(57)【要約】【課題】太陽エネルギー−水素変換効率に優れ、単セルの性能が他のセルの性能に影響を及ぼさない水素製造装置を提供する。【解決手段】隔壁８を介して対向配置され、原水Ｗを収容する電解室１，２と、各電解室１，２に設けられた電極板１０とを備える電解槽３と、太陽電池１３ａ，１３ｂとを備え、太陽電池１３ａ，１３ｂから供給される電力により原水Ｗを電解して水素を生成せしめる。各電解室の上部に原水Ｗと接触するように設けられた電極板１０と、各電極板１０上にｐ型半導体層１１とｎ型半導体層１２とが積層され、電解室１と電解室２とではｐ型半導体層１１とｎ型半導体層１２とが逆順に積層されて形成された一対の太陽電池１３ａ，１３ｂと、太陽電池１３ａ，１３ｂ上に積層され、太陽電池１３ａ，１３ｂを直列に接続する導電体層１４とを備える。太陽電池１３ａ，１３ｂは、起電力の和が電解開始電圧以上である。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンが流通自在の隔壁を介して対向配置され、アルカリ性の原水を収容する第１及び第２の電解室と、各電解室に設けられた第１及び第２の電極板とを備える電解槽と、両電極板に電力を供給する太陽電池とを備え、該太陽電池から供給される電力により該電解槽に収容された原水を電気分解することにより水素を生成せしめる水素製造装置において、
各電解室の上部に該原水と接触するように設けられた電極板と、
各電極板上にｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層され、第１の電解室と第２の電解室とではｐ型半導体層とｎ型半導体層との順序が逆になるように積層されて形成された一対の太陽電池と、
各電解室に設けられた太陽電池上に、太陽光が該太陽電池に入射自在に積層され、各太陽電池を直列に接続する導電体層とを備え、
各太陽電池は、起電力の和が電解開始電圧以上であることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
複数の前記太陽電池を同一型の半導体層同士で互いに隣接させて列設した電解槽を少なくとも一つ備え、
該電解槽の各電解室の一端に原水を供給する原水供給手段と、
一方の電解室の他端から水素を含む原水を取り出す水素取出手段と、
他方の電解室の他端から酸素を含む原水を取り出す酸素取出手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
複数の前記太陽電池が列設される方向と直交する方向に、複数の前記電解槽が配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記電極板は、少なくとも原水に接触する面が、白金、ニッケル、白金またはニッケルを主成分とする合金、ステンレス鋼から選択されるいずれか１種の金属により形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記電極板は、繊維焼結体、粉末焼結体、多孔質体から選択されるいずれか１種の材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記電極板に接続され、前記原水中に浸漬される補助電極板を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記補助電極板は、少なくとも原水に接触する面が、白金、ニッケル、白金またはニッケルを主成分とする合金、ステンレス鋼から選択されるいずれか１種の金属により形成されていることを特徴とする請求項６記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記補助電極板は、繊維焼結体、粉末焼結体、多孔質体から選択されるいずれか１種の材料により形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記隔壁は、イオン伝導性を備える隔膜からなることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解槽に収容された原水を電気分解することにより水素を生成せしめる水素製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池等に用いられる水素を製造する水素製造装置として、イオン交換膜等のイオン伝導性を備える隔膜を介して対向配置された一対の電解室と、各電解室に設けられた一対の電極板とを備える装置が知られている。前記水素製造装置は、外部電源から前記各電極板に電圧を印加することにより、前記電解室に収容された原水を電気分解（電解）することにより水素を生成せしめるものであり、電解効率を高くするために例えば水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ性の原水が用いられる。
【０００３】
一方、化石エネルギーの枯渇、地球温暖化防止の観点から、太陽光発電等のような無公害の自然エネルギーの利用が検討されている。そこで、前記水素製造装置の外部電源に太陽電池を用い、該太陽電池で発電した電力を用いて前記原水を電解して水素を製造する技術が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００４】
しかしながら、前述のように太陽電池を外部電源とすると、該太陽電池と前記各電極板とを接続する導線、コンバータ等の中間変換装置が必要となり、該導線の抵抗により電力損失が生じるために、太陽エネルギーから水素への変換効率を十分に高いものとすることができないという不都合がある。
【０００５】
また、前記太陽電池は、一般に数個〜数１００個の単セルを単位として直列に接続されたモジュールを形成して使用される。しかしながら、このようにすると、モジュール中に発電性能の低いセルがあったり、日陰などで日照が得られずに発電しないセルがあった場合、モジュール全体の発電性能が低下するため、バイパスダイオードを設ける等の対策が必要となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平４−９１６３９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、太陽エネルギーから水素への変換効率に優れ、単セルの性能が他のセルの性能に影響を及ぼさない水素製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の水素製造装置は、イオンが流通自在の隔壁を介して対向配置され、アルカリ性の原水を収容する第１及び第２の電解室と、各電解室に設けられた第１及び第２の電極板とを備える電解槽と、両電極板に電力を供給する太陽電池とを備え、該太陽電池から供給される電力により該電解槽に収容された原水を電気分解することにより水素を生成せしめる水素製造装置において、各電解室の上部に該原水と接触するように設けられた電極板と、各電極板上にｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層され、第１の電解室と第２の電解室とではｐ型半導体層とｎ型半導体層との順序が逆になるように積層されて形成された一対の太陽電池と、各電解室に設けられた太陽電池上に、太陽光が該太陽電池に入射自在に積層され、各太陽電池を直列に接続する導電体層とを備え、各太陽電池は、起電力の和が電解開始電圧以上であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の水素製造装置では、隔壁を介して対向配置された第１及び第２の電解室の上部に、それぞれ前記原水と接触するようにして前記電極板が設けられ、各電極板の上にはｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層されて形成された一対の太陽電池が設けられている。そして、各電解室の太陽電池は、第１の電解室と第２の電解室とではｐ型半導体層とｎ型半導体層との順序が逆になるように積層されていて、太陽光が該太陽電池に入射自在に積層された導電体層により直列に接続されている。前記導電体層は、太陽光が前記太陽電池に入射自在となるような間隔を存して設けられたパターン電極であってもよく、ＩＴＯ等からなる透明導電体層であってもよい。
【００１０】
そこで、太陽光が前記太陽電池に入射すると、上層にｐ型半導体層を備える太陽電池から、上層にｎ型半導体層を備える太陽電池に電流が流れる。このとき、各太陽電池は、起電力の和が電解開始電圧以上にされているので、各太陽電池を直列に接続することにより電解開始電圧以上の起電力が得られ、前記原水と接触している各電極板に電解開始電圧以上の電圧が印加される。前記一対の太陽電池は、互いの発電効率が異なる場合には、太陽光が入射する面積を調整することにより、発生する電流値を等価にすることができる。
【００１１】
この結果、上層にｐ型半導体層を備える太陽電池に接続された電極板を陽極、上層にｎ型半導体層を備える太陽電池に接続された電極板を陰極として、前記原水が電解され、前記陽極側では酸素が生成し、前記陰極側では水素が生成する。
【００１２】
本発明の水素製造装置によれば、前述のように、各電極室の電極板に直接太陽電池が積層され、各太陽電池が前記導電体層を介して直列に接続されて、所要の電解開始電圧を得るようになっているので、該太陽電池と該電極板とを接続する導線、コンバータ等の中間変換装置を必要とせず、太陽エネルギーから水素への変換効率を高くすることができる。
【００１３】
また、本発明の水素製造装置は、複数の前記太陽電池を同一型の半導体層同士で互いに隣接させて列設した電解槽を少なくとも一つ備え、該電解槽の各電解室の一端に原水を供給する原水供給手段と、一方の電解室の他端から水素を含む原水を取り出す水素取出手段と、他方の電解室の他端から酸素を含む原水を取り出す酸素取出手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の水素製造装置は、複数の前記太陽電池を同一型の半導体層同士で互いに隣接させて列設することにより、発電性能の低い太陽電池があったり、日陰などで日照が得られずに発電しない太陽電池があったとしても、他の健全な太陽電池により発電を行うことができ、前記原水の電解を行うことができる。
【００１５】
本発明の水素製造装置は、さらに、複数の前記太陽電池が列設される方向と直交する方向に、複数の前記電解槽が配設されていることを特徴とする。このようにすることにより、本発明の水素製造装置は、複数の前記電解槽をユニット化することができる。
【００１６】
また、本発明の水素製造装置では、前記電極板に接続され、前記原水中に浸漬される補助電極板を備えることが好ましい。前記補助電極板を備えることにより、電極板と前記原水との接触面積を増加させ、電解効率を高くすることができる。また、何らかの原因により前記電解室内の前記原水の水位が低下した場合にも、電極板と前記原水との接触を確保して、電解を継続することができる。
【００１７】
前記電極板または補助電極板は、例えば、少なくとも原水に接触する面が、白金、ニッケル、白金またはニッケルを主成分とする合金、ステンレス鋼から選択されるいずれか１種の金属により形成されていれば、繊維焼結体、粉末焼結体、多孔質体から選択されるいずれか１種の材料により形成されているものであってよい。前記電極板または補助電極板は、前記材料から形成されていることにより、前記原水との接触面積を増加させ、電解効率を高くすることができる。前記材料の表面を白金、ニッケル、白金またはニッケルを主成分とする合金、ステンレス鋼から選択されるいずれか１種の金属とするためには、例えば該材料自体が該金属からなるものであってもよく、該材料の表面に該金属をメッキするようにしてもよい。
【００１８】
また、本発明の水素製造装置において、第１及び第２の電解室の間に設けられる隔壁は、イオンが流通自在であれば、前記原水自体が流通する通路を備えているものであってもよく、イオン交換膜等のイオン伝導性を備える隔膜からなるものであってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本発明の水素製造装置の一実施形態を示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図３、図４は本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す平面図、図５乃至図７は本発明の水素製造装置のさらに他の実施形態を示す説明的断面図である。
【００２０】
本実施形態の水素製造装置は、図１に示すように、電解室１，２が対向配置された電解槽３と、電解室１，２に原水を供給する原水導管４と、電解室１から水素を含む原水を取り出す水素取出導管５と、電解室２から酸素を含む原水を取り出す酸素取出導管６とを備えている。
【００２１】
電解槽３は、図２に示すように、耐アルカリ性樹脂からなり上方が開口した箱形部材７を備え、箱形部材７は内部に設けられたイオン伝導性隔膜８により、アルカリ性の原水Ｗを収容する電解室１，２が画成されている。この結果、電解室１，２は、イオン伝導性隔膜８を介して対向配置されている。
【００２２】
箱形部材７は、上方の開口部に図示しない小段差を備え、該小段差に係合して該開口部に嵌着された耐アルカリ性シール部材９と、シール部材９に支持されて電解室１，２の上部で原水Ｗに接触する電極板１０とを備えている。電極板１０は、少なくとも原水Ｗに接触する面が白金、ニッケル、白金またはニッケルを主成分とする合金、ステンレス鋼等の金属からなり、例えばニッケル等の金属繊維焼結体からなる。また、電極板１０は、少なくとも表面が前記金属からなるものであれば、粉末焼結体、多孔質体であってもよい。
【００２３】
電解室１では、電極板１０上にｎ型半導体１１とｐ型半導体１２とが積層されてｎ型ベース太陽電池１３ａを形成しており、電解室２では、電極板１０上に、電解室１とは逆順にｐ型半導体１２とｎ型半導体１１とが積層されてｐ型ベース太陽電池１３ｂを形成している。そして、太陽電池１３ａ，１３ｂは、太陽電池１３ａ，１３ｂ上に例えば銀薄膜、アルミニウムペースト、銀ペースト、カーボンペースト、銅箔等により形成されるパターン電極１４またはＩＴＯ等の透明導電膜により直列に接続されている。尚、電解室１側の電極板１０、太陽電池１３ａと、電解室２側の電極板１０、太陽電池１３ｂとの間には絶縁部材１５が配設されている。太陽電池１３ａは起電力０．９ＶのＧａＡｓ太陽電池、太陽電池１３ｂは起電力１．７ＶのＧａＡｓ太陽電池であり、発生する電流値が等価であって、起電力の和が原水Ｗの電解開始電圧以上とされている。
【００２４】
パターン電極１４上には、透明ガラスからなる保護部材１６が装着されている。保護部材１６は、ボルト１７により箱形部材７に螺着されるステンレスカバー１８によりシール部材９に圧接されており、保護部材１６とシール部材９との間にはＯリング１９が配設されている。尚、ステンレスカバー１８は、太陽電池１３ａ，１３ｂが太陽光を受光するための窓部１８ａを備えている。
【００２５】
前記構成を備える水素製造装置によれば、太陽電池１３ａ，１３ｂにより発電が行われると、太陽電池１３ａから太陽電池１３ｂに電流が流れ、直列に接続された太陽電池１３ａ，１３ｂにより原水Ｗの電解開始電圧以上の起電力が得られる。この結果、電解室１側の電極板１０は原水Ｗに電子を供給する陰極として作用し、電解室２側では電極板１０は原水Ｗから電子が供給される陽極として作用する。そして、原水導管４から供給される原水Ｗの電解により、電解室１側では水素が生成し、電解室２側では酸素が生成する。尚、原水Ｗとしては、例えば１０〜３０重量％の濃度の水酸化カリウム水溶液が用いられる。
【００２６】
前記電解により生成した水素と酸素とは原水Ｗに溶解した状態で、それぞれ水素取出導管５、酸素取出導管６により取り出される。水素取出導管５から取り出された水素は、原水Ｗと分離された後、例えば直ちに燃料電池の燃料として使用され、あるいは一旦水素吸蔵合金等に貯蔵された後、必要に応じて供給される。
【００２７】
また、酸素取出導管６から取り出された酸素は、原水Ｗと分離された後、例えば工業用酸素、医療用酸素、燃料電池用燃料等の用途に使用される。
【００２８】
図３は、本実施形態の水素製造装置の変形例を示す図である。前記水素製造装置は、図３に示すように、対向配置された電解室１，２が、同一型の半導体層同士で互いに隣接させて列設した複数の太陽電池１３ａ，１３ｂを備えるものであってもよい。各電解室１，２の構成は、複数の太陽電池１３ａ，１３ｂを備えることを除いて、図２と同一である。
【００２９】
電解室１，２の一方の端部には、原水Ｗを供給する原水導管４が接続されている。また、電解室１の他方の端部には、水素を含む原水を取り出す水素取出導管５が接続されており、電解室２の他方の端部には、酸素を含む原水を取り出す酸素取出導管６が接続されている。
【００３０】
図３の水素製造装置では、それぞれ３個ずつの太陽電池１３ａ，１３ｂが同一型の半導体層同士で互いに隣接して列設された例を示しているが、電解室１，２は少なくとも２個ずつの太陽電池１３ａ，１３ｂを備えていればよく、さらに多数の太陽電池１３ａ，１３ｂを備えていてもよい。
【００３１】
また、図４は、本実施形態の水素製造装置の他の変形例の一部を示す図である。前記水素製造装置は、図４に示すように、複数の太陽電池１３ａ，１３ｂが列設される方向と直交する方向に、複数の電解槽３が配設されている。電解槽３の各電解室１，２の構成は、複数の太陽電池１３ａ，１３ｂを備えることを除いて、図２と同一である。
【００３２】
図４の水素製造装置では、１本の原水導管４が分岐して、各電解槽３の電解室１，２の一方の端部に原水Ｗを供給するようになっている。また、各電解槽３の電解室１の他方の端部から水素を含む原水を取り出す水素取出導管５と、電解室２の他方の端部から酸素を含む原水を取り出す酸素取出導管６とは、下流側でそれぞれ合流して、１本の水素取出導管５、酸素取出導管６とされている。
【００３３】
次に、電解槽３の変形例について説明する。
【００３４】
図５に示す電解槽３は、電極板１０に接続された補助電極板２４を備えることを除いて、図２に示す電解槽３と全く同一の構成を備えている。補助電極板２４は、逆Ｖ字型の形状の頂点で電極板１０に接続され、該頂点から下方に広がる両先端部が、電解室１，２に収容される原水Ｗに浸漬されている。
【００３５】
補助電極板２４は、少なくとも原水Ｗに接触する面が白金、ニッケル、白金またはニッケルを主成分とする合金、ステンレス鋼等の金属からなり、例えばニッケル等の金属繊維焼結体からなる。また、電極板１０は、少なくとも表面が前記金属からなるものであれば、粉末焼結体、多孔質体であってもよい。
【００３６】
また、図６、図７に示す電解槽３は、図２に示すイオン伝導性隔膜８に代えて、それ自体はイオン導伝性を備えない隔壁２５ａ，２５ｂを備えることを除いて、図２に示す電解槽３と全く同一の構成を備えている。図６に示す隔壁２５ａは、下部が箱形部材７の底部に設けられた凹部２６に、凹部２６の底部との間に間隙２７を存して挿入されている。図６に示す電解槽３では、電解室１，２に収容された原水Ｗは、間隙２７を通路として相互に流通することができ、これにより電解室１，２で生成したイオンが隔壁２５ａを介して相互に流通自在とされている。
【００３７】
また、図７に示す隔壁２５は、それ自体に電解室１，２に収容された原水Ｗが相互に流通できる通路２８を備えている。従って、図７の隔壁２５ｂでは、通路２８により電解室１，２で生成したイオンが隔壁２５ｂを介して相互に流通自在とされている。
【００３８】
次に、本実施形態の水素製造装置における太陽エネルギーを水素に変換する場合の変換効率を、太陽電池を外部電源とする従来の水素製造装置と比較した。本実施形態の水素製造装置としては、図３の構成を備えるものを用いた。また、前記従来の水素製造装置は、電解室に備えられた電極板が導線を介して外部の太陽電池に接続されており、該導線の途中には中間変換装置としてコンバータを備えている。
【００３９】
前記太陽電池は、本実施形態の水素製造装置、従来の水素製造装置とも、ＧａＡｓ太陽電池であり、光電変換効率が１０％、１５％、１８％、２０％の４種類の太陽電池を用いた。また、日照条件は午前中Ｉ．５時間、１ｋｗｈ／ｍ２とした。結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
2004197167.tif 000003
【００４１】
表１から、太陽電池１３ａ，１３ｂを電極板１０に直接積層して設けた本実施形態の水素製造装置は、電解室に備えられた電極板が導線を介して外部の太陽電池に接続されている従来の水素製造装置に比較して、太陽エネルギーから水素への変換効率に優れていることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素製造装置の一実施形態を示す平面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。
【図３】本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す平面図。
【図４】本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す平面図。
【図５】本発明の水素製造装置のさらに他の実施形態を示す平面図。
【図６】本発明の水素製造装置のさらに他の実施形態を示す平面図。
【図７】本発明の水素製造装置のさらに他の実施形態を示す平面図。
【符号の説明】
１，２…電解室、  ３…電解槽、  ４…原水供給手段、  ５…水素取出手段、６…酸素取出手段、  ８，２５ａ，２５ｂ…隔壁、  １０…電極板、  １１…ｎ型半導体層、  １２…ｐ型半導体層、  １３ａ，１３ｂ…太陽電池、  １４…導電体層、  ２４…補助電極板。
【図１】
2004197167.tif 000004
【図２】
2004197167.tif 000005
【図３】
2004197167.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004197167.tif 000009
【図７】
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