(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の水素生成セルを、高低差を有する位置関係で配置し、かつ、電解液の流れから見て並列に接続し、同時に電解液の水圧、供給量および逆流の課題を解決する水素生成デバイスおよび水素生成ユニットならびにそれらを用いたエネルギーシステムを提供する。【解決手段】水素生成デバイス３００は、かかるデバイスを構成する水素生成セル３１０の電解液供給孔１０が気液排出孔よりも高い位置に配置される。さらに、水素生成セル３１０に電解液を供給する電解液供給管１５の途中に流量調整装置１６が設けられるとともに、電解液供給本管１４上で、隣接する２つの電解液供給管分岐部の間には逆流防止装置１７が設けられる。【選択図】図３
2014097910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する面を含む筐体と、
前記筐体内部の空間を、第１の空間および第２の空間に分けるセパレータと、
前記第１の空間内に配置された対極と、
前記第２の空間内に配置され、導電性基板上に形成された光半導体電極と、
前記光半導体電極と前記対極との間を接続する電気的接続部と、
前記第１の空間内および前記第２の空間内に水を含む電解液と、
前記電解液を供給する前記筐体を貫通する電解液供給孔と、
前記第１の空間と接する前記筐体を貫通し、かつ、前記電解液供給孔よりも低い位置に設置された水素側気液排出孔と、
前記第２の空間と接する前記筐体を貫通し、かつ、前記電解液供給孔よりも低い位置に設置された酸素側気液排出孔と、
を有する水素生成セルを複数備え、
前記電解液を前記水素生成セルへ送出および前記水素生成セルから回収する電解液貯蔵部と、
前記電解液貯蔵部から延出した電解液供給本管と、
前記電解液供給本管から複数分岐して、それぞれの分岐先がそれぞれの前記水素生成セルの前記電解液供給孔に接続する電解液供給管と、
前記電解液貯蔵部から延出した気液排出本管と、
前記気液排出本管から複数分岐して、それぞれの分岐先がそれぞれの前記水素生成セルの前記気液排出孔に接続する気液排出管と、を備え、
複数の前記水素生成セルのうち、上方に配置された前記水素生成セルほど、供給される電解液の流路抵抗を小さくすることで複数の前記水素生成セルに供給される電解液の流量が同じになるように構成した、
前記光半導体電極に光を照射することにより水を分解して水素を生成する、水素生成デバイス。
【請求項２】
それぞれの前記電解液供給管の途中に、それぞれの前記水素生成セルに流れ込む電解液の流量を調整する流量調整装置と、
前記電解液供給本管上で隣接する前記電解液供給管の分岐部の間に、前記電解液の逆流を防止する逆流防止装置
を更に備える、請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項３】
前記流量調整装置はニードルバルブであり、
前記逆流防止装置は逆止弁である、
請求項１または２に記載の水素生成デバイス。
【請求項４】
前記電解液貯蔵部内に、水および電解質が外部から供給される機構を有する、
請求項１または２に記載の水素生成デバイス。
【請求項５】
請求項１に記載された水素生成デバイスにおける、
水素生成セルと、
前記電解液供給管と、
前記流量調整装置と、
前記電解液供給本管のうち、前記水素生成セル近傍の部分と、
前記水素生成セル近傍の部分上に設けられた前記逆流防止装置と、
前記気液排出管と、
前記気液排出本管のうち、前記水素生成セル近傍の部分と、を有し、
前記電解液供給本管のうち、前記水素生成セル近傍の部分の両端と、前記気液排出本管のうち、前記水素生成セル近傍の部分の両端のそれぞれに、他の水素生成ユニットの継手を接続できる継手を備える、水素生成ユニット。
【請求項６】
複数の請求項５に記載の水素生成ユニットを隣接させ、
それぞれの前記水素生成ユニットの前記電解液供給本管に設けられた継手、および、気液排出本管に設けられた継手を、それぞれ相互に接続させ、
前記電解液貯蔵部を備え、
前記水素生成ユニットの前記電解液供給本管に設けられた残りの継手を前記電解液貯蔵部から延出した電解液供給本管に、および、前記水素生成ユニットの前記気液排出本管に設けられた残りの継手を前記電解液貯蔵部から延出した気液排出本管に接続した、
水素生成デバイス。
【請求項７】
前記水素生成デバイスと、
前記水素生成デバイスで生成した水素の貯蔵部と、
燃料電池と、を備える、
請求項１、２または６に記載の水素生成デバイスを用いたエネルギーシステム。
【請求項８】
前記水素生成デバイスで生成した酸素の貯蔵部
を、さらに備える、請求項７に記載の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、光を用いて水を水素と酸素とに分解することにより水素を得る、水素生成デバイスおよび水素生成ユニットならびにそれらを用いたエネルギーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光触媒として機能する半導体材料の利用方法として、半導体材料に光を照射することにより、水を分解して水素を生成することまたは電気エネルギーを生成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、太陽光から得られる光エネルギーを水素エネルギーに変換する機能を有する光水電解装置が開示されている。この光水電解装置は、重層された複数の光水電解セルから構成される。
【０００４】
それぞれの光水電解セルは、外周部分が透明なガラス板または合成樹脂板からなる外壁によって囲まれた箱状のケーシングを有しており、水平状態から任意の角度だけ傾斜して配置される。光水電解セル内の下部には電解液が収容されており、また、厚さ方向中央には、光水電解セル内を２つの空間に画成する隔壁が設けられる。この隔壁は、上部側に配置されたガス分離膜と、下部側に配置された光水電解電極膜接合体とが一体に接合されたものであり、生成水素と生成酸素とを分離する役割を果たす。
【０００５】
光水電解電極膜接合体には、厚さ方向中央部に配置されたイオン伝導膜であるナフィオン膜の両面に、光触媒電極と白金対極とがそれぞれ形成される。この光水電解電極膜接合体では、太陽光の照射により光水電解を起こし、光触媒電極からは酸素、白金対極からは水素が生成する。また、隔壁の下端には、矩形状の貫通孔が形成されており、該貫通孔を介して光水電解セル内を電解液が流通することができる。
【０００６】
そして、光水電解セルの外壁には、平面視矩形状の流通孔が形成されており、該流通孔の開口面積を可変自在とする可動壁が設けられる。該可動壁は、外壁の高さ方向（長手方向）に沿ってスライド自在に構成されており、上方に移動すると、開口部分の開口面積が小さくなり、下方に移動すると、開口面積が大きくなる。ここで、光水電解電極膜接合体の上端と可動壁の上端とは略同じ高さ位置に配置される。
【０００７】
また、光水電解電極膜接合体の上端から光水電解セルの外壁に向けて降ろした垂線の足は、流通孔の下端位置と一致する。このため、光水電解セル内における電解液の液面高さは、光水電解電極膜接合体の上端および可動壁の上端の高さと略一致する。そして、光水電解セルの外壁に流通孔を設け、隣接する光水電解セル間で、流通孔を介して電解液が流通可能に構成されるため、各光水電解セルが電解液の流れから見て直列に接続され、全ての光水電解セルにおける電解液の供給および排出をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−７５０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、かかる光水電解装置の場合、光水電解装置を構成する一部の光水電解セルに何らかの原因で不具合が生じた場合に、他の光水電解セルが直列接続であるため、一部の流路の寸断によって流路全体の流通が不可能となり、その影響が光水電解装置全体に波及してしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従来の課題を解決するために、本発明に係る水素生成デバイスは、透光性を有する面を含む筐体と、筐体内部の空間を、第１の空間および第２の空間に分けるセパレータと、第１の空間内に配置された対極と、第２の空間内に配置され、導電性基板上に形成された光半導体電極と、光半導体電極と対極との間を接続する電気的接続部と、第１の空間内および第２の空間内に水を含む電解液と、電解液を供給する筐体を貫通する電解液供給孔と、第１の空間と接する筐体を貫通し、かつ、電解液供給孔よりも低い位置に設置された水素側気液排出孔と、第２の空間と接する筐体を貫通し、かつ、電解液供給孔よりも低い位置に設置された酸素側気液排出孔と、を有する水素生成セルを複数備える。さらに、電解液を水素生成セルへ送出および水素生成セルから回収する電解液貯蔵部と、電解液貯蔵部から延出した電解液供給本管と、電解液供給本管から複数分岐して、それぞれの分岐先がそれぞれの水素生成セルの電解液供給孔に接続する電解液供給管と、電解液貯蔵部から延出した気液排出本管と、気液排出本管から複数分岐して、それぞれの分岐先がそれぞれの水素生成セルの気液排出孔に接続する気液排出管とを備える。複数の水素生成セルのうち、上方に配置された水素生成セルほど、供給される電解液の流路抵抗を小さくすることで複数の水素生成セルに供給される電解液の流量が同じになるように構成した、光半導体電極に光を照射することにより水を分解して水素を生成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る水素生成デバイスおよび水素生成ユニットならびのそれらを用いたエネルギーシステムによれば、複数の光水素生成セルにおける電解液の直列流通における上述の課題を解決できるとともに、相互に高低差のある複数の水素生成セルに対して、電解液供給管を並列接続したときに生じる課題もあわせて解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成セルの構成を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る水素生成セルの構成を第１の空間側から見た概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る水素生成デバイスの構成を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る水素生成デバイスの構成を示す概略図である。
【図５】図５は、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を示す概略図である。
【図６】図６は、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を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（発明の基礎となった知見）
特許文献１に開示されている光水電解装置の場合、複数の光水電解セルが高低差を有する位置関係で配置される。実用上、ある場所に複数の光水電解セルからなる光水電解装置を設置する場合、複数の光水電解セルを、高低差を有する位置関係で配置することは不可避である。言い換えれば、全ての光水電解セルを水平方向に一列に配置することは現実的ではない、ということである。
【００１４】
さて、特許文献１の光水電解装置では、各光水電解セルへの電解液の供給は、隣接する上流側（位置が高い側）の光水電解セルにてあふれた電解液が流入することにより行われる。同様に、各光水電解セルからの電解液の排出は、隣接する下流側（位置が低い側）の光水電解セルへ電解液があふれて流出することにより行われる。
【００１５】
このような機構を採用することにより、高低差を有する位置関係のセル配置によって得られる位置エネルギーを駆動力として、電解液が全ての光水電解セルに直列に流れる。
【００１６】
しかしながら、かかる光水電解装置の場合、光水電解装置を構成する一部の光水電解セルに何らかの原因で不具合が生じた場合、その影響が光水電解装置全体に波及する。
【００１７】
例えば、複数の光水電解セルが重層された光水電解装置について、光水電解セルのうちひとつに不具合が生じた場合を考える。この場合、不具合を解消するために当該セルの修復を行うこととなり、修復作業中は当該セルの稼働が停止したり、当該セルを光水電解装置から取り外したりする状況となる。
【００１８】
このとき、複数の光水電解セルを経由して直列に流通している電解液の流れは、不具合が生じた当該セルの箇所で寸断される。直列流通は、その流路においてどこか一箇所でも流れが寸断されれば、流路全体の流通が不可能となる。
【００１９】
したがって、上述の場合では、不具合が生じたセルはひとつだけであるにもかかわらず、全てのセルが電解液の供給および排出ができずに稼働を停止せざるを得ない状況に陥る。このことは、光水電解装置の実用化を考えた際の課題となる。
【００２０】
しかし、この直列流通の課題を解決するために、異なる高さに設置された複数の水素生成セルに対して、電解液供給管を単純に並列接続すればよいというわけはない。並列流通を行うと、次の３つの別の課題が発生する。
【００２１】
１つ目は水圧についての課題である。複数の水素生成セルを電解液供給管で接続すると、電解液供給管内の電解液を通じて、全てのセル内の電解液が繋がった状態となる。すると、ある水素生成セルは、自身よりも高い位置に設置されたセル内の電解液に起因する水圧を全て受けることとなる。したがって、設置する高さによって各セルの耐水圧設計を変更する必要性が生じる。これは、実用性、製造コストおよび施工時の煩雑さといった面で、課題となる。
【００２２】
２つ目は、各水素生成セルへの電解液供給量についての課題である。１つ目の課題と同じ並列流通構成を考え、電解液供給管から各セルへ電解液供給を行う。ここで、各セルの電解液供給孔前段に、電解液供給量を調整する機構を設けない場合を考える。すると、より高い位置に配置されたセルに電解液供給を行うためには、そのセルの位置まで電解液を持ち上げるために、より高い電解液供給圧が必要となる。このため、電解液は低い位置に配置されたセルのみに優先して流れ、高い位置に配置されたセルへの電解液供給に支障が出る。結果として、設置した位置によって各セルへの電解液供給量に差異が生じる。
【００２３】
３つ目は、電解液供給管内の電解液逆流についての課題である。ここでも、１つ目の課題と同じ並列流通構成を考える。ここで、電解液の供給が停止された場合には、あるセルに対して、そのセルよりも高い位置にある電解液供給管内の電解液が重力に従って逆流する。逆流は電解液供給管内の全てにわたって起こり、最終的には電解液供給管内の電解液が抜けた状態で安定する。その後、再度電解液を各セルに供給するときには、逆流によって電解液が抜けた空間分だけ余計に電解液を供給しなければならず、システム全体から見て大きなエネルギーロスとなる。
【００２４】
そこで本発明は、上記従来の課題に鑑み、光半導体による水の分解反応を利用して水素を生成する水素生成デバイスおよび水素生成ユニットならびにそれらを用いたエネルギーシステムを提供する。
【００２５】
具体的には、水素生成デバイスを構成する複数の水素生成セルを、高低差を有する位置関係で配置し、かつ、電解液の流れから見て並列に接続し、同時に電解液の水圧、供給量および逆流の問題を解決する方法を提供する。また、水素生成デバイスを実用化するためには、多数の水素生成セルの連結により、十分な量の水素を生成するための簡便かつ合理的な水素生成セル同士の連結部材および連結方法を提供する。
【００２６】
本発明に係る水素生成デバイスは、高低差を有する位置関係で配置され、かつ、電解液の流れから見て並列に接続された複数の水素生成セルからなる。ここに、電解液の流量調整装置および逆流防止装置が、前述した位置に設置されることにより、電解液の流通について次のような機能を有する。
【００２７】
なお、以下の本願明細書では、後述する光半導体電極がｎ型半導体であって酸素を生成する側であり、対極が水素を生成する側である場合に即した説明をする。ただし、光半導体電極がｐ型半導体である場合は、前述のｎ型半導体の場合に即した説明において、水素と酸素を入れ替えることにより説明される。
【００２８】
はじめに、電解液の供給が行われている場合について述べる。電解液貯蔵部から送出された電解液は、電解液供給本管から各電解液供給管を経由して、電解液供給孔から筐体内部に供給される。このとき、各水素生成セルが設置される高さおよび電解液貯蔵部からの道のりによって、各電解液供給管にかかる電解液の水圧は異なる。そこで、各電解液供給管の途中に流量調整装置を設けることにより、各セルに供給される電解液の流量を全て等しくする。
【００２９】
これにより、高い水圧がかかるセルにばかり優先的に電解液が供給され、低い水圧しかかからないセルには電解液が供給されない、という事態を防ぐことができる。電解液が供給された各セルにおいては、電解液のうち、気液排出孔よりも高い位置にある電解液は、重力に従って自動的に気液排出孔から排出される。よって、電解液面の高さは気液排出孔の高さによって定まる。
【００３０】
ここで、電解液供給孔は気液排出孔よりも高い位置にあるため、必然的に電解液供給孔は常に電解液面よりも高い位置に保たれる。これにより、各セル内の電解液は、電解液供給本管および各電解液供給管内の電解液から孤立することとなる。したがって、複数の水素生成セル内の電解液が電解液供給本管および電解液供給管を経由して繋がることによって生じる、前述の水圧についての課題が解決される。
【００３１】
次に、電解液の供給が停止された場合について述べる。ある水素生成セルに着目すると、当該セルの電解液供給孔へは、当該供給孔よりも高い位置にある電解液供給本管および電解液供給管内の電解液に由来する水圧がかかり、重力に従って当該電解液が当該セル内へ逆流する。そこで、電解液供給本管において、当該セルの電解液供給管と電解液供給本管との分岐部よりも高い位置に、逆流防止装置を設ける。これにより、前述したような当該セルへの電解液逆流が防止される。
【００３２】
これを全てのセルに対して行えば、逆流防止装置は、電解液供給本管上における、隣接する２つの分岐部の間全てに設けられることになる。その結果、電解液供給本管および電解液供給管内の電解液逆流は完全に防止される。このようにすれば、電解液が常に各セルの電解液供給孔近傍まで到達した状態で保たれ、再度電解液を各セルに供給するときの前述のようなエネルギーロスを無くすことが可能となる。
【００３３】
さらに別の視点でも、本発明の水素生成セル接続構成を採ることによる効果が見られる。特許文献１の光水電解装置では、各光水電解セルへの電解液の供給は、隣接する光水電解セルであふれた電解液が流入することにより行われる。同様に、各光水電解セルからの電解液の排出は、隣接する光水電解セルへ電解液があふれて流出することにより行われる。
【００３４】
すなわち、各光水電解セルが電解液の流れから見て直列に接続されている。このようにすると、ある光水電解セルに不具合が起こり、当該セルへの電解液流通ができなくなった場合、その影響で光水電解装置の電解液流通が寸断される。これにより、当該セルの修復が完了するまでの期間中、他の大多数の正常なセルの稼働まで停止せざるをえなくなる。
【００３５】
これに対して、本発明の水素生成デバイスは、複数の水素生成セルが電解液の流れから見て並列に接続する。この場合、各水素生成セルは電解液供給管と直結しており、他の水素生成セルを介して電解液が流通することは無い。したがって、ある水素生成セルに不具合が起こり、当該セルへの電解液流通ができなくなった場合でも、当該セルが電解液供給管と接続する箇所を閉塞しておけば、他の水素生成セルには通常となんら変わらず電解液の供給が継続される。すなわち、当該セルの修復期間中も、他の大多数の正常なセルが稼働することができ、水素生成デバイス全体としての運転が可能になる。
【００３６】
以上の点から鑑みて、複数の水素生成セルが高低差を有する位置関係で配置され、かつ、電解液の流れから見て並列に接続された本発明の構成は、水素生成デバイスとして好適であると言える。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は一例であり、本発明は以下の実施の形態に限定されない。また、以下の実施の形態では、同一部材に同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。
【００３８】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の水素生成デバイスについて、図１、図２および図３を用いて説明する。図１は、本実施の形態の水素生成デバイスに用いる水素生成セルの構成を示す概略図、図２は本実施の形態の水素生成デバイスに用いる水素生成セルの構成を第１の空間側から見た概略図、図３は、本実施の形態の水素生成デバイスの構成を示す概略図である。
【００３９】
本実施の形態の水素生成セル１００は、少なくとも照射光３１が照射される面が透光性を有する筐体１を有する。筐体１内部の空間を２つに分けるように、筐体１の照射光３１が照射される面とほぼ平行になる向きにセパレータ２が設けられる。セパレータ２で隔てられた第１の空間３および第２の空間４と、第２の空間４内において、筐体１の照射光３１が照射される面とほぼ平行になる向きに導電性基板５が設けられる。導電性基板５上に光半導体電極６が形成される。第１の空間３内には、対極７が設けられる。電気的接続部８は、導電性基板５と対極７との間を電気的に接続する。水を含む電解液９は、第１の空間３内および第２の空間４内に存在する。
【００４０】
水素生成セル１００に照射される照射光３１の進行方向に沿って説明すると、水素生成セル１００には、照射光３１を照射する側から、透光性を有する筐体１の一方の面、電解液９、光半導体電極６、導電性基板５、セパレータ２、対極７、電解液９、筐体１の他方の面が、この順に配置される。導電性基板５とセパレータ２は互いに接していても離れていてもよい。また、対極７とセパレータ２は互いに接していても離れていてもよい。セパレータ２は、第１の空間３内の電解液９と第２の空間４内の電解液９との間でイオンのやり取りを行わせる役割を担う。そのため、セパレータ２の少なくとも一部分は、第１の空間３および第２の空間４内の電解液９と接する。また、第１の空間３内と第２の空間４内との間で電解液９を流通させられるように、セパレータ２の一部分もしくはセパレータ２と筐体１内壁との間に間隙が設けられる。
【００４１】
電解液供給孔１０は筐体１を貫通するように、水素側気液排出孔１１は筐体１のうち第１の空間３側を貫通するように、酸素側気液排出孔１２は筐体１のうち第２の空間４側を貫通するように、それぞれ設けられる。このとき、水素側気液排出孔１１および酸素側気液排出孔１２は、電解液供給孔１０よりも低い位置となるように配置される。
【００４２】
次に、水素生成セル１００の各構成について、具体的に説明する。
【００４３】
筐体１の照射光３１が照射される面には、電解液９に対する耐腐食性および絶縁性を有し、可視光領域の光、さらに望ましくは可視光領域の周辺波長を含む光が透過する材料を用いる。その材料としては、例えば、ガラスおよび樹脂が挙げられる。筐体１のその他の面の材料については、電解液９に対する耐腐食性および絶縁性を有していればよく、光を透過する性質を持つ必要は無い。その材料としては、前述のガラス、樹脂に加えて、表面を耐腐食・絶縁加工した金属等を用いることができる。
【００４４】
セパレータ２は、電解液９中の電解質を透過させ、かつ、電解液９中の水素および酸素の透過を抑制する機能を有する。セパレータ２の材料としては、例えば、高分子固体電解質等の固体電解質が挙げられる。高分子固体電解質としては、ナフィオン等のイオン交換膜が挙げられる。
【００４５】
導電性基板５には、導電性を有する基板、もしくは導電性を有する材料を表面に成膜した基板を用いる。導電性基板５としては、例えば、白金板、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）ガラスおよびフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラスが挙げられる。
【００４６】
光半導体電極６は、ｎ型半導体もしくはｐ型半導体によって形成される。光半導体電極６がｎ型半導体によって形成されていれば、光半導体電極６からは酸素が、対極７からは水素が生成する。逆に、光半導体電極６がｐ型半導体であれば、光半導体電極６からは水素が、対極７からは酸素が生成する。光半導体電極６は、光照射によって電子が励起して水を分解する必要がある。そのため、伝導帯のバンドエッジ準位が水素イオンの標準還元電位である０ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以下であり、かつ、価電子帯のバンドエッジ準位が水の標準酸化電位である１．２３ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上である半導体によって形成されることが好ましい。このような半導体としては、チタン、ジルコニウム、バナジウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、銅、亜鉛、カドミウム、ガリウム、インジウムおよびゲルマニウムの酸化物、酸窒化物および窒化物、これらの複合酸化物、酸窒化物および窒化物、これらにアルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオンを添加したものが、好適に用いられる。また、伝導帯のバンドエッジ準位が水素イオンの標準還元電位０ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以下の物質からなる膜と、価電子帯のバンドエッジ準位が水の標準酸化電位１．２３ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上の物質からなる膜とを互いに接合した積層膜も、有効に用いられる。一例として、例えばＷＯ３／ＩＴＯ／Ｓｉ積層膜等が好適に用いられる。
【００４７】
対極７には、導電性を有し、光半導体電極６がｎ型半導体である場合には水素生成反応に、ｐ型半導体である場合には酸素生成反応に活性な材料を用いる。対極７の材料としては、水の電気分解用の電極として一般的に用いられるカーボンおよび貴金属が挙げられる。具体的には、カーボン、白金、白金担持カーボン、パラジウム、イリジウム、ルテニウムおよびニッケル等を採用できる。
【００４８】
電気的接続部８には、一般的な金属導線を用いることができる。
【００４９】
第１の空間３および第２の空間４内に入れられた電解液９は、水を含む電解液であればよく、酸性であっても中性であっても塩基性であってもよい。例えば、硫酸、塩酸、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム等が好適に用いられる。
【００５０】
電解液供給孔１０には、電解液９に対する耐腐食性および絶縁性を有する材料が用いられる。水素側気液排出孔１１および酸素側気液排出孔１２には、電解液９に対する耐腐食性および絶縁性を有し、かつ、大気圧以下の圧力において水素または酸素が透過せず吸着しない機能を有する材料が用いられる。具体的には、ガラス、樹脂表面を耐腐食・絶縁加工した金属等を用いることができる。
【００５１】
電解液供給孔１０と、水素側気液排出孔１１および酸素側気液排出孔１２との相互位置関係は、前述した通りである。
【００５２】
次に、水素生成セル１００の動作について、説明する。
【００５３】
水素生成セル１００では、筐体１および第２の空間４内に入れられた電解液９を透過した光が、光半導体電極６に入射する。光半導体電極６が光を吸収して電子の光励起が起こり、光半導体電極６において伝導帯に電子が、価電子帯に正孔がそれぞれ生じる。このとき、光半導体電極６と電解液９の接触により、光半導体電極６の表面（電解液９との界面）近傍にはバンドベンディングが生じるため、光照射によって生じた正孔は、バンドベンディングに従って、光半導体電極６の表面（電解液９との界面）側に移動する。この正孔が光半導体電極６の表面で水分子を酸化して酸素が生成する（下記化学式（１））。
【００５４】
一方、伝導帯に生じた電子は導電性基板５側に移動する。導電性基板５に移動した電子は、電気的接続部８を介して対極７側に移動する。対極７の内部を移動して対極７表面（電解液９との界面）に到達した電子は、対極７の表面でプロトンを還元して水素が生成する（下記化学式（２））。
【００５５】
４ｈ＋＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２↑＋４Ｈ＋      （１）
４ｅ−＋４Ｈ＋  →  ２Ｈ２↑      （２）
対極７の表面で生成した水素気泡は、第１の空間３内に入れられた電解液９中を浮上し、電解液９の液面上に達する。その後、水素側気液排出孔１１を通じて、水素生成セル１００の外部へ移動する。
【００５６】
一方、光半導体電極６の表面で生成した酸素気泡は、第２の空間４内に入れられた電解液９中を浮上し、電解液９の液面上に達する。その後、酸素側気液排出孔１２を通じて、水素生成セル１００の外部へ移動する。
【００５７】
水の光分解による水素および酸素の生成が進行するとともに、電解液９の量が減少する。この減少分を補うため、電解液供給孔１０から第１の空間３および第２の空間４へ電解液を必要量供給する。このとき、過剰に電解液を供給した場合は水素側気液排出孔１１および酸素側気液排出孔１２から重力によって自動的に排出されるため、第１の空間３および第２の空間４内における電解液９の液面高さは、水素側気液排出孔１１および酸素側気液排出孔１２の高さに常に一定に保たれる。このため、電解液供給孔１０の高さにまで電解液９の液面が達することは無い。よって、電解液供給孔１０の箇所でかかる電解液の水圧が、セル内の電解液９にかかることは無く、セル内の水圧は過剰に上昇することなく常に一定の範囲に保持される。
【００５８】
本実施の形態に係る水素生成デバイス３００は、複数の水素生成セル３１０で構成される。水素生成セル３１０の構成は、本実施の形態で前述した水素生成セル１００と同じである。複数の水素生成セル３１０へ電解液を循環させるため、電解液送出および回収機能を有する電解液貯蔵部１３が設けられる。
【００５９】
電解液貯蔵部１３からは電解液供給本管１４が伸び、さらに電解液供給本管１４から電解液供給管１５が複数分岐する。それぞれの電解液供給管１５の先端は水素生成セル３１０の電解液供給孔１０に接続する。電解液供給管１５の途中には、水素生成セル３１０へ流入する電解液流量を調整する流量調整装置１６が設けられる。電解液供給本管１４上の、隣接する２つの電解液供給管分岐部の間には、電解液の逆流を防止する逆流防止装置１７が設けられる。
【００６０】
電解液貯蔵部１３からは水素側気液排出本管１８が伸び、さらに水素側気液排出本管１８から水素側気液排出管１９が複数分岐する。水素側気液排出管１９の先端は水素側気液排出孔１１に接続する。同様に、電解液貯蔵部１３からは酸素側気液排出本管２０が伸び、さらに酸素側気液排出本管２０から酸素側気液排出管２１が複数分岐する。酸素側気液排出管２１の先端は酸素側気液排出孔１２に接続する。
【００６１】
電解液貯蔵部１３、電解液供給本管１４および電解液供給管１５は、電解液に対する耐腐食性を有する材料によって形成される。例えば、ガラス、樹脂、表面を耐腐食・絶縁加工した金属等が利用できる。
【００６２】
電解液貯蔵部１３には、電解液濃度を適宜調整可能なように、水および電解質が貯蔵部内に供給される機構が設けられる。また、必要量の電解液を電解液供給本管１４へ送出する機構および過剰の電解液を水素側気液排出本管１８および酸素側気液排出本管２０から回収する機構が設けられる。
【００６３】
流量調整装置１６は、少なくとも電解液との接触面については、電解液に対する耐腐食性を有する材料によって形成される。また、流量調整装置１６には、各水素生成セルに等量の電解液が流入するように、電解液流量を調整する機構が設けられる。かかる流量調整装置１６の一例としては、ニードルバルブがある。各水素生成セルの設置時に、その位置関係に応じてニードルバルブの開閉を行ない（例えば、下方にある水素生成セルほど、ニードルバルブを閉めて流路抵抗を大きくする）、各水素生成セルに流入する電解液の流量が同じになるよう調整しておく。
【００６４】
逆流防止装置１７は、少なくとも電解液との接触面については、電解液に対する耐腐食性を有する材料によって形成される。また、逆流防止装置１７には、順方向には電解液を流し、かつ、逆方向には電解液を流さない機構が設けられる。かかる逆流防止装置１７の一例としては、逆止弁がある。
【００６５】
流量調整装置１６および逆流防止装置１７については、流量センサと電気的に開閉できるバルブを設ければ、電子的な流量制御をすることも可能である。
【００６６】
水素側気液排出本管１８および水素側気液排出管１９は、大気圧以下の圧力において水素が透過せず吸着しない機能を有し、かつ、電解液に対する耐腐食性を有する材料によって形成される。例えば、ガラス、樹脂、表面を耐腐食・絶縁加工した金属等が利用できる。
【００６７】
酸素側気液排出本管２０および酸素側気液排出管２１は、大気圧以下の圧力において酸素が透過せず吸着しない機能を有し、かつ、電解液に対する耐腐食性を有する材料によって形成される。例えば、ガラス、樹脂、表面を耐腐食・絶縁加工した金属等が利用できる。
【００６８】
従来の光水電解装置では、各光水電解セルが電解液の流れから見て直列に接続されているため、各セルに独立に電解液を流通させることができなかった。そのため、ある光水電解セルへの電解液流通ができなくなった場合、光水電解装置全体の電解液流通を停止せざるをえなかった。しかし、本実施の形態に係る水素生成デバイス３００の構成を採ることにより、複数の水素生成セルが電解液の流れから見て並列に接続し、各水素生成セルが電解液供給管と直結するため、各水素生成セルに独立に電解液を流通させることが可能となる。すなわち、ある水素生成セルへの電解液流通ができなくなった場合でも、他のセルは稼働を続けることができる。
【００６９】
また、異なる高さに設置された複数の水素生成セルに対して、電解液供給管を単純に並列接続した場合には、各水素生成セルへの電解液流量が異なるという課題、および、ある水素生成セルの電解液供給孔よりも高い位置にある電解液供給本管および電解液供給管内の電解液が当該セル内へ逆流するという課題を抱えていた。しかし、本実施の形態に係る水素生成デバイス３００の構成を採ることにより、以上の課題を解決することが可能となる。
【００７０】
次に、水素生成デバイス３００の動作について説明する。水素生成デバイス３００の動作のうち、これを構成する各水素生成セル３１０の動作については、本実施の形態で前述した水素生成セル１００の場合と同じである。そのため、ここでは、各水素生成セルの動作についての説明は省略する。
【００７１】
電解液貯蔵部１３に貯蔵された電解液は、電解液貯蔵部１３が作動することにより、必要量が電解液供給本管１４および電解液供給管１５を通って、各水素生成セル３１０に供給される。このとき、全ての水素生成セル３１０に等量の電解液が流入するように、流量調整装置１６が電解液流量を調整する。
【００７２】
そして、各水素生成セルの水素側気液排出孔１１および酸素側気液排出孔１２から排出された電解液は、水素側気液排出管１９および酸素側気液排出管２１、さらには水素側気液排出本管１８および酸素側気液排出本管２０を通って、電解液貯蔵部１３に戻る。
【００７３】
各水素生成セル３１０の第１の空間３上部に貯まった水素は、水素側気液排出孔１１から流出し、水素側気液排出管１９、さらには水素側気液排出本管１８を介して収集される。
【００７４】
各水素生成セル３１０の第２の空間４上部に貯まった酸素は、酸素側気液排出孔１２から流出し、酸素側気液排出管２１、さらには酸素側気液排出本管２０を介して排出され、必要に応じて収集される。
【００７５】
水素生成デバイス３００において光照射により水が分解した分だけ、電解液量が減少するため、電解液貯蔵部１３に適宜水および電解質が補充される。これにより、水素生成セル３１０内の電解液９の濃度が一定に保たれる。
【００７６】
夜間など、水素生成セル３１０への光照射がなされない場合には、適宜、水素生成デバイス３００の動作を停止することができる。これに伴って、電解液貯蔵部１３の動作も停止することができる。このとき、電解液供給本管１４および電解液供給管１５内の電解液は、電解液送出による水圧がかからなくなり、重力によって下へ流れようとする。
【００７７】
ここで、電解液供給本管１４上の、隣接する２つの電解液供給管分岐部の間に設けられた逆流防止装置１７が作動して、電解液の逆流が防止される。これにより、水素生成デバイス３００の停止時においても、電解液は電解液供給本管１４および電解液供給管１５内にとどまることができる。
【００７８】
以上の結果、複数の水素生成セルが高低差を有する位置関係で配置され、かつ、電解液の流れから見て並列に接続された構成の水素生成デバイスで生成した水素の収集を行うことができる。これにより、建築物や水素ステーションの屋根等への施工がしやすくなり、実用度が向上される。
【００７９】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の水素生成デバイスについて、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態２に係る水素生成デバイスを示す概略図である。
【００８０】
本実施の形態の水素生成デバイス４００は、水素生成セル４１０、電解液供給本管１４、電解液供給管１５、流量調整装置１６、逆流防止装置１７、水素側および酸素側気液排出本管１８、２０並びに水素側および酸素側気液排出管１９、２１が一体となった水素生成ユニット４２０を形成する点、継手２２、２３および２４が追加される点を除いては、実施の形態１の水素生成デバイス３００と同様の構成を有する。そのため、ここでは、かかる水素生成ユニット４２０の構成、継手、水素生成ユニットの接続機構についてのみ説明する。
【００８１】
本実施の形態の水素生成デバイス４００は、複数の水素生成ユニット４２０で構成される。
【００８２】
水素生成ユニット４２０を構成する水素生成セル４１０の構成は、本実施の形態で前述した水素生成セル１００と同じである。また、各水素生成セル４１０の電解液供給孔１０と接続する電解液供給管１５、電解液供給管１５の途中に設けられた流量調整装置１６、電解液供給本管１４のうち電解液供給管１５と接続し、水素生成セル４１０の近傍に配置された部分、および、電解液供給本管１４の当該部分上に設けられた逆流防止装置１７も、水素生成ユニット４２０に含まれる。さらに、各水素生成セル４１０の水素側および酸素側気液排出孔１１、１２と接続する水素側および酸素側気液排出管１９、２１、および、水素側および酸素側気液排出本管１８、２０のうち水素側および酸素側気液排出管１９、２１と接続し、水素生成セル４１０の近傍に配置された部分も、水素生成ユニット４２０に含まれる。
【００８３】
水素生成ユニット４２０には、次のように継手２２、２３および２４が設けられる。
【００８４】
電解液供給本管１４のうち、各水素生成セル４１０に割り当てられて分割された部分の両端には、相互に簡便に接続する継手２２が設けられる。継手２２は、電解液に対する耐腐食性および絶縁性を有する材料で構成され、電解液の漏出が起こらない機構となるものであればよい。例えば、ゴム、樹脂、表面を耐腐食・絶縁加工した金属等が利用できる。
【００８５】
水素側気液排出本管１８のうち、各水素生成セル４１０に割り当てられて分割された部分の両端には、相互に簡便に接続する継手２３が設けられる。継手２３は、大気圧以下の圧力において水素が透過せず吸着しない機能を有する材料で構成され、水素の漏出が起こらない機構であること、および、電解液に対する耐腐食性および絶縁性を有する材料で構成され、電解液の漏出が起こらない機構であることを満たすものであればよい。例えば、ゴム、樹脂、表面を耐腐食・絶縁加工した金属等が利用できる。
【００８６】
酸素側気液排出本管２０のうち、各水素生成セル４１０に割り当てられて分割された部分の両端には、相互に簡便に接続する継手２４が設けられる。継手２４は、大気圧以下の圧力において酸素が透過せず吸着しない機能を有する材料で構成され、酸素の漏出が起こらない機構であること、および、電解液に対する耐腐食性および絶縁性を有する材料で構成され、電解液の漏出が起こらない機構であることを満たすものであればよい。例えば、ゴム、樹脂、表面を耐腐食・絶縁加工した金属等が利用できる。
【００８７】
これにより、全く同一の２つの水素生成ユニット４２０を、継手２２、２３および２４の少なくとも３点で接続することが可能となる。単一の水素生成ユニット４２０を複数用意して接続を繰り返すだけで、水素生成デバイス４００を延々と伸ばすことができる。
【００８８】
従来の光水電解装置では、配置する光水電解セルのそれぞれに水素収集管を取り付ける必要があるため、水素収集管の配管長が著しく長くなり煩雑である、マニホールドが多数あり水素の流通制御が難しい、配管設置に要する工数が多い、といった課題を抱えていた。しかし、本発明の水素生成デバイス４００の構成を採ることにより、水素収集用の配管長およびマニホールド数を大幅に低減して、以上の課題を解決することが可能となる。また、多数の水素生成セルの連結を簡便かつ合理的に行うことができる。
【００８９】
水素生成デバイス４００の動作は、実施の形態１で示した水素生成デバイス３００の場合と同じであるため、説明を省略する。
【００９０】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３のエネルギーシステムについて、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態３に係るエネルギーシステムの構成を示す概略図である。
【００９１】
本実施の形態のエネルギーシステム５００には、実施の形態１の水素生成デバイス３００と同様の構成を有する水素生成デバイス２５に加えて、水素貯蔵部２６、水素供給管２７および燃料電池２８が設けられる。
【００９２】
本実施の形態のエネルギーシステム５００のうち、水素生成デバイス２５の材料および構成については、実施の形態１で示した水素生成デバイス３００と同様であるため、ここでは説明を省略し、水素貯蔵部２６、水素供給管２７および燃料電池２８に関係する部分についてのみ説明する。
【００９３】
水素貯蔵部２６は、一方が水素側気液排出本管１８と、他方が水素供給管２７と接続されるように設けられる。水素供給管２７の他端は燃料電池２８と接続されるように設けられる。
【００９４】
水素貯蔵部２６および水素供給管２７は、大気圧以下の圧力において水素が透過せず吸着しない機能を有する材料によって形成される。例えば、ガラス、樹脂、金属等が利用できる。
【００９５】
水素貯蔵部２６は、水素側気液排出本管１８を流通する水素のうち必要量を取り入れて貯蔵する機能、ならびに、貯蔵した水素のうち必要量を水素供給管２７へ流出する機能を有する。
【００９６】
燃料電池２８は、水素を負極活物質とする一般的な燃料電池を採用することが可能である。例えば、固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、アルカリ電解質形燃料電池等が利用できる。
【００９７】
次に、エネルギーシステム５００の動作について説明する。エネルギーシステム５００の動作のうち、水素生成デバイス２５ついては、実施の形態１で示した水素生成デバイス３００と同様であるため、ここでは説明を省略し、水素貯蔵部２６、水素供給管２７および燃料電池２８に関係する動作についてのみ説明する。
【００９８】
水素生成デバイス２５の水素側気液排出本管１８を流通する水素は、水素貯蔵部２６が作動することによって水素貯蔵部２６内に流入し、一旦貯蔵される。さらに、貯蔵された水素は、燃料電池２８の作動状況に応じて、水素貯蔵部２６から水素供給管２７を通って燃料電池２８に供給される。燃料電池２８には水素以外に、正極活物質を含んだ気体、例えば空気等、が送られ、燃料電池２８において発電と給湯が行われる。消費された水素は、水等として燃料電池２８から排出される。
【００９９】
以上の結果、照射光の光エネルギーを水素生成デバイス２５で水素エネルギーに変換し、さらに必要に応じて燃料電池２８で電気エネルギーに変換することができるエネルギーシステムが提供される。
【０１００】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４のエネルギーシステムについて、図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態のエネルギーシステムの構成を示す概略図である。
【０１０１】
本実施の形態のエネルギーシステム６００には、実施の形態１の水素生成デバイス３００と同様の構成を有する水素生成デバイス２５、水素貯蔵部２６、水素供給管２７、燃料電池２８に加えて、酸素貯蔵部２９および酸素供給管３０が設けられる。
【０１０２】
本実施の形態のエネルギーシステム６００のうち、水素生成デバイス２５、水素貯蔵部２６、水素供給管２７および燃料電池２８の材料および構成については、実施の形態３で示したエネルギーシステム５００と同様であるため、説明を省略する。ここでは、酸素貯蔵部２９および酸素供給管３０に関係する部分についてのみ説明する。
【０１０３】
酸素貯蔵部２９は、一方が酸素側気液排出本管２０と、他方が酸素供給管３０と接続されるように設けられる。酸素供給管３０の他端は燃料電池２８と接続されるように設けられる。
【０１０４】
酸素貯蔵部２９および酸素供給管３０は、大気圧以下の圧力において水素が透過せず吸着しない機能を有する材料によって形成される。例えば、ガラス、樹脂、金属等が利用できる。
【０１０５】
次に、エネルギーシステム６００の動作について説明する。エネルギーシステム６００の動作のうち、水素生成デバイス２５、水素貯蔵部２６、水素供給管２７および燃料電池２８については、実施の形態３で示したエネルギーシステム５００と同様であるため、説明を省略する。ここでは、酸素貯蔵部２９および酸素供給管３０に関係する動作についてのみ説明する。
【０１０６】
水素生成デバイスの酸素側気液排出本管２０を流通する酸素は、酸素貯蔵部２９が作動することによって酸素貯蔵部２９内に流入し、一旦貯蔵される。さらに、貯蔵された酸素は、燃料電池２８の作動状況に応じて、酸素貯蔵部２９から酸素供給管３０を通って燃料電池２８に供給される。燃料電池２８には負極活物質として水素が、正極活物質として酸素が送られ、燃料電池２８において発電と給湯が行われる。消費された水素と酸素は反応して水となり、燃料電池２８から排出される。本実施の形態のエネルギーシステム６００は純酸素を利用して燃料電池を作動させるため、空気等を利用する実施の形態３のエネルギーシステム５００と比較して、燃料電池のエネルギー変換効率が著しく高いエネルギーシステムが提供される。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の水素生成デバイスおよびそれを用いたエネルギーシステムは、光の照射によって水を分解して水素を生成することができるので、燃料電池等への水素供給源として好適に利用できる。
【符号の説明】
【０１０８】
１    筐体
２    セパレータ
３    第１の空間
４    第２の空間
５    導電性基板
６    光半導体電極
７    対極
８    電気的接続部
９    電解液
１０    電解液供給孔
１１    水素側気液排出孔
１２    酸素側気液排出孔
１３    電解液貯蔵部
１４    電解液供給本管
１５    電解液供給管
１６    流量調整装置
１７    逆流防止装置
１８    水素側気液排出本管
１９    水素側気液排出管
２０    酸素側気液排出本管
２１    酸素側気液排出管
２２，２３，２４    継手
２５    水素生成デバイス
２６    水素貯蔵部
２７    水素供給管
２８    燃料電池
２９    酸素貯蔵部
３０    酸素供給管
３１    照射光
１００，３１０，４１０    水素生成セル
４２０  水素生成ユニット
３００，４００    水素生成デバイス
５００，６００    エネルギーシステム
【図１】
2014097910.tif 000003
【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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