネルギー準位は、ＧａＮ結晶６の価電子帯Ｅｖよりも低い。すなわち、電解液３２０中の水素イオン（Ｈ^＋）および水（Ｈ_２Ｏ）のエネルギー準位は、ＧａＮ結晶６の伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖとの間に存在する。

その結果、陽極電極３３０においては、太陽電池３７０から注入された正孔（ｈ^＋）は、ＧａＮ結晶６と電解液３２０との界面まで伝導し、ＧａＮ結晶６の価電子帯Ｅｖよりもエネルギー的に低い水（Ｈ_２Ｏ）のエネルギー準位へ移動する。そして、正孔（ｈ^＋）と水（Ｈ_２Ｏ）の分子とが反応して酸素ガス（Ｏ_２）が発生する。

一方、陰極電極３４０においては、太陽電池３７０から注入された電子（ｅ⁻）は、電解液３２０との界面まで伝導し、Ｐｔの伝導帯よりもエネルギー的に低い水素イオン（Ｈ^＋）のエネルギー準位へ移動する。そして、電子（ｅ⁻）が水素イオン（Ｈ^＋）と結合して水素ガス（Ｈ_２）が発生する。

再び、図２を参照して、太陽電池３７０が陽極電極３３０と陰極電極３４０との間に所定の直流電圧を印加すると、陽極電極３３０は、上述した機構により酸素ガス（Ｏ_２）３０１を発生、陰極電極３４０は、上述した機構により水素ガス（Ｈ_２）３０２を発生する。そして、発生した酸素ガス（Ｏ_２）３０１は、ガス発生部３１１において、容器３１０内の空間３１３に溜まり、発生した水素ガス（Ｈ_２）３０２は、ガス発生部３１２において、容器３１０内の空間３１４に溜まる。

陽極電極３３０は、結晶成長装置１００を用いて複数の核が発生する結晶成長条件（領域ＲＥＧ１３に含まれる圧力および温度）で作製されたので、複数のＧａＮ結晶６が坩堝１０の内壁および底面に形成された構造からなる。

その結果、電解液３２０に接する陽極電極３３０の面積が大きくなり、陽極電極３３０における酸素ガス（Ｏ_２）３０１の発生量が増加する。すなわち、陽極電極３３０における酸素ガス（Ｏ_２）３０１の発生効率が高くなる。

水（Ｈ_２Ｏ）の電気分解においては、酸素ガス（Ｏ_２）３０１および水素ガス（Ｈ_２）３０２が１：１で発生するので、陽極電極３３０における酸素ガス（Ｏ_２）３０１の発生効率が高くなれば、陰極電極３４０における水素ガス（Ｈ_２）３０２の発生効率も高くなる。したがって、ガス発生器３００における酸素ガス（Ｏ_２）３０１および水素ガス（Ｈ_２）３０２の発生効率が高くなる。

このように、ガス発生器３００は、ＧａＮ結晶６を用いて作製された陽極電極３３０と、Ｐｔからなる陰極電極３４０とを電解液３２０に浸漬し、陽極電極３３０と陰極電極３４０との間に所定の直流電圧を印加することにより酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｏ_２）を発生する。したがって、ガス発生器３００は、酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｏ_２）を容易に発生できる。

再び、図１を参照して、ガス発生器３００は、上述した方法によって酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｏ_２）を発生し、その発生した酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｏ_２）をそれぞれガス供給管４２０，４３０を介して燃料電池４１０へ供給する。そして、燃料電池４１０は、ガス発生器３００から供給された酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｏ_２）を用いて直流電力を発電する。電力供給器４４０は、燃料電池４１０が発電した直流電力をそのまま、または交流電力に変換して電気負荷に供給する。

したがって、電力供給システム４００は、水素ガスを燃料電池４１０へ容易に供給して直流電力を発電できる。

図１５は、図１に示す電力供給システム４００の応用例を示す図である。図１５は、図１に示す電力供給システム４００を家庭内へ電力を供給するシステムとして用いた場合を示す。

電力供給システム４００が家庭内へ電力を供給するシステムとして用いられる場合、電力供給器４４０は、電力変換器４４１からなる。そして、電力変換器４４１は、燃料電池４１０から供給された直流電力を交流電力に変換し、その変換した交流電力を住宅５００内の配線（図示せず）に供給する。

住宅５００は、キッチン５０１と、居間５０２と、洋室５０３と、寝室５０４とを備える。キッチン５０１には、蛍光灯５０５および冷蔵庫５０６が配置されている。そして、蛍光灯５０５は、住宅５００内の配線（図示せず）から交流電力を受けて点灯する。また、冷蔵庫５０６は、キッチン５０１に取り付けられたコンセント５０７から交流電力を受けて駆動する。

居間５０２には、蛍光灯５０８および薄型テレビ５０９が配置されている。そして、蛍光灯５０８は、住宅５００内の配線（図示せず）から交流電力を受けて点灯する。また、薄型テレビ５０９は、居間５０２に取り付けられたコンセント（図示せず）から交流電力を受けて駆動する。

洋室５０３には、蛍光灯５１０、パーソナルコンピュータ５１１およびエアコンディショナー５１２が配置されている。そして、蛍光灯５１０は、住宅５００内の配線（図示せず）から交流電力を受けて点灯する。また、パーソナルコンピュータ５１１は、洋室５０３に取り付けられたコンセント５１３から交流電力を受けて駆動する。さらに、エアコンディショナー５１２は、洋室５０３に取り付けられたコンセント５１４から交流電力を受けて駆動する。

寝室５０４には、蛍光灯５１５および補助灯５１６が配置されている。そして、蛍光灯５１５および補助灯５１６は、住宅５００内の配線（図示せず）から交流電力を受けて点灯する。

電力供給システム４００において、ガス発生器３００は、酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｈ_２）を発生し、その発生した酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｈ_２）をそれぞれガス供給管４２０，４３０を介して燃料電池４１０へ供給する。そして、燃料電池４１０は、ガス発生器３００からの酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｈ_２）を用いて直流電力を発電し、その発電した直流電力を電力変換器４４１へ供給する。電力変換器４４１は、燃料電池４１０からの直流電力を交流電力に変換して住宅５００内の配線（図示せず）に供給する。

そうすると、住宅５００内において、蛍光灯５０５，５０８，５１０，５１５および補助等５１６は、住宅５００内の配線（図示せず）から交流電力を受けて点灯し、冷蔵庫５０６、薄型テレビ５０９、パーソナルコンピュータ５１１およびエアコンディショナー５１２は、住宅５００内の配線（図示せず）から交流電力を受けて駆動する。

このように、電力供給システム４００は、水素ガスを燃料電池４１０へ容易に供給して直流電力を発電し、その発電した直流電力に変換して住宅５００内の電気機器へ供給する。

図１６は、この発明の実施の形態による電力供給システムの構成を示す他の概略図である。この発明による電力供給システムは、図１６に示す電力供給システム４００Ａであってもよい。図１６を参照して、電力供給システム４００Ａは、図１に示す電力供給システム４００に太陽電池モジュール４５０を追加したものであり、その他は、電力供給システム４００と同じである。

電力供給システム４００Ａにおいては、電力供給器４４０は、電力変換器４４２からなる。そして、燃料電池４１０および太陽電池モジュール４５０は、電力変換器４４２に電気的に接続される。

太陽電池モジュール４５０は、住宅５００の屋根に設置され、太陽光によって直流電力を発電し、その発電した直流電力を電力変換器４４２に供給する。

電力変換器４４２は、住宅５００内に設置された電気機器（蛍光灯５０５，５０８，５１０，５１５および冷蔵庫５０６等）を駆動するために必要な基準電力量Ｗｓｔｄを把握している。

そして、電力変換器４４２は、太陽電池モジュール４５０が基準電力量Ｗｓｔｄ以上の電力を発電している場合、太陽電池モジュール４５０から供給された直流電力を交流電力に変換して住宅５００内の配線（図示せず）に供給する。

また、電力変換器４４２は、太陽電池モジュール４５０が基準電力量Ｗｓｔｄよりも少ない電力を発電している場合、太陽電池モジュール４５０から供給された直流電力Ｗｓｃと燃料電池４１０から供給された直流電力Ｗｆｃとの合計が基準電力量Ｗｓｔｄ以上になるように、太陽電池モジュール４５０から供給された直流電力Ｗｓｃと燃料電池４１０から供給された直流電力Ｗｆｃとを交流電力に変換して住宅５００内の配線（図示せず）に供給する。すなわち、この場合、電力変換器４４２は、太陽電池モジュール４５０が発電する直流電力の不足分を燃料電池４１０が発電する直流電力によって補充して基準電力量Ｗｓｔｄ以上の電力を住宅５００内の配線（図示せず）に供給する。

これによって、太陽電池モジュール４５０の発電量が夜間、天候および季節等の要因によって基準電力量Ｗｓｔｄを下回った場合にも、住宅５００内に設置された電気機器に必要な電力を住宅５００内へ安定して供給できる。

このように、電力供給システム４００Ａにおいては、ガス発生器３００および燃料電池４１０を太陽電池モジュール４５０を補完する電力源として用いる。

なお、電力供給システム４００Ａにおいては、太陽電池３７０を削除し、太陽電池モジュール４５０が発電した直流電圧をガス発生器３００の陽極電極３３０および陰極電極３４０間に印加するようにしてもよい。

図１７は、この発明の実施の形態による電力供給システムの構成を示すさらに他の概略図である。この発明の実施の形態による電力供給システムは、図１７に示す電力供給システム４００Ｂであってもよい。

図１７を参照して、電力供給システム４００Ｂは、図１に示す電力供給システム４００の電力供給器４４０を充電器４６０に代えたものであり、その他は、電力供給システム４００と同じである。充電器４６０は、燃料電池４１０に電気的に接続される。

電力供給システム４００Ｂは、自動車６００に搭載された二次電池に直流電力を供給する。

自動車６００は、ボディ６１０と、前輪６２０Ｌ，６２０Ｒと、車軸６３０，６７０と、モータ６４０と、二次電池６５０と、後輪６６０Ｌ，６６０Ｒとを備える。なお、自動車６００は、電気自動車である。

車軸６３０は、一方端が前輪６２０Ｌに連結され、他方端が前輪６２０Ｒに連結される。車軸６７０は、一方端が後輪６６０Ｌに連結され、他方端が後輪６６０Ｒに連結される。

二次電池６５０は、直流電力をモータ６４０へ供給する。モータ６４０は、二次電池６５０からの直流電力によって駆動され、所定のトルクを車軸６３０に伝達する。車軸６３０は、モータ６４０からの所定のトルクを前輪６２０Ｌ，６２０Ｒに伝達し、前輪６２０Ｌ，６２０Ｒは、所定の回転数で回転する。

なお、モータ６４０は、所定のトルクを車軸６３０，６７０の少なくとも一方に伝達すればよい。また、二次電池６５０は、自動車６００に搭載されたモータ６４０のみならず、エアコン、オーディオ製品およびランプ等の電源として用いられてもよい。

ガス発生器３００は、上述した方法によって酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｈ_２）を発生し、その発生した酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｈ_２）をそれぞれガス供給管４２０，４３０を介して燃料電池４１０へ供給する。そして、燃料電池４１０は、ガス発生器３００から供給された酸素ガス（Ｏ_２）および水素ガス（Ｈ_２）を用いて直流電力を発電し、その発電した直流電力を充電器４６０へ供給する。

充電器４６０は、二次電池６５０を充電する場合、二次電池６５０に電気的に接続され、燃料電池４１０から供給された直流電力によって二次電池６５０を所定の電圧まで充電する。

このように、電力供給システム４００Ｂは、自動車６００に搭載された二次電池６５０を所定の電圧まで充電する。そして、電力供給システム４００Ｂは、一般家庭に設置されてもよいし、電気自動車に搭載された二次電池を充電する充電ステーションに設置されてもよい。

上述したように、図１に示す電力供給システム４００が一般家庭へ電力を供給する場合、電力供給器４４０は、電力変換器４４１，４４２からなり、電力変換器４４１，４４２は、直流電力を交流電力に変換して住宅５００内の蛍光灯５０５，５０８，５１０，５１５、冷蔵庫５０６、薄型テレビ５０９、パーソナルコンピュータ５１１、エアコンディショナー５１２および補助灯５１６に供給する。

また、図１に示す電力供給システム４００が自動車６００に搭載された二次電池６５０を充電する場合、電力供給器４４０は、充電器４６０からなり、充電器４６０は、燃料電池４１０からの直流電力によって二次電池６５０を所定の電圧まで充電する。

したがって、蛍光灯５０５，５０８，５１０，５１５、冷蔵庫５０６、薄型テレビ５０９、パーソナルコンピュータ５１１、エアコンディショナー５１２、補助灯５１６および二次電池６５０は、「電気負荷」を構成し、電力供給器４４０は、燃料電池４１０が発電した直流電力に基づいて、電力を電気負荷に供給する。

上記においては、図９の（ａ）に示すＧａＮ結晶６を用いて陽極電極３３０を作製すると説明したが、この発明においては、図９の（ｂ），（ｃ）に示すＧａＮ結晶７，８を用いて陽極電極３３０を作製してもよい。

また、この発明においては、ＧａＮ結晶に代えてＩｎＧａＮを用いて陽極電極３３０を作製してもよく、一般的には、伝導帯端が水素イオンのエネルギーレベルよりも高く、価電子帯端が水のエネルギーレベルよりも高いＩＩＩ族窒化物結晶を用いて陽極電極３３０を作製してもよい。

さらに、上記においては、電解液３２０は、塩酸を含むと説明したが、この発明においては、これに限らず、電解液３２０は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含んでいてもよく、一般的には、水素イオン（Ｈ^＋）を水溶液中で生成するものを含んでいればよい。
さらに、上記においては、結晶成長温度は、７００℃であると説明したが、この発明においては、これに限らず、結晶成長温度は、６００℃以上であればよい。また、窒素ガス圧力も０．４ＭＰａ以上の加圧状態の本結晶成長方法で成長可能な圧力であればよい。すなわち、上限も本実施の形態の５．０５ＭＰａに限定されるものではなく、５．０５ＭＰａ以上の圧力であってもよい。

また、上記においては、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れ、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを配管３０内に入れると説明したが、この発明においては、これに限らず、Ｈｅ、ＮｅおよびＫｒ等のＡｒガス以外のガスまたは窒素ガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れ、金属Ｎａを配管３０内に入れてもよく、一般的には、不活性ガスまたは窒素ガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れ、金属Ｎａを配管３０内に入れればよい。そして、この場合、不活性ガスまたは窒素ガスは、水分量が１０ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素量が１０ｐｐｍ以下である。

さらに、金属Ｇａと混合する金属は、Ｎａであると説明したが、この発明においては、これに限らず、リチウム（Ｌｉ）およびカリウム（Ｋ）等のアルカリ金属、またはマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）およびストロンチウム（Ｓｒ）等のアルカリ土類金属を金属Ｇａと混合して混合融液２１０を生成してもよい。そして、これらのアルカリ金属が溶けたものは、アルカリ金属融液を構成し、これらのアルカリ土類金属が溶けたものは、アルカリ土類金属融液を構成する。

さらに、窒素ガスに代えて、アジ化ナトリウムおよびアンモニア等の窒素を構成元素に含む化合物を用いてもよい。そして、これらの化合物は、窒素原料ガスを構成する。

さらに、Ｇａに代えて、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）およびインジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族金属を用いてもよい。

したがって、図３に示す結晶成長装置１００は、一般的には、アルカリ金属またはアルカリ土類金属とＩＩＩ族金属（ボロンを含む）とを含む混合融液を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を製造するものであればよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、水素ガスを容易に燃料電池に供給して電力を発電する電力供給システムに適用される。また、この発明は、太陽光発電システムを補完する電力供給システムに適用される。

この発明の実施の形態による電力供給システムの構成を示す概略図である。 図１に示すガス発生器の構成を示す概略図である。 図２に示す陽極電極を作製する結晶成長装置の概略断面図である。 図３に示す融液保持部材の斜視図である。 融液保持部材の配管への取付状態を示す平面図である。 ＧａＮ結晶を結晶成長させるときの圧力と温度との関係を規定する圧力／温度相関図を金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比に対して示す図である。 坩堝および反応容器の温度のタイミングチャートである。 図７に示す２つのタイミングｔ１，ｔ２間における坩堝および反応容器内の状態を示す模式図である。 図３に示す結晶成長装置を用いて結晶成長または溶解させたＧａＮ結晶の模式図である。 ＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。 圧力／温度相関図の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図１０に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。 圧力／温度相関図の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図１０に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するための他のフローチャートである。 図３に示す結晶成長装置を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させたときの坩堝の断面図である。 ガス発生器における水素ガスおよび酸素ガスの発生機構を説明するための図である。 図１に示す電力供給システムの応用例を示す図である。 この発明の実施の形態による電力供給システムの構成を示す他の概略図である。 この発明の実施の形態による電力供給システムの構成を示すさらに他の概略図である。

符号の説明

１〜３，１００２ 気液界面、４ 窒素ガス、５ 金属Ｎａ蒸気、６〜９，９Ａ ＧａＮ結晶、６Ａ 種結晶、１０ 坩堝、１１，２０Ｂ 底面、２０ 反応容器、２０Ａ 外周面、２１ 本体部、２２ 蓋部、２３，３１，３１３，３１４ 空間、３０ 配管、３０Ａ 内壁、４０ 融液保持部材、４１ 栓、４２ 凸部、４３ 空隙、５０，６０ 加熱装置、５１，６１ 温度センサー、７０，８０，４２０，４３０ ガス供給管、１００ 結晶成長装置、９０，１１０，１５０ バルブ、１２０ 圧力調整器、１３０，１１１０ ガスボンベ、１４０ 排気管、１６０ 真空ポンプ、１７０，１９０ 圧力センサー、１８０ 金属融液、２００ 制御装置、２１０ 混合融液、３００ ガス発生器、３０１ 酸素ガス、３０２ 水素ガス、３１０ 容器、３１１，３１２ ガス発生部、３３０ 陽極電極、３４０ 陰極電極、３５０，３６０ リード線、３７０ 太陽電池、４００，４００Ａ，４００Ｂ 電力供給システム、４１０ 燃料電池、４４０ 電力供給器、４４１，４４２ 電力変換器、４５０ 太陽電池モジュール、４６０ 充電器、５００ 住宅、５０１ キッチン、５０２ 居間、５０３ 洋室、５０４ 寝室、５０５，５０８，５１０，５１５ 蛍光灯、５０６ 冷蔵庫、５０７，５１３，５１４ コンセント、５０９ 薄型テレビ、５１１ パーソナルコンピュータ、５１２ エアコンディショナー、５１６ 補助灯、６００ 自動車、６１０ ボディ、６２０Ｌ，６２０Ｒ 前輪、６３０，６７０ 車軸、６４０ モータ、６５０ 二次電池、６６０Ｌ，６６０Ｒ 後輪。

Claims (9)

1. 酸素ガスおよび水素ガスを発生するガス発生器と、
   前記ガス発生器によって発生された前記水素ガスを少なくとも用いて直流電力を発電する燃料電池と、
   前記燃料電池が発電した直流電力に基づいて、電気負荷に電力を供給する電力供給器とを備え、
   前記ガス発生器は、
   電解液と、
   坩堝、及び前記坩堝の内部に形成され且つ前記電解液に浸漬されたＩＩＩ族窒化物結晶、を有する陽極電極と、
   前記電解液に浸漬された陰極電極と、
   前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電流を流す電流源とを含む、
   電力供給システム。
2. 前記電力供給器は、前記燃料電池によって発電された直流電力を交流電力に変換して家庭内の電気機器に供給する電力変換器からなる、請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記電力供給器は、自動車に搭載された二次電池を前記燃料電池が発電した直流電力によって充電する充電器からなる、請求項１に記載の電力供給システム。
4. 太陽光によって直流電力を発電する太陽電池モジュールをさらに備え、
   前記電力供給器は、前記太陽電池モジュールが発電した第１の直流電力を交流電力に変換して家庭内の電気機器に供給するとともに、前記第１の直流電力が前記家庭内の電気機器を駆動するために必要な基準電力よりも少ないとき、前記燃料電池が発電した第２の直流電力を前記交流電力に変換して前記家庭内の電気機器に供給する電力変換器からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
5. 前記電流源は、太陽電池からなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力供給システム。
6. 前記燃料電池は、前記ガス発生器が発生した水素ガスおよび酸素ガスを用いて前記直流電力を発電する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力供給システム。
7. 前記ＩＩＩ族窒化物結晶は、前記坩堝の壁面および／または底面に形成された複数のＩＩＩ族窒化物結晶からなる、請求項１に記載の電力供給システム。
8. 前記ＩＩＩ族窒化物結晶の伝導帯端は、前記電解液中の水素イオンのエネルギーレベルよりも高く、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の価電子帯端は、前記電解液中の水のエネルギーレベルよりも高い、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力供給システム。
9. 前記ＩＩＩ族窒化物結晶は、窒化ガリウム結晶からなり、
   前記陰極電極は、白金からなり、
   前記電解液は、塩酸を含む、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力供給システム。

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