JP6216968B2 - ガス生成装置 - Google Patents
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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（ＴｉＯ２）や酸化タングステン（ＷＯ３）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。
ところで、光触媒を含む電極の構成としては、種々の構成を採用可能である。例えば、透明な基板（例えば、ガラス板）に、光触媒を含む電極を固定する構成を採用可能である。そのような構成を採用すれば、光触媒に照射される光量が小さくなることを抑制できる。ところが、従来は、そのような構成を採用すると、不具合が発生する場合があった。例えば、ガス生成装置を組み立てる際に、透明基板が破損する場合があった。
本発明の主な利点は、光触媒を含む電極が固定された透明基板を用いる場合の不具合の可能性を低減することである。
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、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
［態様］
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、
第１電極と、
電解液と前記第１電極を収容するための第１室を形成する第１室形成部と、
第２電極と、
前記電解液と前記第２電極を収容するための第２室を形成する第２室形成部と、
前記第１室と前記第２室との間を仕切り、前記水素ガスと前記酸素ガスとを分離する分離膜と、
前記第１室形成部と前記第２室形成部との間に前記分離膜が配置された状態で、前記第１室形成部と前記第２室形成部とを、互いに向かい合う方向に締め付けることによって固定する固定部材と、
を備え、
前記第２電極は、
光触媒と、
前記光触媒と接触する部分である接触部分を含む導電部と、
を含み、
前記第２室形成部は、
前記第２電極が固定された面であって前記第２室の内側に配置される面である内面を備える透明基板と、
前記第２室の内部と外部とを隔てる壁であって、前記透明基板の縁を囲むことによって前記透明基板を支持する壁である支持壁と、
を含み、
前記支持壁は、前記固定部材による締結力を受けることによって、固定され、
前記透明基板は、前記第２室形成部のうちの前記支持壁以外の部分とは接触せずに、前記支持壁によって支持される、
ガス生成装置。
［態様］
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、
第１電極と、
電解液と前記第１電極を収容するための第１室を形成する第１室形成部と、
第２電極と、
前記電解液と前記第２電極を収容するための第２室を形成する第２室形成部と、
前記第１室と前記第２室との間を仕切り、前記水素ガスと前記酸素ガスとを分離する分離膜と、
前記第１室形成部と前記第２室形成部との間に前記分離膜が配置された状態で、前記第１室形成部と前記第２室形成部とを、互いに向かい合う方向に締め付けることによって固定する固定部材と、
を備え、
前記第２電極は、
光触媒と、
前記光触媒と接触する部分である接触部分を含む導電部と、
を含み、
前記第２室形成部は、
前記第２電極が固定された面であって前記第２室の内側に配置される面である内面を備える透明基板と、
前記第２室の内部と外部とを隔てる壁であって、前記透明基板の縁を囲むことによって前記透明基板を支持する壁である支持壁と、
を含み、
前記支持壁は、前記固定部材による締結力を受けることによって、固定され、
前記透明基板は、前記第２室形成部のうちの前記支持壁以外の部分とは接触せずに、前記支持壁によって支持される、
ガス生成装置。
［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であって、
第１電極と、
電解液と前記第１電極を収容するための第１室を形成する第１室形成部と、
第２電極と、
前記電解液と前記第２電極を収容するための第２室を形成する第２室形成部と、
を備え、
前記第２電極は、
光触媒と、
前記光触媒と接触する部分である接触部分を含む導電部と、
を含み、
前記第２室形成部は、
前記第２電極が固定された面であって前記第２室の内側に配置される面である内面を備える透明基板と、
前記第２室の内部と外部とを隔てる壁であって、前記透明基板の縁を囲むことによって前記透明基板を支持する壁である支持壁と、
を含む、
ガス生成装置。
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、
第１電極と、
電解液と前記第１電極を収容するための第１室を形成する第１室形成部と、
第２電極と、
前記電解液と前記第２電極を収容するための第２室を形成する第２室形成部と、
を備え、
前記第２電極は、
光触媒と、
前記光触媒と接触する部分である接触部分を含む導電部と、
を含み、
前記第２室形成部は、
前記第２電極が固定された面であって前記第２室の内側に配置される面である内面を備える透明基板と、
前記第２室の内部と外部とを隔てる壁であって、前記透明基板の縁を囲むことによって前記透明基板を支持する壁である支持壁と、
を含む、
ガス生成装置。
この構成によれば、支持壁が、第２電極が固定された透明基板の縁を囲むことによって透明基板を支持するので、第２電極が固定された透明基板を用いる場合の不具合の可能性を低減できる。例えば、透明基板の破損の可能性を低減できる。
［適用例２］
適用例１に記載のガス生成装置であって、
前記導電部は、
前記接触部分を含む部分であって、前記透明基板の前記内面側に配置された部分である内導電部分と、
前記内導電部分に電気的に接続された部分であって、前記第２室の内側から、前記透明基板と前記支持壁との間を通り抜けて、前記第２室の外側に至るリード部分と、
を含む、ガス生成装置。
適用例１に記載のガス生成装置であって、
前記導電部は、
前記接触部分を含む部分であって、前記透明基板の前記内面側に配置された部分である内導電部分と、
前記内導電部分に電気的に接続された部分であって、前記第２室の内側から、前記透明基板と前記支持壁との間を通り抜けて、前記第２室の外側に至るリード部分と、
を含む、ガス生成装置。
この構成によれば、第２電極と外部の電気回路（例えば、電源）とを接続するための複雑な構成（例えば、Ｏリングでシールされた端子等）を用いずに済むので、第２電極が固定された透明基板を用いる場合の不具合の可能性を低減できる。
［適用例３］
適用例２に記載のガス生成装置であって、
前記内導電部分は、集電線を含み、
前記ガス生成装置は、さらに、前記内導電部分の前記集電線を被覆する被覆部を備える、
ガス生成装置。
適用例２に記載のガス生成装置であって、
前記内導電部分は、集電線を含み、
前記ガス生成装置は、さらに、前記内導電部分の前記集電線を被覆する被覆部を備える、
ガス生成装置。
この構成によれば、内導電部分の集電線を通じて電流を流すことができ、さらに、集電線が電解液によって腐食することを被覆部によって抑制できるので、第２電極が固定された透明基板を用いる場合の不具合の可能性を低減できる。
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載のガス生成装置であって、さらに、
前記第１室と前記第２室との間を仕切り、前記水素ガスと前記酸素ガスとを分離する分離膜と、
前記第１室形成部と前記第２室形成部との間に前記分離膜が配置された状態で、前記第１室形成部と前記第２室形成部とを、互いに向かい合う方向に締め付けることによって固定する固定部材と、
を備え、
前記支持壁は、前記固定部材による締結力を受けることによって、固定され、
前記透明基板は、前記第２室形成部のうちの前記支持壁以外の部分とは接触せずに、前記支持壁によって支持される、
ガス生成装置。
適用例１ないし３のいずれかに記載のガス生成装置であって、さらに、
前記第１室と前記第２室との間を仕切り、前記水素ガスと前記酸素ガスとを分離する分離膜と、
前記第１室形成部と前記第２室形成部との間に前記分離膜が配置された状態で、前記第１室形成部と前記第２室形成部とを、互いに向かい合う方向に締め付けることによって固定する固定部材と、
を備え、
前記支持壁は、前記固定部材による締結力を受けることによって、固定され、
前記透明基板は、前記第２室形成部のうちの前記支持壁以外の部分とは接触せずに、前記支持壁によって支持される、
ガス生成装置。
この構成によれば、固定部材による締結力が透明基板に印加されることを抑制できるので、第２電極が固定された透明基板を用いる場合の不具合の可能性を低減できる。
なお、本発明は、種々の形態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。
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。
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Ｎａ２ＳＯ４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、ＮａＨＣＯ３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（ここでは、ステンレス鋼）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（ＷＯ３）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（Ｈ２Ｏ）から、酸素ガス（Ｏ２）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（Ｈ２）を生成する。生成された水素ガス（Ｈ２）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（Ｈ２）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。
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。
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、多数の孔が形成されたメッシュ状の部分３１１（「メッシュ部分３１１」と呼ぶ）と、メッシュ部分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、メッシュ部分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。第１電極３１０の各部３１１、３１３、３１４は、いずれも、ステンレス鋼を用いて形成されている。各部３１１、３１３、３１４を互いに固定する方法としては、例えば、溶接を採用可能である。
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、第２壁部材１３０に圧入されたガラス板１２５と、を含んでいる。これらの部材１２０、１２５、１３０は、それぞれ、第２室２２０の内部と外部とを隔てる壁である。
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、第２壁部材１３０に圧入されたガラス板１２５と、を含んでいる。これらの部材１２０、１２５、１３０は、それぞれ、第２室２２０の内部と外部とを隔てる壁である。
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。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。図２に示すように、貫通孔１３２には、ガラス板１２５が圧入されている。ガラス板１２５の＋Ｄｚ側の面には、第２電極３２０が固定されている。第２電極３２０の詳細については、後述する。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１２７が形成されている。この溝１２７には、ループ状の第３シール部材３９３が嵌め込まれる。第３シール部材３９３は、第１壁部材１２０と第２壁部材１３０との間に挟まれて、第１壁部材１２０と第２壁部材１３０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。
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。
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２電極について：
Ａ３−１．構成：
図５は、第２電極３２０の概略図である。図５（Ａ）は、後述する被覆３２９を設ける前の状態の第２電極３２０の斜視図であり、図５（Ｂ）は、被覆３２９を設けた状態の第２電極３２０の斜視図である。図５（Ａ）に示すように、第２電極３２０は、略矩形状のガラス板１２５の＋Ｄｚ側の面（以下「内面１２５ｓｉ」とも呼ぶ）上に、固定されている。具体的には、第２電極３２０は、光触媒層３２２と、導電部３２６と、を含んでいる。導電部３２６は、内導電部分３２７と、リード部分３２５ｂと、を含んでいる。内導電部分３２７は、透明導電層３２３と、金属線３２５ａと、を含んでいる。
Ａ３−１．構成：
図５は、第２電極３２０の概略図である。図５（Ａ）は、後述する被覆３２９を設ける前の状態の第２電極３２０の斜視図であり、図５（Ｂ）は、被覆３２９を設けた状態の第２電極３２０の斜視図である。図５（Ａ）に示すように、第２電極３２０は、略矩形状のガラス板１２５の＋Ｄｚ側の面（以下「内面１２５ｓｉ」とも呼ぶ）上に、固定されている。具体的には、第２電極３２０は、光触媒層３２２と、導電部３２６と、を含んでいる。導電部３２６は、内導電部分３２７と、リード部分３２５ｂと、を含んでいる。内導電部分３２７は、透明導電層３２３と、金属線３２５ａと、を含んでいる。
図５（Ａ）に示すように、ガラス板１２５の内面１２５ｓｉ上の全体に、透明導電層３２３が形成されている。透明導電層３２３の＋Ｄｚ側の面上には、金属線３２５ａと、光触媒層３２２と、が設けられている。金属線３２５ａと光触媒層３２２とは、いずれも、透明導電層３２３と接触している、すなわち、透明導電層３２３に接続されている。
金属線３２５ａは、透明導電層３２３の縁の若干内側を縁と平行に延びる矩形部分３２５ａＲと、矩形部分３２５ａＲの−Ｄｘ側の部分から＋Ｄｘ側の部分まで第１方向Ｄｘに沿って延びる３本の線部分３２５ａＬと、を含んでいる。３本の線部分３２５ａＬは、矩形部分３２５ａＲで囲まれた内周側の領域を、第２方向Ｄｙに沿って並ぶ４つの領域に区分する。図中では、矩形部分３２５ａＲと線部分３２５ａＬとに、ハッチングが付されている。
矩形部分３２５ａＲと３本の線部分３２５ａＬとによって形成される４つの領域のそれぞれには、光触媒層３２２が設けられている。図中では、光触媒層３２２が、ハッチングで示されている。本実施例では、光触媒層３２２は、透明導電層３２３の＋Ｄｚ側の面上に形成されている（すなわち、透明導電層３２３に接触している）。また、光触媒層３２２は、線部分３２５ａＬと矩形部分３２５ａＲとからは、離れた位置に形成されている。このように、透明導電層３２３は、光触媒層３２２と接触する接触部分を構成する。
また、金属線３２５ａは、矩形部分３２５ａＲの＋Ｄｘ側の端部から、透明導電層３２３の縁まで、＋Ｄｘ方向に向かって延びる縁部３２５ａｅを含んでいる。ガラス板１２５の＋Ｄｘ側の側面１２５ｓｂ上には、縁部３２５ａｅに電気的に接続されたリード部分３２５ｂであって、ガラス板１２５の＋Ｄｚ側から−Ｄｚ側に向かって延びるリード部分３２５ｂが設けられている。図中では、これらの部分３２５ａｅ、３２５ｂも、ハッチングで示されている。図２に示すように、リード部分３２５ｂは、第２室２２０の内側から、ガラス板１２５と第２壁部材１３０との間を通り抜けて、第２室２２０の外側に至る。
光触媒層３２２は、酸化タングステン（ＷＯ３）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１２５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、ガラス板１２５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、金属線３２５ａに集められる。
金属線３２５ａとリード部分３２５ｂとは、金属材料（例えば、銀や銅）を用いて形成されている。金属線３２５ａは、透明導電層３２３上の全体に亘っておおよそ均等に配置されているので、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。金属線３２５ａに集められた電子（ｅ−）は、リード部分３２５ｂを通じて、第２室２２０の外部に導かれる。第２室２２０の外部では、リード部分３２５ｂには、図示しない端子が接続される。
図５（Ｂ）には、被覆３２９が示されている。被覆３２９は、図５（Ａ）に示す金属線３２５ａと、リード部分３２５ｂと、の全体を被覆している。図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）に示すＣ−Ｃ断面である。この断面は、第１方向Ｄｘと直交する断面である。図示するように、各金属線３２５ａ（具体的には、線部分３２５ａＬと矩形部分３２５ａＲ）が、被覆３２９によって、覆われている。被覆３２９は、電解液に対する耐腐食性（例えば、耐酸性と耐アルカリ性）が良好な材料（例えば、ガラス）で形成されている。金属線３２５ａとリード部分３２５ｂとを、このような被覆３２９で覆うことによって、金属線３２５ａとリード部分３２５ｂとの電解液による腐食を抑制できる。
Ａ３−２．製造方法：
第２電極３２０の製造方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、以下の方法を採用可能である。まず、ガラス板１２５（図５（Ａ））の内面１２５ｓｉ上に透明導電層３２３の材料の層を形成し、焼成することによって、透明導電層３２３を形成する。次に、透明導電層３２３上に光触媒層３２２の材料の層を形成する（例えば、未焼成の光触媒層３２２が、材料のスプレーによって、形成される）。また、透明導電層３２３上およびガラス板１２５の側面１２５ｓｂ上に、金属線３２５ａとリード部分３２５ｂとの材料（例えば、銀ペースト）を用いて、それらの部分３２５ａ、３２５ｂの未焼成パターンを形成する（例えば、未焼成パターンが、スクリーン印刷によって、形成される）。そして、焼成することによって、光触媒層３２２と金属線３２５ａとリード部分３２５ｂとを形成する。以上により、図５（Ａ）に示す部材が得られる。なお、焼成の順番は、上記の順番に限らず、種々の順番を採用可能である。例えば、金属線３２５ａとリード部分３２５ｂとの焼成の後に、光触媒層３２２の焼成が行われてもよい。
第２電極３２０の製造方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、以下の方法を採用可能である。まず、ガラス板１２５（図５（Ａ））の内面１２５ｓｉ上に透明導電層３２３の材料の層を形成し、焼成することによって、透明導電層３２３を形成する。次に、透明導電層３２３上に光触媒層３２２の材料の層を形成する（例えば、未焼成の光触媒層３２２が、材料のスプレーによって、形成される）。また、透明導電層３２３上およびガラス板１２５の側面１２５ｓｂ上に、金属線３２５ａとリード部分３２５ｂとの材料（例えば、銀ペースト）を用いて、それらの部分３２５ａ、３２５ｂの未焼成パターンを形成する（例えば、未焼成パターンが、スクリーン印刷によって、形成される）。そして、焼成することによって、光触媒層３２２と金属線３２５ａとリード部分３２５ｂとを形成する。以上により、図５（Ａ）に示す部材が得られる。なお、焼成の順番は、上記の順番に限らず、種々の順番を採用可能である。例えば、金属線３２５ａとリード部分３２５ｂとの焼成の後に、光触媒層３２２の焼成が行われてもよい。
次に、被覆３２９（図５（Ｂ））を形成する。被覆３２９は、例えば、ガラスを用いて形成される。具体的には、まず、未焼成のガラス材料（例えば、粉末ガラスやガラスペースト）を用いて、金属線３２５ａとリード部分３２５ｂとを覆う被覆３２９の未焼成パターンを、例えばスクリーン印刷によって、形成する。次に、焼成することによって、被覆３２９を形成する。
以上のように、第２電極３２０は、ガラス板１２５の内面１２５ｓｉに固定された状態で、製造される。
図６は、第２電極３２０が固定されたガラス板１２５を、第２壁部材１３０に固定する方法の例を示す概略図である。図６（Ａ）は、固定前の状態を示し、図６（Ｂ）は、固定後の状態を示している。本実施例では、第２電極３２０が固定されたガラス板１２５は、第２壁部材１３０の貫通孔１３２に、圧入される。これにより、第２壁部材１３０は、ガラス板１２５の縁を囲むことによって、ガラス板１２５を支持する。本実施例では、第２壁部材１３０は、ガラス板１２５の縁を全周に亘って囲んでいる。そして、第２壁部材１３０は、ガラス板１２５と一体に構成される。なお、本実施例では、第２壁部材１３０の貫通孔１３２に、−Ｄｚ側から＋Ｄｚ方向に向かって、ガラス板１２５が圧入される。ただし、圧入方向は、逆方向であってもよい。また、圧入後に、第２壁部材１３０の貫通孔１３２と、ガラス板１２５と、の間を、シール部材を用いてシールしてもよい。シール部材としては、例えば、シリコン樹脂等の樹脂を採用可能である。シール部材は、第２室２２０の内側に設けられてもよく、この代わりに、第２室２２０の外側に設けられてもよい。
以上のように、本実施例では、第２壁部材１３０は、ガラス板１２５の縁を囲むことによってガラス板１２５を支持する。従って、第２電極３２０が固定されたガラス板１２５を用いる場合の不具合の可能性を低減できる。例えば、ガス生成装置８００の製造時に、ガラス板１２５を保持する代わりに第２壁部材１３０を保持することによって、ガラス板１２５を移動させることができるので、ガラス板１２５が破損する可能性を低減できる。なお、第２壁部材１３０は、ガラス板１２５を支持する支持壁に対応する。
さらに、第２壁部材１３０は、ガラス板１２５と一体に構成される。従って、第２壁部材１３０からガラス板１２５が外れる可能性を低減できる。
また、ガラス板１２５を支持する第２壁部材１３０は、ガラス板１２５の縁を支持する。従って、図２の分離膜３３０のように２つの壁部材によってガラス板１２５の一部が挟まれる場合とは異なり、ガラス板１２５の内面１２５ｓｉの全体を、第２室２２０中に配置することができる。この結果、ガラス板１２５のサイズが同じという条件下においては、２つの壁部材によってガラス板１２５の一部が挟まれる場合よりも、大きな第２電極３２０をガラス板１２５に固定することができる。この結果、ガス生成の効率を向上できる。
また、図５（Ａ）に示すように、導電部３２６は、ガラス板１２５の内面１２５ｓｉ側に配置された部分である内導電部分３２７と、内導電部分３２７に接続された部分であって第２室２２０の内側からガラス板１２５と第２壁部材１３０との間を通り抜けて第２室２２０の外側へ至るリード部分３２５ｂと、を含んでいる。従って、第２電極３２０と外部の電気回路（例えば、直流電源４００）とを接続するための複雑な構成（例えば、Ｏリングでシールされた端子等）を用いずに済むので、第２電極３２０が固定されたガラス板１２５を用いる場合の不具合の可能性を低減できる。例えば、電解液の漏洩の可能性を低減できる。また、ガス生成装置８００の組み立てを容易にできる。
また、図５（Ａ）に示すように、内導電部分３２７は、金属線３２５ａを含み、図５（Ｂ）に示すように、金属線３２５ａは、被覆３２９によって覆われている。従って、金属線３２５ａが電解液によって腐食することを抑制できる。
また、図４に示すように、第１室形成部１１０と第２室形成部１４０との間には、分離膜３３０が配置される。そして、ボルト３８０は、第１室形成部１１０と第２室形成部１４０とを、互いに向かい合うように締め付けることによって、第１室形成部１１０と第２室形成部１４０とを固定している。第２壁部材１３０は、ボルト３８０による締結力を受けることによって、固定されている。ここで、図２に示すように、ガラス板１２５は、第２室形成部１４０のうちの第２壁部材１３０以外の部分（例えば、第１壁部材１２０）とは接触せずに、第２壁部材１３０によって支持されている。従って、ボルト３８０による締結力がガラス板１２５に印加されることを抑制できる。この結果、ガラス板１２５が破損する等の不具合の可能性を低減できる。
また、以上のように、ガラス板１２５の破損の可能性を低減できるので、ガラス板１２５の厚さを薄くすることができる。この結果、光触媒層３２２に到達する光がガラス板１２５を通過することによって減衰することを抑制できるので、ガス生成の効率が低下することを抑制できる。
Ｂ．第２実施例：
図７は、第２電極３２０が固定されたガラス板１２５を、第２壁部材１３０に固定する方法の別の例を示す概略図である。第２実施例では、第２壁部材１３０は、ガラス板１２５との一体成形によって、形成される。図７には、図２と同様の、第２電極３２０が固定されたガラス板１２５の、第２方向Ｄｙと直交する断面が示されている。一体成形は、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）の順に、進行する。
図７は、第２電極３２０が固定されたガラス板１２５を、第２壁部材１３０に固定する方法の別の例を示す概略図である。第２実施例では、第２壁部材１３０は、ガラス板１２５との一体成形によって、形成される。図７には、図２と同様の、第２電極３２０が固定されたガラス板１２５の、第２方向Ｄｙと直交する断面が示されている。一体成形は、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）の順に、進行する。
まず、図７（Ａ）に示すように、第２電極３２０が固定されたガラス板１２５に、成形型７１０、７２０が、装着される。これらの成形型７１０、７２０は、ガラス板１２５の縁を全周に亘って囲むキャビティ７３０を形成する。
次に、図７（Ｂ）に示すように、キャビティ７３０に溶融樹脂１３０ｒが充填される。充填された溶融樹脂１３０ｒが固まった後、成形型７１０、７２０が分解されて、ガラス板１２５と一体成形された第２壁部材１３０が完成する（図７（Ｃ））。
このように、第２壁部材１３０を、ガラス板１２５と一体に構成する方法としては、溶融樹脂をガラス板１２５の縁と接触した状態で凝固させる一体成形を採用可能である。この場合も、第１実施例と同じ種々の利点を得ることができる。
Ｃ．変形例：
（１）第２電極３２０を固定する透明基板としては、ガラス板１２５に限らず、種々の透明な材料で構成された板を採用可能である。例えば、透明な樹脂で形成された基板を採用してもよい。
（１）第２電極３２０を固定する透明基板としては、ガラス板１２５に限らず、種々の透明な材料で構成された板を採用可能である。例えば、透明な樹脂で形成された基板を採用してもよい。
（２）透明基板を支持する支持壁（例えば、第２壁部材１３０）は、透明基板と一体に構成されていることが好ましい。ここで、支持壁が透明基板と一体に構成されているとは、支持壁と透明基板とが着脱可能ではなく固定されていることを、意味している。このように、支持壁が透明基板と一体に構成されていれば、透明基板が支持壁から外れることを抑制できる。また、支持壁が透明基板を補強できる。ただし、支持壁が透明基板と一体に構成されていなくてもよい。いずれの場合も、支持壁は、透明基板の縁を囲むことによって透明基板を支持することが好ましい。こうすれば、透明基板の一部が２つの壁部材によって挟まれる場合と比べて、大きな第２電極を固定できるので、ガス生成の効率を向上できる。ここで、透明基板の縁と支持壁との間に他の部材（例えば、シール部材）が挿入されていてもよい。また、透明基板の縁を全周に亘って囲む支持壁が、複数の壁部材を組み合わせることによって構成されてもよい。
（３）第２電極３２０の構成としては、図５に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、透明導電層３２３の一方の面上の全面、または、一部の領域に光触媒層３２２が形成され、透明導電層３２３の反対側の面上に線部分３２５ａＬと矩形部分３２５ａＲとが形成されてもよい。また、金属線３２５ａのパターン形状としては、図５に示すパターン形状に限らず、任意のパターン形状を採用可能である。例えば、線部分３２５ａＬを省略してもよい。この代わりに矩形部分３２５ａＲを省略してもよい。また、複数のリード部分３２５ｂを設けてもよい。また、リード部分３２５ｂを省略してもよい。この場合、内導電部分３２７に接続されたリードラインであって、ガラス板１２５と第２壁部材１３０との間ではなく第２室形成部１４０のうちの他の部分を通り抜けることによって第２室２２０の外側に至るリードラインを採用可能である。また、被覆３２９が省略されてもよい。この場合、金属線３２５ａの材料としては、電解質に腐食され難い種々の材料（例えば、白金）を採用可能である。
（４）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。また、第１壁部材１２０と第２壁部材１３０との全体が、単一の部材によって形成されてもよい。また、ガラス板１２５が、第２室形成部１４０のうちの第２壁部材１３０以外の部分（例えば、第１壁部材１２０）に接触してもよい。
（５）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（ＷＯ３）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ＷＯ３に限定されるものでなく、ＴｉＯ２（二酸化チタン）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）、ＺｒＯ（酸化亜鉛）、ＳｎＯ２（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。
（６）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。
（７）図４の実施例では、ボルト３８０の数が「８」であるが、ボルトの数としては、任意の数Ｎ（Ｎは１以上の整数）を採用可能である。また、第１壁部材１２０と第２室形成部１４０とを互いに向かい合う方向に締め付けて固定する固定部材としては、ボルト３８０に限らず、種々の部材を採用可能である。例えば、リベットを採用してもよい。また、ガス生成装置８００の複数の部材を固定する方法としては、そのような固定部材を用いる方法に限らず、種々の方法を採用可能である。例えば、ガス生成装置８００の全体をベルトで縛ってもよい。
（８）透明導電層３２３上に形成される（すなわち、透明導電層３２３に接続される）集電線（例えば、図５（Ａ）の金属線３２５ａ）の材料としては、銀に限らず、種々の金属（例えば、銅、または、鉄）を採用可能である。また、金属とは異なる材料（例えば、カーボン）を採用してもよい。一般的には、光触媒に接続された透明導電層３２３よりも電気伝導率が高い種々の材料を採用可能である。
（９）被覆３２９の材料としては、ガラスに限らず、種々の材料を採用可能である。例えば、ゴムや紫外線硬化樹脂等の種々の樹脂を採用可能である。また、ガラスや樹脂に限らず、セラミック等の種々の絶縁材料を採用可能である。また、絶縁材料に限らず、金属やカーボン等の種々の材料を採用してもよい。一般には、被覆３２９の材料としては、電解液に対する耐腐食性（例えば、耐酸性と耐アルカリ性）が良好な種々の材料を採用可能である。
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（容器）、１１１...開口、１１２...収容室、１１３...貫通孔、１１８...溝、１１９...ネジ孔、１２０...第１壁部材、１２２...貫通孔、１２５...ガラス板、１２５ｓｂ...側面、１２５ｓｉ...内面、１２７...溝、１２８...溝、１２９...ネジ孔、１３０...第２壁部材、１３０ｒ...溶融樹脂、１３２...貫通孔、１３９...ネジ孔、１４０...第２室形成部、２１０...第１室、２２０...第２室、３１０...第１電極、３１０...電極、３１１...メッシュ部分、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、３２５ａ...金属線、３２５ｂ...リード部分、３２５ａＬ...線部分、３２５ａＲ...矩形部分、３２５ａｅ...縁部、３２６...導電部、３２７...内導電部分、３２９...被覆、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、７１０...成形型、７３０...キャビティ、８００...ガス生成装置、９００...ガス生成システム
Claims (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、
第１電極と、
電解液と前記第１電極を収容するための第１室を形成する第１室形成部と、
第２電極と、
前記電解液と前記第２電極を収容するための第２室を形成する第２室形成部と、
前記第１室と前記第２室との間を仕切り、前記水素ガスと前記酸素ガスとを分離する分離膜と、
前記第１室形成部と前記第２室形成部との間に前記分離膜が配置された状態で、前記第１室形成部と前記第２室形成部とを、互いに向かい合う方向に締め付けることによって固定する固定部材と、
を備え、
前記第２電極は、
光触媒と、
前記光触媒と接触する部分である接触部分を含む導電部と、
を含み、
前記第２室形成部は、
前記第２電極が固定された面であって前記第２室の内側に配置される面である内面を備える透明基板と、
前記第２室の内部と外部とを隔てる壁であって、前記透明基板の縁を囲むことによって前記透明基板を支持する壁である支持壁と、
を含み、
前記支持壁は、前記固定部材による締結力を受けることによって、固定され、
前記透明基板は、前記第２室形成部のうちの前記支持壁以外の部分とは接触せずに、前記支持壁によって支持される、
ガス生成装置。 - 請求項１に記載のガス生成装置であって、
前記導電部は、
前記接触部分を含む部分であって、前記透明基板の前記内面側に配置された部分である内導電部分と、
前記内導電部分に電気的に接続された部分であって、前記第２室の内側から、前記透明基板と前記支持壁との間を通り抜けて、前記第２室の外側に至るリード部分と、
を含む、ガス生成装置。 - 請求項２に記載のガス生成装置であって、
前記内導電部分は、集電線を含み、
前記ガス生成装置は、さらに、前記内導電部分の前記集電線を被覆する被覆部を備える、
ガス生成装置。
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