(57)【要約】  水素生成デバイス（１００）は、内部に液体を保持可能で、少なくとも一部が光を透過可能である筐体（１）と、筐体（１）の内部に保持された、水を含む電解液と、筐体（１）の内部に配置され、前記電解液と接する第１の面を有し、筐体（１）を透過した光が照射されることによって前記水を分解して気体を発生する光電極（２）と、筐体（１）の内部において、光電極（２）に対して前記第１の面と反対側の第２の面側の領域に配置され、前記電解液と接する面を有し、光電極（２）と電気的に接続された導電体（３）と、を備えている。導電体（３）には、前記電解液と接する前記面に、発生した前記気体が流れる方向に沿って延びる溝部（３ａ）が設けられている。
2010119679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液体を保持可能で、少なくとも一部が光を透過可能である筐体と、
前記筐体の内部に保持された、水を含む電解液と、
前記筐体の内部に配置され、前記電解液と接する第１の面を有し、前記筐体を透過した光が照射されることによって前記水を分解して気体を発生する光電極と、
前記筐体の内部において、前記光電極に対して前記第１の面と反対側の第２の面側の領域に配置され、前記電解液と接する面を有し、前記光電極と電気的に接続された導電体と、
を備えており、
前記導電体には、前記電解液と接する前記面に、発生した前記気体が流れる方向に沿って延びる溝部が設けられている、
水素生成デバイス。
【請求項２】
前記溝部は、発生した前記気体が流れる方向に沿って直線状に延びる形状を有する、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項３】
前記導電体がコルゲート形状を有し、前記溝部は前記コルゲート形状の谷部によって形成されている、
請求項２に記載の水素生成デバイス。
【請求項４】
前記導電体には、前記電解液と接する前記面に複数の凹部が設けられており、
前記溝部は、前記複数の凹部が互いに連結することによって形成されている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項５】
前記導電体が金属によって形成されている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項６】
前記導電体が、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ又はＡｌによって形成されている、
請求項５に記載の水素生成デバイス。
【請求項７】
前記溝部の深さが１００μｍ以上２ｃｍ以下である、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項８】
前記導電体において、前記溝部以外の領域の少なくとも一部に、助触媒が設けられている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項９】
前記助触媒が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選ばれる少なくともいずれか１つを含む、
請求項８に記載の水素生成デバイス。
【請求項１０】
前記導電体において、前記溝部以外の領域に突起が設けられている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項１１】
前記突起上に助触媒が設けられている、
請求項１０に記載の水素生成デバイス。
【請求項１２】
前記溝部に疎水性コーティングが施されている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体を有する光電極を備え、当該光電極に太陽光などの光が照射されることによって水を分解して水素を生成する、水素生成デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光触媒として機能する光半導体材料に光を照射することにより水を分解し、水素と酸素とを採取する方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。【０００３】
また、光半導体自体に凹凸を付与することにより、光吸収面積を増大させ、光の利用効率を高めることで、水素生成効率を向上させるデバイス（例えば特許文献２参照）もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２３１３０１号公報
【特許文献２】特開２００７−４５６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば特許文献１のように、導電体の円筒の外面に光半導体（光半導体電極）、内面に対極を設けて、円筒内外で生成する水素と酸素とを互いに分離するような構造を用いる場合、太陽光を利用するときには、これらの電極を太陽光に対して垂直に配置しなければならない。この場合、仮に光半導体電極面を太陽光に対向させると、光半導体電極面で生成する水素又は酸素は光半導体電極面から放出されるものの、円筒内部の対極表面で生成する酸素又は水素は対極表面を被覆して放出されにくくなる。そのため、このような構成は、水と対極との接触面積が低下し、気体の発生効率が低下するという課題を有している。【０００６】
この課題は、電極部を円筒状にした場合に限らず、電極部を平面にし、光半導体を有する電極（光電極）と対極とを表裏に設けて一体構造とした場合においても、同様である。この場合、デバイスは光電極面に光が照射されるように設置され、光が当たらない対極面で発生した気体は、対極面を伝わって放出される。そのため、この構成でも、水と対極との接触面積が低下し、気体の発生効率が低下するという課題を有している。【０００７】
また、例えば特許文献２のように、光の利用効率を増加させるために光半導体自体に凹凸を付与すると、光の当たる光電極においては、気体の発生効率の向上が見込まれる。しかしながら、光の利用効率向上を考えた単純な凹凸や多孔構造などを、光電極と同様に対極に付与すると、光電極と対極とを表裏に設けて一体構造とした場合においては、対極の凹部に発生した気体が蓄積して、水と対極との接触面積が低下し、気体の発生効率が低下するという課題を有している。【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、光電極に光が照射されることによって水を分解して水素を生成する水素生成デバイスにおいて、発生した気体によって対極と水との接触面積が低下することを抑制し、水素発生効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成デバイスは、
内部に液体を保持可能で、少なくとも一部が光を透過可能である筐体と、
前記筐体の内部に保持された、水を含む電解液と、
前記筐体の内部に配置され、前記電解液と接する第１の面を有し、前記筐体を透過した光が照射されることによって前記水を分解して気体を発生する光電極と、
前記筐体の内部において、前記光電極に対して前記第１の面と反対側の第２の面側の領域に配置され、前記電解液と接する面を有し、前記光電極と電気的に接続された導電体と、を備えており、
前記導電体には、前記電解液と接する前記面に、発生した前記気体が流れる方向に沿って延びる溝部が設けられている。
【発明の効果】
【００１０】
水素生成デバイスは、光の利用効率を高めるために、光電極の電解液と接する面を太陽光などの光に対向させる向きで設置することが一般的である。本発明の水素生成デバイスがこのように設置された場合、対極として機能する導電体は、電解液と接する面が下側を向く配置となる。本発明の水素生成デバイスには、導電体の電解液と接する面に、発生した気体が流れる方向に沿って延びる溝部が設けられているので、この溝部が気体の誘導路として機能する。したがって、導電体の電解液と接する面から発生した気体は、浮力により溝部に集まり、当該溝部を伝って上方へ移動するので、溝部が設けられていない構成と比較して、導電体が発生した気体によって被覆されにくくなる。これにより、導電体と水との接触面積の低下が抑制されるので、水素発生効率を向上させることができる。なお、ここでいう上下とは、液体中の気体が浮力によって移動する方向、すなわち鉛直方向における上下に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１の水素生成デバイスを示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１の水素生成デバイスを側面から見た場合の概念図である。
【図３】本発明の実施の形態１の水素生成デバイスにおける導電体を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２の水素生成デバイスにおける導電体を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態３の水素生成デバイスにおける導電体の表面形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。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。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の水素生成デバイス１００の斜視図を示す。また、図２は、水素生成デバイス１００を側面からみた場合の概念図である。図１及び図２は、太陽光を利用する場合を示している。この場合、光の利用効率を考慮して、水素生成デバイス１００は、光電極２と太陽光とが対向するように、水平面に対して傾斜して設置されている。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本実施の形態における水素生成デバイス１００は、筐体１内に、少なくとも光半導体を含む光電極２と、光電極２と接して設けられた導電体３とが設置されている。本実施の形態では、水素生成デバイス１００は、光電極２の導電体３と接している面（第２の面。以下、便宜上「裏面」という。）と反対側の面（第１の面。以下、便宜上「表面」という。）が上側を向くように設置されている。したがって、導電体３は、光電極２と接している面（以下、便宜上「裏面」という。）と反対側の面（以下、便宜上「表面」という。）が下側を向くように設置されている。なお、ここでいう上下とは、鉛直方向における上下に相当する。したがって、「光電極２の表面が上側を向く」とは、光電極２の表面が水平面に対して鉛直方向上側の領域に向いていることをいい、「導電体３の表面が下側を向く」とは、導電体３の表面が水平面に対して鉛直方向下側の領域に向いていることをいう。
【００１５】
筐体１には、水の導入口４が設けられており、その内部は導入口４から供給された水で満たされている。光電極２の表面及び導電体３の表面は、それぞれ水と接触している。なお、本実施の形態では、水を含む電解液として水のみが用いられているが、水に電解質などを溶解させた水溶液を電解液として使用することも可能である。
【００１６】
さらに、筐体１には、内部で発生した気体を外部に排出するためのガス排出口５，６が設けられている。発生した気体は浮力によって筐体内を上方へと移動するので、発生した気体を効率良く集めるために、ガス排出口５，６は、水素生成デバイス１００が設置された状態で筐体１の上部となる箇所に設けられる。本実施の形態では、光電極２の光半導体にｎ型半導体を利用しているので、光電極２の表面からは酸素が発生し、対極として機能する導電体３の表面からは水素が発生する。したがって、筐体１の光電極２側の領域に配置されたガス排出口５からは酸素が排出され、導電体３側の領域に配置されたガス排出口６からは水素が排出される。
【００１７】
水素生成デバイス１００には、太陽光など、光電極２に用いた光半導体に対応した光（光半導体を励起させる光）が、光電極２の表面に対向する側から照射される。このため、筐体１の光電極２と対向する部分は、光半導体に対応した光を透過できる材料からなる。なお、光の利用効率をより高めるためには、光電極２の表面に対して光線が垂直となるように光を照射することが好ましい。
【００１８】
次に、光電極２及び導電体３について、より詳しく説明する。
【００１９】
光電極２は平板状であり、その表面は平面であってもよいし、光吸収面積を増加させるために凹凸が設けられていてもよい。光電極２は、光半導体を含んでいればよく、光半導体のみから形成されていてもよいし、例えば光半導体からなる層（光半導体層）とこれを担持する他の層とを組み合わせるなど、他の構成要素を含んでいてもよい。光半導体と他の構成要素とを組み合わせる場合は、光半導体に効率良く光が照射されるように、光半導体が光電極２の表面に露出するように配置することが好ましい。
【００２０】
光半導体は、水の分解が可能となる１．２３ｅＶ以上のバンドギャップを有し、かつこの光半導体の伝導帯下端の準位が水素発生準位よりも大きく、かつ光半導体の価電子帯上端の準位が酸素発生準位よりも小さい材料でなければならない。このような材料としては、例えばＴｉＯ2、ＴａＯＮ及びＴａ3Ｎ5などが挙げられる。
【００２１】
また、光電極２における光半導体には、光を吸収できるように十分な厚みが求められる一方で、厚すぎると光吸収により生じた電子と正孔とが再結合する確率が増加するという問題が生じる。そのため、光半導体層の膜厚は数ｎｍ〜数μｍ程度が良いと考えられるが、最適な膜厚については、光電極２の材料や結晶欠陥やなどに依存すると考えられるため、用いる光半導体に応じて適宜選択することが望ましい。
【００２２】
光電極２の光半導体層は、スパッタリング、蒸着、スピンコーティングなどの様々な手法によって成膜可能であり、成膜方法は限定されない。
【００２３】
なお、本実施の形態では、光電極２の光半導体にｎ型半導体を用いたが、ｐ型半導体を用いることも可能である。その場合は、光電極２より水素が、導電体３から酸素が発生するため、ガス排出口５から水素、ガス排出口６から酸素が排出されることになる。
【００２４】
光電極２の光半導体層が他の層によって担持される構成の場合、他の層が導電体３と接することになる。したがって、光電極２と導電体３との電気的接続を妨げないように、他の層には金属材料が用いられる。この金属材料には、光電極２に用いる光半導体とオーミック接合するように、フェルミ準位が高い金属材料を用いることが望ましい。このような金属材料として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ及びＡｌなどが挙げられる。また、導電体３が、光電極２の光半導体を担持する層として機能することもできる。
【００２５】
導電体３には、水と接する面である表面に、発生した気体が流れる方向に沿って延びる溝部３ａが設けられている。すなわち、溝部３ａは、水素生成デバイス１００が設置された状態において、下方から上方へと延びるように設けられる。言い換えると、導電体３の表面には下方から上方へと繋がる凹部が設けられているとも言える。本実施の形態では、導電体３はコルゲート形状を有しており、溝部３ａは、コルゲート形状の谷部（導電体の表面における谷部）によって形成されている。導電体３の表面は下側を向いているので、この表面で発生した水素は溝部３ａに集まって、溝部３ａに沿って下方から上方へと移動する。上方へ移動した水素は、ガス排出口６から筐体１の外部に排出される。このような構成によれば、導電体３の表面における溝部３ａ以外の領域（コルゲート形状の山部など）は発生した気体によって完全に被覆されてしまうことがないため、発生した気体による導電体３の表面と水との接触面積の低下が抑制でき、水素発生効率を向上させることができる。
【００２６】
導電体３において、溝部３ａの深さは１００μｍ以上あることが望ましい。これは、発生した気泡が、浮力によって導電体３の表面を伝わって上方に移動する際、気泡の大きさは目視可能なまでに増大するためである。また、溝部３ａの深さを４００μｍ以上とすると、気泡が直進して上昇しやすくなり、気泡が成長しにくくなる。したがって、溝部３ａの深さを４００ｎｍ以上とすることがより望ましい。また、気泡の多くは直径が１ｍｍ以上になってから上方へと移動していることから、溝部３ａの深さは１ｍｍ以上がさらに望ましい。なお、溝部３ａの深さとは、導電体３の表面における高低差の最大値のことである。本実施の形態のようなコルゲート形状の場合は、谷部と山部との高さの差が溝部３ａの深さに相当する。
【００２７】
一方、溝部３ａの深さを大きくしすぎると、導電体３自体の厚さが増して水素生成デバイス１００の厚さが増大してしまうこと、導電体３の溝部３ａによって光電極２の表面に凹凸が現れる場合に、太陽光の入射角度によっては光電極２の凹の部分に凸の部分の影ができてしまうこと、などの課題が生じる。特に、デバイスの厚さの増大化は、デバイスに入れる水の量を増やすことにつながり、結果としてデバイス全体の重量が増加する。
【００２８】
水素生成デバイス１００を屋根に設置すると仮定すると、標準的な屋根の設置面積２２ｍ2において、１ｃｍ厚みが増すと水の重量は２２０ｋｇ増すことになる。このことから、重量の問題を考慮すると、水素生成デバイス１００の厚さは薄い方が好ましい。太陽電池を設置面積２２ｍ2に並べた場合、およそ３００ｋｇに達することから考えて、水素デバイス１００の厚さは２ｃｍ程度が限界であると考えられ、１ｃｍ以下がより好ましい。
【００２９】
これらの条件から、溝部の深さは、１００μｍ以上２ｃｍ以下が好ましく、４００μｍ〜１ｃｍがより好ましい。
【００３０】
導電体３には、一般には金属が用いられるが、ガラスなどの絶縁基板の上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＦＴＯ（Fluorine doped Tin Oxide）などの導電膜が形成された導電膜基板も用いることができる。導電体３を金属によって形成する場合は、例えばＴｉ、Ｔａ、Ｚｒ及びＡｌが、光電極２との接合部がオーミック接合になるという理由から、好適に用いられる。
【００３１】
導電体３に十分な水分解活性がある場合は必要ないが、水素生成効率を高めるためには、導電体３の光電極２と接する面と反対の面（表面）に、助触媒を担持することが好ましい。図３は、導電体３の表面に助触媒を担持する形態の一例として、導電体３の表面全体に助触媒を担持した形態（導電体３の表面上に助触媒からなる膜１１が設けられた形態）を示している。なお、図中、７は導電体３側で発生する気体を表しており、気体７は溝部３ａに沿って移動する。導電体３で水素を発生させる構成の場合、助触媒は、水素発生過電圧の低いＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ａｕ及びＡｇから選ばれる少なくともいずれか１種を含んでいることが好ましい。導電体３で酸素を発生させる構成の場合は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選ばれる少なくともいずれか１種を含んでいることが好ましい。
【００３２】
また、溝部３ａに疎水性コーティングを施してもよい。これにより、発生した気体の溝部３ａへの移動が促進されるので、溝部３ａ以外の領域は、発生した気体によってより被覆されにくくなる。そのため、溝部３ａ以外の領域では導電体３と水との接触が気体によって妨げられなくなるので、水素の発生効率がより向上する。また、導電体３は溝部３ａ以外の領域で水と接触する可能性が高くなるので、助触媒を担持する領域を溝部３ａ以外に設定すると、発生した気体による助触媒の被覆を低減でき、助触媒を有効に利用できる。さらに、助触媒の使用量も低減でき、高価な助触媒を用いた際にも、コストの面で有利となる。
【００３３】
次に、水素生成デバイス１００における動作について簡単に説明する。導入口４から筐体１内に導入された水は、光電極２に光を照射することにより光励起された光半導体によって分解される。光電極２の光半導体がｎ型半導体の場合、光電極２の表面で酸素が生成する。光電極２の表面で生成した酸素は、浮力によって筐体１の上方に移動して、筐体１の上部に設けられたガス排出口５から排出される。一方、同時に、光電極２と電気的に接続された導電体３では水素が生成され、水素は溝部３ａに集まって、溝部３ａに沿って下方から上方へと移動する。上方へ移動した水素は、筐体１の上部に設けられたガス排出口６から排出される。
【００３４】
なお、本実施の形態では、コルゲート形状を有する導電体３を用いており、溝部３ａはコルゲート形状の谷部によって形成されている。そのため、溝部３ａは、発生した気体が流れる方向に沿って直線状に延びる形状を有しているが、本発明における溝部の形状はこれに限定されない。溝部は、全体としてみた時に延びる方向が発生した気体が流れる方向にほぼ沿っていればよいため、曲線状に延びていてもよい。また、溝部の延びる方向は、発生した気体が流れる方向と平行であることが望ましいが、平行でない場合でも、気体が流れる方向にほぼ沿っていれば気体は溝部に誘導されてスムーズに上方まで移動できるので、何ら問題はない。また、本実施の形態では、コルゲート形状を有する導電体を用いたが、これに限定されず、導電体の表面に溝部が設けられ、光電極と接する裏面は平面となっていてもよい。また、溝部以外の領域に突起を設けることによって、発生した気体によってより被覆されにくい領域を形成し、水素発生効率をより向上させることも可能である。このように、溝部以外の領域について導電体の形状を種々変更することも可能である。
【００３５】
また、本実施の形態では導電体３が光電極２の裏面に接して設けられているが、この構成に限定されない。導電体３は、筐体１の内部において、光電極２に対して裏面側の領域に配置され、かつ光電極と電気的に接続されていればよく、例えば光電極２と導電体３との間にセパレータなどが設けられて、光電極２と導電体３とが導線などによって電気的に接続されていてもよい。
【００３６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における水素生成デバイスについて説明する。本実施の形態の水素生成デバイスは、導電体上に担持される助触媒の形成位置が異なる以外は、実施の形態１の水素生成デバイス１００と同じ構成を有する。したがって、ここでは、助触媒の形成位置についてのみ説明する。
【００３７】
図４は、導電体３の表面に助触媒２１が担持された状態を示している。本実施の形態では、導電体３の表面の溝部３ａ以外の領域の一部、ここではコルゲート形状の山の峰部分に、助触媒２１が設けられている。すなわち、導電体３の溝部３ａに対して最も高い位置に、助触媒２１が設けられている。
【００３８】
この構成では、生成した気体によって被覆されにくい部分に助触媒２１が設けられることになるため、助触媒２１を設けることによる効果を得つつ、助触媒２１の量を低減できる。
【００３９】
助触媒２１は、気体によって被覆されにくいように、溝部３ａ以外の領域のうち最も高い位置に設けることが望ましいが、これに限らず、溝部３ａ以外の領域の少なくとも一部に設ければ同様の効果が得られる。さらに、この構成は、導電体３がコルゲート形状を有さない場合であっても適用できる。例えば、平面に溝部に相当する溝が形成されている場合には、溝以外の領域の一部に助触媒を設ければよく、また、溝以外の領域に突起を設けてその突起の上に助触媒を設けてもよい。
【００４０】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における水素生成デバイスについて説明する。本実施の形態の水素生成デバイスは、導電体の形状及び助触媒の形成位置が異なる以外は、実施の形態１の水素生成デバイス１００と同じ構成を有する。したがって、ここでは、導電体の形状及び助触媒の形成位置についてのみ説明する。
【００４１】
本実施の形態では、導電体の表面が、図５に示すような複数の凹凸が設けられた形状を有している。この場合、溝部は、複数の凹部が互いに連結して気体が流れる方向に繋がることによって、形成されている。
【００４２】
導電体をこのような形状とする場合、助触媒は、突起状の凸部の先端部分に配置することが好ましい。助触媒をそのような位置に設けることにより、実施の形態１及び２の水素生成デバイスと比較して助触媒の使用量をさらに低減でき、高価な助触媒を用いた際にもコストの面で有利となる。さらに、突起状の凸部の先端部分に助触媒を設けると、発生した気体による助触媒の被覆をより確実に低減できるので、助触媒の機能が効率良く発揮されることになる。
【実施例】
【００４３】
（実施例１）
本発明の実施例１として、実施の形態１の水素生成デバイス１００と同様の構成を有する水素生成デバイスを作製した。筐体は、光電極側の面のみをパイレックス（登録商標）ガラスで形成し、その他の部分はアクリル樹脂で形成した。【００４４】
光電極の光半導体にはＴｉＯ2を用いた。光半導体を担持する金属材料として、Ｔｉ板を用いた。まず、光半導体を担持する金属材料として、５０ｍｍ×５０ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍのＴｉ板を準備し、このＴｉ金属板の一方の面にスパッタリングにて厚さ１５０ｎｍのＴｉＯ2膜を成膜して、光電極を形成した。【００４５】
厚さ０．５ｍｍのＴｉ板にコルゲート凹凸加工を施して、図１及び図３に示すようなコルゲート形状を有する５０ｍｍ×５０ｍｍ角の導電体を作製した。コルゲート凹凸加工は、コルゲート形状の谷部と山部との高さの差（溝部の深さ）が１ｍｍ、互いに隣接する谷と山との距離が１ｍｍとなるように行った。この導電体において、水素生成デバイスとして組み立てた際に表面となる面に、助触媒からなる膜として、厚さ０．１μｍのＰｔ膜をスパッタリングにより成膜した。これにより、コルゲート形状の谷部を利用して溝部が形成され、さらに表面に助触媒からなる膜が設けられた導電体を得た。導電体の溝部に相当する部分の裏面を、光電極２のＴｉ板とスポット溶接により接合して、光電極と導電体とを一体化した。導電体の溝部が、水素生成デバイスを設置した状態で下方から上方へと延びるように、光電極及び導電体を筐体内に配置した。【００４６】
（比較例１）
導電体として、コルゲート凹凸加工が施されていない５０ｍｍ×５０ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍのＴｉ板を用いた以外は、実施例１と同様の構成の水素生成デバイスを作製した。【００４７】
（実施例２）
実施例１では導電体の表面全体に助触媒からなる膜を設けたが、実施例２では、導電体のコルゲート形状の峰に沿って幅０．０１ｍｍのＰｔ線をスポット溶接で接着させた。これ以外は、実施例１と同様の構成の水素生成デバイスを作製した。【００４８】
＜光照射による水分解実験＞
実施例１，２及び比較例１の水素生成デバイスについて、それぞれ、光照射による水分解実験を行った。筐体の導入口から水を導入して筐体内部を水で満たし、光電極に対向する側から、水素生成デバイスに対して人工太陽照明（セリック株式会社製、ＸＣ−１００Ｂ）を３０ｃｍ遠方より照射した。全ての水素生成デバイスについて、光電極の表面に酸素の気泡が、導電体の表面に水素の気泡が付着している様子が観察された。このとき、目視にて確認したところ、気泡の大きさはいずれも直径１００μｍ程度から１ｍｍ程度であった。【００４９】
実施例１の水素生成デバイスでは、導電体の表面に付着した水素の気泡が、導電体の溝部を伝わって上方へと移動する様子が観察された。同様に、実施例２の水素生成デバイスでも、導電体の表面に付着した水素の気泡が、導電体の溝部を伝わって上方へと移動する様子が観察された。【００５０】
一方、比較例１の水素生成デバイスでは、開始１０分ほどで水素の気泡が導電体の表面を被覆し、表面に付着した気泡が導電体の表面上に滞在している様子が観察された。【００５１】
光照射１０分後、すなわち、発生する水素で導電体の表面における水素の被覆が定常になった後、各水素生成デバイスについて、発生する水素ガス量を、ガスクロマトグラフィーを用いて算出した。実施例１の場合は０．３４ｍｌ／ｈ（量子効率２．６％）であり、比較例１の場合は０．２１ｍｌ／ｈ（量子効率１．７％）であった。実施例１の水素ガス量は比較例１の１．６２倍であり、導電体の表面積の増加分１．４１倍を超えていた。これにより、導電体に溝部を設けることで水素発生効率が向上するという、本発明の効果が実証された。また、実施例２の場合は０．３０ｍｌ／ｈ（量子効率２．３％）で、比較例１の１．４３倍であり、同様に本発明の効果が実証された。【００５２】
実施例１と実施例２とを比較すると、実施例２は実施例１よりも水素ガス量が少なかった。しかし、実施例２ではＰｔ量が実施例１と比較して大幅に少ないことを考慮すると、実施例２のように導電体の溝部以外の一部に助触媒を設ける構成の場合は、助触媒が効率良く機能することが実証された。この結果から、特に導電体から水素を発生させる際、助触媒としてふさわしい、水素発生過電圧の低い助触媒が一般に貴金属であることから、導電体の一部にのみ助触媒を設けた方が、コストの面から有利であるといえる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の水素生成デバイスは、光の照射による水素生成効率が高く、燃料電池への水素供給用のデバイスとして利用できるので、家庭用の発電システムにも利用できる。
【図１】
2010119679.tif 000003
【図２】
2010119679.tif 000004
【図３】
2010119679.tif 000005
【図４】
2010119679.tif 000006
【図５】
2010119679.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成22年12月24日(2010.12.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液体を保持可能で、少なくとも一部が光を透過可能である筐体と、
前記筐体の内部に保持された、水を含む電解液と、
前記筐体の内部に配置され、前記電解液と接する第１の面を有し、前記筐体を透過した光が照射されることによって前記水を分解して気体を発生する光電極と、
前記筐体の内部において、前記光電極に対して前記第１の面と反対側の第２の面側の領域に配置され、前記電解液と接する面を有し、前記光電極と電気的に接続された導電体と、
を備えており、
前記導電体には、前記電解液と接する前記面に、発生した前記気体が流れる方向に沿って延びる溝部が設けられており、
前記導電体において、前記溝部以外の領域のみに、前記導電体における水素生成効率又は酸素生成効率を高めるための触媒が設けられている、
水素生成デバイス。
【請求項２】
前記溝部は、発生した前記気体が流れる方向に沿って直線状に延びる形状を有する、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項３】
前記導電体がコルゲート形状を有し、前記溝部は前記コルゲート形状の谷部によって形成されている、
請求項２に記載の水素生成デバイス。
【請求項４】
前記導電体には、前記電解液と接する前記面に複数の凹部が設けられており、
前記溝部は、前記複数の凹部が互いに連結することによって形成されている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項５】
前記導電体が金属によって形成されている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項６】
前記導電体が、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ又はＡｌによって形成されている、
請求項５に記載の水素生成デバイス。
【請求項７】
前記溝部の深さが１００μｍ以上２ｃｍ以下である、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項８】
前記触媒は、前記導電体において前記溝部以外の領域のうち最も高い位置にのみ設けられている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項９】
前記触媒が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選ばれる少なくともいずれか１つを含む、
請求項８に記載の水素生成デバイス。
【請求項１０】
前記導電体において、前記溝部以外の領域に突起が設けられている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項１１】
前記突起上に触媒が設けられている、
請求項１０に記載の水素生成デバイス。
【請求項１２】
前記溝部に疎水性コーティングが施されている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月25日(2011.8.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体を有する光電極を備え、当該光電極に太陽光などの光が照射されることによって水を分解して水素を生成する、水素生成デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光触媒として機能する光半導体材料に光を照射することにより水を分解し、水素と酸素とを採取する方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。
【０００３】
また、光半導体自体に凹凸を付与することにより、光吸収面積を増大させ、光の利用効率を高めることで、水素生成効率を向上させるデバイス（例えば特許文献２参照）もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２３１３０１号公報
【特許文献２】特開２００７−４５６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば特許文献１のように、導電体の円筒の外面に光半導体（光半導体電極）、内面に対極を設けて、円筒内外で生成する水素と酸素とを互いに分離するような構造を用いる場合、太陽光を利用するときには、これらの電極を太陽光に対して垂直に配置しなければならない。この場合、仮に光半導体電極面を太陽光に対向させると、光半導体電極面で生成する水素又は酸素は光半導体電極面から放出されるものの、円筒内部の対極表面で生成する酸素又は水素は対極表面を被覆して放出されにくくなる。そのため、このような構成は、水と対極との接触面積が低下し、気体の発生効率が低下するという課題を有している。
【０００６】
この課題は、電極部を円筒状にした場合に限らず、電極部を平面にし、光半導体を有する電極（光電極）と対極とを表裏に設けて一体構造とした場合においても、同様である。この場合、デバイスは光電極面に光が照射されるように設置され、光が当たらない対極面で発生した気体は、対極面を伝わって放出される。そのため、この構成でも、水と対極との接触面積が低下し、気体の発生効率が低下するという課題を有している。
【０００７】
また、例えば特許文献２のように、光の利用効率を増加させるために光半導体自体に凹凸を付与すると、光の当たる光電極においては、気体の発生効率の向上が見込まれる。しかしながら、光の利用効率向上を考えた単純な凹凸や多孔構造などを、光電極と同様に対極に付与すると、光電極と対極とを表裏に設けて一体構造とした場合においては、対極の凹部に発生した気体が蓄積して、水と対極との接触面積が低下し、気体の発生効率が低下するという課題を有している。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、光電極に光が照射されることによって水を分解して水素を生成する水素生成デバイスにおいて、発生した気体によって対極と水との接触面積が低下することを抑制し、水素発生効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成デバイスは、
内部に液体を保持可能で、少なくとも一部が光を透過可能である筐体と、
前記筐体の内部に保持された、水を含む電解液と、
前記筐体の内部に配置され、前記電解液と接する第１の面を有し、前記筐体を透過した光が照射されることによって前記水を分解して気体を発生する光電極と、
前記筐体の内部において、前記光電極に対して前記第１の面と反対側の第２の面側の領域に配置され、前記電解液と接する面を有し、前記光電極と電気的に接続された導電体と、を備えており、
前記導電体には、前記電解液と接する前記面に、発生した前記気体が流れる方向に沿って延びる溝部が設けられている。
【発明の効果】
【００１０】
水素生成デバイスは、光の利用効率を高めるために、光電極の電解液と接する面を太陽光などの光に対向させる向きで設置することが一般的である。本発明の水素生成デバイスがこのように設置された場合、対極として機能する導電体は、電解液と接する面が下側を向く配置となる。本発明の水素生成デバイスには、導電体の電解液と接する面に、発生した気体が流れる方向に沿って延びる溝部が設けられているので、この溝部が気体の誘導路として機能する。したがって、導電体の電解液と接する面から発生した気体は、浮力により溝部に集まり、当該溝部を伝って上方へ移動するので、溝部が設けられていない構成と比較して、導電体が発生した気体によって被覆されにくくなる。これにより、導電体と水との接触面積の低下が抑制されるので、水素発生効率を向上させることができる。なお、ここでいう上下とは、液体中の気体が浮力によって移動する方向、すなわち鉛直方向における上下に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１の水素生成デバイスを示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１の水素生成デバイスを側面から見た場合の概念図である。
【図３】本発明の実施の形態１の水素生成デバイスにおける導電体を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２の水素生成デバイスにおける導電体を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態３の水素生成デバイスにおける導電体の表面形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。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。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の水素生成デバイス１００の斜視図を示す。また、図２は、水素生成デバイス１００を側面からみた場合の概念図である。図１及び図２は、太陽光を利用する場合を示している。この場合、光の利用効率を考慮して、水素生成デバイス１００は、光電極２と太陽光とが対向するように、水平面に対して傾斜して設置されている。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本実施の形態における水素生成デバイス１００は、筐体１内に、少なくとも光半導体を含む光電極２と、光電極２と接して設けられた導電体３とが設置されている。本実施の形態では、水素生成デバイス１００は、光電極２の導電体３と接している面（第２の面。以下、便宜上「裏面」という。）と反対側の面（第１の面。以下、便宜上「表面」という。）が上側を向くように設置されている。したがって、導電体３は、光電極２と接している面（以下、便宜上「裏面」という。）と反対側の面（以下、便宜上「表面」という。）が下側を向くように設置されている。なお、ここでいう上下とは、鉛直方向における上下に相当する。したがって、「光電極２の表面が上側を向く」とは、光電極２の表面が水平面に対して鉛直方向上側の領域に向いていることをいい、「導電体３の表面が下側を向く」とは、導電体３の表面が水平面に対して鉛直方向下側の領域に向いていることをいう。
【００１５】
筐体１には、水の導入口４が設けられており、その内部は導入口４から供給された水で満たされている。光電極２の表面及び導電体３の表面は、それぞれ水と接触している。なお、本実施の形態では、水を含む電解液として水のみが用いられているが、水に電解質などを溶解させた水溶液を電解液として使用することも可能である。
【００１６】
さらに、筐体１には、内部で発生した気体を外部に排出するためのガス排出口５，６が設けられている。発生した気体は浮力によって筐体内を上方へと移動するので、発生した気体を効率良く集めるために、ガス排出口５，６は、水素生成デバイス１００が設置された状態で筐体１の上部となる箇所に設けられる。本実施の形態では、光電極２の光半導体にｎ型半導体を利用しているので、光電極２の表面からは酸素が発生し、対極として機能する導電体３の表面からは水素が発生する。したがって、筐体１の光電極２側の領域に配置されたガス排出口５からは酸素が排出され、導電体３側の領域に配置されたガス排出口６からは水素が排出される。
【００１７】
水素生成デバイス１００には、太陽光など、光電極２に用いた光半導体に対応した光（光半導体を励起させる光）が、光電極２の表面に対向する側から照射される。このため、筐体１の光電極２と対向する部分は、光半導体に対応した光を透過できる材料からなる。なお、光の利用効率をより高めるためには、光電極２の表面に対して光線が垂直となるように光を照射することが好ましい。
【００１８】
次に、光電極２及び導電体３について、より詳しく説明する。
【００１９】
光電極２は平板状であり、その表面は平面であってもよいし、光吸収面積を増加させるために凹凸が設けられていてもよい。光電極２は、光半導体を含んでいればよく、光半導体のみから形成されていてもよいし、例えば光半導体からなる層（光半導体層）とこれを担持する他の層とを組み合わせるなど、他の構成要素を含んでいてもよい。光半導体と他の構成要素とを組み合わせる場合は、光半導体に効率良く光が照射されるように、光半導体が光電極２の表面に露出するように配置することが好ましい。
【００２０】
光半導体は、水の分解が可能となる１．２３ｅＶ以上のバンドギャップを有し、かつこの光半導体の伝導帯下端の準位が水素発生準位よりも大きく、かつ光半導体の価電子帯上端の準位が酸素発生準位よりも小さい材料でなければならない。このような材料としては、例えばＴｉＯ2、ＴａＯＮ及びＴａ3Ｎ5などが挙げられる。
【００２１】
また、光電極２における光半導体には、光を吸収できるように十分な厚みが求められる一方で、厚すぎると光吸収により生じた電子と正孔とが再結合する確率が増加するという問題が生じる。そのため、光半導体層の膜厚は数ｎｍ〜数μｍ程度が良いと考えられるが、最適な膜厚については、光電極２の材料や結晶欠陥やなどに依存すると考えられるため、用いる光半導体に応じて適宜選択することが望ましい。
【００２２】
光電極２の光半導体層は、スパッタリング、蒸着、スピンコーティングなどの様々な手法によって成膜可能であり、成膜方法は限定されない。
【００２３】
なお、本実施の形態では、光電極２の光半導体にｎ型半導体を用いたが、ｐ型半導体を用いることも可能である。その場合は、光電極２より水素が、導電体３から酸素が発生するため、ガス排出口５から水素、ガス排出口６から酸素が排出されることになる。
【００２４】
光電極２の光半導体層が他の層によって担持される構成の場合、他の層が導電体３と接することになる。したがって、光電極２と導電体３との電気的接続を妨げないように、他の層には金属材料が用いられる。この金属材料には、光電極２に用いる光半導体とオーミック接合するように、フェルミ準位が高い金属材料を用いることが望ましい。このような金属材料として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ及びＡｌなどが挙げられる。また、導電体３が、光電極２の光半導体を担持する層として機能することもできる。
【００２５】
導電体３には、水と接する面である表面に、発生した気体が流れる方向に沿って延びる溝部３ａが設けられている。すなわち、溝部３ａは、水素生成デバイス１００が設置された状態において、下方から上方へと延びるように設けられる。言い換えると、導電体３の表面には下方から上方へと繋がる凹部が設けられているとも言える。本実施の形態では、導電体３はコルゲート形状を有しており、溝部３ａは、コルゲート形状の谷部（導電体の表面における谷部）によって形成されている。導電体３の表面は下側を向いているので、この表面で発生した水素は溝部３ａに集まって、溝部３ａに沿って下方から上方へと移動する。上方へ移動した水素は、ガス排出口６から筐体１の外部に排出される。このような構成によれば、導電体３の表面における溝部３ａ以外の領域（コルゲート形状の山部など）は発生した気体によって完全に被覆されてしまうことがないため、発生した気体による導電体３の表面と水との接触面積の低下が抑制でき、水素発生効率を向上させることができる。
【００２６】
導電体３において、溝部３ａの深さは１００μｍ以上あることが望ましい。これは、発生した気泡が、浮力によって導電体３の表面を伝わって上方に移動する際、気泡の大きさは目視可能なまでに増大するためである。また、溝部３ａの深さを４００μｍ以下とすると、気泡が直進して上昇しやすくなり、気泡が成長しにくくなる。したがって、溝部３ａの深さを４００μｍ以上とすることがより望ましい。また、気泡の多くは直径が１ｍｍ以上になってから上方へと移動していることから、溝部３ａの深さは１ｍｍ以上がさらに望ましい。なお、溝部３ａの深さとは、導電体３の表面における高低差の最大値のことである。本実施の形態のようなコルゲート形状の場合は、谷部と山部との高さの差が溝部３ａの深さに相当する。
【００２７】
一方、溝部３ａの深さを大きくしすぎると、導電体３自体の厚さが増して水素生成デバイス１００の厚さが増大してしまうこと、導電体３の溝部３ａによって光電極２の表面に凹凸が現れる場合に、太陽光の入射角度によっては光電極２の凹の部分に凸の部分の影ができてしまうこと、などの課題が生じる。特に、デバイスの厚さの増大化は、デバイスに入れる水の量を増やすことにつながり、結果としてデバイス全体の重量が増加する。
【００２８】
水素生成デバイス１００を屋根に設置すると仮定すると、標準的な屋根の設置面積２２ｍ2において、１ｃｍ厚みが増すと水の重量は２２０ｋｇ増すことになる。このことから、重量の問題を考慮すると、水素生成デバイス１００の厚さは薄い方が好ましい。太陽電池を設置面積２２ｍ2に並べた場合、およそ３００ｋｇに達することから考えて、水素デバイス１００の厚さは２ｃｍ程度が限界であると考えられ、１ｃｍ以下がより好ましい。
【００２９】
これらの条件から、溝部の深さは、１００μｍ以上２ｃｍ以下が好ましく、４００μｍ〜１ｃｍがより好ましい。
【００３０】
導電体３には、一般には金属が用いられるが、ガラスなどの絶縁基板の上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＦＴＯ（Fluorine doped Tin Oxide）などの導電膜が形成された導電膜基板も用いることができる。導電体３を金属によって形成する場合は、例えばＴｉ、Ｔａ、Ｚｒ及びＡｌが、光電極２との接合部がオーミック接合になるという理由から、好適に用いられる。
【００３１】
導電体３に十分な水分解活性がある場合は必要ないが、水素生成効率を高めるためには、導電体３の光電極２と接する面と反対の面（表面）に、触媒を担持することが好ましい。図３は、導電体３の表面に触媒を担持する形態の一例として、導電体３の表面全体に触媒を担持した形態（導電体３の表面上に触媒からなる膜１１が設けられた形態）を示している。なお、図中、７は導電体３側で発生する気体を表しており、気体７は溝部３ａに沿って移動する。導電体３で水素を発生させる構成の場合、触媒は、水素発生過電圧の低いＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ａｕ及びＡｇから選ばれる少なくともいずれか１種を含んでいることが好ましい。導電体３で酸素を発生させる構成の場合は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選ばれる少なくともいずれか１種を含んでいることが好ましい。
【００３２】
また、溝部３ａに疎水性コーティングを施してもよい。これにより、発生した気体の溝部３ａへの移動が促進されるので、溝部３ａ以外の領域は、発生した気体によってより被覆されにくくなる。そのため、溝部３ａ以外の領域では導電体３と水との接触が気体によって妨げられなくなるので、水素の発生効率がより向上する。また、導電体３は溝部３ａ以外の領域で水と接触する可能性が高くなるので、触媒を担持する領域を溝部３ａ以外に設定すると、発生した気体による触媒の被覆を低減でき、触媒を有効に利用できる。さらに、触媒の使用量も低減でき、高価な触媒を用いた際にも、コストの面で有利となる。
【００３３】
次に、水素生成デバイス１００における動作について簡単に説明する。導入口４から筐体１内に導入された水は、光電極２に光を照射することにより光励起された光半導体によって分解される。光電極２の光半導体がｎ型半導体の場合、光電極２の表面で酸素が生成する。光電極２の表面で生成した酸素は、浮力によって筐体１の上方に移動して、筐体１の上部に設けられたガス排出口５から排出される。一方、同時に、光電極２と電気的に接続された導電体３では水素が生成され、水素は溝部３ａに集まって、溝部３ａに沿って下方から上方へと移動する。上方へ移動した水素は、筐体１の上部に設けられたガス排出口６から排出される。
【００３４】
なお、本実施の形態では、コルゲート形状を有する導電体３を用いており、溝部３ａはコルゲート形状の谷部によって形成されている。そのため、溝部３ａは、発生した気体が流れる方向に沿って直線状に延びる形状を有しているが、本発明における溝部の形状はこれに限定されない。溝部は、全体としてみた時に延びる方向が発生した気体が流れる方向にほぼ沿っていればよいため、曲線状に延びていてもよい。また、溝部の延びる方向は、発生した気体が流れる方向と平行であることが望ましいが、平行でない場合でも、気体が流れる方向にほぼ沿っていれば気体は溝部に誘導されてスムーズに上方まで移動できるので、何ら問題はない。また、本実施の形態では、コルゲート形状を有する導電体を用いたが、これに限定されず、導電体の表面に溝部が設けられ、光電極と接する裏面は平面となっていてもよい。また、溝部以外の領域に突起を設けることによって、発生した気体によってより被覆されにくい領域を形成し、水素発生効率をより向上させることも可能である。このように、溝部以外の領域について導電体の形状を種々変更することも可能である。
【００３５】
また、本実施の形態では導電体３が光電極２の裏面に接して設けられているが、この構成に限定されない。導電体３は、筐体１の内部において、光電極２に対して裏面側の領域に配置され、かつ光電極と電気的に接続されていればよく、例えば光電極２と導電体３との間にセパレータなどが設けられて、光電極２と導電体３とが導線などによって電気的に接続されていてもよい。
【００３６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における水素生成デバイスについて説明する。本実施の形態の水素生成デバイスは、導電体上に担持される触媒の形成位置が異なる以外は、実施の形態１の水素生成デバイス１００と同じ構成を有する。したがって、ここでは、触媒の形成位置についてのみ説明する。
【００３７】
図４は、導電体３の表面に触媒２１が担持された状態を示している。本実施の形態では、導電体３の表面の溝部３ａ以外の領域の一部、ここではコルゲート形状の山の峰部分に、触媒２１が設けられている。すなわち、導電体３の溝部３ａに対して最も高い位置に、触媒２１が設けられている。
【００３８】
この構成では、生成した気体によって被覆されにくい部分に触媒２１が設けられることになるため、触媒２１を設けることによる効果を得つつ、触媒２１の量を低減できる。
【００３９】
触媒２１は、気体によって被覆されにくいように、溝部３ａ以外の領域のうち最も高い位置に設けることが望ましいが、これに限らず、溝部３ａ以外の領域の少なくとも一部に設ければ同様の効果が得られる。さらに、この構成は、導電体３がコルゲート形状を有さない場合であっても適用できる。例えば、平面に溝部に相当する溝が形成されている場合には、溝以外の領域の一部に触媒を設ければよく、また、溝以外の領域に突起を設けてその突起の上に触媒を設けてもよい。
【００４０】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における水素生成デバイスについて説明する。本実施の形態の水素生成デバイスは、導電体の形状及び触媒の形成位置が異なる以外は、実施の形態１の水素生成デバイス１００と同じ構成を有する。したがって、ここでは、導電体の形状及び触媒の形成位置についてのみ説明する。
【００４１】
本実施の形態では、導電体の表面が、図５に示すような複数の凹凸が設けられた形状を有している。この場合、溝部は、複数の凹部が互いに連結して気体が流れる方向に繋がることによって、形成されている。
【００４２】
導電体をこのような形状とする場合、触媒は、突起状の凸部の先端部分に配置することが好ましい。触媒をそのような位置に設けることにより、実施の形態１及び２の水素生成デバイスと比較して触媒の使用量をさらに低減でき、高価な触媒を用いた際にもコストの面で有利となる。さらに、突起状の凸部の先端部分に触媒を設けると、発生した気体による触媒の被覆をより確実に低減できるので、触媒の機能が効率良く発揮されることになる。
【実施例】
【００４３】
（実施例１）
本発明の実施例１として、実施の形態１の水素生成デバイス１００と同様の構成を有する水素生成デバイスを作製した。筐体は、光電極側の面のみをパイレックス（登録商標）ガラスで形成し、その他の部分はアクリル樹脂で形成した。
【００４４】
光電極の光半導体にはＴｉＯ2を用いた。光半導体を担持する金属材料として、Ｔｉ板を用いた。まず、光半導体を担持する金属材料として、５０ｍｍ×５０ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍのＴｉ板を準備し、このＴｉ金属板の一方の面にスパッタリングにて厚さ１５０ｎｍのＴｉＯ2膜を成膜して、光電極を形成した。
【００４５】
厚さ０．５ｍｍのＴｉ板にコルゲート凹凸加工を施して、図１及び図３に示すようなコルゲート形状を有する５０ｍｍ×５０ｍｍ角の導電体を作製した。コルゲート凹凸加工は、コルゲート形状の谷部と山部との高さの差（溝部の深さ）が１ｍｍ、互いに隣接する谷と山との距離が１ｍｍとなるように行った。この導電体において、水素生成デバイスとして組み立てた際に表面となる面に、触媒からなる膜として、厚さ０．１μｍのＰｔ膜をスパッタリングにより成膜した。これにより、コルゲート形状の谷部を利用して溝部が形成され、さらに表面に触媒からなる膜が設けられた導電体を得た。導電体の溝部に相当する部分の裏面を、光電極２のＴｉ板とスポット溶接により接合して、光電極と導電体とを一体化した。導電体の溝部が、水素生成デバイスを設置した状態で下方から上方へと延びるように、光電極及び導電体を筐体内に配置した。
【００４６】
（比較例１）
導電体として、コルゲート凹凸加工が施されていない５０ｍｍ×５０ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍのＴｉ板を用いた以外は、実施例１と同様の構成の水素生成デバイスを作製した。
【００４７】
（実施例２）
実施例１では導電体の表面全体に触媒からなる膜を設けたが、実施例２では、導電体のコルゲート形状の峰に沿って幅０．０１ｍｍのＰｔ線をスポット溶接で接着させた。これ以外は、実施例１と同様の構成の水素生成デバイスを作製した。
【００４８】
＜光照射による水分解実験＞
実施例１，２及び比較例１の水素生成デバイスについて、それぞれ、光照射による水分解実験を行った。筐体の導入口から水を導入して筐体内部を水で満たし、光電極に対向する側から、水素生成デバイスに対して人工太陽照明（セリック株式会社製、ＸＣ−１００Ｂ）を３０ｃｍ遠方より照射した。全ての水素生成デバイスについて、光電極の表面に酸素の気泡が、導電体の表面に水素の気泡が付着している様子が観察された。このとき、目視にて確認したところ、気泡の大きさはいずれも直径１００μｍ程度から１ｍｍ程度であった。
【００４９】
実施例１の水素生成デバイスでは、導電体の表面に付着した水素の気泡が、導電体の溝部を伝わって上方へと移動する様子が観察された。同様に、実施例２の水素生成デバイスでも、導電体の表面に付着した水素の気泡が、導電体の溝部を伝わって上方へと移動する様子が観察された。
【００５０】
一方、比較例１の水素生成デバイスでは、開始１０分ほどで水素の気泡が導電体の表面を被覆し、表面に付着した気泡が導電体の表面上に滞在している様子が観察された。
【００５１】
光照射１０分後、すなわち、発生する水素で導電体の表面における水素の被覆が定常になった後、各水素生成デバイスについて、発生する水素ガス量を、ガスクロマトグラフィーを用いて算出した。実施例１の場合は０．３４ｍｌ／ｈ（量子効率２．６％）であり、比較例１の場合は０．２１ｍｌ／ｈ（量子効率１．７％）であった。実施例１の水素ガス量は比較例１の１．６２倍であり、導電体の表面積の増加分１．４１倍を超えていた。これにより、導電体に溝部を設けることで水素発生効率が向上するという、本発明の効果が実証された。また、実施例２の場合は０．３０ｍｌ／ｈ（量子効率２．３％）で、比較例１の１．４３倍であり、同様に本発明の効果が実証された。
【００５２】
実施例１と実施例２とを比較すると、実施例２は実施例１よりも水素ガス量が少なかった。しかし、実施例２ではＰｔ量が実施例１と比較して大幅に少ないことを考慮すると、実施例２のように導電体の溝部以外の一部に触媒を設ける構成の場合は、触媒が効率良く機能することが実証された。この結果から、特に導電体から水素を発生させる際、触媒としてふさわしい、水素発生過電圧の低い触媒が一般に貴金属であることから、導電体の一部にのみ触媒を設けた方が、コストの面から有利であるといえる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の水素生成デバイスは、光の照射による水素生成効率が高く、燃料電池への水素供給用のデバイスとして利用できるので、家庭用の発電システムにも利用できる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液体を保持可能で、少なくとも一部が光を透過可能である筐体と、
前記筐体の内部に保持された、水を含む電解液と、
前記筐体の内部に配置され、前記電解液と接する第１の面を有し、前記筐体を透過した光が照射されることによって前記水を分解して気体を発生する光電極と、
前記筐体の内部において、前記光電極に対して前記第１の面と反対側の第２の面側の領域に配置され、前記電解液と接する面を有し、前記光電極と電気的に接続された導電体と、
を備えており、
前記導電体には、前記電解液と接する前記面に、発生した前記気体が流れる方向に沿って延びる溝部が設けられており、
前記導電体において、前記溝部以外の領域のみに、前記導電体における水素生成効率又は酸素生成効率を高めるための触媒が設けられている、
水素生成デバイス。
【請求項２】
前記溝部は、発生した前記気体が流れる方向に沿って直線状に延びる形状を有する、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項３】
前記導電体がコルゲート形状を有し、前記溝部は前記コルゲート形状の谷部によって形成されている、
請求項２に記載の水素生成デバイス。
【請求項４】
前記導電体には、前記電解液と接する前記面に複数の凹部が設けられており、
前記溝部は、前記複数の凹部が互いに連結することによって形成されている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項５】
前記導電体が金属によって形成されている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項６】
前記導電体が、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ又はＡｌによって形成されている、
請求項５に記載の水素生成デバイス。
【請求項７】
前記溝部の深さが１００μｍ以上２ｃｍ以下である、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項８】
前記触媒は、前記導電体において前記溝部以外の領域のうち最も高い位置にのみ設けられている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項９】
前記触媒が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選ばれる少なくともいずれか１つを含む、
請求項８に記載の水素生成デバイス。
【請求項１０】
前記導電体において、前記溝部以外の領域に突起が設けられている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【請求項１１】
前記突起上に触媒が設けられている、
請求項１０に記載の水素生成デバイス。
【請求項１２】
前記溝部に疎水性コーティングが施されている、
請求項１に記載の水素生成デバイス。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
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