(57)【要約】【課題】水素生成の効率および水素の純度を向上する水素を生成するための方法、およびその方法に用いられる水素生成装置を提供する。【解決手段】本発明では、第１溶存気体除去部（１５ａ）が設けられる。まず、第１溶存気体除去部（１５ａ）において、液体（９）に含有されている溶存気体を液体（９）から除去する。次いで、第１溶存気体除去部（１５ａ）において溶存気体を除去された液体（９）を筺体（１）の内部に供給する。液体（９）に含有されるプロトンをカソード（７）上で還元して水素を生成させる。【選択図】図１
2015206085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を生成するための方法であって、以下の工程を具備する：
水素生成セル（１１０）および第１溶存気体除去部（１５ａ）を具備する水素生成装置（１００）を用意する工程（ａ）、ここで、
前記水素生成セル（１１０）は、
筺体（１）、
前記筺体（１）の内部を第１室（３）および第２室（４）に分割するセパレータ（２）、
前記第１室（３）に配置されたカソード（７、対極＝陰極）、
前記第２室（４）に配置されたアノード（６、作用極＝陽極）、および
前記アノード（６）を前記カソード（７）に電気的に接続する配線（８）、
を具備し、
工程（ａ）の後に、前記第１溶存気体除去部（１５ａ）において、液体（９）に含有されている溶存気体を前記液体（９）から除去する工程（ｂ）、ここで、
前記液体は、電解質水溶液または水であり、
工程（ｂ）の後に、前記第１溶存気体除去部（１５ａ）において前記溶存気体を除去された前記液体（９）を前記筺体（１）の内部に供給する工程（ｃ）、ここで、
前記カソード（７）は、前記第１室（３）に供給された前記液体（９）に接し、かつ
前記アノード（６）は、前記第２室（４）に供給された前記液体（９）に接し、
工程（ｃ）の後に、前記液体（９）に含有されるプロトンをカソード（７）上で還元して水素を生成させる工程（ｄ）。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１溶存気体除去部（１５ａ）は、
減圧ポンプ（１５Ｐ）、および
密閉可能なケース（１５１）を具備し、かつ
前記工程（ｂ）は、
前記液体（９）を、前記ケース（１５１）の内部に供給する第１サブ工程（ｂ１）
前記ケース（１５１）を密閉する第２サブ工程（ｂ２）、および
前記減圧ポンプ（１５Ｐ）を用いて、前記ケース（１５１）の内部の圧力を低下させて、ケース（１５１）の内部に供給された前記液体（９）から、前記液体（９）に含有されている前記溶存気体を除去する第３サブ工程（ｂ３）
を含む。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、第１配管（１４ａ）を具備し、
前記筺体（１）は、前記第１溶存気体除去部（１５ａ）に前記第１配管（１４ａ）を介して接続されており、かつ
工程（ｃ）において、前記溶存気体を除去された前記液体（９）は、前記第１配管（１４ａ）を介して前記第１室（３）に供給される。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、前記液体（９）を貯蔵可能な第１液体貯蔵部（１３ａ）を具備し、かつ
前記方法は、工程（ｂ）の前に、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）から前記第１溶存気体除去部（１５ａ）に前記液体（９）を供給する工程（ａｂ）をさらに具備する。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、第１配管（１４ａ）および第２配管（１４ｂ）を具備し、
前記筺体（１）は、前記第１溶存気体除去部（１５ａ）に前記第１配管（１４ａ）を介して接続されており、
前記第１溶存気体除去部（１５ａ）は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に前記第２配管（１４ｂ）を介して接続されており、
工程（ｃ）において、前記溶存気体を除去された前記液体（９）は、前記第１配管（１４ａ）を介して前記第１室（３）に供給され、かつ
工程（ａｂ）において、前記液体（９）は、前記第２配管（１４ｂ）を介して前記第１液体貯蔵部（１３ａ）から前記第１溶存気体除去部（１５ａ）に供給される。
【請求項６】
請求項４に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、第１液体排出管（１７ａ）を具備し、
前記第１液体排出管（１７ａ）の一端は、前記第１室（３）に接続され、
前記第１液体排出管（１７ａ）の他端は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に接続され、かつ
前記工程（ｃ）において、前記第１室（３）に供給された前記液体（９）の少なくとも一部が、前記第１液体排出管（１７ａ）を通って前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に戻される。
【請求項７】
請求項４に記載の方法であって、
前記工程（ｂ）および前記工程（ｃ）の間に、前記第１溶存気体除去部（１５ａ）において溶存気体が除去された前記液体（９）が、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に戻され、かつ
前記工程（ｃ）において、前記液体（９）は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）から前記筺体（１）の内部に供給される。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、第１配管（１４ａ）および第２配管（１４ｂ）を具備し、
前記筺体（１）は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に前記第１配管（１４ａ）を介して接続されており、
前記第１溶存気体除去部（１５ａ）は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に前記第２配管（１４ｂ）を介して接続されており、
工程（ｃ）において、前記液体（９）は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）から前記第１配管（１４ａ）を介して前記筺体（１）の内部に供給され、かつ
前記工程（ｂ）および前記工程（ｃ）の間に、前記第１溶存気体除去部（１５ａ）において溶存気体が除去された前記液体（９）が、前記第２配管（１４ｂ）を通って前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に戻される。
【請求項９】
請求項７に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、第１液体排出管（１７ａ）を具備し、
前記第１液体排出管（１７ａ）の一端は、前記第１室（３）に接続され、
前記第１液体排出管（１７ａ）の他端は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に接続され、
前記工程（ｃ）において、前記第１室（３）に供給された前記液体（９）の少なくとも一部が、前記第１液体排出管（１７ａ）を通って前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に戻される。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、
前記筺体（１）は、前記第１室（３）に連通する第１排気口（１１）を具備し、かつ
前記方法は、前記工程（ｄ）の後に、工程（ｄ）において生成した水素を、前記第１排気口（１１）を介して前記第１室（３）から排出する工程（ｅ）をさらに具備する。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、水素流路管（１９）および水素貯蔵部（２０）を具備し、
前記水素流路管（１９）は、前記第１排気口（１１）を前記水素貯蔵部（２０）に接続しており、かつ
前記工程（ｅ）において、水素は、前記水素流路管（１９）を通って前記水素貯蔵部（２０）に回収される。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、
前記筺体（１）は、前記第２室（４）に連通する第２排気口（１２）を具備し、
前記工程（ｄ）において、前記アノード（６）上で酸素が生成し、かつ
前記方法は、前記工程（ｄ）の後に、工程（ｄ）において生成した酸素を、前記第２排気口（１２）を介して前記第２室（４）から排出する工程（ｆ）をさらに具備する。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、酸素流路管（２１）および酸素貯蔵部（２２）を具備し、
前記酸素流路管（２１）は、前記第２排気口（１２）を前記酸素貯蔵部（２２）に接続しており、
前記工程（ｆ）において、酸素は、前記酸素流路管（２１）を通って前記酸素貯蔵部（２２）に供給される。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、第２溶存気体除去部（１５ｂ）をさらに具備し、
前記工程（ｄ）において、前記液体（９）に含まれる水を酸化して前記アノード（６）上で酸素を生成させ、
前記筺体（１）内において、前記第１室（３）に貯留された液体（９）が前記第２室に貯留された液体（９）と混合せず、かつ前記カソード（７）および前記アノード（６）上で発生した水素および酸素が前記筺体（１）内において互いに混合しないように、前記セパレータ（２）は、前記筺体（１）を前記第１室（３）および前記第２室（４）に完全に分離しており、かつ
前記方法は、さらに、
前記第２溶存気体除去部（１５ｂ）において、前記液体（９）に含有されている溶存気体を液体（９）から除去する工程（ｂ２）、および
工程（ｂ２）の後に、前記第２溶存気体除去部（１５ｂ）において前記溶存気体を除去された前記液体（９）を前記第２室（４）に供給する工程（ｃ２）
を具備する。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、前記液体（９）を貯蔵可能な第２液体貯蔵部（１３ｂ）を具備し、かつ
前記方法は、工程（ｂ２）の前に、前記第２液体貯蔵部（１３ｂ）から前記第２溶存気体除去部（１５ｂ）に前記液体（９）を供給する工程（ａｂ２）をさらに具備する。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、第２液体排出管（１７ｂ）を具備し、
前記第２液体排出管（１７ｂ）の一端は、前記第２室（４）に接続され、
前記第２液体排出管（１７ｂ）の他端は、前記第２液体貯蔵部（１３ｂ）に接続され、かつ
前記工程（ｃ）において、前記第２室（４）に供給された前記液体（９）の少なくとも一部が、前記第２液体排出管（１７ｂ）を通って前記第２液体貯蔵部（１３ｂ）に戻される。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、
前記工程（ｂ２）および前記工程（ｃ２）の間に、前記第２溶存気体除去部（１５ｂ）において溶存気体が除去された前記液体（９）が、前記第２液体貯蔵部（１３ｂ）に戻され、かつ
前記工程（ｃ２）において、前記液体（９）は、前記第２液体貯蔵部（１３ｂ）から前記筺体（１）の内部に供給される。
【請求項１８】
水素生成セル（１１０）を具備する水素生成装置（１００）であって、
前記水素生成セル（１１０）は、
筺体（１）、
前記筺体（１）の内部を第１室（３）および第２室（４）に分割するセパレータ（２）、
前記第１室（３）に配置されたカソード（７）、
前記第２室（４）に配置されたアノード（６）、
前記アノード（６）を前記カソード（７）に電気的に接続する配線（８）、および
前記第１室（３）および前記第２室（４）に供給された液体（９）
を具備し、
前記水素生成装置（１００）は、さらに、
前記水素生成セル（１１０）に供給される前記液体（９）に含有される溶存気体を除去する第１溶存気体除去部（１５ａ）、および
前記筺体（１）を前記第１溶存気体除去部（１５ａ）に接続する第１配管（１４ａ）
を具備し、
前記液体（９）は、電解質水溶液または水であり、
前記液体（９）に含有されるプロトンをカソード（７）上で還元して水素が生成する、水素生成装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の水素生成装置（１００）であって、
前記第１溶存気体除去部（１５ａ）は、
減圧ポンプ（１５Ｐ）、および
密閉可能なケース（１５１）を具備し、かつ
前記減圧ポンプ（１５Ｐ）を用いて、前記ケース（１５１）の内部の圧力を低下させて、ケース（１５１）の内部に供給された前記液体（９）から、前記液体（９）に含有されている前記溶存気体を除去する、水素生成装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載の水素生成装置（１００）であって、
前記水素生成装置（１００）は、前記液体（９）を貯蔵可能な第１液体貯蔵部（１３ａ）を具備し、かつ
前記第１液体貯蔵部（１３ａ）から前記第１溶存気体除去部（１５ａ）に前記液体（９）が供給される、水素生成装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の水素生成装置（１００）であって、
前記水素生成装置（１００）は、第１配管（１４ａ）および第２配管（１４ｂ）を具備し、
前記筺体（１）は、前記第１溶存気体除去部（１５ａ）に前記第１配管（１４ａ）を介して接続されており、かつ
前記第１溶存気体除去部（１５ａ）は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に前記第２配管（１４ｂ）を介して接続されている。
【請求項２２】
請求項２０に記載の水素生成装置（１００）であって、
前記水素生成装置（１００）は、第１液体排出管（１７ａ）を具備し、
前記第１液体排出管（１７ａ）の一端は、前記第１室（３）に接続され、
前記第１液体排出管（１７ａ）の他端は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に接続され、かつ
前記第１室（３）に供給された前記液体（９）の少なくとも一部が、前記第１液体排出管（１７ａ）を通って前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に戻される、水素生成装置。
【請求項２３】
請求項２０に記載の水素生成装置（１００）であって、
前記水素生成装置（１００）は、第１配管（１４ａ）および第２配管（１４ｂ）を具備し、
前記筺体（１）は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に前記第１配管（１４ａ）を介して接続されており、
前記第１溶存気体除去部（１５ａ）は、前記第１液体貯蔵部（１３ａ）に前記第２配管（１４ｂ）を介して接続されている、水素生成装置。
【請求項２４】
請求項２０に記載の方法であって、
前記水素生成装置（１００）は、第２溶存気体除去部（１５ｂ）をさらに具備し、
前記液体（９）に含まれる水が酸化されて前記アノード（６）上で酸素が生成され、
前記筺体（１）内において、前記第１室（３）に貯留された液体（９）が前記第２室に貯留された液体（９）と混合せず、かつ前記カソード（７）および前記アノード（６）上で発生した水素および酸素が前記筺体（１）内において互いに混合しないように、前記セパレータ（２）は、前記筺体（１）を前記第１室（３）および前記第２室（４）に完全に分離しており、かつ
前記第２溶存気体除去部（１５ｂ）において、前記液体（９）に含有されている溶存気体が液体（９）から除去される、水素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を生成するための方法、およびその方法に用いられる水素生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、光により電解質を水素へ開裂するための光電気化学システムを開示している。この光電気化学システムは、電気的に接続された第１および第２のセルを備える光電気化学装置と、および、システムを通じて電解質を循環するための手段とを備え、第１のセルは、電解質と接触している時、光を吸収して、プロトンを発生するよう動作可能な光活性電極を含み、第２のセルは、光を吸収し、第１のセルが発生したプロトンを水素に還元するのを駆動するための電圧バイアスを発生するよう動作可能であり、水素は、電解質内に浸漬された第２の電極で発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００５／１１３８５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、水素生成の効率および水素の純度を向上する水素を生成するための方法、およびその方法に用いられる水素生成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、水素を生成するための方法であって、以下の工程を具備する：
水素生成セル（１１０）および第１溶存気体除去部（１５ａ）を具備する水素生成装置（１００）を用意する工程（ａ）、ここで、
前記水素生成セル（１１０）は、
筺体（１）、
前記筺体（１）の内部を第１室（３）および第２室（４）に分割するセパレータ（２）、
前記第１室（３）に配置されたカソード（７、対極＝陰極）、
前記第２室（４）に配置されたアノード（６、作用極＝陽極）、および
前記アノード（６）を前記カソード（７）に電気的に接続する配線（８）、
を具備し、
工程（ａ）の後に、前記第１溶存気体除去部（１５ａ）において、液体（９）に含有されている溶存気体を前記液体（９）から除去する工程（ｂ）、ここで、
前記液体は、電解質水溶液または水であり、
工程（ｂ）の後に、前記第１溶存気体除去部（１５ａ）において前記溶存気体を除去された前記液体（９）を前記筺体（１）の内部に供給する工程（ｃ）、ここで、
前記カソード（７）は、前記第１室（３）に供給された前記液体（９）に接し、かつ
前記アノード（６）は、前記第２室（４）に供給された前記液体（９）に接し、
工程（ｃ）の後に、前記液体（９）に含有されるプロトンをカソード（７）上で還元して水素を生成させる工程（ｄ）。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、水素生成の効率および水素の純度を向上する水素生成装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１実施形態に係る水素生成装置１００の概略図を示す。
【図２】図２は、望ましい第１溶存気体除去部１５ａの概略図を示す。
【図３】図３は、水素流路管１９および水素貯蔵部２０を具備する水素生成装置１００の概略図を示す。
【図４】図４は、第２実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。
【図５】図５は、第３実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。
【図６】図６は、第４実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。
【図７】図７は、第４実施形態における第１溶存気体除去部１５ａの概略図を示す。
【図８】図８は、第５実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。
【図９】図９は、第６実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。
【図１０】図１０は、第７実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。
【図１１】図１１は、第１実施形態〜第７実施形態による水素生成装置１００のいずれか１つを用いたエネルギーシステム４００の概略図を示す。
【図１２】図１２は、実施例において用いられた水素生成装置５００の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態が、図面を参照しながら詳細に説明される。
【０００９】
（水素生成装置１００）
図１は、第１実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。水素生成装置１００は、水素生成セル１１０および第１溶存気体除去部１５ａを具備している。
【００１０】
（水素生成セル１１０）
水素生成セル１１０は、筺体１、セパレータ２、対極７、作用極６、および配線８を具備している。後述されるように、電解質水溶液のような液体９が筺体１に貯留される。
【００１１】
（筺体１）
筺体１は、透光性部分１１１を有する。後述されるように、透光性部分１１１を通った光３０が筺体１の内部に照射される。望ましくは、筺体１は、直方体の形状を有する。透光性部分１１１は、絶縁性、液体９に対する耐腐食性、可視光領域およびその周辺の波長を有する光の透過性を有する材料から形成される。具体的には、透光性部分１１１の材料の例は、ガラスまたは樹脂である。透光性部分１１１を除く部分の筺体１の材料は、絶縁性および液体９に対する耐腐食性を有する限り、限定されない。透光性部分１１１を除く部分の筺体１の材料は、遮光性であり得る。具体的には、透光性部分１１１を除く部分の筺体１の材料の例は、ガラス、樹脂、または金属である。金属が用いられる場合、その表面は、絶縁性および耐腐食性を有する膜で被覆されることが望ましい。
【００１２】
（セパレータ２）
セパレータ２は、筺体１の内部を、第１室３および第２室４に分割する。セパレータ２は板状であり得る。望ましくは、板状のセパレータ２は、透光性部分１１１に平行である。イオンが、第１室３に貯留された液体９および第２室４に貯留された液体９の間で、セパレータ２を通って移動し得る。しかし、セパレータ２は、液体９に含有される水素および酸素のような溶存気体が、第１室３に貯留された液体９および第２室４に貯留された液体９の間で移動することを阻害する。このように、セパレータ２は、液体９に含有されるイオンのような電解質を透過させ、かつ、液体９に含有される溶存気体の透過を抑制する機能を有する。セパレータ２の材料の例は、高分子固体電解質のような固体電解質である。高分子固体電解質の例は、ナフィオンのようなイオン交換膜である。
【００１３】
水素生成セル１１０の使用時には、図１に示されるように、液体９が筺体１に貯留される。具体的には、液体９は、第１室３および第２室４に貯留される。
【００１４】
（作用極６）
作用極６は、第２室４に配置されている。作用極６は、導電性基板６１および光半導体電極層６２を具備する。光半導体電極層６２は、導電性基板６１上に形成されており、かつ導電性基板６１およびセパレータ２の間に挟まれている。
【００１５】
（導電性基板６１）
導電性基板６１の例は、導電性を有する基板、または導電性を有する層を表面に有する基板である。具体的には、導電性基板６１の例は、白金板、酸化インジウムスズ層を表面に有するガラス板、またはフッ素ドープ酸化スズ層を表面に有するガラス板である。
【００１６】
（光半導体電極層６２）
光半導体電極層６２は、ｎ型半導体またはｐ型半導体から形成される。光半導体電極層６２がｎ型半導体によって形成されている場合、酸素および水素が、それぞれ、光半導体電極層６２および対極７上で生成する。言い換えれば、光半導体電極層６２がｎ型半導体によって形成されている場合、作用極６および対極７は、それぞれ、アノードおよびカソードとして機能する。一方、光半導体電極層６２がｐ型半導体によって形成されている場合、水素および酸素が、それぞれ、光半導体電極層６２および対極７上で生成する。言い換えれば、光半導体電極層６２がｐ型半導体によって形成されている場合、作用極６および対極７は、それぞれ、カソードおよびアノードとして機能する。
【００１７】
光半導体電極層６２上では、光照射によって電子が励起して水を分解し得る。そのため、光半導体電極層６２は、０ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以下の伝導帯のバンドエッジ準位を有し、かつ、１．２３ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上の価電子帯のバンドエッジ準位を有する半導体によって形成されることが望ましい。例えば、光半導体電極層６２は、−０．１ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）の伝導帯のバンドエッジ準位を有し、かつ、１．２４ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）の価電子帯のバンドエッジ準位を有する。水素イオンの標準還元電位は、０ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）であり、かつ水の標準酸化電位は１．２３ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）であることに留意せよ。
【００１８】
光半導体電極層６２に用いられる半導体の例は、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、またはゲルマニウムの酸化物、酸窒化物、または窒化物である。２種類以上の金属が用いられ得る。例えば、ＩｎＧａＮのような複合窒化物が用いられ得る。半導体には、アルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオンが添加され得る。
【００１９】
光半導体電極層６２は、積層構造を有し得る。積層構造は、０ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以下の伝導帯のバンドエッジ準位を有する材料から形成される第１層、および１．２３ｅＶ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上の価電子帯のバンドエッジ準位を有する材料から形成される第２層を含む。第１層は、第２層に接する。具体的には、光半導体電極層６２は、ＷＯ3／Ｓｉ積層膜である。それぞれ第１層および第２層として機能するＷＯ3膜およびＳｉ膜の間には、インジウムスズ酸化物膜が挟まれる。
【００２０】
（対極７）
対極７は、第１室３に配置されている。対極７は、導電性を有する材料から形成される。光半導体電極層６２がｎ型半導体である場合には、対極７は、水素生成反応に活性な材料から形成される。光半導体電極層６２がｐ型半導体である場合には、対極７は、酸素生成反応に活性な材料から形成される。対極７の材料の例は、カーボンまたは貴金属である。カーボンまたは貴金属は、水を電気分解するための電極として一般的に用いられる。具体的には、対極７の材料の例は、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、またはニッケルである。
【００２１】
対極７は、セパレータ２と接し得る。これに代えて、対極７は、セパレータ２から離間していてもよい。
【００２２】
（配線８）
配線８は、作用極７を対極６に電気的に接続している。配線８としては、一般的な金属導線が用いられ得る。
【００２３】
（液体９）
液体９は、電解質水溶液または水である。電解質水溶液が望ましい。電解質水溶液は、酸性、中性、または塩基性であり得る。電解質水溶液に含有される電解質の例は、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、または水酸化ナトリウムである。
【００２４】
（第１溶存気体除去部１５ａ）
図２は、望ましい第１溶存気体除去部１５ａの概略図を示す。望ましい第１溶存気体除去部１５ａは、減圧ポンプ１５Ｐおよび密閉可能なケース１５１を具備する。図２に示されるように、ケース１５１には、第１配管１４ａおよび第２配管１４ｂが接続されている。密閉可能なケース１５１には、バルブ３０ａ〜３０ｄが設けられている。第１バルブ３０ａは、ケース１５１を減圧ポンプ１５Ｐに接続する配管に設けられている。第２バルブ３０ｂは、第１配管１４ａに設けられている。第３バルブ３０ｃは、第２配管１４ｂに設けられている。
【００２５】
ケース１５１は、液体９に対する耐腐食性および絶縁性を有する材料から形成される。後述されるように、ケース１５１の内部は減圧される。ケース１５１は、減圧に耐えられる機械的強度を必要とする。具体的には、ケース１５１の材料は、ガラス、樹脂、または金属である。金属が用いられる場合、その表面は、絶縁性および耐腐食性を有する膜で被覆されることが望ましい。
【００２６】
（水素生成装置１００の動作）
次に、水素生成装置１００の動作が説明される。
【００２７】
まず、液体９が、ケース１５１の内部に供給される。このようにして、ケース１５１ａの内部の下部に、液体９が貯留される。ケース１５１の内部の上部には、空気が存在している。
【００２８】
次に、ケース１５１が密閉される。具体的には、第２バルブ３０ｂおよび第３バルブ３０ｃが閉じられる。第１バルブ３０ａは開いたままである。
【００２９】
減圧ポンプ１５Ｐを用いて、ケース１５１の内部の圧力が低下され、液体９に含有されている溶存気体を除去する。このようにして、第１溶存気体除去部１５ａにおいて、液体９に含有されている溶存気体が除去される。最後に、第２バルブ３０ｂおよび第３バルブ３０ｃが開かれる。
【００３０】
次いで、第１溶存気体除去部１５ａにおいて溶存気体を除去された液体９は、筺体１の内部に供給される。このようにして、液体９は、第１室３および第２室４に貯留される。そのため、対極７は、第１室３に供給された液体９に接する。同様に、作用極６は、第２室４に供給された液体９に接する。
【００３１】
最後に、カソードおよびアノードの間に電圧を印加するか、またはアノードに光を照射することによって、カソード上で水素を生成させる。望ましくは、アノードに光を照射することによって、カソード上で水素を生成させる。言い換えれば、望ましくは、光半導体電極層６２はｎ型半導体から形成される。具体的には、透光性部分１１１を介して、アノードとして機能する作用極６に光を照射することが望ましい。このようにして、光半導体電極層６２に光が照射され、カソードとして機能する対極７上で水素を生成させることが望ましい。
【００３２】
より具体的には、水素生成セル１１０では、透光性部分１１１および第２室４に貯留している液体９を透過した光が、光半導体電極層６２に入射する。光半導体電極層６２が光の少なくとも一部を吸収し、電子が光半導体電極層６２上で光励起する。この現象が、光半導体電極層６２の伝導帯および価電子帯に、それぞれ電子および正孔を生じさせる。光半導体電極層６２は液体９に接触しているので、光半導体電極層６２および液体９の間の界面の近くでは、バンドベンディングが生じる。生じた正孔は、バンドベンディングに沿って、光半導体電極層６２および液体９の間の界面に移動する。言い換えれば、正孔は、光半導体電極層６２の表面に移動する。以下の反応式（Ｉ）に示されるように、光半導体電極層６２の表面で、正孔が水分子を酸化し、酸素を生成する。一方、電子は導電性基板６１に移動する。さらに、電子は、配線８を通って対極７に移動する。対極７および液体９の間の界面に到達した電子は、以下の反応式（ＩＩ）に示されるように、対極７の表面でプロトンを還元し、水素を生成する。
（化１）
４ｈ+＋２Ｈ2Ｏ  →  Ｏ2↑＋４Ｈ+      （Ｉ）
ここで、ｈ+は正孔を表す。
（化２）
４ｅ-＋４Ｈ+  →  ２Ｈ2↑      （ＩＩ）
対極７の表面で発生した水素の気泡は、第１室３に貯留された液体９中で浮上し(ascent)、液体９の液面上に達する。このようにして、水素が生成される。
【００３３】
第１実施形態は、液体９に含有される溶存気体の除去によって特徴づけられる。
【００３４】
液体９に含有される溶存気体は、水素生成装置において以下の２つの問題を引き起こす。
【００３５】
第１の問題は、水素生成効率の低下である。水素生成装置では、液体９内に浸漬されたアノードの表面で水素の気泡が発生する。しかし、水素の気泡の近くに酸素の気泡が存在する場合、逆反応が容易に生じて、生成した水素を水分子に戻す原因となる。言い換えれば、液体９に酸素（例えば、溶存空気由来の酸素）が存在すると、生成された水素が水分子に戻る逆反応が促進される。その結果、照射した光量に対して生成される水素の比率が低下する。
【００３６】
第２の問題は、生成した水素の純度の低下である。液体９に含有される溶存気体の一部は気泡として液体９の中で浮上し、生成された水素とともに回収される。その結果、回収された水素には、溶存気体が不純物として混入する。そのため、例えば、水素ステーション(hydrogen station)のような、９９．９９％以上の高い水素純度が要求される用途に水素が使用される場合、回収した水素から混入した不純物気体を除去することが必要とされる。これは、水素製造のためのコストを高くする。
【００３７】
第１実施形態では、液体９に含有される溶存気体が除去される。
【００３８】
そのため、第１の問題、すなわち、水素生成効率の低下については、第１実施形態では、アノードの表面の近くに酸素の気泡は存在しなくなるため、水素は、酸素と反応することが妨げられる。言い換えれば、水素および酸素が反応して水が生成される逆反応が防止される。したがって、第１実施形態では水素生成効率が向上する。
【００３９】
第２の問題、すなわち、生成した水素の純度の低下については、第１実施形態では、溶存気体が存在しないので、生成した水素の純度は向上される。さらに、不純物を除去することは不要であるため、水素製造のためのコストが下がる。
【００４０】
（第１液体貯蔵部１３ａ）
図１に示されるように、水素生成装置１００は、第１液体貯蔵部１３ａを具備し得る。第１液体貯蔵部１３ａには液体９が蓄えられている。水素生成セル１１０は、第１注入口１０ａを下部に具備している。第１注入口１０ａは、第１室３および第２室４に連通している。水の分解による水素および酸素の生成が進行するとともに、水素生成セル１１０に貯留された液体９の量が減少する。液体９を補充するため、第１液体貯蔵部１３ａから第１溶存気体除去部１５ａに液体９が供給される。第１溶存気体除去部１５ａにおいて溶存気体が除去された後、液体９は第１注入口１０ａを介して水素生成セル１１０に供給される。このようにして、第１室３および第２室４における液体９の液面は一定の位置に維持され得る。水素生成セル１１０が使用開始される前に、第１液体貯蔵部１３ａから第１溶存気体除去部１５ａを通って液体９が水素生成セル１１０に供給され得る。第１液体貯蔵部１３ａは、外部から液体９が供給される機構を有する。液体９が電解液水溶液である場合、このような機構により、水素生成装置１００内に含まれる液体９の濃度が一定に保たれるように、外部から液体９が供給されることが望ましい。
【００４１】
図１に示されるように、水素生成セル１１０は、第１排気口１１および第２排気口１２を上部に具備している。第１排気口１１は、第１室３に連通している。第２排気口１２は、第２室４に連通している。第１室３において生成した水素は、第１排気口１１を通って排出される。同様に、第２室４において生成した酸素は、第２排気口１２を通って排出される。第１排気口１１から液体９が流出しないように、第１排気口１１は、第１室３に貯留される液体９の液面よりも高い位置に設けられる。同様に、第２排気口１２から液体９が流出しないように、第２排気口１２は、第２室４に貯留される液体９の液面よりも高い位置に設けられる。
【００４２】
（水素貯蔵部２０）
図３に示されるように、水素生成装置１００は、水素流路管１９および水素貯蔵部２０を、上部に具備し得る。水素流路管１９は、第１排気口１１を水素貯蔵部２０に接続している。言い換えれば、水素流路管１９は、第１排気口１１および水素貯蔵部２０の間に挟まれている。第１室３から排出された水素は、水素流路管１９を通って水素貯蔵部２０に回収される。水素貯蔵部２０の例は、水素ボンベである。
【００４３】
（酸素貯蔵部２２）
水素生成装置１００はまた、酸素流路管２１および酸素貯蔵部２２を具備し得る。酸素流路管２１は、第２排気口１２を酸素貯蔵部２２に接続している。言い換えれば、酸素流路管２１は、第２排気口１２および酸素貯蔵部２２の間に挟まれている。第２室４から排出された水素は、酸素流路管２１を通って、酸素貯蔵部２２に回収される。酸素貯蔵部２２の例は、酸素ボンベである。
【００４４】
水素流路管１９、水素貯蔵部２０、酸素流路管２１、および酸素貯蔵部２２の材料は、液体９に対する耐腐食性および絶縁性を有することが望ましい。具体的には、ガラス、樹脂、または金属が用いられ得る。金属が用いられる場合、その表面は、絶縁性および耐腐食性を有する膜で被覆されることが望ましい。
【００４５】
（その他）
水素生成装置１００は、第１配管１４ａを有し得る。第１配管１４ａは、水素生成セル１１０および第１溶存気体除去部１５ａの間に設けられる。言い換えれば、第１配管１４ａが、水素生成セル１１０を第１溶存気体除去部１５ａに接続している。第１溶存気体除去部１５ａにおいて溶存酸素を除去された液体９は、第１配管１４ａを通って水素生成セル１１０に供給される。
【００４６】
同様に、水素生成装置１００は、第２配管１４ｂを有し得る。第２配管１４ｂは、第１溶存気体除去部１５ａおよび第１液体貯蔵部１３ａの間に設けられる。言い換えれば、第１配管１４ｂが、第１溶存気体除去部１５ａを第１液体貯蔵部１３ａに接続している。液体９は、第１液体貯蔵部１３ａから第２配管１４ｂを通って第１溶存気体除去部１５ａに供給される。
【００４７】
第１注入口１０ａ、第１液体貯蔵部１３ａ、第１配管１４ａ、第２配管１４ｂ、および第３配管１４ｃの材料は、液体９に対する耐腐食性および絶縁性を有することが望ましい。具体的には、ガラス、樹脂、または金属が用いられ得る。金属が用いられる場合、その表面は、絶縁性および耐腐食性を有する膜で被覆されることが望ましい。
【００４８】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。第２実施形態による水素生成装置１００は、第１液体排出口１６ａおよび第１液体排出管１７ａが追加されていることを除き、第１実施形態による水素生成装置１００と同様である。第２実施形態による水素生成セル１１０は、その上部に、第１液体排出口１６ａを有する。第１液体排出管１７ａは、第１液体排出口１６ａを第１液体貯蔵部１３ａに接続している。言い換えれば、第１液体排出管１７ａは、第１液体排出口１６ａおよび第１液体貯蔵部１３ａの間に挟まれている。
【００４９】
第１液体貯蔵部１３ａから第１溶存気体除去部１５ａを通って水素生成セル１１０に液体９が供給されながら、水素生成セル１１０から溢れる液体９は、第１液体排出管１７ａを通って第１液体貯蔵部１３ａに戻される。このようにして、液体９は、水素生成装置１００内を循環し得る。これに代えて、第１液体排出管１７ａは第１液体貯蔵部１３ａに接続されず、液体９は第１液体排出管１７ａを通って水素生成装置１００の外部に廃棄され得る。しかし、望ましくは、液体９は、水素生成装置１内を循環し得る。水素生成セル１１０に貯留された液体９の液面は、一定の高さに維持される。さらに、液体９が水素生成装置１００内を循環し得るため、作用極６および対極７の表面上に液体流が形成され得る。これにより、カソードおよびアノードの表面で発生された水素の気泡および酸素の気泡が速やかに上昇する。そのため、水素および酸素の生成効率が向上する。
【００５０】
言うまでもなく、水素生成セル１１０に貯留される液体９の液面は、第１液体排出口１６ａと同じ高さを有する。第１排気口１１が、第１液体排出口１６ａよりも高い位置に設けられていることは明らかであろう。第１液体排出口１６ａおよび第１液体排出管１７ａの材料は、液体９に対する耐腐食性および絶縁性を有することが望ましい。具体的には、ガラス、樹脂、または金属が用いられ得る。金属が用いられる場合、その表面は、絶縁性および耐腐食性を有する膜で被覆されることが望ましい。
【００５１】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。第３実施形態による水素生成装置１００では、第１配管１４ａは、第１液体貯蔵部１３ａを水素生成セル１１０に接続している。第２配管１４ｂは、第１液体貯蔵部１３ａを第１溶存気体除去部１５ａに接続している。
【００５２】
図５では、液体９は、第１液体貯蔵部１３ａから第１溶存気体除去部１５ａに供給される。第１溶存気体除去部１５ａにおいて、液体９に含有される溶存気体が除去される。次いで、溶存気体が除去される液体９は、第１溶存気体除去部１５ａから第１液体貯蔵部１３ａに戻される。その後、液体９は、第１液体貯蔵部１３ａから水素生成セル１１０の内部に供給される。最後に、液体９は、第１液体排出管１７ａを通って第１液体貯蔵部１３ａに戻される。このように、第１液体貯蔵部１３ａ、第１室３、および第１液体排出管１７ａの順で、液体９は水素生成装置１００内で循環する。言い換えれば、第１実施形態とは異なり、第１配管１４ａ、第１室３、および第１液体排出管１７ａから構成される循環流路は、第１溶存気体除去部１５ａを含まない。
【００５３】
第１実施形態の場合とは異なり、第３実施形態では、液体９に含有される溶存気体を除去することが必要な時だけ、液体９は、第１液体貯蔵部１３ａから第１溶存気体除去部１５ａに供給され得る。
【００５４】
そのため、第３実施形態においては、第１溶存気体除去部１５ａが作動していない場合だけでなく、液体９に含有される溶存気体が第１溶存気体除去部１５ａにおいて除去されている場合でも、第１配管１４ａ、第１室３、および第１液体排出管１７ａから構成される循環流路に液体９が循環され得る。液体９に含有される溶存気体が第１溶存気体除去部１５ａにおいて除去されている場合でも、作用極６および対極７の表面上に液体流が形成され得る。これにより、カソードおよびアノードの表面で発生された水素の気泡および酸素の気泡が速やかに上昇するため、水素および酸素の生成効率が向上する。
【００５５】
（第４実施形態）
図６は、第４実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。第４実施形態による水素生成装置１００は、水素供給管２３を具備する。水素供給管２３の一端は、第１排気口１１と同様、第１室３の上端に接続されている。水素供給管２３の他端は、第１溶存気体除去部１５ａの上部に接続されている。水素供給管２３ａには、ニードルバルブのような水素流量調整装置５０が設けられている。
【００５６】
図７は、第４実施形態による第１溶存気体除去部１５ａの概略図を示す。水素供給管２３は、第４バルブ３０ｄを具備する。水素供給管２３の他端は、第１溶存気体除去部１５ａの上部に接続されているので、第１室３において生成された水素は、第４バルブ３０ｄを通って、ケース１５１の内部の上部を満たし得る。
【００５７】
液体９に含有されている溶存気体を除去するために、減圧ポンプ１５Ｐが用いられる際には、第２バルブ３０ｂ、第３バルブ３０ｃ、および第４バルブ３０ｄが閉じられる。次いで、減圧ポンプ１５Ｐを用いて、ケース１５１の内部の圧力が低下される。第１実施形態の場合と異なり、ケース１５１の内部の上部は水素のみを有する。そのため、ケース１５１の内部の上部を満たす水素が、ケース１５１の内部の下部に貯留された液体９に溶解する場合であっても、第１排気口１１を通って回収される気体に混入される水素以外の不純物の量が減少され得る。このようにして、第１実施形態の場合と比較して、生成される水素の純度がさらに向上される。このようにして、第１溶存気体除去部１５ａにおいて、液体９に含有されている溶存気体が除去される。最後に、第２バルブ３０ｂ、第３バルブ３０ｃ、および第４バルブ３０ｄが開かれる。第１溶存気体除去部１５ａの内部は減圧されているので、水素流量調整装置５０を用いて、ゆっくりと水素が水素供給管２３ａを流れるようにすることが望ましい。急速に水素が水素供給管２３ａを流れた場合、筺体１の内部に含まれる液体９が、減圧されている第１溶存気体除去部１５ａに吸引される。その結果、誤って第１溶存気体除去部１５ａに液体９が供給される。
【００５８】
（第５実施形態）
図８は、第５実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。第５実施形態による水素生成装置１００は、第２溶存気体除去部１５ｂおよび第２液体貯蔵部１３ｂをさらに具備する。
【００５９】
以下、カソード（図８では、対極７）に接する液体９を、アノード（図８では、作用極６）に接する液体９から区別するために、カソード（図８では、対極７）に接する液体９は、第１液体９ａと呼ばれる。アノード（図８では、作用極６）に接する液体９は、第２液体９ｂと呼ばれる。第５実施形態による水素生成セル１１０では、セパレータ２は、水素生成セル１１０を、第１室３および第２室４に完全に分離している。言い換えれば、第１室３に供給される第１液体９ａは、第２室４に供給される第２液体９ｂと混合されない。同様に、第１室３において生成された水素は、第２室４において生成された酸素と混合されない。このように、セパレータ２によって、第１室３および第２室４は、互いに独立している。さらに、第１液体９ａおよび第２液体９ｂは、水素生成装置１００において互いに混合されない。同様に、それぞれ第１室３および第２室において生成された水素および酸素は、水素生成装置１００において互いに混合されない。
【００６０】
第２溶存気体除去部１５ｂは、第１溶存気体除去部１５ａと同じである。同様に、第２液体貯蔵部１３ｂは、第１液体貯蔵部１３ａと同じである。
【００６１】
図８に示されるように、第１液体９ａは、第１液体貯蔵部１３ａ、第１溶存気体除去部１５ａ、第１室３、および第１液体排出管１７ａの順で流れる。第１液体９ａは、水素生成装置１００中を循環する。同様に、第２液体９ｂは、第２液体貯蔵部１３ｂ、第２溶存気体除去部１５ｂ、第２室４、および第２液体排出管１７ｂの順で流れる。第２液体９ｂは、水素生成装置１００中を循環する。
【００６２】
このように、第１液体９ａおよび第２液体９ｂは、水素生成装置１００において互いに混合されないので、第１室３において生成した水素が、第２室４において生成した酸素と混合されない。従って、生成した水素の純度はより向上される。
【００６３】
図８に示されるように、第５実施形態による水素生成装置１００は、第１注入口１０ａおよび第１液体排出口１６ａに対応する第２注入口１０ｂおよび第２液体排出口１６ｂを具備する。第５実施形態による水素生成装置１００は、第３配管１４ｃおよび第４配管１４ｄを具備する。第２室４は、第１溶存気体除去部１５ｂに第３配管１４ｃを介して接続されている。第２溶存気体除去部１５ｂにおいて溶存気体を除去された第２液体９ｂは、第３配管１４ｃを介して第２室４に供給される。第２溶存気体除去部１５ｂは、第２液体貯蔵部１３ｂに第４配管１４ｄを介して接続されている。液体９ｂは、第４配管１４ｄを介して、第２液体貯蔵部１３ｂから第２溶存気体除去部１５ｂに供給される。
【００６４】
（第６実施形態）
図９は、第６実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。図８に示される第５実施形態の場合と同様、第６実施形態による水素生成装置１００は、第２溶存気体除去部１５ｂおよび第２液体貯蔵部１３ｂをさらに具備する。第６実施形態による水素生成装置１００は、以下の事項（Ｉ）および（ＩＩ）を除き、第３実施形態による水素生成装置１００と同じである。
【００６５】
（Ｉ）第１配管１４ａ、第１室３、および第１液体排出管１７ａから構成される循環流路は、第１溶存気体除去部１５ａを含まない。
【００６６】
（ＩＩ）第３配管１４ｃ、第２室４、および第１液体排出管１７ａから構成される循環流路は、第２溶存気体除去部１５ｂを含まない。
【００６７】
第６実施形態による水素生成装置１００は、第２実施形態による水素生成装置１００の効果および第５実施形態による水素生成装置１００の効果を有する。
【００６８】
図９に示されるように、第１液体９ａは、第１液体貯蔵部１３ａ、第１室３、および第１液体排出管１７ａの順で流れる。第１液体９ａは、水素生成装置１００中を循環する。第１液体９ａは、第１液体貯蔵部１３ａから第１溶存気体除去部１５ａに移動され、第１液体９ａに含有される溶存気体を除去する。溶存気体が除去された第１液体９ａは、第１溶存気体除去部１５ａから第１液体貯蔵部１３ａに戻され、次いで第１室３に供給される。
【００６９】
同様に、第２液体９ｂは、第２液体貯蔵部１３ｂ、第２室４、および第２液体排出管１７ｂの順で流れる。第２液体ｂａは、水素生成装置１００中を循環する。第２液体９ｂは、第２液体貯蔵部１３ｂから第２溶存気体除去部１５ｂに移動され、第２液体９ｂに含有される溶存気体を除去する。溶存気体が除去された第２液体は、第２溶存気体除去部１５ｂから第２液体貯蔵部１３ｂに戻され、次いで第２室４に供給される。
【００７０】
図９に示されるように、第６実施形態による水素生成装置１００は、第３配管１４ｃおよび第４配管１４ｄを具備する。第１室３は、第１液体貯蔵部１３ａに第１配管１４ａを介して接続されている。第１溶存気体除去部１５ａは、第１液体貯蔵部１３ａに第２配管１４ｂを介して接続されている。第２室４は、第２液体貯蔵部１３ｂに第３配管１４ｃを介して接続されている。第２溶存気体除去部１５ｂは、第２液体貯蔵部１３ｂに第４配管１４ｄを介して接続されている。
【００７１】
（第７実施形態）
図１０は、第７実施形態による水素生成装置１００の概略図を示す。第７実施形態による水素生成装置１００は、さらに第４実施形態において説明された水素供給管２３を具備する点を除き、第５実施形態による水素生成装置１００と同じである。
【００７２】
第７実施形態による水素生成装置１００は、第４実施形態による水素生成装置１００の効果および第５実施形態による水素生成装置１００の効果を有する。
【００７３】
（エネルギーシステム）
図１１は、第１実施形態〜第７実施形態による水素生成装置１００のいずれかを用いたエネルギーシステム４００の概略図を示す。
【００７４】
エネルギーシステム４００は、燃料電池２５を具備する。第１室３において生成された水素が、水素流路管１９を通って燃料電池２５に供給される。これに代えて、水素貯蔵部２０から水素が燃料電池２５に供給され得る。
【００７５】
第２室４において生成された酸素が、酸素流路管２１を通って燃料電池２５に供給され得る。これに代えて、酸素貯蔵部２２から酸素が燃料電池２５に供給され得る。
【００７６】
燃料電池２５の例は、水素および酸素の反応で発電する一般的な燃料電池である。具体的には、燃料電池２５の例は、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、またはアルカリ電解質形燃料電池である。燃料電池２５において水素および酸素が反応して、電気、熱、および水を生じさせる。
【００７７】
（実施例）
以下の実施例を参照しながら、本発明がより詳細に説明される。
【００７８】
図１２は、実施例において用いられた水素生成装置５００を示す。この水素生成装置５００は、作用極６および対極７を内部に有する筺体１を具備していた。セパレータ２は設けられなかった。
【００７９】
パイレックス（登録商標）ガラスからなる筺体１が採用された。ガラス基板上にスパッタ法により作成されたインジウムスズ酸化物からなる膜を表面に有する導電性基板６１が用意された。導電性基板６１は、５０ミリメートル×５０ミリメートルの大きさを有していた。インジウムスズ酸化物からなる膜上に、アナタース型酸化チタンからなる膜がスパッタ法により形成され、光半導体電極層６２を形成した。光半導体電極層６２は、１５０マイクロメートルの厚みを有していた。光半導体電極層６２は、４０ミリメートル×５０ミリメートルの大きさを有していた。このようにして、導電性基板６１および光半導体電極層６２を含む作用極６が得られた。５０ミリメートル×２ミリメートルの大きさを有する白金箔が、対極７として用いられた。
【００８０】
２．０ｍｏｌ／Ｌの濃度を有する炭酸ナトリウム水溶液が、液体９として筺体１に供給された。次いで、筺体１に貯留された液体９に、作用極６の一部および対極７の一部が浸漬された。筺体１に貯留された液体９に接する部分の作用極６および対極７の長さは、３０ミリメートルであった。筺体１に貯留された液体９に接する部分の対極７の長さも、３０ミリメートルであった。光半導体電極層６２が、透光性部分１１１に向かい合うように配置された。図１２に示されるように、作用極６および対極７は筺体１の長手方向、すなわち深さ方向に平行に配置された。作用極６は、対極７に配線８を介して電気的に接続された。
【００８１】
水素流路管１９を介して、筺体１にガスクロマトグラフ装置２７が接続された。筺体１に酸素を導入するために、酸素ボンベ２９が筺体１に接続された。配線８には、ソースメータ２８が接続され、作用極６および対極７の間にバイアス電圧を印加し、かつ光電流を測定できるようにした。このようにして、図１２に示される水素生成装置５００が得られた。
【００８２】
（実施例１）
実施例１では、まず、筺体１の内部の圧力が低下され、液体９に含有される溶存気体を除去した。次に、液体９が撹拌されながら、３００Ｗキセノンランプを用いて、光半導体電極層６２に光が照射された。同時に、ソースメータ２８を用いて＋１．０Ｖのバイアス電圧が作用極６および対極７の間に印加された。照射の開始から１時間経過した時点で、１２．０ｍＡの光電流が、作用極６および対極７の間に測定された。この１時間の間に、４４３マイクロモルの電子が、作用極６から対極７に流れた。この１時間の間の水素生成量は、２１９マイクロモルであった。
【００８３】
（比較例１）
比較例１では、実施例１の場合と同様、液体９に含有される溶存気体が除去された。次いで、０．２１０７６ＭＰａの圧力を有する酸素が、酸素ボンベ２９から筺体１の内部に供給された。２１０７６Ｐａという酸素の圧力は、大気中の酸素分圧と等しい。このように、酸素を供給し、擬似的空気が液体９に溶存気体として含有されている状態を得た。次いで、液体９は十分に撹拌された。実施例１の場合と同様に、光半導体電極層６２に光が照射され、光電流が測定された。測定された光電流は、１３．４ｍＡであった。この１時間の間に、５１７マイクロモルの電子が、作用極６から対極に流れた。この１時間の間の水素生成量は、１８４マイクロモルであった。
【００８４】
比較例１で測定された光電流は、実施例１で測定された光電流よりも大きかった。しかし、比較例１で得られた水素生成量は、実施例１で得られた水素生成量よりも小さかった。これは、光照射より励起電子が生じ、かつ対極７の表面上で生成した水の還元反応を介して水素を生成されることによって光電流が測定されたが、その後、生成された水素が、溶存酸素と逆反応して水に戻ったことを意味する。
【００８５】
以上の通り、液体９に含有される溶存気体の除去は、水素生成の効率を向上させる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明による水素生成装置は、燃料電池のための水素供給源として用いられ得る。
【符号の説明】
【００８７】
１００  水素生成装置
１１０  水素生成セル
１  筺体
２  セパレータ
３  第１室
４  第２室
６  作用極
６１  導電性基板
６２  光半導体電極層
７  対極
８  配線
９  液体
９ａ  第１液体
９ｂ  第２液体
１０ａ  第１注入口
１０ｂ  第２注入口
１１  第１排気口
１２  第２排気口
１１１  透光性部分
１３ａ  第１液体貯蔵部
１３ｂ  第２液体貯蔵部
１４ａ  第１配管
１４ｂ  第２配管
１４ｃ  第３配管
１４ｄ  第４配管
１５ａ  第１溶存気体除去部
１５ｂ  第２溶存気体除去部
１５Ｐ  減圧ポンプ
１５１  ケース
３０ａ  第１バルブ
３０ｂ  第２バルブ
３０ｃ  第３バルブ
３０ｄ  第４バルブ
１６ａ  第１液体排出口
１６ｂ  第２液体排出口
１７ａ  第１液体排出管
１７ｂ  第１液体排出管
１９  水素流路管
２０  水素貯蔵部
２１  酸素流路管
２２  酸素貯蔵部
２３  水素供給管
２５  燃料電池
２７  ガスクロマトグラフ装置
２８  ソースメータ
２９  酸素ボンベ
３０  光
４００  エネルギーシステム
【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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【外国語明細書】
2015206085000001.pdf