(57)【要約】      （修正有）【課題】電解効率が高く、気体の回収口が装置の上方に限定されない気体製造装置を提供する。【解決手段】気体製造装置２３は、有孔の第１電解用電極８と、第２電解用電極７と、第１電解用電極８に接触し、かつ、電解液に接触可能なイオン交換部１３と、第１気体排出口２０とを備え、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に電圧を印加し、かつ、前記イオン交換部１３が電解液に接触したとき、前記イオン交換部１３は、電解液２５に含まれるイオンがイオン伝導するように構成され、第１電解用電極８は、前記イオン交換部１３をイオン伝導したイオンから第１気体を発生するように構成され、かつ、この第１気体が第１電解用電極８内の孔を導通し第１気体排出口２０から排出するように構成されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有孔の第１電解用電極と、第２電解用電極と、第１電解用電極に接触し、かつ、電解液に接触可能なイオン交換部と、第１気体排出口とを備え、
第１電解用電極と第２電解用電極との間に電圧を印加し、かつ、前記イオン交換部が電解液に接触したとき、
前記イオン交換部は、電解液に含まれるイオンがイオン伝導するように構成され、
第１電解用電極は、前記イオン交換部をイオン伝導したイオンから第１気体を発生するように構成され、かつ、この第１気体が第１電解用電極内の孔を導通し第１気体排出口から排出するように構成されることを特徴とする気体製造装置。
【請求項２】
第１電解用電極は、多孔性を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記イオン交換部は、電解液に対する遮液性を有し、かつ、第１電解用電極を覆うように設けられた請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記イオン交換部は、電解液中のイオンとイオン結合するイオン交換基を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
第１電解用電極は、触媒が担持された導電性多孔質体を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
第１電解用電極は、その表面にイオン交換樹脂からなる塗布膜を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
第１電解用電極は、その表面に前記イオン交換部をイオン伝導したイオンとイオン結合するイオン交換基を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
光電変換部をさらに備え、
前記光電変換部は、受光することにより生じる起電力を第１電解用電極と第２電解用電極との間に出力するように構成され、
第１電解用電極および第２電解用電極は、前記起電力を利用して、電解液からそれぞれ第１気体および第２気体を発生させるように構成される請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
第１電解用電極と前記光電変換部との間に気体流路をさらに備え、
前記気体流路は、第１電解用電極内の孔を導通した第１気体を第１気体排出口へ導通するように構成される請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記光電変換部は、受光面およびその裏面を有し、
第１電解用電極および第２電解用電極は、前記光電変換部の裏面側に設けられた請求項８または９に記載の装置。
【請求項１１】
前記光電変換部は、受光することにより前記光電変換部の受光面とその裏面との間に起電力が生じ、
第１電解用電極および第２電解用電極のうち、一方は前記裏面と電気的に接続し、他方は第１導電部を介して前記受光面と電気的に接続する請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
第１電解用電極および第２電解用電極のうち少なくとも一方は、前記光電変換部の裏面上に絶縁部を介して設けられた請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
第１導電部は、前記光電変換部の受光面と接触する第１電極と、第１電極と第１電解用電極または第２電解用電極とを電気的に接続する第２導電部とを含む請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
第２導電部は、前記光電変換部を貫通するコンタクトホールに設けられた請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、
第２導電部は、前記絶縁部の前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられた請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記光電変換部は、受光することにより前記裏面の第１および第２区域間に電位差が生じ、
第１区域は、第１電解用電極と電気的に接続し、
第２区域は、第２電解用電極と電気的に接続する請求項１０に記載の装置。
【請求項１７】
前記光電変換部は、ｎ型半導体部およびｐ型半導体部を有する少なくとも１つの半導体材料からなり、
第１および第２区域のうち、一方は前記ｎ型半導体部の一部であり、他方は前記ｐ型半導体部の一部である請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記光電変換部の裏面と第１電解用電極との間の一部および前記裏面と第２電解用電極との間の一部に設けられた絶縁部をさらに備え、
第１電解用電極および第２電解用電極は、それぞれ前記絶縁部が設けられていない第１および第２区域を介して前記ｎ型半導体部または前記ｐ型半導体部と電気的に接続する請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
透光性基板をさらに備え、
前記光電変換部は、前記受光面が前記透光性基板側となるように前記透光性基板上に設けられた請求項８〜１８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２０】
前記光電変換部は、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を含む光電変換層を有する請求項８〜１９のいずれか１つに記載の装置
【請求項２１】
前記光電変換部は、直列接続した複数の光電変換層を含み、
前記複数の光電変換層は、受光することにより生じる起電力を第１電解用電極および第２電解用電極に供給する請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
各光電変換層は、第３導電部により直列接続された請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
第３導電部は、前記光電変換層の受光面側に設けられた透光性電極と、前記光電変換層の裏面側に設けられた裏面電極とを含む請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
第１電解用電極は、電解液からＨ2を発生させる水素発生部であり、
第２電解用電極は、電解液からＯ2を発生させる酸素発生部であり、
前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ水素発生触媒および酸素発生触媒を含む請求項１〜２３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２５】
前記水素発生部は、水素発生触媒としてＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｆｅ、ＮｉおよびＳｅのうち少なくとも１つを含む請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記酸素発生部は、酸素発生触媒としてＭｎ、Ｃａ、Ｚｎ、ＣｏおよびＩｒのうち少なくとも１つを含む請求項２４または２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記イオン交換部または第２電解用電極を浸漬させる電解液を貯留可能な電解液室をさらに備える請求項１〜２６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２８】
背面基板と、受光面およびその裏面を有する光電変換部を備え、
前記電解液室は、前記光電変換部の裏面と前記背面基板との間に設けられた請求項２７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の使用に伴う地球温暖化および化石燃料資源自体の枯渇の懸念から、環境に優しく、かつ無尽蔵なエネルギー供給の可能性を持つ再生可能エネルギーの利用が注目を集め、開発も盛んに行われている。再生可能エネルギーとしては太陽光、風力、水力、地熱等があり、これらのエネルギーにより電力を作り出す技術は実用化もされてきている。中でも太陽光は地上において、どこでも得ることが可能なエネルギー源であり、太陽光により電力を作る太陽電池は世界各地に設置され、現在ではまだ少数ではあるが、一般家庭にも普及しつつある。しかし、太陽光によるエネルギー供給は季節や、気候の変動により一定しないという欠点があり、この変動を平滑化することが課題である。この課題を解決するための方法のひとつとして、太陽から得たエネルギーを別の物質、例えば液体燃料や、水素等のガスに変換して、保存するという方法が考えられている。
【０００３】
これらの太陽光エネルギーからの変換物質の中でも水素は燃やすと水が出来るだけで、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や有害な窒素酸化物などを排出しない為、将来のエネルギーとして期待されている。水素ガス生成については、メタン等の化石燃料から生成する方法と水を電気分解して生成する方法が試みられているが、ＣＯ2の排出を伴わない後者が最終的な手段であり、中でも安定的かつ地域普遍的な手段としては太陽光発電を利用した水の電気分解による水素ガス生成がもっとも確実な手段であると言われている。これにより太陽光エネルギーは化学的なエネルギーとして貯蔵出来ることとなり、太陽光エネルギーの利用範囲を大きく広げることになる。
【０００４】
なお、太陽光エネルギーからより直接的に水素を生成する方法として光触媒（本多藤島効果）による水素ガス生成も研究されているが、現在まだ太陽エネルギーのわずか３％程度を占めるに過ぎない紫外線領域の光しか利用できない等の問題があり実用化の目処は立っていない。その他原子力を利用した水の熱分解による水素の生成やバイオマスを利用した水素ガス生成が試みられているが、まだ研究段階である。また、太陽電池と水電解装置とを組み合わせた水電解システムも提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
一方、従来の水の電気分解装置では、触媒を担持した多孔質の電解用電極を電解液に浸漬させた状態で水素および酸素を発生させている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５０４９３４公報
【特許文献２】特開２００４−３５３０３３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の電気分解装置では、電極を電解液に浸漬させるため、発生する気体を気泡として回収する必要があり、この気泡が電極表面に滞留し電解効率を低下させている。また、気泡は浮力により電解液中を上昇するため、気体の回収口が装置の上方に限定されている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電解効率が高く、気体の回収口が装置の上方に限定されない気体製造装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、有孔の第１電解用電極と、第２電解用電極と、第１電解用電極に接触し、かつ、電解液に接触可能なイオン交換部と、第１気体排出口とを備え、第１電解用電極と第２電解用電極との間に電圧を印加し、かつ、前記イオン交換部が電解液に接触したとき、前記イオン交換部は、電解液に含まれるイオンがイオン伝導するように構成され、第１電解用電極は、前記イオン交換部をイオン伝導したイオンから第１気体を発生するように構成され、かつ、この第１気体が第１電解用電極内の孔を導通し第１気体排出口から排出するように構成されることを特徴とする気体製造装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１電解用電極において、イオン交換部をイオン伝導したイオンから第１気体を発生させることができるため、第１電解用電極を電解液に浸漬させる必要がない。このため、第１電解用電極の表面に第１気体が滞留することにより電解効率が低下することがなく、また、第１気体を装置の上方以外の第１気体排出口から回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の点線で囲んだ範囲Ａの拡大図であり、本発明の一実施形態の気体製造装置を説明するための概念図である。
【図３】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略上面図である。
【図４】図３の点線Ａ−Ａにおける概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略裏面図である。
【図６】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図９】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の気体製造装置は、有孔の第１電解用電極と、第２電解用電極と、第１電解用電極に接触し、かつ、電解液に接触可能なイオン交換部と、第１気体排出口とを備え、第１電解用電極と第２電解用電極との間に電圧を印加し、かつ、前記イオン交換部が電解液に接触したとき、前記イオン交換部は、電解液に含まれるイオンがイオン伝導するように構成され、第１電解用電極は、前記イオン交換部をイオン伝導したイオンから第１気体を発生するように構成され、かつ、この第１気体が第１電解用電極内の孔を導通し第１気体排出口から排出するように構成されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の気体製造装置において、第１電解用電極は、多孔性を有することが好ましい。
このような構成によれば、第１電解用電極の表面積を大きくすることができ、第１気体の発生効率を高くすることができる。
本発明の気体製造装置において、前記イオン交換部は、電解液に対する遮液性を有し、かつ、第１電解用電極を覆うように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、第１電解用電極が電解液に浸漬されることを防止することができる。
本発明の気体製造装置において、前記イオン交換部は、電解液中のイオンとイオン結合することができるイオン交換基を有することが好ましい。
このような構成によれば、第１電解用電極と第２電解用電極との間に生じる電界により電解液中のイオンがイオン交換部をイオン伝導することができる。
本発明の気体製造装置において、第１電解用電極は、触媒が担持された導電性多孔質体を含むことが好ましい。
このような構成によれば、第１気体が発生する反応の触媒面積を大きくことができる。
【００１３】
本発明の気体製造装置において、第１電解用電極は、その表面にイオン交換樹脂からなる塗布膜を有することが好ましい。
このような構成によれば、第１電解用電極内の孔表面にイオン交換部をイオン伝導したイオンが存在することができ、前記孔で第１気体を発生させることができる。
本発明の気体製造装置において、第１電解用電極は、その表面に前記イオン交換部をイオン伝導したイオンとイオン結合することができるイオン交換基を有することが好ましい。
このような構成によれば、第１電解用電極内の孔表面にイオン交換部をイオン伝導したイオンが存在することができ、前記孔で第１気体を発生させることができる。
本発明の気体製造装置において、光電変換部をさらに備え、前記光電変換部は、受光することにより生じる起電力を第１電解用電極と第２電解用電極との間に出力するように構成され、第１電解用電極および第２電解用電極は、前記起電力を利用して、電解液からそれぞれ第１気体および第２気体を発生させるように構成されることが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部が受光することにより生じる起電力により第１気体および第２気体を発生させることができる。
【００１４】
本発明の気体製造装置において、第１電解用電極と前記光電変換部との間に気体流路をさらに備え、前記気体流路は、第１電解用電極内の孔を導通した第１気体を第１気体排出口へ導通するように構成されることが好ましい。
このような構成によれば、第１気体をより効率的に回収することができる。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、受光面およびその裏面を有し、第１電解用電極および第２電解用電極は、前記光電変換部の裏面側に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の受光面側に電解液や電解用電極を設ける必要がなく、光電変換部への光の入射量を多くすることができる。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、受光することにより前記光電変換部の受光面とその裏面との間に起電力が生じ、第１電解用電極および第２電解用電極のうち、一方は前記裏面と電気的に接続し、他方は第１導電部を介して前記受光面と電気的に接続することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部に積層構造のものを用いることができる。
【００１５】
本発明の気体製造装置において、第１電解用電極および第２電解用電極のうち少なくとも一方は、前記光電変換部の裏面上に絶縁部を介して設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、リーク電流が生じることを防止することができる。
本発明の気体製造装置において、第１導電部は、前記光電変換部の受光面と接触する第１電極と、第１電極と第１電解用電極または第２電解用電極とを電気的に接続する第２導電部とを含むことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の受光面と、第１電解用電極または第２電解用電極とを電気的に接続することができる。
本発明の気体製造装置において、第２導電部は、前記光電変換部を貫通するコンタクトホールに設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の受光面と、第１電解用電極または第２電解用電極とを電気的に接続する配線の距離をより短くすることができる。
【００１６】
本発明の気体製造装置において、前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、第２導電部は、前記絶縁部の前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の側面上に設けられた第２導電部を介して、光電変換部の受光面と、第１電解用電極または第２電解用電極とを電気的に接続することができる。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、受光することにより前記裏面の第１および第２区域間に電位差が生じ、第１区域は、第１電解用電極と電気的に接続し、第２区域は、第２電解用電極と電気的に接続することが好ましい。
このような構成によれば、第１および第２区域と光電変換部の裏面上に設ける第１電解用電極および第２電解用電極とを容易に電気的に接続することができ、製造コストを低減することができる。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、ｎ型半導体部およびｐ型半導体部を有する少なくとも１つの半導体材料からなり、第１および第２区域のうち、一方は前記ｎ型半導体部の一部であり、他方は前記ｐ型半導体部の一部であることが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部にｐｎ接合、ｐｉｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合を形成することができ、光電変換部が受光することにより、光電変換部の裏面の第１および第２区域間に電位差を生じさせることができる。
【００１７】
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部の裏面と第１電解用電極との間の一部および前記裏面と第２電解用電極との間の一部に設けられた絶縁部をさらに備え、第１電解用電極および第２電解用電極は、それぞれ前記絶縁部が設けられていない第１および第２区域を介して前記ｎ型半導体部または前記ｐ型半導体部と電気的に接続することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部が受光することにより形成される電子およびホールを効率よく分離することができ、光電変換効率をより高くすることができる。
本発明の気体製造装置において、透光性基板をさらに備え、前記光電変換部は、前記受光面が前記透光性基板側となるように前記透光性基板上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部を透光性基板上に形成することができる。
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を含む光電変換層を有することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部をｐｎ接合などを有する半導体で形成することができる。
【００１８】
本発明の気体製造装置において、前記光電変換部は、直列接続した複数の光電変換層を含み、前記複数の光電変換層は、受光することにより生じる起電力を第１電解用電極および第２電解用電極に供給することが好ましい。
このような構成によれば、水の電気分解に必要な電圧を容易に第１電解用電極と第２電解用電極に供給することができる。
本発明の気体製造装置において、各光電変換層は、第３導電部により直列接続されたことが好ましい。
このような構成によれば、並列に並べられた各光電変換層を直列接続することができる。
本発明の気体製造装置において、第３導電部は、前記光電変換層の受光面側に設けられた透光性電極と、前記光電変換層の裏面側に設けられた裏面電極とを含むことが好ましい。
このような構成によれば、並列に並べられた各光電変換層を直列接続することができる。
【００１９】
本発明の気体製造装置において、第１電解用電極は、電解液からＨ2を発生させる水素発生部であり、第２電解用電極は、電解液からＯ2を発生させる酸素発生部であり、前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ水素発生触媒および酸素発生触媒を含むことが好ましい。
このような構成によれば、本発明の気体製造装置により燃料電池の燃料となる水素を製造することができる。また、各触媒を含むことにより、電解液の電気分解反応が進行する速度を速くすることができる。
本発明の気体製造装置において、前記水素発生部は、水素発生触媒としてＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｆｅ、ＮｉおよびＳｅのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。
このような構成によれば、水素発生部において効率よく水素を発生させることができる。
【００２０】
本発明の気体製造装置において、前記酸素発生部は、酸素発生触媒としてＭｎ、Ｃａ、Ｚｎ、ＣｏおよびＩｒのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。
このような構成によれば、酸素発生部おいて酸素を効率よく発生させることができる。
本発明の気体製造装置において、前記イオン交換部または第２電解用電極を浸漬させる電解液を貯留可能な電解液室をさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、イオン交換部に第１気体となるイオンを供給することができる。
本発明の気体製造装置において、背面基板と、受光面およびその裏面を有する光電変換部を備え、前記電解液室は、前記光電変換部の裏面と前記背面基板との間に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、イオン交換部に接する電解液室を設けることができる。
【００２１】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
図１は本発明の一実施形態の気体製造装置の構成を示す概略断面図であり、図２は、図１に示した気体製造装置における点線Ａで囲んだ範囲の拡大図であり、第１気体を水素とした場合の前記気体製造装置を説明するための概念図である。
【００２２】
本実施形態の気体製造装置２３は、有孔の第１電解用電極８と、第２電解用電極７と、第１電解用電極８に接触し、かつ、電解液に接触可能なイオン交換部１３と、第１気体排出口２０とを備え、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に電圧を印加し、かつ、イオン交換部１３が電解液と接触したとき、イオン交換部１３は、電解液に含まれるイオンがイオン伝導するように構成され、第１電解用電極８は、イオン交換部１３をイオン伝導したイオンから第１気体を発生するように構成され、かつ、この第１気体が第１電解用電極８内の孔４５を導通し第１気体排出口２０から排出するように構成されることを特徴とする。
【００２３】
また、本実施形態の気体製造装置２３は、受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に出力する光電変換部を含んでもよい。
図３は、光電変換部を含む本発明の一実施形態の気体製造装置の概略上面図であり、図４は、図３の点線Ａ−Ａにおける概略断面図であり、図５は、光電変換部を含む本発明の一実施形態の気体製造装置の概略裏面図である。なお、図５は、天板１４を省略している。また、図６〜図１２は、それぞれ本発明の一実施形態の気体製造装置の概略断面図であり、それぞれ図３に対応する。
光電変換部２を含む本実施形態の気体製造装置２３は、光電変換部２は、受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に出力するように構成され、第１電解用電極８および第２電解用電極７は、前記起電力を利用して、電解液からそれぞれ第１気体および第２気体を発生させるように構成されることを特徴とする。
また、本実施形態の気体製造装置２３は、透光性基板１をさらに備えてもよい。
【００２４】
１．イオン交換部
イオン交換部１３は、第１電解用電極８に接触し、かつ、電解液に接触可能に設けられる。例えば、図１、２、４、６〜１２のようにイオン交換部１３の一方の面が第１電解用電極８に接触するように設けられ、他方の面が電解液室１５に接するように設けることができる。
イオン交換部１３は、イオン交換体からなり、電解液室１５に貯留する電解液に含まれるイオンに対するイオン導電性を有すれば特に限定されないが、例えば、イオン交換膜で構成することができる。このことにより、イオン交換部が、電解液に対する遮液性を有することが可能であり、第１電解用電極が電解液に浸漬することを防止することが可能である。イオン交換膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）が挙げられる。また、イオン交換部１３は、第１電解用電極８を覆うように設けることができる。このことにより、第１電解用電極８が電解液に浸漬することを防止することができ、また、イオン交換部１３と第１電解用電極８との接触面積を大きくすることができる。
【００２５】
イオン交換部１３は、電解液室１５に貯留される電解液中のイオンとイオン結合することができるイオン交換基を有することができる。このことにより、イオン交換部１３は、電解液に含まれるイオンをイオン伝導することができる。また、イオン交換部１３は、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に電圧が印加された場合、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に形成される電界により、電解液に含まれるイオンがイオン交換部１３をイオン伝導するように設けることができる。例えば、図１、１１、１２のように第１電解用電極８と第２電解用電極７の対向する２つの面の間にイオン交換部１３を設けることができ、また、例えば、図４、６〜１０のように第１電解用電極８と第２電解用電極７とが並列に設けられ、第１電解用電極８を覆うようにイオン交換部１３を設けることができる。
【００２６】
イオン交換部１３を構成するイオン交換体としては、第１気体の原料となるイオンをイオン伝導するものであれば特に限定されず、プロトン伝導性膜、カチオン交換膜、アニオン交換膜等を使用できる。
【００２７】
プロトン伝導性膜の材質としては、プロトン伝導性を有しかつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜又はコンポジット膜を用いることができる。
【００２８】
高分子膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、デュポン社製のナフィオン（登録商標）、旭化成社製のアシプレックス（登録商標）、旭硝子社製のフレミオン（登録商標）等の膜や、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の炭化水素系電解質膜等が挙げられる。
【００２９】
無機膜としては、例えば、リン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウム等からなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、スルホン化ポリイミド系ポリマー、タングステン酸等の無機物とポリイミド等の有機物とのコンポジット等からなる膜が挙げられ、具体的にはゴア社製のゴアセレクト膜（登録商標）や細孔フィリング電解質膜等が挙げられる。さらに、高温環境下（例えば、１００℃以上）で使用する場合には、スルホン化ポリイミド、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ）、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム等が挙げられる。
【００３０】
カチオン交換膜としては、カチオンを移動させることができる固体高分子電解質であればよい。具体的には、パーフルオロカーボンスルフォン酸膜や、パーフルオロカーボンカルボン酸膜等のフッ素系イオン交換膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、ポリスチレンスルホン酸膜、スルホン酸化スチレン・ビニルベンゼン共重合体膜等が挙げられる。
【００３１】
支持電解質溶液のアニオン輸率が高い場合には、アニオン交換膜の使用が好ましい。アニオン交換膜としては、アニオンの移動可能な固体高分子電解質を使用できる。具体的には、ポリオルトフェニレンジアミン膜、アンモニウム塩誘導体基を有するフッ素系イオン交換膜、アンモニウム塩誘導体基を有するビニルベンゼンポリマー膜、クロロメチルスチレン・ビニルベンゼン共重合体をアミノ化した膜等が挙げられる。
【００３２】
イオン交換部１３をイオン伝導するイオンは、第１気体となるものであれば陽イオンでも陰イオンでもよいが、例えば、水素イオン（Ｈ+）である。ここでは、イオン交換部１３がプロトン伝導性を有する場合について図１、２を用いて説明する。
第１電解用電極８が負極となり、第２電解用電極７が正極となるように電圧を印加した場合、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に電界が形成され、電界中の陽イオンは第１電解用電極８方向に移動し、負イオンは第２電解用電極７方向に移動する。図２の場合では、電解液中の水素イオン（Ｈ+）またはヒドロニウムイオン（Ｈ3Ｏ+）は、イオン交換部１３方向に移動し、イオン交換部１３が有するイオン交換基（Ｒ−ＳＯ3-）（固定イオン）とイオン結合し、対立イオン（Ｈ+）となることができる。この対立イオンとなったＨ+は、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間の電界によりイオン交換部１３をイオン伝導し、第１電解用電極８の表面にまでイオン伝導することができ、第１電解用電極８の表面でＨ2となることができる。
【００３３】
２．第１電解用電極および第２電解用電極
第１電解用電極８および第２電解用電極７は、例えば、図１のようにその間に電圧を印加できるように設けられる。また、第１電解用電極８および第２電解用電極７は、例えば、図４、６〜１２のように光電変換部２とそれぞれ電気的に接続し、光電変換部２が受光することにより生じる起電力が第１電解用電極８および第２電解用電極７に出力されるように電気的に接続することができるように設けることができる。
第１電解用電極８は、孔を有する。孔を有する第１電解用電極８としては、例えば、多孔性を有する電極や格子状の電極や粒子が充填されたような構造を有する電極や布状の電極などである。ここで第１電解用電極８が有する孔とは、第１電解用電極８の内部に形成され、第１電解用電極８の表面に導通しているものをいう。
第１電解用電極８は特に多孔性を有することが好ましい。このことにより、第１電解用電極８の表面積を広くすることができ、第１気体の発生効率を高くすることができる。第１電解用電極８としては、たとえば、多孔性カーボンなどを用いることができる。
【００３４】
第１電解用電極８は、イオン交換部１３に接触する。このことにより、イオン交換部１３をイオン伝導したイオンが第１電解用電極８の表面で反応することができ、前記イオンから第１気体を発生させることができる。
また、第１電解用電極８は、内部に孔を有する。発生させた第１気体は、この孔を導通し、第１気体排出口２０から排出することができる。このため、第１電解用電極８で発生させた第１気体を効率よく回収することができる。また、第１気体を気泡とすることなく回収できるため、第１気体排出口２０を装置の側部や下部に設けることもできる。
【００３５】
また、第１電解用電極８は、その表面にイオン交換樹脂からなる塗布膜４３を有することができる。このイオン交換樹脂に含まれるイオン交換基（固定イオン）と、イオン交換部１３をイオン伝導したイオンがイオン結合する場合、このイオンが塗布膜４３をイオン伝導し、第１電解用電極８内の孔に移動することができる。このため、イオン交換部１３をイオン伝導したイオンが第１電解用電極８内の多くの孔４５で第１気体となることができ、電解効率を高くすることができる。具体的には、触媒を担持した多孔性カーボンとイオン交換樹脂を混合することにより、第１電解用電極８の表面に塗布膜４３を形成することができる。
【００３６】
また、第１電解用電極８は、その表面にイオン交換部１３をイオン伝導したイオンとイオン結合することができるイオン交換基を表面基として有することができる。このことにより、イオン交換部１３をイオン伝導したイオンは、第１電解用電極８表面のイオン交換基とイオン結合することができ、このイオンが第１電解用電極８表面をイオン伝導することができる。このため、イオン交換部１３をイオン伝導したイオンが第１電解用電極８内の多くの孔４５で第１気体となることができ、電解効率を高くすることができる。また、第１電解用電極８内の孔４５であって、イオン交換樹脂が入り込むことができないような小さい細孔であっても、イオン交換基を表面基として修飾することが可能である。このため、第１気体が発生する反応が生じる第１電解用電極８の表面積をより広くすることができ、電解効率をより高くすることができる。第１気体が水素の場合、第１電解用電極８表面のイオン交換基は、例えば、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基などが挙げられる。これらの官能基は、プロトン解離性を有するためである。これらの官能基は、多孔性の第１電解用電極８を表面処理することにより形成することができる。より具体的には、イオン交換基がスルホン酸基とした場合、第１電解用電極８となる多孔性カーボンを硫酸、発煙硫酸などで表面処理することにより、多孔性カーボンの表面にスルホン酸基を形成することができる。
【００３７】
第１気体が水素ガスとした場合について図２を用いてより具体的に説明する。例えば、イオン交換部１３をイオン伝導したＨ+は、第１電解用電極８表面の塗布膜４３に含まれるイオン交換基（−ＳＯ3-）または第１電解用電極８の表面基であるイオン交換基（−ＳＯ3-）とイオン結合し、第１電解用電極８の表面をイオン伝導し、第１電解用電極８内の孔４５に担持された触媒４２表面で水素ガスとなることができる。この水素ガスは、孔４５を導通し、第１気体排出口２０から回収することができる。なお、この水素ガスは、気泡となることなく回収することができるため、第１気体排出口２０は、装置の上方に設ける必要がなく装置の側部や下方に設けることもできる。
【００３８】
次に、本実施形態の気体製造装置２３が光電変換部２を備え、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に出力することができるように設けられた場合について説明する。
【００３９】
第１電解用電極８および第２電解用電極７は、光電変換部２の裏面の上に設けることができる。このことにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７は光電変換部２に入射する光を遮ることはない。また、光電変換部２が受光することにより、受光面とその裏面との間に起電力が生じる場合、第１電解用電極８および第２電解用電極７のうち一方は、光電変換部２の受光面と電気的に接続し、他方は光電変換部２の裏面と電気的に接続することができる。例えば、図４、６〜８、１１、１２のように、第１電解用電極８が光電変換部２の裏面と電気的に接続し、第２電解用電極７が光電変換部２の受光面と電気的に接続することができる。なお、この電気的接続関係は逆であってもよい。なお、リーク電流が生じることを防止するために、第１電解用電極８と光電変換部２との間、または第２電解用電極７と光電変換部２との間に絶縁部１１を設けることができる。また、このような絶縁部１１を設けた場合、絶縁部１１と第１電解用電極８との間または絶縁部１１と第２電解用電極７との間に導電部をもうけることができる。このことにより内部抵抗を小さくすることができる。
【００４０】
ここでは、第１電解用電極８が光電変換部２の裏面と電気的に接続し、第２電解用電極７が光電変換部２の受光面と電気的に接続する場合について説明する。
第１電解用電極８は、光電変換部２の裏面上に形成することにより光電変換部２の裏面と電気的に接続することができる。また、図４、６〜８、１１のように光電変換部２の裏面上に第２電極５を形成し、第２電極５上に第１電解用電極８を形成してもよい。このことにより、内部抵抗を小さくすることができる。
【００４１】
第２電解用電極７は、第１導電部９を介して光電変換部２の受光面と電気的に接続してもよい。
第１導電部９は、例えば、図７、１１のように光電変換部２の受光面と接触するように設けられた第１電極４のみからなってもよい。この場合、光電変換部２の側面を覆うように絶縁部１１が設けられ、第２電解用電極７が、光電変換部２の側面を覆う絶縁部１１の上に設けられてもよい。
【００４２】
また、第１導電部９は、光電変換部２の受光面と接触するように設けられた第１電極４と、第２導電部１０からなってもよい。第２導電部１０としては、例えば、図４、６のように光電変換部２を貫通するコンタクトホール内に設けられた導電体であってもよく、図８のように第１電極４上および第２電解用電極７と光電変換部２との間に設けられた絶縁部１１上に設けられた導電体層であってもよく、図１２のように光電変換部２の側面上に設けられた導電体であってもよい。
【００４３】
また、光電変換部２が受光することにより光電変換部２の第１区域と第２区域との間に起電力が生じる場合、第１電解用電極８および第２電解用電極７のうち一方は、第１区域と電気的に接続し、他方は、第２区域と電気的に接続することができる。例えば、図９、１０のように、第１電解用電極８は、光電変換部２に含まれるｎ型半導体部３７と電気的に接続することができ、第２電解用電極７は、ｐ型半導体部３６と電気的に接続することができる。この電気的接続関係は逆であってもよい。
【００４４】
第１電解用電極８および第２電解用電極７は、図４、６〜１０のように光電変換部２の裏面上に並列に設けられてもよく、図１１のように光電変換部２の裏面上に絶縁部１１を挟んで積層されてもよく、図１２のように光電変換部２の裏面側に電解液室１５を挟んで対向するように設けられてもよい。
第１電解用電極８と第２電解用電極７を光電変換部２の裏面上に並列に設けた場合、光電変換部２と電解用電極との間の配線距離を短くすることができ、内部抵抗を小さくすることができる。
第１電解用電極８と第２電解用電極７とを図１１のように積層した場合、第１電解用電極８と第２電解用電極７を大きく設けることができる。また、絶縁部１１に電解液透過性を有する絶縁体を用いることにより、イオン交換部１３に電解液を接触させることができる。
第１電解用電極８と第２電解用電極７とを図１２のように設けた場合、第１電解用電極８と第２電解用電極７を大きく設けることができる。また、第２気体を気泡として容易に上昇させることができるため、第２気体が第２電解用電極７表面に滞留することを防止することができる。
【００４５】
また、電解液を水溶液とした場合、第１電解用電極８を水素発生部とし、第２電解用電極７を酸素発生部とすることができる。この場合、本実施形態の気体製造装置２３により、水素および酸素を製造することができる。
【００４６】
３．水素発生部
水素発生部は、電解液からＨ2を発生させる部分であり、第１電解用電極８とすることができる。また、水素発生部は、電解液（プロトン）からＨ2が発生する反応の触媒４２を含んでもよい。このことにより、電解液（プロトン）からＨ2が発生する反応の反応速度を大きくすることができる。水素発生部は、電解液からＨ2が発生する反応の多孔質、格子状、布状などの触媒のみからなってもよく、この触媒が多孔質、格子状、布状などの担持体に担持されたものであってもよい。また、水素発生部は、触媒が担持された多孔質の導電体であってもよい。このことにより、触媒表面積を大きくすることができる。さらに、水素発生部は、水素発生触媒としてＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｆｅ、ＮｉおよびＳｅのうち少なくとも１つを含んでもよい。このような構成によれば、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に印加された電力により、より速い反応速度で水素を発生させることができる。
【００４７】
電解液（プロトン）からＨ2が発生する反応の触媒（水素発生触媒）は、２つのプロトンと２つの電子から１分子の水素への変換を促進する触媒であり、化学的に安定であり、水素生成過電圧が小さい材料を用いることができる。例えば、水素に対して触媒活性を有するＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ａｕ等の白金族金属およびその合金あるいは化合物、水素生成酵素であるヒドロゲナーゼの活性中心を構成するＦｅ，Ｎｉ，Ｓｅの合金あるいは化合物、およびこれらの組み合わせ等を好適に用いることが可能である。中でもＰｔおよびＰｔを含有するナノ構造体は水素発生過電圧が小さく好適に用いることが可能である。光照射により水素発生反応が確認されるＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＺｎＳ，ＺｒＯ2などの材料を用いることもできる。
水素発生触媒を担持する有孔の導電体としては、多孔質金属、多孔質カーボンなどが挙げられる。例えば、多孔質カーボン表面に触媒金属などを含む溶液を塗布し、乾燥、熱処理することにより、多孔質カーボン表面に触媒を担持することができる。
【００４８】
４．酸素発生部
酸素発生部は、電解液からＯ2を発生させる部分であり、第２電解用電極７とすることができる。また、酸素発生部は、電解液からＯ2が発生する反応の触媒を含んでもよい。このことにより、電解液からＯ2が発生する反応の反応速度を大きくすることができる。また、酸素発生部は、電解液からＯ2が発生する反応の触媒のみからなってもよく、この触媒が担持体に担持されたものであってもよい。また、酸素発生部は、光電変換部２の受光面の面積より大きい触媒表面積を有してもよい。このことにより、電解液からＯ2が発生する反応をより速い反応速度とすることができる。また、酸素発生部は、触媒が担持された多孔質の導電体であってもよい。このことにより、触媒表面積を大きくすることができる。また、光電変換部２と酸素発生部に含まれる触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。さらに、酸素発生部は、酸素発生触媒としてＭｎ、Ｃａ、Ｚｎ、ＣｏおよびＩｒのうち少なくとも１つを含んでもよい。このような構成によれば、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に印加された電力により、より速い反応速度で酸素を発生させることができる。
【００４９】
電解液からＯ2が発生する反応の触媒（酸素発生触媒）は、２つの水分子から１分子の酸素および４つのプロトンと４つの電子への変換を促進する触媒であり、化学的に安定であり、酸素発生過電圧が小さい材料を用いることができる。例えば、光を用い水から酸素発生を行う反応を触媒する酵素であるPhotosystem IIの活性中心を担うＭｎ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｃｏを含む酸化物あるいは化合物や、Ｐｔ，ＲｕＯ2，ＩｒＯ2等の白金族金属を含む化合物や、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｃｅ，Ｆｅ，Ｎｉ等の遷移金属を含む酸化物あるいは化合物、および上記材料の組み合わせ等を用いることが可能である。中でも酸化イリジウム、酸化マンガン、酸化コバルト、リン酸コバルトは、過電圧が小さく酸素発生効率が高いことから好適に用いることができる。
【００５０】
酸素発生触媒を直接光電変換部２の表面に担持することは可能であるが、反応面積をより大きくし気体生成速度を向上させるために、触媒を導電体に担持することができる。触媒を担持する導電体としては、金属材料、炭素質材料、導電性を有する無機材料等が挙げられる。
【００５１】
金属材料としては、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する材料が好ましい。具体的には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ、Ｓｉ等の金属並びにこれらの金属の窒化物および炭化物、ステンレス鋼、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金が挙げられる。金属材料には、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが、他の化学的な副反応が少ないという観点から、より好ましい。これら金属材料は、比較的電気抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下を抑制することができる。また、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の酸性雰囲気下での耐腐食性に乏しい金属材料を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属、カーボン、グラファイト、グラッシーカーボン、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等によって耐腐食性に乏しい金属の表面をコーティングしてもよい。
【００５２】
炭素質材料としては、化学的に安定で導電性を有する材料が好ましい。例えば、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、ＶＧＣＦ、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン等の炭素粉末や炭素繊維が挙げられる。
【００５３】
導電性を有する無機材料としては、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2、酸化アンチモンドープ酸化スズが挙げられる。
【００５４】
なお、導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン等が挙げられ、導電性窒化物としては、窒化炭素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化ゲルマニウム、窒化チタニウム、窒化ジルコニウム、窒化タリウム等が挙げられ、導電性炭化物としては、炭化タンタル、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタニウム、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化鉄、炭化ニッケル、炭化ハフニウム、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化クロム等が挙げられ、導電性酸化物としては、酸化スズ、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化アンチモンドープ酸化スズ等が挙げられる。
【００５５】
酸素発生触媒を担持する導電体の構造としては、板状、箔状、棒状、メッシュ状、ラス板状、多孔質板状、多孔質棒状、織布状、不織布状、繊維状、フェルト状が好適に使用できる。また、フェルト状電極の表面を溝状に圧着した溝付き導電体は、電気抵抗と電極液の流動抵抗を低減できるので好適である。
【００５６】
水素発生触媒および酸素発生触媒の単独の触媒活性が小さい場合、助触媒を用いることも可能である。例えば、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｓｅの酸化物あるいは化合物などが挙げられる。
【００５７】
なお、酸素発生触媒の担持方法は、導電体もしくは半導体に直接塗布する方法や、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法等の乾式塗工法、電析法など、材料により適宜その手法を変え作製ことが可能である。光電変換部と触媒の間に適宜導電物質を担持することが可能である。また酸素発生のための触媒活性が十分でない場合、金属やカーボン等の多孔質体や繊維状物質、ナノ粒子等に担持することにより反応表面積を大きくし、酸素発生速度を向上させることが可能である。
【００５８】
５．光電変換部
光電変換部２は、受光面および裏面を有し、光電変換部２の裏面の側に第１電解用電極８と第２電解用電極７を設けることができる。なお、受光面とは、光電変換するための光を受光する面であり、裏面とは、受光面の裏の面である。また、光電変換部２は、第１電極４が設けられた透光性基板１の上に受光面を下にして設けることができる。
【００５９】
光電変換部２は、入射光により電荷分離することができ、起電力が生じるものであれば、特に限定されないが、例えば、シリコン系半導体を用いた光電変換部、化合物半導体を用いた光電変換部、色素増感剤を利用した光電変換部、有機薄膜を用いた光電変換部などである。
光電変換部２は、受光することにより受光面と裏面との間に起電力が生じるものでもよく、また、受光することにより裏面の第１区域と第２区域との間に起電力が生じるものであってもよい。光電変換部２が受光面と裏面との間に起電力が生じるものである場合、例えば、図４、６〜８、１１、１２のように電気的に接続することにより光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に出力することができる。また、光電変換部２が裏面の第１区域と第２区域との間に起電力が生じるものである場合、例えば、図９、１０のように電気的に接続することにより光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に出力することができる。
【００６０】
光電変換部２は、光を受光することにより、水素発生部および酸素発生部においてそれぞれ水素と酸素が発生するために必要な起電力が生じる材料を使用することができる。水素発生部と酸素発生部の電位差は、水分解のための理論電圧（１．２３Ｖ）より大きくする必要があり、そのためには光電変換部２で十分大きな電位差を生み出す必要がある。そのため光電変換部２は、ｐｎ接合など起電力を生じさせる部分を二接合以上直列に接続することが好ましい。
【００６１】
光電変換を行う材料は、シリコン系半導体、化合物半導体、有機材料をベースとしたものなどが挙げられるが、いずれの光電変換材料も使用することが可能である。また、起電力を大きくするために、これらの光電変換材料を積層することが可能である。積層する場合には同一材料で多接合構造を形成することが可能であるが、光学的バンドギャップの異なる複数の光電変換層を積層し、各々の光電変換層の低感度波長領域を相互に補完することにより、広い波長領域にわたり入射光を効率よく吸収することが可能となる。これらの複数の光電変換層は、それぞれ異なるバンドギャップを有することが好ましい。このような構成によれば、光電変換部で生じる起電力をより大きくすることができ、電解液をより効率的に電気分解することができる。
【００６２】
また、光電変換層間の直列接続特性の改善や、光電変換部２で発生する光電流の整合のために、層間に透明導電膜等の導電体を介在させることが可能である。これにより光電変換部２の劣化を抑制することが可能となる。
光電変換部２は、図８、１０のように、並べて形成した光電変換層を第３導電部３３により直列接続したものであってもよい。また、光電変換層２８が受光面側と裏面側との間に起電力が生じる場合、図８のように光電変換層２８の受光面側に設けた透光性電極３０と光電変換層２８の裏面側に設けた裏面電極３１とを電気的に接続することにより第３導電部３３を形成することができる。なお、透光性電極３０は、第１電極４と同様の方法に形成することが可能である。また、透光性基板１上にＣＶＤ法またはスパッタリング法により透光性導電膜を形成し、透光性導電膜をレーザスクライブ加工することにより、第１電極４と透光性電極３０を同時に形成することもできる。裏面電極３１は、第２電極５と同様の方法で形成可能である。また、透光性電極３０と裏面電極３１とを電気的に接続する方法は、例えば、光電変換層２８にコンタクトホールを形成する方法であってもよく、裏面電極３１の一部が透光性電極３０の一部の上に形成する方法であってもよい。
また、光電変換層が裏面側の異なる領域間に起電力を生じさせる場合、図１０のように第３導電部３３を形成することができる。
光電変換部２の例を以下に具体的に説明する。また、光電変換部２は、これらを組み合わせたものでもよい。また、以下の光電変換部２の例は、矛盾しない限り光電変換層とすることもできる。
【００６３】
５−１．シリコン系半導体を用いた光電変換部
シリコン系半導体を用いた光電変換部２は、例えば、単結晶型、多結晶型、アモルファス型、球状シリコン型、及びこれらを組み合わせたもの等が挙げられる。いずれもｐ型半導体とｎ型半導体が接合したｐｎ接合を有することができる。また、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にｉ型半導体を設けたｐｉｎ接合を有するものとすることもできる。また、ｐｎ接合を複数有するもの、ｐｉｎ接合を複数有するもの、ｐｎ接合とｐｉｎ接合を有するものとすることもできる。
シリコン系半導体とは、シリコンを含む半導体であり、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、シリコンゲルマニウムなどである。また、シリコンなどにｎ型不純物またはｐ型不純物が添加されたものも含み、また、結晶質、非晶質、微結晶のものも含む。
また、シリコン系半導体を用いた光電変換部２は、透光性基板１の上に形成された薄膜または厚膜の光電変換層であってもよく、また、シリコンウェハなどのウェハにｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成したものでもよく、また、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成したウェハの上に薄膜の光電変換層を形成したものでもよい。
【００６４】
シリコン系半導体を用いた光電変換部２の形成例を以下に示す。
透光性基板１上に積層した第１電極４上に、第１導電型半導体層をプラズマＣＶＤ法等の方法で形成する。この第１導電型半導体層としては、導電型決定不純物原子濃度が１×１０18〜５×１０21／ｃｍ3程度ドープされた、ｐ+型またはｎ+型の非晶質Ｓｉ薄膜、または多結晶あるいは微結晶Ｓｉ薄膜とする。第１導電型半導体層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。
【００６５】
このように形成された第１導電型半導体層上に、結晶質Ｓｉ系光活性層として多結晶あるいは微結晶の結晶質Ｓｉ薄膜をプラズマＣＶＤ法等の方法で形成する。なお、導電型は第１導電型半導体よりドーピング濃度が低い第１導電型とするか、あるいはｉ型とする。結晶質Ｓｉ系光活性層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。
【００６６】
次に、結晶質Ｓｉ系光活性層上に半導体接合を形成するため、第１導電型半導体層とは反対導電型である第２導電型半導体層をプラズマＣＶＤ等の方法で形成する。この第２導電型半導体層としては、導電型決定不純物原子が１×１０18〜５×１０21／ｃｍ3程度ドープされた、ｎ+型またはｐ+型の非晶質Ｓｉ薄膜、または多結晶あるいは微結晶Ｓｉ薄膜とする。第２導電型半導体層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。また接合特性をより改善するために、結晶質Ｓｉ系光活性層と第２導電型半導体層との間に、実質的にｉ型の非単結晶Ｓｉ系薄膜を挿入することも可能である。このようにして、受光面に最も近い光電変換層を一層積層することができる。
【００６７】
続けて第二層目の光電変換層を形成する。第二層目の光電変換層は、第１導電型半導体層、結晶質Ｓｉ系光活性層、第２導電型半導体層からなり、それぞれの層は、第一層目の光電変換層中の対応する第１導電型半導体層、結晶質Ｓｉ系光活性層、第２導電型半導体層と同様に形成する。二層のタンデムで水分解に十分な電位を得ることができない場合は、三層あるいはそれ以上の層状構造を取ることが好ましい。ただし第二層目の光電変換層の結晶質Ｓｉ系光活性層の体積結晶化分率は、第一層目の結晶質Ｓｉ系光活性層と比較すると高くすることが好ましい。三層以上積層する場合も同様に下層と比較すると体積結晶化分率を高くすることが好ましい。これは、長波長域での吸収が大きくなり、分光感度が長波長側にシフトし、同じＳｉ材料を用いて光活性層を構成した場合においても、広い波長域で感度を向上させることが可能となるためである。すなわち、結晶化率の異なるＳｉでタンデム構造にすることにより、分光感度が広くなり、光の高効率利用が可能となる。このとき低結晶化率材料を受光面側にしないと高効率とならない。また結晶化率が４０％以下に下がるとアモルファス成分が増え、劣化が生じてしまう。なおこの例では、光電変換層を積層することにより直列接続した各光電変換層からなる光電変換部２を説明したが、図１１、１３のように並べて設けた光電変換層を直列接続させることによっても光電変換部２を形成することができる。
【００６８】
次に、シリコン基板を用いた光電変換部２の形成例を以下に示す。
シリコン基板としては、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板などを用いることができ、ｐ型であっても、ｎ型であっても、ｉ型であってもよい。このシリコン基板の一部にＰなどのｎ型不純物を熱拡散またはイオン注入などによりドープすることによりｎ型半導体領域３７を形成し、シリコン基板のほかの一部にＢなどのｐ型不純物を熱拡散またはイオン注入などによりドープすることによりｐ型半導体領域３６を形成することができる。このことにより、シリコン基板にｐｎ接合、ｐｉｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合などを形成することができ、光電変換部２を形成することができる。
【００６９】
ｎ型半導体領域３７およびｐ型半導体領域３６は、図９、１０のようにシリコン基板にそれぞれ１つの領域を形成することができ、ｎ型半導体領域３７およびｐ型半導体領域３６のうちどちらか一方を複数形成することもできる。また、図１０のようにｎ型半導体領域３７およびｐ型半導体領域３６を形成したシリコン基板を並べて設置し、第３導電部３３により直列接続することにより光電変換部２を形成することもできる。
なお、ここではシリコン基板を用いて説明したが、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合などを形成することができる他の半導体基板を用いてもよい。また、ｎ型半導体領域３７およびｐ型半導体領域３６を形成することができれば、半導体基板に限定されず、基板上に形成された半導体層であってもよい。
【００７０】
５−２．化合物半導体を用いた光電変換部
化合物半導体を用いた光電変換部は、例えば、III−Ｖ族元素で構成されるＧａＰ、ＧａＡｓやＩｎＰ、ＩｎＡｓ、II−VI族元素で構成されるＣｄＴｅ／ＣｄＳ、Ｉ−III−VI族で構成されるＣＩＧＳ（Copper Indium Gallium DiSelenide）などを用いｐｎ接合を形成したものが挙げられる。
【００７１】
化合物半導体を用いた光電変換部の製造方法の一例を以下に示すが、本製造方法では、製膜処理等はすべて有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置を使って連続して行われる。III族元素の材料としては、例えばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなどの有機金属が水素をキャリアガスとして成長装置に供給される。Ｖ族元素の材料としては、例えばアルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）、スチビン（ＳｂＨ3）等のガスが使われる。ｐ型不純物またはｎ型不純物のドーパントとしては、例えばｐ型化にはジエチルジンク、またはｎ型化には、モノシラン（ＳｉＨ4）やジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）等が利用される。これらの原料ガスを、例えば７００℃に加熱された基板上に供給することにより熱分解させ、所望の化合物半導体材料膜をエピタキシャル成長させることが可能である。これら成長層の組成は導入するガス組成により、また膜厚はガスの導入時間によって制御することが可能である。これらの光電変換部を多接合積層する場合は、層間での格子定数を可能な限り合わせることにより、結晶性に優れた成長層を形成することができ、光電変換効率を向上することが可能となる。
【００７２】
ｐｎ接合を形成した部分以外にも、例えば受光面側に公知の窓層や、非受光面側に公知の電界層等を設けることによりキャリア収集効率を高める工夫を有してもよい。また不純物の拡散を防止するためのバッファ層を有していてもよい。
【００７３】
５−３．色素増感剤を利用した光電変換部
色素増感剤を利用した光電変換部は、例えば、主に多孔質半導体、色素増感剤、電解質、溶媒などにより構成される。
多孔質半導体を構成する材料としては、例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム等公知の半導体から１種類以上を選択することが可能である。多孔質半導体を基板上に形成する方法としては、半導体粒子を含有するペーストをスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
【００７４】
多孔質半導体に吸着する色素増感剤としては、可視光領域および赤外光領域に吸収を持つ種々の色素を用いることが可能である。ここで、多孔質半導体に色素を強固に吸着させるには、色素分子中にカルボン酸基、カルボン酸無水基、アルコキシ基、スルホン酸基、ヒドロキシル基、ヒドロキシルアルキル基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基等が存在することが好ましい。これらの官能基は、励起状態の色素と多孔質半導体の伝導帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供する。
【００７５】
これらの官能基を含有する色素として、例えば、ルテニウムビピリジン系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、アゾ系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ベリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素等が挙げられる。
【００７６】
多孔質半導体への色素の吸着方法としては、例えば多孔質半導体を、色素を溶解した溶液（色素吸着用溶液）に浸漬する方法が挙げられる。色素吸着用溶液に用いられる溶媒としては、色素を溶解するものであれば特に制限されず、具体的には、エタノール、メタノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトニトリル等の窒素化合物類、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン等の芳香族炭化水素、酢酸エチル等のエステル類、水等を挙げることができる。
【００７７】
電解質は、酸化還元対とこれを保持する液体または高分子ゲル等固体の媒体からなる。
酸化還元対としては一般に、鉄系、コバルト系等の金属類や塩素、臭素、ヨウ素等のハロゲン物質が好適に用いられ、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム等の金属ヨウ化物とヨウ素の組み合わせが好ましく用いられる。さらに、ジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド等のイミダゾール塩等を混入することもできる。
【００７８】
また、溶媒としては、プロピレンカーボネート等のカーボネート化合物、アセトニトリル等のニトリル化合物、エタノール、メタノール等のアルコール、その他、水や非プロトン極性物質等が用いられるが、中でも、カーボネート化合物やニトリル化合物が好適に用いられる。
【００７９】
５−４．有機薄膜を用いた光電変換部
有機薄膜を用いた光電変換部は、電子供与性および電子受容性を持つ有機半導体材料で構成される電子正孔輸送層、または電子受容性を有する電子輸送層と電子供与性を有する正孔輸送層とが積層されたものであってもよい。
電子供与性の有機半導体材料としては、電子供与体としての機能を有するものであれば特に限定されないが、塗布法により製膜できることが好ましく、中でも電子供与性の導電性高分子が好適に使用される。
【００８０】
ここで導電性高分子とはπ共役高分子を示し、炭素−炭素またはヘテロ原子を含む二重結合または三重結合が、単結合と交互に連なったπ共役系からなり、半導体的性質を示すものをさす。
【００８１】
電子供与性の導電性高分子材料としては、例えばポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリシラン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、およびこれらの誘導体、共重合体、あるいはフタロシアニン含有ポリマー、カルバゾール含有ポリマー、有機金属ポリマー等が挙げられる。中でも、チオフェン−フルオレン共重合体、ポリアルキルチオフェン、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体、フルオレン−フェニレンビニレン共重合体、チオフェン−フェニレンビニレン共重合体等が好適に利用される。
【００８２】
電子受容性の有機半導体材料としては、電子受容体としての機能を有するものであれば特に限定されないが、塗布法により製膜できることが好ましく、中でも電子供与性の導電性高分子が好適に使用される。
電子受容性の導電性高分子としては、例えばポリフェニレンビニレン、ポリフルオレン、およびこれらの誘導体、共重合体、あるいはカーボンナノチューブ、フラーレンおよびこれらの誘導体、ＣＮ基またはＣＦ3基含有ポリマーおよびそれらの−ＣＦ3置換ポリマー等が挙げられる。
【００８３】
また、電子供与性化合物がドープされた電子受容性の有機半導体材料や、電子受容性化合物がドープされた電子供与性の有機半導体材料等を用いることが可能である。電子供与性化合物がドープされる電子受容性の導電性高分子材料としては、上述の電子受容性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子供与性化合物としては、例えばＬｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｓ等のアルカリ金属やアルカリ土類金属のようなルイス塩基を用いることができる。なお、ルイス塩基は電子供与体として作用する。また、電子受容性化合物がドープされる電子供与性の導電性高分子材料としては、上述した電子供与性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子受容性化合物としては、例えばＦｅＣｌ3、ＡｌＣｌ3、ＡｌＢｒ3、ＡｓＦ6やハロゲン化合物のようなルイス酸を用いることができる。なお、ルイス酸は電子受容体として作用する。
【００８４】
上記にて示した光電変換部２においては、第一義的には太陽光を受光させ光電変換を行うことを想定しているが、用途により蛍光灯や白熱灯、ＬＥＤ、特定の熱源から発せられる光等の人工光を照射し光電変換を行うことも可能である。
【００８５】
６．気体流路
気体流路１７は、第１電解用電極８と光電変換部２との間に設けることができる。また、気体流路１７は、第１電解用電極８内の孔４５を導通した第１気体を第１気体排出口２０へ導通させることができるように設けることができる。具体的には、図６のように気体流路１７を設けることができる。気体流路１７を設けることにより、第１電解用電極８で生成した第１気体を速やかに第１気体排出口２０から回収することができ、第１電解用電極８内の細孔で第１気体の分圧が高くなることを防止することができる。また、気体流路１７の代わりに、導電性多孔質からなる気体導通部を設けることもできる。
【００８６】
７．透光性基板
透光性基板１は、光電変換部２を備える本実施形態の気体製造装置２３が備えてもよい。また、光電変換部２は、受光面が透光性基板１側となるように透光性の透光性基板１の上に設けられてもよい。なお、光電変換部２が、半導体基板などからなり一定の強度を有する場合、透光性基板１は省略することが可能である。また、光電変換部２が樹脂フィルムなど柔軟性を有する材料の上に形成可能な場合、透光性基板１は省略することができる。
【００８７】
また、透光性基板１は、光電変換部２を構成するための土台となる部材である。また、太陽光を光電変換部２の受光面で受光するためには、透明であり光透過率が高いことが好ましいが、光電変換部２へ効率的な光の入射が可能な構造であれば、光透過率に制限はない。
光透過率が高い基板材料として、例えば、ソーダガラス、石英ガラス、パイレックス（登録商標）、合成石英板等の透明なリジッド材、あるいは透明樹脂板やフィルム材等が好適に用いられる。化学的および物理的安定性を備える点より、ガラス基板を用いることが好ましい。
透光性基板１の光電変換部２側の表面には、入射した光が光電変換部２の表面で有効に乱反射されるように、微細な凹凸構造に形成することができる。この微細な凹凸構造は、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理もしくはブラスト処理等の公知の方法により形成することが可能である。
【００８８】
８．第１導電部
第１導電部９は、第１電解用電極８または第２電解用電極７と光電変換部２の受光面とを電気的に接続させることができる。また、第１導電部９は、１つの部材からなってもよく、第１電極４と第２導電部１０からなってもよい。
第１導電部９が１つの部材からなる場合としては、例えば、光電変換部２の受光面と第１電解用電極８または第２電解用電極７を電気的に接続させる金属配線などである。また、例えば、Ａｇからなる金属配線である。また、この金属配線は、光電変換部２に入射する光を減少させいないように、フィンガー電極のような形状を有してもよい。第１導電部９は、透光性基板１の光電変換部２側に設けられてもよく、光電変換部２の受光面に設けられてもよい。また、第１導電部９を例えば図７のように、第１電極４とし、第２電解用電極７を第１電極４と接触するように設けてもよい。
【００８９】
９．第１電極
第１電極４は、透光性基板１の上に設けることができ、光電変換部２の受光面と接触するように設けることができる。また、第１電極４は透光性を有してもよい。また、第１電極４は、透光性基板１を省略可能の場合、光電変換部２の受光面に直接設けられてもよい。第１電極４を設けることにより、光電変換部２の受光面と第１電解用電極８または第２電解用電極７との間に流れる電流を大きくすることができる。第１電極４は、図４のように光電変換部２の受光面全面上に設けられてもよく、図８のように光電変換部２の受光面の一部の上のみに設けられてもよい。
第１電極４は、例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ2などの透明導電膜からなってもよく、Ａｇ、Ａｕなどの金属のフィンガー電極からなってもよい。
【００９０】
以下に第１電極４を透明導電膜とした場合について説明する。
第１電極４には、一般に透明電極として使用されているものを用いることが可能である。具体的にはＩｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2等を挙げることができる。なお本透明導電膜は、太陽光の光線透過率が８５％以上、中でも９０％以上、特に９２％以上であることが好ましい。このことにより光電変換部２が光を効率的に吸収することができるためである。
透明導電膜の作成方法としては公知の方法を用いることができ、スパッタリング、真空蒸着、ゾルゲル法、クラスタービーム蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。
【００９１】
１０．第２電極
第２電極５は、光電変換部２の裏面上に設けることができる。第２電極５を設けることにより、光電変換部２の裏面の電位とこの裏面と電気的に接続する第１または第２電解用電極の電位をほぼ同じにすることができ、オーミックロスを低減することができる。また、光電変換部２の裏面とこの裏面と電気的に接続する第１または第２電解用電極との間に流れる電流を大きくすることができる。このことにより、光電変換部２で生じた起電力により第１気体および第２気体をより効率的に発生させることができる。また、第２電極５は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、電解液による光電変換部２の腐食を防止することができる。
第２電極５は、導電性を有すれば特に限定されないが、例えば、金属薄膜であり、また、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの薄膜である。これらは、例えば、スパッタリングなどにより形成することができる。また、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2等の透明導電膜である。
【００９２】
１１．絶縁部
絶縁部１１は、本実施形態の気体製造装置２３にリーク電流が生じることを防止するために設けることができる。例えば、絶縁部１１は、光電変換部２の裏面と第２電解用電極７との間に設けることができる。また、絶縁部１１は、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に設けることもできる。さらに、絶縁部１１は、第１導電部９と光電変換部２との間、第２導電部１０と光電変換部２との間、および第２導電部１０と第２電極５との間に設けることができる。
絶縁部１１を設けることにより、光電変換部２が受光することにより生じた起電力を第１電解用電極８および第２電解用電極７に出力をすることができ、リーク電流をより小さくすることができる。
【００９３】
また、絶縁部１１は、図７、８、１１のように光電変換部２の側面を覆うように形成することができる。このことにより、光電変換部２の側面を覆った絶縁部１１の上に第２電解用電極７または第２導電部１０を形成することができ、リーク電流が発生することを防止することができる。
また、光電変換部２が図９、１０のように、光電変換部２の裏面の異なる領域間で起電力を生じさせる場合、絶縁部１１は、第１電解用電極８および第２電解用電極７と光電変換部２の裏面との間に設けることができ、第１電解用電極８と光電変換部２の裏面の一部とを電気的に接続させるための開口および第２電解用電極７と光電変換部２の裏面の一部とを電気的に接続させるための開口を有することができる。
また、絶縁部１１は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、電解液による光電変換部２の腐食を防止することができる。
【００９４】
絶縁部１１としては、有機材料、無機材料を問わず用いることが可能であり、例えば、ポリアミド、ポリイミド、ポリアリーレン、芳香族ビニル化合物、フッ素系重合体、アクリル系重合体、ビニルアミド系重合体等の有機ポリマー、無機系材料としては、Ａｌ2Ｏ3等の金属酸化物、多孔質性シリカ膜等のＳｉＯ2や、フッ素添加シリコン酸化膜（ＦＳＧ）、ＳｉＯＣ、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）膜、ＳｉＮx、シラノール（Ｓｉ（ＯＨ）4）をアルコール等の溶媒に溶かし塗布・加熱することにより製膜する方法を用いることが可能である。
【００９５】
絶縁部１１を形成する方法としては、絶縁性材料を含有するペーストをスクリーン印刷法、インクジェット法、スピンコーティング法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法を利用した方法等が挙げられる。
なお、絶縁部１１を光電変換部２と第１電解用電極８または第２電解用電極７との間に設けた場合、絶縁部１１と第１電解用電極８または第２電解用電極７との間に導電層を設けることができる。このことにより、内部抵抗をより小さくすることができる。この導電層は例えばスパッタリングやＣＶＤ法により形成することができる。
【００９６】
１２．第２導電部
第２導電部１０は、第１電極４と第１電解用電極８または第２電解用電極７とにそれぞれ接触するように設けることができる。第２導電部１０を設けることにより、容易に光電変換部２の受光面に接触した第１電極４と第１電解用電極８または第２電解用電極７とを電気的に接続することができる。
【００９７】
第２導電部１０は、光電変換部２を貫通するコンタクトホールに設けられてもよい。このことにより、第２導電部１０を設けることによる光電変換部２の受光面の面積の減少をより小さくすることができる。また、このことにより、光電変換部２の受光面と第１電解用電極８または第２電解用電極７との間の電流経路を短くすることができ、より効率的に第１気体または第２気体を発生させることができる。
また、第２導電部１０が設けられたコンタクトホールは、１つまたは複数でもよく、円形の断面を有してもよい。また、光電変換部２の受光面と平行なコンタクトホールの断面積（コンタクトホールが複数の場合、その断面積の総計）は、光電変換部２の受光面の面積を１００％としたとき、０．１％以上１０％以下とすることができ、好ましくは、０．５％以上８％以下、さらに好ましくは、１％以上６％以下とすることができる。このような構成によれば、第２導電部を設けたことによる光電変換部の受光面の面積の減少を少なくすることができる。
また、第２導電部１０は、光電変換部２が形成されていない領域に設けられてもよい。
さらに、第２導電部１０は、光電変換部２の側面を覆うように設けられてもよい。
【００９８】
第２導電部１０の材料は、導電性を有しているものであれば特に制限されない。導電性粒子を含有するペースト、例えばカーボンペースト、Ａｇペースト等をスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
【００９９】
１３．天板、外箱
天板１４は、第１電解用電極８および第２電解用電極７の上に透光性基板１と対向するように設けることができる。また、天板１４は、第１電解用電極８および第２電解用電極７と天板１４との間に空間が設けられるように設けることができる。また、天板１４は、外箱１６の一部であってもよい。
【０１００】
また、天板１４は、電解液室１５を構成し、生成した第２気体などを閉じ込めるために構成される材料であり、機密性が高い物質が求められる。透明なものであっても不透明なものであっても特に限定されるものではないが、天板としては特に限定されず、例えば石英ガラス、パイレックス（登録商標）、合成石英板等の透明なリジッド材、あるいは透明樹脂板、透明樹脂フィルムなどを挙げることができる。中でも、ガスの透過性がなく、化学的物理的に安定な物質である点でガラス材を用いることが好ましい。
【０１０１】
外箱１６は、光電変換部２、第１気体発生部８、第２気体発生部７などを収容することができ、電解液室１５を形成することができるものであれば特に限定されない。また、外箱１６は天板１４を有することができる。
外箱１６は耐熱性、および耐食性を備えていることが望ましい。外箱１６は例えばステンレス鋼等の鋼材または、ジルコニア、アルミナ等のセラミック、フェノール樹脂、メラミン樹脂（ＭＦ）、ガラス繊維強化ポリアミド樹脂等の合成樹脂を用いることが好ましい。
【０１０２】
１４．シール材
シール材は、透光性基板１と天板１４または外箱１６を接着し、気体製造装置２３内の電解液および気体製造装置２３内で生成した第１気体および第２気体を密閉するための材料である。シール材は、例えば、紫外線硬化性接着剤、熱硬化性接着剤等が好適に使用されるが、その種類は限定されるものではない。紫外線硬化性の接着剤としては、２００〜４００ｎｍの波長を持つ光を照射することにより重合が起こり光照射後数秒で硬化反応が起こる樹脂であり、ラジカル重合型とカチオン重合型に分けられ、ラジカル重合型樹脂としてはアクリルレート、不飽和ポリエステル、カチオン重合型としては、エポキシ、オキセタン、ビニルエーテル等が挙げられる。また熱硬化性の高分子接着剤としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、熱硬化性ポリイミド等の有機樹脂が挙げられる。熱硬化性の高分子接着剤は、熱圧着時に圧力を掛けた状態で加熱重合し、その後、加圧したまま、室温まで冷却することにより、各部材を良好に接合させるため、締め付け部材等を要しない。また、有機樹脂に加えて、ガラス基板に対して密着性の高いハイブリッド材料を用いることが可能である。ハイブリッド材料を用いることによって、弾性率や硬度等の力学的特性が向上し、耐熱性や耐薬品性が飛躍的に向上する。ハイブリッド材料は、無機コロイド粒子と有機バインダ樹脂とから構成される。例えば、シリカなどの無機コロイド粒子と、エポキシ樹脂、ポリウレタンアクリレート樹脂やポリエステルアクリレート樹脂などの有機バインダ樹脂とから構成されるものが挙げられる。
【０１０３】
ここではシール材と記しているが、透光性基板１と天板１４または外箱１６を接着させる機能を有するものであれば限定されず、樹脂製あるいは金属製のガスケットを用い外部からネジ等の部材を用いて物理的に圧力を加え機密性を高める方法等を適宜用いることも可能である。
【０１０４】
１５．電解液室
電解液室１５は、イオン交換部１３および第２電解用電極７に接するように設けることができる。例えば、図１、１２のように、イオン交換部１３と第２電解用電極７との間に設けられてもよく、図４、６〜１０のようにイオン交換部１３および第２電解用電極７と天板１４との間に設けられてもよく、図１１のように第２電解用電極７と天板１４との間に設けられてもよい。
生成した第２気体の気泡が効率よく第２電解用電極７から離れるように、電解液室１５の内部で電解液を循環させるような例えばポンプやファン、熱による対流発生装置などの簡易装置を備え付けることも可能である。
【０１０５】
１６．給水口、第１気体排出口、第２気体排出口
給水口１８は、気体製造装置２３に含まれる外箱１６の一部に開口を作ることにより設けることができる。給水口１８は、電解液を補充するために配置され、その配置箇所および形状は、電解液が効率よく気体製造装置へ供給されさえすれば、特に限定されるものではないが、流動性および供給の容易性の観点から、気体製造装置下部に設置することが好ましい。
【０１０６】
また、第２気体排出口１９は、給水口１８を下側にして気体製造装置２３を設置したとき、気体製造装置２３の上側の部分の外箱１６に開口を作ることにより設けることができる。第１気体はイオン交換部１３により第２気体と分離することができ気泡とならないため、第１気体排出口２０は、外箱１６に第１電解用電極８に導通する開口を作ることにより設けることができる。第１気体は、気泡とはならないため、第１気体排出口２０は、気体製造装置２３の下側に設けてもよく、側面に設けてもよく、上側に設けてもよい。
【０１０７】
このように給水口１８、第１気体排出口２０、第２気体排出口１９を設けることにより、気体製造装置２３を光電変換部２の受光面が上向きの状態で水平面に対し傾斜し、給水口１８が下側になり第２気体排出口１９が上側になるように設置することができる。このように設置することにより、給水口１８から電解液を気体製造装置２３内に導入し、電解液室１５を電解液で満たすことができる。この状態で、気体製造装置２３に光を入射させることにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７でそれぞれ、連続して第１気体および第２気体を発生させることができる。この発生した第１気体および第２気体は、イオン交換部１３により分離されており、第１気体は第１気体排出口２０から回収することができ、第２気体は、気泡として電解液中を上昇し、第２気体排出口１９から回収することができる。
【０１０８】
１７．電解液
電解液は、第１気体および第２気体の原料となる液体である。第１気体および第２気体が水素ガスおよび酸素ガスの場合、電解液は、電解質を含む水溶液であり、例えば、０．１ＭのＨ2ＳＯ4を含む電解液、０．１Ｍリン酸カリウム緩衝液などである。
【０１０９】
気体製造装置の作製実験および水分解実験
図６のような断面を有する気体製造装置を次のように作製した。
光電変換部２にはｎ型ドープしたＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ2と、ｐ型ドープしたＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ2と積層させた化合物半導電体太陽電池を使用した。透光性基板１に光透過性および耐熱性、耐腐食性に優れる石英ガラス基板を使用した。作製方法としては、二酸化スズ（ＳｎＯ2）からなる第１電極４が被膜されたガラス基板の表面にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相堆積法）により、ｐ型ＧａＩｎＰ2を膜厚０．１μｍ、更にその上にｐ型ＧａＡｓを膜厚３．０μｍ、ｎ型ＧａＡｓを膜厚０．１μｍ、ｎ型ＧａＩｎＰ2を０．０５μｍで順に堆積させた。その後、ｎ型ＧａＩｎＰ2層の表面に基板温度２５０℃でスパッタリング法により０．１μｍの膜厚でＩＴＯを積層させた。以上により透光性基板１上にＧａＡｓのｐｎ接合の両側をＧａＩｎＰ2で挟んだヘテロ構造の半導電体太陽電池が作製できた。
【０１１０】
次に、第１電解用電極８である水素発生部は、触媒に白金を使用し、第２電解用電極７である酸素発生部は、触媒にはＲｕＯ2（二酸化ルテニウム）粒子を使用し、それぞれゾル―ゲル法により多孔質カーボンに担持させた。
次に、第２導電部１０であるコンタクトホールと酸素発生部を光電変換部２から絶縁するための絶縁部１１を形成するために、スピンコート法にて原料の塗布、焼成を行うことによりポリイミド膜を作製した。続けて、Ａｇペーストをスクリーン印刷法にて基板上に塗布することにより第２導電部１０を形成し、その上に二酸化ルテニウムを担持させた多孔質カーボンシートを配置し、加熱処理を行った。このことにより第２導電部１０上に酸素発生部を形成した。
【０１１１】
次に、イオン交換膜からなるイオン交換部１３にはナフィオンを使用し、平面状のイオン交換膜の表面に白金を担持した多孔質カーボンシートを積層し、水素発生部を形成した。続いて、イオン交換膜の水素発生部積層面の裏面に、水素発生部の端部の位置から、イオン交換膜の端部までの間隔と等しい幅のPTFE板（支持部４７）を熱処理により接合した。次に、前記端部と反対側の端部を外箱１６側壁面にシール材(エポキシ系樹脂)により接合した後、第４導電部４９となるＡｇ板の両端部をそれぞれ水素発生部と第２電極５にＡｇペーストで接合して第４導電部４９とし、イオン交換膜のPTFE板を接着した部分を垂直に屈曲して、PTFE板およびイオン交換膜の端部を第２電極５にシール材により接合した。以上により気体流路１７を形成した。
【０１１２】
外箱１６はステンレス板を所望のサイズにプレス加工して成型した後、第１気体排出口２０、第２気体排出口１９および給水口１８をそれぞれ設けた。前記外箱１６に光電変換部２などを形成した透光性基板１をシール材（エポキシ系樹脂）で接合し、気体製造装置を作成した。
【０１１３】
次に、作製した気体製造装置を太陽光が透光性基板１に対して垂直に照射されるように装置を水平面に対して斜めに設置した。
給水口１８より０．１ＭのＨ2ＳＯ4電解液を給水して電解液室１５を満たした後、太陽光を照射した。
また、太陽光の照射開始から２時間後までに第１気体排出口２０および第２気体排出口１９から回収された気体量を蛍光センサー分析にて定量したところ、それぞれから水素、酸素が回収されていることが確認できた。また、それらの気体量は、水素０．５８ｍｏｌ、酸素０．２７ｍｏｌであった。
【符号の説明】
【０１１４】
１：透光性基板    ２：光電変換部    ４：第１電極    ５：第２電極    ７：第２電解用電極    ８：第１電解用電極    ９：第１導電部    １０：第２導電部    １１：絶縁部    １３：イオン交換部    １４：天板    １５：電解液室    １６：外箱      １７：気体流路    １８：給水口    １９：第２気体排出口    ２０：第１気体排出口      ２３：気体製造装置    ２５：電解液    ２８：光電変換層    ３０：透光性電極    ３１：裏面電極    ３３：第３導電部    ３５：半導体部    ３６：ｐ型半導体部    ３７：ｎ型半導体部    ４０：アイソレーション    ４２：触媒    ４３：塗布膜    ４５：孔    ４７：支持部    ４９：第４導電部
【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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