(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面と電気的に接続しかつ前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を用いて電解液から第１気体を発生させる第１気体発生部と、前記受光面と電気的に接続しかつ前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を用いて電解液から第２気体を発生させる第２気体発生部と、気体流路と、気体排出口とを備え、
第１気体発生部および第２気体発生部のうち少なくとも一方は、前記光電変換部の裏面上に設けられ、
前記気体流路は、第１気体発生部および第２気体発生部のうち少なくとも一方と前記光電変換部の裏面との間に設けられ、
前記気体流路は、第１気体または第２気体を前記気体排出口へと導通させることを特徴とする気体製造装置。
【請求項２】
第１導電部をさらに備え、
第１気体発生部および第２気体発生部は、前記光電変換部の裏面上に設けられ、
前記気体流路は、第１気体発生部と前記裏面との間および第２気体発生部と前記裏面との間にそれぞれ設けられ、
第２気体発生部は、第１導電部を介して前記受光面と電気的に接続する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
絶縁部をさらに備え、
第２気体発生部は、前記絶縁部を介して前記光電変換部の裏面上に設けられた請求項２に記載の装置。
【請求項４】
第１導電部は、前記光電変換部の受光面に接触する第１電極と、第１電極および第２気体発生部にそれぞれ接触する第２導電部とを含む請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記光電変換部は、裏面から受光面へ貫通する第１コンタクトホールを有し、
第２導電部は、第１コンタクトホールに設けられた請求項４に記載の装置。
【請求項６】
透光性基板をさらに備え、
前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられた請求項２〜５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
気体支流路をさらに備え、
前記気体支流路は、第１気体発生部および第２気体発生部のうちどちら一方により形成され、かつ、前記気体流路に繋がり、
前記気体支流路は、第１気体または第２気体を前記気体流路へと導通させる請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
第１気体発生部または第２気体発生部は複数であり、
前記気体支流路は、隣接する２つの第１気体発生部の間または隣接する２つの第２気体発生部の間に設けられた請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記気体支流路は、両端に第１開口と第２開口とを有し、
第１開口は、第１気体発生部および第２気体発生部のうちどちらか一方の前記気体流路側の面に設けられ、
第２開口は、第１開口が設けられた面と反対側の面に設けられ、
第２開口は、高さの異なる第１縁部および第２縁部を有し、
第１縁部は、第２縁部より高い第２開口の縁であり、かつ、第１気体または第２気体を前記気体支流路に流入させる請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
第１気体および第２気体のうち一方は、Ｈ2であり、他方は、Ｏ2である請求項１〜９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記気体流路は、前記光電変換部の裏面に沿うように設けられた請求項１〜１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
電解液チェンバーをさらに備え、
第１気体発生部および第２気体発生部のうち少なくとも一方は、前記光電変換部の裏面と前記電解液チェンバーとの間に設けられ、かつ、電解液に浸漬可能である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
前記気体流路は、第１気体および第２気体のいずれか１つがその浮力により流入することができるように設けられた請求項１〜１２のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１４】
第１気体発生部および第２気体発生部のうち少なくとも一方と前記光電変換部との間に気体導通部をさらに備え、
前記気体導通部は、前記気体流路を有する請求項１〜１３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１５】
前記気体導通部は、多孔性材料から形成される請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記気体導通部は、疎水性の表面を有する請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記気体導通部は、超疎水性多孔質膜から形成される請求項１４〜１６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１８】
第１気体発生部および第２気体発生部は、前記光電変換部の裏面上に設けられ、
前記気体導通部は、前記光電変換部の裏面と第１気体発生部および第２気体発生部との間に設けられ、かつ、前記電解液に対する耐食性および遮液性を有する請求項１４〜１７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１９】
前記気体導通部は、前記光電変換部を覆うように設けられた請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記気体導通部は、導電性を有する請求項１４〜１９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２１】
第１気体発生部および第２気体発生部は、前記光電変換部の裏面上に設けられ、
前記光電変換部の裏面と第１気体発生部とを電気的に接続する第３導電部をさらに備え、前記気体導通部は、前記光電変換部の裏面と第１気体発生部との間に設けられ、かつ、前記気体導通部を貫通する第２コンタクトホールを有し、
第３導電部は、第２コンタクトホールに設けられた請求項１４〜１９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２２】
前記光電変換部は、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層およびｎ型半導体層を備える光電変換層を有する請求項１〜２１のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２３】
第１気体発生部および第２気体発生部のうち、一方は、電解液からＨ2を発生させる水素発生部であり、他方は、電解液からＯ2を発生させる酸素発生部であり、
前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からＨ2が発生する反応の触媒および電解液からＯ2が発生する反応の触媒を含む請求項１〜２２のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２４】
前記水素発生部および前記酸素発生部のうち少なくとも一方は、触媒が担持された多孔質の導電体から形成される請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記水素発生部および前記酸素発生部は、親水性の表面を有する請求項２３または２４に記載の装置。
【請求項２６】
第１気体発生部および第２気体発生部は、前記光電変換部の裏面上に設けられ、
前記光電変換部は、透光性基板の上に設けられ、
第１気体発生部および第２気体発生部の上に前記透光性基板に対向する天板をさらに備え、
第１気体発生部と前記天板との間および第２気体発生部と前記天板との間にそれぞれ電解液チェンバーが設けられた請求項１〜２５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２７】
第１気体発生部と前記天板との間の電解液チェンバーおよび第２気体発生部と天板との間の電解液チェンバーとを仕切る隔壁をさらに備える請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記隔壁は、イオン交換体を含む請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
請求項２６〜２８のいずれか１つに記載の気体製造装置を前記受光面が水平面に対し傾斜するように設置し、
前記気体製造装置の下部から前記気体製造装置に電解液を導入し、太陽光を前記受光面に入射させることにより第１気体発生部および第２気体発生部からそれぞれ第１気体および第２気体を発生させ、前記気体製造装置の上部から第１気体および第２気体を排出する気体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体製造装置および気体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の使用に伴う地球温暖化および化石燃料資源自体の枯渇の懸念から、環境に優しく、かつ無尽蔵なエネルギー供給の可能性を持つ再生可能エネルギーの利用が注目を集め、開発も盛んに行われている。再生可能エネルギーとしては太陽光、風力、水力、地熱等があり、これらのエネルギーにより電力を作り出す技術は実用化もされてきている。中でも太陽光は地上において、どこでも得ることが可能なエネルギー源であり、太陽光により電力を作る太陽電池は世界各地に設置され、現在ではまだ少数ではあるが、一般家庭にも普及しつつある。しかし、太陽光によるエネルギー供給は季節や、気候の変動により一定しないという欠点があり、この変動を平滑化することが課題である。この課題を解決するための方法のひとつとして、太陽から得たエネルギーを別の物質、例えば液体燃料や、水素等のガスに変換して、保存するという方法が考えられている。
【０００３】
これらの太陽光エネルギーからの変換物質の中でも水素は燃やすと水が出来るだけで、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や有害な窒素酸化物などを排出しない為、将来のエネルギーとして期待されている。水素ガス生成については、メタン等の化石燃料から生成する方法と水を電気分解して生成する方法が試みられているが、ＣＯ2の排出を伴わない後者が最終的な手段であり、中でも安定的かつ地域普遍的な手段としては太陽光発電を利用した水の電気分解による水素ガス生成がもっとも確実な手段であると言われている。これにより太陽光エネルギーは化学的なエネルギーとして貯蔵出来ることとなり、太陽光エネルギーの利用範囲を大きく広げることになる。
【０００４】
なお、太陽光エネルギーからより直接的に水素を生成する方法として光触媒（本多藤島効果）による水素ガス生成も研究されているが、現在まだ太陽エネルギーのわずか３％程度を占めるに過ぎない紫外線領域の光しか利用できない等の問題があり実用化の目処は立っていない。その他原子力を利用した水の熱分解による水素の生成やバイオマスを利用した水素ガス生成が試みられているが、まだ研究段階である。
【０００５】
従来、太陽光を利用した水電解システムには例えば特許文献１に示されるようなものがある。この水電解システムは光電変換半導電体に光触媒の層を積層した光電気化学セルを鉛直に設置し、光を照射することで直接水分解をすることを可能としている。また、特許文献２においては導電体上にｐ型半導体とｎ型半導体を積層し、絶縁部材で隔てて同一面上に前記半導体を逆順に積層することにより、水素、酸素をともに非受光面側で生成することが可能であることが示されている。他にも、特許文献３に示されるようなものがある。この水電解システムは光触媒層と対極がイオン伝導膜を介して設けられている。また、水電解セルの外壁に流通孔を設け、前記流通孔を介して隣接する水電解セル同士で電解液が流通可能となるように構成され、隣接する水電解セル同士の電気的導通を防止するようしている。この水分解セルを傾けた状態で設置し、光を照射することにより水を分解している。また、水分解セルを傾けた状態で設置することにより、太陽光の利用効率を高くしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５０４９３４公報
【特許文献２】特開２００４−１９７１６７公報
【特許文献３】特開２００８−７５０９７公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の水分解システムでは、水分解反応面が鉛直な面に設置した場合、発生した気体は気泡として浮上しにくく、水分解反応面に滞留しやすい。また、太陽光の利用効率を高くするために、水分解反応面を斜めに設置した場合、受光面側の水分解反応面で発生した気体は、気泡として浮上しやすく、水分解反応面に滞留しにくいが、受光面の反対側の水分解反応面では、発生した気体が気泡として浮上しにくく、発生した気体が滞留しやすい。このため、水と接触する水分解反応面の面積が減少し、水分解効率を低下させている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電解液から発生させた気体の反応面における滞留を抑制することができ、気体生成効率の高い気体製造装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面と電気的に接続しかつ前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を用いて電解液から第１気体を発生させる第１気体発生部と、前記受光面と電気的に接続しかつ前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を用いて電解液から第２気体を発生させる第２気体発生部と、気体流路と、気体排出口とを備え、前記気体流路は、第１気体発生部および第２気体発生部のうち少なくとも一方と前記光電変換部の裏面との間に設けられ、前記気体流路は、第１気体または第２気体を前記気体排出口へと導通させることを特徴とする気体製造装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、前記気体流路は、第１気体発生部および第２気体発生部のうち少なくとも一方と前記光電変換部の裏面との間に設けられ、前記気体流路は、第１気体または第２気体を前記気体排出口へと導通させるため、第１気体の第１気体発生部の表面での滞留または第２気体の第２気体発生部の表面での滞留を抑制することができる。また、第１気体または第２気体を気体排出口から迅速に排出することができ、回収することができる。つまり、本発明の気体製造装置を斜め設置した場合、受光面の反対側の第１気体発生部または第２気体発生部において電解液から発生させた第１気体または第２気体は、その浮力により浮上する。この浮力により第１気体または第２気体は、気体流路に流入することができ、第１気体または第２気体は、気体流路を導通し、気体排出口から回収することができる。このため、第１気体が第１気体発生部の表面に滞留することまたは第２気体が第２気体発生部の表面に滞留することを抑制することができ、電解液を効率よく分解し第１気体または第２気体を発生させることができる。また、発生させた第１気体または第２気体を迅速に回収することができ、光の照射から生成気体回収までの応答性をよくすることができる。
本発明によれば、第１気体流路を設けることにより気体の滞留を抑制することができるため、電解液を対流させるための付加装置や装置全体を振動させるための付加装置を取り付ける必要がなく、気体製造装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略平面図である。
【図２】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略裏面図である。
【図３】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図８】図７の点線で囲んだ範囲Ｄの拡大図である。
【図９】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１１】図１０の点線で囲んだ範囲Ｅの拡大図である。
【図１２】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１３】図１２の点線で囲んだ範囲Ｆの拡大図である。
【図１４】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１５】図１４の点線で囲んだ範囲Ｇの拡大図である。
【図１６】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１７】図１６の点線で囲んだ範囲Ｊの拡大図である。
【図１８】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略平面図である。
【図１９】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図２０】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図２１】図２０の点線で囲んだ範囲Ｍの拡大図である。
【図２２】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図２３】図２２の点線で囲んだ範囲Ｎの拡大図である。
【図２４】比較例で作成した気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の気体製造装置は、受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面と電気的に接続しかつ前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を用いて電解液から第１気体を発生させる第１気体発生部と、前記受光面と電気的に接続しかつ前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を用いて電解液から第２気体を発生させる第２気体発生部と、気体流路と、気体排出口とを備え、前記気体流路は、第１気体発生部および第２気体発生部のうち少なくとも一方と前記光電変換部の裏面との間に設けられ、前記気体流路は、第１気体または第２気体を前記気体排出口へと導通させることを特徴とする。
【００１２】
気体製造装置とは、電解液から第１気体および第２気体を製造することができる装置である。
光電変換部とは、光を受光し起電力が生じる部分である。
受光面とは、光が入射する光電変換部の面である。
裏面とは、受光面の裏の面である。
【００１３】
本発明の気体製造装置において、第１導電部をさらに備え、第１気体発生部および第２気体発生部は、前記光電変換部の裏面上に設けられ、前記気体流路は、第１気体発生部と前記裏面との間および第２気体発生部と前記裏面との間にそれぞれ設けられ、第２気体発生部は、第１導電部を介して前記受光面と電気的に接続することが好ましい。
このような構成によれば、受光面に電解液を介さず光を入射させることができ、電解液による入射光の吸収や入射光の散乱を防止することができる。このことにより、光電変換部へ入射光の量を多くすることができ、光利用効率を高くすることができる。また、受光面に入射する光が、第１気体発生部、第２気体発生部、第１気体および第２気体により吸収や散乱されることはない。このことにより、光電変換部へ入射光の量を多くすることができ、光利用効率を高くすることができる。
本発明の気体製造装置において、絶縁部をさらに備え、第２気体発生部は、絶縁部を介して前記光電変換部の裏面上に設けられることが好ましい。
このような構成によれば、このような構成によれば、第２気体発生部と光電変換部の裏面との間にリーク電流が流れることを防止することができる。
【００１４】
本発明の気体製造装置において、第１導電部は、前記光電変換部の受光面に接触する第１電極と、第１電極および第２気体発生部にそれぞれ接触する第２導電部とを含むことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の受光面と第２気体発生部を電気的に接続させることができ、より効率的に第２気体を発生させることができる。
本発明の気体製造装置において、光電変換部は、裏面から受光面へ貫通する第１コンタクトホールを有し、第２導電部は、前記光電変換部を貫通する第１コンタクトホールに設けられることが好ましい。
このような構成によれば、第１電極と第２気体発生部を電気的に接続させることができ、第２導電部を設けたことによる光電変換部の受光面の面積の減少を少なくすることができる。
【００１５】
本発明の気体製造装置において、透光性基板をさらに備え、前記光電変換部は、透光性基板の上に設けられることが好ましい。
このような構成によれば、基板上に形成する必要がある光電変換部を本発明の気体製造装置に適用することができる。また、本発明の気体製造装置を取り扱いやすくすることができる。
本発明の気体製造装置において、気体支流路をさらに備えることが好ましく、気体支流路は、第１気体発生部および第２気体発生部のうちどちら一方により形成され、かつ、気体流路に繋がり、気体支流路は、第１気体または第２気体を気体流路へ導通させることが好ましい。
このような構成によれば、第１気体発生部で発生させた第１気体または第２気体発生部で発生させた第２気体を気体支流路を導通させ、気体流路に流入させることができる。その結果、第１気体の第１気体発生部の表面での滞留または第２気体の第２気体発生部の表面での滞留を抑制することができ、電解液を効率よく分解し第１気体および第２気体を発生させることができる。また、第１気体発生部または第２気体発生部が金属板などの気体を透過させない材料により構成された場合でも第１気体または第２気体を気体流路に流入させることができ、第１気体または第２気体の滞留を抑制することができる。
【００１６】
本発明の気体製造装置において、第１気体発生部または第２気体発生部は複数であり、気体支流路は、隣接する２つの第１気体発生部の間または隣接する２つの第２気体発生部の間に設けられることが好ましい。
このような構成によれば、隣接する２つの第１気体発生部を形成することまたは隣接する２つの第２気体発生部を形成することでその間に気体支流路を容易に形成することができる。または、１つの第１気体発生部または１つの第２気体発生部を形成し、分割溝を形成することにより、容易に気体支流路を形成することができる。
本発明の気体製造装置において、気体支流路は、両端に第１開口と第２開口とを有し、第１開口は、第１気体発生部および第２気体発生部のうちどちらか一方の気体流路側の面に設けられ、第２開口は、第１開口が設けられた面と反対側の面に設けられ、第２開口は、高さの異なる第１縁部および第２縁部を有し、第１縁部は、第２縁部より高い第２開口の縁であり、かつ、第１気体または第２気体を気体支流路に流入させることが好ましい。
このような構成によれば、気体支流路が第１開口と第２開口を有するため、第１気体発生部または第２気体発生部の気体流路側の面と反対側の面付近で発生させた第１気体または第２気体も気体支流路を導通させ、気体流路に流入させることができる。また、第２開口は、高さの異なる第１縁部および第２縁部を有し、第１縁部は第２縁部より高い第２開口の縁であるため、第１気体発生部または第２気体発生部の気体流路側の面と反対側の面付近で発生させた第１気体または第２気体が気体支流路により流入しやすくなる。このことにより第１気体または第２気体の滞留を抑制することができ、電解液の分解効率を高くすることができる。
【００１７】
本発明の気体製造装置において、第１気体および第２気体のうち一方は、Ｈ2であり、他方は、Ｏ2であることが好ましい。
このような構成によれば、電解液に含まれる水を分解し、燃料となるＨ2を製造することができる。
本発明の気体製造装置において、前記気体流路は、前記光電変換部の裏面に沿うように設けられることが好ましい。
このような構成によれば、気体流路に第１気体または第２気体を流入しやすくすることができ、第１気体または第２気体を気体排出口から回収しやすくすることができる。
【００１８】
本発明の気体製造装置において、電解液チェンバーをさらに備え、第１気体発生部および第２気体発生部のうち少なくとも一方は、前記光電変換部の裏面と前記電解液チェンバーとの間に設けられ、かつ、電解液に浸漬可能であることが好ましい。
このような構成によれば、第１気体発生部または第２気体発生部を電解液に浸漬することができ、第１気体発生部または第２気体発生部において、電解液から第１気体または第２気体を発生させることができる。
【００１９】
本発明の気体製造装置において、前記気体流路は、第１気体および第２気体のいずれか１つがその浮力により流入することができるように設けられることが好ましい。
このような構成によれば、第１気体または第２気体を気体流路に流入させることができ、第１気体の第１気体発生部の表面での滞留または第２気体の第２気体発生部の表面での滞留を抑制することができる。
【００２０】
本発明の気体製造装置において、第１気体発生部および第２気体発生部のうち少なくとも一方と前記光電変換部との間に気体導通部をさらに備えることが好ましく、前記気体導通部は、気体流路を有することが好ましい。
このような構成によれば、気体流路を容易に設けることができる。
本発明の気体製造装置において、前記気体導通部は、多孔性材料から形成されることが好ましい。
このような構成によれば、多孔性材料が有する孔を気体流路とすることができる。
本発明の気体製造装置において、前記気体導通部は、疎水性の表面を有することが好ましい。
このような構成によれば、第１気体または第２気体の滞留を抑制することができ、電解液の分解効率を高くすることができる。
【００２１】
本発明の気体製造装置において、前記気体導通部は、超疎水性多孔質膜から形成されることが好ましい。
このような構成によれば、疎水性多孔質膜が有する電解液が流入しない孔を気体流路とすることができる。この電解液が満たされていない孔を気体流路とすることにより、第１気体または第２気体を気泡ではない状態で気体流路を迅速に導通させることができる。その結果、第１気体または第２気体の滞留を抑制することができ、電解液の分解効率を高くすることができる。また、このことにより、光電変換部への光の照射から第１気体および第２気体を回収するための時間を短縮することができ応答性をよくすることができ、第１気体および第２気体の回収効率を向上させることができる。
本発明の気体製造装置において、第１気体発生部および第２気体発生部は、前記裏面上に設けられ、前記気体導通部は、前記裏面と第１気体発生部および第２気体発生部との間に設けられ、かつ、前記電解液に対する耐食性および遮液性を有することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部と電解液とを気体導通部により分離することができ、光電変換部が電解液と接触することを防止することができる。このことにより、例えば、光電変換部が電解液により腐食されることを防止することができ、また、光電変換部への電解液の流入などによる光電変換効率の低下を防止することができる。
【００２２】
本発明の気体製造装置において、前記気体導通部は、前記光電変換部を覆うように設けられることが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部と電解液とを気体導通部により分離することができる。
本発明の気体製造装置において、前記気体導通部は、導電性を有することが好ましい。
このような構成によれば、第１気体発生部と光電変換部の裏面とをほぼ同じ電位とすることができ、または、第２気体発生部と光電変換部の受光面とをほぼ同じ電位にすることができる。このことにより、電解液の分解効率を高くすることができる。
【００２３】
本発明の気体製造装置において、第１気体発生部および第２気体発生部は、前記裏面上に設けられ、前記裏面と第１気体発生部とを電気的に接続する第３導電部をさらに備え、前記気体導通部は、前記裏面と第１気体発生部との間に設けられ、かつ、前記気体導通部を貫通する第２コンタクトホールを有し、第３導電部は、第２コンタクトホールに設けられることが好ましい。
このような構成によれば、気体導通部に絶縁体や半導体をもちいた場合でも、光電変換部の裏面と第１気体発生部とをほぼ同じ電位にすることができ、電解液の分解効率を高くすることができる。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層およびｎ型半導体層からなる光電変換層を有することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部がｐｉｎ構造を有することができ、効率よく光電変換をすることができる。また、光電変換部で生じる起電力をより大きくすることができ、電解液をより効率的に電気分解することができる。
【００２４】
本発明の気体製造装置において、第１気体発生部および第２気体発生部のうち、一方は、電解液からＨ2を発生させる水素発生部であり、他方は、電解液からＯ2を発生させる酸素発生部であり、前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からＨ2が発生する反応の触媒および電解液からＯ2が発生する反応の触媒を含むことが好ましい。
このような構成によれば、第１気体発生部および第２気体発生部のうちの一方である水素発生部における電解液からＨ2が発生する反応の反応速度を増大させることができ、第１気体発生部および第２気体発生部のうちの他方である酸素発生部における電解液からＯ2が発生する反応の反応速度を増大させることができる。このことにより、光電変換部で生じた起電力により、より効率的にＨ2を製造することができ、光の利用効率を向上させることができる。
本発明の気体製造装置において、前記水素発生部および前記酸素発生部のうち少なくとも一方は、触媒が担持された多孔質の導電体であることが好ましい。
このような構成によれば、このような構成によれば、第１気体発生部および第２気体発生部のうち少なくとも一方の触媒表面積を大きくすることができ、より効率的に酸素または水素を発生させることができる。また、多孔質の導電体を用いることにより、光電変換部と触媒との間の電流が流れることによる電位の変化を抑制することができ、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。また、触媒表面で発生させた水素または酸素を水素発生部または酸素発生部が有する孔を導通させて気体流路に流入させることができる。このことにより、水素発生部における水素の滞留または酸素発生部での酸素の滞留を抑制することができる。
【００２５】
本発明の気体製造装置において、前記水素発生部および前記酸素発生部は、親水性の表面を有することが好ましい。
このような構成によれば、水素発生部および酸素発生部と電解液との接触面積を広くすることができ、電解液をより効率的に分解することができる。また、このような構成によれば、水素発生部および酸素発生部でそれぞれ発生させた水素および酸素を気泡の状態で長時間滞留することを抑制することができ、気体流路への水素及び酸素の送達効率を向上させることができる。
本発明の気体製造装置において、第１気体発生部および第２気体発生部は、前記光電変換部の裏面上に設けられ、前記光電変換部は、透光性基板の上に設けられ、第１気体発生部および第２気体発生部の上に前記透光性基板に対向する天板をさらに備え、第１気体発生部と前記天板との間および第２気体発生部と前記天板との間にそれぞれ電解液チェンバーが設けられることが好ましい。
このような構成によれば、第１気体発生部および第２気体発生部と前記天板との間の電解液チェンバーに電解液を導入することができ、第１気体発生部および第２気体発生部において電解液からより効率的に第１気体および第２気体を発生させることができる。
【００２６】
本発明の気体製造装置において、第１気体発生部と前記天板との間の電解液チェンバーおよび第２気体発生部と天板との間の電解液チェンバーとを仕切る隔壁をさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、第１気体発生部および第２気体発生部でそれぞれ発生した第１気体および第２気体を分離することができ、第１気体および第２気体をより効率的に回収することができる。
本発明の気体製造装置において、前記隔壁は、イオン交換体を含むことが好ましい。
このような構成によれば、第１気体発生部の上部の空間に導入された電解液と第２気体発生部の上部の空間に導入された電解液との間のプロトン濃度の不均衡を解消することができ、安定して第１気体および第２気体を発生させることができる。
【００２７】
さらに本発明では、本発明の気体製造装置を前記受光面が水平面に対し傾斜するように設置し、前記気体製造装置の下部から前記気体製造装置に電解液を導入し、太陽光を前記受光面に入射させることにより第１気体発生部および第２気体発生部からそれぞれ第１気体および第２気体を発生させ、前記気体製造装置の上部から第１気体および第２気体を排出する気体製造方法も提供する。
本発明の気体製造方法によれば、太陽光を利用して、低コストで第１気体および第２気体を製造することができる。また、気体製造装置を前記受光面が水平面に対し傾斜するように設置することにより、高効率で太陽光を利用し電解液を分解をさせることができ、また、気体製造装置を建造物の傾斜の付いた屋根等に設置することができる。
【００２８】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００２９】
気体製造装置の構成
図１は、本発明の一実施形態の気体製造装置の概略平面図である。なお、透光性基板は省略している。図２は、本発明の一実施形態の気体製造装置の概略裏面図である。なお、外箱の底板は省略している。図３〜６は、それぞれ本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図であり、図１に示した気体製造装置の点線Ａ−Ａの断面図に対応している。図７は、本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図であり、図１に示した気体製造装置の点線Ｃ−Ｃの断面図に対応している。図８は、図７の点線で囲んだ範囲Ｄの拡大図である。図９は、本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図である。
【００３０】
本実施形態の気体製造装置２３は、受光面および裏面を有する光電変換部２と、前記裏面と電気的に接続しかつ光電変換部２が受光することにより生じる起電力を用いて電解液から第１気体を発生させる第１気体発生部８と、前記受光面と電気的に接続しかつ光電変換部２が受光することにより生じる起電力を用いて電解液から第２気体を発生させる第２気体発生部７と、気体流路１７と、気体排出口１９、２０とを備え、気体流路１７は、第１気体発生部８および第２気体発生部７のうち少なくとも一方と光電変換部２の裏面との間に設けられ、気体流路１７は、第１気体または第２気体を気体排出口１９、２０へと導通させることを特徴とする。
【００３１】
また、本実施形態の気体製造装置２３は、さらに透光性基板１、第１導電部９、第２電極５、絶縁部１１、隔壁１３、電解液チェンバー１５、外箱１６、給水口１８、第１気体排出口２０、第２気体排出口１９、気体導通部２１、第３導通部２２および気体支流路２９を有してもよい。
第１導電部９は、第１電極４および第２導電部１０を有してもよい。また、外箱１６は天板１４を有してもよい。
以下、本実施形態の気体製造装置２３について説明する。
【００３２】
１．透光性基板
透光性基板１は、本実施形態の気体製造装置２３が備えてもよい。また、例えば、図３のように光電変換部２は、受光面が透光性基板１側となるように透光性基板１の上に設けられてもよい。なお、光電変換部２が、半導体基板などからなり一定の強度を有する場合、透光性基板１は省略することが可能である。また、光電変換部２が樹脂フィルムなど柔軟性を有する材料の上に形成可能な場合、透光性基板１は省略することができる。また、例えば、図９のように第１気体発生部８および第２気体発生部７がそれぞれ光電変換部２の裏面上および受光面上に設けられている場合、透光性基板１は、光電変換部２などとの間に電解液チェンバー１５を挟んで設けられてもよい。
【００３３】
また、透光性基板１は、本気体製造装置を構成するための土台となる部材であってもよい。また、太陽光を光電変換部２の受光面で受光するためには、透明であり光透過率が高いことが好ましいが、光電変換部２へ効率的な光の入射が可能な構造であれば、光透過率に制限はない。
光透過率が高い基板材料として、例えば、ソーダガラス、石英ガラス、パイレックス（登録商標）等のホウケイ酸ガラス、合成石英板等の透明なリジッド材、あるいはポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）製の板などの透明樹脂板やフィルム材等が好適に用いられる。化学的および物理的安定性および耐熱性を備える点より、石英ガラス、パイレックス（登録商標）等のガラス基板を用いることが好ましい。また、集光度を高めるためにフレネルレンズ等、集光用に加工されたものを用いても良い。
透光性基板１の光電変換部２側の表面には、入射した光が光電変換部２の表面で有効に乱反射されるように、微細な凹凸構造に形成することができる。この微細な凹凸構造は、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理もしくはブラスト処理等の公知の方法により形成することが可能である。
【００３４】
２．第１導電部
第１導電部９は、第２気体発生部７と光電変換部２の受光面とを電気的に接続させることができる。また、第１導電部９は、１つの部材からなってもよく、第１電極４と第２導電部１０からなってもよい。第１導電部９を設けることにより、光電変換部２の受光面の電位と第２気体発生部７の電位をほぼ同じにすることができ、第２気体発生部７で第２気体を発生させることができる。
第１導電部９が１つの部材からなる場合としては、例えば、光電変換部２の受光面と第２気体発生部７を電気的に接続させる金属配線などである。また、例えば、Ａｇからなる金属配線である。また、この金属配線は、光電変換部２に入射する光を減少させいないように、フィンガー電極のような形状を有してもよい。第１導電部９は、透光性基板１の光電変換部２側に設けられてもよく、光電変換部２の受光面に設けられてもよい。
また、本実施形態の気体製造装置２３が図９のような断面を有する場合、第１導電部９は省略することもできる。
【００３５】
３．第１電極
第１電極４は、透光性基板１の上に設けることができ、光電変換部２の受光面と接触するように設けることができる。また、第１電極４は透光性を有してもよい。また、第１電極４は、透光性基板１を省略可能の場合、光電変換部２の受光面に直接設けられてもよい。第１電極４を設けることにより、光電変換部２の受光面と第２気体発生部７との間に流れる電流を大きくすることができる。
また、本実施形態の気体製造装置２３が図９のような断面を有する場合、第１電極４を第２気体発生部７と光電変換部２との間に設けることもできる。
【００３６】
第１電極４は、例えば、ＳｎＯ2、ＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3またはＩＴＯ（Ｉｎ2Ｏ3―ＳｎＯ2）、ＩＺＯ（ＩｎＳｎＯ2―ＺｎＯ）などの透明導電膜からなってもよく、Ａｇ、Ａｕなどの金属のフィンガー電極からなってもよい。
【００３７】
以下に第１電極４を透明導電膜とした場合について説明する。
透明導電膜は、光電変換部２の受光面と第２気体発生部７とのコンタクトを取りやすくするために用いている。
一般に透明電極として使用されているものを用いることが可能である。具体的にはＩｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2等を挙げることができる。なお本透明導電膜は、太陽光の光線透過率が８５％以上、中でも９０％以上、特に９２％以上であることが好ましい。このことにより光電変換部２が光を効率的に吸収することができるためである。
透明導電膜の作成方法としては公知の方法を用いることができ、スパッタリング、真空蒸着、ゾルゲル法、クラスタービーム蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。
【００３８】
４．光電変換部
光電変換部２は、受光面および裏面を有し、光電変換部２の裏面の上に第１気体発生部８と第２気体発生部７を設けることができる。なお、受光面とは、光電変換するための光を受光する面であり、裏面とは、受光面の裏の面である。また、光電変換部２は、第１電極４が設けられた透光性基板１の上に受光面を下にして設けることができる。
光電変換部２は、入射光により電荷分離することができ、受光面と裏面との間に起電力が生じるものであれば、特に限定されないが、例えば、シリコン系半導体を用いた光電変換部、化合物半導体を用いた光電変換部、色素増感剤を利用した光電変換部、有機薄膜を用いた光電変換部などである。また、光電変換部２は、第１気体発生部と第２気体発生部に電解液の分解のために必要な正孔および電子を供給する。光電変換部２が受光することにより生じる受光面と裏面との間の電位差は、第１気体発生部から第１気体を発生させることができ、第２気体発生部から第２気体を発生させることができれば特に限定されないが、電解液を分解するための理論電圧よりも十分に大きくすることができる。
【００３９】
第１気体発生部および第２気体発生部がそれぞれ水素発生部および酸素発生部であり、電解液に含まれる水を分解しから水素を及び酸素を発生させる場合、光電変換部２は、光を受光することにより、水素発生部と酸素発生部において水素と酸素が発生するために必要な起電力が生じる材料を使用する必要がある。水素発生部と酸素発生部の電位差は、水分解のための理論電圧（１．２３Ｖ）より十分に大きくする必要がある。これは、水素発生部おける水素発生反応と酸素発生部における酸素発生反応の過電圧を加味する必要があるためである。そのためには光電変換部２で十分大きな電位差を生み出す必要がある。また、そのため光電変換部２は、ｐｎ接合など起電力を生じさせる部分を二接合以上直列に接続することが好ましい。
【００４０】
光電変換を行う材料は、シリコン系半導体、化合物半導体、有機材料をベースとしたものなどが挙げられるが、いずれの光電変換材料も使用することが可能である。また、起電力を大きくするために、これらの光電変換材料を積層することが可能である。積層する場合には同一材料で多接合構造を形成することが可能であるが、光学的バンドギャップの異なる複数の光電変換層を積層し、各々の光電変換層の低感度波長領域を相互に補完することにより、広い波長領域にわたり入射光を効率よく吸収することが可能となる。
【００４１】
また、光電変換層間の直列接続特性の改善や、光電変換部２で発生する光電流の整合のために、層間に透明導電膜等の導電体を介在させることが可能である。これにより光電変換部２の劣化を抑制することが可能となる。
光電変換部２の例を以下に具体的に説明する。また、光電変換部２は、これらを組み合わせたものでもよい。
【００４２】
４−１．シリコン系半導体を用いた光電変換部
シリコン系半導体を用いた光電変換部２は、例えば、単結晶型、多結晶型、アモルファス型、球状シリコン型、及びこれらを組み合わせたもの等が挙げられる。いずれもｐ型半導体とｎ型半導体が接合したｐｎ接合を有することができる。また、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にｉ型半導体を設けたｐｉｎ接合を有するものとすることもできる。また、ｐｎ接合を複数有するもの、ｐｉｎ接合を複数有するもの、ｐｎ接合とｐｉｎ接合を有するものとすることもできる。
シリコン系半導体とは、シリコンを含む半導体であり、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、シリコンゲルマニウムなどである。また、シリコンなどにｎ型不純物またはｐ型不純物が添加されたものも含み、また、結晶質、非晶質、微結晶、多結晶のものも含む。
また、シリコン系半導体を用いた光電変換部２は、透光性基板１の上に形成された薄膜または厚膜の光電変換層であってもよく、また、シリコンウェハなどのウェハにｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成したものでもよく、また、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成したウェハの上に薄膜の光電変換層を形成したものでもよい。
【００４３】
シリコン系半導体を用いた光電変換部の作製方法としては、多結晶シリコンの場合はシリコンのシート化もしくはアモルファスの熱処理、アモルファスシリコンの場合はシランガス等を原料とするプラズマＣＶＤ法がある。
シリコン系半導体を用いた光電変換部２の形成例を以下に示す。
透光性基板１上に積層した第１電極４上に、第１導電型半導体層をプラズマＣＶＤ法等の方法で形成する。この第１導電型半導体層としては、導電型決定不純物原子濃度が１×１０18〜５×１０21／ｃｍ3程度ドープされた、ｐ＋型またはｎ＋型の非晶質Ｓｉ薄膜、または多結晶あるいは微結晶Ｓｉ薄膜とする。第１導電型半導体層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。
【００４４】
このように形成された第１導電型半導体層上に、結晶質Ｓｉ系光活性層として多結晶あるいは微結晶の結晶質Ｓｉ薄膜をプラズマＣＶＤ法等の方法で形成する。なお、導電型は第１導電型半導体よりドーピング濃度が低い第１導電型とするか、あるいはｉ型とする。結晶質Ｓｉ系光活性層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。
【００４５】
次に、結晶質Ｓｉ系光活性層上に半導体接合を形成するため、第１導電型半導体層とは反対導電型である第２導電型半導体層をプラズマＣＶＤ等の方法で形成する。この第２導電型半導体層としては、導電型決定不純物原子が１×１０18〜５×１０21／ｃｍ3程度ドープされた、ｎ＋型またはｐ＋型の非晶質Ｓｉ薄膜、または多結晶あるいは微結晶Ｓｉ薄膜とする。第２導電型半導体層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。また接合特性をより改善するために、結晶質Ｓｉ系光活性層と第２導電型半導体層との間に、実質的にｉ型の非単結晶Ｓｉ系薄膜を挿入することも可能である。このようにして、受光面に最も近い光電変換層を一層積層することができる。
【００４６】
続けて第二層目の光電変換層を形成する。第二層目の光電変換層は、第１導電型半導体層、結晶質Ｓｉ系光活性層、第２導電型半導体層からなり、それぞれの層は、第一層目の光電変換層中の対応する第１導電型半導体層、結晶質Ｓｉ系光活性層、第２導電型半導体層と同様に形成する。二層のタンデムで水分解に十分な電位を得ることができない場合は、三層あるいはそれ以上の層状構造を取ることが好ましい。ただし第二層目の光電変換層の結晶質Ｓｉ系光活性層の体積結晶化分率は、第一層目の結晶質Ｓｉ系光活性層と比較すると高くすることが好ましい。三層以上積層する場合も同様に下層と比較すると体積結晶化分率を高くすることが好ましい。これは、長波長域での吸収が大きくなり、分光感度が長波長側にシフトし、同じＳｉ材料を用いて光活性層を構成した場合においても、広い波長域で感度を向上させることが可能となるためである。すなわち、結晶化率の異なるＳｉでタンデム構造にすることにより、分光感度が広くなり、光の高効率利用が可能となる。このとき低結晶化率材料を受光面側にしないと高効率とならない。また結晶化率が４０％以下に下がるとアモルファス成分が増え、劣化が生じてしまう。
【００４７】
４−２．化合物半導体を用いた光電変換部
化合物半導体を用いた光電変換部は、例えば、III−V族元素で構成されるＧａＰ、ＧａＡｓやＩｎＰ、ＩｎＡｓ、II−VI族元素で構成されるＣｄＴｅ／ＣｄＳ、II−VI族の変
形であるカルコパイライト系化合物（Ｉ―III―VI2等）の化合物半導体などを用いたものが挙げられる。化合物半導体はシリコンに比べて光吸収係数が１〜２桁大きい。このため薄膜セルとして利用するのに適しており、軽量化、低コスト化につなげることが可能である。
III―Ｖ族化合物については例えば、ｐ型ドープしたＧａＡｓウェハ表面にｎ型層をエピタキシャル成長させることで太陽電池セルが作製される。また、ＧａＡｓとの格子整合がよく、ＧａＡｓを汚染しないＧａＩｎＰ2を用いてＧａＡｓ―ＧａＩｎＰ2ヘテロ構造とし、さらに変換効率を高めることも可能である。
II―VI族化合物については例えば、ＣｄＴｅ−ＣｄＳヘテロ構造が、低価格で工業化されている。作製法としては、ガラス基板上にペースト塗布した後、焼成をするという工程を繰り返すスクリーン方式により作製される。ガラス基板上にＣｄＳ膜を形成した後、櫛形にＣｄＴｅを堆積させて作製する。ＣｄＴｅはバンドギャップが１．４４ｅＶの理想的な太陽電池材料であり、ＣｄＳはバンドギャップが２．４２ｅＶで太陽光の大部分を透過する窓材である。ワイドギャップ層を窓材とするヘテロ接合は光が窓材を透過して接合界面で光の吸収が起こるため、発生したキャリアが接合界面付近で効率よく分離・吸収される。
カルコパイライト系化合物については例えば、Ｃｕ（Ｉｎ， Ｇａ）Ｓｅ2（ＣＩＧＳ）（Copper Indium Gallium DiSelenide）やＣｕＩｎ（Ｓ，Ｓｅ）2（ＣＩＳＳ）がある。ＣＩＧＳについてはバンドギャップが１．５５ｅＶ〜１．６ｅＶであり、作製法としては３元または４元蒸着法によりＭｏ膜を被覆したガラス板上に製膜させる方法もしくはＣｕ−Ｉｎ膜を製膜した後でＳｅを含む雰囲気中で熱処理を行うセレン化法が用いられている。
【００４８】
化合物半導体を用いた光電変換部の製造方法の一例を以下に示すが、本製造方法では、製膜処理等はすべて有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置を使って連続して行われる。III族元素の材料としては、例えばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなどの有機金属が水素をキャリアガスとして成長装置に供給される。Ｖ族元素の材料としては、例えばアルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）、スチビン（ＳｂＨ3）等のガスが使われる。ｐ型不純物またはｎ型不純物のドーパントとしては、例えばｐ型化にはジエチルジンク、またはｎ型化には、モノシラン（ＳｉＨ4）やジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）等が利用される。これらの原料ガスを、例えば７００℃に加熱された基板上に供給することにより熱分解させ、所望の化合物半導体材料膜をエピタキシャル成長させることが可能である。これら成長層の組成は導入するガス組成により、また膜厚はガスの導入時間によって制御することが可能である。これらの光電変換部を多接合積層する場合は、層間での格子定数を可能な限り合わせることにより、結晶性に優れた成長層を形成することができ、光電変換効率を向上することが可能となる。
【００４９】
ｐｎ接合を形成した部分以外にも、例えば受光面側に公知の窓層や、非受光面側に公知の電界層等を設けることによりキャリア収集効率を高める工夫を有してもよい。また不純物の拡散を防止するためのバッファ層を有していてもよい。
【００５０】
４−３．色素増感剤を利用した光電変換部
色素増感剤を利用した光電変換部は、例えば、主に多孔質半導体、色素増感剤、電解質、溶媒などにより構成される。
多孔質半導体を構成する材料としては、例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム等公知の半導体から１種類以上を選択することが可能である。多孔質半導体を基板上に形成する方法としては、半導体粒子を含有するペーストをスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
【００５１】
多孔質半導体に吸着する色素増感剤としては、可視光領域および赤外光領域に吸収を持つ種々の色素を用いることが可能である。ここで、多孔質半導体に色素を強固に吸着させるには、色素分子中にカルボン酸基、カルボン酸無水基、アルコキシ基、スルホン酸基、ヒドロキシル基、ヒドロキシルアルキル基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基等が存在することが好ましい。これらの官能基は、励起状態の色素と多孔質半導体の伝導帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供する。
【００５２】
これらの官能基を含有する色素として、例えば、ルテニウムビピリジン系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、アゾ系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ベリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素等が挙げられる。
【００５３】
多孔質半導体への色素の吸着方法としては、例えば多孔質半導体を、色素を溶解した溶液（色素吸着用溶液）に浸漬する方法が挙げられる。色素吸着用溶液に用いられる溶媒としては、色素を溶解するものであれば特に制限されず、具体的には、エタノール、メタノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトニトリル等の窒素化合物類、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン等の芳香族炭化水素、酢酸エチル等のエステル類、水等を挙げることができる。
【００５４】
電解質は、酸化還元対とこれを保持する液体または高分子ゲル等固体の媒体からなる。
酸化還元対としては一般に、鉄系、コバルト系等の金属類や塩素、臭素、ヨウ素等のハロゲン物質が好適に用いられ、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム等の金属ヨウ化物とヨウ素の組み合わせが好ましく用いられる。さらに、ジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド等のイミダゾール塩等を混入することもできる。
【００５５】
また、溶媒としては、プロピレンカーボネート等のカーボネート化合物、アセトニトリル等のニトリル化合物、エタノール、メタノール等のアルコール、その他、水や非プロトン極性物質等が用いられるが、中でも、カーボネート化合物やニトリル化合物が好適に用いられる。
【００５６】
４−４．有機薄膜を用いた光電変換部
有機薄膜を用いた光電変換部は、電子供与性および電子受容性を持つ有機半導体材料で構成される電子正孔輸送層、または電子受容性を有する電子輸送層と電子供与性を有する正孔輸送層とが積層されたものであってもよい。
電子供与性の有機半導体材料としては、電子供与体としての機能を有するものであれば特に限定されないが、塗布法により製膜できることが好ましく、中でも電子供与性の導電性高分子が好適に使用される。
【００５７】
ここで導電性高分子とはπ共役高分子を示し、炭素−炭素またはヘテロ原子を含む二重結合または三重結合が、単結合と交互に連なったπ共役系からなり、半導体的性質を示すものをさす。
【００５８】
電子供与性の導電性高分子材料としては、例えばポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリシラン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、およびこれらの誘導体、共重合体、あるいはフタロシアニン含有ポリマー、カルバゾール含有ポリマー、有機金属ポリマー等が挙げられる。中でも、チオフェン−フルオレン共重合体、ポリアルキルチオフェン、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体、フルオレン−フェニレンビニレン共重合体、チオフェン−フェニレンビニレン共重合体等が好適に利用される。
【００５９】
電子受容性の有機半導体材料としては、電子受容体としての機能を有するものであれば特に限定されないが、塗布法により製膜できることが好ましく、中でも電子供与性の導電性高分子が好適に使用される。
電子受容性の導電性高分子としては、例えばポリフェニレンビニレン、ポリフルオレン、およびこれらの誘導体、共重合体、あるいはカーボンナノチューブ、フラーレンおよびこれらの誘導体、ＣＮ基またはＣＦ3基含有ポリマーおよびそれらの−ＣＦ3置換ポリマー等が挙げられる。
【００６０】
また、電子供与性化合物がドープされた電子受容性の有機半導体材料や、電子受容性化合物がドープされた電子供与性の有機半導体材料等を用いることが可能である。電子供与性化合物がドープされる電子受容性の導電性高分子材料としては、上述の電子受容性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子供与性化合物としては、例えばＬｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｓ等のアルカリ金属やアルカリ土類金属のようなルイス塩基を用いることができる。なお、ルイス塩基は電子供与体として作用する。また、電子受容性化合物がドープされる電子供与性の導電性高分子材料としては、上述した電子供与性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子受容性化合物としては、例えばＦｅＣｌ3、ＡｌＣｌ3、ＡｌＢｒ3、ＡｓＦ6やハロゲン化合物のようなルイス酸を用いることができる。なお、ルイス酸は電子受容体として作用する。
【００６１】
上記にて示した光電変換部２においては、第一義的には太陽光を受光させ光電変換を行うことを想定しているが、用途により蛍光灯や白熱灯、ＬＥＤ、特定の熱源から発せられる光等の人工光を照射し光電変換を行うことも可能である。
【００６２】
５．第２電極
第２電極５は、光電変換部２と第１気体発生部８との間に設けることができる。第２電極５を設けることにより、光電変換部２の裏面の電位と第１気体発生部８の電位をほぼ同じにすることができる。また、光電変換部２の裏面と第１気体発生部８との間に流れる電流を大きくすることができる。このことにより、光電変換部２で生じた起電力により第１気体をより効率的に発生させることができる。また、例えば、図９のように第１気体発生部８と光電変換部２との間に導電性の気体導通部２１を設ける場合、第２電極５は省略することができ、気体導通部２１を設けることにより第２電極５を設けることと同様の効果を得ることができる。
【００６３】
また、例えば、図６のように光電変換部２の裏面と第１気体発生部８とを第３導通部２２により電気的に接続する場合、第３導通部２２と光電変換部２の裏面とにそれぞれ接触する第２電極を設けることができる。この構成により、絶縁性の気体導通部２１を設けた場合でも、光電変換部２の裏面の電位と第１気体発生部８の電位をほぼ同じにすることができる。
第２電極５は、導電性を有すれば特に限定されないが、例えば、金属薄膜であり、また、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの薄膜である。これらは、例えば、スパッタリングなどにより形成することができる。また、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2等の透明導電膜である。
【００６４】
６．絶縁部
絶縁部１１は、光電変換部２の裏面と第２気体発生部７との間に設けることができる。また、絶縁部１１は、第１気体発生部８と第２気体発生部７との間に設けることもできる。さらに、絶縁部１１は、第１導電部９と光電変換部２との間、第２導電部１０と光電変換部２との間、および第２導電部１０と第２電極５との間に設けることができる。また、本実施形態の気体製造装置２３が図９のような断面を有する場合、絶縁部１１は省略することができる。
絶縁部１１を設けることにより、光電変換部２で生じた起電力により、光電変換部２の受光面と第２気体発生部７との間に電流を流し、光電変換部２の裏面と第１気体発生部８との間に電流を流すことができる。また、リーク電流をより小さくすることができる。このことにより、光電変換部２の受光面の電位と第２気体発生部７の電位をほぼ同じにすることができ、また、光電変換部２の裏面の電位と第１気体発生部８の電位をほぼ同じにすることができ、より効率的に第１気体および第２気体を発生させることができる。
また、例えば、図６のように第２気体発生部７と光電変換部２との間に絶縁性の気体導通部２１を設ける場合、第２気体発生部７と光電変換部２との間の絶縁部１１は省略することができる。
【００６５】
絶縁部１１としては、有機材料、無機材料を問わず用いることが可能であり、例えば、ポリアミド、ポリイミド、ポリアリーレン、芳香族ビニル化合物、フッ素系重合体、アクリル系重合体、ビニルアミド系重合体等の有機ポリマー、無機系材料としては、Ａｌ2Ｏ3等の金属酸化物、多孔質性シリカ膜等のＳｉＯ2や、フッ素添加シリコン酸化膜（ＦＳＧ）、ＳｉＯＣ、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）膜、ＳｉＮx、シラノール（Ｓｉ（ＯＨ）4）をアルコール等の溶媒に溶かし塗布・加熱することにより製膜する方法を用いることが可能である。
【００６６】
絶縁部１１を形成する方法としては、絶縁性材料を含有するペーストをスクリーン印刷法、インクジェット法、スピンコーティング法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法を利用した方法等が挙げられる。
【００６７】
７．第２導電部
第２導電部１０は、第１電極４と第２気体発生部７とにそれぞれ接触するように設けることができる。第２導電部１０を設けることにより、容易に光電変換部２の受光面に接触した第１電極４と第２気体発生部７とを電気的に接続することができる。また、本実施形態の気体製造装置２３が図９のような断面を有する場合、第２導電部１０は省略することができる。
第２導電部１０は光電変換部２の受光面と接触した第１電極４と光電変換部２の裏面上に設けられた第２気体発生部７とに接触するため、光電変換部２の受光面と平行な第２導電部の断面積を大きくしすぎると、光電変換部２の受光面の面積を小さくすることにつながる。また、光電変換部２の受光面に平行な第２導電部１０の断面積を小さくしすぎると光電変換部２の受光面の電位と第２気体発生部７の電位との間に差が生じ、電解液を分解する電位差が得られなくなる場合もあり、第１気体または第２気体の発生効率の減少につながる場合もある。従って、光電変換部２の受光面と平行な第２導電部の断面積は、一定の範囲である必要がある。例えば、光電変換部２の受光面と平行な第２導電部の断面積（第２導電部が複数の場合、その断面積の総計）は、光電変換部２の受光面の面積を１００％としたとき、０．１％以上１０％以下とすることができ、好ましくは、０．５％以上８％以下、さらに好ましくは、１％以上６％以下とすることができる。
【００６８】
また、第２導電部１０は、光電変換部２を貫通するコンタクトホールに設けられてもよい。このことにより、第２導電部１０を設けることによる光電変換部２の受光面の面積の減少をより小さくすることができる。また、このことにより、光電変換部２の受光面と第２気体発生部７との間の電流経路を短くすることができ、より効率的に第２気体を発生させることができる。また、このことにより、光電変換部２の受光面と平行な第２導電部１０の断面積を容易に調節することができる。
また、第２導電部１０が設けられたコンタクトホールは、１つまたは複数でもよく、円形の断面を有してもよい。また、光電変換部２の受光面と平行なコンタクトホールの断面積（コンタクトホールが複数の場合、その断面積の総計）は、光電変換部２の受光面の面積を１００％としたとき、０．１％以上１０％以下とすることができ、好ましくは、０．５％以上８％以下、さらに好ましくは、１％以上６％以下とすることができる。
【００６９】
第２導電部１０の材料は、導電性を有しているものであれば特に制限されない。導電性粒子を含有するペースト、例えばカーボンペースト、Ａｇペースト等をスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
【００７０】
８．気体流路
気体流路１７は、第１気体発生部８および第２気体発生部７のうち少なくとも一方と光電変換部２との間に設けられる。また、気体流路１７は、第１気体発生部８で発生させた第１気体または第２気体発生部７で発生させた第２気体を気体排出口へと導通させる。また、気体流路１７は、気体が導通することができる空洞であり、電解液で満たされてもよく、電解液で満たされなくてもよい。
気体流路１７は、発生させた第１気体または第２気体を導通させることができれば、特に限定されないが、例えば、第１気体発生部８または第２気体発生部７と光電変換部２との間に形成された空洞部や気体導通部２１が有する空洞部であってもよい。なお、気体導通部２１についての説明は後述する。
気体流路１７を設けることにより、第１気体の第１気体発生部８における滞留または第２気体の第２気体発生部７における滞留を抑制することができる。このことを図面を使って説明する。
【００７１】
図１０および図１２は、図４のような断面を有する気体製造装置を斜めに設置し、電解液チェンバー１５に電解液２５を満たし、受光面側から光を照射したときの概略断面図である。なお、図１０は、図１に示した気体製造装置２３の一点鎖線Ｂ−Ｂの概略断面図に対応し、図１２は、図１に示した気体製造装置２３の点線Ｃ−Ｃの概略断面図に対応している。また、図１１は、図１０の点線で囲んだ範囲Ｅの拡大図であり、図１３は、図１２の点線で囲んだ範囲Ｆの拡大図である。
【００７２】
図１０および図１２に示した気体製造装置に含まれる光電変換部２に光を照射すると、光電変換部２の受光面と裏面との間に電位差が生じ、前記受光面と電気的に接続した第２気体発生部７と前記裏面と電気的に接続した第１気体発生部８の間にも電位差が生じる。この電位差により、電解液２５の分解反応が生じ、第１気体発生部８において第１気体が発生し、第２気体発生部７において第２気体が発生する。発生した第１気体または第２気体である発生気体２７には、図１１または図１３のようにその浮力により上昇し、第１気体発生部８または第２気体発生部７の隙間を導通し、気体流路１７に流入させることができる。気体流路１７に流入した発生気体２７は、気体流路１７を導通し、第１気体排出口２０および第２気体排出口１９から気体製造装置２３の外部に取り出すことができ、回収することができる。なお、図１０〜１３に示した気体製造装置２３の場合、気体流路１７は、気体導通部２１に含まれている。
【００７３】
気体流路１７は、図１０〜１３のように気体導通部２１に含まれてもよいが、例えば、図３に示した気体製造装置２３の断面図のように、第１気体発生部８と光電変換部２間または第２気体発生部７と光電変換部２との間に形成された溝状の空洞部であってもよい。図３のような気体製造装置の場合、気体導通部２１は形成されず、気体流路１７は、例えば、光電変換部２、絶縁部１１、第１気体発生部８または第２気体発生部７に溝状に形成された空洞部であってもよい。また、この空洞部は、第１気体排出口２０または第２気体排出口１９に繋がるように形成されてもよい。
【００７４】
また、例えば、図５のようにこのような第１気体排出口２０または第２気体排出口１９に繋がる溝状に形成された空洞部は、気体導通部２１に設けられていてもよい。
図１４は、図５のような断面を有する気体製造装置を斜めに設置し、電解液チェンバー１５に電解液２５を満たし、受光面側から光を照射したときの概略断面図である。なお、図１４は、図１に示した気体製造装置２３の一点鎖線Ｂ−Ｂの概略断面図に対応している。また、図１５は、図１４の点線で囲んだ範囲Ｇの拡大図である。
図１４のような気体製造装置２３の場合、第１気体発生部８で発生した発生気体２７は、図１５のようにその浮力により上昇し、第１気体発生部８の隙間を導通し、気体流路１７に流入させることができる。気体流路１７に流入した発生気体２７は、気体流路を導通し、第１気体排出口２０から気体製造装置２３の外部に取り出すことができ、回収することができる。
また、溝状の気体流路１７は、図５、１４のように気体導通部２１の端部から第１気体排出口２０に向かうように設けることができる。又、同様に気体導通部２１の端部から第２気体排出口１９に向かうように設けることができる。このことにより、気体回収効率をより高めることができる。溝状の気体流路１７の断面形状は、層の強度の点から円形もしくは円弧形とするのが望ましいが、第１気体発生部８または第２気体発生部７から回収された気体を第１気体排出口２０または第２気体排出口１９まで円滑に送達することが可能であれば特に限定はしない。
【００７５】
また、気体流路１７は、光電変換部２の裏面と第１気体発生部８との間および光電変換部２の裏面と第２気体発生部７との間にそれぞれ設けることができ、この２つの気体流路１７は、お互いに導通させないことができる。このことにより、第１気体発生部８と第２気体発生部７とでそれぞれ発生させた気体を混合させずに回収することができる。第１気体発生部８と前記裏面との間の気体流路１７および第２気体発生部７と前記裏面との間の気体流路１７をお互いに導通させない手段は特に限定されないが、例えば、２つの気体流路１７の間に隔壁１３または絶縁部１１を設けることにより、導通させないことができる。
【００７６】
また、例えば、図９のように第２気体発生部７と第１気体発生部８がそれぞれ光電変換部２の受光面側と裏面側に設けられている場合、気体流路１７は、第１気体発生部８と光電変換部２の裏面との間に設けることができる。
図１６は、図９のような断面を有する気体製造装置を斜めに設置し、電解液チェンバー１５に電解液２５を満たし、受光面側から光を照射したときの概略断面図である。また、図１７は、図１６の点線で囲んだ範囲Ｊの拡大図である。
図１６のような気体製造装置２３の場合、第１気体発生部８で発生した発生気体２７は、図１７のようにその浮力により上昇し、第１気体発生部８の隙間を導通し、気体流路１７に流入させることができる。気体流路１７に流入した発生気体２７は、気体流路１７を導通し、第１気体排出口２０から気体製造装置２３の外部に取り出すことができ、回収することができる。なお、第２気体発生部７で発生した発生気体２７は、その浮力により第２気体発生部７から気泡として脱離することができ、第２気体排出口１９から回収することができる。
【００７７】
気体流路１７は、親水性または疎水性の内壁を有することができる。気体流路１７が電解液で満たされた場合であって、気体流路１７の内壁が親水性の場合、気泡として導通する発生気体２７は、気体流路１７の内壁に吸着しにくく、気体流路１７を導通させることができる。このことにより、発生気体２７を第１気体排出口２０または第２気体排出口１９から応答性よく回収することができる。この場合、発生気体２７が気泡として導通しやすいように、気体流路の直径を大きくすることができ、また、気体流路を溝状にすることができる。
【００７８】
また、気体流路１７が電解液で満たされた場合であって、気体流路１７の内壁が疎水性の場合、発生した発生気体２７が電解液を押し出し気体流路１７を発生気体２７で満たすことができる。気体流路１７が発生気体２７で満たされると、第１気体発生部８または第２気体発生部７で発生した発生気体２７は、気体流路を満たした発生気体２７中を導通することができ、迅速に第１気体排出口２０または第２気体排出口１９から回収することができる。この場合、気体流路１７の容積を小さくすることができる。このことにより、気体流路１７を迅速に発生気体２７で満たすことができ、発生気体をより迅速に回収することができる。
【００７９】
また、気体流路１７の内壁が疎水性であって、気体流路１７が電解液で満たされていない場合、第１気体発生部８または第２気体発生部７で発生した発生気体２７は、気体流路１７の空洞を導通して迅速に回収することができる。例えば、疎水性多孔質膜で気体導通部２１を形成することにより、このような気体流路１７を形成することができる。
【００８０】
９．気体導通部
気体導通部２１は、第１気体発生部８および第２気体発生部７のうち少なくとも一方と光電変換部２との間に設けることができる。また、気体導通部２１は、気体流路１７を有する。
気体導通部２１は、気体流路１７を有すれば特に限定されないが、例えば、多孔質材料により構成することができる。この場合、多孔質材料の孔が気体流路１７となる。また、気体導通部２１は、格子状構造、微小な粒子を充填させた構造とすることもできる。この場合これらの構造の隙間が気体流路１７となる。また、気体導通部２１は、図５、図１４、図１５のように溝状の気体流路１７を形成したものであってもよい。
【００８１】
気体導通部２１は、導電性を有しても有さなくてもよいが、導電性を有することが好ましい。気体導通部２１が導電性を有することが好ましい。導電性を有する気体導通部２１を光電変換部２と第２気体発生部７との間に設けることにより、光電変換部２の受光面と第２気体発生部７とをほぼ同じ電位とすることができる。また、導電性を有する気体導通部２１を光電変換部２と第１気体発生部８との間に設けることにより、光電変換部２の裏面と第１気体発生部８とをほぼ同じ電位とすることができる。
【００８２】
気体導通部２１が導電性を有さない場合、気体導通部２１を貫通する第２コンタクトホールに第３導電部２２を形成し、光電変換部２の裏面と第１気体発生部８とを電気的に接続することができる。例えば、図６に示したような断面を有する気体製造装置とすることができる。このことにより、気体導通部２１が導電性を有さない場合でも、光電変換部２の裏面と第１気体発生部８の電位をほぼ同じにすることができ、効率よく電解液を分解することができる。また、気体導通部２１が絶縁性を有する場合、図６のように第２気体発生部７と光電変換部２との間の絶縁部１１を省略することができる。
【００８３】
また、気体導通部２１は、親水性の表面を有する材料から形成されてもよく、また、親水性の表面を有するように表面処理されていてもよい。このことにより、親水性の内壁を有する気体流路１７を設けることができるからである。また、気体導通部２１は、疎水性の表面を有する材料から形成されてもよく、また、疎水性の表面を有するように表面処理されていてもよい。このことにより、疎水性の内壁を有する気体流路１７を設けることができるからである。
【００８４】
また、第１気体発生部８および第２気体発生部７が前記裏面上に設けられた気体製造装置において、気体導通部２１は、光電変換部２の裏面と第１気体発生部８および第２気体発生部７との間に設けられ、かつ、電解液に対する耐食性および遮液性を有してもよい。また、気体導通部２１は、光電変換部２を覆うように設けられてもよい。このことにより、光電変換部２と電解液の接触を防止することができ、光電変換部２に電解液により腐食されやすい光電変換材料や電解液が流入することにより光電変換効率が低下するような光電変換材料を用いることができる。
【００８５】
気体導通部２１としては、例えば、導電性のあるカーボン製やアルミニウム、タングステン、鉄等の金属製の多孔質材料を用いることが好ましい。しかし、図６のように第３導電部２２を設けることにより、ポリエチレン、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）等の非導電性の高分子もしくはアルミナ、ジルコニア等のセラミック製の多孔質材料を用いることも可能である。また、気体導通部２１はポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなるＭｉｌｌｉｐｏｒｅ社製Ｄｕｒａｐｅｌ膜（登録商標）等の超疎水性多孔質膜を使用することも可能である。これにより、気体導通部２１が有する気体流路１７内への電解液の浸透を遮断し、気体流路１７内を電解液で満たされていない状態とすることができる。このことにより、第１気体発生部８で発生した第１気体または第２気体発生部７で発生した第２気体を電解液のない気体流路１７を導通させることができ、気体回収をより効率よく行うことが可能となる。
【００８６】
また、気体導通部２１としては、例えば、非導電性の金属酸化物や高分子又は天然由来の材料であってもよい。前記金属酸化物の多孔質材料の例は、周期表の２、３、４ 、１２、１３ 及び１４族の元素の酸化物のような多孔質酸化物であり、例えばアルミニウム、ジルコニウム、ケイ素、マグネシウム及びそれらの混合物の酸化物、特に陽極酸化軽金属、特にアルミニウム又はその合金である。多孔質合成材料は、例えばフッ素系樹脂や、ポリエチレン、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）、多孔質ポリアミド充填剤である。特にポリアミド充填剤はポリアミド−１２ 、ポリアミド−６ 又はコーポリアミド−６／１２ 充填剤であり、商品名Ｏｒｇａｓｏｌ（登録商標） でＡｔｏｆｉｎａ社により販売されている。更に、天然由来の多孔質材料としては、白亜、軽石、焼成クレー、素焼きセラミック、石膏、コンクリート、キーゼルグール、シリカゲル、ゼオライト、及び毛等も使用可能である。
【００８７】
１０．第１気体発生部
第１気体発生部８は、光電変換部２の裏面の上に設けられてもよい。このことにより、第１気体発生部８は光電変換部２に入射する光を遮ることはない。また、第１気体発生部８は、光電変換部２の裏面と電気的に接続することができる。このことにより、光電変換部２の裏面の電位と第１気体発生部８の電位をほぼ同じとすることができ、光電変換部２で生じた起電力により電解液を分解し、第１気体を発生させることができる。また、第１気体発生部８は、第２気体発生部７と接触しないように設けることができる。このことにより、第１気体発生部８と第２気体発生部７との間にリーク電流が流れるのを防止することとができる。さらに、第１気体発生部８は、電解液チェンバー１５に露出してもよい。このことにより、第１気体発生部８の表面で電解液から第１気体を発生させることができる。また、第１気体発生部８は複数設けられてもよい。
また、第１気体発生部８は、水素発生部および酸素発生部のいずれか一方とすることができる。このことにより、第１気体発生部において電解液に含まれる水を分解し、水素または酸素を発生させることができる。
【００８８】
１１．第２気体発生部
第２気体発生部７は、光電変換部２の裏面の上に設けられてもよい。このことにより、第２気体発生部７は光電変換部２に入射する光を遮ることはない。また、第２気体発生部７は、光電変換部２の受光面と第１導電部９を介して電気的に接続する。このことにより、光電変換部２の受光面の電位と第２気体発生部７の電位をほぼ同じにすることができ、光電変換部２で生じた起電力により電解液を分解し第２気体を発生させることができる。また、第２気体発生部７は、絶縁部１１を介して光電変換部２の裏面の上に設けられてもよい。また、第２気体発生部７は、第１気体発生部８と接触しないように設けることができる。このことによりリーク電流が流れることを防止することができる。また、第２気体発生部７は、電解液チェンバー１５に露出してもよい。このことにより、第２気体発生部７の表面で電解液から第２気体を発生させることができる。また、第２気体発生部８は複数設けられてもよい。
また、第２気体発生部８は、水素発生部および酸素発生部のいずれか一方とすることができる。このことにより、第２気体発生部において電解液に含まれる水を分解し、水素または酸素を発生させることができる。
【００８９】
第１気体発生部８および第２気体発生部７は、気体透過性を有してもよい。このことにより、第１気体発生部８で発生させた第１気体または第２気体発生部７で発生させた第２気体は、その浮力により上昇し、気体流路１７に流入することができる。このことにより、第１気体または第２気体の滞留を抑制することができる。
気体透過性を持たせる方法は、特に限定されないが、多孔質材料を用いて第１気体発生部８および第２気体発生部７を形成してもよいし、第１気体発生部８および第２気体発生部７がそれぞれ隙間を有するようにまばらに設けてもよい。
また、第１気体発生部８および第２気体発生部７が気体透過性を有さない場合、後述する気体支流路２９を形成することにより、気体透過性を持たせてもよい。
【００９０】
多孔質材料からなる第１気体発生部および第２気体発生部としては、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー等のカーボン多孔質体またはアルミニウム、チタン、ニオブ、タンタル等を主とする多孔質の弁金属等を担体として用いて、触媒を担持法により担持させたものが挙げられる。
【００９１】
第１気体発生部８および第２気体発生部７は、親水性の表面を有してもよい。このことにより、第１気体発生部８および第２気体発生部７への電解液の浸透性を向上させることができる。その結果、電解液から第１気体および第２気体を発生させる反応を活性化することができ、気体発生効率を向上することができる。
【００９２】
また、第１気体発生部８および第２気体発生部７が親水性の表面を有することにより、気泡として発生した第１気体または第２気体が、第１気体発生部８または第２気体発生部７の表面に吸着しにくくすることができる。つまり、気泡と第１気体発生部８または第２気体発生部７との間に電解液が入りやすくなるため、気泡が吸着しにくくなる。その結果、発生した気泡は、その浮力により上昇し、気体流路に流入しやすくすることができる。従って、発生した第１気体の第１気体発生部８における滞留または第２気体の第２気体発生部７における滞留を抑制することができ、発生した第１気体または第２気体を気体流路１７を経由して迅速に回収することができる。
【００９３】
第１気体発生部８および第２気体発生部７に親水性の表面を持たせる方法は、特に限定されないが、例えば、親水性の表面を有する材料を用いて第１気体発生部８および第２気体発生部７を形成してもよく、また、親水化処理を施して第１気体発生部８および第２気体発生部７が親水性の表面を有するようにしてもよい。親水化処理は、例えば、イオンスパッタリングなどにより施すことが可能である。
【００９４】
また、図１８は、本発明の一実施形態の気体製造装置の概略平面図である。図１９は、本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図であり、図１９の点線Ｋ−Ｋの断面図に対応している。第１気体発生部８と第２気体発生部７は、光電変換部２の裏面の上に並列に配置されてもよい。さらに、第１気体発生部８と第２気体発生部７のうち少なくとも一方は複数であり、交互に配置されてもよい。例えば、図１８、１９のような構成を有してもよい。このことにより、光電変換部２の受光面と第２気体発生部７との間の電流経路をより短くすることができ、より効率的に第２気体を発生させることができる。このことにより第１気体発生部８と第２気体発生部９とが隣接する部分が増加し、第１気体発生部８付近の電解液と第２気体発生部９付近の電解液との間のイオンがイオン伝導する距離を短くすることができる。また、このイオンがイオン伝導する電解液またはイオン交換体のイオン伝導経路が多くすることができ、イオン伝導領域の比率を大きくすることができる。この結果、伝導イオンの濃度を小さくすることができる。イオンは、例えばプロトンである。
このことにより、イオンが第１気体発生部８付近の電解液と第２気体発生部９付近の電解液において移動しやすくなり、イオン濃度の不均衡を小さくすることができる。その結果、気体発生速度の低下を防止することができる。
【００９５】
また、第１気体発生部８および第２気体発生部７は、それぞれ光電変換部２の裏面上および光電変換部２の受光面上に設けてもよい。この構成により、第２導電部１０を省略することができる。本実施形態の気体製造装置は、例えば、図１６のような断面を有してもよい。
図１６のような断面を有する気体製造装置は、受光面と裏面を有する光電変換部２を有し、前記裏面上に気体導通部２１が積層され、さらにその上に第１気体発生部８が積層されている。例えば、図１６に示すように受光面側から順に第２気体発生部７、光電変換部２、気体導通部２１、第１気体発生部８の順に積層され、受光面を水平面に対して傾けて設置される際、第１気体発生部８が光電変換部２の下側となる構造を取る。なお、図１６に示すような気体製造装置は、光電変換部２、第２気体発生部７、第１気体発生部８、および気体導通部２１、隔壁１３、透光性基板１、外箱１６、第１気体排出口２０、第２気体排出口１９、給水口１８により構成され、構成要素は他の実施形態と同様のものを使用することが可能である。ただし、第２気体発生部７については、受光面側に配置するため光電変換部２にまで光を透過させる必要がある。そのため触媒を半導電体太陽電池からなる光電変換部２に直接、またはＳｎＯ2、ＺｎＯ、ＴｉＯ2、Ｉｎ2Ｏ3またはＩＴＯ（Ｉｎ2Ｏ3―ＳｎＯ2）、ＩＺＯ（ＩｎＳｎＯ2―ＺｎＯ）等の透明導電性を有する第１電極４に、イオンスパッタリング法、スプレー法、ＣＶＤ法、ゾル―ゲル法、電解析出等の方法を用いて担持させることが好ましい。
【００９６】
１２．水素発生部
水素発生部は、電解液からＨ2を発生させる部分であり、第１気体発生部８および第２気体発生部７のうちどちらか一方とすることができる。また、水素発生部は、電解液からＨ2が発生する反応の触媒（水素発生触媒）を含んでもよい。このことにより、電解液からＨ2が発生する反応の反応速度を大きくすることができる。水素発生部は、電解液からＨ2が発生する反応の触媒のみからなってもよく、この触媒が担体に担持されたものであってもよい。また、水素発生部は、光電変換部２の受光面の面積より大きい触媒表面積を有してもよい。このことにより、電解液からＨ2が発生する反応をより速い反応速度とすることができる。また、水素発生部は、触媒が担持された多孔質の導電体であってもよい。このことにより、触媒表面積を大きくすることができる。また、光電変換部２の受光面または裏面と水素発生部に含まれる触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。また、この水素発生部を第１気体発生部８としたとき、第２電極を省略しても光電変換部２の裏面と触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。
【００９７】
電解液からＨ2が発生する反応の触媒（水素発生触媒）は、２つのプロトンと２つの電子から１分子の水素への変換を促進する触媒であり、化学的に安定であり、水素生成過電圧が小さい材料を用いることができる。例えば、水素に対して触媒活性を有するＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ａｕ等の白金族金属およびその合金あるいは化合物、水素生成酵素であるヒドロゲナーゼの活性中心を構成するＦｅ，Ｎｉ，Ｓｅの合金あるいは化合物、およびこれらの組み合わせ等を好適に用いることが可能である。中でもＰｔおよびＰｔを含有するナノ構造体は水素発生過電圧が小さく好適に用いることが可能である。光照射により水素発生反応が確認されるＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＺｎＳ，ＺｒＯ2などの材料を用いることもできる。なお、水素発生触媒は水素発生の理論過電圧が低いものを用いることが好ましいが、前記過電圧が低いものであれば特に限定はしない。
【００９８】
水素発生触媒を直接光電変換部２の裏面などに担持することは可能であるが、反応面積をより大きくし気体生成速度を向上させるために、触媒を導電体に担持することができる。触媒を担持する導電体としては、金属材料、炭素質材料、導電性を有する無機材料等が挙げられる。
【００９９】
金属材料としては、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する材料が好ましい。具体的には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ、Ｓｉ等の金属並びにこれらの金属の窒化物および炭化物、ステンレス鋼、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金が挙げられる。金属材料には、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが、他の化学的な副反応が少ないという観点から、より好ましい。これら金属材料は、比較的電気抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下を抑制することができる。また、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の酸性雰囲気下での耐腐食性に乏しい金属材料を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属、カーボン、グラファイト、グラッシーカーボン、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等によって耐腐食性に乏しい金属の表面をコーティングしてもよい。
【０１００】
炭素質材料としては、化学的に安定で導電性を有する材料が好ましい。例えば、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、ＶＧＣＦ、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン等の炭素粉末や炭素繊維が挙げられる。
【０１０１】
導電性を有する無機材料としては、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2、酸化アンチモンドープ酸化スズが挙げられる。
【０１０２】
なお、導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン等が挙げられ、導電性窒化物としては、窒化炭素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化ゲルマニウム、窒化チタニウム、窒化ジルコニウム、窒化タリウム等が挙げられ、導電性炭化物としては、炭化タンタル、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタニウム、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化鉄、炭化ニッケル、炭化ハフニウム、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化クロム等が挙げられ、導電性酸化物としては、酸化スズ、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化アンチモンドープ酸化スズ等が挙げられる。
【０１０３】
水素発生触媒を担持する導電体の構造としては、板状、箔状、棒状、メッシュ状、ラス板状、多孔質板状、多孔質棒状、織布状、不織布状、繊維状、フェルト状が好適に使用できる。また、フェルト状電極の表面を溝状に圧着した溝付き導電体は、電気抵抗と電極液の流動抵抗を低減できるので好適である。
【０１０４】
１３．酸素発生部
酸素発生部は、電解液からＯ2を発生させる部分であり、第１気体発生部８および第２気体発生部７のうちどちらか一方とすることができる。また、酸素発生部は、電解液からＯ2が発生する反応の触媒（酸素発生触媒）を含んでもよい。このことにより、電解液からＯ2が発生する反応の反応速度を大きくすることができる。また、酸素発生部は、電解液からＯ2が発生する反応の触媒のみからなってもよく、この触媒が担体に担持されたものであってもよい。また、酸素発生部は、光電変換部２の受光面の面積より大きい触媒表面積を有してもよい。このことにより、電解液からＯ2が発生する反応をより速い反応速度とすることができる。また、酸素発生部は、触媒が担持された多孔質の導電体であってもよい。このことにより、触媒表面積を大きくすることができる。また、光電変換部２の受光面または裏面と酸素発生部に含まれる触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。また、この水素発生部を第１気体発生部８としたとき、第２電極を省略しても光電変換部２の裏面と触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を小さくすることができる。さらに、酸素発生部は、酸素発生触媒としてＭｎ、Ｃａ、Ｚｎ、ＣｏおよびＩｒのうち少なくとも１つを含んでもよい。
【０１０５】
電解液からＯ2が発生する反応の触媒（酸素発生触媒）は、２つの水分子から１分子の酸素および４つのプロトンと４つの電子への変換を促進する触媒であり、化学的に安定であり、酸素発生過電圧が小さい材料を用いることができる。例えば、光を用い水から酸素発生を行う反応を触媒する酵素であるPhotosystem IIの活性中心を担うＭｎ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｃｏを含む酸化物あるいは化合物や、Ｐｔ，ＲｕＯ2，ＩｒＯ2等の白金族金属を含む化合物や、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｃｅ，Ｆｅ，Ｎｉ等の遷移金属を含む酸化物あるいは化合物、および上記材料の組み合わせ等を用いることが可能である。中でも酸化イリジウム、酸化マンガン、酸化ルテニウム、酸化コバルト、リン酸コバルトは、過電圧が小さく酸素発生効率が高いことから好適に用いることができる。
【０１０６】
酸素発生触媒を直接光電変換部２の受光面または裏面に担持することは可能であるが、反応面積をより大きくし気体生成速度を向上させるために、触媒を導電体に担持することができる。触媒を担持する導電体としては、金属材料、炭素質材料、導電性を有する無機材料等が挙げられる。これらの説明は、「１２．水素発生部」に記載した水素発生触媒についての説明が矛盾がない限り当てはまる。
【０１０７】
水素発生触媒および酸素発生触媒の単独の触媒活性が小さい場合、助触媒を用いることも可能である。例えば、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｓｅの酸化物あるいは化合物などが挙げられる。
【０１０８】
なお、水素発生触媒、酸素発生触媒の担持方法は、導電体もしくは半導体に直接塗布する方法や、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法等の乾式塗工法、電析法など、材料により適宜その手法を変え作製ことが可能である。光電変換部と触媒の間に適宜導電物質を担持することが可能である。また水素発生および酸素発生のための触媒活性が十分でない場合、金属やカーボン等の多孔質体や繊維状物質、ナノ粒子等に担持することにより反応表面積を大きくし、水素及び酸素発生速度を向上させることが可能である。
【０１０９】
１４．気体支流路
気体支流路２９は、第１気体発生部８および第２気体発生部７のうちどちらか一方により形成され、かつ、気体流路１７に繋がる。また、気体支流路２９は、第１気体発生部で発生させた第１気体または第２気体発生部で発生させた第２気体を気体流路１７へ導通させることができる。このことにより、第１気体または第２気体を迅速に気体流路１７に流入させることができ、第１気体発生部８における第１気体の滞留および第２気体発生部７における第２気体の滞留を抑制することができる。
また、気体支流路２９は、２つの第１気体発生部８の間に形成された隙間であってもよく、また、２つの第２気体発生部７の間に形成された隙間であってもよい。また、気体支流路２９は、２つの帯状の第１気体発生部８の間に形成された隙間であってもよく、また、２つの帯状の第２気体発生部７の間に形成された隙間であってもよい。また、気体支流路２９は、発生させた気泡が浮上する方向に対して垂直な方向に伸びるように形成されてもよい。
このことにより、第１気体発生部８または第２気体発生部７の気体流路１７側と反対側の表面付近で発生した第１気体または第２気体を気体支流路２９を導通させて気体流路１７に流入させることができる。また、気体支流路２９を備えることにより、第１気体発生部８または第２気体発生部７に金属板などの気体透過性を有さない材料を用いることができる。
このことを図面を用いて説明する。
【０１１０】
図２０は、気体支流路２９を有する気体製造装置を斜めに設置し、電解液チェンバー１５に電解液２５を満たし、受光面側から光を照射したときの概略断面図である。なお、図２０は、図１に示した気体製造装置２３の点線Ｃ−Ｃの断面図に対応している。また、図２１は、図２０の点線で囲んだ範囲Ｍの拡大図である。
第１気体発生部８または第２気体発生部７の気体流路１７側と反対側の表面付近で発生した第１気体または第２気体の気泡は、図２１のように気体支流路２９に流入することができ、この気泡は、気体流路１７に流入することができる。このことにより、発生した第１気体が第１気体発生部８に滞留することまたは第２気体が第２気体発生部７に滞留することを抑制することができる。
【０１１１】
また、図２２は、図７のような断面を有する気体製造装置を斜めに設置し、電解液チェンバー１５に電解液２５を満たし、受光面側から光を照射したときの概略断面図である。なお、図２２は、図１に示した気体製造装置２３の点線Ｃ−Ｃの断面図に対応している。また、図２３は、図２２の点線で囲んだ範囲Ｎの拡大図である。
【０１１２】
気体支流路２９は、第１開口３１と第２開口３２とを有し、第１開口３１は、第１気体発生部８および第２気体発生部７のうちどちらか一方の気体流路１７側の面に設けられ、第２開口３２は、第１開口３１が設けられた面と反対側の面に設けられ、第２開口２９は、高さの異なる第１縁部３３および第２縁部３４を有し、第１縁部３３は、第２縁部３４より高い第２開口３２の縁であり、第１縁部３３において第１気体発生部において発生させた第１気体または第２気体発生部において発生させた第２気体を気体支流路２９に流入させてもよい。このような構成を有することにより、第１気体発生部８または第２気体発生部７の気体流路１７側と反対側の表面付近で発生した第１気体又は第２気体を気体支流路２９に流入しやすくすることができる。図２３を用いてより具体的に説明すると、第２気体発生部７の電解液２５側を浮上する発生気体２７は、より高い縁である第１縁部３３にぶつかり、気体支流路２９に流入することができる。
【０１１３】
第１縁部３３と第２縁部３４を形成する方法は特に限定されないが、例えば、図７、図２２のように複数の第２気体発生部７を隙間を置いて設け、それぞれの第２気体発生部の電解液チェンバー側の面を第１縁部３３と第２縁部３４ができるように光電変換部２の裏面に対して傾斜させることができる。このように傾斜させることにより、傾斜の下側の角部が第２縁部３４となり、傾斜の上側の角部が第１縁部３３とすることができる。このことにより、発生気体が気泡として第２気体発生部７の表面に沿って上昇した際、該第２気体発生部７の上部に隣接する第２気体発生部７の第１縁部３３に止められ、気泡は気体支流路２９に流入する。このことにより、気泡は、気体支流路２９を導通し気体流路１７に流入することができる。そのため、発生気体がより上方に配置された第２気体発生部７の表面に滞留することを抑制することができる。
また、第１気体発生部８および第２気体発生部７に設ける傾斜角度は特に限定さらないが反応面における気体滞留を少量に抑えるためには、光電変換部２の裏面に対して３０度以上とすることが望ましい。
【０１１４】
次に気体支流路２９についてより具体的に説明する。
２つの第１気体発生部８および２つの第２気体発生部７は、それぞれ数百μｍ〜２ｍｍ程度の隙間を設けて積層される。この構造を取ることにより、第１気体発生部８または第２気体発生部７に金属板やＳｎＯ2、ＩＴＯ等の透明導電性酸化被膜のような、電解液が透過しない非多孔質の導電性材料を用いることができる。また、第１気体発生部８または第２気体発生部７を多孔質材料を用いて形成する場合でも、多孔質材料が有する孔を介して発生気体２７を気体流路１７に流入させるだけではなく、電解液２５と第１気体発生部８または第２気体発生部７の界面付近にわずかに滞留する発生気体２７を気体支流路２９を介して気体流路１７に流入させ回収することも可能となる。
また、第１気体発生部８または第２気体発生部７のサイズに関して、１つの第１気体発生部８または第２気体発生部７の電解液との反応面がより小さくなるほど発生気体２７の滞留を少なくすることが可能となるため、１つの第１気体発生部８または第２気体発生部７の縦方向の幅は２〜５ｃｍ程度とすることが好ましい。
【０１１５】
１５．外箱
外箱１６は、光電変換部２、第１気体発生部８、第２気体発生部７などを収容することができ、電解液チェンバー１５を形成することができるものであれば特に限定されない。また、外箱１６は天板１４を有することができる。
外箱１６は耐熱性、および耐食性を備えていることが望ましい。外箱１６は例えばステンレス鋼等の鋼材または、ジルコニア、アルミナ等のセラミック、フェノール樹脂、メラミン樹脂（ＭＦ）、ガラス繊維強化ポリアミド樹脂等の合成樹脂を用いることが好ましい。
【０１１６】
１６．天板
天板１４は、第１気体発生部８および第２気体発生部７の上に透光性基板１と対向するように設けることができる。また、天板１４は、第１気体発生部８および第２気体発生部７と天板１４との間に電解液チェンバーが設けられるように設けることができる。また、天板１４は、外箱１６の一部であってもよい。
【０１１７】
また、天板１４は、電解液チェンバーを構成し、生成した第１気体および第２気体を閉じ込めるために構成される材料であり、機密性が高い物質が求められる。透明なものであっても不透明なものであっても特に限定されるものではないが、第１気体および第２気体が発生していることを視認できる点においては透明な材料であることが好ましい。透明な天板としては特に限定されず、例えば石英ガラス、パイレックス（登録商標）、合成石英板等の透明なリジッド材、あるいは透明樹脂板、透明樹脂フィルムなどを挙げることができる。中でも、ガスの透過性がなく、化学的物理的に安定な物質である点でガラス材を用いることが好ましい。
【０１１８】
１７．隔壁
隔壁１３は、第１気体発生部８と天板１４との間の電解液チェンバーおよび第２気体発生部７と天板１４との間の電解液チェンバーとを仕切るように設けることができる。また、隔壁１３は、光電変換部２の裏面と第１気体発生部８との間に設けられた気体導通部２１および光電変換部２の裏面と第２気体発生部７との間に設けられた気体導通部２１を仕切るように設けることができる。
このことにより、第１気体発生部８で発生させた第１気体および第２気体発生部７で発生させた第２気体が混合することを防止することができ、第１気体および第２気体を分離して回収することができる。
また、隔壁１３は、イオン交換体を含んでもよい。このことにより、第１気体発生部８と天板１４との間の電解液チェンバーの電解液と第２気体発生部７と天板１４との間の電解液チェンバーの電解液でアンバランスとなったイオン濃度を一定に保つことができる。つまり、イオンが隔壁９を介してイオン移動が起こることによりイオン濃度のアンバランスを解消することができる。イオンは、例えば、プロトンである。
【０１１９】
電解液に含まれる水から水素および酸素を発生させる場合、水素発生量および酸素発生量の割合は、２：１のモル比であり、第１気体発生部８と第２気体発生部７により、気体発生量が異なる。このため、装置内の含水量を一定量にする目的から、隔壁１３は電解液を透過する材料であることが好ましい。隔壁１３は、例えば、多孔質ガラス、多孔質ジルコニア、多孔質アルミナ等の無機膜あるいはイオン交換体を用いることが可能である。
イオン交換体としては、当該分野で公知のイオン交換体をいずれも使用でき、プロトン伝導性膜、カチオン交換膜、アニオン交換膜等を使用できる。
【０１２０】
プロトン伝導性膜の材質としては、プロトン伝導性を有しかつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜又はコンポジット膜を用いることができる。
【０１２１】
高分子膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、デュポン社製のナフィオン（登録商標）、旭化成社製のアシプレックス（登録商標）、旭硝子社製のフレミオン（登録商標）等の膜や、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の炭化水素系電解質膜等が挙げられる。
【０１２２】
無機膜としては、例えば、リン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウム等からなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、スルホン化ポリイミド系ポリマー、タングステン酸等の無機物とポリイミド等の有機物とのコンポジット等からなる膜が挙げられ、具体的にはゴア社製のゴアセレクト膜（登録商標）や細孔フィリング電解質膜等が挙げられる。さらに、高温環境下（例えば、１００℃以上）で使用する場合には、スルホン化ポリイミド、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ）、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム等が挙げられる。
【０１２３】
カチオン交換膜としては、カチオンを移動させることができる固体高分子電解質であればよい。具体的には、パーフルオロカーボンスルフォン酸膜や、パーフルオロカーボンカルボン酸膜等のフッ素系イオン交換膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、ポリスチレンスルホン酸膜、スルホン酸化スチレン・ビニルベンゼン共重合体膜等が挙げられる。
【０１２４】
支持電解質溶液のアニオン輸率が高い場合には、アニオン交換膜の使用が好ましい。アニオン交換膜としては、アニオンの移動可能な固体高分子電解質を使用できる。具体的には、ポリオルトフェニレンジアミン膜、アンモニウム塩誘導体基を有するフッ素系イオン交換膜、アンモニウム塩誘導体基を有するビニルベンゼンポリマー膜、クロロメチルスチレン・ビニルベンゼン共重合体をアミノ化した膜等が挙げられる。
水素発生、酸素発生がそれぞれ水素発生触媒、酸素発生触媒にて選択的に行われ、これに伴うイオンの移動が起こる場合、必ずしもイオン交換のための特殊な膜等の部材を配置する必要はない。ガスを物理的に隔離することのみの目的であれば、後述のシール材に記載の紫外線硬化性樹脂あるいは熱硬化性樹脂を用いることが可能である。
【０１２５】
１８．シール材
シール材は、透光性基板１と天板１４または外箱１６を接着し、気体製造装置２３内を流れる電解液および気体製造装置２３内で生成した第１気体および第２気体を密閉するための材料である。シール材は、例えば、紫外線硬化性接着剤、熱硬化性接着剤等が好適に使用されるが、その種類は限定されるものではない。紫外線硬化性の接着剤としては、２００〜４００ｎｍの波長を持つ光を照射することにより重合が起こり光照射後数秒で硬化反応が起こる樹脂であり、ラジカル重合型とカチオン重合型に分けられ、ラジカル重合型樹脂としてはアクリルレート、不飽和ポリエステル、カチオン重合型としては、エポキシ、オキセタン、ビニルエーテル等が挙げられる。また熱硬化性の高分子接着剤としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、熱硬化性ポリイミド等の有機樹脂が挙げられる。熱硬化性の高分子接着剤は、熱圧着時に圧力を掛けた状態で加熱重合し、その後、加圧したまま、室温まで冷却することにより、各部材を良好に接合させるため、締め付け部材等を要しない。また、有機樹脂に加えて、ガラス基板に対して密着性の高いハイブリッド材料を用いることが可能である。ハイブリッド材料を用いることによって、弾性率や硬度等の力学的特性が向上し、耐熱性や耐薬品性が飛躍的に向上する。ハイブリッド材料は、無機コロイド粒子と有機バインダ樹脂とから構成される。例えば、シリカなどの無機コロイド粒子と、エポキシ樹脂、ポリウレタンアクリレート樹脂やポリエステルアクリレート樹脂などの有機バインダ樹脂とから構成されるものが挙げられる。
【０１２６】
ここではシール材と記しているが、透光性基板１と天板１４または外箱１６を接着させる機能を有するものであれば限定されず、樹脂製あるいは金属製のガスケットを用い外部からネジ等の部材を用いて物理的に圧力を加え機密性を高める方法等を適宜用いることも可能である。
【０１２７】
１９．電解液チェンバー
電解液チェンバー１５は、第１気体発生部８と天板１４との間の空間および第２気体発生部７と天板１４との間の空間とすることができる。また、電解液チェンバー１５は、隔壁１３により仕切ることができる。
【０１２８】
２０．給水口、第１気体排出口および第２気体排出口
給水口１８は、気体製造装置２３に含まれるシール材または外箱１６の一部に開口を作ることにより設けることができる。給水口１８は、第１気体及び第２気体へと分解された電解液を補充するために配置され、その配置箇所および形状は、原料となる電解液が効率よく気体製造装置へ供給されさえすれば、特に限定されるものではないが、流動性および供給の容易性の観点から、気体製造装置下部に設置することが好ましい。
【０１２９】
また、第１気体排出口２０および第２気体排出口１９は、給水口１８を下側にして気体製造装置２３を設置したとき、気体製造装置２３の上側の部分のシール材または外箱１６に開口を作ることにより設けることができる。また、第１気体排出口２０と第２気体排出口１９は、それぞれ隔壁１３を挟んで第１気体発生部２０側と第２気体発生部１９側に設けることができる。また、第１気体排出口２０および第２気体排出口１９は、気体流路１７の一端と隣接して設けることもできる。また、外部に設置した吸引機等と第１気体排出口２０または第２気体排出口１９を接続することにより気体回収の効率を高めることも可能である。
【０１３０】
このように給水口１８、第１気体排出口２０および第２気体排出口１９を設けることにより、気体製造装置２３を光電変換部２の受光面が上向きの状態で水平面に対し傾斜し、給水口１８が下側になり第１気体排出口２０および第２気体排出口１９が上側になるように設置することができる。このように設置することにより、給水口１８から電解液を気体製造装置２３内に導入し、電解液チェンバー１５を電解液で満たすことができる。この状態で、気体製造装置２３に光を入射させることにより、第１気体発生部および第２気体発生部でそれぞれ、連続して第１気体および第２気体を発生させることができる。この発生した第１気体および第２気体は、隔壁１３により分離することができ、第１気体及び第２気体は気体流路１７を導通し、第１気体排出口２０および第２気体排出口１９から回収することができる。
【０１３１】
２１．電解液
電解液は、電解質を含む水溶液であり、例えば、０．１ＭのＨ2ＳＯ4電解液、０．１Ｍリン酸カリウム緩衝液などである。
【０１３２】
実施例
本発明を以下に示す実施例を用いてより具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図４のような断面を有する気体製造装置を次の条件にて作製した。
光電変換部２にはｎ型ドープしたＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ2と、ｐ型ドープしたＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ2と積層させた化合物半導電体太陽電池を使用した。透光性基板１に光透過性および耐熱性、耐腐食性に優れる石英ガラス基板を使用した。作製方法としては、二酸化スズ（ＳｎＯ2）からなる第１電極４が被膜されたガラス基板の表面にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相堆積法）により、ｐ型ＧａＩｎＰ2を膜厚０．１μｍ、更にその上にｐ型ＧａＡｓを膜厚３．０μｍ、ｎ型ＧａＡｓを膜厚０．１μｍ、ｎ型ＧａＩｎＰ2を０．０５μｍで順に堆積させた。その後、ｎ型ＧａＩｎＰ2層の表面に基板温度２５０℃でスパッタリング法により０．１μｍの膜厚でＩＴＯを積層させた。以上により透光性基板１上にＧａＡｓのｐｎ接合の両側をＧａＩｎＰ2で挟んだヘテロ構造の半導電体太陽電池が作製できた。
【０１３３】
次に、第１気体発生部８である水素発生部は、触媒に白金を使用し、第２気体発生部７である酸素発生部は、触媒にはＲｕＯ2（二酸化ルテニウム）粒子を使用し、それぞれゾル―ゲル法により多孔質カーボン板に担持させた。また、光電変換部２と酸素発生部の間に挟みこむ気体導通部２１には発泡ニッケルを用いた。
次に、第２導電部１０であるコンタクトホールと酸素発生部の間に配置する気体導通部２１を光電変換部２から絶縁するための絶縁部１１を形成するために、スピンコート法にて原料の塗布、焼成を行うことによりポリイミド膜を作製した。続けて、Ａｇペーストをスクリーン印刷法にて基板上に塗布することにより第２導電部１０を形成し、その上に発泡ニッケルおよび二酸化ルテニウムを担持させた多孔質カーボンシートを配置し、加熱処理を行った。このことにより第２導電部１０上に気体導通部２１および酸素発生部を形成した。同様にガラスフィルタからなる隔膜１３で隔てて水素発生部および気体導通部２１を光電変換部２の裏面上に積層した。
【０１３４】
外箱１６はステンレス板を所望のサイズにプレス加工して成型した後、第１気体排出口１９、第２気体排出口１９および給水口１８をそれぞれ設けた。前記外箱１６に光電変換部２などを形成した透光性基板１をシール材（エポキシ系樹脂）で接合し、気体製造装置を作成した。
【０１３５】
（実施例２）
図２０に示すような断面を有する気体製造装置を次の条件にて作製した。
装置の各構成要件の構成材料および規格は基本的に実施例１の気体製造装置と同様である。しかし、以下の点で異なっている。まず、水素発生部および酸素発生部は本実施例においては、縦方向の幅を３ｃｍに加工した厚さ３ｍｍのアルミニウム板を複数作成し、その表面に水素発生触媒であるＰｔまたは酸素発生触媒であるＲｕＯ2を実施例１と同様の方法で担持させ作成した。次に、水素発生部および酸素発生部は、図２０ように複数設けた。２つの水素発生部の間および２つの酸素発生部の間には、気体支流路２９となる２ｍｍの隙間を置いて設けた。
【０１３６】
（実施例３）
図７に示すような断面を有する気体製造装置を次の条件にて作製した。
装置の各構成要件の構成材料および規格は基本的に実施例２の気体製造装置と同様である。しかし、図７に示すように水素発生部および酸素発生部の気体導通部側の面と反対側の面（反応面）に気体導通部の面に対して角度が設けられている点で異なっている。水素発生部および酸素発生部は、縦方向の幅を３ｃｍに加工した厚さ２ｃｍのアルミニウム板それぞれの反応面が気体導通部２１の表面に対して３０度の角度がつくように切削加工した。その後、アルミニウム板の表面に実施例１と同様の方法で水素発生触媒であるＰｔおよび酸素発生触媒であるＲｕＯ2（膜厚１μｍ）を担持させた。気体導通部２１上に水素発生部または酸素発生部を積層する際は、２つの水素発生部の間および２つの酸素発生部の間には、２ｍｍの隙間を設けた。
【０１３７】
（実施例４）
実施例１において作製した気体製造装置を太陽光が透光性基板１に対して垂直に照射されるように装置を水平面に対して斜めに設置した。給水口１８より０．１ＭのＨ2ＳＯ4電解液を給水して電解液チェンバー１５内を満たした後、太陽光を照射した。
また、太陽光の照射開始から２時間後までの第１気体排出口２０および第２気体排出口１９から回収された気体量を蛍光センサー分析にて定量したところ、それぞれから水素、酸素が回収されていることが確認できた。また、それぞれの気体量は以下に示す表１に示すとおり、水素０．４１ｍｏｌ、酸素０．１９ｍｏｌであった。
【０１３８】
【表１】
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【０１３９】
（実施例５）
実施例２において作製した気体製造装置を太陽光が透光性基板１に対して垂直に照射されるように装置を水平面に対して斜めに設置した。給水口１８より０．１ＭのＨ2ＳＯ4電解液を給水して電解液チェンバー１５を満たした後、太陽光を照射した。
また、太陽光の照射開始から２時間後までに第１気体排出口２０および第２気体排出口１９から回収された気体量を蛍光センサー分析にて定量したところ、それぞれから水素、酸素が回収されていることが確認できた。また、それぞれの気体量は表１に示すとおり、水素０．４７ｍｏｌ、酸素０．２３ｍｏｌであった。
【０１４０】
（実施例６）
実施例３において作製した気体製造装置を太陽光が透光性基板１に対して垂直に照射されるように装置を水平面に対して斜めに設置した。給水口１８より０．１ＭのＨ2ＳＯ4電解液を給水して電解液チェンバーを満たした後、太陽光を照射した。
また、太陽光の照射開始から２時間後までに第１気体排出口２０および第２気体排出口１９から回収された気体量を蛍光センサー分析にて定量したところ、それぞれから水素、酸素が回収されていることが確認できた。また、それらの気体量は表１に示すとおり、水素０．５４ｍｏｌ、酸素０．２６ｍｏｌであった。
【０１４１】
（比較例１）
実施例１の気体製造装置において、気体導通部２１を積層せずに水素発生部は水素発生触媒である白金を光電変換部２の裏面に直接担持し、また酸素発生部は絶縁部１１上に酸素発生触媒であるＲｕＯ2をＣＶＤ法により１μｍの膜厚で積層し、図２４に示すような気体製造装置を作製した。
上記のようにして作製した気体製造装置を太陽光が透光性基板１に対して垂直に照射されるように装置を水平面に対して斜めに設置した。給水口１８より０．１ＭのＨ2ＳＯ4電解液を給水して電解液チェンバー１５を満たした後、太陽光を照射したところ、水素発生部の表面から気体が発生していることが確認できた。
また、太陽光の照射開始から２時間後までに第１気体排出口２０および第２気体排出口１９から回収された気体量を蛍光センサー分析にて定量したところ、それぞれから水素、酸素が回収されていることが確認できた。また、それらの気体量は表１に示すとおり、水素０．３１ｍｏｌ、酸素０．１４ｍｏｌであった。
【０１４２】
以上により、反応面が下向きの第１気体発生部８および第２気体発生部７から発生させた気体を気体導通部２１に含まれる気体流路１７を介して回収することにより、水素の発生効率を高めることが可能となることが示された。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本発明の気体製造装置は太陽光エネルギーにより水の分解反応を起こし、燃料として活用できる水素および酸素の製造を可能とする。この装置を設置することにより集中的な大規模燃料製造はもちろんのこと、工場、家庭等における分散型の燃料製造も可能となる。
【符号の説明】
【０１４４】
１：透光性基板    ２：光電変換部    ４：第１電極    ５：第２電極    ７：第２気体発生部    ８：第１気体発生部    ９：第１導電部    １０：第２導電部    １１：絶縁部    １３：隔壁    １４：天板    １５：電解液チェンバー    １６：外箱      １７：気体流路    １８：給水口    １９：第２気体排出口    ２０：第１気体排出口    ２１：気体導通部    ２２：第３導電部    ２３：気体製造装置    ２５：電解液  ２７：発生気体    ２９：気体支流路    ３１：第１開口    ３２：第２開口    ３３：第１縁部    ３４：第２縁部
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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