(57)【要約】  【課題】  半導体を含む電極に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成量を抑制または停止させることが可能な水素生成装置、並びにそれを用いた水素生成方法及びエネルギーシステムを提供する。  【解決手段】  半導体を含む第１の電極９６２、対極９６４、並びに第１の電極９６２及び対極９６４に挟まれた位置にあり、電解質を収容するための空間部を有し、第１の電極９６２に光が照射されることにより水素を発生するセル９６０と、セル９６０内における水素の発生が抑制または停止するように第１の電極９６２と対極９６４との間に電圧を印加するための電圧印加部９７０を有し、第１の電極９６２及び対極９６４を電気的に接続する外部回路とを備える。【選択図】  図１３
2010168608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体を含む第１の電極、
対極、並びに
前記第１の電極及び前記対極に挟まれた位置にあり、電解質を収容するための空間部を有し、
前記第１の電極に光が照射されることにより水素を発生するセルと、
前記セル内における水素の発生が抑制または停止するように前記第１の電極と前記対極との間に電圧を印加するための電圧印加部を有し、
前記第１の電極及び前記対極を電気的に接続する外部回路とを備える水素生成装置。
【請求項２】
前記外部回路が、
前記第１の電極と前記対極との間に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器により検出された電流値に基づき、前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加される電圧を制御する電圧制御部とをさらに有する、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記外部回路が、
前記外部回路を流れる電流の方向を、前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加される電圧が０Ｖのときに流れる方向に整流する整流部をさらに有する、請求項１または２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
請求項１に記載の水素生成装置を用い、
（Ａ）前記第１の電極に光を照射して前記セル内に水素を発生させる工程、及び
（Ｂ）前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に電圧を印加して、前記セル内における水素の発生を抑制または停止させる工程を含む水素生成方法。
【請求項５】
請求項２に記載の水素生成装置を用い、
（Ａ）前記第１の電極に光を照射して前記セル内に水素を発生させる工程、
（Ｂ）前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加される電圧を、前記電圧制御部を用いて変化させながら、前記電流検出器により前記第１の電極と前記対極との間に流れる電流を検出する工程、
（Ｃ）前記工程Ｂにおける検出結果に基づき、前記セル内における水素の発生を抑制または停止させるために前記第１の電極と前記対極との間に印加する電圧を決定する工程、
（Ｄ）前記工程Ｄにより決定された電圧を前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加して、前記セル内における水素の発生を抑制または停止させる工程を含む水素生成方法。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素生成装置、
前記水素生成装置における前記セルと配管により接続され、前記セル内において生成した水素を貯蔵するための水素貯蔵器、及び
前記水素貯蔵器と配管により接続され、前記水素貯蔵器において貯蔵された水素を電力に変換する燃料電池を備えたエネルギーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射により水素を生成する水素生成装置、並びにそれを用いた水素生成方法及びエネルギーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体電極及び対極を電解液と接触させ、半導体電極と対極とを負荷抵抗を介して電気的に接続した状態において、半導体電極に光を照射することにより、水が分解されて水素と酸素が発生することが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
特許文献１には、半導体電極としてｎ型半導体を用い、対極としてクラスター状炭素またはクラスター状炭素を被覆した電極を用いることにより、光エネルギーのみにより水素及び酸素を生成することが可能な装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、半導体電極としてｎ型半導体を用い、半導体電極及と対極との間に外部電源を用いて電圧を印加するとともに半導体電極に光を照射することにより、水素及び酸素を生成することが可能な装置が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、光触媒を含有するプロトン生成部、電流検出器、電子蓄積部、スイッチ、水素生成部、及びプロトン伝導部が閉じたサイクルを形成するようにこの順に接続され、さらにプロトン伝導部と接続されたプロトン蓄積部を備えた装置が開示されている。
【０００６】
また、従来、太陽光及び光触媒として機能する半導体によって水を電気分解して水素を発生させる水素生成装置と、水素生成装置において発生した水素を貯蔵する水素貯蔵部と、水素貯蔵部に貯蔵された水素を電力に変換する燃料電池とを備えたエネルギーシステムが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平７−７３９０９号公報
【特許文献２】特開昭５１−１２３７７９号公報
【特許文献３】特開２００７−３９２９８号公報
【特許文献４】特開２０００−３３３４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の発電システムにおいて、長期に電力が不要な場合、例えば、発電システムが家庭に設置され、長期に留守にする場合には、燃料電池の運転が停止される。しかし、水素生成装置に光が照射される限り水素生成は引き続き行われるので、水素貯蔵器における水素の貯蔵量が許容量の上限に達するおそれがある。
【０００８】
特許文献３に記載の装置においては、水素を生成するに必要がない場合、電子蓄積部と水素生成部との間に設けられたスイッチをオフにすることにより、水素生成部への電子及びプロトンの供給が停止するため、水素生成部における水素の生成が停止される。しかし、プロトン生成部への光照射により生成したプロトン及び電子を蓄積しておくために、電子蓄積部及びプロトン蓄積部が必要となるので、装置構成が複雑になる。
【０００９】
また、特許文献１または２に記載の装置において、半導体電極と対極との間の電気的な接続を単に遮断した場合は、対極におけるガスの発生を停止させることはできる。しかし
、半導体電極に光が照射されていると、半導体電極において水素と酸素の両方が発生するおそれがある。
【００１０】
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑み、半導体を含む電極に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成量を抑制または停止させることが可能な水素生成装置、並びにそれを用いた水素生成方法及びエネルギーシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、
半導体を含む第１の電極、
対極、並びに
前記第１の電極及び前記対極に挟まれた位置にあり、電解質を収容するための空間部を有し、
前記第１の電極に光が照射されることにより水素を発生するセルと、
前記セル内における水素の発生が抑制または停止するように前記第１の電極と前記対極との間に電圧を印加するための電圧印加部を有し、
前記第１の電極及び前記対極を電気的に接続する外部回路とを備える。
【００１２】
また、本発明の水素生成方法は、
上記水素生成装置を用い、
（Ａ）前記第１の電極に光を照射して前記セル内に水素を発生させる工程、及び
（Ｂ）前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に電圧を印加して、前記セル内における水素の発生を抑制または停止させる工程を含む。
【００１３】
また、本発明の水素生成方法は、
上記水素生成装置を用い、
（Ａ）前記第１の電極に光を照射して前記セル内に水素を発生させる工程、
（Ｂ）前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加される電圧を、前記電圧制御部を用いて変化させながら、前記電流検出器により前記第１の電極と前記対極との間に流れる電流を検出する工程、
（Ｃ）前記工程Ｂにおける検出結果に基づき、前記セル内における水素の発生を抑制または停止させるために前記第１の電極と前記対極との間に印加する電圧を決定する工程、
（Ｄ）前記工程Ｄにより決定された電圧を前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加して、前記セル内における水素の発生を抑制または停止させる工程を含む。
【００１４】
また、本発明のエネルギーシステムは、
上記水素生成装置、
前記水素生成装置における前記セルと配管により接続され、前記セル内において生成した水素を貯蔵するための水素貯蔵器、及び
前記水素貯蔵器と配管により接続され、前記水素貯蔵器において貯蔵された水素を電力に変換する燃料電池を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の水素生成装置、並びにそれを用いた水素生成方法及びエネルギーシステムによると、半導体を含む電極に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成量を抑制または停止させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の水素生成装置は、半導体を含む電極と対極との間に電圧を印加することによりセル内における水素の発生を抑制または停止する手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の水素生成装置は、
半導体を含む第１の電極、
対極、並びに
前記第１の電極及び前記対極に挟まれた位置にあり、電解質を収容するための空間部を有し、
前記第１の電極に光が照射されることにより水素を発生するセルと、
前記セル内における水素の発生が抑制または停止するように前記第１の電極と前記対極との間に電圧を印加するための電圧印加部を有し、
前記第１の電極及び前記対極を電気的に接続する外部回路とを備える。
【００１８】
上記構成によって、電圧印加部を用いて第１の電極と対極との間に電圧（電位差）を印加することによりセル内における水素の発生が抑制または停止するので、第１の電極に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成量を抑制または停止させることができる。
【００１９】
図１及び図２に、半導体を含み、表面に半導体が露出した電極と対極とが電解質溶液中に浸漬された状態におけるエネルギーバンド図を示す。図１は、ｎ型半導体の場合、図２は、ｐ型半導体の場合である。
【００２０】
半導体を含み、表面に半導体が露出した電極を電解質溶液に浸漬すると、半導体と電解質溶液との界面において、半導体の表面付近に空間電荷層が生じる。このとき、半導体に対して、半導体のバンドギャップと同等またはバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を照射すると、電子及び正孔がそれぞれ上下のバンド、すなわち伝導帯及び価電子帯に生じる。空間電荷層内では、光照射により生じた電子と正孔はバンドの勾配に沿って互いに反対の方向に移動する。
【００２１】
半導体を含む電極と対極とを負荷抵抗を介して電気的に接続すると、ｎ型半導体の場合、半導体表面側に正孔が移動し、対極側に電子が移動する。一方、ｐ型半導体の場合は、半導体表面側に電子が移動し、対極側に正孔が移動する。このとき、半導体を含む電極と対極との間には、半導体のフラットバンド電位Ｖｆｂとフェルミ準位ＥＦとの差に相当する起電力が生じる。
【００２２】
半導体として電解質溶液に対して安定な材料であるｎ型半導体を用いた場合、半導体と電解質溶液との界面では、下記反応式（化１）により水が分解され、酸素が発生する。
【００２３】
【化１】
2010168608.tif 000003
【００２４】
対極では、下記反応式（化２）により、水素が発生する。
【００２５】
【化２】
2010168608.tif 000004
【００２６】
一方、半導体として電解質溶液に対して安定な材料であるｐ型半導体を用いた場合は、半導体と電解質溶液との界面において（化２）に示す反応により水素が発生し、対極において（化１）に示す反応により酸素が発生する。
【００２７】
ｎ型半導体を用いる場合、半導体を含む電極と対極との間に、半導体を含む電極側が負になるように電圧を印加すると、空間電荷層におけるバンドの曲がりが緩和されるので、光によって生じた電子及び正孔が再結合することにより消滅する割合が増加する。これにより、半導体を含む電極と対極との間に流れる電流が減少するので、対極における水素の発生が抑制される。半導体を含む電極と対極との間に、半導体のフラットバンド電位Ｖｆｂとフェルミ準位ＥＦとの差に相当する電圧が印加されると、半導体がフラットバンド状態となる。このとき、半導体を含む電極と対極との間に流れる電流がゼロとなるので、対極における水素の発生を停止することができる。
【００２８】
一方、ｐ型半導体を用いる場合は、半導体を含む電極と対極との間に、半導体を含む電極側が正になるように電圧を印加することにより、半導体を含む電極における水素の発生を抑制することができる。半導体を含む電極と対極との間に印加される電圧を、半導体のフラットバンド電位Ｖｆｂとフェルミ準位ＥＦとの差に相当する電圧にすると、半導体を含む電極における水素の発生を停止することができる。
【００２９】
上記第１の電極に含まれる半導体としては、チタン、タングステン、鉄、タンタル、カドミウム、銅、ガリウム及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の酸化物（オキサイド）、酸窒化物（オキシナイトライド）、窒化物（ナイトライド）、硫化物（サルファイド）、酸硫化物（オキシサルファイド）を用いることができる。この中では、上記第１の電極に含まれる半導体が酸化物であることが好ましい。上記第１の電極に含まれる半導体が酸化物であると、水の分解反応に対する過電圧を小さくすることができる。上記第１の電極に含まれる半導体は、チタン、タングステン、鉄、タンタル、ガリウム及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の酸化物、酸窒化物、または窒化物を複数種類含んでいてもよい。
【００３０】
本発明において、上記第１の電極に含まれる半導体としては、水を分解して水素を発生させるため、伝導帯準位伝導体のバンドエッジの準位が水素イオンの還元準位（０ｅＶ）以下であって、かつ価電子帯のバンドエッジの準位が水の酸化電位（１．２３ｅＶ）以上であることが好ましい。具体的には、例えば、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、Ta3N5、TaON、GaN、CdS、Cu2O）が挙げられる。
【００３１】
本発明における第１の電極においては、導電体と半導体とが接触した構造を含んでいることが好ましい。導電体としては、半導体との接触がオーミック接触となるものであることが好ましい。例えば、金属、またはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＦＴＯ（Ｆ  ｄｏｐｅｄ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）などの導電性材料を用いることができる。
【００３２】
第１の電極における導電体の部分のうち、半導体に被覆されない部分は、絶縁体によって被覆されることが好望ましい。絶縁体としては、例えば、樹脂を用いることができる。このようにすると、第１の電極における導電体の部分が電解質溶液内に溶解するのを防ぐ
ことができる。
【００３３】
また、対極としては、過電圧の小さい材料を用いることが好ましい。第１の電極に含まれる半導体がｎ型半導体である場合には対極において水素が発生するので、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅなどが挙げられる。一方、第１の電極に含まれる半導体がｐ型半導体である場合には対極において酸素が発生するので、Ｎｉ、Ｐｔなどが挙げられる。
【００３４】
また、電圧印加部によって第１の電極と対極との間に印加される電圧は、固定電圧であっても、可変電圧であってもよい。このうち、電圧印加部によって印加される電圧が可変電圧であることが好ましい。電圧印加部によって印加される電圧が可変電圧であれば、セル内における水素の発生を抑制する度合いを制御することができる。電圧印加部は、電源を備えていることが好ましい。電源としては、例えば、電池が挙げられる。
【００３５】
また、  前記外部回路が、
前記第１の電極と前記対極との間に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器により検出された電流値に基づき、前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加される電圧を制御する電圧制御部とをさらに有していてもよい。
【００３６】
電解質溶液と接触している半導体のフラットバンド電位は、電解質溶液のｐＨ変化、半導体自身の劣化等に依存して変動する。したがって、セル内における水素生成を所定量に抑制または停止させるために印加することが必要な第１の電極−対極間の電圧は、電解質溶液のｐＨ変化、半導体自身の劣化等により変動するおそれがある。
【００３７】
そこで、上記の構成によると、電圧制御器により第１の電極−対極間に印加する電圧を変化させ、そのときに第１の電極−対極間に流れる電流を、電流検出器を用いて測定することにより、セル内における水素生成を所定量に抑制または停止させるために印加することが必要な第１の電極−対極間の電圧を求めることができるので、高精度に水素の発生量を抑制または停止させることができる。
【００３８】
また、本発明の水素生成装置は、前記外部回路が、
前記外部回路を流れる電流の方向を、前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加される電圧が０Ｖのときに流れる方向に整流する整流部をさらに有していてもよい。
【００３９】
第１の電極に含まれる半導体がｎ型半導体である場合、第１の電極−対極間に、第１の電極側が負となる電圧であって、かつ半導体のフラットバンド電位Ｖｆｂとフェルミ準位ＥＦとの差に相当する電圧を超える電圧が印加されると、第１の電極−対極間に印加される電圧が０の場合とは逆の方向に電流が流れることにより、第１の電極において上記反応式（化２）により水素が発生し、対極において上記反応式（化１）により酸素が発生するおそれがある。したがって、セル内における水素生成を完全には停止させることができなくなる。
【００４０】
一方、第１の電極に含まれる半導体がｐ型半導体である場合、第１の電極−対極間に、第１の電極側が正となる電圧であって、かつ半導体のフラットバンド電位Ｖｆｂとフェルミ準位ＥＦとの差に相当する電圧を超える電圧が印加されると、第１の電極−対極間に印加される電圧が０の場合とは逆の方向に電流が流れることにより、第１の電極において上記反応式（化１）により酸素が発生し、対極において上記反応式（化２）により水素が発生するおそれがある。
【００４１】
そこで、上記の構成によると、外部回路に設けられた整流部により、第１の電極−対極間に印加される電圧が０の場合とは逆の方向には電流が流れなくなる。そのため、第１の電極−対極間に、半導体のフラットバンド電位Ｖｆｂとフェルミ準位ＥＦとの差に相当する電圧を超える電圧が印加された場合であっても、第１の電極−対極間には電流が流れなくなるので、セル内における水素生成を停止させることができる。したがって、セル内における水素生成を停止させる際に、電圧印加部により第１の電極−対極間に印加する電圧を、半導体のフラットバンド電位Ｖｆｂとフェルミ準位ＥＦとの差に相当する電圧に精密に制御する必要がなくなる。電圧印加部により第１の電極−対極間に印加する電圧を、半導体のフラットバンド電位Ｖｆｂとフェルミ準位ＥＦとの差に相当する電圧以上に制御すれば、セル内における水素生成を確実に停止させることができる。
【００４２】
本発明において、整流部としては、電流の方向を一方の方向に整流することができる素子であれば、公知の素子を用いることができる。整流部としては、例えば、ダイオードが挙げられる。
【００４３】
本発明の水素生成方法は、上記水素生成装置を用い、
（Ａ）前記第１の電極に光を照射して前記セル内に水素を発生させる工程、及び
（Ｂ）前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に電圧を印加して、前記セル内における水素の発生を抑制または停止させる工程を含む。
【００４４】
この方法によると、電圧印加部を用いて第１の電極と対極との間に電圧を印加することによりセル内における水素の発生が抑制または停止するので、第１の電極に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成量を抑制または停止させることができる。
【００４５】
また、本発明の水素生成方法は、請求項２に記載の水素生成装置を用い、
（Ａ）前記第１の電極に光を照射して前記セル内に水素を発生させる工程、
（Ｂ）前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加される電圧を、前記電圧制御部を用いて変化させながら、前記電流検出器により前記第１の電極と前記対極との間に流れる電流を検出する工程、
（Ｃ）前記工程Ｂにおける検出結果に基づき、前記セル内における水素の発生を抑制または停止させるために前記第１の電極と前記対極との間に印加する電圧を決定する工程、
（Ｄ）前記工程Ｄにより決定された電圧を前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加して、前記セル内における水素の発生を抑制または停止させる工程を含んでいてもよい。
【００４６】
上記の構成によると、電圧制御器を用いて、電圧印加部により第１の電極−対極間に印加される電圧を変化させ、そのときに第１の電極−対極間に流れる電流を、電流検出器を用いて測定することにより、セル内における水素生成を所定量に抑制または停止させるために印加することが必要な第１の電極−対極間の電圧を求めることができるので、高精度に水素の発生量を抑制または停止させることができる。
【００４７】
本発明のエネルギーシステムは、上記水素生成装置、
前記水素生成装置における前記セルと配管により接続され、前記セル内において生成した水素を貯蔵するための水素貯蔵器、及び
前記水素貯蔵器と配管により接続され、前記水素貯蔵器において貯蔵された水素を電力に変換する燃料電池を備えている。
【００４８】
水素生成装置に光が照射されている状態において燃料電池による発電が停止された場合
、水素貯蔵器における水素の貯蔵量が許容量の上限に達するおそれがある。水素生成装置による水素の生成が停止されない場合、例えば、水素貯蔵器において貯蔵されている水素を消費するために、燃料電池を再起動させ、電力及び熱を廃棄するシステムが必要となる。
【００４９】
しかし、上記の構成によると、電圧印加部を用いて第１の電極と対極との間に電圧を印加することにより水素生成装置における水素の発生が停止するので、第１の電極に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成を停止させることができる。また、電圧印加部を用いて第１の電極と対極との間に電圧を印加することにより水素生成装置における水素の発生を停止させている間は、第１の電極−対極間には電流が流れることがないので電力を消費しない。したがって、低コストであるエネルギーシステムを提供することができる。
【００５０】
本発明のエネルギーシステムは、前記水素貯蔵器内に貯蔵された水素の量を検知するための手段、及び前記水素量検知手段の出力に基づき、前記水素生成装置における前記電圧印加部により前記第１の電極と前記対極との間に印加される電圧を制御する制御部をさらに備えていてもよい。
【００５１】
上記の構成によると、水素量検知手段の出力に基づき、水素貯蔵器における水素の貯蔵量が許容量の上限に達したことを検知することができる。そこで、水素量検知手段の出力に基づき、制御部が電圧印加部を制御して、前記第１の電極と前記対極との間に電圧を印加することにより、水素貯蔵器における水素の貯蔵量が許容量の上限を超える前に、水素生成装置による水素の生成を停止させることができる。
【００５２】
本発明において、水素量検知手段としては、例えば、圧力計、燃料電池反応を利用したセンサーが挙げられる。
【００５３】
本発明のエネルギーシステムは、前記燃料電池により変換された電力を蓄える蓄電池をさらに備えていてもよい。また、前記蓄電池が、前記水素生成装置における第１の電極−対極間に電圧を供給するための２つの出力端子を備えていてもよい。このとき、前記蓄電池の２つの出力端子のうち、第１の出力端子が第１の電極と電気的に接続され、第２の出力端子が対極と電気的に接続されており、第１の出力端子−第１の電極間及び第２の出力端子−対極間のうち少なくとも一方に、可変抵抗が直列に接続されていること好ましい。このようにすると、可変抵抗における抵抗値を変化させることにより、第１の電極−対極間に印加される電圧を変化させることができる。ここで、蓄電池及び可変抵抗は、本発明における電圧印加部に相当する。
【００５４】
以下、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。
【００５５】
（実施の形態１）（固定電圧が印加される場合）
まず、本発明の実施の形態１に係るエネルギーシステムの構成について、図３〜図６を用いて説明する。図３は本発明の実施の形態１におけるエネルギーシステムの構成を示す概略図、図４は上記エネルギーシステム内の水素生成装置におけるセル１０２の構成を示す概略断面図、図５は上記エネルギーシステム内の水素生成装置における制御装置の構成を示すブロック図、及び図６は上記制御装置における電圧印加部の構成を示す回路図である。
【００５６】
図３に示すように、本実施の形態におけるエネルギーシステム１００は、水素生成装置１１０と、水素貯蔵器１３０と、燃料電池１４０と、蓄電池１５０とを備えている。
【００５７】
水素生成装置１１０は、セル１０２と、制御装置１２０とを備えている。図４に示すように、セル１０２は、筐体１０４と、セパレータ１０６と、第１の電極１０８と、対極１０９とを備えている。筐体１０４の内部は、セパレータ１０６によって第１室１１２及び第２室１１４の２室に分離されている。第１室１１２及び第２室１１４には、水を含む電解質１０１がそれぞれ収容されている。
【００５８】
第１室１１２内には、電解質１０１と接触する位置に第１の電極１０８が配置されている。第１の電極１０８の表面の少なくとも一部にはｎ型半導体の領域が設けられており、このｎ型半導体の領域が電解質１０１と接触するように第１の電極１０８が配置されている。また、第１室１１２は、第１室１１２内で発生した酸素を排気するための第１の排気口１１６及び第１室１１２内に水を供給するための給水口１１７を備えている。筐体１０４のうち、第１室１１２内に配置された第１の電極１０８の表面のｎ型半導体の領域と対向する部分（以下、光入射部１０５と略称する）は、太陽光等の光を透過させる材料で構成されている。
【００５９】
一方、第２室１１４内には、電解質１０１と接触する位置に対極１０９が配置されている。また、第２室１１４は、第２室１１４内で発生した水素を排気するための第２の排気口１１８を備えている。セパレータ１０６は、電解質１０１を透過させ、第１室１１２及び第２室１１４内で発生した各ガスを遮断する機能を有する。
【００６０】
水素貯蔵器１３０は、第１の配管１３２によって、セル１０２の第２室１１４と接続されている。第１の配管１３２には第１の遮断弁１３４が設けられており、第１の配管１３２の一方の端は第２室１１４の第２の排気口１１８と連結されている。また、水素貯蔵器１３０には、水素貯蔵器１３０内の圧力を計測するための圧力計１３６が設けられている。水素貯蔵器１３０としては、例えば、水素生成装置１１０において生成された水素を圧縮するコンプレッサーと、コンプレッサーにより圧縮された水素を貯蔵する高圧水素ボンベから構成することができる。
【００６１】
燃料電池１４０は、発電部１４２と、発電部１４２を制御するための燃料電池制御部１４４とを備えている。燃料電池１４０は、第２の配管１４６によって、水素貯蔵器１３０と接続されている。第２の配管１４６には、第２の遮断弁１４８が設けられている。燃料電池１４０としては、例えば、固体高分子電解質型燃料電池を用いることができる。
【００６２】
蓄電池１５０の正極及び負極は、燃料電池１４０における発電部１４２の正極及び負極と、第１の配線１５２及び第２の配線１５４によって、それぞれ電気的に接続されている。蓄電池１５０には、蓄電池１５０の残存容量を計測するための容量計測部１５６が設けられている。蓄電池１５０としては、例えば、リチウムイオン電池を用いることができる。
【００６３】
図５に示すように、制御装置１２０は、電圧印加部２００、中央演算装置（以下、ＣＰＵと略称する）２０２、第１の端子２１０、及び第２の端子２１２を備えている。ここで、制御装置１２０の第１の端子２１０はセル１０２の第１の電極１０８と電気的に接続され、第２の端子２１２はセル１０２の対極１０９と電気的に接続されている。ここで、ＣＰＵ２０２は本発明における電圧制御部に相当する。
【００６４】
図６に示すように、電圧印加部２００は、例えば、第３の端子３１０、第４の端子３１２、第１の抵抗３２０、第２の抵抗３２２、第３の抵抗３２４、第１のスイッチ３３０、第２のスイッチ３３２、及び第３のスイッチ３３４により構成される。ここで、電圧印加部２００の第３の端子３１０は蓄電池１５０の負極と電気的に接続され、第４の端子３１
２は蓄電池１５０の正極と電気的に接続されている。
【００６５】
次に、本実施の形態に係るエネルギーシステム１００の動作について説明する。
【００６６】
まず、通常の運転時におけるエネルギーシステム１００の動作について説明する。通常運転時においては、電圧印加部２００における第１のスイッチ３３０は、第１の接点３４０側が閉じた状態になっており、第２のスイッチ３３２及び第３のスイッチ３３４はともに開いた状態になっている。そのため、水素生成装置１１０におけるセル１０２の第１の電極１０８と対極１０９は、第１の抵抗３２０を介してセル１０２の外部において電気的に接続された状態になっている。
【００６７】
水素生成装置１１０におけるセル１０２の光入射部１０５を通して、第１室１１２内に配置された第１の電極１０８の表面のｎ型半導体の領域に太陽光が照射されると、ｎ型半導体の領域において電子と正孔が生じる。このとき生じた正孔はｎ型半導体の領域の表面側に移動し、ｎ型半導体の領域の表面において上記反応式（化１）により水が分解され、酸素が発生する。一方、電子は、第１の抵抗３２０を介して第１の電極１０８と電気的に接続された対極１０９側に移動し、対極１０９の表面において上記反応式（化２）により水素が発生する。
【００６８】
第１室１１２内で発生した酸素は、第１の排気口１１６を通してセル１０２外に排気される。一方、第２室１１４内で発生した水素は、第２の排気口１１８及び第１の配管１３２を通して水素貯蔵器１３０内に供給される。
【００６９】
燃料電池１４０において発電するときには、燃料電池制御部１４４からの信号により第２の遮断弁１４８が開かれ、水素貯蔵器１３０内に貯蔵された水素が、第２の配管１４６を通して燃料電池１４０の発電部１４２に供給される。
【００７０】
燃料電池１４０の発電部１４２において発電された電気は、第１の配線１５２及び第２の配線１５４を介して蓄電池１５０内に蓄えられる。蓄電池１５０内に蓄えられた電気は、第３の配線１６０及び第４の配線１６２によって、家庭、企業等に供給される。
【００７１】
次に、水素の発生量を抑制する場合または水素の発生を停止させる場合におけるエネルギーシステム１００の動作について説明する。長時間電力の需要がない場合、蓄電池１５０の蓄電量は増加する。容量計測部１５６からの信号により、蓄電池１５０の蓄電量が許容量に達したことを燃料電池制御部１４４が検出すると、燃料電池制御部１４４は発電部１４２の運転を停止させるとともに、燃料電池制御部１４４は第２の遮断弁１４８を閉じて水素貯蔵器１３０から発電部１４２への水素の供給を停止させる。
【００７２】
水素貯蔵器１３０から発電部１４２への水素の供給が停止すると、水素貯蔵器１３０内における水素の貯蔵量が増加する。圧力計１３６からの信号により、水素貯蔵器１３０内における水素の貯蔵量が許容量に達したことを制御装置１２０が検出すると、制御装置１２０におけるＣＰＵ２０２が電圧印加部２００を制御して、セル１０２における水素の生成を停止させる。具体的には、ＣＰＵ２０２からの信号により、電圧印加部２００における第１のスイッチ３３０は、第２の接点３４２側が閉じた状態に切り替えられ、第２のスイッチ３３２及び第３のスイッチ３３４はともに閉じられる。これにより、第１の端子２１０及び第２の端子２１２を介して、セル１０２の第１の電極１０８−対極１０９間に、第１の電極１０８側が負になるように電圧が印加される。本実施の形態においては、第１の電極１０８−対極１０９間に印加される電圧が、第１の電極１０８におけるｎ型半導体のフラットバンド電位Ｖｆｂとフェルミ準位ＥＦとの差に相当する電圧となるように、第２の抵抗３２２及び第３の抵抗３２４の抵抗値が設定されている。電圧の印加により第１
の電極１０８におけるｎ型半導体がフラットバンド状態となるため、第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流がゼロとなり、対極１０９における水素の発生を停止させることができる。
【００７３】
制御装置１２０におけるＣＰＵ２０２が電圧印加部２００を制御して、セル１０２における水素の生成を停止させるとともに、制御装置１２０は第１の遮断弁１３４を閉じる。
【００７４】
本実施の形態に係るエネルギーシステム１００によると、電圧印加部２００を用いて第１の電極１０８と対極１０９との間に固定電圧を印加することにより水素生成装置１１０における水素の発生が停止するので、第１の電極１０８に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成を停止させることができる。また、電圧印加部２００を用いて第１の電極１０８と対極１０９との間に電圧を印加することにより水素生成装置１１０における水素の発生を停止させている間は、第１の電極１０８−対極１０９間には電流が流れることがないので電力を消費しない。したがって、低コストであるエネルギーシステムを提供することができる。さらに、水素生成装置１１０における制御装置１２０には蓄電池１５０から電力が供給されるので、外部からの電力供給が不要な自立型のエネルギーシステムを提供することができる。
【００７５】
（実施の形態２）（可変電圧が印加される場合）
次に、本発明の実施の形態２に係るエネルギーシステムの構成について、図３、図４、図７、及び図８を用いて説明する。図７は本発明の実施の形態２に係るエネルギーシステム内の水素生成装置における制御装置の構成を示すブロック図、並びに図８は上記制御装置における電圧印加部及び電流計の構成を示す回路図である。実施の形態１に係るエネルギーシステム１００と同じ構成については同じ符号を用いて、説明を省略する。
【００７６】
図７に示すように、本実施の形態に係るエネルギーシステム５００内の水素生成装置５１０における制御装置５２０は、電圧印加部５３０、電流計５４０、ＣＰＵ２０２、第１の端子２１０、及び第２の端子２１２を備えている。ここで、制御装置５２０の第１の端子２１０はセル１０２の第１の電極１０８と電気的に接続され、第２の端子２１２はセル１０２の対極１０９と電気的に接続されている。ここで、ＣＰＵ２０２は本発明における電圧制御部に相当し、電流計５４０は本発明における電流検出器に相当する。
【００７７】
図８に示すように、電圧印加部５３０は、例えば、第３の端子３１０、第４の端子３１２、電流計５４０、第１の抵抗３２０、第２の抵抗５２２、第３の抵抗３２４、第１のスイッチ３３０、第２のスイッチ３３２、及び第３のスイッチ３３４により構成される。実施の形態１における電圧印加部２００と異なり、第２の抵抗５２２は固定抵抗ではなく、可変抵抗により構成されている。また、電流計５４０が第２の端子２１２と第１の抵抗３２０との間に接続されている。ここで、電圧印加部５３０の第３の端子３１０は蓄電池１５０の負極と電気的に接続され、第４の端子３１２は蓄電池１５０の正極と電気的に接続されている。
【００７８】
次に、本実施の形態に係るエネルギーシステム５００の動作について説明する。
【００７９】
通常の運転時におけるエネルギーシステム５００の動作については、実施の形態１に係るエネルギーシステム１００の動作と同様であるので説明を省略する。
【００８０】
次に、水素の発生量を抑制する場合または水素の発生を停止させる場合におけるエネルギーシステム５００の動作について説明する。長時間電力の需要がない場合、蓄電池１５０の蓄電量は増加する。容量計測部１５６からの信号により、蓄電池１５０の蓄電量が許容量に達したことを燃料電池制御部１４４が検出すると、燃料電池制御部１４４は発電部
１４２の運転を停止させるとともに、燃料電池制御部１４４は第２の遮断弁１４８を閉じて水素貯蔵器１３０から発電部１４２への水素の供給を停止させる。
【００８１】
水素貯蔵器１３０から発電部１４２への水素の供給が停止すると、水素貯蔵器１３０内における水素の貯蔵量が増加する。圧力計１３６からの信号により、水素貯蔵器１３０内における水素の貯蔵量が許容量に達したことを制御装置５２０が検出すると、制御装置５２０におけるＣＰＵ２０２が電圧印加部５３０を制御して、セル１０２における水素の生成を停止させる。
【００８２】
具体的には、まず、ＣＰＵ２０２からの信号により、電圧印加部５３０における第１のスイッチ３３０は、第２の接点３４２側が閉じた状態に切り替えられ、第２のスイッチ３３２及び第３のスイッチ３３４はともに閉じられる。これにより、第１の端子２１０及び第２の端子２１２を介して、セル１０２の第１の電極１０８−対極１０９間に、第１の電極１０８側が負になるように電圧が印加される。
【００８３】
次に、ＣＰＵ２０２は、可変抵抗である第２の抵抗５２２の抵抗値を変化させながら、電流計５４０により第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流を計測する。これにより、第１の電極１０８−対極１０９間に印加される電圧を走査しながら第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流を計測することができるので、第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流がゼロとなるときの電圧を求めることができる。そこで、ＣＰＵ２０２は、第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流がゼロとなるように第２の抵抗５２２の抵抗値を制御する。これにより、対極１０９における水素の発生を停止させることができる。
【００８４】
制御装置５２０におけるＣＰＵ２０２が電圧印加部５３０を制御して、セル１０２における水素の生成を停止させるとともに、制御装置５２０は第１の遮断弁１３４を閉じる。
【００８５】
本実施の形態に係るエネルギーシステム５００によると、実施の形態１と同様に、電圧印加部５３０を用いて第１の電極１０８と対極１０９との間に電圧を印加することにより水素生成装置５１０における水素の発生が停止するので、第１の電極１０８に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成を停止させることができる。また、実施の形態１と同様に、電圧印加部５３０を用いて第１の電極１０８と対極１０９との間に電圧を印加することにより水素生成装置５１０における水素の発生を停止させている間は、第１の電極１０８−対極１０９間には電流が流れることがないので電力を消費しない。したがって、低コストであるエネルギーシステムを提供することができる。さらに、実施の形態１と同様に、水素生成装置５１０における制御装置５２０には蓄電池１５０から電力が供給されるので、外部からの電力供給が不要な自立型のエネルギーシステムを提供することができる。
【００８６】
さらに、本実施の形態に係るエネルギーシステム５００によると、第１の電極１０８−対極１０９間に印加される電圧を走査しながら第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流を計測することにより、第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流がゼロとなるときの電圧を求めることができる。そのため、第１の電極１０８の表面にあるｎ型半導体のフラットバンド電位が、電解質１０１のｐＨ変化、半導体自身の劣化等に依存して変動した場合であっても、対極１０９に対する第１の電極１０８の電位が十分に負にならずに対極１０９においてわずかに水素が発生したり、対極１０９に対する第１の電極１０８の電位が過剰に負になることにより対極１０９側ではなく第１の電極１０８側において水素が発生したりすることがなく、セル１０２における水素の発生を確実に停止させることができる。
【００８７】
（実施の形態３）（さらに整流部がある場合）
次に、本発明の実施の形態３に係るエネルギーシステムの構成について、図３、図４、図９、及び図１０を用いて説明する。図９は本発明の実施の形態３に係るエネルギーシステム内の水素生成装置における制御装置の構成を示すブロック図、並びに図１０は上記制御装置における電圧印加部、電流計及び整流部の構成を示す回路図である。実施の形態１及び実施の形態２に係るエネルギーシステムと同じ構成については同じ符号を用いて、説明を省略する。
【００８８】
図９に示すように、本実施の形態に係るエネルギーシステム７００内の水素生成装置７１０における制御装置７２０は、電圧印加部７３０、電流計５４０、整流部７４０、ＣＰＵ２０２、第１の端子２１０、及び第２の端子２１２を備えている。ここで、制御装置７２０の第１の端子２１０はセル１０２の第１の電極１０８と電気的に接続され、第２の端子２１２はセル１０２の対極１０９と電気的に接続されている。ここで、ＣＰＵ２０２は本発明における電圧制御部に相当し、電流計５４０は本発明における電流検出器に相当する。
【００８９】
図１０に示すように、電圧印加部７３０は、例えば、第３の端子３１０、第４の端子３１２、電流計５４０、第１の抵抗３２０、第２の抵抗５２２、第３の抵抗３２４、第１のスイッチ３３０、第２のスイッチ３３２、及び第３のスイッチ３３４により構成される。実施の形態２における電圧印加部５３０と同様に、第２の抵抗５２２は固定抵抗ではなく、可変抵抗により構成されている。また、整流部７４０としてダイオード７４２を用いる場合、例えば、第１の端子２１０と第２のスイッチ３３２との間に、第２のスイッチ３３２から第１の端子２１０の方向に電流が流れ、逆方向には電流が流れないようにダイオード７４２が接続される。ここで、電圧印加部７３０の第３の端子３１０は蓄電池１５０の負極と電気的に接続され、第４の端子３１２は蓄電池１５０の正極と電気的に接続されている。
【００９０】
次に、本実施の形態に係るエネルギーシステム７００の動作について説明する。
【００９１】
通常の運転時におけるエネルギーシステム７００の動作については、実施の形態１に係るエネルギーシステム１００の動作と同様であるので説明を省略する。
【００９２】
次に、水素の発生量を抑制する場合または水素の発生を停止させる場合におけるエネルギーシステム７００の動作について説明する。長時間電力の需要がない場合、蓄電池１５０の蓄電量は増加する。容量計測部１５６からの信号により、蓄電池１５０の蓄電量が許容量に達したことを燃料電池制御部１４４が検出すると、燃料電池制御部１４４は発電部１４２の運転を停止させるとともに、燃料電池制御部１４４は第２の遮断弁１４８を閉じて水素貯蔵器１３０から発電部１４２への水素の供給を停止させる。
【００９３】
水素貯蔵器１３０から発電部１４２への水素の供給が停止すると、水素貯蔵器１３０内における水素の貯蔵量が増加する。圧力計１３６からの信号により、水素貯蔵器１３０内における水素の貯蔵量が許容量に達したことを制御装置７２０が検出すると、制御装置７２０におけるＣＰＵ２０２が電圧印加部７３０を制御して、セル１０２における水素の生成を停止させる。
【００９４】
具体的には、まず、ＣＰＵ２０２からの信号により、電圧印加部７３０における第１のスイッチ３３０は、第２の接点３４２側が閉じた状態に切り替えられ、第２のスイッチ３３２及び第３のスイッチ３３４はともに閉じられる。これにより、第１の端子２１０及び第２の端子２１２を介して、セル１０２の第１の電極１０８−対極１０９間に、第１の電極１０８側が負になるように電圧が印加される。
【００９５】
次に、ＣＰＵ２０２は、可変抵抗である第２の抵抗５２２の抵抗値を変化させながら、電流計５４０により第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流を計測する。これにより、第１の電極１０８−対極１０９間に印加される電圧を走査しながら第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流を計測することができるので、第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流がゼロとなるときの電圧を求めることができる。そこで、ＣＰＵ２０２は、第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流がゼロとなるように第２の抵抗５２２の抵抗値を制御する。これにより、対極１０９における水素の発生を停止させることができる。
【００９６】
制御装置７２０におけるＣＰＵ２０２が電圧印加部７３０を制御して、セル１０２における水素の生成を停止させるとともに、制御装置７２０は第１の遮断弁１３４を閉じる。
【００９７】
本実施の形態に係るエネルギーシステム７００によると、実施の形態１と同様に、電圧印加部７３０を用いて第１の電極１０８と対極１０９との間に電圧を印加することにより水素生成装置７１０における水素の発生が停止するので、第１の電極１０８に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成を停止させることができる。また、実施の形態１と同様に、電圧印加部７３０を用いて第１の電極１０８と対極１０９との間に電圧を印加することにより水素生成装置７１０における水素の発生を停止させている間は、第１の電極１０８−対極１０９間には電流が流れることがないので電力を消費しない。したがって、低コストであるエネルギーシステムを提供することができる。さらに、実施の形態１と同様に、水素生成装置７１０における制御装置７２０には蓄電池１５０から電力が供給されるので、外部からの電力供給が不要な自立型のエネルギーシステムを提供することができる。
【００９８】
さらに、本実施の形態に係るエネルギーシステム７００によると、実施の形態２と同様に、第１の電極１０８−対極１０９間に印加される電圧を走査しながら第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流を計測することにより、第１の電極１０８−対極１０９間に流れる電流がゼロとなるときの電圧を求めることができる。そのため、第１の電極１０８の表面にあるｎ型半導体のフラットバンド電位が、電解質１０１のｐＨ変化、半導体自身の劣化等に依存して変動した場合であっても、対極１０９に対する第１の電極１０８の電位が十分に負にならずに対極１０９においてわずかに水素が発生することがなく、セル１０２における水素の発生を確実に停止させることができる。
【００９９】
さらに、本実施の形態に係るエネルギーシステム７００によると、セル１０２の外部において、整流部７４０を介して第１の電極１０８及び対極１０９が電気的に接続されているので、第１の電極１０８−対極１０９間に通常の運転時と逆方向の電流が流れることを抑制することができる。そのため、対極１０９に対する第１の電極１０８の電位が過剰に負になった場合であっても、第１の電極１０８側において水素が発生することがなく、セル１０２における水素の発生を確実に停止させることができる。
【０１００】
（実施の形態４）（ｐ型半導体の場合）
次に、本発明の実施の形態４に係るエネルギーシステムの構成について、図３、図４、図１１、及び図１２を用いて説明する。図１１は本発明の実施の形態４に係るエネルギーシステム内の水素生成装置における制御装置の構成を示すブロック図、並びに図１２は上記制御装置における電圧印加部、電流計及び整流部の構成を示す回路図である。実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３に係るエネルギーシステムと同じ構成については同じ符号を用いて、説明を省略する。
【０１０１】
図４に示すように、エネルギーシステム９００におけるセル９０２の第１室１１２内に
は、電解質１０１と接触する位置に第１の電極９０８が配置されている。第１の電極９０８の表面の少なくとも一部にはｐ型半導体の領域が設けられており、このｐ型半導体の領域が電解質１０１と接触するように第１の電極９０８が配置されている。また、第１室１１２は、第１室１１２内で発生した水素を排気するための第１の排気口９１６及び第１室１１２内に水を供給するための給水口１１７を備えている。筐体１０４のうち、第１室１１２内に配置された第１の電極９０８の表面のｐ型半導体の領域と対向する部分は、太陽光等の光を透過させる材料で構成されている。
【０１０２】
一方、第２室１１４内には、電解質１０１と接触する位置に対極１０９が配置されている。また、第２室１１４は、第２室１１４内で発生した酸素を排気するための第２の排気口９１８を備えている。セパレータ１０６は、電解質１０１を透過させ、第１室１１２及び第２室１１４内で発生した各ガスを遮断する機能を有する。
【０１０３】
水素貯蔵器１３０は、第１の配管１３２によって、セル１０２の第１室１１２と接続されている。第１の配管１３２には第１の遮断弁１３４が設けられており、第１の配管１３２の一方の端は第１室１１２の第１の排気口９１６と連結されている。
【０１０４】
図１１に示すように、本実施の形態に係るエネルギーシステム９００内の水素生成装置９１０における制御装置９２０は、電圧印加部９３０、電流計５４０、整流部９４０、ＣＰＵ２０２、第１の端子２１０、及び第２の端子２１２を備えている。ここで、制御装置９２０の第１の端子２１０はセル１０２の第１の電極１０８と電気的に接続され、第２の端子２１２はセル１０２の対極１０９と電気的に接続されている。ここで、ＣＰＵ２０２は本発明における電圧制御部に相当し、電流計５４０は本発明における電流検出器に相当する。
【０１０５】
図１２に示すように、電圧印加部９３０は、例えば、第３の端子３１０、第４の端子３１２、電流計５４０、第１の抵抗３２０、第２の抵抗５２２、第３の抵抗３２４、第１のスイッチ３３０、第２のスイッチ３３２、及び第３のスイッチ３３４により構成される。実施の形態２における電圧印加部５３０と同様に、第２の抵抗５２２は固定抵抗ではなく、可変抵抗により構成されている。また、整流部９４０としてダイオード９４２を用いる場合、例えば、第１の端子２１０と第２のスイッチ３３２との間にダイオード９４２が接続される。ただし、実施の形態３における電圧印加部７３０と異なり、第１の端子２１０から第２のスイッチ３３２の方向に電流が流れ、逆方向には電流が流れないようにダイオード９４２が配置されている。さらに、実施の形態３における電圧印加部７３０と異なり、電圧印加部９３０の第３の端子３１０は蓄電池１５０の正極と電気的に接続され、第４の端子３１２は蓄電池１５０の負極と電気的に接続されている。
【０１０６】
次に、本実施の形態に係るエネルギーシステム９００の動作について説明する。
【０１０７】
まず、通常の運転時におけるエネルギーシステム９００の動作について説明する。通常運転時においては、実施の形態１と同様に、電圧印加部９３０における第１のスイッチ３３０は、第１の接点３４０側が閉じた状態になっており、第２のスイッチ３３２及び第３のスイッチ３３４はともに開いた状態になっている。そのため、水素生成装置９１０におけるセル９０２の第１の電極１０８と対極１０９は、第１の抵抗３２０を介してセル９０２の外部において電気的に接続された状態になっている。
【０１０８】
水素生成装置９１０におけるセル９０２の光入射部１０５を通して、第１室１１２内に配置された第１の電極９０８の表面のｐ型半導体の領域に太陽光が照射されると、ｐ型半導体の領域において電子と正孔が生じる。このとき生じた電子はｐ型半導体の領域の表面側に移動し、ｐ型半導体の領域の表面において上記反応式（化２）により水素が発生する
。一方、正孔は、第１の抵抗３２０を介して第１の電極９０８と電気的に接続された対極１０９側に移動し、対極１０９の表面において上記反応式（化１）により水が分解され、酸素が発生する。
【０１０９】
第１室１１２内で発生した水素は、第１の排気口９１６及び第１の配管１３２を通して水素貯蔵器１３０内に供給される。一方、第２室１１４内で発生した酸素は、第２の排気口９１８を通してセル９０２外に排気される。
【０１１０】
燃料電池１４０及び蓄電池１５０の動作については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【０１１１】
次に、水素の発生量を抑制する場合または水素の発生を停止させる場合におけるエネルギーシステム９００の動作について説明する。長時間電力の需要がない場合、蓄電池１５０の蓄電量は増加する。容量計測部１５６からの信号により、蓄電池１５０の蓄電量が許容量に達したことを燃料電池制御部１４４が検出すると、燃料電池制御部１４４は発電部１４２の運転を停止させるとともに、燃料電池制御部１４４は第２の遮断弁１４８を閉じて水素貯蔵器１３０から発電部１４２への水素の供給を停止させる。
【０１１２】
水素貯蔵器１３０から発電部１４２への水素の供給が停止すると、水素貯蔵器１３０内における水素の貯蔵量が増加する。圧力計１３６からの信号により、水素貯蔵器１３０内における水素の貯蔵量が許容量に達したことを制御装置９２０が検出すると、制御装置９２０におけるＣＰＵ２０２が電圧印加部９３０を制御して、セル９０２における水素の生成を停止させる。
【０１１３】
具体的には、まず、ＣＰＵ２０２からの信号により、電圧印加部９３０における第１のスイッチ３３０は、第２の接点３４２側が閉じた状態に切り替えられ、第２のスイッチ３３２及び第３のスイッチ３３４はともに閉じられる。これにより、第１の端子２１０及び第２の端子２１２を介して、セル９０２の第１の電極９０８−対極１０９間に電圧が印加される。ただし、実施の形態３と異なり、第１の電極９０８側が正になるように、第１の電極９０８−対極１０９間に電圧が印加される。
【０１１４】
次に、ＣＰＵ２０２は、可変抵抗である第２の抵抗５２２の抵抗値を変化させながら、電流計５４０により第１の電極９０８−対極１０９間に流れる電流を計測する。これにより、第１の電極９０８−対極１０９間に印加される電圧を走査しながら第１の電極９０８−対極１０９間に流れる電流を計測することができるので、第１の電極９０８−対極１０９間に流れる電流がゼロとなるときの電圧を求めることができる。そこで、ＣＰＵ２０２は、第１の電極９０８−対極１０９間に流れる電流がゼロとなるように第２の抵抗５２２の抵抗値を制御する。これにより、第１の電極９０８における水素の発生を停止させることができる。
【０１１５】
制御装置９２０におけるＣＰＵ２０２が電圧印加部９３０を制御して、セル９０２における水素の生成を停止させるとともに、制御装置９２０は第１の遮断弁１３４を閉じる。
【０１１６】
本実施の形態に係るエネルギーシステム９００によると、実施の形態１と同様に、電圧印加部９３０を用いて第１の電極９０８と対極１０９との間に電圧を印加することにより水素生成装置９１０における水素の発生が停止するので、第１の電極９０８に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成を停止させることができる。また、実施の形態１と同様に、電圧印加部９３０を用いて第１の電極９０８と対極１０９との間に電圧を印加することにより水素生成装置９１０における水素の発生を停止させている間は、第１の電極９０８−対極１０９間には電流が流れることがないので電力を消費しな
い。したがって、低コストであるエネルギーシステムを提供することができる。さらに、実施の形態１と同様に、水素生成装置９１０における制御装置９２０には蓄電池１５０から電力が供給されるので、外部からの電力供給が不要な自立型のエネルギーシステムを提供することができる。
【０１１７】
さらに、本実施の形態に係るエネルギーシステム９００によると、実施の形態２と同様に、第１の電極９０８−対極１０９間に印加される電圧を走査しながら第１の電極９０８−対極１０９間に流れる電流を計測することにより、第１の電極９０８−対極１０９間に流れる電流がゼロとなるときの電圧を求めることができる。そのため、第１の電極９０８の表面にあるｐ型半導体のフラットバンド電位が、電解質１０１のｐＨ変化、半導体自身の劣化等に依存して変動した場合であっても、対極１０９に対する第１の電極９０８の電位が十分に正にならずに第１の電極９０８においてわずかに水素が発生することがなく、セル９０２における水素の発生を確実に停止させることができる。
【０１１８】
さらに、本実施の形態に係るエネルギーシステム９００によると、セル９０２の外部において、整流部９４０を介して第１の電極９０８及び対極１０９が電気的に接続されているので、第１の電極９０８−対極１０９間に通常の運転時と逆方向の電流が流れることを抑制することができる。そのため、対極１０９に対する第１の電極９０８の電位が過剰に正になった場合であっても、対極１０９側において水素が発生することがなく、セル９０２における水素の発生を確実に停止させることができる。
【０１１９】
なお、上記の実施の形態においては、セルにおける水素の生成を停止させる直前に、電圧印加部を制御して、第１の電極−対極間に印加される電圧を走査しながら第１の電極−対極間に流れる電流を計測する例について示したが、これに限定されない。例えば、通常の運転をしている間に、ＣＰＵが電圧印加部を制御して、第１の電極−対極間に電圧が印加される運転モードに電圧印加部を切り替え、第１の電極−対極間に印加される電圧を走査しながら第１の電極−対極間に流れる電流を計測した後、ＣＰＵが電圧印加部を制御して、第１の電極−対極間に電圧が印加されない状態に電圧印加部を切り替えることにより、セルを通常の運転モードに戻してもよい。
【０１２０】
また、上記の実施の形態においては、第１の電極−対極間に流れる電流がゼロとなるように第１の電極−対極間に電圧を印加して、セルにおける水素の発生を停止させる例について示したが、これに限定されない。第１の電極−対極間に印加する電圧を、第１の電極−対極間に流れる電流が、第１の電極−対極間に電圧を印加しない状態において第１の電極−対極間に流れる電流よりも小さくなるようにすれば、セルにおける水素の発生量を抑制することができる。例えば、第１の電極−対極間に流れる電流が、第１の電極−対極間に電圧を印加しない状態において第１の電極−対極間に流れる電流の１／２にすれば、セルにおける水素の発生量を１／２に抑制することができる。
【０１２１】
なお、以上の実施の形態においては、水素生成装置における制御装置に対して蓄電池から電力が供給される場合について示したが、これに限定されず、エネルギーシステムの、外部から電力の供給を受ける構成としてもよい。
（実施例）
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【０１２２】
（実施例１）
図１３〜図１５を用いて、実施例１について説明する。図１３は、実施例１において用いた水素生成装置の構成を示す概略図、図１４は、本実施例において用いた水素生成装置における第１の電極−対極間に印加された電圧と第１の電極−対極間に流れる電流との関係を示すグラフ、及び図１５は、図１４のグラフにおける、第１の電極−対極間に流れる
電流がゼロ付近を拡大して示すグラフである。
【０１２３】
図１３に示すように、ガラス基板上にスパッタ法を用いて膜厚１５０ｎｍのＩＴＯ膜（シート抵抗１０Ω／□）を設け、さらにその上に膜厚５００ｎｍのアナタース多結晶体である酸化チタン膜を設けた第１の電極９６２と、白金板である対極９６４とを、ｐＨ＝１に調整した水である電解液９６６（たとえば、０．１Ｎ  Ｈ２ＳＯ４水溶液）に満たされたガラス容器９６８中に配置することにより、セル９６０を構成した。セル９６０における第１の電極９６２と対極９６４とを、可変電圧電源９７０及び電流計９８０を介してセル９６０の外部において電気的に接続することにより、水素生成装置９５０を構成した。
【０１２４】
セル９６０のガラス容器９６８に光を照射するための光源としては太陽光を用いた。
【０１２５】
第１の電極９６２に対する太陽光の照射を開始してから２時間経過後に、可変電圧電源９７０を用い、対極９６４を基準にして第１の電極９６２−対極９６４間に電圧を印加しながら、第１の電極９６２−対極９６４間に流れる電流を、電流計９８０を用いて測定した。第１の電極９６２−対極９６４間に印加する電圧は、−０．５Ｖから２Ｖまでの範囲において、０．０１Ｖステップ、速度０．１Ｖ／秒で走査した。
【０１２６】
図１４及び図１５に、水素生成装置９５０における第１の電極９６２−対極９６４間の電位差と第１の電極９６２−対極９６４間に流れる電流との関係を示す。横軸は、対極９６４を基準にして第１の電極９６２−対極９６４間に印加された電圧（単位：Ｖ）、縦軸は、第１の電極９６２−対極９６４間に流れた電流の電流密度（単位：μＡ／ｃｍ２）を表す。第１の電極９６２−対極９６４間に印加される電圧が０Ｖの場合、第１の電極９６２−対極９６４間に約４５μＡ／ｃｍ２の電流が流れた。第１の電極９６２側が負になるようにして、第１の電極９６２−対極９６４間に印加する電圧を増加させると、第１の電極９６２−対極９６４間に流れた電流が減少し始める。図１５から、第１の電極９６２−対極９６４間に印加する電圧が−０．４２２Ｖのとき、第１の電極９６２−対極９６４間に流れる電流がほぼゼロであることがわかる。また、第１の電極９６２−対極９６４間に印加する電圧が−０．４２１〜−０．４２３Ｖであれば、第１の電極９６２−対極９６４間に流れる電流が、第１の電極９６２−対極９６４間に電圧を印加しないときに流れる電流の５％以内となることがわかる。
【０１２７】
この結果から、第１の電極−対極間に、第１の電極側が負になるように電圧を印加することにより、第１の電極−対極間に流れる電流が減少するので、セル内における水素の発生を抑制または停止することが可能であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明の水素生成装置、並びにそれを用いた水素生成方法及びエネルギーシステムによると、半導体を含む電極に光が照射されている場合であっても、簡易な構成により水素の生成量を抑制または停止させることができるので、家庭用の発電システム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】ｎ型半導体を含み、表面にｎ型半導体が露出した電極と対極とが電解質溶液中に浸漬された状態におけるエネルギーバンド図
【図２】ｐ型半導体を含み、表面にｐ型半導体が露出した電極と対極とが電解質溶液中に浸漬された状態におけるエネルギーバンド図
【図３】本発明の一実施の形態におけるエネルギーシステムの構成を示す概略図
【図４】同エネルギーシステム内の水素生成装置におけるセルの構成を示す概略断面図
【図５】同エネルギーシステム内の水素生成装置における制御装置の構成を示すブロック図
【図６】同制御装置における電圧印加部の構成を示す回路図
【図７】本発明の他の実施の形態に係るエネルギーシステム内の水素生成装置における制御装置の構成を示すブロック図
【図８】同制御装置における電圧印加部及び電流計の構成を示す回路図
【図９】本発明のさらに他の実施の形態に係るエネルギーシステム内の水素生成装置における制御装置の構成を示すブロック図
【図１０】同制御装置における電圧印加部、電流計及び整流部の構成を示す回路図
【図１１】本発明のさらに他の実施の形態に係るエネルギーシステム内の水素生成装置における制御装置の構成を示すブロック図
【図１２】同制御装置における電圧印加部、電流計及び整流部の構成を示す回路図
【図１３】本発明の一実施例において用いた水素生成装置の構成を示す概略図
【図１４】同水素生成装置における第１の電極−対極間に印加された電圧と第１の電極−対極間に流れる電流との関係を示すグラフ
【図１５】図１４のグラフにおける、第１の電極−対極間に流れる電流がゼロ付近を拡大して示すグラフ
【符号の説明】
【０１３０】
１００、５００、７００、９００  エネルギーシステム
１０１  電解質
１０２、９０２、９６０  セル
１０４  筐体
１０５  光入射部
１０６  セパレータ
１０８、９０８、９６２  第１の電極
１０９、９６４  対極
１１０、５１０、７１０、９５０  水素生成装置
１１２  第１室
１１４  第２室
１１６、９１６  第１の排気口
１１７  給水口
１１８、９１８  第２の排気口
１２０、５２０、７２０、９２０  制御装置
１３０  水素貯蔵器
１３２  第１の配管
１３４  第１の遮断弁
１３６  圧力計
１４０  燃料電池
１４２  発電部
１４４  燃料電池制御部
１４６  第２の配管
１４８  第２の遮断弁
１５０  蓄電池
１５２  第１の配線
１５４  第２の配線
１５６  容量計測部
２００、５３０、７３０、９３０  電圧印加部
２０２  ＣＰＵ
２１０  第１の端子
２１２  第２の端子
３１０  第３の端子
３１２  第４の端子
３２０  第１の抵抗
３２２、５２２  第２の抵抗
３２４  第３の抵抗
３３０  第１のスイッチ
３３２  第２のスイッチ
３３４  第３のスイッチ
３４０  第１の接点
３４２  第２の接点
５４０、９８０  電流計
７４０、９４０  整流部
７４２、９４２  ダイオード
９６６  電解液
９６８  ガラス容器
９７０  可変電圧電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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