(57)【要約】【課題】安価、且つ、耐久性高く、光エネルギーを利用して水素と酸素を生成する。【解決手段】太陽光エネルギーを利用して水を電気分解することにより酸素を生成する光触媒部１１と、光触媒部１１における電気分解反応の対極反応を生じさせることにより水素を生成する水素発生触媒１２とを備え、光触媒部１１と水素発生触媒１２は多孔質導電体１２を介して連結されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エネルギーを利用して水を電気分解することにより水素又は酸素の一方の気体を生成する光エネルギー変換部と、
前記エネルギー変換部における電気分解反応の対極反応を生じさせることにより水素又は酸素の他方の気体を生成する対極反応部と、
少なくとも一部が多孔質導電体により形成され、前記光エネルギー変換部と前記対極反応部とを連結する連結部と
を備えることを特徴とする光水電解装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光水電解装置であって、
前記対極反応部の鉛直上方に設けられ、前記対極反応部において発生した気体を貯留する気体貯留部を備えることを特徴とする光水電解装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光水電解装置であって、
前記気体貯留部は前記光エネルギー変換部及び前記連結部を介して光水電解装置の背面側に設けられていることを特徴とする光水電解装置。
【請求項４】
請求項２に記載の光水電解装置であって、
光水電解装置は、凹凸形状を有する平板により構成され、凹部は上面に光触媒を担持した多孔質導電体により構成され、凸部には前記気体貯留部が形成されていることを特徴とする光水電解装置。
【請求項５】
請求項４に記載の光水電解装置であって、
前記凸部の側面には光を光触媒側に反射する反射鏡が配設されていることを特徴とする光水電解装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の光水電解装置であって、
前記凸部の上面には光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池が配設されていることを特徴とする光水電解装置。
【請求項７】
請求項２から請求項６のうち、いずれか１項に記載の光水電解装置であって、
前記気体貯留部は水平方向に対して傾斜角を有することを特徴とする光水電解装置。
【請求項８】
請求項２から請求項６のうち、いずれか１項に記載の光水電解装置であって、
前記気体貯留部は水平に配設されていることを特徴とする光水電解装置。
【請求項９】
請求項２から請求項７のうち、いずれか１項に記載の光水電解装置であって、
前記対極反応部は、前記気体貯留部の中心軸方向に配設された、水素又は酸素の他方の気体を発生する触媒部であることを特徴とする光水電解装置。
【請求項１０】
請求項２から請求項７のうち、いずれか１項に記載の光水電解装置であって、
前記対極反応部は、前記気体貯留部の壁面に配設された、水素又は酸素の他方の気体を発生する触媒部であることを特徴とする光水電解装置。
【請求項１１】
請求項２から請求項１０のうち、いずれか１項に記載の光水電解装置であって、
前記気体貯留部に貯留された気体量を検出する検出部と、
前記検出部により検出された気体量に応じて前記気体貯留部に貯留された気体を外部に排出する排出部と
を備えることを特徴とする光水電解装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光水電解装置であって、
前記検出部は、前記気体貯留部内の水面位置と気体貯留部の上部壁面との間の距離に基づいて気体量を検出することを特徴とする光水電解装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の光水電解装置であって、
前記検出部は、前記気体貯留部内に貯留されている気体によって生じる光水電解装置に対する浮力の大きさに基づいて気体量を検出することを特徴とする光水電解装置。
【請求項１４】
請求項１１乃至請求項１３のうち、いずれか１項に記載の光水電解装置であって、
前記排出部は、前記気体貯留部内の水面が前記触媒部の上端部よりも高い位置になるように気体量を調整することを特徴とする光水電解装置。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４のうち、いずれか１項に記載の光水電解装置であって、
前記光エネルギー変換部と前記対極反応部間の導通経路に電圧を印加する電圧印加部を備えることを特徴とする光水電解装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光水電解装置であって、
前記電圧印加部は、外部電源であることを特徴とする光水電解装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の光水電解装置であって、
前記電圧印加部は、電池であることを特徴とする光水電解装置。
【請求項１８】
請求項１５に記載の光水電解装置であって、
前記電圧印加部は太陽電池であることを特徴とする光水電解装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光水電解装置であって、
前記太陽電池は前記凸部の上面に配設された太陽電池であることを特徴とする光水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光エネルギーを利用して水を電気分解することにより水素と酸素を生成する光水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化チタン（ＴｉＯ２）に代表される光触媒は、光エネルギーを吸収することにより電子と正孔（ホール）を生成し、この電子と正孔によって様々な化学反応を引き起こす。特に二酸化チタンの場合には、価電子帯のエネルギー準位が他の光触媒と比較して深い位置にあるために、光エネルギーを吸収することにより生成される正孔が有する酸化力は塩素やオゾンの酸化力にも勝るとされている。
【０００３】
ところで近年、このような光触媒を利用して水を電気分解することにより水素と酸素を生成する光水電解装置が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。具体的には、この装置は、水中に分散させた光触媒粉末に太陽光を照射することにより、光触媒の価電子帯に存在する電子を伝導帯に励起し、価電子帯に正孔を生成する。そして、この装置は、価電子帯に生成された正孔によって水を酸化することにより酸素を生成するのと同時に、伝導帯に励起された電子によって水中のプロトンを還元することにより水素を生成する。
【０００４】
しかしながら、従来の光水電解装置では、水素と酸素の取出口が一つになっているために、電気分解反応によって生成された水素と酸素が混合してしまい、水素と酸素をエネルギーとして有効利用するためには、水素と酸素を別途分離する必要があった。また、従来の光水電解装置では、水素と酸素が同じ系内で発生するために、電気分解反応の逆反応が生じることによって、エネルギー効率（水素のエンタルピー／太陽光エネルギー量）が非常に低くなってしまう。
【０００５】
このような背景から、最近では、垂直に配列された光触媒電極とその対極とをイオン交換膜又は塩橋で仕切ると共に、白金薄膜を介して光触媒電極とその対極を導通させた光水電解装置が開発されている（例えば、特許文献２を参照）。具体的には、この装置は、水槽の透過窓を通じて水平方向から入射した太陽光を光触媒電極に当てることにより、光触媒の価電子帯に存在する電子を伝導帯に励起し、価電子帯に正孔を生成する。そして、この装置では、価電子帯に生成された正孔は、水と光触媒界面に形成されるショットキー障壁によって生じた界面準位の傾き（電位差）によって光触媒と水の界面へと移動し、酸素を生成する。
【０００６】
一方、伝導帯に励起された電子は、白金薄膜中を伝導して対極に移動する。また、光触媒で発生したプロトンは、ナフィオン等のパーフルオロスルホン酸系のポリマーから成るイオン交換膜を介して対極側の水貯留部へ輸送される。そして、対極に移動してきた電子とプロトンは水貯留部と白金薄膜の界面に塗布されている白金等の水素発生触媒によって反応し、水素が生成される。そして、このような光水電解装置によれば、水素と酸素は白金薄膜及びイオン交換膜によって仕切られた２つの水電解槽においてそれぞれ発生するために、水素と酸素を分離する必要がなく、逆反応によるエネルギー効率低下の恐れが無くなる。
【特許文献１】特開平１０−２１８６０１号公報
【特許文献２】特開２００１−２１３６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の光水電解装置においてイオン交換膜として用いられているパーフルオロスルホン酸系のポリマーは、高価であり、且つ、耐久性に問題がある。また、従来の光水電解装置は、上述の通り、水平方向から入射された光を利用する構成になっているために、光エネルギーとして太陽光エネルギーを利用する場合には、太陽光の入射方向を鉛直方向から水平方向に変換する光学系が必要になり、貯留池等の大面積での設置（大規模化）には適さない。なお、このような問題を解決するために、光水電解装置本体を水平方向に傾ける方法も考えられるが、この方法を用いた場合には、電気分解によって発生した水素が滞留し、水素の収集が困難になる。さらに、水素が速やかに収集，除去されない場合には、ルシャトリエの法則から反応速度が小さくなるために、エネルギー変換効率が下がってしまう。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、安価、且つ、耐久性高く、光エネルギーを利用して水素と酸素を生成することが可能な光水電解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る光水電解装置は、光エネルギーを利用して水を電気分解することにより水素又は酸素の一方の気体を生成する光エネルギー変換部と、エネルギー変換部における電気分解反応の対極反応を生じさせることにより水素又は酸素の他方の気体を生成する対極反応部と、少なくとも一部が多孔質導電体により形成され、光エネルギー変換部と対極反応部とを連結する連結部を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る光水電解装置によれば、高価、且つ、耐久性に難があるイオン交換膜ではなく、少なくとも一部が多孔質導電体により形成された連結部によって光エネルギー変換部と対極反応部が連結されているので、安価、且つ、耐久性高く、光エネルギーを利用して水素と酸素を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の第１乃至第３の実施形態となる光水電解システムの構成について説明する。
【実施例１】
【００１２】
〔光水電解システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる光水電解システムは、図１に示すように、電気分解の対象となる水を貯留する水貯留槽１と、水貯留槽１内部に設けられ、太陽光エネルギーを利用して水貯留槽１内に蓄えられた水を電気分解することにより水素と酸素を生成する光水電解装置２と、光水電解装置２の内部に設けられ、電気分解反応によって生成された水素を貯留する複数の水素貯留部３と、水素貯留部３毎に設置され、水素貯留部３内の水位を検出することにより水素貯留部３内に貯留されている水素量を検出する複数の超音波式の水位センサ４と、水素配管５を介して水素貯留部３内に貯留された水素をコンプレッサ７に供給する複数の水素ポンプ６と、水素ポンプ６から供給された水素を吐出するコンプレッサ７と、水位センサ４の検出結果に基づいて水素ポンプ６とコンプレッサ７の動作を制御するコントローラ８とを主な構成要素として備える。
【００１３】
〔光水電解装置の構成〕
上記光水電解装置２は、図２に示すように凹凸形状を有し、凹部表面が水貯留槽１内の水面より低い位置になる（水で覆われる）ように水貯留槽１内部に配置されている。また、凹部表面には、図２，３に示すように、鉛直上方から入射した太陽光（入射光）を利用して価電子帯にある電子を励起し、水との界面において以下の反応式（１）に示す反応を生じさせることにより酸素を発生する光触媒部１１が設けられている。ここで、光触媒部１１としては、価電子帯準位が酸素の酸化還元準位（1.23V vs. NHE）よりも低い半導体、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２），酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３），酸化ニオビウム（Ｎｂ２Ｏ５），チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３），チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３），酸化亜鉛（ＺｒＯ），二酸化スズ（ＳｎＯ２），又は硫化カドミウム（ＣｄＳ），ＩｎＴａＯ４，Ｉｎ１−ｘＮｉｘＴａＯ４，Ｒｂ２Ｌａ２Ｔｉ３Ｏ１０，Ｔａ２Ｏ５，ＴａＯＮ，Ｔａ３Ｎ５を例示することができる。なお、本実施形態では、光触媒部１１としてＴｉＯ２を用いる。
【００１４】
２Ｈ２０→４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−            …（１）
また、凹部は、図２，４に示すように、多孔質導電体１２によって形成され、この多孔質導電体１２は、光触媒部１１において発生した電子を後述する水素発生部基材１６に伝導する経路の役割と、多孔質を介して下面の水との間でイオン交換を行うイオン交換体の役割とを兼ねている。ここで、多孔質導電体１２としては、光触媒部１１を全面に担持することが可能で、且つ、光触媒部１１と水素発生部基材１６とを電気的に導通させることができ、且つ、水中のプロトンが光触媒部１１から水素発生部基材１６に移動する通路となる孔が形成されているものであれば、どのような材料であっても構わない。但し、長時間の使用、すなわち耐久性を考えると、金属チタン（Ｔｉ）やＳＵＳ等の腐蝕に強い材料を用いることが望ましい。また、多孔質導電体１２の孔径は、ある程度のイオン伝導が可能な大きさであればよいが、数十μｍ程度の大きさを有することが望ましい。なお、本実施形態では、多孔質導電体１２として金属チタンを用いる。
【００１５】
一方、凸部表面には、図２，３に示すように、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池１３が形成され、また、凸部の側面には、図２に示すように、斜め方向から入射した太陽光を反射して光触媒部１１に太陽光を導く反射鏡１４が形成されている。また、凸部の下面には、図２，４に示すように溝が形成され、この溝は上述の水素貯留部３として機能する。また、溝の上面には、溝内部の水面方向に向けて超音波を発振する超音波発振部４ａと水面において反射された超音波を受信することにより溝の上面と水面との間の距離（水位）を計測する超音波受信部４ｂとから成る上述の水位センサ４が設けられている。
【００１６】
また、溝内部の水中には、図２，４に示すように、光触媒部１１において発生した電子と多孔質導電体１２と水貯留槽１の水中を伝導してきたプロトンを用いて以下の反応式（２）に示す反応によって水素を発生させる水素発生触媒１５と、外部短絡線１７と水素発生触媒１５とを連通し、反応式（２）において用いられる電子の通り道となる円柱状の水素発生部基材１６が設けられている。なお、上記外部短絡線１７は、図４，５に示すように、多孔質導電体１２と水素貯留部３の壁面３ａ（図４参照）とを太陽電池１３を介して短絡させる。また、水素発生触媒１５としては、水素発生の活性化エネルギーを低減する材料、例えば、白金（Ｐｔ），酸化ルテニウム（ＲｕＯ２），酸化ニッケル（ＮｉＯｘ），酸化セリウム（ＣｅＯ２），その他白金系合金を例示することができる。なお、本実施形態では、水素発生触媒１５としてＰｔを用いる。
【００１７】
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２                  …（２）
そして、このような構成を有する光水電解装置２では、太陽光が光水電解装置２の鉛直上方から入射した場合、光触媒部１１及び太陽電池１３に太陽光が照射され、太陽光エネルギーを利用して水素を発生する。一方、太陽光が光水電解装置２に対して斜め方向から入射した場合には、単位面積あたりの光エネルギー密度は低下するものの、光触媒部１１及び太陽電池１３に太陽光が照射されると共に、反射鏡１４が斜め方向から入射した太陽光を反射して光触媒１１に導き、太陽光エネルギーを利用して水素を発生する。従って、この光水電解装置２によれば、太陽光の入射方向を変換する光学系を用いることなく、照射された太陽光を入射方向に関係なく全て水電解反応に利用し、効率よく水素と酸素を生成することができる。
【００１８】
〔光水電解装置の動作〕
この光水電解装置２では、光触媒部１１に太陽光が照射されると、光触媒部１１の価電子帯と伝導帯のバンドギャップ幅に対応する波長の光が吸収される。ここで、価電子帯と伝導帯のバンドギャップ幅Ｅと光の吸収波長の関係は、ｈ，ｃをそれぞれプランク定数，光速度とすると、Ｅ＝ｈυ，λ＝ｃ／υのように表される。つまり、波長λ以下の光は価電子帯から伝導帯に電子（ｅ−）が励起するためのエネルギーとして用いられる。そして、このようにして励起された電子は、多孔質導電体１２を介して外部短絡線１７に至り、外部短絡線１７上に設置されている太陽電池１３によりバイアス電圧を印加されることによってエネルギー状態が水素の酸化還元準位よりも高くなり、水素発生触媒１５に供給される。また、光触媒部１１の価電子帯にはホール（ｈ）が形成され、上述の反応式（１）の反応によって水を酸化して酸素が生成される。なお、本実施形態では、太陽電池１３によりバイアス電圧を印加したが、外部から電力を供給することにより、安定的に水分解ができるようにしてもよい。また、電池を設け、この電池から電力を供給するようにしてもよい。電池から電力を供給することにより、光水電解装置２を電力網に接続する必要がなくなるので、光水電解装置２の移動が容易になる。
【００１９】
一方、光触媒部１１で発生したプロトンは、濃度勾配を駆動力として水素発生触媒１５に向かって拡散する。そして、プロトンと電子は、水素発生触媒１５上で上述の反応式（２）の反応によって水素となる。なお、反応式（２）に示す反応は、活性化エネルギーが低下する水素発生触媒１５上でしか起こらないために、水素発生触媒１５を設置する場所を決めることで、水素発生箇所を限定することができる。そして、水素発生触媒１５上で発生した水素は浮力によって水素貯留部３（溝）内部に貯留される。なお、水素貯留部３に貯留された水素は、水素ポンプ６及びコンプレッサ７を介して外部に供給されるが、水位センサ４によって水素貯留部３内の水位を常時検出することによって、水位が高すぎることによって水素ポンプ６に水が流入する、及び水位が低すぎることによって水素貯留部３から水素が漏れることを防止できる。
【００２０】
なお、図６に示すように、水素発生部基材１６である円柱の直径をｘ，水素貯留部３の壁面３ａの位置Ｓ１から凹部の中心位置Ｓ２までの距離をｙ，水素貯留部３の中心位置Ｓ３と壁面３ａの位置Ｓ１から水平右方向にｙ／２の距離の位置Ｓ４間の距離をＬと定義し、半径ｘの大きさが距離Ｌに比べて小さいと仮定すると、光触媒部１１で発生したプロトンの移動距離はＬ−ｙ／２〜Ｌ＋ｙ／２の範囲内になる。そして、仮にこの移動距離が長い、つまり距離Ｌが大きいとすると、水中におけるプロトンの移動距離は大きくなり、水電解反応に必要な電圧は大きくなる。またこの結果、広いバンドキャップ幅を有する光触媒が必要になり、装置のエネルギー変換効率が低下してしまう。
【００２１】
しかしながら、逆に距離Ｌの大きさが小さい場合には、光触媒の面積に対する水素貯留部３の占める面積の割合が大きくなり、この結果、太陽光が斜めに入射する際、光触媒にかかる凸部の影の面積が大きくなり、装置面積に対して十分は光を吸収することができない。従って、移動距離Ｌの大きさは水中のプロトン伝導度に応じて決めることが望ましい。そこで以下では、移動距離Ｌの最適値を算出する。なお以下では、簡便のため、光水電解装置２の奥行き方向の長さは単位長さであるとして計算を行う。
【００２２】
いま半径ｘの大きさが移動距離Ｌと比べて十分に小さいと仮定すると、位置Ｓ１と位置Ｓ２間の光触媒部１１において発生するプロトンの伝導パスは、縦の長さａ＝１，横の長さｂ＝Ｌ，高さｃ＝３．１４ｘ／４の長方形で近似できる。従って、この伝導パスを通過するプロトンによって電荷が輸送される場合の抵抗Ｒは溶液中のプロトン伝導度をσとすると、Ｒ＝（１／σ）×（ｂ／（ａ×ｃ））＝４Ｌ／３．１４ｘσと表することができる。そして、位置Ｓ１と位置Ｓ２間の光触媒部１１で発生する光電流密度をｉとすると、このプロトン伝導に起因する電圧低下をΔＶ以下にするためには以下の条件式（３）を満たす必要がある。
【００２３】
ΔＶ＞ｉ×ｙ×Ｒ＝４ｉｙＬ／３．１４ｘσ    …（３）
そして、仮に電圧低下量ΔＶを０．５［Ｖ］，水素発生部３の直径ｘを０．１［ｃｍ］，プロトン伝導度σを０．０５［Ｓ／ｃｍ］，光電流値ｉを１００［μＡ／ｃｍ２］とすると、Ｌとｙは以下の条件式（４）を満たす必要がある。また、水素貯留部３の幅（２Ｌ−ｙ）の値はどこまでも小さくしてもよいというわけではなく、少なくとも水素発生部３の直径ｘより大きくなければならないため以下の条件式（５）が導かれる。
【００２４】
Ｌｙ＞１９．６２    …（４）
２Ｌ−ｙ＞０．１⇔ｙ＜２Ｌ−０．１        …（５）
従って、上記条件式（４），（５）を満たすＬ，ｙの値の範囲は図７の斜線部のように表される。但し、ｙの値は溝の数をなるべく少なくするためと、高価な太陽電池の設置面積を小さくするために、できるだけ大きい方が好ましい。つまり、ｙの値は図７の点Ａに位置にあることが好ましく、その時のｙの値は６．２２［ｃｍ］、Ｌの値は３．１６［ｃｍ］になる。この値から考えると、光水電解装置２の凸部の幅は０．１［ｃｍ］、凹部の幅は１２．４［ｃｍ］となる。なお、上記の値はΔＶ，ｘ，ｉ，σの値を適当な値に固定した場合の最適値であり、これらの条件の変動によって変化するものである。しかし、これらの条件の変動幅を考えると、Ｌ，ｙの値はそれぞれ５０，１００［ｃｍ］以下に設定されることが好ましく、より好ましくは５，１０［ｃｍ］以下であることが望ましい。
【００２５】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、太陽光エネルギーを利用して水を電気分解することにより酸素を生成する光触媒部１１と、光触媒部１１における電気分解反応の対極反応を生じさせることにより水素を生成する水素発生触媒１５とは、高価、且つ、耐久性に難があるイオン交換膜ではなく、多孔質導電体１２により連結されているので、安価、且つ、耐久性高く、太陽光エネルギーを利用して水素と酸素を生成することができる。
【００２６】
また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、水素発生触媒１５の鉛直上方には気体貯留部３が設けられ、水素発生触媒１５において発生した水素は気体貯留部３内に貯留されるので、水素を効率よく収集すると共に、水素発生触媒１５近傍から水素を速やかに除去することができる。また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、光水電解装置２は、凹凸形状を有する平板により構成され、凹部は上面に光触媒部１１を担持した多孔質導電体１２により構成され、凸部には気体貯留部３が形成されているので、光触媒部１１を常に水面付近に固定し、太陽光エネルギーの利用効率を上げることができる。
【００２７】
また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、凸部の側面には光を光触媒部１１側に反射する反射鏡１４が配設されているので、太陽光が斜め方向から入射する場合であっても、太陽光を効率よく利用することができる。また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、凸部の上面には光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池１３が配設されているので、太陽光エネルギーの利用効率を上げることができる。また、光触媒部１１が設定されてない部分を有効活用することができる。
【００２８】
また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、水素貯留部３は水平に配設されているので、光水電解装置２を水平方向に広げて配置し、大面積化が容易になる。また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、水素発生触媒１５は、水素貯留部３の中心軸方向に配設されているので、水素発生触媒１５において発生した水素を確実に水素貯留部３内に貯留することができる。
【００２９】
また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、水位センサ４によって水素貯留部３内の水面位置と水素貯留部３の上部壁面との間の距離を検出することにより水素貯留部３内に貯留されている水素量を検出し、検出された水素量に応じて水素貯留部３に貯留された水素を外部に排出するので、水素が水素貯留部３から漏れることを防止できる。また、水素量を確実に検出することができる。
【００３０】
また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、水素貯留部３内の水面が水素発生触媒１５の上端部よりも高い位置になるように、水素貯留部３内に貯留されている水素量を調整するので、水素発生触媒１５と水面の接触面積を常に最大にし、水素の発生効率を上げることができる。
【００３１】
また、本発明の第１の実施形態となる光水電解システムによれば、光触媒部１１と水素発生触媒１５間の導通経路に電圧を印加するので、水の電気分解に十分でないバンドキャップ幅を有する半導体も光触媒部１１として利用することができる。また、太陽電池１３の電圧を印加するので、光水電解装置２を電力網に接続する必要がなく、光水電解装置２を容易に移動することができる。
【実施例２】
【００３２】
〔光水電解システムの構成〕
本発明の第２の実施形態となる光水電解システムでは、図８，９に示すように、水素貯留部３の内壁部分３ａと水素発生部基材１６が内部短絡線２１によって連通されている。このような構成によれば、図１０に示すように、ＺｎＯ２，ＫＴａＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＴｉＯ２，ＺｎＳ，ＣｄＳ，ＳｉＣ等の伝導帯のエネルギー準位がＨ＋／Ｈ２の酸化還元電位よりも高く、価電子帯のエネルギー準位がＯ２／Ｈ２Ｏの酸化還元電位よりも低いバンド構造を有する光触媒の場合には、水電解にバイアスをかける必要がなくなるため、換言すれば、太陽電池１３を経由する必要がなくなるために、太陽電池１３で発電された電気エネルギーを装置の運転に必要な水素ポンプ６等の補機用の電力に用いることができる。
【実施例３】
【００３３】
〔光水電解システムの構成〕
本発明の第３の実施形態となる光水電解システムでは、図１１に示すように、光電解装置２は、多孔質導電体１２と、多孔質導電体１２の上面全体に形成された光触媒部１１とを備え、多孔質導電体１２の下面には、水素貯留部３として機能する溝が形成されている。また、水素貯留部３の壁面の下部部分には、水素発生触媒１５が塗布され、水素貯留部３の上部には、超音波発振部４ａと超音波受信部４ｂとから成る水位センサ４が設けられている。
【００３４】
〔光水電解装置の動作〕
上記第１及び第２の実施形態となる光水電解装置２では、光触媒のバンドキャップが水電解に十分な幅を有していない場合、外部電力網，電池，太陽電池等から電気エネルギーを供給し、バイアス電位を印加する必要がある。しかしながら、この第３の実施形態となる光水電解装置２では、上面全面が光触媒部１１により覆われているために、電力供給源となる太陽電池を設けるためのスペースが存在しない。そこで、この実施形態では以下のように水素を効率的に生成する。
【００３５】
光触媒部１１で発生したプロトンと電子はそれぞれ、多孔質導電体１２中の水と多孔質導電体１２を通って水素貯留部３壁面の水素発生触媒１５に達し、水素を発生する。発生した水素は、浮力によって水素貯留部３の上部へと移動し、貯留される。この際、水位センサ４を介して水素貯留部３の最上面と水面との間の距離Ｄをモニタする。そして、水素貯留部３の最上部から水素発生触媒１５の最上面までの鉛直方向の距離をＤ０とすると、水素貯留部３の最上面と水面との間の距離Ｄが距離Ｄ０となった時点で、ｄＤ／ｄｔ＞０になるまで水素ボンベ６の吐出量を増加させ、水素発生触媒１５が常に水と接するように調整する。
【００３６】
以上の説明から明らかなように、本発明の第３の実施形態となる光水電解システムによれば、水素発生触媒１５は光触媒部１１及び多孔質導電体１２を介して背面側に設けられているので、光触媒部１１を水面全体に設置し、太陽光エネルギーの利用効率を上げることができる。
【００３７】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記実施形態では、水位センサ４を用いることにより水素貯留部３内に貯留された水素量を測定したが、水素貯留部３に貯留されている水素によって光水電解装置２に掛かる浮力や光水電解装置２の重量を測定することにより水素量を測定するようにしてもよい。このような構成によれば、水素量の検出部材の構成を簡易なものにすることができる。また、水位センサ４として超音波式の水位センサを利用したが、水圧を利用して水位を検出する差圧型水位センサを用いて水位を検出してもよいし、水素貯留部３内に設置されたフロートを利用して水位を検出してもよい。また、上記実施形態では、水平面に光水電解装置２を形成したが、傾斜角を有する平面に光水電解装置２を形成するようにしてもよい。このような構成によれば、水素が自然に水素貯留部３の上方に集まるようになるために、水素ポンプ６等の気体収集装置が不要になり、装置構成を簡便にすることができる。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態となる光水電解システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態となる光水電解装置の構成を示す横方向断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態となる光水電解装置の構成を示す上面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態となる光水電解装置の構成を示す下面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態となる光水電解装置の動作を説明するためのエネルギー準位図である。
【図６】本発明の第１の実施形態となる光水電解装置の寸法を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施形態となる光水電解装置の凹部及び凸部の寸法を説明するための図である。
【図８】本発明の第２の実施形態となる光水電解装置の構成を示す横方向断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態となる光水電解装置の構成を示す下面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態となる光水電解装置の動作を説明するためのエネルギー準位図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態となる光水電解装置の構成を示す横方向断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１：水貯留槽
２：光水電解装置
３：水素貯留部
４：水位センサ
５：水素配管
６：水素ポンプ
７：コンプレッサ
８：コントローラ
１１：光触媒部
１２：多孔質導電体
１３：太陽電池
１４：反射鏡
１５：水素発生触媒
１６：水素発生部基材
【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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