(57)【要約】【課題】高い安全性を有する水素生成装置を提供する。【解決手段】  本開示の水素生成装置（１００ａ）は、筐体（１）、隔壁（２）、アノード（３）、カソード（４）、空気供給孔（５）、空気供給源（６）、及び気体排出路（７）を備える。筐体（１）は、水を含む電解液を収容可能な内部空間（１１）及び光を透過可能な光透過部（１２）を有する。隔壁（２）は、内部空間（１１）を第一空間（１３）と第二空間（１４）とに隔てる。アノード（３）は第一空間（１３）に配置されている。カソード（４）は、第二空間（１４）に配置され、前記アノード（３）と電気的に接続されている。空気供給孔（５）は第一空間（１３）の下部に開口している。空気供給源（６）は空気供給孔（５）に空気を供給可能に接続されている。気体排出路（７）は、第一空間（１３）の上部に開口し、前記筐体（１）の外部に開口している。【選択図】図１
2017218332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を含む電解液を収容可能な内部空間及び光を透過可能な光透過部を有する筐体と、
前記筐体の前記内部空間を第一空間と第二空間とに隔てる隔壁と、
前記第一空間に配置されたアノードと、
前記第二空間に配置され、前記アノードと電気的に接続されているカソードと、
前記第一空間の下部に開口している空気供給孔と、
前記空気供給孔に空気を供給可能に接続された空気供給源と、
前記第一空間の上部に開口し、かつ、前記筐体の外部に開口している気体排出路と、を備えた、
水素生成装置。
【請求項２】
前記気体排出路は、前記アノードと前記電解液との界面で発生した酸素を一時的に貯留可能な貯留空間を含む、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記光透過部は、前記アノードから離れて前記第一空間に接している、又は、前記アノードに接している、請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記光透過部によって形成された前記筐体の表面が斜め上方を向いている状態で前記筐体を支持する支持部材をさらに備えた、請求項３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記空気供給孔は、前記光透過部と前記アノードとの間の空間及び前記アノードと前記隔壁との間の空間の少なくともいずれかに向かって開口している、請求項３又は４に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記空気供給孔は、前記第一空間側の端部において前記第一空間に向かって拡大する孔径を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記空気供給孔は、前記アノードよりも下方で前記第一空間に開口している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記筐体は、前記隔壁とともに、前記隔壁に平行な断面が長方形である直方体状に前記第一空間を形成しており、
前記空気供給孔及び前記気体排出路は、前記長方形の一対の短辺を含む一対の面又は前記一対の面の近傍で前記第一空間に開口している、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記空気供給孔を通過する空気の流量を調節する流量調節機構をさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記流量調節機構を制御する制御器をさらに備え、
前記制御器は、前記空気供給源から前記空気供給孔を通過させて前記第一空間に間欠的に空気を供給する制御を前記流量調節機構に対し行う、請求項９に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記気体排出路は、前記アノードと前記電解液との界面で発生した酸素を一時的に貯留可能な貯留空間を含み、
前記制御の１周期において前記空気供給孔から前記第一空間に供給される空気の体積が前記貯留空間の容積よりも大きい、請求項１０に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記第二空間に接しており、前記第二空間と隔てられた空気室を形成する可撓性を有するダイアフラムと、
前記空気室に開口しつつ、前記空気室に空気を供給可能に前記空気供給源又は別の空気供給源に接続されている空気送り孔と、をさらに備えた、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１３】
（ｉ）請求項１〜１２のいずれか１項に記載の水素生成装置の前記筐体の前記内部空間に水を含む電解液を収容し、
（ii）前記光透過部を透過させて前記アノード又は前記カソードに光を照射することによって、前記アノードと前記電解液との界面で酸素を発生させつつ前記カソードと前記電解液との界面で水素を発生させ、
（iii）前記空気供給源から前記空気供給孔を通過させて前記第一空間に空気を供給することによって、前記第一空間の前記電解液中で空気の気泡を形成し、
（iv）前記空気の気泡に含まれる空気を前記酸素とともに前記気体排出路を通過させて前記筐体の外部に排出する、
水素生成方法。
【請求項１４】
前記（iii）において、前記空気供給源から前記空気供給孔を通過させて前記第一空間に間欠的に空気を供給する、請求項１３に記載の水素生成方法。
【請求項１５】
前記気体排出路は、前記アノードと前記電解液との界面で発生した酸素を一時的に貯留可能な貯留空間を含み、
前記（iii）において、前記空気供給源から前記空気供給孔を通過させて前記第一空間に間欠的に空気を供給するときに、１周期において前記貯留空間の容積よりも大きい体積の空気を前記第一空間に供給する、請求項１３に記載の水素生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水素生成装置及び水素生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光を用いて水を電気分解することにより水素ガスを得るための光電気化学セルが知られている。例えば、特許文献１には、図７Ａに示す通り、光電気化学セル３００ａが記載されている。光電気化学セル３００ａは、筐体３０１と、セパレータ３０２と、導電性基板３０５と、半導体光電極３０６と、対極３０７と、電気的接続部３０８と、酸素ガス導入管３１０と、酸素ガス排出管３１１と、酸素ガス供給部３１５とを備えている。セパレータ３０２で隔てられた第１の空間３０３及び第２の空間３０４には、水を含む電解液３０９が存在している。半導体光電極３０６に照射光３１４が入射すると半導体光電極３０６の表面で水分子が酸化されて酸素が生成する。一方、対極３０７の表面ではプロトンが還元されて水素が発生する。
【０００３】
このようにして生成された酸素の気泡の一部は、半導体光電極３０６の表面に付着する。半導体光電極３０６に付着した気泡は、半導体光電極３０６と電解液３０９との接触を阻害し、水分解反応の効率を低下させる。また、生成された気泡は筐体３０１の内周面にも付着する。その結果、照射光３１４は筐体３０１の光が照射される面上で散乱され、半導体光電極３０６まで到達する光量が減少する。そこで、光電気化学セル３００ａでは、酸素ガス導入管３１０から第１の空間３０３に酸素ガスを導入し、酸素ガス排出管３１１から第１の空間３０３の内部の酸素ガスを排出する。これにより、半導体光電極３０６の表面又は筐体３０１の内周面に付着した気泡が除去される。なお、図７Ｂに示す通り、特許文献１には、酸素ガス循環ライン３２１、酸素ガス貯蔵部３２２、コンプレッサ３２５、及び流量制御器３２６をさらに備えた光電気化学セル３００ｂも記載されている。これにより、一定量の酸素ガスが循環しつつ、光照射によって生成された酸素ガスの量に相当する量の酸素ガスが酸素ガス貯蔵部３２２に貯蔵される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２３８５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の光電気化学セルは、安全性を高める観点から改良の余地を有している。そこで、本開示は、高い安全性を有する水素生成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、
水を含む電解液を収容可能な内部空間及び光を透過可能な光透過部を有する筐体と、
前記筐体の前記内部空間を第一空間と第二空間とに隔てる隔壁と、
前記第一空間に配置されたアノードと、
前記第二空間に配置され、前記アノードと電気的に接続されているカソードと、
前記第一空間の下部に開口している空気供給孔と、
前記空気供給孔に空気を供給可能に接続された空気供給源と、
前記第一空間の上部に開口し、かつ、前記筐体の外部に開口している気体排出路と、を備えた、
水素生成装置を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
上記の水素生成装置は、高い安全性を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の水素生成装置の一例を示す断面図
【図２】図１の水素生成装置を示す平面図
【図３】図１の水素生成装置の制御を示すフローチャート
【図４】変形例に係る水素生成装置の断面図
【図５】別の変形例に係る水素生成装置の平面図
【図６】さらに別の変形例に係る水素生成装置の断面図
【図７Ａ】従来の光電気化学セルの構成を示す概略図
【図７Ｂ】従来の光電気化学セルの構成を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜本発明者らの検討に基づく知見＞
特許文献１に記載の光電気化学セル３００ａでは、酸素ガス導入管３１０から第１の空間３０３の内部に供給された酸素ガスによって、半導体光電極３０６の表面又は筐体３０１の内周面に付着した酸素ガスの気泡が除去される。この場合、高濃度の酸素ガスが酸素ガス排出管３１１から光電気化学セル３００ａの外部に排出される。酸素ガスは助燃性を有するので、高濃度の酸素ガスを排出するには高度な注意が必要である。このような注意が払われないと安全性が損なわれる可能性がある。例えば、特許文献１に記載の光電気化学セル３００ｂのように、酸素ガスを循環させることも考えられるが、この場合、光電気化学セル３００ｂは酸素ガスを循環させるために複雑な構造を有する必要がある。
【００１０】
本発明者は、水素生成装置において、電極又は筐体の内周面に付着した酸素ガスの気泡を除去するために、酸素ガスではなく空気を筐体の内部空間に供給することによって簡素な構成で高濃度の酸素ガスの排出を抑制できることを見出した。また、これにより、水素生成装置の安全性を格段に高めることができることを見出した。本開示の水素生成装置は、本発明者のこのような知見に基いて案出されたものである。
【００１１】
本開示の第１態様は、
水を含む電解液を収容可能な内部空間及び光を透過可能な光透過部を有する筐体と、
前記筐体の前記内部空間を第一空間と第二空間とに隔てる隔壁と、
前記第一空間に配置されたアノードと、
前記第二空間に配置され、前記アノードと電気的に接続されているカソードと、
前記第一空間の下部に開口している空気供給孔と、
前記空気供給孔に空気を供給可能に接続された空気供給源と、
前記第一空間の上部に開口し、かつ、前記筐体の外部に開口している気体排出路と、を備えた、
水素生成装置を提供する。
【００１２】
第１態様によれば、アノードと電解液との界面で発生した酸素ガスの微小な気泡がアノード表面等の第一空間の内部の表面に付着しても、空気供給源から空気供給孔を通って第一空間に供給された空気によって除去される。なぜなら、第一空間に供給された空気によって形成される気泡が第一空間を上昇することにより電解液が撹拌されて、酸素ガスの微小な気泡が第一空間の内部の表面から離れやすいからである。また、第一空間に供給された空気により酸素ガスが希釈されるので、水素生成装置からの高濃度の酸素ガスの排出を抑制できる。このため、第１態様の水素生成装置は簡素な構成で高い安全性を有する。
【００１３】
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記気体排出路は、前記アノードと前記電解液との界面で発生した酸素を一時的に貯留可能な貯留空間を含む、水素生成装置を提供する。第２態様によれば、アノードと電解液との界面で発生した酸素ガスが空気に先行して第一空間を出ても貯留空間に一時的に貯留され、貯留空間に到達した後続の空気によって高濃度の酸素ガスが希釈されやすい。このため、第２態様によれば、より確実に、水素生成装置からの高濃度の酸素ガスの排出を抑制できる。
【００１４】
本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記光透過部は、前記アノードから離れて前記第一空間に接している、又は、前記アノードに接している、水素生成装置を提供する。第３態様によれば、光透過部を通過した光がアノードに照射される。光透過部がアノードから離れて第一空間に接している場合、光透過部の内周面に酸素ガスの微小な気泡が付着する可能性がある。この場合でも、空気供給源から空気供給孔を通って第一空間に供給された空気が第一空間を上昇することによって、光透過部の内周面に付着した酸素ガスの微小な気泡が除去される。また、光透過部がアノードに接している場合、光透過部の内周面に酸素ガスの微小な気泡が付着することを防止できる。
【００１５】
本開示の第４態様は、第３態様に加えて、前記光透過部によって形成された前記筐体の表面が斜め上方を向いている状態で前記筐体を支持する支持部材をさらに備えた、水素生成装置を提供する。第４態様によれば、空気供給源から空気供給孔を通って第一空間に供給された空気によって形成される気泡が第一空間を上昇するときに、光透過部の内周面又は光透過部に接しているアノードの表面に触れながら上昇しやすい。これにより、光透過部の内周面又は光透過部に接しているアノードの表面に付着した酸素ガスの微小な気泡が除去されやすい。その結果、アノードに照射される光の光量が低下しにくく、水素生成装置の水素生成効率が高い。
【００１６】
本開示の第５態様は、第３態様又は第４態様に加えて、前記空気供給孔は、前記光透過部と前記アノードとの間の空間及び前記アノードと前記隔壁との間の空間の少なくともいずれかに向かって開口している、水素生成装置を提供する。第５態様によれば、空気供給源から空気供給孔を通って第一空間に供給された空気によって形成される気泡が第一空間を上昇するときに、光透過部の内周面又はアノードの表面の近くを上昇しやすい。これにより、光透過部の内周面又はアノードの表面に付着した酸素ガスの微小な気泡が除去されやすい。
【００１７】
本開示の第６態様は、第１態様〜第５態様のいずれか１つの態様に加えて、前記空気供給孔は、前記第一空間側の端部において前記第一空間に向かって拡大する孔径を有する、水素生成装置を提供する。第６態様によれば、空気供給源から空気供給孔を通って第一空間に供給された空気によって比較的大きな気泡が形成されやすい。このため、第一空間の内部の表面に付着した酸素ガスの微小な気泡を有利に除去できる。
【００１８】
本開示の第７態様は、第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様に加えて、前記空気供給孔は、前記アノードよりも下方で前記第一空間に開口している、水素生成装置を提供する。第７態様によれば、空気供給源から空気供給孔を通って第一空間に供給された空気によって形成される気泡がアノードよりも下方から上昇してくるので、第一空間の内部の表面の広い範囲で、付着した酸素ガスの微小な気泡が除去されやすい。
【００１９】
本開示の第８態様は、第１態様〜第７態様のいずれか１つの態様に加えて、前記筐体は、前記隔壁とともに、前記隔壁に平行な断面が長方形である直方体状に前記第一空間を形成しており、前記空気供給孔及び前記気体排出路は、前記長方形の一対の短辺を含む一対の面又は前記一対の面の近傍で前記第一空間に開口している、水素生成装置を提供する。第８態様によれば、第一空間は、空気供給源から空気供給孔を通って第一空間に供給された空気によって形成される気泡の進行方向に細長い形状を有し、一対の短辺に沿った方向において第一空間の幅が小さい。このため、第一空間の内部の表面の広い範囲で、空気の気泡が第一空間の内部の表面の近くを通過しやすく、酸素ガスの微小な気泡が除去されやすい。
【００２０】
本開示の第９態様は、第１態様〜第８態様のいずれか１つの態様に加えて、前記空気供給孔を通過する空気の流量を調節する流量調節機構をさらに備える、水素生成装置を提供する。第９態様によれば、流量調節機構を用いて空気供給孔を通過する空気の流量を調節することにより、空気供給源から空気供給孔を通って第一空間に供給された空気によって形成される気泡の形状や大きさを調整できる。
【００２１】
本開示の第１０態様は、第９態様に加えて、前記流量調節機構を制御する制御器をさらに備え、前記制御器は、前記空気供給源から前記空気供給孔を通過させて前記第一空間に間欠的に空気を供給する制御を前記流量調節機構に対し行う、水素生成装置を提供する。第１０態様によれば、第一空間への空気の供給量を抑制しつつ、比較的大きなサイズの空気の気泡を形成できる。また、空気の気泡が間欠的に形成されるので、光透過部を通過した光の進行が空気の気泡による影響を受けない期間を確実に確保できる。このため、水素生成装置の水素生成効率が高い。
【００２２】
本開示の第１１態様は、第１０態様に加えて、前記気体排出路は、前記アノードと前記電解液との界面で発生した酸素を一時的に貯留可能な貯留空間を含み、前記制御の１周期において前記空気供給孔から前記第一空間に供給される空気の体積が前記貯留空間の容積よりも大きい、水素生成装置を提供する。第１１態様によれば、間欠的な空気供給の１周期に供給された空気によって、その空気に先行して第一空間を出て貯留空間に貯留された酸素ガスの多くが希釈されながら確実に水素生成装置の外部に排出される。
【００２３】
本開示の第１２態様は、前記第二空間に接しており、前記第二空間と隔てられた空気室を形成する可撓性を有するダイアフラムと、前記空気室に開口しつつ、前記空気室に空気を供給可能に前記空気供給源又は別の空気供給源に接続されている空気送り孔と、をさらに備えた、水素生成装置を提供する。第１２態様によれば、空気供給源から空気送り孔を通って空気室に空気を供給することにより、ダイアフラムが変形して第二空間の内部の電解液が撹拌される。これにより、カソードと電解液との界面で発生した水素ガスの微小な気泡がカソードの表面等の第二空間の表面に付着していても除去されやすい。
【００２４】
本開示の第１３態様は、
（ｉ）第１態様〜第１２態様のいずれか１つの態様の水素生成装置の前記筐体の前記内部空間に水を含む電解液を収容し、
（ii）前記光透過部を透過させて前記アノード又は前記カソードに光を照射することによって、前記アノードと前記電解液との界面で酸素を発生させつつ前記カソードと前記電解液との界面で水素を発生させ、
（iii）前記空気供給源から前記空気供給孔を通過させて前記第一空間に空気を供給することによって、前記第一空間の前記電解液中で空気の気泡を形成し、
（iv）前記空気の気泡に含まれる空気を前記酸素とともに前記気体排出路を通過させて前記筐体の外部に排出する、
水素生成方法を提供する。
【００２５】
第１３態様によれば、アノードと電解液との界面で発生した酸素ガスの微小な気泡がアノード表面等の第一空間の内部の表面に付着しても、空気供給源から空気供給孔を通って第一空間に供給された空気によって除去される。また、第一空間に供給された空気により酸素ガスが希釈されるので、水素生成装置から高濃度の酸素ガスが排出されることが抑制される。
【００２６】
本開示の第１４態様は、第１３態様に加えて、前記（iii）において、前記空気供給源から前記空気供給孔を通過させて前記第一空間に間欠的に空気を供給する、水素生成方法を提供する。第１４態様によれば、第一空間への空気の供給量を抑制しつつ、比較的大きなサイズの空気の気泡を形成できる。また、空気の気泡が間欠的に形成されるので、光透過部を通過した光の進行が空気の気泡による影響を受けない期間を確実に確保できる。このため、水素生成装置の水素生成効率が高い。
【００２７】
本開示の第１５態様は、第１３態様に加えて、前記気体排出路は、前記アノードと前記電解液との界面で発生した酸素を一時的に貯留可能な貯留空間を含み、前記（iii）において、前記空気供給源から前記空気供給孔を通過させて前記第一空間に間欠的に空気を供給するときに、１周期において前記貯留空間の容積よりも大きい体積の空気を前記第一空間に供給する、水素生成方法を提供する。第１５態様によれば、間欠的な空気供給の１周期に供給された空気によって、その空気に先行して第一空間を出て貯留空間に貯留された酸素ガスの多くが希釈されながら確実に水素生成装置の外部に排出される。
【００２８】
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、添付の図面において、ＸＹ平面が水平面に平行な平面であり、Ｚ軸方向が鉛直上向きである。
【００２９】
図１に示す通り、水素生成装置１００ａは、筐体１と、隔壁２と、アノード３と、カソード４と、空気供給孔５と、空気供給源６と、気体排出路７とを備えている。筐体１は、水を含む電解液を収容可能な内部空間１１及び光を透過可能な光透過部１２を有する。隔壁２は、筐体１の内部空間１１を第一空間１３と第二空間１４に隔てている。アノード３は第一空間１３に配置されている。カソード４は、第二空間１４に配置され、アノード３と導線等の導電体によって電気的に接続されている。空気供給孔５は、第一空間１３の下部に開口している。空気供給源６は、空気供給孔５に空気を供給可能に接続されている。例えば、空気供給源６は圧縮空気が貯蔵された耐圧容器であり、水素生成装置１００ａは、空気供給源６である耐圧容器の出口と空気供給孔５の入口とを接続する単一又は複数の配管によって形成された空気流路５５をさらに備えている。気体排出路７は、第一空間１３の上部に開口し、かつ、筐体１の外部に開口している。空気供給源６は、空気圧縮機であってもよい。
【００３０】
水素生成装置１００ａを用いて、以下のステップ（ｉ）〜（iv）を含む水素生成方法が実行される。
（ｉ）水素生成装置１００ａの筐体１の内部空間１１に水を含む電解液を収容する。
（ii）光透過部１２を透過させてアノード３又はカソード４に光Ｖｒを照射することによって、アノード３と電解液との界面で酸素を発生させつつカソード４と電解液との界面で水素を発生させる。
（iii）空気供給源６から空気供給孔５を通過させて第一空間１３に空気を供給することによって、第一空間１３の電解液中で空気の気泡を形成する。
（iv）空気の気泡に含まれる空気を酸素とともに気体排出路７を通過させて筐体１の外部に排出する。
【００３１】
アノード３及びカソード４が水を含む電解液に接している状態でアノード３又はカソード４に光Ｖｒが照射されると、水の分解により、アノード３と電解液との界面において酸素Ｏｘが発生し、カソード４と電解液との界面において水素Ｈｙが発生する。アノード３に光Ｖｒが照射される場合、アノード３は、導電性基板と、導電性基板上にｎ型半導体で形成された半導体層とを含んでいる。この場合、アノード３は、アノード３の半導体層に光Ｖｒが照射されるように第一空間１３に配置されている。また、アノード３の導電性基板がカソード４に電気的に接続されている。カソード４に光Ｖｒが照射される場合、カソード４は、導電性基板と、導電性基板上にｐ型半導体で形成された半導体層とを含んでいる。この場合、カソード４は、カソード４の半導体層に光Ｖｒが照射されるように第二空間１４に配置されている。また、カソード４の導電性基板がアノード３に電気的に接続されている。
【００３２】
アノード３と電解液との界面で発生した酸素の一部はアノード３の表面からすぐには離れずに微小な気泡の状態でアノード３の表面に付着する。アノード３に付着した酸素ガスの微小な気泡は、アノード３と電解液との接触を阻害し、水分解反応の効率を低下させる。また、アノード表面３以外の第一空間１３の内部の表面に酸素ガスの微小な気泡が付着することもある。このような気泡は、例えば、アノード３に光が照射される場合に、アノード３に照射される光の光量を低下させる可能性がある。このため、水素生成装置１００ａは、空気供給源６から空気供給孔５を通過させて第一空間１３に空気を供給する。これにより、第一空間１３に供給された空気が形成する気泡Ｂが第一空間１３を上昇して電解液が攪拌され、アノード３の表面等の第一空間１３の内部の表面に付着した酸素ガスの微小な気泡が除去される。また、第一空間１３で発生した酸素は、第一空間１３に供給された空気によって希釈されながら気体排出路７を通過して筐体１の外部に排出される。このため、水素生成装置１００ａは、簡素な構成で、高濃度の酸素ガスの排出を抑制できる。
【００３３】
図１に示す通り、例えば、気体排出路７は貯留空間７２を含んでいる。貯留空間７２は、アノード３と電解液との界面で発生した酸素を一時的に貯留可能な空間である。アノード３と電解液との界面で発生した酸素ガスの一部は、第一空間１３に供給される空気に先行して第一空間１３を出ることがある。この場合でも、空気に先行して第一空間１３を出た酸素ガスを貯留空間７２に一時的に貯留でき、貯留空間７２に到達した後続の空気によって貯留空間７２に一時的に貯留されていた酸素ガスを希釈できる。これにより、より確実に高濃度の酸素ガスの排出を抑制できる。
【００３４】
貯留空間７２の容積Ｖｓ［ｍ3］は、アノード３と電解液との界面で発生した酸素を一時的に貯留可能である限り制限されないが、例えば、Ｖｓ／Ａｒ＞０．０００１の関係を満たす容積である。ここで、Ａｒは、アノード３又はカソード４の、光透過部１２を向く表面の面積［ｍ2］である。これにより、後続の空気が貯留空間７２に到達するまでに酸素ガスの多くを貯留空間７２に一時的に貯留できる。Ｖｓは、例えば、Ｖｓ／Ａｒ＜０．２の関係をさらに満たす容積である。
【００３５】
図１に示す通り、例えば、光透過部１２はアノード３から離れて第一空間１３に接している。この場合、光Ｖｒは光透過部１２及び電解液を透過してアノード３に照射される。また、光透過部１２の内周面には酸素ガスの微小な気泡が付着する可能性がある。光透過部１２の内周面に酸素ガスの微小な気泡が付着していると、光透過部１２を透過した光Ｖｒが散乱又は反射してアノード３に到達せず、アノード３に照射される光の光量が低下する可能性がある。しかし、空気供給孔５を通って第一空間１３に供給された空気が第一空間１３を上昇することによって、光透過部１２の内周面に付着した酸素ガスの微小な気泡が除去される。これにより、アノード３に照射される光の光量が低下しにくい。その結果、水素生成装置１００ａの水素生成効率が高い。
【００３６】
図１に示す通り、例えば、水素生成装置１００ａは支持部材１５をさらに備えている。支持部材１５は、光透過部１２によって形成された筐体１の表面が斜め上方を向いている状態で筐体１を支持する。これにより、例えば、光Ｖｒの光源として太陽光を使用する場合に、太陽高度が９０°より小さくても、アノード３に照射される光の光量が多い。加えて、空気供給源６から空気供給孔５を通って第一空間１３に供給された空気によって形成される気泡が第一空間１３を上昇するときに、光透過部１２の内周面に触れながら上昇しやすい。このため、光透過部１２の内周面に付着した酸素ガスの微小な気泡が除去されやすい。支持部材１５は、例えば水平面に平行に設置される。支持部材１５は、斜面に設置されるのに適した構造を有していてもよい。
【００３７】
図１に示す通り、空気供給孔５は、例えば、光透過部１２とアノード３との間の空間に向かって開口している。この場合、空気供給源６から空気供給孔５を通って第一空間１３に供給された空気によって形成される気泡が第一空間１３を上昇するときに、光透過部１２の内周面及びアノード３の表面の近くを上昇しやすい。このため、光透過部１２の内周面及びアノード３の表面に付着した酸素ガスの微小な気泡が除去されやすい。
【００３８】
図２に示す通り、空気供給孔５は、例えば、第一空間１３側の端部において第一空間１３に向かって拡大する孔径を有する。これにより、第一空間１３に近づくに従って空気供給孔５の内部の空気の流速が低くなり、比較的大きいサイズの空気の気泡を第一空間１３４に形成できる。その結果、第一空間１３の内部の表面に付着した酸素ガスの微小な気泡を有利に除去できる。例えば、空気供給孔５の第一空間１３に接した出口のアスペクト比は２以上である。この場合、水素生成装置１００ａの筐体１が薄い場合でも、比較的大きいサイズの空気の気泡を第一空間１３に形成できる。
【００３９】
図１に示す通り、空気供給孔５は、例えば、アノード３よりも下方で第一空間１３に開口している。この場合、空気供給源６から空気供給孔５を通って第一空間１３に供給された空気によって形成される気泡がアノード３よりも下方から上昇してくる。このため、第一空間１３の内部の表面の広い範囲で、表面に付着している酸素ガスの微小な気泡が除去されやすい。特に、アノード３の表面の広い範囲で酸素ガスの微小な気泡が除去されやすい。
【００４０】
図１に示す通り、例えば、空気供給孔５の内部には逆止弁５１が配置されている。これにより、空気供給孔５の内部で逆止弁５１を通過した空気又は電解液の逆流を防止できる。
【００４１】
図１及び図２に示す通り、筐体１は、例えば、隔壁２とともに、隔壁２に平行な断面が長方形である直方体状に第一空間１３を形成している。加えて、空気供給孔５及び気体排出路７は、その長方形の一対の短辺を含む一対の面又はその一対の面の近傍で第一空間１３に開口している。この場合、第一空間１３は、空気供給源６から空気供給孔５を通って第一空間１３に供給された空気によって形成される気泡の進行方向に細長い形状を有する。また、その長方形の一対の短辺に沿った方向（Ｘ軸方向）において第一空間１３の幅が比較的小さい。このため、第一空間１３の内部の表面の広い範囲で、空気の気泡が第一空間１３の内部の表面の近くを通過しやすく、酸素ガスの微小な気泡が除去されやすい。その長方形のアスペクト比は、例えば２〜１０である。
【００４２】
筐体１は、例えば、隔壁２とともに、隔壁２に垂直かつＸ軸に垂直な断面が長方形である直方体状に第一空間１３を形成している。この長方形のアスペクト比は、例えば１０以上である。また、この長方形の短辺の長さは、例えば１０ｍｍ以下である。この場合、空気供給源６から空気供給孔５を通って第一空間１３に供給された空気によって形成される気泡が、この長方形のアスペクト比に従って広がりやすい。このため、第一空間１３の内部の表面の広い範囲で、空気の気泡が第一空間１３の内部の表面の近くを通過しやすく、酸素ガスの微小な気泡が除去されやすい。
【００４３】
図１に示す通り、例えば、水素生成装置１００ａは、流量調節機構８をさらに備えている。流量調節機構８は、空気供給孔５を通過する空気の流量を調節する。流量調節機構８は、例えば、電磁弁等の開閉弁又は開度を調整可能な電動弁である。流量調節機構８は、例えば流路５５に配置されている。流量調節機構８によって空気供給孔５を通過する空気の流量を調節することにより、第一空間１３に供給される空気の量を調節でき、第一空間１３に供給された空気によって形成される気泡の形状や大きさを調整できる。
【００４４】
図１に示す通り、例えば、水素生成装置１００ａは、流量調節機構８を制御する制御器８２をさらに備えている。制御器８２は、空気供給源６から空気供給孔５を通過させて第一空間１３に間欠的に空気を供給する制御を流量調節機構８に対し行う。換言すると、上記のステップ（ｉ）〜（iv）を含む水素生成方法のステップ（iii）において、空気供給源６から空気供給孔５を通過させて第一空間１３に間欠的に空気を供給する。
【００４５】
制御器８２は、流量調節機構８を制御するための制御信号を流量調節機構８に送信できるように、有線又は無線によって流量調節機構８に接続されている。制御器８２は、例えば、インターフェース、ＣＰＵ等の演算装置、ＲＡＭ及びＲＯＭ等の主記憶装置、並びにハードディスクドライブ等の補助記憶装置を備えたコンピュータである。制御器８２は、例えば、タイマー（図示省略）を内蔵しており、例えば、図３に示す通り、流量調節機構８を制御する。
【００４６】
制御器８２は、ステップＳ１において、タイマーを参照して、第一空間１３への空気の供給が停止してから所定の期間ｔ１が経過しているか否か判断する。ステップＳ１における判断結果がＹｅｓの場合、ステップＳ２に進み、第一空間１３への空気の供給を開始するための制御信号を流量調節機構８に送信して、タイマーをリセットする。これにより、例えば、流量調節機構８である開閉弁が開かれる又は流量調節機構８である電動弁が所定の開度に調整される。次に、ステップＳ３に進み、制御器８２は、タイマーを参照して、第一空間１３への空気の供給が開始してから所定の期間ｔ２が経過しているか否か判断する。ステップＳ３における判断結果がＹｅｓの場合、ステップＳ４に進み、第一空間１３への空気の供給を停止するための制御信号を流量調節機構８に送信して、タイマーをリセットする。これにより、流量調節機構８である開閉弁が閉じられる又は流量調節機構８である電動弁の開度が最小になる。その後、制御器８２は、ステップＳ１の処理に戻る。これにより、第一空間１３への空気の供給量を抑制しつつ、比較的大きなサイズの空気の気泡を形成できる。また、空気の気泡が間欠的に形成されるので、光透過部１２を通過した光の進行が空気の気泡による影響を受けない期間を確実に確保できる。
【００４７】
所定の期間ｔ２の長さは特に制限されないが、例えば、０．１〜３秒である。これにより、第一空間１３に対して適切な形状の空気の気泡を形成できる。また、所定の期間ｔ１の長さは、例えば、３〜６０分である。
【００４８】
例えば、制御器８２による流量調節機構８の制御の１周期において空気供給孔５から第一空間１３に供給される空気の体積は貯留空間７２の容積よりも大きい。換言すると、上記の水素生成方法のステップ（iii）において、空気供給源６から空気供給孔５を通過させて第一空間１３に間欠的に空気を供給するときに、１周期において貯留空間７２の容積よりも大きい体積の空気を第一空間１３に供給する。これにより、間欠的な空気供給の１周期に供給された空気によって、その空気に先行して第一空間１３を出て貯留空間７２に貯留された酸素ガスの多くを希釈しながら確実に水素生成装置１００ａの外部に排出できる。
【００４９】
図１に示す通り、筐体１は、例えば、本体部１ａと、光透過部１２とによって形成されている。本体部１ａは、第一空間１３及び第二空間１４を形成するための凹部を有し、光透過部１２は、本体部１ａの凹部を覆う状態で、本体部１ａの凹部の外側に形成された本体部１ａの周縁部にねじなどによって固定されている。光透過部１２は例えば板状の形状を有する。本体部１ａは、電解液に対する耐食性及び電気絶縁性を有する。例えば、本体部１ａは、ガラス、樹脂、又は電解液に対する耐食性及び電気絶縁性を有する材料で表面が被覆された金属若しくは合金によって形成されている。光透過部１２も、電解液に対する耐食性及び電気絶縁性を有している。光透過部１２は、例えばガラス又は樹脂でできている。
【００５０】
例えば、空気供給孔５の第一空間１３側の端部の一部は、光透過部１２の内周面によって形成されている。この場合、空気供給孔５の第一空間１３側の端部の状態を視認できる。
【００５１】
筐体１の内部空間１１に収容されるべき水を含む電解液は、特に制限されないが、例えば、硫酸、塩酸、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、硫酸カリウム水溶液、硫酸ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、又は水酸化ナトリウム水溶液である。
【００５２】
隔壁２は、電解液中のイオンを透過させ、かつ、電解液中の酸素ガス及び酸素ガスの透過を阻止する機能を有する。隔壁２は、例えば、高分子固体電解質等の固体電解質によって形成されている。隔壁２である固体電解質としては、例えば、ナフィオン（登録商標）等のイオン交換膜を用いることができる。
【００５３】
例えば、アノード３は隔壁２の一方の主面上に積層されて形成されており、カソード４は、隔壁２の他方の主面上に積層されて形成されている。隔壁２の一方の主面の一部は電解液と接触可能に第一空間１３に接し、かつ、その一方の周面の一部に対応する隔壁２の他方の主面の一部は電解液と接触可能に第二空間１４に接している。これにより、電解液中のイオンが第一空間１３と第二空間１４との間で隔壁２を通過して移動できる。なお、アノード３は隔壁２から離れて第一空間１３に配置されていてもよく、カソード４は隔壁２から離れて第二空間１４に配置されていてもよい。
【００５４】
アノード３に含まれる半導体層を形成するｎ型半導体、又は、カソード４に含まれる半導体層を形成するｐ型半導体は、太陽光等の光Ｖｒの照射により電子を励起して水を分解できる材料である。このような半導体は、望ましくは、伝導帯のバンドエッジ準位が水素イオンの標準還元電位である０ｅＶ以下であり、かつ、価電子帯のバンドエッジ準位が水の標準酸化電位である１．２３ｅＶ以上である半導体である。このような半導体は、望ましくは、（ａ）チタン、ジルコニウム、バナジウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、銅、亜鉛、カドミウム、ガリウム、インジウム、及びゲルマニウム等の元素の酸化物、酸窒化物、若しくは窒化物；（ｂ）これらの元素の複合酸化物、複合酸窒化物、若しくは複合窒化物；又は（ｃ）これらの元素の酸化物、酸窒化物、窒化物、複合酸化物、複合酸窒化物、若しくは複合窒化物にアルカリ金属イオン若しくはアルカリ土類金属イオンを添加した材料である。また、アノード３に含まれる半導体層又はカソード４に含まれる半導体層は、２種類の物質の層が接合されて形成されていてもよい。例えば、半導体層として、伝導帯のバンドエッジ準位が水素イオンの標準還元電位０ｅＶ以下の物質からなる層と、価電子帯のバンドエッジ準位が水の標準酸化電位１．２３ｅＶ以上の物質からなる層とを接合した積層構造を有効に使用できる。このような半導体層は、例えば、ＷＯ3／ＩＴＯ／Ｓｉ積層構造を有する。
【００５５】
アノード３に光Ｖｒが照射される場合には、カソード４の表面は水素生成反応に活性な材料で形成されている。カソード４に光Ｖｒが照射される場合には、アノード３の表面は酸素生成反応に活性な材料で形成されている。水素生成反応又は酸素生成反応に活性な材料としては、水の電気分解用の電極に一般的に用いられている材料を使用できる。水素生成反応又は酸素生成反応に活性な材料としては、カーボン、白金、白金担持カーボン、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、及びニッケルを例示できる。
【００５６】
アノード３又はカソード４が含む導電性基板は、例えば、導電性を有する材料でできた基板又は導電性を有する材料を表面に成膜させた基板である。このような導電性基板は、例えば、白金基板、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）付ガラス板、又はフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）付ガラス板である。
【００５７】
＜変形例＞
水素生成装置１００ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、水素生成装置１００ａは、光Ｖｒの進行方向を光透過部１２によって形成される表面に対して９０°又は９０°近傍の角度をなす方向に変化させるように配置された、反射鏡等の部材をさらに備えていてもよい。
【００５８】
水素生成装置１００ａは、図４に示す水素生成装置１００ｂのように変更されてもよい。水素生成装置１００ｂは、特に説明する場合を除き、水素生成装置１００ａと同様に構成されている。水素生成装置１００ａの構成要素と同一又は対応する水素生成装置１００ｂの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。水素生成装置１００ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り水素生成装置１００ｂにもあてはまる。
【００５９】
図４に示す通り、水素生成装置１００ｂにおいて、光透過部１２は、アノード３に接している。この場合、アノード３は、例えば、ｎ型半導体によって形成された半導体層と、ＩＴＯ等の透明導電材料でできた透明導電層とを含む。また、アノード３の半導体層は第一空間１３に接しており、アノード３の透明導電層の両面は光透過部１２の内周面及び半導体層と接している。また、アノード３の透明導電層がカソード４と電気的に接続されている。この場合、光透過部１２の内周面に酸素ガスの微小な気泡が付着することを防止できる。また、光Ｖｒが電解液を通過することなくアノード３に到達するので、アノード３に照射される光の光量が高い。その結果、水素生成装置１００ｂにおける水素生成効率が高い。
【００６０】
図４に示す通り、水素生成装置１００ｂにおいて、空気供給孔５は、アノード３と隔壁２との間の空間に向かって開口している。このため、空気供給孔５を通って第一空間１３に供給された空気によって形成される気泡が第一空間１３を上昇するときにアノード３の表面の近くを上昇しやすい。
【００６１】
水素生成装置１００ａは、図５に示す水素生成装置１００ｃのように変更されてもよい。水素生成装置１００ｃは、特に説明する場合を除き、水素生成装置１００ａと同様に構成されている。水素生成装置１００ａの構成要素と同一又は対応する水素生成装置１００ｃの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。水素生成装置１００ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り水素生成装置１００ｃにもあてはまる。
【００６２】
図５に示す通り、水素生成装置１００ｃは、気泡貯留部材１８をさらに備えている。気泡貯留部材１８は、第一空間１３の下部において、空気供給孔５の第一空間１３側の開口と向かい合って配置され、旋回心軸を中心に回転可能に筐体１に取り付けられている。気泡貯留部材１８は下方に向かって開口している凹部を有する。空気供給孔５を通過して第一空間１３に供給された空気はこの凹部に一時的に貯留される。凹部では、気泡同士が合体して比較的大きな気泡が形成される。凹部に貯留された空気の量の増加に伴う浮力の増加により気泡貯留部材１８が旋回心軸を中心に上方に回転する。これにより、気泡貯留部材１８の凹部に形成された比較的大きな気泡が凹部から離れて第一空間１３を上昇する。このとき、気泡貯留部材１８の凹部には電解液が入り込み、気泡貯留部材１８の自重により気泡貯留部材１８が旋回心軸を中心に下方に回転する。その後、気泡貯留部材１８の凹部への空気の貯留が再開される。このようにして、比較的大きな気泡が間欠的に第一空間１３を上昇する。この場合、比較的少量の空気を空気供給孔５を通過させて連続的に第一空間１３に供給する場合でも、比較的大きな気泡を第一空間１３において間欠的に上昇させることができる。
【００６３】
水素生成装置１００ａは、図６に示す水素生成装置１００ｄのように変更されてもよい。水素生成装置１００ｄは、特に説明する場合を除き、水素生成装置１００ａと同様に構成されている。水素生成装置１００ａの構成要素と同一又は対応する水素生成装置１００ｄの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。水素生成装置１００ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り水素生成装置１００ｄにもあてはまる。
【００６４】
図６に示す通り、水素生成装置１００ｄは、ダイアフラム９と、空気送り孔５２とをさらに備えている。ダイアフラム９は、第二空間１４と隔てられた空気室１６を形成する可撓性を有する部材である。ダイアフラム９は第二空間１４に接している。空気送り孔５２は、空気室１６に開口しつつ、空気室１６に空気を供給可能に空気供給源６又は別の空気供給源に接続されている。空気送り孔５２は、例えば、空気供給孔５とつながっている。
【００６５】
空気供給源から空気送り孔５２を通って空気室１６に空気を供給することにより、ダイアフラム９が変形して第二空間１４の内部の電解液が撹拌される。これにより、カソード４と電解液との界面で発生した水素ガスの微小な気泡がカソード４の表面等の第二空間１４の表面に付着していても除去されやすい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本開示の水素生成装置は、太陽光等の光により水を電気分解して水素を生成でき、大規模な水素生成プラントに応用できる。また、本開示の水素生成装置は、燃料電池と組み合わせることにより発電にも利用できる。
【符号の説明】
【００６７】
１                          筐体
２                          隔壁
３                          アノード
４                          カソード
５                          空気供給孔
６                          空気供給源
７                          気体排出路
８                          流量調節機構
９                          ダイアフラム
８２                        制御器
１１                        内部空間
１２                        光透過部
１３                        第一空間
１４                        第二空間
１５                        支持部材
１６                        空気室
５２                        空気送り孔
７２                        貯留空間
１００ａ〜１００ｄ          水素生成装置
【図１】
2017218332.tif 000003
【図２】
2017218332.tif 000004
【図３】
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【図４】
2017218332.tif 000006
【図５】
2017218332.tif 000007
【図６】
2017218332.tif 000008
【図７Ａ】
2017218332.tif 000009
【図７Ｂ】
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