KR100443760B1 - 광전해장치용 태양전지모듈 및 광전해장치 - Google Patents

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Abstract

유리제의 용기(31) 내를 환원반응실(32)과 산화반응실(33)로 구획하는 수소이온전도형의 고분자 전해질제의 구획부재(34)를 설계하고, 상기 구획부재(34)에 예를 들면 5행 3열의 매트릭스상으로 태양전지 모듈(35)을 장착하고, 태양전지 모듈(35)는, 4개의 구상태양전지소자(기전력이 0.5~0.6V)를 직렬 접속하여 되는 광전지어레이(기전력이 2.0~2.4V)와, 야윽(46)과 음극(48)을 구비하고, 양극(46)이 산화반응실(33)의 전해액에 접촉하면서 음극(48)이 환원반응실(32)의 전해액에 접촉하도록, 태양전지모듈(35)이 구획부재(34)에 장착되고, 태양광을 태양전지모듈35)에 조사하고, 그 광기전력에 의하여 물을 전기분해하여 음극(48)에서 소수가스를 또한 양극(46)에서 산소가스를 발생한다.

Description

광전해장치용 태양전지모듈 및 광전해장치{Solar battery module for optical electrolysis device and optical electrolysis device}
종래, 산화 티탄(TiO2)에서 발생하는 광기전력으로 물을 전기분해하는 방식이 있지만, 산화티탄으로는 에너지 변환이 가능한 광의 파장이 약 420nm 이하이기 때문에 태양광에 대한 에너지 변환효율은 극히 저조하여 실용화되지 못하고 있다.
종래, 전해액으로 침적한 태양전지에 의하여 태양광의 광기전력으로 전해액을 전해하는 기술은, 미국 특허 제4021323호 공보와, 본 특허출원인의 출원에 관한 일본국 특허 공개 평성6-125210호에 개재되어 있다.
상기 미국 특허공보에는, 실리콘의 구상결정에 pn접합을 형성하고, 이들 복수개의 구상결정(마이크로광전지)에 공통의 금속전극피막을 형성한 태양전지어레이가 개시되고, 또한 상기와 같은 태양 전지어레이를 전해액 중에 침적하고, 태양광에 의하여 광기전력으로 옥화수소산이나 취화수소산의 용액을 전기분해시키는 광화학 에너지 변환장치가 기재되어 있다.
상기 일본국 특허공개 평성6-123210호 공보에는, 반도체 결정기판의 표면의 부근에, 복수개의 구상결정을 매트릭스상으로, 더욱이 반도체 결정기판과 일체적으로 형성하고, 각 구상결정의 표면부에 pn접합을 포함하는 광기전력 발생부를 형성하며, 이들 복수개의 구상결정에 개별의 표면 전극 및 공통의 이면 전극을 형성하여 되는 수광소자 어레이가 개시되고, 또한 상기 수광소자 어레이를 조립한 광전해장치가 개시되어 있다.
그러나 상기 양자의 공보에 기재되어 있는 기술에서는, 태양광 등을 수광할 수 있는 방향이 편면으로 한정되어 있기 때문에 광공간의 광을 이용하는 광이용율을 높이기가 어렵다.
태양전지 어레이나 수광소자 어레이의 전극피막을 고정적으로 형성하는 관계상, pn접합을 형성하는 구상결정의 직렬접속수로, 광기전력의 크기가 결정되기 때문에, 광전해장치 마다에 태양전지어레이나 수광소자 어레이를 설치하여 제작할 필요가 있다. 이 때문에, 광전해장치에 적용하는 태양전지어레이나 수광소자 어레이의 제작코스트가 저감되는 것은 어렵고, 각종의 광전해장치나 각종 사이즈의 광전해장치에 적용하는 범용성이 우수한 태양전지 어레이나 수광소자 어레이를 제작하는 것은 어렵다.
본 발명자는, 마이크로 광전지(또는 마이크로 광촉매)로서 기능을 가지는 구상반도체 디바이스(직경 약 0.5mm ~ 2.0mm)을 이용한 광전해장치에 대하여 연구하였다. 이러한 종류의 광전해장치에 있어서는, 다수의 작은 입자의 구상반도체 디바이스를 전해액 중에 수광가능하게 배치하여 지지하고, 반응 생성물을 확실하게 분리할 필요가 있지만, 이와 같은 다수개의 구상 반도체 디바이스의 배치와 지지를 위한 구조는, 아직 어떠한 제안도 없는 실정이다.
본 발명의 목적은, 복수개의 독립의 구상의 구상태양전지 소자를 적용한 광전해장치용 태양전지 모듈을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 광기전력의 크기를 적절하게 설계 가능한 광전해장치용 태양전지 모듈을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 각종 태양전해장치에 적용 가능한 범용성이 우수한 광전해장치용 태양전지 모듈을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 각 방향에서의 태양광을 수광 가능한 광전해장치용 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전해용 전지에 있어서, 과전압을 방지할 수 있음과 동시에 상기 전극에서의 반응생성물의 이탈을 촉진시키는 광전해장치용 태양전지 모듈을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 촉매기능이 있는 전해용 전지를 구비한 광전해장치용 태양전지 모듈을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 상기 광전해장치용 태양전지 모듈을 적용한 태양전해장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 광전해장치용 태양전지 모듈 및 그 태양전지 모듈을 적용한 광전해장치에 관한 것으로, 특히 구상 태양전지소자를 복수개 직렬 접속하여 필요한 전해전압을 발생시키도록 한 태양전지 모듈을 활용하여, 태양에너지로 전해액의 전해를 수행하는 기술에 관한 것이다.
도 1은 제1실시예의 광전해장치의 종단면도,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도,
도 3은 구상태양전지소자의 단면도,
도 4는 광전해장치의 태양전지모듈의 확대 단면도,
도 5는 제2실시예의 광전해장치의 종단면도,
도 6은 도 5의 Ⅵ-VI선 단면도,
도 7은 도 5의 광전해장치의 태양전지 모듈의 확대단면도,
도 8은 제3실시예의 광전해장치의 분해 사시도이다.
본 발명의 광전해장치용 태양전지 모듈은, 복수개의 구상 태양전지소자와, 이들 구상 태양전지소자를 전기적으로 직렬 접속한 상태로 수용하여 지지하는 투명한 통상의 유지부재와, 상기 유지부재의 양단부에 액밀상태로 장착되어 유지부재 외측으로 노출된 한쌍의 전해용 전극을 구비하고, 상기 구상 태양전지소자의 각각은 p형 또는 n형의 구상반도체 결정과, 상기 구상반도체 결정의 표면부에 형성된 pn접합을 포함하는 광기전력발생부와, 상기 광기전력 발생부에서 발생한 광기전력을 취출하기 위하여 구상반도체결정의 중심에 대하여 대칭인 양단부에 형성된 한쌍의 전극을 구비하고, 전해액 중에 침적한 상태로 태양광에 의한 광기전력으로 전해액의 전해에 적용되는 것을 특징으로 하는 것이다.
여기서 상기 복수개의 구상태양전지소자의 수는, 광기전력발생부에서 발생하는 광기전력의 전압과 전해액의 필요한 전해전압에 대응하여 설정되는 것이 바람직하다. 상기 한쌍의 전해용 전극의 각각의 표면에, 전해 반응을 촉진하는 촉매 기능이 있는 금속 피막을 형성하는 것도 바람직하다. 또한 상기 전해용 전극의 전해액과 접하는 부분에 과전압저감과 전해에 의한 반응생성물의 이탈을 촉진하기 위한 선단이 예리한 선예부를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 광전해장치용 태양전지 모듈에 있어서는, 투명한 유지부재의 내부에 복수개의 구상 태양전지소자를 전기적으로 직렬 접속한 상태로 수용하고 있어서, 각종의 방향에서 입사하는 광에 의한 광기전력이 발생한다. 직렬 접속하는 구상태양전지소자의 수를 변화하는 것으로, 광기전력의 크기를 자유롭게 설정할 수 있기 때문에, 각종의 태양전해장치에 적용 가능한 범용성이 우수한 것으로 된다. 전해용 전극의 표면에 촉매 기능이 있는 금속피막을 형성하면, 촉매 작용에 의하여 전해의 속도가 높아진다. 또한 전해용 전극에 선예부를 형성하면 과전압 저감을 도모함과 동시에 반응생성물의 이탈을 촉진하는 것이 가능하다.
본 발명의 광전해 장치는, 내부에 전해액을 수용하고 내부에 태양광을 도입 가능한 용기와, 상기 용기 내에 전해액에 침적한 상태로 배설되며, 태양광을 수광하여 광기전력을 발생하는 복수개의 태양전지 모듈과, 이들 태양전지 모듈의 전해용 양극과 전해용 음극 사이를 양전극에서 생성된 반응생성물을 분리 가능하게 구획하는 구획부재로서, 복수개의 태양전지 모듈이 관통상으로 장착된 구획부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서 각 태양전지 모듈은, p형 또는 n형의 구상반도체 결정과, 그 구상반도체 결정의 표면부에 형성된 pn접합을 포함하는 광기전력발생부와, 그 광기전력발생부에서 발생한 광기전력을 취출하기 위한 구상반도체 결정의 중심에 대하여 대칭인 양단부에 형성된 한쌍의 전극를 각각 구비하는 복수개의 구상태양전지소자와, 이들 구상태양전지소자를 전해적으로 직렬 접속한 상태로 수용하여 유지하는 투명한 통상의 유지부재와, 그 유지부재의 양단부에 액밀 상태로 장착되어 전해액 중에 노출된 전해용 양극과 전해용 음극을 구비하는 것이 바람직하다. 또한 상기 용기내에 적어도 상방에서 태양광을 조사 가능하게 구성하는 것이 바람직하다. 더욱이 상기 구획부재는 고분자 전해질로 구성하여도 좋고, 이러한 경우, 상기 고분자 전해질이 수소이온전도체이어도 좋다.
이러한 광전해장치에 있어서는, 태양광을 조사하면 복수개의 태양전지 모듈에 있어서 광기전력이 발생하고, 각 태양전지 모듈의 전해용 양극에서 산화반응이 일어나고, 전해용 음극에서 환원반응이 일어난다. 양극과 음극 사이를 양전극에서 생성된 반응생성물을 분리 가능하게 구획하는 구획부재를 설치하고 있기 때문에,산화반응 생성물과 환원반응 생성물을 구획부재로 분리한 상태로 그대로 외부로 취출하는 것이 가능하다. 더욱이 그 구획부재에 복수개의 태양전지 모듈을 관통상으로 장착하여서, 복수개의 태양전지모듈을 장착하여 지지하기 위한 구성이 간단하게 된다.
이러한 광전해장치의 각 태양전지 모듈 자체는, 상기 광전해장치용 태양전지 모듈과 동일한 작용을 가진다. 상기 구획부재를 고분자 전해질로 구성하는 경우에는, 구획부재를 광통하여 이온이 이동하기 때문에 반응생성물을 분해하는 기능을 확보하면서 이온을 이동시키는 것이 가능하다. 예를 들면 전해에 의하여 발생하는 수소이온을 통과시킬 필요가 있는 경우에는, 수소 이온 전도형의 고분자 전해질로 구획부재를 구성하는 것으로 한다.
다음에는 본 발명의 실시에에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
[제1실시예]
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시에에 있어서의 광전해장치(1)는 태양에너지에서 발생시킨 광기전력에 의하여 물과 탄산가스의 전해액을 전기분해하여 메탄가스(CH4)와 산소가스(O2)를 발생시키는 장치이다.
도 1, 도 2에 도시한 바와 같이, 그 광전해장치(1)는, 전해액을 수용하는 단면이 원형의 용기(2)와, 상기 용기(2) 내의 중심부에 설치된 원통상의 구획부재(3)와, 상기 구획부재(3)에 반경 방향을 향하여 관통상으로 장착되는 복수개의 태양전지 모듈(10)과, 용기(2)의 저벽부(2a)에 형성된 물공급용의 제1공급포트(4) 및 물과 탄산가스공급용의 제2공급포트(5)와, 용기(2)의 덮개부(2c)에 파이프상으로 각각 일체 형성된 메탄가스 취출용의 제1도출포트(6) 및 산소가스 취출용의 제2도출포트(7) 등을 구비한다.
상기 용기(2)는, 스텐레스 등의 금속재의 저벽부(2a)와, 상기 저벽부(2a)의 상단에 삽입되어 무기접착제에 의하여 접착된 투명한 유리제의 원통벽부(2b)와, 상기 원통벽부(2b)의 상단에 삽입되어 개폐 가능하게 덮는 유리제의 덮개부(2c)를 구비하고, 제1, 제2공급포트(4,5)는 저벽부(2a)에 형성되고, 제1, 제2도출포트(6,7)은 덮개(2c)에 형성되어 있다.
상기 원통상의 구획부재(3)는, 수소이온 전도형의 고분자 전해질(예를 들면 불소설폰산)으로 구성하고, 구획부재(3)의 하단부는 저벽부(2a)의 보스부(2d)에 액밀 상태로 외부에서 장착되어 있다. 태양전지모듈(10)의 장착을 위해서, 구획부재(3)는, 중심을 관통하는 연직면에서 2분할된 2분할체(3a,3b)를 접합면(3c)에서 접착하여 구성되고 있다. 그리고 태양전지모듈(10)의 길이를 구획부재(3)의 내경보다 작게 형성하는 경우에는 구획부재(3)를 일체품으로 구성할 수 있다.
구획부재(3)의 내부가 환원반응실(8)이고, 원통벽부(2b)와 구획부재(3)의 사이의 실은 산화반응실(9)이며, 태양전지 모듈(10)의 전해용음극(14)은 환원반응실(8)의 전해액에 접촉하여 있고, 태양전지모듈(10)의 전해용 양극(13)은 산화반응실(9)의 전해액에 접촉하고 있다.
상기 제1공급포트(4)는 저벽부(2a)의 개구공(2e)에 의하여 산화반응실(9)에 연통하고, 제2공급포트(5)는 보스부(2d)의 개구공(2f)에 의하여 환원반응실(8)에 연통하고 있다. 제1도출포트(6)는 원환반응실(8)의 상단에 연통하고, 제2도출포트(7)는 산화반응실(9)의 상단에 연통하고 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 경우, 합계 18개의 태양전지모듈(10)이 설치되고, 이들 태양전지모듈(10)은 평면에서는 원주방향으로 예를 들면 60°간격으로 배치되고, 태양전지모듈(10)의 전해액음극(14) 끼리가 극력으로 떨어지도록 높이방향으로는 18단계로 높이를 달리하여 배치하고 있다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 태양전지모듈(10)은, 직경이 예를 들면 0.5 ∼ 2.0mm의 4개의 구상태양전지소자(11)와, 이들 구상태양전지소자(11)를 전기적으로 직렬접속한 상태로 수용하여 유지하는 투명한 석영유리관으로 되는 유지부재(12)와, 상기 유지부재(12)의 양단부에 액밀상태로 장착되고 유지부재(12)의 외측으로 노출한 전해용양극(13)(산화전극) 및 전해용음극(14)(환원전극)을 구비한다.
도 3에 도시한 바와 같이 구상태양전지소자(11)(마이크로광전지)는, 구상의 p형 실리콘단결정(15)과, 그 구상표면의 대부분에 인(P)을 열확산으로 형성한 n+확산층(16)과, 거의 구면상의 pn+접합(17)과, p형실리콘단결정(15)의 중심부에 대하여 대칭한 양단부에 형성된 음극(18) 및 양극(19)와, 반사방지막(20)을 구비하고, 상기 구상태양전지소자(11)에는 pn+접합(17)을 포함하는 광기전력발생부(광기전력:0.5~0.6V)가 형성되어 있다. 상기 n+확산층(16)의 인농도는 2X1020cc-1정도이고, pn+접합(17)은, 구상표면에서 약 0.5~1.0㎛의 깊이의 위치에 형성되어있다. 양극(19)는, p형실리콘단결정(15)의 표면에 전기적으로 접속되고, 음극(18)은 n+확산층(16)의 표면에 전기적으로 접속되어 있다. 양극(19)는, 티탄(Ti)의 증착막과 그 외면의 니켈(Ni)의 증착막으로 되는 두께, 예를 들면 1.0㎛의 오믹컨덕트이고, 음극(18)도 동일한 구성의 오믹컨덕트이다.
반사방지막(20)은, 음극(18) 및 양극(19)의 표면 이외의 전표면에 형성되어 있지만, 이 반사방지막(20)은 SiO2의 피막(예를 들면 두께 0.3~0.7㎛)와 그 표면의 TiO2의 피막(예를 들면 두께 0.3∼1.0㎛)으로 구성된다.
구상태양전지소자(11)를 제작하는 경우, 예를 들면 연직의 낙하튜브의 상단측의 전자부유과열장치에 의하여 p형실리콘의 입자를 부유상태로 용융하고, 그 융액을 낙하튜브의 진공중을 낙하시키면서 응고시켜서 구상의 p형실리콘단결정으로 만들고, 그 구상 p형실리콘단결정에 반도체 집적회로의 제조기술에 적용되는 공지의 여러가지 처리와 동일한 각종 처리를 수행하여 구상태양전지소자(11)를 제작하는 것이 가능하다.
도 4에 도시한 바와 같이, 4개의 구상태양전지소자(11)는 직렬접속한 태양전지어레이(21)(광기전력:2.0~2.4V)로서 유지부재(12)의 내부에 수용되고, 전해용 양극(13)은 태양전지어레이(21)의 양극(19)에 전기적으로 접속되며, 전해용 음극(14)는 태양전지어레이(21)의 음극(18)에 전기적으로 접속되어 있다. 양극(13)은, 니켈(Ni), 철(Fe), 또는 이들의 합금으로 되는 양극본체(13a)와, 그 외면에 도금한 촉매기능이 있는 백금(Pt)의 피막(13b)로 구성되고, 음극(14)는 그 외면에 도금한 촉매기능이 있는 구리(Cu) 또는 구리합금의 피막(14b)로 구성되어 있다. 양극(13)의 양극본체(13a)는, 유지부재(12)에 내측으로 삽입되어 유리와 융착되어 액밀상태의 구조로 되고, 양극(13)의 선단부에는, 과전압저감과 반응생성물의 이탈 촉진을 위한 선단이 예리한 선예부(13c)가 형성되어 있다.
음극(14)의 음극본체(14a)는, 유지부재(12)에 내측삽입되어, 유리와 융착되어 액밀상태의 구조로 되고, 음극(14)의 선단부에 가로방향의 T형의 계지부(14d)가 형성되며, 계지부(14d)의 중단부에는 과전압저감과 반응생성물의 이탈촉진을 위한 예리한 선예부(14c)가 형성되어 있다. 계지부(14d)의 폭은 유지부재(12)의 외경과겅의 동일하여, 계지부(14d)의 높이는 유지부재(12)의 외경보다 크다.
구획부재(3)의 한쌍의 2분할체(3a,3b)를 접착하기 전에, 각 2분할체(3a,3b) 의 관통공의 내측에 절연재료제의 환상의 스페이서(22)를 세트한 상태로, 내측에서 태양전지모듈(10)을 스페이서(22)와 관통공에 관통시켜 장착하고, 그 후 2분할체(3a,3b)를 접합면(3c)에 있어서 접착한다.
다음에 이상의 광전해장치(1)의 작용에 대하여 설명한다.
본 광전해장치(1)의 상방에서 예를 들면 화살표(A)로 표시한 바와 같이, 또는 화살표(B)로 표시한 바와 같이, 또른 다른 여러방향에서, 태양광을 조사하면 태양전지모듈(10)의 각 구상태양전지소자(11)의 광기전력 발생부에서 약 0.5∼0.6V의 광기전력이 발생한다. 구상태양전지소자(11)에서는, p형실리콘 단결정(15)의 표면의 대부분을 따라 pn+접합(17)이 형성되어 있어서, 광기전력발생부에 들어온 400~100nm의 파장의 입사광을 흡수하여 효율 높은 광전변환을 수행하고, 직접 입사되는 태양광 뿐만 아니라, 용기(2)의 저면이나 그 타면에서의 반사광이나 용기(2)내에서 반사 산란를 반복한 광도 효율 높게 흡수하여 광전변환한다. 태양전지어레이(21)는 4개의 구상태양전지소자(11)를 직렬접속한 것이어서, 태양전지어레이(21)에서 약 2.0∼2.4V의 광기전력이 발생하고 음극(14)와 양극(13)에 나타난다.
산화반응실(9)에 있어서는, 양극(13)의 표면에서 물이 수소이온(H+)와 산소이온(O--)로 분해됨과 같이 산소이온이 산화되어 산소가스(O2)가 발생한다. 수소이온(H+)는, 수소이온전도형의 고분자 전해질로 구성되는 구획부재(3)를 투과하여 환원반응실(8) 내로 이동하고, 음극(14)의 표면에서는 탄소가스(C02)와 수수이온(H+)와의 환원반응이 생기고 메탄가스(CH4)가 발생한다. 산화반응실(9)에서 발생한 산소가스는, 제2도출포트(7)에서 도시하지 않은 외부가스통로로 도출되고, 환원반응실(8)에서 발생한 메탄가스는 제1도출포트(6)에서 도시하지 않은 외부의 가스통로로 도출된다.
이러한 태양전지모듈(10)에 있어서는, 구상태양전지소자(11)의 직렬접속수를 더하는 것으로 광기전력의 크기를 변환하는 것이 가능하고, 각종의 광전해장치에 적용하는 것에서 유리하다. 유지부재(12)는 투명하고, 구상태양전지소자(11)도 처음 전체의 방향에서의 입사광을 흡수하기 때문에, 태양광과 같이 입사방향이 변화하는 광을 광전변환하는 점에서 유리하다. 양극(13)과 음극(14)에 선단이 예리한 선예부(13c,14c)를 형성하여서, 과전압저감을 도모하고, 반응생성물의 이탈을 촉진하고, 전해반응을 촉진하는 것이 가능하다. 양극(13)과 음극(14)의 표면에 촉매기능이 있는 피막(13b,14b)을 형성하여서, 산화반등 및 환원반응을 촉진시킬 수 있다.
상기 광전해장치(1)에 있어서는, 용기(2)의 원통벽부(2b)와 덮개(2c)를 투명한 유리로 구성하는 것으로, 각종 방향에서의 광을 태양전지 모듈(10)로 입사시키는 것이 가능하다. 수소이온 전도형의 고분자전해질로 되는 구획부재(3)에 의하여 산화반응실(9)과 환원반응실(8)을 구획하고, 그 구획부재(3)에 태양전지 모듈(10)을 장착하여서, 구획부재(3)가 반응생성물(산소가스와 메탄가스)를 분리하는 기능과, 수소이온을 투과시키는 기능과, 복수개의 태양전지 모듈(10)을 지지하는 기능의 3기능을 가지는 것으로 되고, 광전해장치(1)의 구조가 간단화된다. 그리고 이러한 광전해장치(1)가 복수개의 태양전지 모듈(10)에서 광기전력을 발생시키는 구성이기 때문에, 상기 태양전지 모듈(10)의 작용, 효과를 다하는 것은 물론이다.
상기 실시예에서는 태양에너지에서 발생시킨 광기전력에 의하여, 물과 산소가스에서 메탄가스와 산소가스를 발생시키는 광전해장치(1)를 예로서 설명하였지만, 그 이외에, 탄소가스를 전해 환원하여, 에틸렌(CH2=CH2), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 의산(개미산)(HCOOH), 수산(COOH)2등을 발생시키는 것이 가능하다. 이러한 경우, 태양전지 모듈(10)에 있어서 구상태양전지소자(11)의 직렬접속수를 적절하게 설정하는 것으로, 태양전지어레이(21)의 광기전력의 크기를 적절하게 설정하는 것으로 하고, 음극(14) 또는 그 촉매 기능이 있는 피막(14b)을 구리 또는 구리합금제로 하는 것이 바람직하다.
[제2실시예]
도 5 내지 도 7을 참조한다. 본 실시예에 있어서의 광전해장치(30)는, 태양에너지에서 발생시킨 광기전력에 의하여 전해액으로서의 물을 전기분해하여 수소가스(H2)와 산소가스(O2)를 발생시키는 장치이다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 이러한 광전해장치(30)는, 단면원형의 용기(31)와, 그 내부를 환원반응실(32)과 산화반응실(33)로 구획하는 구획부재(34)와, 그 구획부재(34)에 관통상으로 장착되는 예를 들면 15개의 태양전지모듈(35)을 구비한다. 상기 용기(31)는 투명한 석영유리로 구성되고, 상기 용기(31)는, 저벽(31a)와 그 저벽(31a)과 일체의 원통벽부(31b)와, 상기 원통벽부(31b)의 상단을 개폐 가능하게 덮는 덮개(31c)를 구비한다. 원통벽부(31b)의 내면의 서로 대향하는 부분에는 연직의 요홈(36a)를 형성한 석영유리 또는 스텐레스제의 가이드부재(36)가 고착되어 있다. 원통형부(31b)의 하부에는 , 하나의 물공급포트(37)가 형성되고, 이러한 물공급포트(37)에는 물공급관(38)이 접속되어 있다. 원통벽부(31b)의 상단부에, 산화반응실(33)의 상단에서 산소가스를 도출하기 위한 제1도출포트(39) 및 환원반응실(32)의 상단에서 수소가스를 도출하기 위한 제2도출포트(40)가 형성되어 있다.
구획부재(34)는, 상기 실시예의 구획부재(3)과 동일하게 수소이온전도형의 고분자전해질로 박판상으로 형성되고, 한쌍의 가이드부재(36)의 요홈(36a)에 슬라이드 계합하여 장착되며, 구획부재(34)의 하단근방부분에는 물의 유통을 위한 개구공(34a)가 형성되어 있다.
15개의 태양전지 모듈(35)는, 구획부재(34)를 관통하는 상태로 5행 3열의 매트릭스 상태로 배치되고, 이들 태양전지모듈(35)의 전해용 음극(48)은 환원반응실(32) 내의 전해액에 접촉하도록 설치되고, 전해용음극(46)은 산화반응실(33)의 전해액에 접촉하도록 설치하고 있다.
도 7에 도시한 바와 같이 태양전지 모듈(35)는, 중간의 중계도체(41)와 상기 중계도체(41)을 통하여 직렬접속된 4개의 구상태양전지소자(42)로 구성되는 태양전지어레이(43)와, 상기 태양전지어레이(43)를 직렬접속상태로 하여 수용하는 석영유리관으로 구성되는 유지부재(44)와, 광전지어레이(43)의 양극(45)에 전기적으로 접속되는 전해용 양극(46)과, 태양전지어레이(43)의 음극(47)에 전기적으로 접속되는 전해용음극(48)을 구비한다.
구상태양전지소자(42)는, 상기 실시예의 구상태양전지소자(11)와 동일한 구조와 기능의 것이어서 자세한 설명은 생략한다. 구상태양전지소자(42)의 광기전력이 0.5~0.6V이어서 태양전지어레이(43)의 광기전력은 2.0∼2..4V이다. 양극(46)은, 철니켈합금제의 양극본체(46a)와, 그 선단면의 촉매 기능이 있는 백금의 피막(46b)로 구성되고, 양극(46)의 선단부에는 과전압점감용이면서 동시에 반응생성물의 이탈촉진용의 선예부(46c)가 형성되어 있다. 음극(48)은, 철니켈합금제의 음극본체(48a)와, 그 선단면의 촉매 기능이 있는 이리듐(Ir) 또는 이리듐합금의 피막(48b)으로 양극(46)과 동형상으로 구성되며, 음극(48)의 선단부에는 과전압저감용이면서 반응생성물의 이탈촉진용의 선예부(48c)가 형성되어 있다. 그리고 중계도체(41)도 철니켈합금제의 것이다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 각 태양전지모듈(35)는 구획부재(34)에 형성된 광통공에 관통하고, 길이방향의 중앙부가 구획부재(34)의 위치에 위치하도록 장착되며, 양극(46)이 산화반응실(33)에 노출되고, 음극(46)이 환원반응실(32)에 노출되는 상태로 되어 있다.
이러한 광전해장치(30)의 작용에 대하여 설명한다.
이와 같은 광전해장치(30)의 상방에서 예를 들면 화살표(C)로 도시한 바와 같이, 또는 화살표(D)로 도시한 바와 같이, 또는 다른 방향에서 태양광을 조사하면 태양전지모듈(35)의 각 구상태양전지소자(42)의 광기전력발생부에서 약 0.5~0.6V의 광기전력이 발생히고, 태양전지어레이(43)에서는 약 2.0~2.4V의 광기전력이 발생하며, 양극(46)과 음극(48)에 나타난다. 산화반응실(33)에 있어서는, 양극(46)의 표면에서 물이 수소이온(H+)과 산소이온(O--)로 분해됨과 같이 산소이온이 산화되어 산소가스(O2)를 발생한다. 수소이온(H+)는, 수소이온전도형의 고분자 전해질로 되는 구획부재(34)를 토과하여 환원반응실(32) 내로 이동하고, 음극(48)의 표면에서는 수소이온(H+)의 환원반응이 생겨서 수소가스(H2)가 발생한다. 산화반응실(33)에서 발생한 산소가스는, 제1도출포트(39)에서 도시하지 않은 외부의 가스통로로 도출되고, 환원반응실(32)에서 발생한 수소가스는 제2도출포트(40)에서 도시하지 않은 외부가스통로로 도출된다.
이러한 광전해장치(3O)의 태양전지모듈(35)는, 상기 제1실시예의 태양전지모듈(10)과 동일한 작용, 효과를 가지는 이외에, 유지부재(44)의 길이방향 중앙부분에 중계도체(41)를 조립하고 있어서, 유지부재(44)의 강도, 강성을 높이는 면에서 유리하고, 태양전지모듈(35)를 구획부재(34)에 장착하는 점에서 유리하다. 그리고 중계도체(41)의 길이를 변경하여 구상태양전지소자(42)의 직렬접속수를 변경하는 것도 가능하다. 단 중계도체(41)는 필수적인 것은 아니어서 생략할 수도 있다. 이러한 광전해장치(30)에 있어서는 한쌍의 가이드부재(36)의 요홈(36a)를 통하여 구획부재(34)를 착탈 가능하게 장착하고 있기 때문에, 구획부재(34)와 같이 태양전지모듈(35)를 분리하는 것이 가능하기 때문에, 태양전지모듈(35)의 유지면에서 유리하다.
[제3실시예]
도 8을 참조하면, 본 실시예에서의 광전해장치(50)는, 상기 제2실시예와 동일하게 태양에너지에서 발생하는 광기전력에 의한 전해액으로서의 물을 전기분해하여 수소가스(H2)와 산소가스(O2)를 발생시키는 장치이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 상기 광전해장치(50)는, 예를 들면 스텐레스강판제의 상자형의 용기(51)와, 용기(51)의 상단을 개폐 가능하게 덮고 있는 투명한 유리제의 덮개(52)와, 용기(51)의 내부를 6개의 반응실(53a,53b)로 구획하는 5매의 구획판(54)(구획부재)와, 각 구획판(54)에 장착된 예를 들면 21개의 태양전지모듈(55)와, 물공급관(56)과, 산소가스도출관(57)과 수소가스도출관(58) 등을 구비한다. 용기(51)의 전후의 측벽의 내면 가운데, 구획판(54)를 장착하는 5개소에는, 구획판(54)을 장착하기 위한 유리제 또는 스텐레스제의 가이드부재(56)로서, 상기 실시예의 2개의 가이드부재(36)와 동일한 5쌍의 가이드부재(56)가 대향하도록 고정장착되어 있다. 각 구획판(54)는 한쌍의 가이드부재(56)의 요홈에 기밀상태로 계합시는 것으로 분리 가능하게 장착된다. 용기(51)의 상단부에는 프랜지(51a)가 일체로 성형되어 있다. 덮개(52)의 하면에는 프랜지(51a)에 대응하는 실링재와 5개의 구획판(54)에 대응하는 실링재가 접착되어 고정되어 있으며, 덮개(52)가 플랜지(51a)에 고정 해제 가능하게 고정되어 있다.
구획판(54)의 하단부의 전단부에는, 물의 통과를 위한 절취부(54a)가 형성되고, 6개의 반응실(53a,53b)은 절취부(54a)를 통하여 연통하고 있다.
각 구획판(54)는, 상기 실시예에서의 구획부재(3,34)와 동일하게 수소이온전도형의 고분자 전해질로 박판상으로 형성되고, 6개의 반응실(53a,53b)는 환원반응실(53a)와 산화반응실(53b)가 교호로 위치하도록 배치된다.
상기 소수가스도출관(58)은 3개의 환원반응실(53a)의 상단부의 기상부에 접속되고, 산소가스도출관(57)은 3개의 산화반응실(53b)의 상단부의 기상부에 접속되어 있다. 각 구획판(54)에는 상기 제2실시예의 태양전지모듈(35)와 동일한 구조이고 동일한 기능의 21개의 태양전지 모듈(55)가 관통상이면서 매트릭스 형상으로 장착되어, 이들 태양전지 모듈(55)의 전해용 음극이 환원반응실(53a)의 전해액 내에 노출되고, 전해용 양극은 산화반응실(53b)의 전해액 내에 노출하도록 부착되어 있다.
이러한 광전해장치(50)의 기능에 대하여 설명한다.
용기(51) 내에 전해액으로서의 물을 소정 레벨까지 저축한 상태에 있어서, 광전해장치(50)의 상방에서 화살표(E)로 보인 태양광이 조사되면, 각 태양전지모듈(55)에서 2.0~2.4V의 광기전력이 발생하여서, 상기 제2실시예와 동일하게 환원반응실(53a)에서는 음극의 표면에서 수소가스가 발생하고, 산화반응실(53b)에서는 양극의 표면에서 산소가스가 발생한다. 수소가스는 수소가스 도출관(58)에 의하여 수소가스 수용탱크로 공급되고, 산소가스는 산소가스 도출관(57)에 의하여 산소가스스용탱크로 공급된다.
이러한 광전해장치(50)에 있어서는, 환원반응실(53a)에 다수개의 태양전지모듈(55)의 음극을 배치할 수 있고, 산화반응실(53b)에 다수개의 태양전지모듈(55)의 양극을 배치할 수 있기 때문에, 대용량의 광전해장치로 하는 것이 적합하다. 스텐레스재의 용기(51)의 측면과 저면에서 반사된 광을 전해액 중으로 도입할 수 있다. 구획판(54)과 공통으로 태양전지모듈(55)을 분리하는 것도 가능하기 때문에, 태양전지모듈(55)의 세정 등의 관리를 행할 때 유리하다. 이러한 광전해장치(50)의 태양전지모듈(55) 자체는 상기 실시예의 태양전지모듈(10,35)와 거의 동일한 작용, 효과를 가진다.
본 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서, 이상의 제1 내지 제3실시예를 부분적으로 변경하는 것에 대하여 설명한다.
1) 구상태양전지소자(1)에 있어서 P형실리콘 단결정(15)와 n+확산층(16) 대신에, N형실리콘 단결정과 p+형확산층을 설치하는 것도 가능하다. 구상결정을 구성하는 반도체로서 실리콘 단결정 대신에 게르마늄(Ge), 규소와 게르마늄의 혼정(Si-Ge), 탄화규소(SiC), 비화갈륨(GaAs), 인듐인(InP) 등의 반도체의 단결도 혹은 다결정을 적용하는 것도 가능하다.
2) 상기 광전해장치(1,30,5O)은, 상기 실시예에에 한정되는 것은 아니고, 여러가지 전해액의 전해에 제공되는 광전해장치에 본 발명의 태양전지모듈과 광전해장치를 적용하는 것도 가능하다. 이러한 경우, 소요 전해전압에 대하여 구상태양전지소자(11)의 직렬접속수를 적절하게 설정하는 것으로 태양전지 모듈의 광기전력이 적절하게 설정될 수 있다.
3) 전해용 음극, 양극의 재질도 상기와 같은 것에 한정되는 것은 아니다. 양극이나 음극에 형성되는 선단이 예리한 선예부(13c,14c,46c,48c)는 필수적인 것이 아니어서 생략할 수 있다. 양극의 표면의 촉매 기능이 있는 피막이나 음극의 표면의 촉매 기능이 있는 피막의 재질도 상술한 것에 한정되는 것은 아니고 반응생성물에 대응하는 기능재료를 사용하는 것으로 한다.
4) 상기 구획부재(3,34)나 구획판(54)는, 상기 이외의 수소이온전도형의 고분자전해질로 구성하거나, 반응생성물에 대한 양이온전도형의 고분자 전해질이나 음이온전도형의 고분자전해질로 구성하는 것도 가능하다. 구획부재(3,34)나, 구획판(54)에 전해액유통개구(개구공(34a), 절취부(54a)에 상당하는 것)을 형성하는 경우에는, 그 전해액 유통개구를 통하여 전해액 중의 이온이 이동하기 때문에 구획부재(3,34)나 구획판(54)를 반드시 이온전도형의 고분자 전해질로 구성할 필요는 없고, 전해반응으로 생성되는 가스를 분해하는 기능이 있는 가스분리재료로 구성하여도 좋다. 예를 들면 전해반응에서 생성되는 수소가스와 산소가스를 분리하는 경우에는, 폴리우레탄 또는 폴라카보네이트 등의 가스분리재료로 구성하여도 된다. 그리고 태양전지모듈은 소형이면서도 경량의 것이어서, 구획부재(3,34)나 구획판(54)는 반드시 판상으로 구성할 필요는 없고, 하나 또는 복수개의 가스분리기능이 있는 막체로 구성하는 것도 가능하고, 그 막체와 막체의 외주부를 지지하는 금속제 또는 합성수지재 또는 유리제의 프레임으로 구성하여도 좋다.
이와 같은 본 발명에 의하면 복수개의 독립의 입상의 구상태양전지 소자를 이용한 태양전해장치용 태양전지 모듈을 제공하는 것이 가능하게 되고, 범용성이 우수한 광전해장치용 태양전지모듈을 에너지 분야에 제공하는 것이 가능하게 된다.

Claims (9)

  1. 복수개의 구상태양전지소자와, 상기 구상태양전지소자를 전기적으로 직렬접속한 상태로 수용하여 유지하는 투명한 통상의 유지부재와, 상기 유지부재의 양단부에 액밀상태로 장착되고 유지부재 외로 노출된 한쌍의 전해용전극을 구비하고,
    상기 구상태양전지소자의 각각은, p형 또는 n형의 구상반도체결정과, 상기 구상반도체결정의 표면부에 형성된 pn접합을 포함하는 광기전력발생부와, 상기 광기전력발생부에서 발생한 광기전력을 취출하기 위한 구상의 반도체결정의 중심에 대하여 대칭인 양단부에 형성된 한쌍의 전극을 구비하고,
    전해액 중에 침적한 상태로 태양광에 의한 광기전력으로 전해액의 전해에 적용되는 것을 특징으로 하는 광전해장치용 태양전지모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 구상태양전지소자의 수는, 광기전력이 발생하는 광기전력의 전압과 전해액의 필요 전해압력에 대응하여 설정하는 것을 특징으로 하는 광전해장치용 태양전지모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 한쌍의 전해용 전극의 각각의 표면에, 전해반응을 촉진하는 촉매 기능이 있는 금속피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 광전해장치용 태양전지모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전해용 전극의 전해액과 접하는 부위에, 과전압저감과 전해에 의한 반응생성물의 이탈을 촉진하기 위한 선단이 예리한 선예부를 형성하는 것을 특징으로 하는 광전해장치용 태양전지모듈.
  5. 내부에 전해액을 수용하고 내부에 태양광을 도입 가능한 용기와,
    상기 용기내에 전해액에 침적한 상태로 배치되며 태양광을 수광하여 광기전력을 발생하는 복수개의 태양전지모듈과,
    상기 태양전지모듈의 전해용 양극과 전해용 음극 사이를 양전극에서 생성되는 반응생성물을 분리 가능하도록 분리하고, 상기 복수개의 태양전지모듈이 관통상으로 장착되는 구획부재;
    상기 구획부재에 의하여 구획된 용기의 내부로 전해액을 보충하기 위한 전해액 공급수단;
    상기 태양전지모듈의 전해용 양극에서 생성되는 생성물을 외부로 안내하는 제1안내수단;
    상기 태양전지모듈의 전해용 음극에서 생성되는 생성물을 외부로 안내하는 제2안내수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전해장치.
  6. 제5항에 있어서,
    각 태양전지모듈은,
    p형 또는 n형의 구상반도체 결정과, 상기 구상반도체결정의 표면부에 형성된 pn접합을 포함하는 광기전력발생부와, 상기 광기전력발생부에서 발생한 광기전력은 취출하기 위한 구상반도체결정의 중심에 대하여 대칭인 양단부에 형성된 한쌍의 전극을 각각 구비하는 복수개의 구상태양전지소자와,
    상기 구상태양전지소자를 전기적으로 직렬 접속한 상태로 수용하여 유지하는 투명한 통상의 유지부재와,
    상기 유지부재의 양단부에 액밀상태로 장착되어 전해액 중에 노출된 전해용 양극과 전해용 음극을 구비하는 것을 특징으로 하는 광전해장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 용기 내부로 적어도 상방에서 태양광을 조사 가능하게 구성하는 것을 특징으로 하는 광전해장치.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 구획부재는 고분자 전해질로 구성되는 것을 특징으로 하는 광전해장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고분자전해질이 수소이온전도체인 것을 특징으로 하는 광전해장치.
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