水素製造装置および水素製造方法
【課題】光利用効率が高く、高効率で水素を製造することができる水素製造装置を提供する。
【解決手段】水素製造装置は、受光面および裏面を有する光電変換部２と、前記裏面の上にそれぞれ設けられた第１電解用電極８および第２電解用電極７とを備え、光電変換部２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区域と第１電解用電極８とが電気的に接続し、第２区域と第２電解用電極７とが電気的に接続し、第１および第２電解用電極が電解液に接触するとき、第１電解用電極８は、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部を形成し、第２電解用電極は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部を形成することを特徴とする。
【解決手段】水素製造装置は、受光面および裏面を有する光電変換部２と、前記裏面の上にそれぞれ設けられた第１電解用電極８および第２電解用電極７とを備え、光電変換部２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区域と第１電解用電極８とが電気的に接続し、第２区域と第２電解用電極７とが電気的に接続し、第１および第２電解用電極が電解液に接触するとき、第１電解用電極８は、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部を形成し、第２電解用電極は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部を形成することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置および水素製造方法に関する。
【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。これに対し、液体燃料や水素など、エネルギーを物質として蓄えておくことは、長期変動を効率よく補完するとともに発電設備の稼働率を高める技術として極めて有力であり、今後エネルギー利用効率を最大限に高め、二酸化炭素の排出量を徹底的に削減するためには必要不可欠な技術である。
【０００４】
貯蔵可能な燃料の形態としては、炭化水素などの液体燃料や、バイオガス、水素などの気体燃料、バイオマス由来の木材ペレットや太陽光で還元された金属などの固体燃料などに大別することができる。インフラ整備の容易性、エネルギー密度の観点では液体燃料、燃料電池などとのトータルの利用効率向上の観点では水素をはじめとする気体燃料、貯蔵可能性とエネルギー密度の観点では固体燃料というように、各形態において長所短所を有するが、原料として容易に入手可能な水を利用できる観点から、太陽光により水を分解することによる水素製造技術が特に注目されている。
【０００５】
水を原料として太陽光エネルギーを利用し水素を製造する方法としては、酸化チタン等の光触媒に白金を担持させ、この物質を水中に入れ光照射することにより半導体中で電荷分離を行い、電解液中のプロトンを還元、水を酸化することによる光分解法や、高温ガス炉などの熱エネルギーを利用して水を高温で直接分解する、あるいは金属等の酸化還元と共役させて間接的に分解する熱分解法、藻類など光を利用する微生物の代謝を利用した生物法、太陽電池で発電した電気と水の電気分解水素製造装置を組み合わせた水電気分解法、太陽電池に使用される光電変換材料に水素発生触媒、酸素発生触媒を担持することにより、光電変換で得られる電子と正孔を水素生成触媒、酸素発生触媒で反応に利用する光起電力法等が挙げられる。この中で、光電変換部と水素生成部を一体化することにより、小型の水素製造装置を作製することの可能性を有するものは光分解法、生物法、光起電力法と考えられるが、太陽光エネルギーの変換効率の観点から、光起電力法は実用化に最も近い技術の一つと考えられる。
【０００６】
これまでに、光分解法や光起電力法による光電変換と水素発生を一体化した水素製造装置の例が開示されている。光分解法では例えば、特許文献１によると、ルテニウム錯体を吸着させた酸化チタンの光触媒電極と、白金電極、ヨウ素もしくは鉄の酸化還元を利用した装置が開示されている。また、特許文献２によると、２層の光触媒をタンデム接続し、白金カウンター電極を接続、間にイオン交換膜を挟むことにより一体化構造を採用している。一方、光起電力法では、光電変換部と水素生成部、酸素生成部を一体化した水素製造装置のコンセプトが発表されている（非特許文献１）。これによると、電荷分離は光電変換部、水素生成と酸素生成はそれぞれに対応する触媒を用いることにより行われる。光電変換部は太陽電池に利用される材料が用いられている。例えば、非特許文献２の場合、３層のシリコンｐ−ｉ−ｎ層で電荷分離を行った上で、水素発生は白金触媒が担い、酸素発生は酸化ルテニウムが担っている。また特許文献３や非特許文献３では、基盤上に、水素発生触媒（ＮｉＦｅＯ）と、３層のシリコンｐ−ｉ−ｎを並列に積層、シリコン層の上にさらに酸素発生触媒（Ｃｏ−Ｍｏ）を担持することにより、一体化水素製造装置を作製している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−８９３３６号公報
【特許文献２】特表２００４−５０４９３４号公報
【特許文献３】特開２００３−２８８９５５号公報
【特許文献４】特開２００４−１９７１６７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、２００６年、４３巻、１５７２９−１５７３５頁
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９８９年、５５巻、３８６−３８７頁
【非特許文献３】Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ、２００３年、２８巻、１１６７−１１６９頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のとおり、光電変換と水素発生を一体化した水素製造装置の構造に関するいくつかの検討は既に開示されているが、より高効率で水素を製造するためには光の利用率を最大限に高めることが必要である。例えば、装置内の受光表面で気体が発生する場合、発生した気体によって入射光が散乱するため、入射光を十分利用できず、光利用効率の低下を招いてしまうことは大きな課題である。さらに、光電変換部の受光面に触媒を担持した場合、触媒により入射光が反射もしくは吸収されてしまうため、これによっても光利用率が低下することが課題となっている。また、光の散乱が起きないように光電変換部の受光面と酸素触媒を電極膜で電気的に接続させる方法も検討もされているが、構造上、光電変換部の面積が、他の部材（酸素生成触媒など）の面積によって制限されるため、光利用率が低下することが回避し難い課題である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光利用効率が高く、高効率で水素を製造することができる水素製造装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上にそれぞれ設けられた第１電解用電極および第２電解用電極とを備え、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区域と第１電解用電極とが電気的に接続し、第２区域と第２電解用電極とが電気的に接続し、第１および第２電解用電極が電解液に接触するとき、第１電解用電極は、前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部を形成し、第２電解用電極は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部を形成することを特徴とする水素製造装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光電変換部の受光面に光を入射させ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。このことにより、第１区域と電気的に接続した第１電解用電極と、第２区域と電気的に接続した第２電解用電極との間も電位差を生じさせることができる。この電位差が生じた第１電解用電極と第２電解用電極とに電解液を接触させることにより、第１電解用電極と第２電解用電極のうち、どちらか一方で電解液からＨ2を発生させることができ、他方で電解液からＯ2を発生させることができる。この発生したＨ2を回収することにより水素を製造することができる。
【００１２】
本発明によれば、光電変換部の裏面上に水素発生部および酸素発生部を形成するため、受光面に電解液を介さず光を入射させることができ、電解液による入射光の吸収や入射光の散乱を防止することができる。このことにより、光電変換部へ入射光の量を多くすることができ、光利用効率を高くすることができる。
また、本発明によれば、光電変換部の裏面上に水素発生部および酸素発生部を形成するため、受光面に入射する光が、水素発生部および酸素発生部、ならびにそこからそれぞれ発生する水素及び酸素により吸収や散乱されることはない。このことにより、光電変換部へ入射光の量を多くすることができ、光利用効率を高くすることができる。
【００１３】
本発明によれば、光電変換部の裏面上に水素発生部および酸素発生部を形成するため、光電変換部の受光面を水素製造装置が受光する面の大部分に設けることができる。このことにより、光利用効率をより高くすることができる。
本発明によれば、光電変換部と、水素発生部および酸素発生部とが同一の装置に設けられているため、従来の太陽電池と水の電気分解装置を組み合わせるよりも、水素製造コストを低下させることができる。
本発明によれば、光電変換部が受光することにより裏面の第１および第２区域間に電位差が生じるため、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。また、光電変換部が受光することにより受光面と裏面との間に電位差が生じる場合、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させるために、光電変換部の受光面が減少することが考えられるが、本発明では、光電変換部の裏面の２つの区域間に電位差が生じるため、光電変換部の受光面をより広くすることができ、受光量を増やすことができる。さらに、光電変換部と第１電解用電極または第２電解用電極との間の導電距離を短くすることができるため、内部抵抗をより小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の水素製造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の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略裏面図である。
【図４】本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略平面図である。
【図７】図６の点線Ｂ−Ｂの概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の水素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】
【００１５】
本発明の水素製造装置は、受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上にそれぞれ設けられた第１電解用電極および第２電解用電極とを備え、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区域と第１電解用電極とが電気的に接続し、第２区域と第２電解用電極とが電気的に接続し、第１および第２電解用電極が電解液に接触するとき、第１電解用電極は、前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部を形成し、第２電解用電極は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部を形成することを特徴とする。
【００１６】
水素製造装置とは、水を含む電解液から水素を製造することができる装置である。
光電変換部とは、光を受光し起電力が生じる部分である。
受光面とは、光が入射する光電変換部の面である。
裏面とは、受光面の裏の面である。
【００１７】
本発明の水素製造装置において、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。
本発明の水素製造装置において、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。
【００１８】
本発明の水素製造装置において、前記絶縁部と第１電解用電極との間に設けられ、かつ、第１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第１導電部と、前記絶縁部と第２電解用電極との間に設けられ、かつ、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第２導電部と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、光電変換部が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電解用電極とに出力するときの内部抵抗を小さくすることができる。
本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、ｐｉｎ接合、ｐｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合を複数有し、複数のｐｉｎ接合、複数のｐｎ接合、複数のｎｐｐ+接合または複数のｐｎｎ+接合は、直列に接続され、かつ、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、光電変換部が受光することにより、水を分解するために必要な起電力を生じさせることができる。
【００１９】
本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、ｐｉｎ接合、ｐｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合を有する半導体基板を複数含むことが好ましい。
このような構成によれば、複数の半導体基板を直列接続させることにより、直列接続したｐｉｎ接合などを有する光電変換部を形成することができる。
本発明の水素製造装置において、前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からＨ2が発生する反応の触媒および電解液からＯ2が発生する反応の触媒を含むことが好ましい。
このような構成によれば、水素発生部における電解液からＨ2が発生する反応の反応速度を増大させることができ、酸素発生部における電解液からＯ2が発生する反応の反応速度を増大させることができる。このことにより、光電変換部で生じた起電力により、より効率的にＨ2を製造することができ、光の利用効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明の水素製造装置において、前記水素発生部および前記酸素発生部のうち少なくとも一方は、前記受光面の面積より大きい触媒表面積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により、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。
本発明の水素製造装置において、前記水素発生部および前記酸素発生部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電解用電極および第２電解用電極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、より効率的に酸素または水素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、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。
【００２１】
本発明の水素製造装置において、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、光電変換部で生じる起電力により、より速い反応速度で水素を発生させることができる。
本発明の水素製造装置において、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、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。
【００２２】
本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、透光性を有する基板の上に設けられ、第１電解用電極および第２電解用電極の上に前記基板に対向する天板をさらに備え、第１電解用電極および第２電解用電極と前記天板との間に空間が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電解用電極および第２電解用電極と前記天板との間に電解液を導入することができ、第１電解用電極および第２電解用電極において電解液からより効率的にＨ2およびＯ2が発生させることができる。
本発明の水素製造装置において、第１電解用電極と前記天板との間の空間および第２電解用電極と天板との間の空間とを仕切る隔壁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、第１電解用電極および第２電解用電極でそれぞれ発生した水素および酸素を分離することができ、水素をより効率的に回収することができる。
本発明の水素製造装置において、前記隔壁は、イオン交換体を含むことが好ましい。
このような構成によれば、第１電解用電極の上部の空間に導入された電解液と第２電解用電極の上部の空間に導入された電解液との間のプロトン濃度の不均衡を解消することができ、安定して水素および酸素を発生させることができる。
本発明の水素製造装置において、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つの半導体基板からなり、前記ｎ型半導体部は、前記半導体基板の裏面からｎ型不純物を拡散させた部分または前記半導体基板の裏面からｎ型不純物をイオン注入した部分であり、前記ｐ型半導体部は、前記半導体基板の裏面からｐ型不純物を拡散させた部分または前記半導体基板の裏面からｐ型不純物をイオン注入した部分であることが好ましい。
このような構成によれば、ｎ型半導体部およびｐ型半導体部を有し、受光することにより裏面の第１および第２区域間に電位差が生じる光電変換部を容易に形成することができる。
【００２３】
本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、複数のｐｉｎ接合、複数のｐｎ接合、複数のｎｐｐ+接合または複数のｐｎｎ+接合を有する少なくとも１つの半導体基板であり、各ｐｉｎ接合、各ｐｎ接合、各ｎｐｐ+接合または各ｐｎｎ+接合は、トレンチアイソレーションにより分離されたことが好ましい。
このような構成によれば、直列接続したｐｉｎ接合などを有する光電変換部を形成することができる。
また、本発明は、本発明の水素製造装置を前記受光面が水平面に対し傾斜するように設置し、前記水素製造装置の下部から前記水素製造装置に電解液を導入し、太陽光を前記受光面に入射させることにより前記水素発生部および前記酸素発生部からそれぞれ水素および酸素を発生させ、前記水素製造装置の上部から水素および酸素を排出する水素製造方法も提供する。
本発明の水素製造方法によれば、太陽光を利用して、低コストで水素を製造することができる。
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。
【００２４】
水素製造装置の構成
図１は本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示し、光電変換部の受光面側から見た概略平面図である。図２は、図１の点線Ａ−Ａの概略断面図である。図３は、本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示し、光電変換部の裏面側から見た概略裏面図である。
【００２５】
本実施形態の水素製造装置２３は、受光面および裏面を有する光電変換部２と、前記裏面の上にそれぞれ設けられた第１電解用電極８および第２電解用電極７とを備え、光電変換部２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区域と第１電解用電極８とが電気的に接続し、第２区域と第２電解用電極７とが電気的に接続し、第１および第２電解用電極が電解液と接触するとき、第１電解用電極８は光電変換部２が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部を形成し、第２電解用電極７は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部を形成することを特徴とする。
【００２６】
また、本実施形態の水素製造装置２３は、基板１、絶縁部１１、隔壁１３、天板１４、電解液流路１５、シール材１６、給水口１８、第１ガス排出口２０、第２ガス排出口１９および第１〜第３導電部を備えてもよい。
以下、本実施形態の水素製造装置について説明する。
【００２７】
１．基板
基板１は、本実施形態の水素製造装置２３が備えてもよい。また、光電変換部２は、受光面が基板１側となるように透光性の基板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、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、基板１は省略することができる。
【００２８】
また、基板１は、本水素製造装置を構成するための土台とすることができる部材である。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。
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。
【００２９】
２．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の裏面の上に第１電解用電極８と第２電解用電極７が設けられている。また、光電変換部２は、受光することによりその裏面の第１および第２区域間に電位差が生じる。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、基板１の上に受光面を下にして設けることができる。
【００３０】
光電変換部２は、入射光により電荷分離することができ、裏面の第１および第２区域間に電位差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、有機半導体を用いた光電変換部などである。
裏面の第１および第２区域間に起電力が生じる光電変換部２を形成する方法としては、例えば、半導体ウェハを材料として用い、ｐ型半導体部４の一部およびｎ型半導体部５の一部が半導体ウェハの裏面にそれぞれ形成されるようにｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５を形成することが挙げられる。このように形成した光電変換部２の受光面から光を入射させると、光電変換部の裏面のｐ型半導体部４が形成された区域とｎ型半導体部５が形成された区域との間に電位差を生じさせることができる。なお、本発明において、半導体基板には半導体ウェハを加工したものが含まれる。
【００３１】
半導体ウェハにｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５をこれらが接するように形成すると、光電変換部にｐｎ接合を形成することができる。また、ｉ型半導体からなる半導体ウェハにｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５をこれらが接しないように形成すると、光電変換部にｐｉｎ接合を形成することができる。また、ｐ型半導体の半導体ウェハを用いるとｎｐｐ+接合を有する光電変換部２を形成することができ、ｎ型半導体の半導体ウェハを用いるとｐｎｎ+接合を有する光電変換部２を形成することができる。
ｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５は、図２のように半導体ウェハにそれぞれ一箇所ずつ形成してもよい。また、図５のように半導体ウェハにｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５をそれぞれ複数形成してもよく、図７のように半導体ウェハにｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５のうちどちらか一方を一箇所形成し、他方をその両側に二箇所形成してもよい。
【００３２】
光電変換部２の材料となる半導体ウェハは、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合、ｎｐｐ+接合又はｐｎｎ+接合を形成し光電変換可能なものであれば特に限定されないが、例えば、シリコンウェハである。また、半導体ウェハは、単結晶のものを用いてもよく、多結晶のものを用いてもよい。
【００３３】
ｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５を形成する方法は、特に限定されないが、例えば、半導体ウェハにｐ型不純物およびｎ型不純物をそれぞれ熱拡散する方法または、半導体ウェハにｐ型不純物およびｎ型不純物をそれぞれイオン注入する方法が挙げられる。これらの方法によりｐ型不純物およびｎ型不純物を半導体ウェハの一方の面から熱拡散またはイオン注入することによりｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５を形成することができ、光電変換部２の裏面にｐ型半導体部４の一部およびｎ型半導体部５の一部をそれぞれ形成することができる。
【００３４】
光電変換部２は、受光することにより生じる起電力を水素発生部および酸素発生部に出力し水を分解するため、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必要がある。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。
【００３５】
光電変換部２は、直列接続された複数のｐｉｎ接合、複数のｐｎ接合、複数のｎｐｐ+接合または複数のｐｎｎ+接合を有することができる。このことにより、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を大きくすることができ、水分解に必要な起電力を第１電解用電極８および第２電解用電極７に出力することができる。直列接続された複数のｐｉｎ接合などを有する光電変換部２を形成する方法は、特に限定されないが、例えば、図４、８のように、ｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５を形成した半導体ウェハを並列に設け、隣接する半導体ウェハを第３導電部２９で接続することにより、形成することができる。また、図５のように半導体ウェハをトレンチアイソレーション２６で区切られた複数の部分を形成し、各部分にｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５を形成した後、各部分を第３導電部２９により接続することにより形成することができる。
なお、ここでは、半導体ウェハを用いて形成した光電変換部２について説明したが、光電変換部２は、裏面の２つの区域間に電位差が生じるものであれば、半導体薄膜、有機半導体などを用いたものであってもよい。
【００３６】
３．絶縁部
絶縁部１１は、光電変換部２の裏面と第１電解用電極８との間の一部および光電変換部２の裏面と第２電解用電極７との間の一部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と電気的に接続する光電変換部２の裏面の第１区域と、第２電解用電極７と電気的に接続する光電変換部２の裏面の第２区域との間隔を広くすることができ、光電変換部２の光電変換効率を高くすることができる。また、光電変換部２が直列接続されたｐｉｎ接合などを有する場合、絶縁部１１を設けることによりリーク電流の発生を防止することができる。
【００３７】
絶縁部１１は、第１電解用電極８と電気的に接続する光電変換部２の裏面の第１区域の上および第２電解用電極７と電気的に接続する光電変換部２の裏面の第２区域の上には、形成されない。このことにより、第１区域の上に第１電解用電極８を、第２区域の上に第２電解用電極７を形成することができ、第１または第２区域を介してｐ型半導体部４またはｎ型半導体部５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。例えば、図２、５、８のようにｐ型半導体部４の一部である光電変換部２の裏面の第２区域上およびｎ型半導体部５の一部である光電変換部２の裏面の第１区域上に絶縁部１１の開口をそれぞれ設け、第１区域上の開口中と絶縁部１１の上に第１電解用電極８を設け、第２区域上の開口中と絶縁部１１の上に第２電解用電極７を設けることができる。
また、第１電解用電極８の光電変換部側に第１電解用電極８と接触するように第１導電部２７を設けることができ、第２電解用電極７の光電変換部側に第２電解用電極７と接触するように第２導電部２８を設けることもできる。例えば、図４、７のように第１区域上の絶縁部１１の開口の内壁と第１電解用電極８との間および絶縁部１１と第１電解用電極８との間に第１導電部２７を設け、第２区域上の絶縁部１１の開口の内壁と第２電解用電極７との間および絶縁部１１と第２電解用電極７との間に第２導電部２８を設けることができる。第１導電部２７および第２導電部２８に電気伝導率の高い材料を用いることができ、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に出力する場合に内部抵抗を低減することができる。
【００３８】
第１導電部２７または第２導電部２８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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
４．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、光電変換部２の裏面の上にそれぞれ設けられる。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が受光することによって電位差が生じる光電変換部２の裏面の第１および第２区域とそれぞれ電気的に接続する。このことにより、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。
【００４２】
また、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が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部であり、他方は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部である。
また、第１電解用電極８および第２電解用電極７は、並列に設けることができ、また、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に隔壁１３を設けることもできる。第１電解用電極８および第２電解用電極７は図１〜５のようにそれぞれ１つずつ設けてもよく、それぞれ複数設けもよく、交互に設けてもよい。また、図６〜８のように第１電解用電極８および第２電解用電極７のうち一方を１つ設け、その両側に他方を設けてもよい。
さらに第１電解用電極８および第２電解用電極７は、電解液流路１５の内壁に設けてもよい。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と電解液とを接触させることができ、電解液から水素および酸素を発生させることができる。
【００４３】
５．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および第２電解用電極７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。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、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Ｈ2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、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。また、光電変換部２の受光面または裏面と水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。また、この水素発生部を第１電解用電極８としたとき、第２電極を省略しても光電変換部２の裏面と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、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。
【００４４】
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。
【００４５】
水素発生触媒を直接光電変換部２の裏面など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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
６．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１電解用電極８および第２電解用電極７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、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の受光面または裏面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。また、この水素発生部を第１電解用電極８としたとき、第２電極を省略しても光電変換部２の裏面と触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を小さくすることができる。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。
【００５２】
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。
【００５３】
酸素発生触媒を直接光電変換部２の受光面または裏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。これらの説明は、「５．水素発生部」に記載した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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
７．天板
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。
【００５７】
また、天板１４は、電解液などの流路を構成し、生成した水素および酸素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、水素および酸素が発生していることを視認できる点においては透明な材料であることが好ましい。透明な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。
【００５８】
８．隔壁
隔壁１３は、第１電解用電極８と天板１４との間の空間および第２電解用電極７と天板１４との間の空間とを仕切る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および第２電解用電極７で発生させた水素および酸素が混合することを防止することができ、水素および酸素を分離して回収することができる。
また、隔壁１３は、イオン交換体を含んでもよい。このことにより、第１電解用電極８と天板１４との間の空間の電解液と第２電解用電極７と天板１４との間の空間の電解液でアンバランスとなったプロトン濃度を一定に保つことができる。つまり、プロトンが隔壁９を介してイオンの移動が起こることによりプロトン濃度のアンバランスを解消することができる。
【００５９】
隔壁１３は、例えば、図２のように天板１４に接触するように設けてもよく、天板１４と隔壁１３との間に空間が残るように設けてもよい。また、隔壁１３に孔を設けてもよい。このことによりプロトンのアンバランスをより容易に解消できる。なお、天板１４と隔壁１３との間に空間を設けても、水素製造装置を光電変換部２の受光面を上向きに設置することにより、水素と酸素の混合を防止することができる。また、隔壁１３の天板１４に近い部分に孔を設けることにより水素と酸素の混合を防止することができる。
【００６０】
図２においては第１電解用電極８と天板１４との間の電解液流路１５と第２電解用電極７と天板１４との間の電解液流路１５を隔壁１３で完全に隔離しているが、上記電解液流路間のイオン移動に障害が無ければ、隔壁１３をガス流路を形成するように設置することが可能である。この場合、発生する水素および酸素が混合しないように隔壁１３を印刷法など、より低コストな手段にて設置することが可能となる。この際、基板１と天板１４を結合する箇所はシール材１６となる。構造の安定性を増すために、一部に隔壁９を天板１４に接触するように設けることも可能である。
【００６１】
電解液からの水素発生量および酸素発生量の割合は、２：１のモル比であり、第１電解用電極８と第２電解用電極７により、気体発生量が異なる。このため、装置内の含水量を一定量にする目的から、隔壁１３は水を透過する材料であることが好ましい。隔壁１３は、例えば、多孔質ガラス、多孔質ジルコニア、多孔質アルミナ等の無機膜あるいはイオン交換体を用いることが可能である。
イオン交換体としては、当該分野で公知のイオン交換体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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
水素発生、酸素発生がそれぞれ水素発生触媒、酸素発生触媒にて選択的に行われ、これに伴うイオンの移動が起こる場合、必ずしもイオン交換のための特殊な膜等の部材を配置する必要はない。ガスを物理的に隔離することのみの目的であれば、後述のシール剤に記載の紫外線硬化性樹脂あるいは熱硬化性樹脂を用いることが可能である。
【００６７】
９．シール材
シール材１６は、基板１と天板１４を接着し、水素製造装置２３内を流れる電解液および水素製造装置２３内で生成した水素および酸素を密閉するための部材である。シール材１６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。
【００６８】
ここではシール材１６と記しているが、基板１と天板１４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。
【００６９】
１０．電解液流路
電解液流路１５は、第１電解用電極８と天板１４との間の空間および第２電解用電極７と天板１４との間の空間とすることができる。また、電解液流路１５は、隔壁１３により仕切ることができる。
生成した水素及び酸素の気泡が効率よく第１電解用電極８または第２電解用電極７から離れるように、電解液流路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。
【００７０】
１１．給水口、第１ガス排出口および第２ガス排出口
給水口１８は、水素製造装置２３に含まれるシール材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、水素及び酸素へと分解された水を補充するために配置され、その配置箇所および形状は、原料となる水が効率よく水素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、水素製造装置下部に設置することが好ましい。
【００７１】
また、第１ガス排出口２０および第２ガス排出口１９は、給水口１８を下側にして水素製造装置２３を設置したとき、水素製造装置２３の上側の部分のシール材１６に開口を作ることにより設けることができる。また、第１ガス排出口２０と第２ガス排出口１９は、それぞれ隔壁１３を挟んで第１電解用電極２０側と第２電解用電極１９側に設けることができる。
【００７２】
１２．電解液
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。
【００７３】
水素製造装置による水素の製造方法
給水口１８、第１ガス排出口２０および第２ガス排出口１９を設けることにより、水素製造装置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１ガス排出口２０および第２ガス排出口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から電解液を水素製造装置２３内に導入し、電解液流路１５を電解液で満たすことができる。この状態で、水素製造装置２３に光を入射させることにより、水素発生部および酸素発生部でそれぞれ、連続して水素および酸素を発生させることができる。この発生した水素および酸素は、隔壁１３により分離することができ、水素及び酸素は水素製造装置２３の上部へ上昇し、第１ガス排出口２０および第２ガス排出口１９から回収することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の水素製造装置は、太陽光エネルギーを用いることにより水を分解し水素および酸素を製造する創エネルギー装置として利用される。家庭や水素ステーション、大規模水素製造工場にてオンサイトで水素を製造することが可能となる。
【符号の説明】
【００７５】
１： 基板 ２：光電変換部 ４：ｐ型半導体部 ５：ｎ型半導体部 ６：半導体部 ７：第２電解用電極 ８：第１電解用電極 １１：絶縁部 １３：隔壁 １４：天板 １５：電解液流路 １６：シール材 １８：給水口 １９：第２ガス排出口 ２０：第１ガス排出口 ２３：水素製造装置 ２５：アイソレーション ２６：トレンチアイソレーション ２７：第１導電部 ２８：第２導電部 ２９：第３導電部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置および水素製造方法に関する。
【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。これに対し、液体燃料や水素など、エネルギーを物質として蓄えておくことは、長期変動を効率よく補完するとともに発電設備の稼働率を高める技術として極めて有力であり、今後エネルギー利用効率を最大限に高め、二酸化炭素の排出量を徹底的に削減するためには必要不可欠な技術である。
【０００４】
貯蔵可能な燃料の形態としては、炭化水素などの液体燃料や、バイオガス、水素などの気体燃料、バイオマス由来の木材ペレットや太陽光で還元された金属などの固体燃料などに大別することができる。インフラ整備の容易性、エネルギー密度の観点では液体燃料、燃料電池などとのトータルの利用効率向上の観点では水素をはじめとする気体燃料、貯蔵可能性とエネルギー密度の観点では固体燃料というように、各形態において長所短所を有するが、原料として容易に入手可能な水を利用できる観点から、太陽光により水を分解することによる水素製造技術が特に注目されている。
【０００５】
水を原料として太陽光エネルギーを利用し水素を製造する方法としては、酸化チタン等の光触媒に白金を担持させ、この物質を水中に入れ光照射することにより半導体中で電荷分離を行い、電解液中のプロトンを還元、水を酸化することによる光分解法や、高温ガス炉などの熱エネルギーを利用して水を高温で直接分解する、あるいは金属等の酸化還元と共役させて間接的に分解する熱分解法、藻類など光を利用する微生物の代謝を利用した生物法、太陽電池で発電した電気と水の電気分解水素製造装置を組み合わせた水電気分解法、太陽電池に使用される光電変換材料に水素発生触媒、酸素発生触媒を担持することにより、光電変換で得られる電子と正孔を水素生成触媒、酸素発生触媒で反応に利用する光起電力法等が挙げられる。この中で、光電変換部と水素生成部を一体化することにより、小型の水素製造装置を作製することの可能性を有するものは光分解法、生物法、光起電力法と考えられるが、太陽光エネルギーの変換効率の観点から、光起電力法は実用化に最も近い技術の一つと考えられる。
【０００６】
これまでに、光分解法や光起電力法による光電変換と水素発生を一体化した水素製造装置の例が開示されている。光分解法では例えば、特許文献１によると、ルテニウム錯体を吸着させた酸化チタンの光触媒電極と、白金電極、ヨウ素もしくは鉄の酸化還元を利用した装置が開示されている。また、特許文献２によると、２層の光触媒をタンデム接続し、白金カウンター電極を接続、間にイオン交換膜を挟むことにより一体化構造を採用している。一方、光起電力法では、光電変換部と水素生成部、酸素生成部を一体化した水素製造装置のコンセプトが発表されている（非特許文献１）。これによると、電荷分離は光電変換部、水素生成と酸素生成はそれぞれに対応する触媒を用いることにより行われる。光電変換部は太陽電池に利用される材料が用いられている。例えば、非特許文献２の場合、３層のシリコンｐ−ｉ−ｎ層で電荷分離を行った上で、水素発生は白金触媒が担い、酸素発生は酸化ルテニウムが担っている。また特許文献３や非特許文献３では、基盤上に、水素発生触媒（ＮｉＦｅＯ）と、３層のシリコンｐ−ｉ−ｎを並列に積層、シリコン層の上にさらに酸素発生触媒（Ｃｏ−Ｍｏ）を担持することにより、一体化水素製造装置を作製している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−８９３３６号公報
【特許文献２】特表２００４−５０４９３４号公報
【特許文献３】特開２００３−２８８９５５号公報
【特許文献４】特開２００４−１９７１６７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、２００６年、４３巻、１５７２９−１５７３５頁
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９８９年、５５巻、３８６−３８７頁
【非特許文献３】Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ、２００３年、２８巻、１１６７−１１６９頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のとおり、光電変換と水素発生を一体化した水素製造装置の構造に関するいくつかの検討は既に開示されているが、より高効率で水素を製造するためには光の利用率を最大限に高めることが必要である。例えば、装置内の受光表面で気体が発生する場合、発生した気体によって入射光が散乱するため、入射光を十分利用できず、光利用効率の低下を招いてしまうことは大きな課題である。さらに、光電変換部の受光面に触媒を担持した場合、触媒により入射光が反射もしくは吸収されてしまうため、これによっても光利用率が低下することが課題となっている。また、光の散乱が起きないように光電変換部の受光面と酸素触媒を電極膜で電気的に接続させる方法も検討もされているが、構造上、光電変換部の面積が、他の部材（酸素生成触媒など）の面積によって制限されるため、光利用率が低下することが回避し難い課題である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光利用効率が高く、高効率で水素を製造することができる水素製造装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上にそれぞれ設けられた第１電解用電極および第２電解用電極とを備え、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区域と第１電解用電極とが電気的に接続し、第２区域と第２電解用電極とが電気的に接続し、第１および第２電解用電極が電解液に接触するとき、第１電解用電極は、前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部を形成し、第２電解用電極は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部を形成することを特徴とする水素製造装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光電変換部の受光面に光を入射させ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。このことにより、第１区域と電気的に接続した第１電解用電極と、第２区域と電気的に接続した第２電解用電極との間も電位差を生じさせることができる。この電位差が生じた第１電解用電極と第２電解用電極とに電解液を接触させることにより、第１電解用電極と第２電解用電極のうち、どちらか一方で電解液からＨ2を発生させることができ、他方で電解液からＯ2を発生させることができる。この発生したＨ2を回収することにより水素を製造することができる。
【００１２】
本発明によれば、光電変換部の裏面上に水素発生部および酸素発生部を形成するため、受光面に電解液を介さず光を入射させることができ、電解液による入射光の吸収や入射光の散乱を防止することができる。このことにより、光電変換部へ入射光の量を多くすることができ、光利用効率を高くすることができる。
また、本発明によれば、光電変換部の裏面上に水素発生部および酸素発生部を形成するため、受光面に入射する光が、水素発生部および酸素発生部、ならびにそこからそれぞれ発生する水素及び酸素により吸収や散乱されることはない。このことにより、光電変換部へ入射光の量を多くすることができ、光利用効率を高くすることができる。
【００１３】
本発明によれば、光電変換部の裏面上に水素発生部および酸素発生部を形成するため、光電変換部の受光面を水素製造装置が受光する面の大部分に設けることができる。このことにより、光利用効率をより高くすることができる。
本発明によれば、光電変換部と、水素発生部および酸素発生部とが同一の装置に設けられているため、従来の太陽電池と水の電気分解装置を組み合わせるよりも、水素製造コストを低下させることができる。
本発明によれば、光電変換部が受光することにより裏面の第１および第２区域間に電位差が生じるため、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。また、光電変換部が受光することにより受光面と裏面との間に電位差が生じる場合、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させるために、光電変換部の受光面が減少することが考えられるが、本発明では、光電変換部の裏面の２つの区域間に電位差が生じるため、光電変換部の受光面をより広くすることができ、受光量を増やすことができる。さらに、光電変換部と第１電解用電極または第２電解用電極との間の導電距離を短くすることができるため、内部抵抗をより小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の水素製造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の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略裏面図である。
【図４】本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略平面図である。
【図７】図６の点線Ｂ−Ｂの概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の水素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】
【００１５】
本発明の水素製造装置は、受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上にそれぞれ設けられた第１電解用電極および第２電解用電極とを備え、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区域と第１電解用電極とが電気的に接続し、第２区域と第２電解用電極とが電気的に接続し、第１および第２電解用電極が電解液に接触するとき、第１電解用電極は、前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部を形成し、第２電解用電極は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部を形成することを特徴とする。
【００１６】
水素製造装置とは、水を含む電解液から水素を製造することができる装置である。
光電変換部とは、光を受光し起電力が生じる部分である。
受光面とは、光が入射する光電変換部の面である。
裏面とは、受光面の裏の面である。
【００１７】
本発明の水素製造装置において、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。
本発明の水素製造装置において、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。
【００１８】
本発明の水素製造装置において、前記絶縁部と第１電解用電極との間に設けられ、かつ、第１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第１導電部と、前記絶縁部と第２電解用電極との間に設けられ、かつ、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第２導電部と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、光電変換部が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電解用電極とに出力するときの内部抵抗を小さくすることができる。
本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、ｐｉｎ接合、ｐｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合を複数有し、複数のｐｉｎ接合、複数のｐｎ接合、複数のｎｐｐ+接合または複数のｐｎｎ+接合は、直列に接続され、かつ、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、光電変換部が受光することにより、水を分解するために必要な起電力を生じさせることができる。
【００１９】
本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、ｐｉｎ接合、ｐｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合を有する半導体基板を複数含むことが好ましい。
このような構成によれば、複数の半導体基板を直列接続させることにより、直列接続したｐｉｎ接合などを有する光電変換部を形成することができる。
本発明の水素製造装置において、前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からＨ2が発生する反応の触媒および電解液からＯ2が発生する反応の触媒を含むことが好ましい。
このような構成によれば、水素発生部における電解液からＨ2が発生する反応の反応速度を増大させることができ、酸素発生部における電解液からＯ2が発生する反応の反応速度を増大させることができる。このことにより、光電変換部で生じた起電力により、より効率的にＨ2を製造することができ、光の利用効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明の水素製造装置において、前記水素発生部および前記酸素発生部のうち少なくとも一方は、前記受光面の面積より大きい触媒表面積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により、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。
本発明の水素製造装置において、前記水素発生部および前記酸素発生部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電解用電極および第２電解用電極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、より効率的に酸素または水素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、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。
【００２１】
本発明の水素製造装置において、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、光電変換部で生じる起電力により、より速い反応速度で水素を発生させることができる。
本発明の水素製造装置において、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、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。
【００２２】
本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、透光性を有する基板の上に設けられ、第１電解用電極および第２電解用電極の上に前記基板に対向する天板をさらに備え、第１電解用電極および第２電解用電極と前記天板との間に空間が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電解用電極および第２電解用電極と前記天板との間に電解液を導入することができ、第１電解用電極および第２電解用電極において電解液からより効率的にＨ2およびＯ2が発生させることができる。
本発明の水素製造装置において、第１電解用電極と前記天板との間の空間および第２電解用電極と天板との間の空間とを仕切る隔壁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、第１電解用電極および第２電解用電極でそれぞれ発生した水素および酸素を分離することができ、水素をより効率的に回収することができる。
本発明の水素製造装置において、前記隔壁は、イオン交換体を含むことが好ましい。
このような構成によれば、第１電解用電極の上部の空間に導入された電解液と第２電解用電極の上部の空間に導入された電解液との間のプロトン濃度の不均衡を解消することができ、安定して水素および酸素を発生させることができる。
本発明の水素製造装置において、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つの半導体基板からなり、前記ｎ型半導体部は、前記半導体基板の裏面からｎ型不純物を拡散させた部分または前記半導体基板の裏面からｎ型不純物をイオン注入した部分であり、前記ｐ型半導体部は、前記半導体基板の裏面からｐ型不純物を拡散させた部分または前記半導体基板の裏面からｐ型不純物をイオン注入した部分であることが好ましい。
このような構成によれば、ｎ型半導体部およびｐ型半導体部を有し、受光することにより裏面の第１および第２区域間に電位差が生じる光電変換部を容易に形成することができる。
【００２３】
本発明の水素製造装置において、前記光電変換部は、複数のｐｉｎ接合、複数のｐｎ接合、複数のｎｐｐ+接合または複数のｐｎｎ+接合を有する少なくとも１つの半導体基板であり、各ｐｉｎ接合、各ｐｎ接合、各ｎｐｐ+接合または各ｐｎｎ+接合は、トレンチアイソレーションにより分離されたことが好ましい。
このような構成によれば、直列接続したｐｉｎ接合などを有する光電変換部を形成することができる。
また、本発明は、本発明の水素製造装置を前記受光面が水平面に対し傾斜するように設置し、前記水素製造装置の下部から前記水素製造装置に電解液を導入し、太陽光を前記受光面に入射させることにより前記水素発生部および前記酸素発生部からそれぞれ水素および酸素を発生させ、前記水素製造装置の上部から水素および酸素を排出する水素製造方法も提供する。
本発明の水素製造方法によれば、太陽光を利用して、低コストで水素を製造することができる。
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。
【００２４】
水素製造装置の構成
図１は本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示し、光電変換部の受光面側から見た概略平面図である。図２は、図１の点線Ａ−Ａの概略断面図である。図３は、本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示し、光電変換部の裏面側から見た概略裏面図である。
【００２５】
本実施形態の水素製造装置２３は、受光面および裏面を有する光電変換部２と、前記裏面の上にそれぞれ設けられた第１電解用電極８および第２電解用電極７とを備え、光電変換部２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区域と第１電解用電極８とが電気的に接続し、第２区域と第２電解用電極７とが電気的に接続し、第１および第２電解用電極が電解液と接触するとき、第１電解用電極８は光電変換部２が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部を形成し、第２電解用電極７は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部を形成することを特徴とする。
【００２６】
また、本実施形態の水素製造装置２３は、基板１、絶縁部１１、隔壁１３、天板１４、電解液流路１５、シール材１６、給水口１８、第１ガス排出口２０、第２ガス排出口１９および第１〜第３導電部を備えてもよい。
以下、本実施形態の水素製造装置について説明する。
【００２７】
１．基板
基板１は、本実施形態の水素製造装置２３が備えてもよい。また、光電変換部２は、受光面が基板１側となるように透光性の基板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、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、基板１は省略することができる。
【００２８】
また、基板１は、本水素製造装置を構成するための土台とすることができる部材である。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。
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。
【００２９】
２．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の裏面の上に第１電解用電極８と第２電解用電極７が設けられている。また、光電変換部２は、受光することによりその裏面の第１および第２区域間に電位差が生じる。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、基板１の上に受光面を下にして設けることができる。
【００３０】
光電変換部２は、入射光により電荷分離することができ、裏面の第１および第２区域間に電位差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、有機半導体を用いた光電変換部などである。
裏面の第１および第２区域間に起電力が生じる光電変換部２を形成する方法としては、例えば、半導体ウェハを材料として用い、ｐ型半導体部４の一部およびｎ型半導体部５の一部が半導体ウェハの裏面にそれぞれ形成されるようにｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５を形成することが挙げられる。このように形成した光電変換部２の受光面から光を入射させると、光電変換部の裏面のｐ型半導体部４が形成された区域とｎ型半導体部５が形成された区域との間に電位差を生じさせることができる。なお、本発明において、半導体基板には半導体ウェハを加工したものが含まれる。
【００３１】
半導体ウェハにｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５をこれらが接するように形成すると、光電変換部にｐｎ接合を形成することができる。また、ｉ型半導体からなる半導体ウェハにｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５をこれらが接しないように形成すると、光電変換部にｐｉｎ接合を形成することができる。また、ｐ型半導体の半導体ウェハを用いるとｎｐｐ+接合を有する光電変換部２を形成することができ、ｎ型半導体の半導体ウェハを用いるとｐｎｎ+接合を有する光電変換部２を形成することができる。
ｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５は、図２のように半導体ウェハにそれぞれ一箇所ずつ形成してもよい。また、図５のように半導体ウェハにｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５をそれぞれ複数形成してもよく、図７のように半導体ウェハにｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５のうちどちらか一方を一箇所形成し、他方をその両側に二箇所形成してもよい。
【００３２】
光電変換部２の材料となる半導体ウェハは、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合、ｎｐｐ+接合又はｐｎｎ+接合を形成し光電変換可能なものであれば特に限定されないが、例えば、シリコンウェハである。また、半導体ウェハは、単結晶のものを用いてもよく、多結晶のものを用いてもよい。
【００３３】
ｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５を形成する方法は、特に限定されないが、例えば、半導体ウェハにｐ型不純物およびｎ型不純物をそれぞれ熱拡散する方法または、半導体ウェハにｐ型不純物およびｎ型不純物をそれぞれイオン注入する方法が挙げられる。これらの方法によりｐ型不純物およびｎ型不純物を半導体ウェハの一方の面から熱拡散またはイオン注入することによりｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５を形成することができ、光電変換部２の裏面にｐ型半導体部４の一部およびｎ型半導体部５の一部をそれぞれ形成することができる。
【００３４】
光電変換部２は、受光することにより生じる起電力を水素発生部および酸素発生部に出力し水を分解するため、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必要がある。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。
【００３５】
光電変換部２は、直列接続された複数のｐｉｎ接合、複数のｐｎ接合、複数のｎｐｐ+接合または複数のｐｎｎ+接合を有することができる。このことにより、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を大きくすることができ、水分解に必要な起電力を第１電解用電極８および第２電解用電極７に出力することができる。直列接続された複数のｐｉｎ接合などを有する光電変換部２を形成する方法は、特に限定されないが、例えば、図４、８のように、ｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５を形成した半導体ウェハを並列に設け、隣接する半導体ウェハを第３導電部２９で接続することにより、形成することができる。また、図５のように半導体ウェハをトレンチアイソレーション２６で区切られた複数の部分を形成し、各部分にｐ型半導体部４およびｎ型半導体部５を形成した後、各部分を第３導電部２９により接続することにより形成することができる。
なお、ここでは、半導体ウェハを用いて形成した光電変換部２について説明したが、光電変換部２は、裏面の２つの区域間に電位差が生じるものであれば、半導体薄膜、有機半導体などを用いたものであってもよい。
【００３６】
３．絶縁部
絶縁部１１は、光電変換部２の裏面と第１電解用電極８との間の一部および光電変換部２の裏面と第２電解用電極７との間の一部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と電気的に接続する光電変換部２の裏面の第１区域と、第２電解用電極７と電気的に接続する光電変換部２の裏面の第２区域との間隔を広くすることができ、光電変換部２の光電変換効率を高くすることができる。また、光電変換部２が直列接続されたｐｉｎ接合などを有する場合、絶縁部１１を設けることによりリーク電流の発生を防止することができる。
【００３７】
絶縁部１１は、第１電解用電極８と電気的に接続する光電変換部２の裏面の第１区域の上および第２電解用電極７と電気的に接続する光電変換部２の裏面の第２区域の上には、形成されない。このことにより、第１区域の上に第１電解用電極８を、第２区域の上に第２電解用電極７を形成することができ、第１または第２区域を介してｐ型半導体部４またはｎ型半導体部５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。例えば、図２、５、８のようにｐ型半導体部４の一部である光電変換部２の裏面の第２区域上およびｎ型半導体部５の一部である光電変換部２の裏面の第１区域上に絶縁部１１の開口をそれぞれ設け、第１区域上の開口中と絶縁部１１の上に第１電解用電極８を設け、第２区域上の開口中と絶縁部１１の上に第２電解用電極７を設けることができる。
また、第１電解用電極８の光電変換部側に第１電解用電極８と接触するように第１導電部２７を設けることができ、第２電解用電極７の光電変換部側に第２電解用電極７と接触するように第２導電部２８を設けることもできる。例えば、図４、７のように第１区域上の絶縁部１１の開口の内壁と第１電解用電極８との間および絶縁部１１と第１電解用電極８との間に第１導電部２７を設け、第２区域上の絶縁部１１の開口の内壁と第２電解用電極７との間および絶縁部１１と第２電解用電極７との間に第２導電部２８を設けることができる。第１導電部２７および第２導電部２８に電気伝導率の高い材料を用いることができ、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に出力する場合に内部抵抗を低減することができる。
【００３８】
第１導電部２７または第２導電部２８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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
４．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、光電変換部２の裏面の上にそれぞれ設けられる。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が受光することによって電位差が生じる光電変換部２の裏面の第１および第２区域とそれぞれ電気的に接続する。このことにより、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。
【００４２】
また、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が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部であり、他方は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部である。
また、第１電解用電極８および第２電解用電極７は、並列に設けることができ、また、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に隔壁１３を設けることもできる。第１電解用電極８および第２電解用電極７は図１〜５のようにそれぞれ１つずつ設けてもよく、それぞれ複数設けもよく、交互に設けてもよい。また、図６〜８のように第１電解用電極８および第２電解用電極７のうち一方を１つ設け、その両側に他方を設けてもよい。
さらに第１電解用電極８および第２電解用電極７は、電解液流路１５の内壁に設けてもよい。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と電解液とを接触させることができ、電解液から水素および酸素を発生させることができる。
【００４３】
５．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および第２電解用電極７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。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、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Ｈ2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、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。また、光電変換部２の受光面または裏面と水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。また、この水素発生部を第１電解用電極８としたとき、第２電極を省略しても光電変換部２の裏面と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、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。
【００４４】
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。
【００４５】
水素発生触媒を直接光電変換部２の裏面など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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
６．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１電解用電極８および第２電解用電極７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、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の受光面または裏面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。また、この水素発生部を第１電解用電極８としたとき、第２電極を省略しても光電変換部２の裏面と触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を小さくすることができる。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。
【００５２】
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。
【００５３】
酸素発生触媒を直接光電変換部２の受光面または裏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。これらの説明は、「５．水素発生部」に記載した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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
７．天板
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。
【００５７】
また、天板１４は、電解液などの流路を構成し、生成した水素および酸素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、水素および酸素が発生していることを視認できる点においては透明な材料であることが好ましい。透明な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。
【００５８】
８．隔壁
隔壁１３は、第１電解用電極８と天板１４との間の空間および第２電解用電極７と天板１４との間の空間とを仕切る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および第２電解用電極７で発生させた水素および酸素が混合することを防止することができ、水素および酸素を分離して回収することができる。
また、隔壁１３は、イオン交換体を含んでもよい。このことにより、第１電解用電極８と天板１４との間の空間の電解液と第２電解用電極７と天板１４との間の空間の電解液でアンバランスとなったプロトン濃度を一定に保つことができる。つまり、プロトンが隔壁９を介してイオンの移動が起こることによりプロトン濃度のアンバランスを解消することができる。
【００５９】
隔壁１３は、例えば、図２のように天板１４に接触するように設けてもよく、天板１４と隔壁１３との間に空間が残るように設けてもよい。また、隔壁１３に孔を設けてもよい。このことによりプロトンのアンバランスをより容易に解消できる。なお、天板１４と隔壁１３との間に空間を設けても、水素製造装置を光電変換部２の受光面を上向きに設置することにより、水素と酸素の混合を防止することができる。また、隔壁１３の天板１４に近い部分に孔を設けることにより水素と酸素の混合を防止することができる。
【００６０】
図２においては第１電解用電極８と天板１４との間の電解液流路１５と第２電解用電極７と天板１４との間の電解液流路１５を隔壁１３で完全に隔離しているが、上記電解液流路間のイオン移動に障害が無ければ、隔壁１３をガス流路を形成するように設置することが可能である。この場合、発生する水素および酸素が混合しないように隔壁１３を印刷法など、より低コストな手段にて設置することが可能となる。この際、基板１と天板１４を結合する箇所はシール材１６となる。構造の安定性を増すために、一部に隔壁９を天板１４に接触するように設けることも可能である。
【００６１】
電解液からの水素発生量および酸素発生量の割合は、２：１のモル比であり、第１電解用電極８と第２電解用電極７により、気体発生量が異なる。このため、装置内の含水量を一定量にする目的から、隔壁１３は水を透過する材料であることが好ましい。隔壁１３は、例えば、多孔質ガラス、多孔質ジルコニア、多孔質アルミナ等の無機膜あるいはイオン交換体を用いることが可能である。
イオン交換体としては、当該分野で公知のイオン交換体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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
水素発生、酸素発生がそれぞれ水素発生触媒、酸素発生触媒にて選択的に行われ、これに伴うイオンの移動が起こる場合、必ずしもイオン交換のための特殊な膜等の部材を配置する必要はない。ガスを物理的に隔離することのみの目的であれば、後述のシール剤に記載の紫外線硬化性樹脂あるいは熱硬化性樹脂を用いることが可能である。
【００６７】
９．シール材
シール材１６は、基板１と天板１４を接着し、水素製造装置２３内を流れる電解液および水素製造装置２３内で生成した水素および酸素を密閉するための部材である。シール材１６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。
【００６８】
ここではシール材１６と記しているが、基板１と天板１４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。
【００６９】
１０．電解液流路
電解液流路１５は、第１電解用電極８と天板１４との間の空間および第２電解用電極７と天板１４との間の空間とすることができる。また、電解液流路１５は、隔壁１３により仕切ることができる。
生成した水素及び酸素の気泡が効率よく第１電解用電極８または第２電解用電極７から離れるように、電解液流路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。
【００７０】
１１．給水口、第１ガス排出口および第２ガス排出口
給水口１８は、水素製造装置２３に含まれるシール材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、水素及び酸素へと分解された水を補充するために配置され、その配置箇所および形状は、原料となる水が効率よく水素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、水素製造装置下部に設置することが好ましい。
【００７１】
また、第１ガス排出口２０および第２ガス排出口１９は、給水口１８を下側にして水素製造装置２３を設置したとき、水素製造装置２３の上側の部分のシール材１６に開口を作ることにより設けることができる。また、第１ガス排出口２０と第２ガス排出口１９は、それぞれ隔壁１３を挟んで第１電解用電極２０側と第２電解用電極１９側に設けることができる。
【００７２】
１２．電解液
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。
【００７３】
水素製造装置による水素の製造方法
給水口１８、第１ガス排出口２０および第２ガス排出口１９を設けることにより、水素製造装置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１ガス排出口２０および第２ガス排出口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から電解液を水素製造装置２３内に導入し、電解液流路１５を電解液で満たすことができる。この状態で、水素製造装置２３に光を入射させることにより、水素発生部および酸素発生部でそれぞれ、連続して水素および酸素を発生させることができる。この発生した水素および酸素は、隔壁１３により分離することができ、水素及び酸素は水素製造装置２３の上部へ上昇し、第１ガス排出口２０および第２ガス排出口１９から回収することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の水素製造装置は、太陽光エネルギーを用いることにより水を分解し水素および酸素を製造する創エネルギー装置として利用される。家庭や水素ステーション、大規模水素製造工場にてオンサイトで水素を製造することが可能となる。
【符号の説明】
【００７５】
１： 基板 ２：光電変換部 ４：ｐ型半導体部 ５：ｎ型半導体部 ６：半導体部 ７：第２電解用電極 ８：第１電解用電極 １１：絶縁部 １３：隔壁 １４：天板 １５：電解液流路 １６：シール材 １８：給水口 １９：第２ガス排出口 ２０：第１ガス排出口 ２３：水素製造装置 ２５：アイソレーション ２６：トレンチアイソレーション ２７：第１導電部 ２８：第２導電部 ２９：第３導電部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上にそれぞれ設けられた第１電解用電極および第２電解用電極とを備え、
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区域と第１電解用電極とが電気的に接続し、第２区域と第２電解用電極とが電気的に接続し、
第１および第２電解用電極が電解液に接触するとき、第１電解用電極は、前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部を形成し、第２電解用電極は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部を形成することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
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１に記載の装置。
【請求項３】
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２に記載の装置。
【請求項４】
前記絶縁部と第１電解用電極との間に設けられ、かつ、第１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第１導電部と、前記絶縁部と第２電解用電極との間に設けられ、かつ、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第２導電部とをさらに備える請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記光電変換部は、ｐｉｎ接合、ｐｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合を複数有し、
複数のｐｉｎ接合、複数のｐｎ接合、複数のｎｐｐ+接合または複数のｐｎｎ+接合は、直列に接続され、かつ、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１〜４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記光電変換部は、ｐｉｎ接合、ｐｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合を有する半導体基板を複数含む請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からＨ2が発生する反応の触媒および電解液からＯ2が発生する反応の触媒を含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記水素発生部および前記酸素発生部のうち少なくとも一方は、前記受光面の面積より大きい触媒表面積を有する請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記水素発生部および前記酸素発生部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請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
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７〜９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
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７〜１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記光電変換部は、透光性を有する基板の上に設けられ、
第１電解用電極および第２電解用電極の上に前記基板に対向する天板をさらに備え、
第１電解用電極および第２電解用電極と前記天板との間に空間が設けられた請求項１〜１１のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
第１電解用電極と前記天板との間の空間および第２電解用電極と天板との間の空間とを仕切る隔壁をさらに備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記隔壁は、イオン交換体を含む請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
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つの半導体基板からなり、
前記ｎ型半導体部は、前記半導体基板の裏面からｎ型不純物を拡散させた部分または前記半導体基板の裏面からｎ型不純物をイオン注入した部分であり、
前記ｐ型半導体部は、前記半導体基板の裏面からｐ型不純物を拡散させた部分または前記半導体基板の裏面からｐ型不純物をイオン注入した部分である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１６】
前記光電変換部は、複数のｐｉｎ接合、複数のｐｎ接合、複数のｎｐｐ+接合または複数のｐｎｎ+接合を有する少なくとも１つの半導体基板であり、
各ｐｉｎ接合、各ｐｎ接合、各ｎｐｐ+接合または各ｐｎｎ+接合は、トレンチアイソレーションにより分離された請求項１〜１５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１つに記載の水素製造装置を前記受光面が水平面に対し傾斜するように設置し、
前記水素製造装置の下部から前記水素製造装置に電解液を導入し、太陽光を前記受光面に入射させることにより前記水素発生部および前記酸素発生部からそれぞれ水素および酸素を発生させ、前記水素製造装置の上部から水素および酸素を排出する水素製造方法。
【請求項１】
受光面および裏面を有する光電変換部と、前記裏面の上にそれぞれ設けられた第１電解用電極および第２電解用電極とを備え、
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区域と第１電解用電極とが電気的に接続し、第２区域と第２電解用電極とが電気的に接続し、
第１および第２電解用電極が電解液に接触するとき、第１電解用電極は、前記光電変換部が受光することにより生じる起電力を利用して電解液からＨ2を発生させる水素発生部を形成し、第２電解用電極は前記起電力を利用して電解液からＯ2を発生させる酸素発生部を形成することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
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１に記載の装置。
【請求項３】
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２に記載の装置。
【請求項４】
前記絶縁部と第１電解用電極との間に設けられ、かつ、第１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第１導電部と、前記絶縁部と第２電解用電極との間に設けられ、かつ、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第２導電部とをさらに備える請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記光電変換部は、ｐｉｎ接合、ｐｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合を複数有し、
複数のｐｉｎ接合、複数のｐｎ接合、複数のｎｐｐ+接合または複数のｐｎｎ+接合は、直列に接続され、かつ、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１〜４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記光電変換部は、ｐｉｎ接合、ｐｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合を有する半導体基板を複数含む請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からＨ2が発生する反応の触媒および電解液からＯ2が発生する反応の触媒を含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記水素発生部および前記酸素発生部のうち少なくとも一方は、前記受光面の面積より大きい触媒表面積を有する請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記水素発生部および前記酸素発生部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請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
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７〜９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
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７〜１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記光電変換部は、透光性を有する基板の上に設けられ、
第１電解用電極および第２電解用電極の上に前記基板に対向する天板をさらに備え、
第１電解用電極および第２電解用電極と前記天板との間に空間が設けられた請求項１〜１１のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
第１電解用電極と前記天板との間の空間および第２電解用電極と天板との間の空間とを仕切る隔壁をさらに備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記隔壁は、イオン交換体を含む請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
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つの半導体基板からなり、
前記ｎ型半導体部は、前記半導体基板の裏面からｎ型不純物を拡散させた部分または前記半導体基板の裏面からｎ型不純物をイオン注入した部分であり、
前記ｐ型半導体部は、前記半導体基板の裏面からｐ型不純物を拡散させた部分または前記半導体基板の裏面からｐ型不純物をイオン注入した部分である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１６】
前記光電変換部は、複数のｐｉｎ接合、複数のｐｎ接合、複数のｎｐｐ+接合または複数のｐｎｎ+接合を有する少なくとも１つの半導体基板であり、
各ｐｉｎ接合、各ｐｎ接合、各ｎｐｐ+接合または各ｐｎｎ+接合は、トレンチアイソレーションにより分離された請求項１〜１５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１つに記載の水素製造装置を前記受光面が水平面に対し傾斜するように設置し、
前記水素製造装置の下部から前記水素製造装置に電解液を導入し、太陽光を前記受光面に入射させることにより前記水素発生部および前記酸素発生部からそれぞれ水素および酸素を発生させ、前記水素製造装置の上部から水素および酸素を排出する水素製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−７２４３４（Ｐ２０１２−７２４３４Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１７６３０（Ｐ２０１０−２１７６３０）
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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