(57)【要約】【課題】陽極と陰極の両電極間に電圧を印加する電源を用いることなく、水の電気分解を行うことができる水分解装置を提供する。【解決手段】陽極側のｐ型シリコン層１２と陰極側のｎ型シリコン層１３とを結合した太陽電池１６を用い、この太陽電池１６のｐ型シリコン層１２の表面に光触媒層となる酸化チタン層１１をゾルゲル法で形成し、ｎ型シリコン層１３の表面に白金層１４を蒸着し、これを、透明な容器８に満たされた硫酸ナトリウム水溶液６の中に配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の電気分解を行う水分解装置において、
陽極部と陰極部とを一体化し、光受光面の全面或いは一部に光触媒層を形成した太陽電池を、透明な容器に満たされた水中に配置して構成した
ことを特徴とする水分解装置。
【請求項２】
前記光触媒層は、半導体材料である
ことを特徴とする請求項１に記載の水分解装置。
【請求項３】
前記光触媒層は、酸化チタンもしくはそれを含む複合材である
ことを特徴とする請求項１に記載の水分解装置。
【請求項４】
前記光触媒層は、前記太陽電池の受光面に１ミクロン以下の微小な島状に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の水分解装置。
【請求項５】
前記太陽電池は、シリコンをベースにした太陽電池である
ことを特徴とする請求項１に記載の水分解装置。
【請求項６】
前記太陽電池は、ＩＩＩＶ族化合物半導体をベースにした太陽電池である
ことを特徴とする請求項１に記載の水分解装置。
【請求項７】
前記太陽電池は、ｐｎ接合を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の水分解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池等の燃料や化学工業の原料となる水素および酸素を水の電気分解によって得る水分解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水の分解反応は、２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２で表せ、自由エネルギー変化は、酸素１ｍｏｌ当たり４７４．２６ｋＪであることが知られている。このエネルギーを電気によって供給するためには、電気エネルギー＝電荷×電圧の関係を用いると、陽極と陰極の電圧として、１．２２８８Ｖが必要であることが分かる。
【０００３】
図２に示す一般的な水を電気分解する水分解装置は、容器８の中に硫酸ナトリウム水溶液６を満たし、この硫酸ナトリウム水溶液６の中に、白金線を用いた陽極電極２および陰極電極３を所定間隔離して配置し、さらに、硫酸ナトリウム水溶液６から突き出た陽極電極２と陰極電極３の端部に電源１を接続して構成される。但し、陽極電極２には電源１の＋端子が、陰極電極３には電源１の−端子が接続される。
【０００４】
このような水分解装置においては、反応の活性化ポテンシャルエネルギーを与える必要がある。つまり、白金の電極２，３で水（ここでは硫酸ナトリウム水溶液６）を電気分解するためには、一般的な塩化銀標準電極電位に対して、陽極電極２の電位を＋１．２Ｖより正に、陰極電極３の電位を−０．８Ｖより負にしなければならない。従って、両電極２，３間に２Ｖを越える電圧をかけなければ水の電気分解が起こらない。
【０００５】
この余計な電圧は過電圧と呼ばれる。この過電圧は、被電気分解溶液が電極近傍で電気二重層を形成するための分極のエネルギーが発生したり、また、半導体電極の場合では半導体内部にポテンシャルエネルギーの曲がりが発生した場合に、それらを越えて電子を移動させるために必要な電位である。
【０００６】
この過電圧を電源１によって両電極２，３に印加すると、陽極電極２から酸素ガス（気泡）４、陰極電極３から水素ガス５が発生する。即ち、水の電気分解によって水素ガスと酸素ガスを製造することができる。しかし、その過電圧を電源１によって印加しなければならないので、約６０％以下の変換効率しか得られない。
【０００７】
図３に示す水分解装置は、その変換効率を良くするために、図２に示した水分解装置の陽極電極２として半導体電極７を用いたものである。半導体電極７は、金属チタン板上に結晶系がアナターゼ型の酸化チタンをゾルゲル法などで表面に形成したものである。このような水分解装置において、各電極７，３間に電源１から＋０．５Ｖを印加し、半導体電極７に紫外線領域の光９を照射すると、半導体電極７から酸素ガス４、陰極電極３から水素ガス５の発生が見られ、本田藤嶋効果による水の電気分解を観察することができる。この効果は酸化チタンの光触媒効果としてよく知られている。
しかし、従来の水分解装置においては、図３に示した光触媒効果を用いた水分解装置であっても、陽極と陰極の両電極７，３間に、０．５Ｖの電圧を印加する電源１が必要となるという問題がある。
一方、電源を要しない電気分解装置として、例えば、特開平５−２５３５７１号公報に示されるものがある。この電気分解装置は、水容器としてのケーシングの内部に光半導体電極と対極とを設定し、光半導体電極に紫外線を含む光を照射して起電力を発生させ、同起電力により通常の水をアルカリ水と酸性水とに電気分化するものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−２５３５７１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平５−２５３５７１号公報の電気分解装置によると、光半導体電極と対極をイオン交換膜等の隔離を介して配置しているため、構成が複雑化するという問題が生じる。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、構成を簡素化した太陽電池を用いた水分解装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の水分解装置は、水の電気分解を行う水分解装置において、陽極部と陰極部とを一体化し、光受光面の全面或いは一部に光触媒層を形成した太陽電池を、透明な容器に満たされた水中に配置して構成したことを特徴としている。
【００１２】
また、前記光触媒層は、半導体材料であることを特徴としている。
【００１３】
また、前記光触媒層は、酸化チタンもしくはそれを含む複合材であることを特徴としている。
【００１４】
また、前記光触媒層は、前記太陽電池の受光面に１ミクロン以下の微小な島状に形成されていることを特徴としている。
【００１５】
また、前記太陽電池は、シリコンをベースにした太陽電池であることを特徴としている。
【００１６】
また、前記太陽電池は、ＩＩＩＶ族化合物半導体をベースにした太陽電池であることを特徴としている。
【００１７】
また、前記太陽電池は、ｐｎ接合を有することを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
（実施の形態）
図１に示す本実施の形態に係る水分解装置は、陽極側のｐ型シリコン層１２と陰極側のｎ型シリコン層１３とを結合した太陽電池１６を用い、この太陽電池１６のｐ型シリコン層１２の表面に光触媒層となる酸化チタン層１１をゾルゲル法で形成し、ｎ型シリコン層１３の表面に白金層１４を蒸着し、これを、透明な容器８に満たされた硫酸ナトリウム水溶液６の中に配置したものである。なお、酸化チタン層１１が陽極電極となり、白金層１４が陰極電極となる。また、酸化チタン層１１は、ｐ型シリコン層１２の全面又は一部に形成される。例えば、酸化チタン層１１を、ｐ型シリコン層１２の面に１ミクロン以下の微小な島状に形成する。酸化チタン層１１、ｐ型シリコン層１２、ｎ型シリコン層１３、白金層１４の端面には、端面保護膜２１を形成した。
【００２０】
このような構成の水分解装置において、容器８の外部から太陽光１０を照射すると、太陽電池１６において、価電子帯の電子が励起されて電子と正孔の対が生まれ、電子はｎ型シリコン層１３に、正孔はｐ型シリコン層１２に移動し、ｎ型とｐ型１３，１２間に電圧が生じる。
【００２１】
通常、太陽電池１６では、太陽光１０のうち紫外線は、太陽電池１６の表面で再結合してしまい電流には殆ど寄与しない。しかし、本水分解装置においては、ｐ型シリコン層１２の表面に酸化チタン層１１を形成したので、その酸化チタン層１１に太陽光１０が照射されることによって、酸化チタンの電子が光エネルギーを吸収し、活性化された電子が太陽電池１６に移動する。これによって、太陽電池１６は、紫外線も活用することができるので、ｎ型とｐ型１３，１２間により高い電圧を生成することができる。これに応じて、より多くの酸素ガス４、水素ガス５を発生させることができる。
【００２２】
従って、陽極と陰極の両電極１１，１４間に電圧を印加する電源を用いることなく、水の電気分解を行うことができる。さらに言及すれば、本水分解装置は、水素、酸素ガスの製造を太陽光線などの光エネルギーから効率よく生成することができ、省エネ、環境の優しいエネルギー源となる。
【００２３】
次に、本水分解装置の試作装置として、白金層１４を、１００ｎｍの厚さで蒸着し、容器８の外部から１００ｍＷ／ｃｍ２の強さの太陽光１０を照射したところ、従来の水分解装置のようなバイアス電圧の印加無しで、水素ガス５および酸素ガス４を発生することができた。本試作水分解装置では、酸化チタン層１１が１００ｃｍ２の面積で、１０ｃｃ／ｍｉｎの水素ガス５および５ｃｃの酸素ガス４を製造することができた。
【００２４】
この他、太陽電池は、シリコンの単結晶材料だけでなく、多結晶であっても、アモルファス材料であってもよい。シリコン以外に、ＩＩＩＶ族化合物半導体のＧａＡｓを用いた太陽電池を使用すると、さらに効率は向上する。もちろん、Ａｌなどを混ぜた混晶系であっても同様の効果は得られる。
【００２５】
また、光触媒層として、他のワイドギャップの酸化物などの半導体材料を用いても同様の効果が得られる。さらに、太陽電池の上に光触媒を形成する方法として、ゾルゲル法を用いたが、ＣＶＤ法や熱酸化法などの方法でもかまわない。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、陽極部と陰極部とを一体化し、太陽電池の受光面に光触媒層を形成し、その光触媒層に光が照射されることによって、光触媒層の電子が光エネルギーを吸収し、活性化された電子が太陽電池に移動し、これによって、太陽電池が、紫外線も活用することができ、より高い電圧を生成することを可能としたので、構成の複雑化を招かないで、より多くの酸素、水素を発生させることができる。従って、陽極と陰極の両電極間に電圧を印加する電源を用いることなく、水の電気分解を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る水分解装置の構成を示す図である。
【図２】従来の水分解装置の構成を示す図である。
【図３】従来の光触媒を利用した水分解装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  電源
２  陽極電極
３  陰極電極
４  酸素ガス
５  水素ガス
６  硫酸ナトリウム水溶液
７  半導体電極
８  容器
９  紫外線領域の光
１０  太陽光
１１  酸化チタン層（陽極電極）
１２  ｐ型シリコン層
１３  ｎ型シリコン層
１４  白金層（陰極電極）
１６  太陽電池
２１  端面保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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