(57)【要約】      （修正有）【課題】設置費用を低くすることができ、設置面積を狭くすることができる発電装置を提供する。【解決手段】発電装置は、受光面およびその裏面を有する光電変換層２と、前記光電変換層の光起電力を出力するための第１および第２光電変換用電極４，５と、前記光電変換層の裏面側に設けられた複数のセル７とを備え、前記複数のセル７は、燃料電池としての機能を有し、かつ、それぞれ、第１セル電極９と、第２セル電極１０と、第１セル電極と第２セル電極とに挟まれた固体高分子電解質膜８と、第１セル電極９に還元性物質を供給できる第１流路１３と、第２セル電極１０に酸化性物質を供給できる第２流路１４とを有し、前記固体高分子電解質膜８は、前記光電変換層の受光面と実質的に平行な方向にイオン導電種が前記固体高分子電解質膜８を伝導するように設けられたことを特徴とする。【選択図】図２
2013105630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面およびその裏面を有する光電変換層と、前記光電変換層の光起電力を出力するための第１および第２光電変換用電極と、前記光電変換層の裏面側に設けられた複数のセルとを備え、
前記複数のセルは、燃料電池としての機能を有し、かつ、それぞれ、第１セル電極と、第２セル電極と、第１セル電極と第２セル電極とに挟まれた固体高分子電解質膜と、第１セル電極に還元性物質を供給できる第１流路と、第２セル電極に酸化性物質を供給できる第２流路とを有し、
前記固体高分子電解質膜は、前記光電変換層の受光面と実質的に平行な方向にイオン導電種が前記固体高分子電解質膜を伝導するように設けられたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記還元性物質は、水素ガスであり、
前記酸化性物質は、空気または酸素ガスである請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記複数のセルは、それぞれ細長い形状を有し、かつ、並列に配置された請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項４】
隣接する２つのセルは、一方のセルに含まれる第１セル電極と他方のセルに含まれる第２セル電極とが電気的に接続するように設けられた請求項３に記載の発電装置。
【請求項５】
前記光電変換層と前記複数のセルとの間に冷却水用流路をさらに備える請求項１〜４のいずれか１つに記載の発電装置。
【請求項６】
回路切換部をさらに備え、
前記回路切換部は、前記光電変換層の光起電力および燃料電池として機能させる前記セルの発電電力のうちどちらか一方または両方を回路を切り換えて外部出力できるように設けられた請求項１〜５のいずれか１つに記載の発電装置。
【請求項７】
前記セルは、水電解装置としての機能をさらに有し、
前記セルを水電解装置として機能させるとき、第１流路が第１セル電極に電解液を又は第２流路が第２セル電極に電解液を供給する請求項１〜６のいずれか１つに記載の発電装置。
【請求項８】
切り換え可能な複数の流通経路を有する供給排出用流路をさらに備え、
前記複数の流通経路は、第１流路に還元性物質を第２流路に酸化性物質を流通させる第１流通経路と、第１および第２流路のうち少なくとも一方に電解液を流通させる第２流通経路とを含み、
前記供給排出用流路は、前記複数のセルを燃料電池として機能させるとき第１流通経路に切り換わり、前記セルを水電解装置として機能させるとき第２流通経路に切り換わる請求項７に記載の発電装置。
【請求項９】
制御部をさらに備え、
前記制御部は、情報を入力する入力手段と、前記入力手段から入力された情報に基づき前記供給排出用流路の流通経路を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された情報を前記供給排出流路に出力する出力手段とを備える請求項８に記載の発電装置。
【請求項１０】
前記セルは、前記光電変換層から供給される電力を利用して水を電気分解できるように設けられた請求項７〜９のいずれか１つに記載の発電装置。
【請求項１１】
前記セルは、外部回路から供給される電力を利用して水を電気分解できるように設けられた請求項７〜１０のいずれか１つに記載の発電装置。
【請求項１２】
回路切換部をさらに備え、
前記回路切換部は、前記光電変換層の光起電力を外部回路に供給するための回路と、前記光電変換層の光起電力を水電解装置として機能させる前記セルに供給するための回路と、外部回路からの電力を水電解装置として機能させる前記セルに供給するための回路とを切り換えることができるように設けられた請求項７〜１１のいずれか１つに記載の発電装置。
【請求項１３】
制御部をさらに備え、
前記制御部は、情報を入力する入力手段と、前記入力手段から入力された情報に基づき前記回路切換部の切り換える回路を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された情報を前記回路切換部に出力する出力手段とを備える請求項６または１２に記載の発電装置。
【請求項１４】
日射量計または照度センサを含むセンサ部をさらに備え、
前記入力手段は、前記センサ部からの情報を入力する請求項９または１３に記載の発電装置。
【請求項１５】
前記入力手段は、電力会社からの情報、Ｗｅｂ情報、ソリューションサーバー情報を入力する請求項９、１３および１４のいずれか１つに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換機能および燃料電池機能を有する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料資源の枯渇および地球温暖化ガス排出抑制などの観点から、再生可能エネルギーの利用が望まれている。再生可能エネルギー源としては太陽光、水力、風力、地熱、潮力、バイオマスなど多岐にわたるが、その中でも、太陽光は利用可能なエネルギー量が大きいこと、他の再生可能エネルギーに対し地理的制約が比較的少ないことから、太陽光から効率よく利用可能なエネルギーを生み出す技術の早期な開発と普及が望まれている。
【０００３】
太陽光から生み出される利用可能なエネルギーの形態としては、太陽電池や太陽光熱タービンを用いて製造される電気エネルギー、太陽光エネルギーを熱媒体に集めることによる熱エネルギー、その他にも太陽光を用いた物質還元による液体燃料や水素などの貯蔵可能な燃料エネルギー等が挙げられる。太陽電池技術および太陽熱利用技術については、すでに実用化されている技術が多いものの、エネルギー利用効率が未だ低いことと、電気および熱を作り出す際のコストが依然高いことから、これらの改善に向けた技術開発が行われている。さらに、これら電気や熱というエネルギー形態は、短期のエネルギー変動を補完するような使用法は実現できるものの、例えば季節変動などの長期での変動を補完することは極めて困難であることや、エネルギー量の増加により発電設備の稼働率低下を招く可能性があることが課題である。
【０００４】
このようなエネルギー変動を補完するシステムとして、太陽電池と、水電解装置と、燃料電池とを組み合わせた発電システムが知られている（例えば、特許文献１）。
また、水電解装置と燃料電池を一体化させた可逆セルが知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７１９７３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５３２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の発電システムでは、多くの装置を組み合わせたシステムであるため設置費用が高くなり、また、設置面積が広くなるという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、設置費用を低くすることができ、設置面積を狭くすることができる発電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、受光面およびその裏面を有する光電変換層と、前記光電変換層の光起電力を出力するための第１および第２光電変換用電極と、前記光電変換層の裏面側に設けられた複数のセルとを備え、前記複数のセルは、燃料電池としての機能を有し、かつ、それぞれ、第１セル電極と、第２セル電極と、第１セル電極と第２セル電極とに挟まれた固体高分子電解質膜と、第１セル電極に還元性物質を供給できる第１流路と、第２セル電極に酸化性物質を供給できる第２流路とを有し、前記固体高分子電解質膜は、前記光電変換層の受光面と実質的に平行な方向にイオン導電種が前記固体高分子電解質膜を伝導するように設けられたことを特徴とする発電装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、受光面およびその裏面を有する光電変換層と、光電変換層の光起電力を出力するための第１および第２光電変換用電極と、複数のセルとを備え、複数のセルは、燃料電池としての機能を有し、かつ、それぞれ、第１セル電極と、第２セル電極と、第１セル電極と第２セル電極とに挟まれた固体高分子電解質膜と、第１セル電極に還元性物質を供給できる第１流路と、第２セル電極に酸化性物質を供給できる第２流路とを有するため、光電変換層と燃料電池として機能させる複数のセルの両方により発電することができる。
本発明によれば、燃料電池として機能を有する複数のセルが光電変換層の裏面側に設けられるため、光電変換層と燃料電池を同じスペースに設置することができ、設置面積を狭くすることができ、設置費用を低減することができる。また、光電変換層と燃料電池の電力供給のための部品を共通することができ、製造コストを低減することができる。
本発明によれば、固体高分子電解質膜は、前記光電変換層の受光面と実質的に平行な方向にイオン導電種が前記固体高分子電解質膜を伝導するように設けられるため、複数のセルを光電変換層の受光面と実質的に平行な方向に配置した状態で容易に直列接続することができる。また、このことにより、第１流路および第２流路を同一面上に配置することが可能となるため、発電装置を薄型化することができる。さらに、このことにより、発電装置の表裏の温度差に依存せず固体高分子電解質膜の温度分布を均一にすることができるため、セルを燃料電池として安定して動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の発電装置の構成を示す概略平面図である。
【図２】図１の点線Ａ−Ａにおける発電装置の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の発電装置の構成を示す概略平面図である。
【図４】本発明の一実施形態の発電装置の概略配管図である。
【図５】本発明の一実施形態の発電装置の概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の発電装置の概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の発電装置の概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の発電装置の概略回路図である。
【図９】本発明の一実施形態の発電装置に含まれる制御部の制御方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の発電装置は、受光面およびその裏面を有する光電変換層と、前記光電変換層の光起電力を出力するための第１および第２光電変換用電極と、前記光電変換層の裏面側に設けられた複数のセルとを備え、前記複数のセルは、燃料電池としての機能を有し、かつ、それぞれ、第１セル電極と、第２セル電極と、第１セル電極と第２セル電極とに挟まれた固体高分子電解質膜と、第１セル電極に還元性物質を供給できる第１流路と、第２セル電極に酸化性物質を供給できる第２流路とを有し、前記固体高分子電解質膜は、前記光電変換層の受光面と実質的に平行な方向にイオン導電種が前記固体高分子電解質膜を伝導するように設けられたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の発電装置において、前記還元性物質は、水素ガスであり、前記酸化性物質は、空気または酸素ガスであることが好ましい。
このような構成によれば、水素ガスを燃料として、複数のセルにより発電することができる。
本発明の発電装置において、前記複数のセルは、それぞれ細長い形状を有し、かつ、並列に配置されたことが好ましい。
このような構成によれば、複数のセルが平たい形状を有することができ、受光面が広く受光量の多い光電変換層の裏面側に平たい複数のセルを配置することができる。このことにより、十分に大きな発電量を有する光電変換層と、燃料電池として機能を有する複数のセルを同じスペースに設置することができ、発電装置の設置面積を狭くすることができる。また、発電装置の厚さを薄くすることができ、例えば屋根の上などに設置することが可能となる。
本発明の発電装置において、隣接する２つのセルは、一方のセルに含まれる第１セル電極と他方のセルに含まれる第２セル電極とが電気的に接続する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、複数のセルを直列に接続することができ、複数のセルを燃料電池として機能させるとき、十分な電力を出力することができる。
本発明の発電装置において、前記光電変換層と前記複数のセルとの間に冷却水用流路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、複数のセルを燃料電池として機能させるとき、冷却水用流路に冷却水を流すことにより、複数のセルを冷却し作動温度内で保持することができる。また、光電変換層に光が入射する場合、冷却水用流路に冷却水を流すことにより、光電変換層の温度上昇による光電変換効率の低下を抑制することができる。さらに、冷却水用流路に流す冷却水が回収した熱を温水として利用することもできる。
【００１２】
本発明の発電装置において、回路切換部をさらに備え、前記回路切換部は、前記光電変換層の光起電力および燃料電池として機能させる前記セルの発電電力のうちどちらか一方または両方を回路を切り換えて外部出力できる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、電力需要に応じて光電変換層の光起電力および燃料電池として機能させるセルの発電電力を外部回路に供給することができる。
本発明の発電装置において、前記セルは、水電解装置としての機能をさらに有し、前記セルを水電解装置として機能させるとき、第１流路が第１セル電極に電解液を又は第２流路が第２セル電極に電解液を供給することが好ましい。
このような構成によれば、セルを水電解装置として機能させることができ、余剰電力を利用して水を電解し水素ガスを発生させることできる。また、この発生させた水素ガスは、燃料電池として機能させる複数のセルの燃料として利用することができる。
なお、本発明において、電解液とは、第１および第２セル電極の間に印加された電圧により電気分解される水を含む液体であり、純水や水道水などの電解質を加えていない水であってもよい。
【００１３】
本発明の発電装置において、切り換え可能な複数の流通経路を有する供給排出用流路をさらに備え、前記複数の流通経路は、第１流路に還元性物質を第２流路に酸化性物質を流通させる第１流通経路と、第１および第２流路のうち少なくとも一方に電解液を流通させる第２流通経路とを含み、前記供給排出用流路は、前記複数のセルを燃料電池として機能させるとき第１流通経路に切り換わり、前記セルを水電解装置として機能させるとき第２流通経路に切り換わることが好ましい。
このような構成によれば、第１および第２流路に流通させるものを切り換えることができ、セルが燃料電池と水電解装置の両方の機能を有することができる。
本発明の発電装置において、制御部をさらに備え、前記制御部は、情報を入力する入力手段と、前記入力手段から入力された情報に基づき前記供給排出用流路の流通経路を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された情報を前記供給排出流路に出力する出力手段とを備えることが好ましい。
このような構成によれば、制御部により第１および第２流路に流通させるものを制御することができ、セルの燃料電池機能と水電解装置機能の切り換えを制御することができる。
【００１４】
本発明の発電装置において、前記セルは、前記光電変換層から供給される電力を利用して水を電気分解できる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、光電変換層の光起電力が電力需要を上回っている場合、光電変換層の光起電力を水素エネルギーに変換することができ、光エネルギーを水素として貯蔵することができる。
本発明の発電装置において、前記セルは、外部回路から供給される電力を利用して水を電気分解できる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、他の光電変換装置の光起電力や夜間電力などを利用して水素を製造することができる。
【００１５】
本発明の発電装置において、回路切換部をさらに備え、前記回路切換部は、前記光電変換層の光起電力を外部回路に供給するための回路と、前記光電変換層の光起電力を水電解装置として機能させる前記セルに供給するための回路と、外部回路からの電力を水電解装置として機能させる前記セルに供給するための回路とを切り換えることができる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、回路切換部により光電変換層の光起電力の出力回路や、水電解装置の入力回路を切り換えることができる。
本発明の発電装置において、制御部をさらに備え、前記制御部は、情報を入力する入力手段と、前記入力手段から入力された情報に基づき前記回路切換部の切り換える回路を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された情報を前記回路切換部に出力する出力手段とを備えることが好ましい。
このような構成によれば、制御部により回路切換部の回路の切り換えを制御することができる。
【００１６】
本発明の発電装置において、日射量計または照度センサを含むセンサ部をさらに備え、前記入力手段は、前記センサ部からの情報を入力することが好ましい。
このような構成によれば、制御部はセンサ部からの入力に基づき、発電装置を制御することができる。
本発明の発電装置において、前記入力手段は、電力会社からの情報、Ｗｅｂ情報、ソリューションサーバー情報を入力することが好ましい。
このような構成によれば、制御部は、電力会社からの情報、Ｗｅｂ情報、ソリューションサーバー情報に基づき、発電装置を制御することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
発電装置の構成
図１は本発明の一実施形態の発電装置の構成を示し、複数のセルを燃料電池として機能させる場合の概略平面図であり、図２は、図１、３の点線Ａ−Ａにおける発電装置の概略断面図である。図３は、本発明の一実施形態の発電装置の構成を示し、複数のセルを水電解装置として機能させる場合の概略平面図である。また、図４は本発明の一実施形態の発電装置の概略配管図である。さらに、図５〜７は、本発明の一実施形態の発電装置の概略断面図であり、図１の点線Ａ−Ａの概略断面図に対応する。
【００１９】
本実施形態の発電装置４５は、受光面およびその裏面を有する光電変換層２と、光電変換層２の光起電力を出力するための第１および第２光電変換用電極４、５と、光電変換層２の裏面側に設けられた複数のセル７とを備え、複数のセル７は、燃料電池としての機能を有し、かつ、それぞれ、第１セル電極９と、第２セル電極１０と、第１セル電極９と第２セル電極１０とに挟まれた固体高分子電解質膜８と、第１セル電極に還元性物質を供給できる第１流路１３と、第２セル電極に酸化性物質を供給できる第２流路１４とを有し、固体高分子電解質膜８は、光電変換層２の受光面と実質的に平行な方向にイオン導電種が固体高分子電解質膜８を伝導するように設けられたことを特徴とする。
また、本実施形態の発電装置４５は、光電変換層２の受光面側に受光面基板を備えてもよく、光電変換層２と複数のセル７との間に絶縁基板を備えてもよく、絶縁基板とともに複数のセルを挟むように設けられた裏面基板を備えてもよい。
さらに本実施形態の発電装置４５は、第１流路１３および第２流路１４に流通させるものを供給・排出させる供給排出用流路３７などを備えてもよく、回路切換部２７、制御部３２、センサ部３３を備えてもよい。
以下、本実施形態の発電装置４５について説明する。
【００２０】
１．受光面基板
受光面基板１は、発電装置４５が備えてもよい。また、光電変換層２は、受光面が受光面基板１側となるように受光面基板１の上に設けられてもよい。なお、光電変換層２が、半導体基板などからなり一定の強度を有する場合、受光面基板１は省略することが可能である。また、光電変換層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、受光面基板１は省略することができる。
【００２１】
また、光を光電変換層２の受光面で受光するため、受光面基板１は、透明であり光透過率が高いことが好ましいが、光電変換層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。
受光面基板１の光電変換層２側の表面には、入射した光が光電変換層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。
【００２２】
２．光電変換層、第１および第２光電変換用電極
光電変換層２は、光を受光することにより光起電力が生じる部分であり、受光面およびその裏面を有する。第１および第２光電変換用電極４、５は、光電変換層２の光起電力を出力するための電極である。
なお、以下に示す光電変換層２の例は、それぞれ、後で示す複数のセルの例と自由に組み合わせることができる。
光電変換層２は、例えば、図２、図６に示した発電装置４５に含まれる光電変換層２のように光電変換層２の受光面と裏面との間に光起電力が生じるものであってもよく、図５、図７に示した発電装置４５に含まれる光電変換層２のように光電変換層２の裏面の第１区域と第２区域との間に光起電力が生じるものであってもよい。また、発電装置４５は、図６、図７のように複数の光電変換層２を含んでもよく、この複数の光電変換層２は、並列に配置され、直列接続されてもよい。
まず、受光面と裏面との間に光起電力が生じるような光電変換層２などについて説明する。
【００２３】
２−１．受光面と裏面との間に光起電力が生じるような光電変換層
２−１−１．第１光電変換用電極
第１光電変換用電極４は、受光面基板１の上に設けることができ、光電変換層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光電変換用電極４は透光性を有してもよい。また、第１光電変換用電極４は、受光面基板１を省略可能の場合、光電変換層２の受光面に直接設けられてもよい。
第１光電変換用電極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。
以下に第１光電変換用電極４を透明導電膜とした場合について説明する。
透明導電膜としては、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層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。
【００２４】
２−１−２．光電変換層
光電変換層２は、受光面およびその裏面を有し、光電変換層２の裏面側に複数のセル７が設けられる。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、光電変換層２は、第１光電変換用電極４が設けられた受光面基板１の上に受光面を下にして設けることができる。
光電変換層２の形は、特に限定されないが、例えば、方形状とすることができる。
光電変換層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層、化合物半導体を用いた光電変換層、色素増感剤を利用した光電変換層、有機薄膜を用いた光電変換層などである。
【００２５】
光電変換層２の起電力を水電解装置として機能させる複数のセル７に出力し、水素ガスおよび酸素ガスを発生させる場合、光電変換層２は、光を受光することにより、複数のセル７において水素ガスと酸素ガス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必要がある。複数のセル７において水素ガスおよび酸素ガスを発生させるには、複数のセルに出力する電圧を、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層２で十分大きな電位差を生み出す必要がある。そのため光電変換層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。また、図６のように複数の光電変換層２を直列接続して複数のセルに出力する電圧を高くしてもよい。
【００２６】
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、光電変換層２で生じる起電力をより大きくすることができる。
【００２７】
また、光電変換層間の直列接続特性の改善や、光電変換層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層の劣化を抑制することが可能となる。
光電変換層２の例を以下に具体的に説明する。また、光電変換層２は、これらを組み合わせたものでもよい。
【００２８】
２−１−３．シリコン系半導体を用いた光電変換層
シリコン系半導体を用いた光電変換層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層２は、受光面基板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。
【００２９】
シリコン系半導体を用いた光電変換層２の形成例を以下に示す。
受光面基板１上に積層した第１光電変換用電極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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
２−１−４．化合物半導体を用いた光電変換層
化合物半導体を用いた光電変換層は、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。
【００３４】
化合物半導体を用いた光電変換層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ガス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。これらの光電変換層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。
【００３５】
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。
【００３６】
２−１−５．色素増感剤を利用した光電変換層
色素増感剤を利用した光電変換層は、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
２−１−６．有機薄膜を用いた光電変換層
有機薄膜を用いた光電変換層２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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
２−１−７．第２光電変換用電極
第２光電変換用電極５は、光電変換層２の裏面上に設けることができる。
第２光電変換用電極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。
【００４８】
２−２．裏面の第１区域と第２区域との間に光起電力が生じるような光電変換層
光電変換層２は、受光面基板１上に受光面を下にして設けることができ、光電変換層２の裏面の第１区域と第２区域との間に光起電力が生じるように設けることができる。例えば、半導体基板にｐ型半導体部５１およびｎ型半導体部５２を設けることにより、光電変換層２を製造することができる。なお、この場合、第１区域および第２区域のうち一方をｐ型半導体部５１に面した裏面とすることができ、他方をｎ型半導体部５２に面した裏面とすることができる。
また、この場合、第１区域および第２区域のうち一方の上に第１光電変換用電極４を設けることができ、他方の上に第２光電変換用電極５を設けることができる。
【００４９】
ここでは、シリコン基板を用いた光電変換層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型半導体部５２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型半導体部５１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、光電変換層２を形成することができる。
【００５０】
ｎ型半導体部５２およびｐ型半導体部５１は、図５、７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、また、ｎ型半導体部５２およびｐ型半導体部５１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７のようにｎ型半導体部５２およびｐ型半導体部５１を形成したシリコン基板を並べて設置し、導電部５５により直列接続することにより光電変換層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型半導体部５２およびｐ型半導体部５１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。
【００５１】
３．絶縁基板、冷却水用流路
絶縁基板２０は、光電変換層２、第１光電変換用電極４または第２光電変換用電極５と、複数のセル７との間にリーク電流が流れることを防止するために設けることができる。また、光電変換層２と複数のセル７を別々に製造し組み合わせる場合、複数のセル７は、絶縁基板の上に製造することもできる。
【００５２】
また、絶縁基板２０の代わりに光電変換層２、第１光電変換用電極４または第２光電変換用電極５と、複数のセル７との間に冷却水用流路４７を設けてもよい。冷却水用流路４７は、例えば、図５のように流路部材４８に冷却水用流路４７を形成したものであってもよい。流路部材４８は、管状であってもよく、板状であってもよい。流路部材４８が導電性を有する場合、その表面を絶縁層でコートしてもよく、絶縁基板２０で挟んでもよい。
複数のセルを燃料電池として機能させる場合、このような冷却水用流路４７に冷却水を流通させることにより、複数のセル７の発熱を冷却水で吸熱することができ、複数のセル７を燃料電池の作動温度に保持することができる。また、複数のセル７の発熱を吸収した冷却水は、温水として利用することができる。このことにより、燃料電池のエネルギー利用効率を向上させることができる。
【００５３】
また、複数のセルを水電解装置として機能させる場合または複数のセルを作動させていない場合であって、光電変換層２が受光し、光起電力が生じている場合、冷却水用流路４７に冷却水を流通させることにより、光電変換層２が受光することによる発熱を冷却水が吸熱することができる。このことにより、光電変換層２の温度上昇を抑制することができ、光電変換層２の光電変換効率が低下するのを抑制することができる。また、光電変換層２の熱を吸収した冷却水は、温水として利用することができる。このことにより、光のエネルギー利用効率を向上させることができる。
なお、冷却水用流路４７は、制御部３２により冷却水の流通が制御されるように設けられてもよい。また、センサ部３３は、冷却水用流路４７を流通する冷却水の温度を測定する温度センサを備えてもよい。
また冷却水用流路４７は、セパレータ２５に形成された冷却水を流すための流路と繋がっていてもしていてもよい。
【００５４】
４．セル
セル７は、第１セル電極９と、第２セル電極１０と、第１セル電極９と第２セル電極１０とに挟まれた固体高分子電解質膜８と、第１セル電極に還元性物質を供給できる第１流路１３と、第２セル電極に酸化性物質を供給できる第２流路１４とを有する。
第１流路１３は、固体高分子電解質膜８と共に第１セル電極９を挟むように設けられもよく、第２流路１４は、固体高分子電解質膜８と共に第２セル電極１０を挟むように設けられてもよい。
また、複数のセル７は、少なくとも燃料電池としての機能を有する。また、セル７は、水電解装置としての機能も有することができる。
また、セル７は、集電体２４を有することもできる。
発電装置４５は、セル７を複数有することができる。複数のセル７は、直列に接続されてもよい。発電装置４５が含むセルの数は特に限定されず、例えば、２つ以上１００以下であり、また、５以上５０以下である。このセルの数は、セル７を燃料電池として機能させるときに求められる発電量に応じて決めることができる。また、発電装置４５は、複数のセル７が積層され直列接続された積層体（セル積層体）が形成され、積層体が電気的に並列接続された構造を有してもよい。
さらにセル７は、図２、６または７に示した発電装置４５に含まれるセル７のように形成されてもよい。また、このようなセル７は、それぞれ図２、５〜７に示した発電装置４５に含まれる光電変換層２と組み合わせることができる。
【００５５】
発電装置４５に含まれる各セルは、それぞれ細長い形状を有してもよく、並列に配置されてもよい。例えば、図２、６，７に示した断面を有するセル７が図１に示した受光面基板１の裏面側において受光面基板の端から端まで延びる様な形状を有することができる。また、このようなセルが並列に配置されることにより、複数のセルを平たい形状とすることができる。このことにより、光電変換層２と複数のセルを同一のスペースに設置することが可能となり、設置範囲を狭くすることができ、また、部品を共通化させることが可能となる。
また、発電装置４５は、複数のセル７を燃料電池として機能させるために、複数のセル７を作動温度に昇温させるためのヒーター、複数のセル７の発熱を吸熱するための冷却水を流通させる流路を備えてもよい。
【００５６】
４−１．固体高分子電解質膜、第１セル電極、第２セル電極、集電体（拡散層）
固体高分子電解質膜８は、湿潤した状態でイオン導電性を示す。また、固体高分子電解質膜８は、主なイオン導電種をＨ+とするものであってもよく、主なイオン導電種をＯＨ-とするものであってもよい。固体高分子電解質膜８は、主なイオン導電種をＨ+とするものであることが好ましい。このことにより、発電装置４５を水電解装置として機能させるときに、第１セル電極９と第２セル電極１０との間にＨ+を伝導させることができ、プロトン濃度の不均衡を容易に解消することができる。
固体高分子電解質膜８は、第１セル電極９および第２セル電極１０とともに、膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成することができる。また、ＭＥＡは固体高分子電解質膜８、第１セル電極９、第２セル電極１０の両側に集電体２４を有することができる。例えば、図２、５に示した発電装置４５に含まれる固体高分子電解質膜８、第１セル電極９、第２セル電極１０および集電体２４のようにＭＥＡを形成することができる。
また、固体高分子電解質膜８は、例えば、図６のようにＬ字形の第１セル電極９と第２セル電極１０とに挟まれた構造であってもよい。固体高分子電解質膜８は、例えば、図７のように管状の第１セル電極９の外側に設けられ、この固体高分子電解質膜８を覆うように第２セル電極１０が設けられた構造を有してもよい。
【００５７】
固体高分子電解質膜８は、第１セル電極９に還元性物質が供給され第２セル電極１０に酸化性物質が供給されイオン導電種が固体高分子電解質膜８を伝導するとき、光電変換層２の受光面と実質的に平行な方向にイオン導電種が固体高分子電解質膜８を伝導するように設けることができる。このことにより、複数のセル７を光電変換層２の受光面と実質的に平行な方向に配置した状態で容易に直列接続することができる。
【００５８】
固体高分子電解質膜８としては、例えば、パーフルオロスルホン酸基ポリマーを含む電解質膜とすることができる。固体高分子電解質膜８は、イオン交換基を表面に有する多孔質膜からなってもよい。固体高分子電解質膜８の好ましい例は、たとえば、パーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系、スチレンビニルベンゼン系、第４級アンモニウム系（アニオン交換膜）が挙げられる。
【００５９】
第１セル電極９および第２セル電極１０は、それぞれ導電性担体と、導電性担体の表面に担持された電極触媒およびイオン交換樹脂とを有することができる。このことにより、電極触媒表面において燃料電池または水電解の電極反応を進行させることができる。電極触媒としては、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子が挙げられる。この合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金等、鉄−コバルト−ニッケル合金が挙げられる。
導電性担体としては、たとえば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。また、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることもできる。
【００６０】
集電体２４は、例えば、導電性を有する多孔質層とすることができ、具体的には、たとえば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜または多孔質金属などとすることができる。また、この多孔質金属は、金属または合金の発泡体・焼結体または繊維不織布とすることができる。また、集電体２４には、水電解用触媒が担持されていてもよい。また、発電装置４５が図６、７のような構造を有する場合、第１セル電極９、第２セル電極１０のうち、固体高分子電解質膜８に近接する部分以外の部分は、集電体２４であってもよい。
【００６１】
セル７を燃料電池として機能させるとき、第１セル電極９は燃料極となり、第２セル電極１０は空気極となる。セル７を燃料電池の作動温度に昇温し、第１セル電極９に還元性物質を供給し、第２セル電極１０に酸化性物質を供給することにより、第１セル電極９と第２セル電極１０との間に起電力を発生させることができる。
なお、還元性物質は、例えば、水素ガス、気化メタノールなどであり、酸化性物質は、例えば、空気、酸素ガスなどである。
セル７を水電解装置として機能させるとき、第１セル電極９および第２セル電極１０は、それぞれ水電解用電極となる。第１セル電極９および第２セル電極１０に電解液が供給され、第１セル電極９と第２セル電極１０との間に電圧が印加されたとき、第１セル電極９および第２セル電極１０のうち一方で水を電解し水素ガスを発生させることができ、他方で水を電解し酸素ガスを発生させることができる。このとき、第１セル電極９の近傍の電解液と第２セル電極１０の近傍の電解液との間でプロトン濃度の不均衡が生じるが、プロトンが固体高分子電解質膜８を伝導することにより、プロトン濃度の不均衡を解消することができる。
【００６２】
４−２．第１および第２流路、セパレータ、接続板
第１流路１３は、固体高分子電解質膜８とともに第１セル電極９を挟むように設けることができ、第２流路１４は、固体高分子電解質膜８とともに第２セル電極１０を挟むように設けることができる。第１流路１３、第２流路１４は、例えば、図２、５に示した発電装置４５のように、隣接する２つのセル７にそれぞれ含まれるＭＥＡの間に第１流路１３および第２流路１４である溝が形成されたセパレータ２５および流路が形成された接続板２６を設けることにより、形成してもよい。このような場合、セパレータ２５を導電性とすることにより、隣接する２つのセルのうち、一方に含まれる第１セル電極９と他方に含まれる第２セル電極１０を電気的に接続することができる。このことにより、発電装置４５に含まれる複数のセル７を直列接続することができる。
【００６３】
また、例えば、図６のように第１セル電極９および第２セル電極１０をＬ字形とし、隣接する２つのセル７の間にセパレータ２５を設けることにより形成してもよい。このような場合、セパレータ２５を導電性とすることにより、隣接する２つのセルのうち、一方に含まれる第１セル電極９と他方に含まれる第２セル電極１０を電気的に接続することができる。このことにより、発電装置４５に含まれる複数のセル７を直列接続することができる。
【００６４】
さらに、例えば、図７のように第１セル電極９を管状とし、第１セル電極の内側を第１流路１３とし、管状の第１セル電極９の外側に設けられた第２セル電極１０の外側を第２流路１４とすることができる。また、隣接する２つのセル７の第２流路１４は、セパレータ２５により分離することができる。このような場合、第１セル電極９と隣接するセル７に含まれる第２セル電極１０とを導電部５５により電気的に接続することにより、発電装置４５に含まれる複数のセル７を直列接続することができる。
なお、図７のような構造において、第１セル電極９と第２セル電極１０は逆であってもよく、この場合、第１流路１３と第２流路１４も逆となる。
【００６５】
セル７を燃料電池として機能させる場合、第１流路１３は燃料流路１６となり第１セル電極９に還元性物質を供給し、第２流路１４は空気流路１７となり第２セル電極１０に酸化性物質を供給する。
セル７を水電解装置として機能させる場合、第１流路１３および第２流路１４のうち少なくとも一方は、電解液流路３４となり、第１セル電極９または第２セル電極１０に電解液を供給する。
第１流路１３および第２流路１４のうち一方のみが電解液流路となる場合、例えば、第１流路１３が電解液流路となる場合、第１セル電極９で酸素ガスが発生し、第２セル電極１０で水素ガスが発生するように第１セル電極９と第２セル電極１０との間に電圧が印加される。このような場合、第１流路１３から電解液が供給された第１セル電極９では、水が電気分解され酸素ガスが発生する。このことにより発生したＨ+は、固体高分子電解質膜を伝導し、第２セル電極１０で水素ガスとなる。
また、セル７が燃料電池としても、水電解装置としても機能していない場合であって、光電変換層２に光が入射し光起電力が生じている場合、第１流路および第２流路は冷却水が流れる流路となってもよい。このことにより、光電変換層２が受光することによる発熱を第１および第２流路１３、１４を流れる冷却水が吸熱することができ、光電変換層２の光電変換効率の低下を抑制することができる。また、この冷却水は温水として利用することもできる。このことにより、光電変換層２に入射する光のエネルギーの利用効率を高めることができる。
【００６６】
５．供給排出用流路
供給排出用流路３７は、切り換え可能な複数の流通経路を有する。この複数の流通経路は、第１流路１３に還元性物質を流通させ第２流路に酸化性物質を流通させる第１流通経路と、第１流路１３および第２流路１４のうち少なくとも一方に電解液を流通させる第２流通経路とを有する。供給排出用流路３７は、複数のセル７を燃料電池として機能させるとき第１流通経路に切り換わり、セル７を水電解装置として機能させるとき第２流通経路に切り換わることができる。
【００６７】
セル７を燃料電池として機能させるとき、供給排出用流路３７は、例えば、図１に示した発電装置４５に含まれる供給排出用流路３７のような流通経路を有することできる。
ここでは図１に示したような供給排出用流路３７で、還元性物質が水素ガスであり、酸化性物質が酸素ガスである場合について説明する。
水素ガスは、燃料供給部３１から供給され、空気が空気圧縮機３０から供給される。なお、燃料供給部３１は、水素ボンベ、セル７により製造した水素を貯蔵した水素貯蔵器３９、またはメタノールやガソリンや都市ガスを改質し水素ガスを発生させる部分であってもよい。また、空気圧縮機３０の代わりに、セル７により製造した酸素を貯蔵した酸素貯蔵器４０を設けてもよい。
【００６８】
燃料供給部３１から供給された水素ガスは、燃料流路１６（供給排出用流路３７）を流れ、混合器２９において第１流路１３を流れた水素ガスと混合される。この混合ガスは加湿器２８で加湿された後、各第１流路１３を流れ、第１流路１３において第１セル電極９に供給され燃料電池の燃料として利用される。第１流路１３において利用されなかった水素ガスは、第１流路１３から排出された後、燃料流路１６（供給排出用流路３７）を流れ、混合器２９において燃料供給部３１から供給される水素ガスと混合される。
空気圧縮機３０から供給された空気は、空気流路１７（供給排出用流路３７）と流れ、加湿器２８で加湿された後、第２流路１４を流れる。空気は第２流路１４により第２セル電極１０に供給され燃料電池の酸化剤ガスとして利用される。第２流路１４を流れた空気は、排気される。
このことにより、第１セル電極９と第２セル電極１０との間に起電力が生じ、この電力が外部出力される。
【００６９】
セル７を水電解装置として機能させるとき、供給排出用流路３７は、例えば、図３に示した発電装置４５に含まれる供給排出用流路３７のような流通経路を有することできる。
ここでは図３に示したような供給排出用流路３７で、第１流路１３および第２流路１４の両方に電解液が供給される場合について説明する。
電解液は、ポンプ４２により電解液槽４１に溜められた電解液が電解液流路３４（供給排出用流路３７）を流れ、電解液が第１流路１３、第２流路１４を流通する。また、第１セル電極９と第２セル電極１０との間に各セル７が並列となるように電圧を印加する。電解液は、第１セル電極９および第２セル電極１０に供給され、水の電気分解反応が生じ水素ガスおよび酸素ガスが発生する。発生した水素ガスは、電解液とともに水素回収用流路３５（供給排出用流路３７）を流れ、気泡分離装置３８において水素ガスと電解液とが分離され水素ガスは水素貯蔵器３９に貯蔵され、電解液は電解液槽４１に溜められる。発生した酸素ガスは、電解液とともに酸素回収用流路３６（供給排出用流路３７）を流れ、気泡分離装置３８において酸素ガスと電解液とが分離され酸素ガスは酸素貯蔵器４０に貯蔵され、電解液は電解液槽４１に溜められる。
なお、ここでは、各セル７が並列となるように第１セル電極９と第２セル電極１０との間に電圧を印加しているが、各セル７が直列となるように第１セル電極９と第２セル電極１０との間に電圧を印加してもよい。各セル７が直列となるように電圧を印加した場合、水素ガスを各セル７の第１流路１３から回収し、酸素ガスを各セルの第２流路１４から回収することが可能となる。このことにより、第１流路１３が、セル７を水電解装置として機能させた場合水素ガスを回収する流路となり、セル７を燃料電池として機能させた場合水素ガスを流通させる流路となり、また、第２流路１４が、セル７を水電解装置として機能させた場合酸素ガスを回収する流路となり、セル７を燃料電池として機能させた場合空気を流通させる流路とすることができるため、供給排出用流路３７を簡素化することができる。
【００７０】
供給排出用流路３７の流通経路は、例えば供給排出用流路３７がバルブを備えることにより切り換えることができる。図４は、バルブにより流通経路を切り換えることができる供給排出用流路３７を備えた発電装置４５の概略配管図である。供給排出用流路３７が備えるバルブは、流路切換部であってもよく、流路切換部は制御部により制御されてもよい。
複数のセル７を燃料電池として機能させるとき、Ｖ１（バルブ１）〜Ｖ１２を開け、Ｖ２１〜Ｖ３２を閉めることにより、供給排出用流路３７を第１流通経路とすることができる（燃料電池発電モード、太陽電池＋燃料電池発電モード）。また、複数のセル７を水電解装置として機能させるとき、Ｖ１〜Ｖ１２を閉め、Ｖ２１〜Ｖ３２を開けることにより、供給排出用流路３７を第２流通経路とすることができる（水素生成モード、太陽電池発電＋水素生成モード）。
なお、Ｖ１〜１２、Ｖ２１〜Ｖ３２の開閉は、制御部３２により制御することができる。また、燃料供給部３１、空気圧縮機３０、加湿器２８、ポンプ４２、気泡分離装置３８、水素貯蔵器３９または酸素貯蔵器４０も制御部３２により制御することもできる。また、制御部３２により、複数のセル７を燃料電池として機能させるとき、上記のように第１流通流路に水素ガスおよび空気が流れるように上記の各構成要素を制御することができ、また、複数のセル７を水電解装置として機能させるとき、上記のように第２流通経路に電解液が流れ、水素ガスおよび酸素ガスを製造できるように上記各構成要素を制御することができる。
また、上記の各モードは制御部３２により切り換えることができる。
【００７１】
６．回路切換部
回路切換部２７は、光電変換層２の光起電力、および燃料電池として機能させるセル７の発電電力のうちどちらか一方または両方を回路を切り換えて外部出力できるように設けられてもよい。さらに、回路切換部２７は、光電変換層２の光起電力を外部回路に供給するための回路と、光電変換層２の光起電力を水電解装置として機能させるセル７に供給するための回路と、外部回路からの電力を水電解装置として機能させるセル７に供給するための回路とを切り換えることができるように設けられてもよい。
回路切換部２７は複数のスイッチを有することにより、電気回路を切り換えることができる。また、回路切換部２７に含まれるスイッチのＯＮ・ＯＦＦは制御部３２により制御することができる。
図８は、本実施形態の発電装置４５の概略回路図である。回路切換部２７は、例えば図８に示したようなスイッチを有する電気回路を有することができる。
【００７２】
ここでは、図８のような電気回路を有する回路切換部２７について説明する。
発電装置４５が光電変換層２の光起電力を外部出力する場合、ＳＷ１（スイッチ１）、ＳＷ２、ＳＷ９、ＳＷ１０をＯＮとし、他のスイッチをＯＦＦとすることにより、光電変換層２の光起電力を第１外部回路へ出力することができる（太陽電池発電モード）。
セル７を燃料電池として機能させ発電装置４５が燃料電池の起電力を外部出力する場合、ＳＷ３、ＳＷ８、ＳＷ９、ＳＷ１０をＯＮとし、他のスイッチをＯＦＦとすることにより、燃料電池の起電力を第１外部回路へ出力することができる（燃料電池発電モード）。また、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ８、ＳＷ９、ＳＷ１０をＯＮとし、他のスイッチをＯＦＦとすることにより、光電変換層２の光起電力と燃料電池の起電力の両方を第１外部回路へ出力することができる（太陽電池＋燃料電池発電モード）。
【００７３】
セル７を水電解装置として機能させ、光電変換層２の光起電力をセル７に出力する場合、ＳＷ１〜ＳＷ８をＯＮとし、他のスイッチをＯＦＦとすることにより、光電変換層２の光起電力をセル７に出力し、水素ガスおよび酸素ガスを製造することができる（水素生成モード）。
なお、ここでは、光電変換層２の光起電力が、各セル７が並列となるように第１セル電極９と第２セル電極１０との間に印加される。このことにより、光電変換層２の光起電力の電圧が水分解のための理論電圧（１．２３Ｖ）以上であれば、各セル７で水を電気分解することができる。
また、各セル７が直列となるように第１セル電極９と第２セル電極１０との間に印加されてもよいが、各セル７で水を電気分解するために必要な光起電力の電圧は、より大きくなる。しかし、この場合、供給排出用流路３７を簡素化することができるというメリットがある。なお、ここでは、光電変換層２の光起電力について記載しているが、外部電力を用いる場合でも同様である。
また、複数のセル７を直列に接続したものを複数形成し、これらを並列に接続してもよい。このことにより、水を電気分解するために必要な電圧を小さくし、かつ、供給排出用流路３７を簡素化することができる。
セル７を水電解装置として機能させ、外部回路の電力をセル７に出力する場合、ＳＷ３〜ＳＷ８、ＳＷ１１、ＳＷ１２をＯＮとし、他のスイッチをＯＦＦとすることにより、第２外部回路の電力をセル７に出力し、水素ガスおよび酸素ガスを製造することができる（外部電力水素生成モード）。第２外部回路の電力とは、例えば、発電装置４５と並べて設けられた太陽電池の光起電力や、電力系統における余剰電力などである。
セル７を水電解装置として機能させ、光電変換層２の光起電力をセル７および外部回路に出力する場合、ＳＷ１〜ＳＷ１０をＯＮとし、他のスイッチをＯＦＦとすることにより、光電変換層２の光起電力をセル７に出力し、水素ガスおよび酸素ガスを製造することができ、光電変換層２の光起電力を第１外部回路へ出力することができる（太陽電池発電＋水素生成モード）。
なお、上記の各モードは、制御部３２により切り換えることができる。
【００７４】
７．センサ部
センサ部３３は、日射量計、照度センサ、温度センサなどを含むことができる。このことにより、光電変換層２に入射する光量に関する情報などを得ることができる。また、センサ部３３に含まれる日射量計または照度センサの出力は、「光電変換層２の光起電力に関する情報」となってもよい。
センサ部３３は制御部３２に検知信号を出力することができる。このことにより、センサ部３３の検知信号に基づき制御部３２により本実施形態の発電装置４５を制御することができる。
【００７５】
８．制御部
制御部３２は、本実施形態の発電装置４５を制御することができる。
制御部３２は、情報を入力する入力手段と、入力手段から入力された情報に基づき設定する設定手段と、設定手段により情報を出力する出力手段とを備えることができる。入力手段、設定手段および出力手段は、プログラムであってもよく、プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であってもよい。
【００７６】
制御部３２は、入力手段により情報を入力をするため、または出力手段により情報を出力をするために、有線または無線の信号線によりセンサ部３３、外部情報網、サーバー、供給排出用流路３７、回路切換部２７、光電変換層２などと接続することができる。
【００７７】
入力手段は、例えば、センサ部３３からの信号または光電変換層２の光起電力の測定値の信号を入力することができる。このことにより、制御部３２は、「光電変換層２の光起電力に関する情報」を入力することができる。
また、入力手段は、電力会社からの情報、Ｗｅｂ情報、ソリューションサーバー情報を入力することができる。このことにより、制御部３２は、「需要電力に関する情報」を入力することができる。
設定手段は、入力手段に入力された情報に基づき、回路切換部２７に含まれるスイッチのＯＮ・ＯＦＦ、供給排出用流路３７の流通経路の選択、冷却水用流路４７の冷却水の流量、複数のセルを昇温するためのヒーターへの出力などを設定することができる。
出力手段は、設定手段で設定した情報を回路切換部２７、供給排出用流路３７、冷却水用流路４７などに出力することができる。これらの手段により本実施形態の発電装置４５を制御することができる。
【００７８】
図９は、制御部３２により発電装置４５を制御するフローチャートである。このフローチャートのように制御することにより、発電装置を燃料電池発電モード、水素生成モード、太陽電池＋燃料電池発電モード、太陽電池発電モード、太陽電池発電＋水素生成モードを切り換えることができる。
【００７９】
まず、制御部３２は、入力手段により光電変換層２の光起電力（光電変換層２の光起電力に関する情報）および需要電力（需要電力に関する情報）を入力することができる。光電変換層２の光起電力は、光電変換層２の配線や回路切換部２７の配線から測定した光電変換層２の光起電力であってもよく、センサ部３３に含まれる日射量計や照度センサなどから予測される光電変換層２の光起電力であってもよい。後者の場合、入力手段に入力されるのは、日射量や照度となり、制御部３２により光起電力を計算することもできる。
需要電力は、入力手段が外部情報網、サーバーより入力することができる。消費される電力を供給するために必要な電力であり、サーバーなどにより予測された電力量を入力することができる。
【００８０】
次に、制御部３２は、光電変換層２の光起電力および需要電力のうちどちらか一方が所定値を上回っているか否かを判断する。ここで所定値とは、光電変換層２の光起電力の場合、光起電力を外部回路に出力、または水電解装置として機能させる複数のセル７に出力するのに十分な所定の電力量である。また、需要電力の所定値とは、光電変換層２または燃料電池として機能する複数のセル７からの電力の供給を必要としない所定の需要電力量である。例えば、電力系統からの電力のみで満たすことができる需要電力量である。
制御部３２が光電変換層２の光起電力および需要電力の両方が所定値を下回っていると判断する場合には、制御部３２は、出力手段から、発電装置４５を待機モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、夜間であり、発電装置４５が電力を供給する施設の電力需要がほとんどない場合などである。
このような場合、例えば、制御部３２は、回路切換部２７に対して、すべてのスイッチをＯＦＦとする信号を出力することができ、供給排出用流路３７に何も流通させない信号を各構成要素に出力することができる。このことにより発電装置４５を待機モードとすることができる。
【００８１】
制御部３２が光電変換層２の光起電力および需要電力のうちどちらか一方が所定値を上回っていると判断する場合、制御部３２は、光電変換層２の光起電力が所定値を上回っているか否かを判断する。
制御部３２が光電変換層２の光起電力が所定値を下回り、需要電力が所定値を上回ると判断する場合、制御部３２は、出力手段から、発電装置４５を燃料電池発電モードとする信号を供給排出用流路３７、回路切換部２７などの各構成要素に出力する。このことにより、第１外部回路に複数のセル７が発電した電力を供給することができ、燃料電池発電モードにすることができる。例えば、夜間であり、発電装置４５により電力を供給する必要がある場合である。
この後、制御部３２は、燃料電池発電制御信号を燃料電池として機能させる複数のセル７などに出力することができる。具体的には、制御部３２は、入力手段により需要電力を入力し、この入力した需要電力に基づいて燃料電池として機能させる複数のセル７の発電電力を変動させ、電力負荷追従運転をするような信号を燃料電池として機能させる複数のセル７、供給排出用流路３７、回路切換部２７などに出力することができる。
【００８２】
制御部３２が、光電変換層２に光起電力が所定値を上回っていると判断する場合、制御部３２は、需要電力が所定値を上回っているか否かを判断する。
制御部３２が光電変換層２の光起電力が所定値を上回り、需要電力が所定値を下回ると判断する場合、制御部３２は、出力手段から、発電装置４５を水素生成モードとする信号を供給排出用流路３７、回路切換部２７などの各構成要素に出力する。このことにより、光電変換層２の光起電力を水電解装置として機能させる複数のセル７に出力することができ、セル７により水素ガスを製造することができる。例えば、日中であり、発電装置４５が電力を供給する施設の電力需要がほとんどない場合などである。
【００８３】
制御部３２が、光電変換層２の光起電力および需要電力の両方が所定値を上回っていると判断する場合、制御部３２は、光電変換層２の光起電力が需要電力を上回っているか否かを判断する。
制御部３２が光電変換層２の光起電力が需要電力を下回っていると判断する場合、制御部３２は、出力手段から、発電装置４５を太陽電池＋燃料電池発電モードとする信号を供給排出用流路３７、回路切換部２７などの各構成要素に出力する。このことにより、燃料電池として機能させる複数のセル７が発電した電力と、光電変換層２の光起電力との両方を第１外部回路に供給することができ、太陽電池＋燃料電池発電モードにすることができる。例えば、日中であり、発電装置４５が電力を供給する施設の電力需要が多い場合などである。
この後、制御部３２は、燃料電池発電制御信号を燃料電池として機能させる複数のセル７などに出力することができる。具体的には、制御部３２は、入力手段により需要電力および光電変換層２の光起電力を入力し、この入力した需要電力および光起電力に基づいて燃料電池として機能させる複数のセル７の発電電力を変動させ、電力負荷追従運転をするような信号を燃料電池として機能させる複数のセル７、供給排出用流路３７、回路切換部２７などに出力することができる。
【００８４】
制御部３２が、光電変換層２の光起電力が需要電力を上回っていると判断する場合、制御部３２は、光電変換層２の光起電力が需要電力を大きく上回っているか否かを判断する。
制御部３２が光電変換層２の光起電力が需要電力を大きく上回っていないと判断する場合、制御部３２は、出力手段から、発電装置４５を太陽電池発電モードとする信号を供給排出用流路３７、回路切換部２７などの各構成要素に出力する。このことにより、光電変換層２の光起電力を第１外部回路に供給することができ、太陽電池発電モードにすることができる。例えば、日中であり、需要電力を光電変換層２の光起電力で満たすことができ、余剰電力があまりない場合などである。
【００８５】
制御部３２が光電変換層２の光起電力が需要電力を大きく上回っていると判断する場合、制御部３２は、出力手段から、発電装置４５を太陽電池発電＋水素生成モードとする信号を供給排出用流路３７、回路切換部２７などの各構成要素に出力する。このことにより光電変換層２の光起電力を水電解装置として機能させるセル７と第１外部回路の両方に出力することができ、太陽電池発電＋水素生成モードとすることができる。例えば、日中であり、需要電力を光電変換層２の光起電力で満たすことができ、余剰電力がある場合などである。
【符号の説明】
【００８６】
１： 受光面基板    ２：光電変換層    ４：第１光電変換用電極    ５：第２光電変換用電極    ７：セル    ８：固体高分子電解質膜    ９：第１セル電極    １０：第２セル電極    １３：第１流路    １４：第２流路    １６：燃料流路    １７：空気流路    ２０：絶縁基板    ２１：裏面基板    ２４：集電体    ２５：セパレータ    ２６：接続板    ２７：回路切換部    ２８：加湿器    ２９：混合器    ３０：空気圧縮機    ３１：燃料供給部    ３２：制御部    ３３：センサ部    ３４：電解液流路    ３５：水素回収用流路    ３６：酸素回収用流路    ３７：供給排出用流路    ３８：気泡分離装置    ３９：水素貯蔵器    ４０：酸素貯蔵器    ４１：電解液槽    ４２：ポンプ    ４５：発電装置    ４７：冷却水用流路    ４８：流路部材    ５０：半導体部    ５１：ｐ型半導体部    ５２：ｎ型半導体部    ５４：絶縁部    ５５：導電部    ５６：アイソレーション
【図１】
2013105630.tif 000003
【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】
2013105630.tif 000009
【図８】
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【図９】
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