(57)【要約】【課題】本発明は、太陽電池の光起電力を利用して効率よく水素ガスを発生させることができ、簡素化することができる水電解装置を提供する。【解決手段】本発明の水電解装置は、光電変換部と水電解部と少なくとも１つのスイッチとを備え、前記水電解部は、第１電解用電極と第２電解用電極とからなる電極対を少なくとも１つ有し、前記光電変換部は、少なくとも１つの光電変換ユニットを有し、前記光電変換ユニットは、少なくとも１つの光電変換セルを備え、前記スイッチは、前記光電変換ユニットの光起電力を外部出力する電路と、前記光電変換ユニットの光起電力を第１および第２電解用電極に出力する電路とを選択的に形成するように設けられていることを特徴とする。【選択図】図２
2013253294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と水電解部と少なくとも１つのスイッチとを備え、
前記水電解部は、第１電解用電極と第２電解用電極とからなる電極対を少なくとも１つ有し、
前記光電変換部は、少なくとも１つの光電変換ユニットを有し、
前記光電変換ユニットは、少なくとも１つの光電変換セルを備え、
前記スイッチは、前記光電変換ユニットの光起電力を外部出力する電路と、前記光電変換ユニットの光起電力を第１および第２電解用電極に出力する電路とを選択的に形成するように設けられていることを特徴とする水電解装置。
【請求項２】
前記スイッチは、複数であり、
前記光電変換ユニットは、複数であり、
前記スイッチは、前記光電変換ユニットを直列接続して得られる光起電力を外部出力する電路と、前記光電変換ユニットを並列接続して得られる光起電力または１つの前記光電変換ユニットから得られる光起電力を第１および第２電解用電極に出力する電路とを選択的に形成するように設けられている請求項１に記載の水電解装置。
【請求項３】
前記スイッチは、複数であり、
前記光電変換ユニットは、複数であり、
前記スイッチは、前記光電変換ユニットを並列接続して得られる光起電力を外部出力する電路と、前記光電変換ユニットを並列接続して得られる光起電力または１つの前記光電変換ユニットから得られる光起電力を第１および第２電解用電極に出力する電路とを選択的に形成するように設けられている請求項１に記載の水電解装置。
【請求項４】
前記光電変換ユニットは、１．３Ｖ以上２．５Ｖ以下の電圧の光起電力が生じるように構成された請求項１〜３のいずれか１つに記載の水電解装置。
【請求項５】
水電解部は、前記光電変換ユニットの光起電力により水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる請求項１〜４のいずれか１つに記載の水電解装置。
【請求項６】
前記光電変換ユニットは、直列接続した複数の光電変換セルを備える請求項１〜５のいずれか１つに記載の水電解装置。
【請求項７】
前記スイッチは、ＦＥＴ素子またはリレー素子である請求項１〜６のいずれか１つに記載の水電解装置。
【請求項８】
スイッチ制御部をさらに備え、
前記スイッチ制御部は、前記スイッチの切り替えを制御する請求項１〜７のいずれか１つに記載の水電解装置。
【請求項９】
前記スイッチは、複数の前記光電変換ユニットのうち一部の前記光電変換ユニットの光起電力を外部出力し他の前記光電変換ユニットの光起電力を第１および第２電解用電極に出力する電路を形成できるように設けられた請求項２または３に記載の水電解装置。
【請求項１０】
前記水電解部は、第１および第２の前記電極対を備え、
前記スイッチは、前記光電変換ユニットの光起電力を第１の前記電極対に出力する電路と、前記光電変換ユニットの光起電力を第２の前記電極対に出力する電路とを選択的に形成できるように設けられた請求項１〜９のいずれか１つに記載の水電解装置。
【請求項１１】
前記水電解部は、第１および第２の前記電極対を備え、
前記スイッチは、前記光電変換ユニットの光起電力を第１および第２の前記電極対の両方に出力する電路と、前記光電変換ユニットの光起電力を第１の前記電極対に出力する電路とを選択的に形成できるように設けられた請求項１〜９のいずれか１つに記載の水電解装置。
【請求項１２】
前記光電変換ユニットおよび前記スイッチは、１つの基板上に設けられた請求項１〜１１のいずれか１つに記載の水電解装置。
【請求項１３】
前記光電変換部は、受光面とその裏面とを有し、
前記水電解部は、前記光電変換部の裏面側に設けられた請求項１〜１２のいずれか１つに記載の水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、二酸化炭素を発生しないクリーンな電源として普及が進んでいる。しかし、太陽電池は受光量により発電量が変動するため、太陽電池の光起電力を利用して水を電気分解し水素ガスとしてエネルギーを貯蔵することが検討されている。
しかし、水の電気分解により効率よく水素ガスを発生させるためには、電解用電極に水の理論分解電圧（１．２３Ｖ）よりも水電解過電圧だけ高い電圧を印加する必要がある。このため、従来の水電解システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバーターを介して太陽電池の光起電力を水電解装置に出力している（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２３３４９３号公報
【特許文献２】特開２００２−８８４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の水電解システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバーターにおいてエネルギー損失が生じている。また、ＤＣ−ＤＣコンバーターが必要なため、システムが大型化してしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、太陽電池の光起電力を利用して効率よく水素ガスを発生させることができ、簡素化することができる水電解装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、光電変換部と水電解部と少なくとも１つのスイッチとを備え、前記水電解部は、第１電解用電極と第２電解用電極とからなる電極対を少なくとも１つ有し、前記光電変換部は、少なくとも１つの光電変換ユニットを有し、前記光電変換ユニットは、少なくとも１つの光電変換セルを備え、前記スイッチは、前記光電変換ユニットの光起電力を外部出力する電路と、前記光電変換ユニットの光起電力を第１および第２電解用電極に出力する電路とを選択的に形成するように設けられていることを特徴とする水電解装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、光電変換ユニットの光起電力を外部出力できるため、光電変換ユニットを電源として利用することができる。
本発明によれば、光電変換ユニットの光起電力を第１および第２電解用電極に出力するため、水の電気分解に適した電圧の電力を第１および第２電解用電極に出力することが可能であり、効率よく水素ガスを発生させることができる。また、効率よく水を電気分解するためにＤＣ−ＤＣコンバーターが必要ではなく、水電解装置を簡素化することができる。
本発明によれば、外部出力する電路と水電解する電路とをスイッチにより選択的に形成するように設けられているため、光電変換ユニットの光起電力を外部回路と水電解部の両方で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態の水電解装置の構成を示す概略説明図である。
【図２】本発明の一実施形態の水電解装置の概略回路図である。
【図３】本発明の一実施形態の水電解装置の構成を示す概略平面図である。
【図４】図３の一点鎖線Ａ−Ａにおける水電解装置の概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の水電解装置の概略回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の水電解装置は、光電変換部と水電解部と少なくとも１つのスイッチとを備え、前記水電解部は、第１電解用電極と第２電解用電極とからなる電極対を少なくとも１つ有し、前記光電変換部は、少なくとも１つの光電変換ユニットを有し、前記光電変換ユニットは、少なくとも１つの光電変換セルを備え、前記スイッチは、前記光電変換ユニットの光起電力を外部出力する電路と、前記光電変換ユニットの光起電力を第１および第２電解用電極に出力する電路とを選択的に形成するように設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の水電解装置において、前記スイッチは、複数であり、前記光電変換ユニットは、複数であり、前記スイッチは、前記光電変換ユニットを直列接続して得られる光起電力を外部出力する電路と、前記光電変換ユニットを並列接続して得られる光起電力または１つの前記光電変換ユニットから得られる光起電力を第１および第２電解用電極に出力する電路とを選択的に形成するように設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、直列接続する光電変換ユニットの光起電力を外部出力できるため、電源として利用しやすい高電圧の電力を外部出力することができる。また、並列接続する光電変換ユニットの光起電力または１つの光電変換ユニットの光起電力を第１および第２電解用電極に出力するため、水の電気分解に適した電圧の電力を第１および第２電解用電極に出力することができ、効率よく水素ガスを発生させることができる。また、効率よく水を電気分解するためにＤＣ−ＤＣコンバーターが必要ではなく、水電解装置を簡素化することができる。さらに、スイッチが複数であるため、様々な電路を形成することができる。
本発明の水電解装置において、前記スイッチは、複数であり、前記光電変換ユニットは、複数であり、前記スイッチは、前記光電変換ユニットを並列接続して得られる光起電力を外部出力する電路と、前記光電変換ユニットを並列接続して得られる光起電力または１つの前記光電変換ユニットから得られる光起電力を第１および第２電解用電極に出力する電路とを選択的に形成するように設けられていることが好ましい。
このような構成によれば、前記光電変換ユニットを並列接続して得られる光起電力を外部出力できるため、外部装置の入力電圧を有する電力を外部出力することができる。
【００１０】
本発明の水電解装置において、前記光電変換ユニットは、１．３Ｖ以上２．５Ｖ以下の電圧の光起電力が生じるように構成されたことが好ましい。
このような構成によれば、並列接続された光電変換ユニットまたは１つの光電変換ユニットの光起電力を第１および第２電解用電極に出力することにより効率よく水を電気分解することができる。
本発明の水電解装置において、水電解部は、前記光電変換ユニットの光起電力により水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させることが好ましい。
このような構成によれば、本発明の水電解装置により水素ガスを製造することができる。
【００１１】
本発明の水電解装置において、前記光電変換ユニットは、直列接続した複数の光電変換セルを備えることが好ましい。
このような構成によれば、光電変換ユニットに含まれる光電変換セルの数により光電変換ユニットの光起電力の電圧を制御することができる。
本発明の水電解装置において、前記スイッチは、ＦＥＴ素子またはリレー素子であることが好ましい。
このような構成によれば、スイッチのＯＮ・ＯＦＦを容易に制御することができる。
【００１２】
本発明の水電解装置において、スイッチ制御部をさらに備え、前記スイッチ制御部は、前記スイッチの切り替えを制御することが好ましい。
このような構成によれば、スイッチ制御部によりスイッチのＯＮ・ＯＦＦを制御することができる。
本発明の水電解装置において、前記スイッチは、複数の前記光電変換ユニットのうち一部の前記光電変換ユニットの光起電力を外部出力し他の前記光電変換ユニットの光起電力を第１および第２電解用電極に出力する電路を形成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、光電変換部の発電量および電力需要に応じて、光電変換部の光起電力を外部回路と第１および第２電解用電極の両方に出力することができる。
【００１３】
本発明の水電解装置において、前記水電解部は、第１および第２の前記電極対を備え、前記スイッチは、前記光電変換ユニットの光起電力を第１の前記電極対に出力する電路と、前記光電変換ユニットの光起電力を第２の前記電極対に出力する電路とを選択的に形成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、光電変換ユニットの光起電力を出力する電極対を変更することができ、特定の電極対のみが長時間使用され劣化するのを抑制することができる。
本発明の水電解装置において、前記水電解部は、第１および第２の前記電極対を備え、前記スイッチは、前記光電変換ユニットの光起電力を第１および第２の前記電極対の両方に出力する電路と、前記光電変換ユニットの光起電力を第１の前記電極対に出力する電路とを選択的に形成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、光電変換部の発電量に応じて、光電変換ユニットの光起電力を出力する電極対の数を変更することができ、より効率的に水素ガスを製造することができる。
【００１４】
本発明の水電解装置において、前記光電変換ユニットおよび前記スイッチは、１つの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、配線距離を短くすることができ、光電変換ユニットの光起電力を効率よく第１および第２電解用電極に出力することができる。また、１つの基板上に複数の光電変換ユニットおよび複数のスイッチを集約することができる。
本発明の水電解装置において、前記光電変換部は、受光面とその裏面とを有し、前記水電解部は、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、光電変換ユニットと第１および第２電解用電極との間の配線距離を短くすることができ、光電変換ユニットの光起電力を効率よく利用して水素ガスおよび酸素ガスを発生させることができる。また、水電解部と光電変換部とを同じスペースに設置すること可能になり、水電解装置を小型化することができる。
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。
【００１５】
水電解装置の構成
図１は本実施形態の水電解装置の構成を示す概略説明図であり、図２は本実施形態の水電解装置の概略回路図である。また、図３は、本実施形態の水電解装置の構成を示す概略平面図であり、図４は、図３の一点鎖線Ａ−Ａにおける水電解装置の概略断面図であり、図５は、本実施形態の水電解装置の概略回路図である。
本実施形態の水電解装置２０は、光電変換部１と水電解部２と少なくとも１つのスイッチ１１とを備え、水電解部１は、第１電解用電極４と第２電解用電極５とからなる電極対６を少なくとも１つ有し、光電変換部１は、少なくとも１つの光電変換ユニット８を有し、光電変換ユニット８は、少なくとも１つの光電変換セル１５を備え、スイッチ１１は、光電変換ユニット８の光起電力を外部出力する電路と、光電変換ユニット８の光起電力を第１および第２電解用電極４、５に出力する電路とを選択的に形成するように設けられていることを特徴とする。
以下、本実施形態の水電解装置２０について説明する。
【００１６】
１．水電解部
水電解部２は、第１電解用電極４と第２電解用電極５とからなる電極対６を少なくとも１つ有する。また、第１電解用電極４と第２電解用電極５とは、電解液２７中に設けられる。このことにより、第１電解用電極４と第２電解用電極５との間に電圧を印加することにより電解液に含まれる水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させることができる。
電極対６は、光電変換部１に含まれる光電変換ユニット８の光起電力が出力されるように設けられる。電極対６と光電変換ユニット８との電気的接続関係は、後述するスイッチ１１の説明において説明する。
【００１７】
第１電解用電極４および第２電解用電極５は、同じ電解液槽２８に溜めた電解液２７中に設けられてもよく、固体電解質を隔てて設けられた２つの電解液槽に溜めた電解液中にそれぞれ設けられてもよい。固体電解質は、第１電解用電極４と第２電解用電極５との間の隔壁４０であってもよい。このことにより、発生させた水素ガスおよび酸素ガスが混合することを防止することができる。
固体電解質としては、当該分野で公知の固体電解質をいずれも使用でき、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。
【００１８】
第１電解用電極４と第２電解用電極５とからなる電極対６は、図１のように１つであってもよく、図４のように複数であってもよい。電極対６を１つにすることにより、製造コストを低減することができる。また、電極対６を複数にすることにより、それぞれの電極対６で水素ガスおよび酸素ガスを発生させることが可能になり、光電変換部１の光起電力を利用して効率よく水素ガスを製造することができる。また、光電変換部１の発電量に応じて光起電力を出力する電極対６の数を変更することができ、より効率よく水素ガスを製造することができる。
【００１９】
水電解部２は、図４のように光電変換部１の裏面側に設けることができる。このことにより、光電変換ユニット８と第１および第２電解用電極４、５との間の配線距離を短くすることができ、光電変換ユニット８の光起電力を効率よく利用して水素ガスおよび酸素ガスを発生させることができる。また、水電解部２と光電変換部１とを同じスペースに設置すること可能になり、水電解装置２０を小型化することができる。
また、水電解部２は、図４のように扁平な形状にすることができる。このことにより、水電解装置２０が設置しやすくなる。
【００２０】
第１電解用電極４および第２電解用電極５のうち少なくとも一方は、触媒が担持された多孔質の導電体であることが好ましい。このような構成によれば、第１電解用電極４および第２電解用電極５のうち少なくとも一方の触媒表面積を大きくすることができ、より効率的に水素ガスまたは酸素ガスを発生させることができる。また、多孔質の導電体を用いることにより、光電変換部１と触媒との間の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、より効率的に水素ガスまたは酸素ガスを発生させることができる。
第１電解用電極４および第２電解用電極５のうち、一方は水素発生部であり、他方が酸素発生部である。
【００２１】
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４および第２電解用電極５のうちどちらか一方である。
また、水素発生部は、電解液からＨ2が発生する反応の水素発生触媒を含んでもよい。このことにより、電解液から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。また、電解液からＨ2が発生する反応の過電圧を小さ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、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、水素発生触媒を含んでよく、水素発生触媒は、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、光電変換部１で生じる起電力により、より速い反応速度で水素ガスを発生させることができる。
【００２２】
電解液から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。
【００２３】
水素発生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。
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
水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。
【００２８】
酸素発生部は、電解液からＯ2を発生させる部分であり、第１電解用電極４および第２電解用電極５のうちどちらか一方である。
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、電解液からＯ2が発生する反応の過電圧を小さくすることができる。
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、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、酸素発生部は、酸素発生触媒を含んでもよく、酸素発生触媒は、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、光電変換部で生じる起電力により、より速い反応速度で酸素を発生させることができる。
【００２９】
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。
【００３０】
酸素発生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。これらの説明は、上述の水素発生触媒についての説明が矛盾がない限り当てはまる。
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。
【００３１】
なお、水素発生触媒、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。また水素発生および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、水素及び酸素発生速度を向上させることが可能である。
【００３２】
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。
【００３３】
２．光電変換部
光電変換部１は、太陽光などを受光し光起電力が生じる光電変換セル１５を備える部分である。１つまたは複数の光電変換セル１５は、光電変換ユニット８を構成することができる。光電変換ユニット８は、１．３Ｖ以上２．５Ｖ以下の電圧の光起電力が生じるように構成することができる。このことにより、光電変換ユニット８の光起電力を第１および第２電解用電極４、５に出力する際に、電圧を変換する必要がなく、光電変換ユニット８の光起電力を効率よく水素ガスの製造に利用することができる。なお、ここで光電変換ユニット８の光起電力の電圧とは、開放電圧をいう。
【００３４】
水の理論分解電圧は、１．２３Ｖであるため、光電変換ユニット８の光起電力の電圧を１．３Ｖ以上とすることにより、水を電解し水素ガスを製造することが可能である。なお、第１および第２電解用電極４、５に出力する電圧は、光電変換セル１５と第１および第２電解用電極４、５との間の配線抵抗や第１および第２電解用電極４、５における過電圧を考慮して水の理論分解電圧よりも高くする必要があるため、装置により変更する必要がある。
光電変換ユニット８の光起電力の電圧を２．５Ｖ以下とすることにより、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させることができる十分な電圧を第１および第２電解用電極４、５に印加することができ、効率よく水素ガスおよび酸素ガスを発生させることができる。
【００３５】
光電変換セル１５の光起電力の電圧は、光電変換セル１５に含まれる光電変換層の材料、光電変換層の積層数などにより決まる。１つの光電変換セル１５が、１．３Ｖ以上２．５Ｖ以下の電圧が生じるように構成されている場合、光電変換ユニット８は１つの光電変換セル１５により構成することができる。１つの光電変換セル１５が１．２５Ｖ以下の電圧が生じるように構成されている場合、光電変換ユニット８は、直列接続された複数の光電変換セル１５により構成することができる。光電変換ユニット８を構成する光電変換セル１５の数は、光電変換ユニット８の光起電力の電圧が１．３Ｖ以上２．５Ｖ以下となるように決めることができる。例えば、図１〜５に示したような水電解装置２０の場合、光電変換ユニット８は、直列接続した４つの光電変換セル１５により構成することができる。
また、光電変換ユニット８に含まれる複数の光電変換セル１５は、例えば、コンタクトラインにより直列接続させてもよく、インターコネクタにより直列接続されてもよい。
【００３６】
複数の光電変換ユニット８は、複数のスイッチ１１を介して並列に接続することができ、また、複数のスイッチ１１を介して直列に接続することができる。例えば、図１〜５に示したような水電解装置２０の場合、光電変換部１は４つの光電変換ユニット８を有することができる。
複数の光電変換ユニット８および複数のスイッチ１１は、１つの基板上に設けられてもよい。このことにより配線距離を短くすることができ、光電変換ユニット８の光起電力を効率よく第１および第２電解用電極４、５に出力することができる。
また、光電変換部１は、図１、３、４のように基板２５上に設けられ、受光面と裏面とを有してもよい。このことにより、基板２５上に複数の光電変換ユニット８および複数のスイッチ１１を集約することができる。
【００３７】
光電変換セル１５は、光電変換層と第１および第２光電変換用電極とからなってもよい。光電変換層を構成する材料は、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、光起電力を大きくするために、これらの光電変換材料からなる光電変換層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、光電変換セル１５で生じる光起電力をより大きくすることができる。
【００３８】
また、光電変換層間の直列接続特性の改善や、光電変換セル１５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セル１５の劣化を抑制することが可能となる。
光電変換セル１５に含まれる光電変換層の例を以下に具体的に説明する。
【００３９】
２−１．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セル１５は、透光性基板の上に薄膜または厚膜の光電変換層を形成したものであってもよく、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。
【００４０】
シリコン系半導体を用いた光電変換層の形成例を以下に示す。
透光性基板上に積層した第１光電変換電極上に、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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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圧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。
【００４４】
次に、シリコン基板を用いた光電変換層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、光電変換層を形成することができる。
【００４５】
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型半導体部およびｐ型半導体部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。
【００４６】
２−２．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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
２−３．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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
２−４．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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
３．スイッチ、スイッチ制御部
水電解装置２０は、少なくとも１つのスイッチ１１を備える。
スイッチ１１は、光電変換ユニット８の光起電力を出力する電路を切り替えることができるものであれば特に限定されないが、例えば、ＦＥＴ素子からなるスイッチ、リレー素子からなるスイッチである。複数のスイッチ１１は、図１、２のようにスイッチ部１０にまとめて設けられてもよく、分割して設けられてもよい。
また、複数のスイッチ１１は、複数の光電変換ユニット８と共に１つの基板上に設けることができる。このことにより、水電解装置２０を小型化することができる。また、配線距離を短くすることもできる。
複数のスイッチ１１は、例えば、図２に示した回路図のように設けることができる。
ここでは、図１、２に示したような水電解装置２０について、複数のスイッチ（ＳＷ１〜ＳＷ１６）を用いて複数の光電変換ユニット８の光起電力を出力する電路を切り替える方法について説明する。
【００６１】
図１、２に示した水電解装置２０は、４つの光電変換セル１５を有する光電変換ユニット８を４つ備えている。光電変換ユニット８に含まれる光電変換セル１５は直列接続している。
光電変換ユニット８ａ〜８ｄを直列接続し、光起電力を外部回路に出力する電路に複数のスイッチ１１により切り替える場合、ＳＷ１〜３、１０〜１４をＯＮとし、ＳＷ４〜９、１５、１６をＯＦＦとする。このような電路とすることにより、利用しやすい高電圧の電力を外部回路に供給することができる。
【００６２】
光電変換ユニット８ａ〜８ｄを並列接続し、光起電力を第１および第２電解用電極４、５に出力する電路に複数のスイッチ１１により切り替える場合、ＳＷ４〜１２、１５、１６をＯＮとし、ＳＷ１〜３、１３、１４をＯＦＦとする。このような電路とすることにより、比較的低い電圧の光起電力を水電解部２に出力することができ、水を効率よく電気分解し水素ガスを発生させることができる。また、この場合、光電変換ユニット８の光起電力を１．３Ｖ以上２．５Ｖ以下とすることにより、水を効率よく電気分解し水素ガスを発生させることができる。
【００６３】
光電変換ユニット８ａ〜８ｃを直列接続し、光起電力を外部回路に出力し、光電変換ユニット８ｄの光起電力を第１および第２電解用電極４、５に出力する電路に複数のスイッチ１１により切り替える場合、ＳＷ１、２、９〜１１、１３〜１６をＯＮとし、ＳＷ３〜８、１２をＯＦＦとする。このような電路にすることにより、光電変換部１の光起電力のうち一部を外部回路に出力し他を水電解部２に出力することができる。このように切り替えを可能にすることにより、電力需要や光電変換部１の発電量などに応じて光起電力の出力先を変更することができ、光電変換部１の光起電力をより有効に利用することができる。
【００６４】
次に、図３〜５に示したような水電解装置２０について、複数のスイッチ（ＳＷ１〜ＳＷ１９）を用いて複数の光電変換ユニット８の光起電力を出力する電路を切り替える方法について説明する。
図３〜５に示した水電解装置２０において、水電解部２は光電変換部１の裏面側に設けられ、第１電解用電極４と第２電解用電極５からなる電極対６を４つ備えている。また、この水電解装置２０は、４つの光電変換セル１５を有する光電変換ユニット８を４つ備えている。光電変換ユニット８に含まれる光電変換セル１５は直列接続している。
【００６５】
光電変換ユニット８ａ〜８ｄを直列接続し、光起電力を外部回路に出力する電路に複数のスイッチ１１により切り替える場合、ＳＷ１〜３、１８、１９をＯＮとし、ＳＷ４〜１７をＯＦＦとする。このような電路とすることにより、利用しやすい高電圧の電力を外部回路に供給することができる。
【００６６】
光電変換ユニット８ａ〜８ｄを並列接続し、光起電力を４つの電極対６ａ〜６ｄに出力する電路に複数のスイッチ１１により切り替える場合、ＳＷ４〜１７をＯＮとし、ＳＷ１〜３、１８、１９をＯＦＦとする。このような電路とすることにより、比較的低い電圧の光起電力を水電解部２に出力することができ、水を効率よく電気分解し水素ガスを発生させることができる。また、この場合、光電変換ユニット８の光起電力を１．３Ｖ以上２．５Ｖ以下とすることにより、水を効率よく電気分解し水素ガスを発生させることができる。
また、ＳＷ１０〜１７をＯＮとし、ＳＷ１〜９およびＳＷ１８、１９をＯＦＦとすることにより、光電変換ユニット８ａ〜８ｄのそれぞれの光起電力を別々の電極対６に出力することもできる。
【００６７】
また、複数のスイッチ１１は、光電変換ユニット８の光起電力を第１の電極対６に出力する電路と光電変換ユニット８の光起電力を第２の電極対６に出力する電路とを切り替えることができるように設けられてもよい。図５の回路図を用いて説明すると、ＳＷ４〜１３をＯＮとし、ＳＷ１〜３、１４〜１９をＯＦＦとし光電変換ユニット８の光起電力を電極対６ａ、６ｂに出力する電路とした状態から、ＳＷ１０〜１３をＯＦＦとしＳＷ１４〜１７をＯＮとすることにより光電変換ユニット８の光起電力を電極対６ｃ、６ｄに出力する電路に切り替えることができる。このように出力する電極対６を切り替えることにより、特定の電極対６を用いて長時間、水を電気分解することを抑制することができ、特定の電極対６が劣化することを抑制することができる。
【００６８】
複数のスイッチ１１は、光電変換ユニット８の光起電力を第１および第２の電極対６の両方に出力する電路と、光電変換ユニット８の光起電力を第１の電極対６に出力する電路とを切り替えることができるように設けられてもよい。図５の回路図を用いて説明すると、ＳＷ４〜１７をＯＮとし、ＳＷ１〜３、１８、１９をＯＦＦとし光電変換ユニット８の光起電力を電極対６ａ〜６ｄに出力する電路とした状態から、ＳＷ１６、１７をＯＦＦとすることにより光電変換ユニット８の光起電力を電極対６ａ〜６ｃに出力する電路に切り替えることができる。このように出力する電極対６を切り替えることにより、光電変換部１の発電量に応じて水電解を行う電極対６の数を変更することができ、水素ガスの製造効率を高くすることができる。また、図４のように電極対６が隣り合わせて並べられている場合、水電解を行う電極対６が隣り合うように電極対６の数を変更することができる。このことにより、イオン移動効率が高まり、水素ガス生成効率を向上させることができる。
【００６９】
水電解装置２０は、複数のスイッチ１１のＯＮとＯＦＦとを制御するスイッチ制御部１７を備えることができる。
スイッチ制御部１７は、複数のスイッチ１１が切り換える電路を選択し、選択した結果をスイッチ１１に出力することができる。このことにより、状況に合わせて複数のスイッチ１１の電路を切換させるための信号を出力することができる。
また、スイッチ制御部１７は、光電変換部１に照射される日射量の予測、降水確率、日時、気温および電力需要予測のうち少なくとも１つに基づき複数のスイッチ１１が切り換える電路を選択することができる。また、スイッチ制御部１７は、光電変換部１が受光することにより生じる起電力の大きさに基づき複数のスイッチ１１が切り換える電路を選択することができる。このことにより、その時の状況に最も適するように複数のスイッチ１１が切り換える電路を選択することができる。
【００７０】
スイッチ制御部１７は、例えば、家庭のスマートメータが発信する信号、電力会社が発信する信号、インターネットなどの情報網を通じて提供される信号を受信し、その信号に基づき複数のスイッチ１１が切り換える回路を選択することができる。
また、スイッチ制御部１７が受信する信号は、有線または無線により受信することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１： 光電変換部    ２：水電解部    ４、４ａ〜４ｄ：第１電解用電極    ５、５ａ〜５ｄ：第２電解用電極    ６、６ａ〜６ｄ：電極対    ８、８ａ〜８ｄ：光電変換ユニット    １０：スイッチ部    １１：スイッチ    １５：光電変換セル    １７：スイッチ制御部    ２０：水電解装置    ２２、２３：接続端子    ２５：基板    ２７：電解液    ２８：電解液槽    ３１：光電変換層    ３２：受光面電極    ３３：裏面電極    ３５：透光性基板    ３６：裏面基板    ３８：絶縁部    ４０：隔壁    ４２：シール部材
【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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