(57)【要約】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直列に接続して、生成した水素と酸素の混合、電極表面への気泡付着による分極および電解液の水圧の課題を、同時に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。水素生成デバイスは、かかるデバイスを構成する複数の水素生成セル間の電解液流路を、水素生成側と酸素生成側で別個に設ける。また、複数の水素生成セル間では上から下向きに、一方で各水素生成セル内では下から上向きに電解液が流れる電解液流路を形成する。さらに、かかる電解液流路の経路中に、生成気体もしくは大気との接触点を設ける。
2014128813.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、水素側空間および酸素側空間に分けるセパレータと、
前記水素側空間内に配置された対極と、
前記酸素側空間内に配置され、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、
前記水素側空間内および前記酸素側空間内に水を含む電解液と、
前記水素側空間の第一の位置で前記筐体を貫通して、前記水素側空間内に前記電解液を供給する水素側電解液供給孔と、
前記酸素側空間の第二の位置で前記筐体を貫通して、前記酸素側空間内に前記電解液を供給する酸素側電解液供給孔と、
気液導入口が前記水素側空間と接する前記筐体を貫通し、かつ、前記対極の水素発生領域よりも高くかつ前記第一の位置よりも高い位置に配置された水素側気液分岐管と、
気液導入口が前記酸素側空間と接する前記筐体を貫通し、かつ、前記光半導体電極の酸素発生領域よりも高くかつ前記第二の位置よりも高い位置に配置された酸素側気液分岐管と、
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て、接続される複数の前記水素生成セルのうち最も高い位置に配置された前記水素生成セルの前記水素側電解液供給孔に接続する水素側電解液供給管および前記酸素側電解液供給孔に接続する酸素側電解液供給管と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も低い位置に配置されたものを除く各前記水素生成セルの前記水素側気液分岐管の液排出口から延出して、前記水素生成セルの下側に配置された前記水素生成セルの前記水素側電解液供給孔に接続する水素側電解液流通管と、接続される複数の前記水素生成セルのうち最も低い位置に配置されたものを除く各前記水素生成セルの前記酸素側気液分岐管の液排出口から延出して、前記水素生成セルの下側に配置された前記水素生成セルの前記酸素側電解液供給孔に接続する酸素側電解液流通管と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も低い位置に配置された前記水素生成セルの前記水素側気液分岐管の液排出口から延出して、前記電解液貯蔵部に接続する水素側電解液回収管と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も低い位置に配置された前記水素生成セルの前記酸素側気液分岐管の液排出口から延出して、前記電解液貯蔵部に接続する酸素側電解液回収管と、
を備える、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】
透光性を有する面を含む筐体と、
前記筐体内部の空間を、水素側空間および酸素側空間に分けるセパレータと、
前記水素側空間内に配置され、導電性基板上に形成された光半導体電極と、
前記酸素側空間内に配置された対極と、
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、
前記水素側空間内および前記酸素側空間内に水を含む電解液と、
前記水素側空間の第一の位置で前記筐体を貫通して、前記水素側空間内に前記電解液を供給する水素側電解液供給孔と、
前記酸素側空間の第二の位置で前記筐体を貫通して、前記酸素側空間内に前記電解液を供給する酸素側電解液供給孔と、
気液導入口が前記水素側空間と接する前記筐体を貫通し、かつ、前記光半導体電極の水素発生領域よりも高くかつ前記第一の位置よりも高い位置に配置された水素側気液分岐管と、
気液導入口が前記酸素側空間と接する前記筐体を貫通し、かつ、前記対極の酸素発生領域よりも高くかつ前記第二の位置よりも高い位置に配置された酸素側気液分岐管と、
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て、接続される複数の前記水素生成セルのうち最も高い位置に配置された前記水素生成セルの前記水素側電解液供給孔に接続する水素側電解液供給管および前記酸素側電解液供給孔に接続する酸素側電解液供給管と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も低い位置に配置されたものを除く各前記水素生成セルの前記水素側気液分岐管の液排出口から延出して、前記水素生成セルの下側に配置された前記水素生成セルの前記水素側電解液供給孔に接続する水素側電解液流通管と、接続される複数の前記水素生成セルのうち最も低い位置に配置されたものを除く各前記水素生成セルの前記酸素側気液分岐管の液排出口から延出して、前記水素生成セルの下側に配置された前記水素生成セルの前記酸素側電解液供給孔に接続する酸素側電解液流通管と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も低い位置に配置された前記水素生成セルの前記水素側気液分岐管の液排出口から延出して、前記電解液貯蔵部に接続する水素側電解液回収管と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も低い位置に配置された前記水素生成セルの前記酸素側気液分岐管の液排出口から延出して、前記電解液貯蔵部に接続する酸素側電解液回収管と、
を備える、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３】
前記水素生成セルで生成した水素を収集および貯蔵する水素貯蔵部と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も高い位置に配置された前記水素生成セルの前記水素側気液分岐管の気体排出口から延出して、前記水素貯蔵部に接続する水素収集管と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も高い位置に配置されたものを除く各前記水素生成セルの前記水素側気液分岐管の気体排出口から延出して、前記水素生成セルの上側に位置する前記水素生成セルの水素流通管の経路もしくは前記水素収集管の経路に接続する水素流通管と、
をさらに備える、請求項１または２に記載の水素生成デバイス。
【請求項４】
前記電解液貯蔵部が、前記電解液が前記気液分岐管を越えてあふれることの無いように、同時に、前記対極および前記光半導体電極表面に付着した水素および酸素気泡を脱離するのに十分な電解液の流速が確保されるように、電解液供給流量を調整する機能を有する、請求項１から３に記載の水素生成デバイス。
【請求項５】
前記電解液貯蔵部が、間欠的に電解液を供給する機能を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成デバイス。
【請求項６】
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から５のいずれか１項に記載の水素生成デバイス。
【請求項７】
請求項１または２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、
水素側電解液流通管および酸素側電解液流通管をそれぞれ２つの区間に分割したうち、前記水素生成セルの水素側電解液供給孔および酸素側電解液供給孔と接続する区間と、
前記水素側電解液流通管および酸素側電解液流通管をそれぞれ２つの区間に分割したうち、前記水素生成セルの水素側気液分岐管および酸素側気液分岐管と接続する区間と、
水素流通管を２つの区間に分割したうち、前記水素生成セルの水素側気液分岐管と接続する第１の区間と、
前記水素流通管を２つの区間に分割したうち、前記第１の区間内の接続点から分割点までの第２の区間と、
を有し、
各前記分割点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８】
複数の請求項７に記載の水素生成ユニットを配置させ、
そのうち互いに上下の位置関係にある任意の２以上の前記水素生成ユニットの各分割点に設けられた継手を、それぞれ相互に接続させ、
前記電解液貯蔵部と、
前記水素貯蔵部と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も高い位置に配置された前記水素生成ユニットにおいて前記水素側電解液供給孔および前記酸素側電解液供給孔と接続する方の前記水素側電解液流通管および前記酸素側電解液流通管の他端と、前記電解液貯蔵部とを接続する、水素側電解液供給管および酸素側電解液供給管と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も低い位置に配置された前記水素生成ユニットにおいて前記水素側気液分岐管および前記酸素側気液分岐管と接続する方の前記水素側電解液流通管および前記酸素側電解液流通管の他端と、前記電解液貯蔵部とを接続する、水素側電解液回収管および酸素側電解液回収管と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も高い位置に配置された前記水素生成ユニットにおいて前記水素側気液分岐管と接続する方の前記水素流通管の他端と、前記水素貯蔵部とを接続する、水素収集管と、
を備える、水素生成デバイス。
【請求項９】
前記水素生成デバイスと、
燃料電池と、
前記水素生成デバイスを構成する水素貯蔵部から前記燃料電池への水素供給管と、
を備える、請求項１から３、および８のいずれか１項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１０】
前記水素生成セルで生成した酸素を収集および貯蔵する酸素貯蔵部と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も高い位置に配置された前記水素生成セルの前記酸素側気液分岐管の気体排出口から延出して、前記酸素貯蔵部に接続する酸素収集管と、
接続された複数の前記水素生成セルのうち最も高い位置に配置されたものを除く各前記水素生成セルの前記酸素側気液分岐管の気体排出口から延出して、前記水素生成セルの上側に隣接する前記水素生成セルの酸素流通管の経路もしくは前記酸素収集管の経路に接続する酸素流通管と、
前記酸素貯蔵部から前記燃料電池への酸素供給管と、
を、さらに備える、請求項９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。【０００８】
よって、電解液の流れの観点から見ると、各光水電解セルにおいて上流側の流通孔から流入した電解液は、貫通孔を経由して下流側の流通孔から流出する。この光水電解セルが電解液の流れから見て直列に接続することで、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。【０００９】
しかしながら、かかる光水電解装置の場合、各光水電解セルの光触媒電極側の空間は、当該光電解セルに上流側で隣接する光水電解セルの白金対極側の空間と、流通孔を通じて繋がっている。同様に、各光水電解セルの白金対極側の空間は、当該光電解セルに下流側で隣接する光水電解セルの光触媒電極側の空間と、流通孔を通じて繋がっている。【００１０】
このため、各光水電解セルで生成した水素と酸素は、流通孔を介して容易に混合してしまう。また、光触媒電極表面で生成した酸素気泡の一部は、電解液に押し流されて貫通孔を越え、白金対極側の空間に混入し、白金対極表面で生成した水素気泡と混合してしまう。【００１１】
すなわち、かかる光水電解装置では、その構造上、水素と酸素の生成箇所は異なるにもかかわらず、水素と酸素の分離収集を行うことができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−７５０９７号公報
【発明の概要】
【００１３】
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、水素側空間および酸素側空間に分けるセパレータと、水素側空間内に配置された対極と、酸素側空間内に配置され、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、水素側空間内および酸素側空間内に水を含む電解液と、水素側空間底部で筐体を貫通して、水素側空間内に電解液を供給する水素側電解液供給孔と、酸素側空間底部で筐体を貫通して、酸素側空間内に電解液を供給する酸素側電解液供給孔と、気液の導入口が水素側空間と接する筐体を貫通し、かつ、対極の最上部よりも高い位置に配置された水素側気液分岐管と、気液の導入口が酸素側空間と接する筐体を貫通し、かつ、光半導体電極の最上部よりも高い位置に配置された酸素側気液分岐管と、を有する水素生成セルを複数備える。
【００１４】
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て、最も高い位置に配置された水素生成セルの水素側電解液供給孔に接続する水素側電解液供給管および酸素側電解液供給孔に接続する酸素側電解液供給管と、最も低い位置に配置されたものを除く各水素生成セルの水素側気液分岐管の液排出口から延出して、水素生成セルの下側に隣接する水素生成セルの水素側電解液供給孔に接続する水素側電解液流通管と、最も低い位置に配置されたものを除く各水素生成セルの酸素側気液分岐管の液排出口から延出して、水素生成セルの下側に隣接する水素生成セルの酸素側電解液供給孔に接続する酸素側電解液流通管と、最も低い位置に配置された水素生成セルの水素側気液分岐管の液排出口から延出して、電解液貯蔵部に接続する水素側電解液回収管と、最も低い位置に配置された水素生成セルの酸素側気液分岐管の液排出口から延出して、電解液貯蔵部に接続する酸素側電解液回収管と、を備える。
【００１５】
かかる構成により、複数の水素生成セルの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。
【００１６】
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、複数の水素生成セルにおける水素と酸素の分離収集に関す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、電解液を直列流通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】
【００１７】
【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水素側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５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態２に係る水素生成ユニットの構成を示す概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態２に係る水素生成ユニットの別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７】図７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】
【００１８】
（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配置する場合、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。
【００１９】
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、流通孔を介して当該光水電解セルへ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、当該光水電解セルにてあふれた電解液が、流通孔を介して隣接する下流側（位置が低い側）の光水電解セルへ流出することにより行われる。
【００２０】
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光水電解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。
【００２１】
しかしながら、かかる光水電解装置の場合、各光水電解セルにおいて、電解液があふれるのは白金対極側の空間であり、あふれた電解液が流入するのは光触媒電極側の空間である。
【００２２】
言い換えれば、隣接する光水電解セル間において、水素発生側の空間から酸素発生側の空間へ、流通孔を介して電解液が流入する。このとき、電解液だけでなく各光水電解セルで生成した水素と酸素も流通孔を介して移動するため、水素と酸素が混合してしまう。
【００２３】
また、同一光水電解セル内においても、光触媒電極表面で生成した酸素気泡の一部は、電解液に押し流されて貫通孔を越え、白金対極側（水素発生側）の空間に混入してしまう。
【００２４】
すなわち、かかる光水電解装置では、その構造上、水素と酸素の生成箇所は異なるにもかかわらず、水素と酸素の分離収集を行うことができない。
【００２５】
生成した水素と酸素が混合すると、水素利用のためには水素分離膜などの分離機構を追加する必要があり、製造・運用コスト面で課題となる。また、水素と酸素の混合気体は非常に爆発しやすいため、安全面で課題となる。
【００２６】
この水素と酸素の混合という課題を解決するには、異なる高さに配置された複数の光水電解セル間で、白金対極側の空間のみを直列接続する電解液流路と、光触媒電極側の空間のみを直列接続する電解液流路とに分離するという方法が考えられる。
【００２７】
しかしながら、それぞれの空間を単純に直列接続すればよいというわけはない。直列接続の方式によって、以下に記述する別の課題が生じる。
【００２８】
直列接続のひとつの方式として、特許文献１に開示されている光水電解装置において、各光水電解セルの白金対極側の空間からあふれた電解液が、隣接する下流側の光水電解セルの白金対極側の空間へ直接流入し、その電解液面上に落下するような流路を考える。光触媒電極側の空間についても同様とする。これにより、生成した水素と酸素の混合という課題は解決される。
【００２９】
しかし、このような流路においては、空間内の電解液の流入および流出ともに、電解液面近傍もしくはそれより高い位置で起こる。このため、光水電解セル内の電解液の流れは電解液面近傍のみに限られ、電解液に浸漬した白金対極および光触媒電極表面近傍では電解液の流れがほとんど無い。すると、生成した水素および酸素気泡がそれぞれ電極表面に付着した状態が続いて分極が起こり、水素生成効率が低下するという新たな課題が生じる。
【００３０】
直列接続の別の方式として、各光水電解セルの白金対極側の空間の天面と、当該光水電解セルの上側に隣接する光水電解セルの底面とを流通孔で接続し、当該流通孔を介して下側から上側へ電解液を押し流す流路を考える。光触媒電極側の空間についても同様とする。これにより、生成した水素と酸素の混合という課題は解決される。
【００３１】
さらに、白金対極および光触媒電極表面近傍での電解液の流れが生じ、生成した水素および酸素気泡が電解液の流れによって脱離するため、分極による水素生成効率低下という課題も解決される。
【００３２】
しかし、このような流路においては、流通孔を介して全ての光水電解セル内の電解液が繋がった状態となる。すると、ある光水電解セルは、自身よりも高い位置に配置された光水電解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、配置する高さによって各光水電解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、新たな課題となる。
【００３３】
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。
【００３４】
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直列に接続することで、生成した水素と酸素の混合についての課題を解決し、同時に電極表面への気泡付着による分極および電解液の水圧の課題を解決する方法を提供する。
【００３５】
また、水素生成デバイスを実用化するために、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。
【００３６】
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直列に接続された複数の水素生成セルからなる。ここに、電解液供給孔、電解液供給管、気液分岐管、電解液流通管および電解液回収管が、前述した位置に接続されることにより、電解液の流通について次のような機能を有する。
【００３７】
電解液貯蔵部から送出された電解液は、電解液供給管を経由して、まず最も高い位置に配置された水素生成セルの電解液供給孔から筐体内部に供給される。次に、気液分岐管からあふれた電解液は、重力を駆動力として電解液流通管を流れ、下側に隣接する水素生成セルの電解液供給孔から筐体内部に供給される。これを繰り返すことにより、全ての水素生成セルにおける電解液の供給と排出がなされる。最後に、最も低い位置に配置された水素生成セルの気液分岐管からあふれた電解液は、電解液回収管を通って電解液貯蔵部へ回収される。
【００３８】
このような電解液流路を、筐体の水素生成側、酸素生成側のそれぞれに別個に設けることにより、生成した水素と酸素の混合についての課題が解決される。
【００３９】
また、電解液供給孔は筐体底部に、気液分岐管は筐体上部に配置されるため、筐体内部では下から上向きの電解液の流れが生じる。この流れによって、生成した水素および酸素気泡が電解液の流れによって脱離するため、分極による水素生成効率低下という課題も同時に解決される。
【００４０】
さらに、気液分岐管内の少なくとも一部には生成気体が存在するため、高い位置に配置された水素生成セルの電解液水圧は、低い位置に配置された水素生成セルの電解液に伝達されない。したがって、複数の水素生成セル内の電解液が繋がることによって生じる、前述の水圧についての課題も同時に解決される。
【００４１】
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直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。
【００４２】
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。
【００４３】
また、以下の説明は、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ている。よって、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。
【００４４】
（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水素側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。
【００４５】
本実施の形態の水素生成セル１００は、少なくとも照射光３９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３９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で隔てられた水素側空間３および酸素側空間４と、酸素側空間４内において、筐体１の照射光３９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。水素側空間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、水素側空間３内および酸素側空間４内に存在する。
【００４６】
水素生成セル１００に照射される照射光３９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３９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、水素側空間３内の電解液９と酸素側空間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、水素側空間３および酸素側空間４内の電解液９と接する。
【００４７】
水素側電解液供給孔１０は筐体１底部の水素側空間３側を貫通するように、酸素側電解液供給孔１１は筐体１底部の酸素側空間４側を貫通するように、それぞれ設けられる。ここで、水素側電解液供給孔１０および酸素側電解液供給孔１１は、筐体１の底部に設けられるのが望ましいが、水素側空間３および酸素側空間４それぞれの内部で下から上向きの電解液の流れが生じ、対極７および光半導体電極６の表面で生成した水素および酸素気泡が脱離するのであれば、例えば、筐体１の側面下方であっても構わない。
【００４８】
そして、水素側空間３において水素と電解液、酸素側空間４において酸素と電解液を効率よく分岐するため、水素側空間３に水素側気液分岐管１２、酸素側空間４に酸素側気液分岐管１３が設けられる。水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３は、それぞれ横、上および下の三方向に分岐しており、それぞれの分岐先が、気液導入口、気体排出口、液排出口として機能する。水素側気液分岐管１２の横向きの一端（気液導入口）は筐体１のうち水素側空間３側を貫通するように、酸素側気液分岐管１３の横向きの一端（気液導入口）は筐体１のうち酸素側空間４側を貫通するように、それぞれ設けられる。このとき、水素側気液分岐管１２と筐体１の接続点は対極７の最上部よりも高い位置となるように、酸素側気液分岐管１３と筐体１の接続点は光半導体電極６の最上部よりも高い位置となるように、それぞれ配置される。
【００４９】
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。
【００５０】
筐体１の照射光３９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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
水素側空間３および酸素側空間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。
【００５７】
水素側電解液供給孔１０および酸素側電解液供給孔１１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。
【００５８】
水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３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。
【００５９】
次に、水素生成セル１００の動作について、説明する。
【００６０】
水素生成セル１００では、筐体１および酸素側空間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））。
【００６１】
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））。
【００６２】
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、水素側空間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、水素側気液分岐管１２を通じて、水素生成セル１００の外部へ移動する。
【００６３】
一方、光半導体電極６の表面で生成した酸素気泡は、酸素側空間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、酸素側気液分岐管１３を通じて、水素生成セル１００の外部へ移動する。
【００６４】
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、水素側電解液供給孔１０から水素側空間３へ、酸素側電解液供給孔１１から酸素側空間４へ、それぞれ電解液を必要量供給する。また、過剰に電解液を供給して両電極表面近傍に電解液の流れを作ることで、対極７および光半導体電極６の表面に付着した水素および酸素気泡を脱離させることができる。電解液供給によって電解液面が水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３と筐体１の接続点よりも上側にきた場合には、水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３から重力によって自動的に電解液が排出される。
【００６５】
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。
【００６６】
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１４が設けられる。
【００６７】
電解液貯蔵部１４からは水素側電解液供給管１５および酸素側電解液供給管１６が伸び、それぞれの先端は、最も高い位置に配置された水素生成セル３１０の水素側電解液供給孔１０および酸素側電解液供給孔１１にそれぞれ接続する。
【００６８】
最も低い位置に配置されたものを除く各水素生成セル３１０の水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３のうち下向きの一端（液排出口）からは、水素側電解液流通管１７および酸素側電解液流通管１８がそれぞれ伸び、当該水素生成セル３１０の下側に隣接する水素生成セル３１０の水素側電解液供給孔１０および酸素側電解液供給孔１１にそれぞれ接続する。
【００６９】
最も低い位置に配置された水素生成セル３１０の水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３のうち下向きの一端（液排出口）からは、水素側電解液回収管１９および酸素側電解液回収管２０がそれぞれ伸び、電解液貯蔵部１４にそれぞれ接続する。
【００７０】
さらに、複数の水素生成セル３１０で生成した水素を収集および貯蔵するため、水素貯蔵部２１が設けられる。
【００７１】
最も高い位置に配置された水素生成セル３１０の水素側気液分岐管１２のうち上向きの一端（気体排出口）からは、水素収集管２２が伸び、水素貯蔵部２１に接続する。
【００７２】
最も高い位置に配置されたものを除く各水素生成セル３１０の水素側気液分岐管１２のうち上向きの一端（気体排出口）からは、水素流通管２３が伸び、当該水素生成セル３１０の上側に隣接する水素生成セル３１０の水素流通管２３の経路もしくは水素収集管２２の経路に接続する。
【００７３】
電解液貯蔵部１４、水素側電解液供給管１５、酸素側電解液供給管１６、水素側電解液流通管１７、酸素側電解液流通管１８、水素側電解液回収管１９および酸素側電解液回収管２０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。
【００７４】
電解液貯蔵部１４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、必要量の電解液を水素側電解液供給管１５および酸素側電解液供給管１６へ送出する機構、および電解液を水素側電解液回収管１９および酸素側電解液回収管２０から回収する機構が設けられる。
【００７５】
なお、図３においては、電解液貯蔵部１４を最も低い位置に設置した一例を記載したが、水素生成デバイス３００全体で電解液を循環できれば、その設置高さは、適宜決定されればよい。
【００７６】
水素貯蔵部２１、水素収集管２２および水素流通管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。
【００７７】
水素貯蔵部２１は、水素収集管２２から必要量の水素を取り入れて貯蔵する機能を有する。
【００７８】
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。
【００７９】
電解液貯蔵部１４に貯蔵された電解液は、電解液貯蔵部１４が作動することにより、必要量が水素側電解液供給管１５および酸素側電解液供給管１６をそれぞれ通って、まず最も高い位置に配置された水素生成セル３１０の水素側電解液供給孔１０および酸素側電解液供給孔１１から筐体１の水素側空間３および酸素側空間４内部にそれぞれ供給される。次に、水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３からそれぞれ排出された電解液は、重力を駆動力として水素側電解液流通管１７および酸素側電解液流通管１８をそれぞれ流れ、下側に隣接する水素生成セルの水素側電解液供給孔１０および酸素側電解液供給孔１１から筐体内部に供給される。これを繰り返すことにより、全ての水素生成セルにおける電解液の供給と排出がなされる。最後に、最も低い位置に配置された水素生成セルの水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３からあふれた電解液は、水素側電解液回収管１９および酸素側電解液回収管２０をそれぞれ通って電解液貯蔵部１４へ回収される。
【００８０】
このとき、全ての水素生成セル３１０において、電解液が当該水素生成セルの水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３を越えてあふれることの無いように、同時に、対極７および光半導体電極６表面に付着した水素および酸素気泡を脱離するのに十分な電解液流速が確保されるように、電解液貯蔵部１４が電解液供給流量を調整する。
【００８１】
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１４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。
【００８２】
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１４の動作も停止することができる。
【００８３】
光照射によって各水素生成セル３１０で生成し、水素側気液分岐管１２を通じて水素生成セルの外部に移動した水素は、水素流通管２３を流れ、上側に隣接する水素生成セルの水素流通管２３に合流する。これを繰り返すことにより、全ての水素生成セルで生成した水素は水素収集管２２に集まる。水素収集管２２内の水素は、水素貯蔵部２１が作動することによって水素貯蔵部２１内に流入し、貯蔵される。
【００８４】
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直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。
【００８５】
（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および図５Ａ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、図５Ａは、本実施の形態２に係る水素生成ユニットを示す概略図である。
【００８６】
本実施の形態の水素生成デバイス４００は、水素生成セル４１０、水素側電解液流通管１７および酸素側電解液流通管１８、水素流通管２３が一体となった水素生成ユニット４２０を形成する点、継手２４および継手２５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。
【００８７】
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。
【００８８】
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、実施の形態１の水素生成セル１００と同じである。また、各水素生成セル４１０の水素側電解液供給孔１０および酸素側電解液供給孔１１から継手２４（詳細は後述）までの区間の水素側電解液流通管１７および酸素側電解液流通管１８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の水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３から継手２４までの区間の水素側電解液流通管１７および酸素側電解液流通管１８も、水素生成ユニット４２０に含まれる。加えて、各水素生成セル４１０の水素側気液分岐管１２から継手２５までの区間の水素流通管２３も、水素生成ユニット４２０に含まれるとともに、当該区間内の接続点から継手２５までの区間の水素流通管２３も、最も低い位置に配置された水素生成ユニットを除いて、水素生成ユニット４２０に含まれる。
【００８９】
水素生成ユニット４２０には、次のように継手２４および２５が設けられる。
【００９０】
各水素側電解液流通管１７および酸素側電解液流通管１８をそれぞれ２つの区間に分割し、その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がそれぞれ設けられる。分割された２つの区間のうち、各水素生成セル４１０の水素側電解液供給孔１０および酸素側電解液供給孔１１と接続する区間が、当該水素生成セルを含む水素生成ユニット４２０に割り当てられる。残りの区間は、当該水素生成セルの上側に隣接する水素生成セルを含む水素生成ユニット４２０に割り当てられる。
【００９１】
継手２４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。
【００９２】
各水素流通管２３を２つの区間に分割し、その分割された部分の両端には、相互に簡便に接続する継手２５が設けられる。分割された２つの区間のうち、各水素生成セル４１０の水素側気液分岐管１２と接続する区間が、当該水素生成セルを含む水素生成ユニット４２０に割り当てられる。残りの区間は、当該水素生成セルの上側に隣接する水素生成セルを含む水素生成ユニット４２０に割り当てられる。ただし、最も低い位置に配置された水素生成ユニット４２０は、前者の区間のみを有する。
【００９３】
継手２５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となるものであればよい。例えば、ゴム、樹脂、金属等が利用できる。
【００９４】
水素側電解液供給管１５および酸素側電解液供給管１６をそれぞれ２つの区間に分割し、その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がそれぞれ設けられる。分割された２つの区間のうち、最も高い位置に配置された水素生成セル４１０の水素側電解液供給孔１０および酸素側電解液供給孔１１と接続する区間が、当該水素生成セルを含む水素生成ユニット４２０に割り当てられる。残りの区間は、新たに水素側電解液供給管２６および酸素側電解液供給管２７とする。
【００９５】
水素側電解液回収管１９および酸素側電解液回収管２０をそれぞれ２つの区間に分割し、その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がそれぞれ設けられる。分割された２つの区間のうち、最も低い位置に配置された水素生成セル４１０の水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３と接続する区間が、当該水素生成セルを含む水素生成ユニット４２０に割り当てられる。残りの区間は、新たに水素側電解液回収管２８および酸素側電解液回収管２９とする。
【００９６】
水素収集管２２を２つの区間に分割し、その分割された部分の両端には、相互に簡便に接続する継手２５が設けられる。分割された２つの区間のうち、最も高い位置に配置された水素生成セル４１０の水素側気液分岐管１２と接続する区間が、当該水素生成セルを含む水素生成ユニット４２０に割り当てられる。残りの区間は、新たに水素収集管３０とする。
【００９７】
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２４および２５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。
【００９８】
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、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。
【００９９】
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。
【０１００】
また、本実施の形態の水素生成デバイスに用いる水素生成ユニットは、図５Ｂに示す水素生成ユニットのような別の構成としてもよい。図５Ｂは、本実施の形態の別の構成である水素生成ユニット４３０とその一部の内部構造を示す拡大図である。
【０１０１】
水素生成ユニット４３０は、水素生成ユニット４２０における水素側電解液供給孔１０および酸素側電解液供給孔１１、水素側電解液流通管１７および酸素側電解液流通管１８、ならびに、水素側気液分岐管１２および酸素側気液分岐管１３に相当する構成が、あらかじめ一体成型等で、水素生成ユニット４３０の筐体の一部として構成されているものである。さらに、必要に応じて、水素側電解液流通管１７や酸素側電解液流通管１８に相当する構成が、同様に一体成型等で筐体４３１の一部として構成されていてもよい。
【０１０２】
接続孔４２４、４２５は、上下の接触面における水素生成ユニット４３０間で、同じ位置に設けられているため、複数の水素生成ユニット４３０を積み上げるだけで、本実施の形態の水素生成デバイスを構成することができる。
【０１０３】
すなわち、水素生成デバイス４００の場合のように、水素側電解液流通管１７や酸素側電解液流通管１８等を外付けしたりする必要がなくなるため、簡便に本実施の形態の水素生成デバイスを構成することができる。
【０１０４】
ここまで、本発明の実施の形態においては、複数の水素生成セルの全てが、上下に隣接する水素生成セル間において接続される場合を説明したが、本実施の形態は、それらの場合に限られない。例えば、高低差を有して設置された複数の水素生成セルのうち、隣接していないものを含む任意の２以上の水素生成セル（接続される複数の水素生成セル）を、上述の相互の位置関係で接続すれば、本形態の効果は発揮される。
【０１０５】
（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６を用いて説明する。図６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。
【０１０６】
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３３に加えて、水素供給管３１および燃料電池３２が設けられる。
【０１０７】
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３３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、水素供給管３１および燃料電池３２に関係する部分についてのみ説明する。
【０１０８】
水素供給管３１は、一端が水素貯蔵部２１と、他端が燃料電池３２と接続されるように設けられる。
【０１０９】
水素供給管３１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。
【０１１０】
水素貯蔵部２１は、貯蔵した水素のうち必要量を水素供給管３１へ流出する機能を有する。
【０１１１】
燃料電池３２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。
【０１１２】
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３３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、水素供給管３１および燃料電池３２に関係する動作についてのみ説明する。
【０１１３】
水素生成デバイス３３の水素貯蔵部２１に一旦貯蔵された水素は、燃料電池３２の作動状況に応じて、水素貯蔵部２１から水素供給管３１を通って燃料電池３２に供給される。燃料電池３２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３２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３２から排出される。
【０１１４】
以上の構成により、照射光の光エネルギーを水素生成デバイス３３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３２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。
【０１１５】
（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７を用いて説明する。図７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。
【０１１６】
本実施の形態のエネルギーシステム７００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３３、水素供給管３１および燃料電池３２に加えて、酸素貯蔵部３４、酸素収集管３５、酸素流通管３６（図示せず）および酸素供給管３７が設けられる。
【０１１７】
本実施の形態のエネルギーシステム７００のうち、水素生成デバイス３３、水素供給管３１および燃料電池３２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６００と同様であるため、説明を省略する。ここでは、酸素貯蔵部３４、酸素収集管３５、酸素流通管３６および酸素供給管３７に関係する部分についてのみ説明する。
【０１１８】
水素生成デバイス３３で生成した酸素を収集および貯蔵するため、酸素貯蔵部３４が設けられる。
【０１１９】
水素生成デバイス３３を構成するうち最も高い位置に配置された水素生成セルの酸素側気液分岐管１３のうち上向きの一端（気体排出口）からは、酸素収集管３５が伸び、酸素貯蔵部３４に接続する。
【０１２０】
水素生成デバイス３３を構成するうち最も高い位置に配置されたものを除く各水素生成セルの酸素側気液分岐管１３のうち上向きの一端（気体排出口）からは、酸素流通管３６が伸び、当該水素生成セルの上側に隣接する水素生成セルの酸素流通管３６の経路もしくは酸素収集管３５の経路に接続する。
【０１２１】
酸素貯蔵部３４、酸素収集管３５および酸素流通管３６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。
【０１２２】
酸素貯蔵部３４は、酸素収集管３５から必要量の酸素を取り入れて貯蔵する機能を有する。
【０１２３】
酸素供給管３７は、一端が酸素貯蔵部３４と、他端が燃料電池３２と接続されるように設けられる。
【０１２４】
酸素供給管３７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。
【０１２５】
酸素貯蔵部３４は、貯蔵した酸素のうち必要量を酸素供給管３７へ流出する機能を有する。
【０１２６】
また、酸素収集管３５および酸素流通管３６の経路に、実施の形態２の水素生成ユニット４２０と同様の要領で継手３８（図示せず）を設けることにより、酸素収集管３５および酸素流通管３６も含めたユニット化が可能である。継手３８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となるものであればよい。例えば、ゴム、樹脂、金属等が利用できる。
【０１２７】
次に、エネルギーシステム７００の動作について説明する。エネルギーシステム７００の動作のうち、水素生成デバイス３３、水素供給管３１および燃料電池３２については、実施の形態３で示したエネルギーシステム６００と同様であるため、説明を省略する。ここでは、酸素貯蔵部３４、酸素収集管３５、酸素流通管３６および酸素供給管３７に関係する動作についてのみ説明する。
【０１２８】
水素生成デバイス３３の酸素貯蔵部３４に一旦貯蔵された酸素は、燃料電池３２の作動状況に応じて、酸素貯蔵部３４から酸素供給管３７を通って燃料電池３２に供給される。燃料電池３２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３２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３２から排出される。本実施の形態のエネルギーシステム７００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６００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】
【０１２９】
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】
【０１３０】
１，４３１    筐体
２    セパレータ
３    水素側空間
４    酸素側空間
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    水素側電解液供給孔
１１    酸素側電解液供給孔
１２    水素側気液分岐管
１３    酸素側気液分岐管
１４    電解液貯蔵部
１５，２６    水素側電解液供給管
１６，２７    酸素側電解液供給管
１７    水素側電解液流通管
１８    酸素側電解液流通管
１９，２８    水素側電解液回収管
２０，２９    酸素側電解液回収管
２１    水素貯蔵部
２２，３０    水素収集管
２３    水素流通管
２４，２５，３８    継手
３１    水素供給管
３２    燃料電池
３３    水素生成デバイス
３４    酸素貯蔵部
３５    酸素収集管
３６    酸素流通管
３７    酸素供給管
３９    照射光
１００，３１０，４１０    水素生成セル
３００，４００    水素生成デバイス
４２０，４３０    水素生成ユニット
６００，７００    エネルギーシステム
【図１】
2014128813.tif 000003
【図２】
2014128813.tif 000004
【図３】
2014128813.tif 000005
【図４】
2014128813.tif 000006
【図５Ａ】
2014128813.tif 000007
【図５Ｂ】
2014128813.tif 000008
【図６】
2014128813.tif 000009
【図７】
2014128813.tif 000010
【国際調査報告】
2014128813.tif 000011
2014128813.tif 000012
2014128813.tif 000013
2014128813.tif 000014