発電システム
【課題】本発明は、電力源を切り換えるときに電力不足が発生することを抑制することができる発電システムを提供する。
【解決手段】本発明の発電システムは、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部２１と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または前記水電解部に出力する光電変換部２と、需要電力または前記光電変換部の光起電力に応じて、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部２２と、前記水電解部により発生させた水素ガスを貯蔵し、貯蔵した水素ガスを前記燃料電池部に供給する水素貯蔵部１２と、前記燃料電池部に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部１０と、制御部１７とを備え、前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて、前記調湿部を制御する機能を備えることを特徴とする。
【解決手段】本発明の発電システムは、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部２１と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または前記水電解部に出力する光電変換部２と、需要電力または前記光電変換部の光起電力に応じて、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部２２と、前記水電解部により発生させた水素ガスを貯蔵し、貯蔵した水素ガスを前記燃料電池部に供給する水素貯蔵部１２と、前記燃料電池部に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部１０と、制御部１７とを備え、前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて、前記調湿部を制御する機能を備え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、太陽光を利用した発電システムに関する。
【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。
これまでに、光電変換と、その光起電力を利用し電解液を電気分解することにより水素を発生させる水素製造装置が開示されている（例えば、特許文献１）。このような水素製造装置を用いることにより、太陽光エネルギーを効率よく水素として貯蔵することができる。
【０００６】
また、発電機器、蓄電機器、蓄熱機器および水素貯蔵機器を備え、エネルギーの運用を最適化する分散エネルギーシステムが知られており（例えば、特許文献２）、燃料電池と水電解槽とを一体化した燃料電池が知られている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４５９４４３８号公報
【特許文献２】特開２００４−３１２７９８号公報
【特許文献３】特許第４０３５３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のエネルギーシステムでは、電力源の切り換えについて十分に検討されていないため、効率よく安定した電力供給が行われていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、効率よく安定して発電および電力の供給を行うことのできる発電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または前記水電解部に出力する光電変換部と、需要電力または前記光電変換部の光起電力に応じて、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部と、前記水電解部により発生させた水素ガスを貯蔵し、貯蔵した水素ガスを前記燃料電池部に供給する水素貯蔵部と、前記燃料電池部に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部と、制御部とを備え、前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて、前記調湿部を制御する機能を備えることを特徴とする発電システムを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または前記水電解部に出力する光電変換部と、前記水電解部により発生させた水素ガスを貯蔵する水素貯蔵部とを備えるため、電力需要が多い場合には、光電変換部の光起電力を外部出力することができる。また、電力需要が少ない場合には、光電変換部の光起電力を水電解部に出力し水を電気分解し水素ガスを発生させることができ、発生させた水素ガスを水素貯蔵部に貯蔵することができる。このことにより、太陽光のエネルギーを燃料電池の燃料となる水素ガスとして貯蔵することができる。
本発明によれば、貯蔵した水素ガスを前記燃料電池部に供給する水素貯蔵部と、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部と、燃料電池部に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部とを備えるため、光電変換部の光起電力が低下した場合や電力需要が多くなった場合に、燃料電池部により発電し電力需要を満たすように電力を外部出力することができる。このことにより、電力不足が生じることを抑制することができる。また、燃料電池部は、水電解部により発生させ、水素貯蔵部に貯蔵した水素ガスを燃料とすることができるため、太陽光をエネルギー源として電力を外部出力することができる。
本発明によれば、制御部は光電変換部の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて調湿部を制御する機能を有するため、燃料電池部へ水素ガスまたは空気の供給を始める前に調湿部が加湿可能な状態となるように調湿部を制御することができる。このことにより、燃料電池部へ迅速に加湿された水素ガスまたは空気を供給することができ、燃料電池部が迅速に発電電力を外部出力することができる。このことにより、電力源に燃料電池部が加わった場合でも電力需要にすぐに対応することができ、効率よく安定して発電および電力の供給を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の発電システムの概念図である。
【図２】本発明の一実施形態の発電システムの概略配管図である。
【図３】本発明の一実施形態の発電システムの概略回路図である。
【図４】本発明の一実施形態の発電システムの概略回路図である。
【図５】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略平面図である。
【図６】図５の点線Ａ−Ａにおける水素製造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システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略裏面図である。
【図８】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図９】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１５】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる燃料電池部の構成を示す概略断面図である。
【図１６】本発明の一実施形態の発電システムの概略回路図である。
【図１７】本発明の一実施形態の発電システムの概略回路図である。
【図１８】本発明の一実施形態の発電システムの概略回路図である。
【図１９】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる制御部の制御方法のフローチャートである。
【図２０】本発明の一実施形態の発電システム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】
【００１２】
本発明の発電システムは、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または前記水電解部に出力する光電変換部と、需要電力または前記光電変換部の光起電力に応じて、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部と、前記水電解部により発生させた水素ガスを貯蔵し、貯蔵した水素ガスを前記燃料電池部に供給する水素貯蔵部と、前記燃料電池部に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部と、制御部とを備え、
前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて、前記調湿部を制御する機能を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の発電システムにおいて、前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報および需要電力に関する情報に基づいて、前記燃料電池部へ水素ガスまたは空気の供給を始める前に前記調湿部が加湿可能な状態となるように前記調湿部を制御する機能を備えることが好ましい。
このような構成によれば、燃料電池部へ迅速に加湿された水素ガスまたは空気を供給することができ、燃料電池部が迅速に発電電力を外部出力することができる。このことにより、電力源に燃料電池部が加わった場合でも電力需要にすぐに対応することができ、効率よく安定して発電および電力の供給を行うことができる。
本発明の発電システムにおいて、制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報および需要電力に関する情報に基づいて、前記燃料電池部へ水素ガスまたは空気の供給を始める前に前記燃料電池部が作動温度以下の所定の温度に昇温するように前記燃料電池部を制御する機能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、燃料電池部を迅速に作動温度に昇温することができ、燃料電池部が迅速に発電電力を外部出力することができる。このことにより、電力源に燃料電池部が加わった場合でも電力需要にすぐに対応することができ、一時的な電力不足が生じるのを抑制することができる。
本発明の発電システムにおいて、前記調湿部は、前記水素貯蔵部に貯蔵する水素ガスの湿度を調節することが好ましい。
このような構成によれば、水電解部により発生させた水素ガスを調湿部により除湿し水素貯蔵部に貯蔵することができる。
【００１４】
本発明の発電システムにおいて、前記調湿部は、加湿部および除湿部を有することが好ましい。
このような構成によれば、調湿部により燃料電池部に供給する水素ガスおよび空気の加湿を行うことができる。また、調湿部により水電解部により発生させた水素ガスの除湿を行うことができる。
本発明の発電システムにおいて、水素流路をさらに備え、前記水素流路は、前記水電解部により発生させた水素ガスが前記除湿部を流れ、前記水素貯蔵部に貯蔵される経路と、前記燃料電池部の燃料となる水素ガスが前記加湿部を流れ前記燃料電池部に供給される経路とを有することが好ましい。
このような構成によれば、水電解部により発生させた水素ガスを水素貯蔵部に貯蔵することができ、燃料電池部の燃料となる水素ガスを加湿して燃料電池部に供給することができる。
【００１５】
本発明の発電システムにおいて、前記水素流路は、水素ガスが流れる経路を変更できるように設けられた複数のバルブを有することが好ましい。
このような構成によれば、複数のバルブにより水素ガスが流れる経路を変更することができる。
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部の光起電力を前記水電解部に出力する回路と、前記光電変換部の光起電力を外部出力する回路とを切り換える切換部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、切換部により光電変換部の光起電力の出力先を変更することができる。
【００１６】
本発明の発電システムにおいて、前記切換部は、前記光電変換部の光起電力および前記燃料電池部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、切換部により光電変換部の光起電力および燃料電池部の発電電力のうちどちらか一方または両方を切り換えて外部出力することができる。
本発明の発電システムにおいて、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発電システムの制御モード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発電システムの構成要素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、制御部により発電システムの制御モードを切り換えることができる。
【００１７】
本発明の発電システムにおいて、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、制御部がセンサ部からの情報に基づき発電システムの制御モードを切り換えることができる。
本発明の発電システムにおいて、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、制御部が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システムの制御モードを切り換えることができる。
【００１８】
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部は、受光面とその裏面を有し、前記水電解部は、前記光電変換部の裏面側に設けられ、前記光電変換部および前記水電解部は、水素製造装置を構成することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部と水電解部との配線距離を短くすることができ、オーミックロスを少なくすることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、前記光電変換部の裏面上にそれぞれ設けられた第１電解用電極および第２電解用電極を有し、前記光電変換部の受光面に太陽光が入射し第１および第２電解用電極が電解液と接触するとき、第１および第２電解用電極は、前記光電変換部が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体を発生させることができるように設けられ、第１気体および第２気体のうち、一方は水素ガスであり他方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、水素製造装置を構成する第１および第２電解用電極は、光電変換部が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体が発生するように設けられているため、第１電解用電極の表面で第１気体を発生させることができ、第２電解用電極の表面で第２気体を発生させることができる。また、光電変換部の裏面上に第１電解用電極および第２電解用電極を設けるため、光電変換部の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、光電変換部の裏面上に第１電解用電極および第２電解用電極を設けるため、受光面に入射する光が、第１および第２電解用電極、ならびにそこからそれぞれ発生する第１気体及び第２気体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。
【００１９】
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部は、受光することによりその受光面と裏面との間に起電力が生じ、第１電解用電極は、前記光電変換部の裏面と電気的に接続することができるように設けられ、第２電解用電極は、前記光電変換部の受光面と電気的に接続す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、水素製造装置に含まれる光電変換部に積層構造のものを利用することができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、第２電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた絶縁部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、水素製造装置において第２電解用電極と光電変換部の裏面との間にリーク電流が発生するのを防止することができる。
【００２０】
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、前記光電変換部の受光面に接触する第１電極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、水素製造装置内の内部抵抗を小さくすることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、第１電極と第２電解用電極とを電気的に接続する第１導電部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、光電変換部の受光面と第２電解用電極とを電気的に接続することができる。
【００２１】
本発明の発電システムにおいて、第１導電部は、前記光電変換部を貫通するコンタクトホールに設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の受光面と第２電解用電極との間の配線距離を短くすることができ、内部抵抗を小さくすることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、第１導電部は、前記絶縁部の一部であり前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、第１導電部を少ない工程で設けることができ、製造コストを低減することができる。
【００２２】
本発明の発電システムにおいて、前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、第２電解用電極は、前記絶縁部の一部であり前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられ、かつ、第１電極と接触することが好ましい。
このような構成によれば、第１導電部を設けることなく、第１電極と第２電解用電極とを電気的に接続することができる。
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部は、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層およびｎ型半導体層からなる光電変換層を有することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部に光を入射させることにより起電力を生じさせることができる。
【００２３】
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部は、受光することにより前記光電変換部の裏面の第１および第２区域間に電位差が生じ、第１区域は、第１電解用電極と電気的に接続するように設けられ、第２区域は、第２電解用電極と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、光電変換部の第１区域と第２区域との間生じた起電力を第１電解用電極と第２電解用電極とに出力することができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、第１および第２電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられ、かつ、第１区域上および第２区域上に開口を有する絶縁部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区域と第２区域との間に、光電変換部が受光することにより生じる起電力を効率よく発生させることができる。
【００２４】
本発明の発電システムにおいて、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区域間に起電力を生じさせることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、透光性基板をさらに備え、前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部を透光性基板の上に形成することができる。
【００２５】
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部は、直列接続した複数の光電変換層を含み、前記複数の光電変換層は、受光することにより生じる起電力を第１電解用電極および第２電解用電極に供給する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、容易に高電圧の起電力を第１および第２電解用電極に出力することができる。
本発明の発電システムにおいて、第１電解用電極および第２電解用電極のうち、一方は電解液からＨ2を発生させる水素発生部であり、他方は電解液からＯ2を発生させる酸素発生部であり、前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からＨ2が発生する反応の触媒である水素発生触媒および電解液からＯ2が発生する反応の触媒である酸素発生触媒を含むことが好ましい。
このような構成によれば、水素製造装置により燃料電池の燃料となる水素ガスを製造することができる。
【００２６】
本発明の発電システムにおいて、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、前記光電変換部の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、水素製造装置により、より効率的に水素ガスおよび酸素ガスを製造することができる。
本発明の発電システムにおいて、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、水素ガスまたは酸素ガスが発生する反応の触媒面積を広くすることができる。
【００２７】
本発明の発電システムにおいて、前記水素発生触媒は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｆｅ、ＮｉおよびＳｅのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。
このような構成によれば、水素製造装置により電解液から水素ガスを効率よく発生させることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記酸素発生触媒は、Ｍｎ、Ｃａ、Ｚｎ、ＣｏおよびＩｒのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。
このような構成によれば、水素製造装置により電解液から酸素ガスを効率よく発生させることができる。
【００２８】
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、透光性基板と、電解液室と、第１電解用電極および第２電解用電極の上に設けられた背面基板とをさらに備え、前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられ、前記電解液室は、第１電解用電極および第２電解用電極と前記背面基板との間に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、第１電解用電極の電解液に接触可能な面と、第２電解用電極の電解液に接触可能な面とを電解液室に面して設けることができ、第１および第２電解用電極を電解液に接触させることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、第１電解用電極と前記背面基板との間の電解液室および第２電解用電極と前記背面基板との間の電解液室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、隔壁により第１気体と第２気体を分離することができる。
本発明の発電システムにおいて、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、電解液中で生じるイオン濃度の不均衡を容易に解消することができる。
【００２９】
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。
【００３０】
発電システムの構成
図１は本実施形態の発電システムの概念図であり、図２は本実施形態の発電システムの概略配管図であり、図３、図４は本実施形態の発電システムの概略回路図である。
本実施形態の発電システムは、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部２１と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または水電解部２１に出力する光電変換部２と、需要電力または光電変換部２の光起電力に応じて、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部２２と、水電解部２１により発生させた水素ガスを貯蔵し、貯蔵した水素ガスを記燃料電池部２２に供給する水素貯蔵部１２と、燃料電池部２２に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部１０と、制御部１７とを備え、制御部１７は、光電変換部２の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて、調湿部１０を制御する機能を有することを特徴とする。
【００３１】
１．光電変換部２
光電変換部２は、太陽光を受光することにより光起電力が生じる部分であり、この起電力を外部出力または水電解部２１に出力する。光電変換部２の光起電力を外部出力することにより、この電力を外部回路において利用することができる。また、光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力することにより、光起電力を利用して水を電気分解し、水素ガスおよび酸素ガスを発生させることができる。このことにより、電力需要が少ない場合や光電変換部２の光起電力が大きい場合に、光電変換部２の光起電力により水素ガスを発生させることができる。この水素ガスは、水電解部２１から水素流路を流通させ除湿部４９により除湿した後、水素貯蔵部１２に貯蔵することができる。
【００３２】
光電変換部２は、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または水電解部２１に出力するために、切換部２９と電気的に接続することができる。このことにより、切換部２９により光電変換部２の光起電力の出力先を切り換えることができる。
【００３３】
光電変換部２は、太陽光を受光することにより光起電力が生じるものであれば特に限定されないが、例えば、シリコン系半導体を用いた光電変換部、化合物半導体を用いた光電変換部、色素増感剤を利用した光電変換部、有機薄膜を用いた光電変換部などである。
また、光電変換部２は、後述する水素製造装置２３に含まれてもよい。この場合の光電変換部２についての説明は後述する。また、水素製造装置２３に含まれる光電変換部２についての説明は、水素製造装置２３に含まれない光電変換部２についても矛盾がない限り当てはまる。
また、光電変換部２は、複数であってもよい。例えば、複数の太陽電池パネルと後述の水素製造装置からなってもよい。この場合、水素製造装置に含まれる光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力し、太陽電池パネルの光起電力を外部出力してもよい。また、太陽電池パネルの光起電力を水電解部２１に出力してもよい。また、水素製造装置に含まれる光電変換部２の光起電力および太陽電池パネルの光起電力のすべてを外部出力してもよい。この場合、発電システムは、図４のような回路図を有することができる。
【００３４】
２．水電解部
水電解部２１は、光電変換部２の光起電力を利用して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。水電解部２１は第１電解用電極８と第２電解用電極７とを含む電解槽とすることができる。この電解槽に電解液を溜めて、光電変換部２の光起電力を第１および第２電解用電極８、７に出力することにより、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。
また、水電解部２１は後述する水素製造装置２３に含まれてもよい。この場合の第１電解用電極８および第２電解用電極７についての説明は後述する。また、水素製造装置２３に含まれる第１電解用電極８および第２電解用電極７についての説明は、水素製造装置２３に含まれない第１電解用電極８および第２電解用電極７についても矛盾がない限り当てはまる。
【００３５】
３．水素製造装置
図５は、本実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略平面図であり、図６は、図５の点線Ａ−Ａにおける水素製造装置の概略断面図であり、図７は、本実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略裏面図である。
また、図８〜１４は、それぞれ本実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図であり、図６に対応する概略断面図である。
水素製造装置２３は、受光面とその裏面を有する光電変換部２と、光電変換部２の裏面側に設けられた水電解部２１を有することができる。
また、水素製造装置２３は、光電変換部２の裏面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を有し、光電変換部２の受光面に太陽光が入射し第１および第２電解用電極８、７が電解液と接触するとき、第１および第２電解用電極８、７は、光電変換部２が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体を発生させることができるように設けられ、第１気体および第２気体のうち、一方は水素ガスであり他方は酸素ガスである。
【００３６】
第１および第２電解用電極８、７は、光電変換部２が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体が発生するように設けられているため、第１電解用電極８の表面で第１気体を発生させることができ、第２電解用電極７の表面で第２気体を発生させることができる。また、第１気体および第２気体のうち一方は水素ガスであるため、水素ガスを製造することができる。
また、光電変換部２の裏面上に第１電解用電極８および第２電解用電極７を設けるため、光電変換部２の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２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。
さらに、光電変換部２の裏面上に第１電解用電極８および第２電解用電極７を設けるため、受光面に入射する光が、第１および第２電解用電極８、７、ならびにそこからそれぞれ発生する第１気体及び第２気体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２へ入射する光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。
【００３７】
また、水素製造装置２３は、透光性基板１、第１電極４、第２電極５、第１導電部９などを有することもできる。
以下、水素製造装置２３について説明する。
【００３８】
３−１．透光性基板
透光性基板１は、水素製造装置２３が備えてもよい。また、光電変換部２は、受光面が透光性基板１側となるように透光性基板１の上に設けられてもよい。なお、光電変換部２が、半導体基板などからなり一定の強度を有する場合、透光性基板１は省略することが可能である。また、光電変換部２が樹脂フィルムなど柔軟性を有する材料の上に形成可能な場合、透光性基板１は省略することができる。
【００３９】
また、太陽光を光電変換部２の受光面で受光するため、透光性基板１は、透明であり光透過率が高いことが好ましいが、光電変換部２へ効率的な光の入射が可能な構造であれば、光透過率に制限はない。
光透過率が高い基板材料として、例えば、ソーダガラス、石英ガラス、パイレックス（登録商標）、合成石英板等の透明なリジッド材、あるいは透明樹脂板やフィルム材等が好適に用いられる。化学的および物理的安定性を備える点より、ガラス基板を用いることが好ましい。
透光性基板１の光電変換部２側の表面には、入射した光が光電変換部２の表面で有効に乱反射されるように、微細な凹凸構造に形成することができる。この微細な凹凸構造は、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理もしくはブラスト処理等の公知の方法により形成することが可能である。
【００４０】
３−２．第１電極
第１電極４は、透光性基板１の上に設けることができ、光電変換部２の受光面と接触するように設けることができる。また、第１電極４は透光性を有してもよい。また、第１電極４は、透光性基板１を省略可能の場合、光電変換部２の受光面に直接設けられてもよい。第１電極４は、第２電解用電極７と電気的に接続することができる。第１電極４を設けることにより、光電変換部２の受光面と第２電解用電極７との間に流れる電流を大きくすることができる。また、光電変換部２が図１３、１４のように光電変換部２の裏面の第１区域と第２区域との間に起電力が生じるものである場合、第１電極４は不要である。
第１電極４は、図６、９、１２のように第１導電部９を介して第２電解用電極７と電気的に接続してもよく、図１１のように第２電解用電極７と接触してもよい。また、第１電極４は、図８、１０のような場合、切換部２９および配線５０を介して第２電解用電極７と電気的に接続することができる。
第１電極４は、例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ2などの透明導電膜からなってもよく、Ａｇ、Ａｕなどの金属のフィンガー電極からなってもよい。
【００４１】
以下に第１電極４を透明導電膜とした場合について説明する。
透明導電膜は、光電変換部２の受光面と第２電解用電極７とのコンタクトを取りやすくするために用いていることができる。
一般に透明電極として使用されているものを用いることが可能である。具体的にはＩｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2等を挙げることができる。なお本透明導電膜は、太陽光の光線透過率が８５％以上、中でも９０％以上、特に９２％以上であることが好ましい。このことにより光電変換部２が光を効率的に吸収することができるためである。
透明導電膜の作成方法としては公知の方法を用いることができ、スパッタリング、真空蒸着、ゾルゲル法、クラスタービーム蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。
【００４２】
３−３．光電変換部
光電変換部２は、受光面およびその裏面を有し、光電変換部２の裏面側に第１電解用電極８と第２電解用電極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、光電変換部２は、第１電極４が設けられた透光性基板１の上に受光面を下にして設けることができる。光電変換部２は、例えば、図６、８〜１２のように受光面と裏面との間に起電力が生じるものであってもよく、図１３、１４のように光電変換部２の裏面の第１区域と第２区域との間に起電力が生じるものであってもよい。図１３、１４のような光電変換部２は、ｎ型半導体領域３７とｐ型半導体領域３６を形成した半導体基板などにより形成することができる。
光電変換部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。
光電変換部２は、入射光により電荷分離することができ、起電力が生じるものであれば、特に限定されないが、例えば、シリコン系半導体を用いた光電変換部、化合物半導体を用いた光電変換部、色素増感剤を利用した光電変換部、有機薄膜を用いた光電変換部などである。
【００４３】
第１気体および第２気体のうちどちらか一方が水素ガスであり、他方が酸素ガスの場合、光電変換部２は、光を受光することにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７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。第１電解用電極８と第２電解用電極７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。例えば、図１２、１４のように並べて設けられた光電変換層を第４導電部３３により直列接続した構造を有することができる。
【００４４】
光電変換を行う材料は、シリコン系半導体、化合物半導体、有機材料をベースとしたものなどが挙げられるが、いずれの光電変換材料も使用することが可能である。また、起電力を大きくするために、これらの光電変換材料を積層することが可能である。積層する場合には同一材料で多接合構造を形成することが可能であるが、光学的バンドギャップの異なる複数の光電変換層を積層し、各々の光電変換層の低感度波長領域を相互に補完することにより、広い波長領域にわたり入射光を効率よく吸収することが可能となる。これらの複数の光電変換層は、それぞれ異なるバンドギャップを有することが好ましい。このような構成によれば、光電変換部２で生じる起電力をより大きくすることができ、電解液をより効率的に電気分解することができる。
【００４５】
また、光電変換層間の直列接続特性の改善や、光電変換部２で発生する光電流の整合のために、層間に透明導電膜等の導電体を介在させることが可能である。これにより光電変換部２の劣化を抑制することが可能となる。
光電変換部２の例を以下に具体的に説明する。また、光電変換部２は、これらを組み合わせたものでもよい。また、以下の光電変換部２の例は、矛盾しない限り光電変換層とすることもできる。
【００４６】
３−３−１．シリコン系半導体を用いた光電変換部
シリコン系半導体を用いた光電変換部２は、例えば、単結晶型、多結晶型、アモルファス型、球状シリコン型、及びこれらを組み合わせたもの等が挙げられる。いずれもｐ型半導体とｎ型半導体が接合したｐｎ接合を有することができる。また、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にｉ型半導体を設けたｐｉｎ接合を有するものとすることもできる。また、ｐｎ接合を複数有するもの、ｐｉｎ接合を複数有するもの、ｐｎ接合とｐｉｎ接合を有するものとすることもできる。
シリコン系半導体とは、シリコンを含む半導体であり、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、シリコンゲルマニウムなどである。また、シリコンなどにｎ型不純物またはｐ型不純物が添加されたものも含み、また、結晶質、非晶質、微結晶のものも含む。
また、シリコン系半導体を用いた光電変換部２は、透光性基板１の上に形成された薄膜または厚膜の光電変換層であってもよく、また、シリコンウェハなどのウェハにｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成したものでもよく、また、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成したウェハの上に薄膜の光電変換層を形成したものでもよい。
【００４７】
シリコン系半導体を用いた光電変換部２の形成例を以下に示す。
透光性基板１上に積層した第１電極４上に、第１導電型半導体層をプラズマＣＶＤ法等の方法で形成する。この第１導電型半導体層としては、導電型決定不純物原子濃度が１×１０18〜５×１０21／ｃｍ3程度ドープされた、ｐ+型またはｎ+型の非晶質Ｓｉ薄膜、または多結晶あるいは微結晶Ｓｉ薄膜とする。第１導電型半導体層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
次に、シリコン基板を用いた光電変換部２の形成例を以下に示す。
シリコン基板としては、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板などを用いることができ、ｐ型であっても、ｎ型であっても、ｉ型であってもよい。このシリコン基板の一部にＰなどのｎ型不純物を熱拡散またはイオン注入などによりドープすることによりｎ型半導体部３７を形成し、シリコン基板のほかの一部にＢなどのｐ型不純物を熱拡散またはイオン注入などによりドープすることによりｐ型半導体部３６を形成することができる。このことにより、シリコン基板にｐｎ接合、ｐｉｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合などを形成することができ、光電変換部２を形成することができる。
【００５２】
ｎ型半導体部３７およびｐ型半導体部３６は、図１３、１４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型半導体領域３７およびｐ型半導体領域３６のうちどちらか一方を複数形成することもできる。また、図１３のようにｎ型半導体領域３７およびｐ型半導体領域３６を形成したシリコン基板を並べて設置し、第４導電部３３により直列接続することにより光電変換部２を形成することもできる。
なお、ここではシリコン基板を用いて説明したが、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合などを形成することができる他の半導体基板を用いてもよい。また、ｎ型半導体部３７およびｐ型半導体部３６を形成することができれば、半導体基板に限定されず、基板上に形成された半導体層であってもよい。
【００５３】
３−３−２．化合物半導体を用いた光電変換部
化合物半導体を用いた光電変換部は、例えば、III−Ｖ族元素で構成されるＧａＰ、ＧａＡｓやＩｎＰ、ＩｎＡｓ、II−VI族元素で構成されるＣｄＴｅ／ＣｄＳ、Ｉ−III−VI族で構成されるＣＩＧＳ（Copper Indium Gallium DiSelenide）などを用いｐｎ接合を形成したものが挙げられる。
【００５４】
化合物半導体を用いた光電変換部の製造方法の一例を以下に示すが、本製造方法では、製膜処理等はすべて有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置を使って連続して行われる。III族元素の材料としては、例えばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなどの有機金属が水素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。
【００５５】
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。
【００５６】
３−３−３．色素増感剤を利用した光電変換部
色素増感剤を利用した光電変換部は、例えば、主に多孔質半導体、色素増感剤、電解質、溶媒などにより構成される。
多孔質半導体を構成する材料としては、例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム等公知の半導体から１種類以上を選択することが可能である。多孔質半導体を基板上に形成する方法としては、半導体粒子を含有するペーストをスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
３−３−４．有機薄膜を用いた光電変換部
有機薄膜を用いた光電変換部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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
３−４．第２電極
第２電極５は、光電変換部２の裏面上に設けることができる。また、第２電極５は、光電変換部２の裏面と第１電解用電極８との間および光電変換部２の裏面と絶縁部１１との間に設けることもできる。また、第２電極５は、第１電解用電極８と電気的に接続することができる。第２電極５を設けることにより、光電変換部２の裏面と第１電解用電極８との間のオーミックロスを低減することができる。また、第２電極５は、第１電解用電極８と接触してもよい。また、第２電極５は、切換部２９および配線５０を介して第１電解用電極８と電気的に接続してもよい。
また、第２電極５は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、電解液による光電変換部２の腐食を防止することができる。
第２電極５は、導電性を有すれば特に限定されないが、例えば、金属薄膜であり、また、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの薄膜である。これらは、例えば、スパッタリングなどにより形成することができる。また、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2等の透明導電膜である。
【００６８】
３−５．第１導電部
第１導電部９は、第１電極４と第２電解用電極７とにそれぞれ接触するように設けることができる。第１導電部９を設けることにより、容易に光電変換部２の受光面に接触した第１電極４と第２電解用電極７とを電気的に接続することができる。
また、第１導電部９は、図６、９のように光電変換部２を貫通するコンタクトホールに設けられてもよい。このことにより、光電変換部２の受光面と第２電解用電極７との間の電流経路を短くすることができ、より効率的に第１気体および第２気体を発生させることができる。また、第１導電部９が設けられたコンタクトホールは、１つまたは複数でもよく、円形の断面を有してもよい。
また、第１導電部９は、図１２のように光電変換部２の側面を覆うように設けられてもよい。
【００６９】
第１導電部９の材料は、導電性を有しているものであれば特に制限されない。導電性粒子を含有するペースト、例えばカーボンペースト、Ａｇペースト等をスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
【００７０】
３−６．絶縁部
絶縁部１１は、リーク電流の発生を防止するために設けることができる。例えば、図６、９のように第１導電部９を光電変換部２を貫通するコンタクトホール内に設ける場合、コンタクトホールの側壁に絶縁部１１を設けることができる。
また、絶縁部１１は、例えば、図６、８〜１２のように第２電解用電極７と光電変換部２の裏面との間に設けることができる。このことにより、第２電解用電極７と光電変換部２の裏面との間でリーク電流が生じるのを防止することができる。また、光電変換部２が図１３、１４のように受光することにより光電変換部２の裏面の第１区域と第２区域との間に電位差を生じるものである場合、絶縁部１１は、第１電解用電極８と光電変換部２の裏面との間、および第２電解用電極７と光電変換部２の裏面との間に設けられ、絶縁部１１は、第１区域上および第２区域上に開口を有してもよい。このことにより、光電変換部２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。
また、絶縁部１１は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、リーク電流の発生を防止することができ、また、電解液による光電変換部２の腐食を防止することができる。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
３−７．第２導電部、第３導電部、第４導電部
第２導電部２４、第３導電部２５は、絶縁部１１と第２電解用電極７との間、または、絶縁部１１と第１電解用電極８との間に設けることができる。第２導電部２４、第３導電部２５を設けることにより、光電変換部２が受光することにより生じた起電力を効率よく第１電解用電極８または第２電解用電極７に出力することができ、オーミックロスを低減することができる。第２導電部２４、第３導電部２５は、例えば、図１２〜１４に示すように設けることができる。
第２導電部２４、第３導電部２５は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、オーミック抵抗の上昇を防止することができ、また、電解液による光電変換部２の腐食を防止することができる。
第４導電部３３は、図１２、１４のように光電変換層を直列接続するように設けることができる。
【００７４】
第２導電部２４、第３導電部２５または第４導電部３３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。
【００７５】
３−８．第１電解用電極、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の裏面上にそれぞれ設けられる。また、第１電解用電極８および第２電解用電極７は、光電変換部２の裏面側の面とその裏面であり電解液に接触可能な面とをそれぞれ有することができる。このことにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７は光電変換部２に入射する光を遮ることはない。
また、第１電解用電極８および第２電解用電極７は、電解液と接触するとき、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を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体を発生させることができるように設けられる。例えば、光電変換部２が受光することにより受光面とその裏面との間に起電力が生じる場合、図６、１２のように、第１電解用電極８は、光電変換部２の裏面と電気的に接続することができ、第２電解用電極７は、光電変換部２の受光面と電気的に接続することができる。また、光電変換部２が受光することによりその裏面の第１区域と第２区域との間に起電力が生じる場合、図１３、１４のように第１電解用電極８は第１区域と第２区域のうちどちらか一方と電気的に接続し、第２電解用電極７は第１区域と第２区域のうち他方と電気的に接続することができる。
【００７６】
図９、１０のように第１電解用電極８が光電変換部２の裏面または第２電極５と接触していない場合、第１電解用電極８は、切換部２９を介して光電変換部２の裏面と電気的に接続することができる。また、図８、１０のような場合、第２電解用電極７は、光電変換部２の受光面と切換部２９を介して電気的に接続することができる。
【００７７】
第１電解用電極８および第２電解用電極７は、少なくとも一方が複数であってもよく、それぞれ帯状の電解液に接触可能な面を有してもよく、その面の長辺が隣接するように交互に設けられてもよい。このように、第１電解用電極８および第２電解用電極７を設けることにより、第１気体が発生する反応が生じる部分と、第２気体が発生する反応が生じる部分との間の距離を短くすることができ、電解液中で生じるイオン濃度の不均衡をより少なくすることができる。また、電解液に接触可能な面を帯状とすることにより、第１気体および第２気体を容易に回収することができる。
第１電解用電極８および第２電解用電極７は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、安定して第１気体および第２気体を発生させることができ、また、電解液による光電変換部２の腐食を防止することができる。例えば、第１電解用電極８および第２電解用電極７に電解液に対する耐食性を有する金属板または金属膜を用いることができる。
【００７８】
また、第１電解用電極８および第２電解用電極７のうち少なくとも一方は、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２で生じる起電力により、より効率的に第１気体または第２気体を発生させることができる。
また、第１電解用電極８および第２電解用電極７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８および第２電解用電極７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、より効率的に第１気体または第２気体を発生させることができる。また、多孔質の導電体を用いることにより、光電変換部２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、より効率的に第１気体または第２気体を発生させることができる。また、この場合、第１電解用電極８または第２電解用電極７を電解液に対する遮液性を有する部分と多孔質からなる部分の二層構造とすることもできる。
第１電解用電極８および第２電解用電極７のうち、一方は水素発生部であってもよく、他方が酸素発生部であってもよい。この場合、第１気体および第２気体のうち一方は水素ガスであり、他方は酸素ガスである。
【００７９】
３−９．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。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２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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
３−１０．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。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ガスを発生させることができる。
【００８７】
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。
【００８８】
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、「３−９．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。
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。
【００８９】
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。
【００９０】
３−１１．背面基板
背面基板１４は、第１電解用電極８および第２電解用電極７の上に透光性基板１と対向するように設けることができる。
また、背面基板１４は、第１電解用電極８および第２電解用電極７と背面基板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。この空間を電解液室１５とすることができ、電解液室１５に電解液を導入することにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７を電解液に接触させることができる。また、背面基板１４に箱状のものを用いる場合、背面基板１４は箱体の底の部分であってもよい。
【００９１】
また、背面基板１４は、電解液室１５を構成し、生成した第１気体および第２気体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、第１気体および第２気体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。透明な背面基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。
【００９２】
３−１２．隔壁
隔壁１３は、第１電解用電極８と背面基板１４との間の空間である電解液室１５および第２電解用電極７と背面基板１４との間の空間である電解液室１５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で発生させた第１気体および第２気体が混合することを防止することができ、第１気体および第２気体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と背面基板１４との間の空間の電解液と第２電解用電極７と背面基板１４との間の空間の電解液でアンバランスとなったイオン濃度を一定に保つことができる。
【００９３】
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。
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
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。
【００９７】
３−１３．シール材
シール材１６は、透光性基板１と背面基板１４を接着し、水素製造装置２３内の電解液および水素製造装置２３内で生成した第１気体および第２気体を密閉するための材料である。背面基板１４に箱状のものを用いる場合、この箱体と透光性基板１とを接着するためにシール材１６が用いられる。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。
【００９８】
ここではシール材１６と記しているが、透光性基板１と背面基板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。
【００９９】
３−１４．電解液室
電解液室１５は、第１電解用電極８と背面基板１４との間の空間および第２電解用電極７と背面基板１４との間の空間とすることができる。また、電解液室１５は、隔壁１３により仕切ることができる。
【０１００】
３−１５．給水口
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、もしくは背面基板１４の一部など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、第１気体及び第２気体へと分解された電解液を補充するために配置され、その配置箇所および形状は、原料となる電解液が効率よく水素製造装置２３へ供給されさえすれば、特に限定されるものではない。
【０１０１】
３−１６．第１気体排出口、第２気体排出口
第１気体排出口２０、第２気体排出口１９は、第１電解用電極８の端部および第２電解用電極７の端部にそれぞれ近接して設けられる。このことにより、第１気体排出口２０から第１気体を回収することができ、第２気体排出口１９から第２気体を回収することができる。
【０１０２】
また、第１気体排出口２０は、光電変換部２の受光面を水平面に対して傾斜するように水素製造装置２３を設置したとき、第１電解用電極８の電解液に接触可能な面の上端に近接して設けることができる。また、第２気体排出口１９は、光電変換部２の受光面を水平面に対して傾斜するように水素製造装置２３を設置したとき、第２電解用電極７の電解液に接触可能な面の上端に近接して設けることができる。このことにより、水素製造装置２３を光電変換部２の受光面が水平面に対して傾斜するように設置し、前記受光面に太陽光を入射させた場合に、第１電解用電極８で発生させた第１気体を気泡として電解液中を上昇させ第１気体排出口２０から回収することができ、第２電解用電極７で発生させた第２気体を気泡として電解液中を上昇させ第２気体排出口１９から回収することができる。
第１気体排出口２０、第２気体排出口１９は、例えば、シール材１６に開口を設けることにより形成することができる。また、第１気体排出口２０、第２気体排出口１９に電解液が流入しないように流入防止弁を設けることもできる。
【０１０３】
また、第１気体排出口２０は、第１気体排出路と導通することができ、第２気体排出口１９は第２気体排出路と導通することができる。また、第１気体排出路は、複数の第１気体排出口２０と導通することができ、第２気体排出路は、複数の第２気体排出口１９と導通することができる。このことにより、水素製造装置２３で発生させた第１気体および第２気体を回収することができる。また、第１気体排出路または第２気体排出路は、水素貯蔵部１２と接続することができる。このことにより水素製造装置２３で発生させた水素ガスを水素貯蔵部１２で貯蔵することができる。なお、第１気体排出路および第２気体排出路のうち一方は、水素流路を構成することができ、他方は、空気流路を構成することができる。
【０１０４】
３−１７．電解液
電解液は、第１気体および第２気体の原料となるものであれば特に限定されないが、例えば、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。この場合、電解液から第１気体および第２気体として水素ガスおよび酸素ガスを製造することができる。
【０１０５】
４．燃料電池部
燃料電池部２２は、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する。また、燃料電池部２２は、電力需要および光電変換部２の光起電力に応じて発電することができる。このことにより、光電変換部２の変動や電力需要の変動により供給電力の不足が生じることを抑制することができる。
図１５は、本実施形態の発電システムに含まれる燃料電池部２２の概略断面図である。
燃料電池部２２は、燃料極５１と、空気極５２と、燃料極５１と空気極５２との挟まれた電解質膜５３を有することができる。燃料極５１に水素ガスを供給し、空気極５２に空気または酸素ガスを供給することにより、燃料極５１と空気極５２との間に起電力を発生させることができる。燃料極５１および空気極５２は、起電力を外部出力するため外部回路と電気的に接続することができる。燃料極５１および空気極５２は、切換部２９を介して起電力を外部回路に出力することもできる。
【０１０６】
また、電解質膜５３は、湿潤した状態でイオン導電性を示す電解質膜であってもよい。また、電解質膜５３は、イオン導電種をＨ+とするものであってもよく、ＯＨ-とするものであってもよい。
燃料電池部２２は、例えば、固体高分子形燃料電池とすることができる。この場合、電解質膜５３は、固体高分子膜とすることができ、電解質膜５３、燃料極５１および空気極５２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成することができる。
電解質膜５３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。このような電解質膜５３は、水分を含まなければイオン導電性は示さないため、電解質膜５３に水分を供給する必要がある。また、このようなイオン導電性を示すために水分が必要な電解質膜５３は、適度な湿潤状態を維持する必要があり、燃料電池部２２に水分を適切に供給する必要がある。燃料電池部２２に供給する水分量が多すぎると、電解質膜５３の含水率が高くなり電解質膜５３の機械的強度が低下する場合や燃料極５１内または空気極５２内の細孔がふさがれ反応ガスの拡散を低下しセル電圧を低下させる場合（フラディング現象）などがある。また、燃料電池部２２に供給する水分量が少なすぎると、電解質膜５３のイオン伝導率が低下し、セル電圧が低下する場合がある。従って、電解質膜５３が適度な湿潤状態で維持されるように燃料電池部２２に水分を供給する必要がある。
【０１０７】
燃料電池部２２に水分を供給する方法として、燃料である水素ガスを加湿して燃料極５１に供給する方法がある。また、空気極５２に供給する空気（または酸素ガス）を加湿してもよい。この方法によれば、水素ガス、空気（酸素ガス）の湿度を制御することにより燃料電池部２２に供給する水分量を制御することができ、燃料電池部２２に水分を適切に供給することができる。
燃料電池部２２に供給する水素ガス、空気（酸素ガス）には、調湿部１０により加湿できる。調湿部１０による水素ガス、空気（酸素ガス）の加湿については後述する。
【０１０８】
燃料電池部２２は、発電するためには一定の温度以上である必要がある。例えば、燃料電池部２２が固体高分子形燃料電池である場合、その作動温度は、６０〜１００℃である。従って、特に燃料電池部２２の起動時において、迅速に燃料電池部２２を作動温度に昇温する必要がある。なお、燃料電池部２２は、燃料電池部２２を昇温するために加熱部を有することができる。
また、燃料電池部２２が発電を開始した後は、水素ガスなどが燃料極５１、空気極５２で化学反応することにより反応熱が生じるため、燃料電池部２２を冷却する必要がある。このため、燃料電池部２２は、ラジエターなどの冷却器を備えることができる。
【０１０９】
従って、燃料電池部２２による発電を迅速に開始するためには、燃料電池部２２を迅速に作動温度に昇温することと、電解質膜５３が適度な湿潤状態で維持されるように燃料電池部２２に水分を迅速に供給することと、燃料極５１に水素ガスを供給し空気極５２に空気（酸素ガス）を供給することが必要である。
なお、燃料電池部２２は、燃料電池発電準備モードとすることができる。具体的には、制御部１７からの信号により、燃料電池部２２を作動温度以下の所定の温度に昇温することができる。このことにより、燃料電池部２２の発電電力を外部出力したいときに燃料電池部２２を迅速に作動温度とすることができ、燃料電池部２２の発電電力を迅速に外部術力することができる。また、燃料電池部２２と共に調湿部１０も燃料電池準備モードとすることができる。
【０１１０】
燃料電池部２２の燃料極５１に供給する水素ガスは、水素貯蔵部１２に貯蔵した水素ガスであってもよく、水素ボンベから供給される水素ガスであってもよい。また、メタノールやガソリンや都市ガスを改質することにより発生させた水素ガスであってもよい。
また、燃料電池部２２の空気極５２に供給する空気（酸素ガス）は、空気圧縮機から供給される空気または酸素ガスであってもよく、ボンベから供給される空気または酸素ガスであってもよく、外気から取り込んだ空気であってもよい。
また、燃料電池部２２は、図１のように信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、燃料電池部２２と制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。
さらに燃料電池部２２は、制御部１７から入力される情報により電力負荷追従運転できるように設けられてもよい。
【０１１１】
５．切換部
切換部２９は例えば図３または図４のような電気回路を有することができる。また、図１６〜１８は、それぞれ本実施形態の発電システムの概略回路図である。なお、図面では１つの切換部２９を示しているが、複数の切換部２９からなってもよい。
切換部２９は、光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力する回路と、光電変換部２の光起電力を第１外部回路に出力する回路とを切り換えることができるように設けられる。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第１外部回路へ電力として供給でき、また、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を用いて水を電気分解し水素ガスを製造することができる。
【０１１２】
また、切換部２９は、第２外部回路と電気的に接続することができ、かつ、第２外部回路から入力される起電力を第１電解用電極８および第２電解用電極７に出力し電解液から水素ガスおよび酸素ガスを発生させる回路に切り換えることができる。このことにより、第２外部回路から入力される起電力を利用して、電解液から水素ガスおよび酸素ガスを製造することができる。例えば、深夜電力を用いて水素ガスを製造することができる。切換部２９が第２外部回路と電気的に接続する方法は特に限定されないが、例えば、切換部２９が入力端子を備え、入力端子を介して第２外部回路と電気的に接続してもよい。
また、切換部２９は、図１のように信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、切換部２９と制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。
【０１１３】
例えば、水素製造装置２３が図１０のような断面を有し、発電システムが図３のような電気回路を有する場合、例えば、ＳＷ（スイッチ）１、ＳＷ２がＯＮ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１外部回路へ出力することができる。また、この場合で燃料電池部２２により発電する場合、ＳＷ７、ＳＷ８をＯＮ状態とすることにより、光電変換部２の光起電力と燃料電池部２２の発電電力の両方を第１外部回路に出力することができる。
また、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ５、ＳＷ６がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７に出力することができる。
また、例えば、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態であり、ＳＷ５、ＳＷ６がＯＮ状態である場合、第２外部回路から入力される起電力を第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。また、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力および第２外部回路から入力される起電力の両方を第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。
【０１１４】
また、発電システムが複数の光電変換部２を有する場合、例えば、水素製造装置２３と太陽電池パネルとの両方を備える場合であって、発電システムが図４のような電気回路を有する場合、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ１１、ＳＷ１２をＯＮ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ９、ＳＷ１０がＯＦＦ状態である場合、複数の光電変換部２の光起電力を第１外部回路に出力することができる。なお、図４では、発電システムが２つの光電変換部２を有する場合についての回路図であるが、発電システムは３つ以上の光電変換部２を有することもできる。例えば、発電システムは、水素製造装置３２と複数の太陽電池パネルを備える場合である。
また、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ９、ＳＷ１０がＯＮ状態であり、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ１１、ＳＷ１２をＯＦＦ状態である場合、複数の光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力することができる。
また、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１１、ＳＷ１２がＯＮ状態であり、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ９、ＳＷ１０がＯＦＦ状態の場合、一方の光電変換部２の光起電力を第１外部回路に出力することができ、他方の光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力することができる。
【０１１５】
例えば、水素製造装置２３が図８のような断面を有し、発電システムが図１６のような電気回路を有する場合、例えば、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＮ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１外部回路へ出力することができる。また、この場合で燃料電池部２２により発電する場合、ＳＷ７、ＳＷ８をＯＮ状態とすることにより、光電変換部２の光起電力と燃料電池部２２の発電電力の両方を第１外部回路に出力することができる。また、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５がＯＦＦ状態であり、ＳＷ４がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７に出力することができる。
また、例えば、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ５がＯＮ状態である場合、第２外部回路から入力される起電力を第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。また、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力および第２外部回路から入力される起電力の両方を第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。
【０１１６】
例えば、水素製造装置２３が図９のような断面を有し、発電システムが図１７のような電気回路を有する場合、例えば、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＮ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１外部回路へ出力することができる。また、この場合で燃料電池部２２により発電する場合、ＳＷ７、ＳＷ８をＯＮ状態とすることにより、光電変換部２の光起電力と燃料電池部２２の発電電力の両方を第１外部回路に出力することができる。また、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５がＯＦＦ状態であり、ＳＷ４がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７に出力することができる。
また、例えば、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ５がＯＮ状態である場合、第２外部回路から入力される起電力を第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。また、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力および第２外部回路から入力される起電力の両方を第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。
【０１１７】
例えば、水素製造装置２３が図６、１１〜１４のような断面を有し、発電システムが図１８のような電気回路を有する場合、例えば、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＮ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態である場合であって、光電変換部が受光することにより生じる起電力が電解液の電解電圧に達しない場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１外部回路へ出力することができる。また、この場合で燃料電池部２２により発電する場合、ＳＷ７、ＳＷ８をＯＮ状態とすることにより、光電変換部２の光起電力と燃料電池部２２の発電電力の両方を第１外部回路に出力することができる。
また、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態である場合であって、光電変換部２が受光することにより生じる起電力が電解液の電解電圧に達する場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８および第２電解用電極７へ出力することができる。従って、図１８のような電気回路を有する場合でも、切換部２９により、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１外部回路へ出力させる回路と、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８および第２電解用電極７に出力させる回路とを切り換えることができる。
また、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＮ状態であり、ＳＷ１，ＳＷ２がＯＦＦ状態の場合、第２外部回路から入力される起電力、または第２外部回路から入力される起電力と光電変換部２が受光することにより生じる起電力の両方を第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。
【０１１８】
また、切換部２９は、制御部１２からの情報を入力することができ、入力した情報に基づき回路の切換を行うことができる。このことにより、切換部２９は、制御部１２が選択した回路に切り換えることができる。
また、切換部２９は、光電変換部２が受光することにより生じる起電力の大きさに基づき回路の切換を行うこともできる。このことにより、第１外部回路に出力する電力が光電変換部２で生じている場合、第１外部回路に光電変換部２で生じた起電力を出力することができ、第１外部回路に出力する電力が光電変換部２で生じていない場合、第１電解用電極８および第２電解用電極７に光電変換部２で生じた起電力を出力することができる。
さらに切換部２９は、第２外部回路の起電力の大きさに基づき回路の切換を行うこともできる。このことにより、第２外部回路が供給する電力が電気需要より大きくなっている場合、第２外部回路が供給する電力を利用して第１気体および第２気体を製造することができる。
【０１１９】
６．調湿部
調湿部１０は、燃料電池部２２に供給する水素ガスまたは空気（酸素ガス）の湿度を調節する部分である。また、調湿部１０は、水電解部２１により発生させ、水素貯蔵部１２に貯蔵する水素ガスを除湿する部分であってもよい。
調湿部１０は、加湿部４８または除湿部４９を有することができる。また、調湿部１０は、加湿部４８と除湿部４９の両方を有することもできる。また、離れて設けられた加湿部４８と除湿部４９からなってもよい。また、調湿部１０は、水素流路の経路内および空気（酸素ガス）流路の経路内にそれぞれ設けられてもよい。
調湿部１０は、燃料電池部２２の燃料となる水素ガスの湿度および水素貯蔵部１２に貯蔵する水素ガスの湿度を調節するように設けることができる。このことにより、加湿された水素ガスを燃料電池部２２の燃料極５１に供給することができ、水電解部２１により発生させた水素ガスを除湿した後、水素貯蔵部１２に貯蔵することができる。
また、調湿部１０は、燃料電池部２２の空気極５２に供給する空気または酸素ガスの湿度を調節するように設けられてもよく、水電解部２１により発生させた酸素ガスを除湿するように設けられてもよい。
【０１２０】
加湿部４８としては、例えば、昇温した水に気体をバブリングするバブラー加湿方式のものや気体に水蒸気を直接供給する水蒸気添加方式のものが挙げられる。
なお、「調湿部１０が加湿可能な状態となる」とは、調湿部１０がすぐに燃料電池部２２に供給する水素ガスまたは空気（酸素ガス）の加湿を行える状態となることをいう。例えば、調湿部１０がバブラー加湿方式である場合、水素ガスまたは空気をバブリングさせる水の温度を昇温した状態とすることをいう。この昇温された水に水素ガス又は空気をバブリングさせることにより加湿された水素ガス又は空気を燃料電池部２２に供給することができる。また、例えば、調湿部４８が水蒸気添加方式の場合、調湿部４８が水素流路または空気流路にすぐに水蒸気を添加できる状態とすることをいう。なお、加湿部４８が他の方式であってもよい。調湿部１０を加湿可能な状態にすることにより、調湿部１０を燃料電池発電準備モードとすることができる。
【０１２１】
また、除湿部４９としては、例えば、気体を露点温度以下に冷却して除湿を行う冷却方式のものや圧縮機で気体を圧縮することにより除湿を行う圧縮方式のものや水分を吸着しやすい固体に気体を通過させる吸着方式のものであってもよい。
また、調湿部１０は燃料電池部２２に供給する気体の湿度または水素貯蔵部１２に貯蔵する水素ガスの湿度を検知する湿度センサを備えてもよい。このことにより、湿度センサの測定値に基づき調湿部１０を制御することができる。なお、この湿度センサは、センサ部４１に含まれてもよい。
また、調湿部１０は、図１のように信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、調湿部１０と制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。また、調湿部１０は、制御部１７からの信号により「加湿可能な状態となる」ことができる。
【０１２２】
７．水素貯蔵部
水素貯蔵部１２は、水電解部２１により発生させた水素ガスを貯蔵することができるように設けられ、また、貯蔵した水素ガスを燃料電池部２２に供給できるように設けられる。また、水素貯蔵部１２は水素流路を介して水電解部２１または燃料電池部２２と導通することができる。
水素貯蔵部１２は、例えば、圧縮水素タンク、水素吸蔵合金である。また、水素貯蔵部１２が圧縮水素タンクの場合、水素貯蔵部１２は、水電解部２１により発生させた水素ガスを圧縮させるための圧縮機を備えてもよい。なお、除湿部４９が圧縮方式である場合、除湿部４９で圧縮した水素ガスを圧縮水素タンクに貯蔵することができ、水素貯蔵部１２が圧縮機を備えなくてもよい。
【０１２３】
８．水素流路、空気（酸素ガス）流路
水素流路は、水電解部２１により発生させた水素ガスが除湿部４９を流れ、水素貯蔵部１２に貯蔵される経路と、燃料電池部２２の燃料となる水素ガスが加湿部４８を流れ燃料電池部２２の燃料極５１に供給される経路とを有してもよい。また、水素流路は、水素ガスが流れる経路を変更できるように設けられた複数のバルブを有してもよい。このことにより水電解部２１の稼働状況および燃料電池部２２の稼働状況に合わせて水素流路を変更することができる。なお、これらのバルブは信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、これらのバルブと制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。また、バルブは、水素流路または空気流路を流れる気体の流量を調節できるように設けられてもよい。また、水素流路または空気流路は、流量調節弁を備えてもよく、流量計を備えてもよい。
【０１２４】
また、水素流路は、燃料電池部２２に含まれる燃料流路６０を流通した水素ガスが再び燃料電池部２２に供給されるような経路を有してもよく、水素ボンベの水素ガスが燃料電池部２２に供給されるような経路を有してもよい。これらの経路もバルブにより変更することができ、制御部１７により制御されてもよい。なお、燃料流路６０を流通した水素ガスは、凝縮器４５により水素ガスに含まれる水が除去されてもよい。
水素流路は、例えば、図２のように設けることができる。
【０１２５】
空気流路は、水電解部２１により発生させた酸素ガスが除湿部４９を流れ、空気圧縮機４４に貯蔵される経路と、空気圧縮機４４の空気または酸素ガスが加湿部４８を流れ燃料電池部２２の空気極５２に供給される経路とを有してもよい。また、空気流路は、空気（酸素ガス）が流れる経路を変更できるように設けられた複数のバルブを有してもよい。このことにより水電解部２１の稼働状況および燃料電池部２２の稼働状況に合わせて空気流路を変更することができる。なお、これらのバルブは信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、これらのバルブと制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。また、空気流路は、燃料電池部２２に含まれる空気流路６１を流れた空気（酸素ガス）が外部へ排出されるように設けられてもよい。また、空気（酸素ガス）を排出する前に凝縮器４５により空気（酸素ガス）に含まれる水を除去してもよい。
空気流路は、例えば、図２のように設けることができる。
【０１２６】
９．水流路
水流路は、調湿部１０（加湿部４８、除湿部４９）、水電解部２１および凝縮器４５と水タンク４６とを導通させるように設けることができる。水流路は、水を流通させるためにポンプまたはバルブを有することができる。
水流路は、例えば図２のように設けることができる。図２を用いて説明すると、水タンク４６に溜めた水をポンプ１（Ｐ１）により水電解部２１に供給することにより水電解部２１中の電解液の減少を防止することができる。また、凝縮器４５により分離した水をバルブ９、１０（Ｖ９、Ｖ１０）を開くことにより水タンク４６に回収することができる。また、除湿部４９により発生した水は加湿部４８で利用することができ、また、Ｐ２、Ｐ３で加湿部４８に水タンク４６の水を供給することができる。
なお、これらのバルブ、ポンプは信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、これらのバルブ、ポンプと制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。
【０１２７】
１０．センサ部
センサ部４１は、日射量計または照度センサを含むことができる。このことにより、光電変換部２に入射する光量に関する情報を得ることができる。また、センサ部４１に含まれる日射量計または照度センサの出力は、「光電変換部２の光起電力に関する情報」となってもよい。
また、センサ部４１は、燃料電池部２２に供給する水素ガスまたは空気（酸素ガス）の湿度を検知する湿度センサを含むことができる。
センサ部４１は制御部１７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４１の検知信号に基づき制御部１７により本実施形態の発電システムを制御することができる。
【０１２８】
１１．制御部
制御部１７は、光電変換部２の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて発電システムを制御する機能を備える。また、制御部１７は、切換部２９、燃料電池部２２、調湿部１０、センサ部４１、バルブおよびポンプと信号線または無線により接続することができる。また、制御部１７は、外部の情報通信網と接続することができる。このことにより、制御部１７により本実施形態の発電システムを制御することができる。
【０１２９】
制御部１７は、入力手段、設定手段、出力手段を有することができる。また、制御部１７は、入力手段による入力をするため、または出力手段により出力をするために、有線または無線の信号線によりセンサ部１４、外部情報網、サーバー、調湿部１０、燃料電池部２２、切換部２９、バルブ、ポンプ、光電変換部２などと接続することができる。
【０１３０】
入力手段は、例えば、センサ部４１からの信号または光電変換部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１７は、「光電変換部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１７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、切換部２９に含まれるスイッチのオン・オフ、燃料電池部２２の起動・停止・出力の調整、調湿部１０の起動・停止、バルブの開閉、ポンプの起動・停止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調湿部１０、燃料電池部２２、切換部２９、バルブ、ポンプなどに出力することができる。調湿部１０、燃料電池部２２、切換部２９、バルブ、ポンプなどはこの出力手段から出力された情報により制御されることができる。
これらの手段により本実施形態の発電システムを制御することができる。
【０１３１】
図１９は、制御部により発電システム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、発電システム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。
ここでは、図１〜４、図１９により発電システムの各モードについて説明する。なお、ここでは、上述の水素製造装置２３と燃料電池部２２を備えた発電システムについて説明する。また、水素製造装置２３の他に太陽電池パネルを備えた発電システムについても説明する。この場合、光電変換部２は、水素製造装置２３に含まれるものと、太陽電池パネルに含まれるものとになり、複数となる。
【０１３２】
まず、制御部１７は、入力手段により光電変換部２の光起電力（光電変換部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。光電変換部２の光起電力は、光電変換部２の配線や切換部２９の配線から測定した光電変換部２の光起電力であってもよく、センサ部４１に含まれる日射計や照度計などから予測される光電変換部２の光起電力であってもよい。後者の場合、入力部に入力されるのは、日射量や照度となり、制御部１７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。
【０１３３】
次に、制御部１７は、光電変換部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、光電変換部２の光起電力の場合、光起電力を外部回路に出力、または水電解部２１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、光電変換部２または燃料電池部２２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１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システム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、発電システム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１７は、切換部２９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、バルブに対しては閉じる信号、ポンプ、燃料電池部２２、調湿部１０に対してはＯＦＦとする信号を出力することができる。このことにより発電システムを待機モードとすることができる。
【０１３４】
制御部１７が光電変換部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１７は、光電変換部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１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システムを燃料電池発電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、発電システムにより電力を供給する必要がある場合である。
このような場合、例えば、制御部１７は、燃料電池部２２が起動する信号を燃料電池部２２に対して出力し、加湿部４８に対してＯＮとする信号を出力し、Ｖ１（バルブ１）またはＶ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を開ける信号を各バルブに出力する。また、制御部１７は、切換部２９に対して、ＳＷ７（スイッチ７）およびＳＷ８をＯＮとする信号を出力する。このことにより、第１外部回路に燃料電池部２２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。
この後、制御部１７は、燃料電池発電制御信号を燃料電池部２２などに出力することができる。具体的には、制御部１７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部２２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部２２、調湿部１０、バルブなどに出力することができる。
【０１３５】
制御部１７が、光電変換部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１７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１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システムを水素生成モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、日中であり、発電システム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、制御部１７は、切換部２９に対しＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦとし、ＳＷ３、ＳＷ４をＯＮとする信号を出力する。このことにより、光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力することができ、水電解部２１により水素ガスを製造することができる。また、発電システムが太陽電池パネルを備える場合、具体的には、発電システムが図４のような電気回路図を有する場合、制御部１７は、切換部２９に対しＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ１１、ＳＷ１２をＯＦＦとし、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ９、ＳＷ１０をＯＮとする信号を出力する。このことにより、水素製造装置２３に含まれる光電変換部２の光起電力と、太陽電池パネルの光起電力との両方を利用して水電解部２１により水素ガスを製造することができる。
また、制御部１７は、除湿部４９、空気圧縮機４４、水素貯蔵部１２に対してＯＮとする信号を出力し、Ｖ２（バルブ２）、Ｖ３、Ｖ７、Ｖ８に対してバルブを開く信号を出力することができる。このことにより、水電解部２１で発生させた水素ガスおよび酸素ガスを除湿部４９で除湿した後、それぞれ水素貯蔵部１２および空気圧縮機４４に貯蔵することができる。この貯蔵した水素ガスおよび酸素ガスは、燃料電池部２２を稼動させたときに燃料電池部２２に供給することができる。
【０１３６】
制御部１７が、光電変換部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１７は、光電変換部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１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システムを太陽電池＋燃料電池発電モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、日中であり、発電システム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。
このような場合、制御部１７は、例えば、燃料電池部２２が起動する信号を燃料電池部２２に対して出力し、加湿部４８に対してＯＮとする信号を出力し、Ｖ１（バルブ１）またはＶ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を開ける信号を各バルブに出力する。また、制御部１７は、切換部２９に対して、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ７およびＳＷ８をＯＮとし、ＳＷ３、ＳＷ４をＯＦＦとする信号を出力する。このことにより、燃料電池部２２が発電した電力と、光電変換部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。
この後、制御部１７は、燃料電池発電制御信号を燃料電池部２２などに出力することができる。具体的には、制御部１７は、入力手段により需要電力および光電変換部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部２２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部２２、調湿部１０、バルブなどに出力することができる。
【０１３７】
制御部１７が、光電変換部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１７は、光電変換部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１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システムを太陽電池発電モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、日中であり、需要電力を光電変換部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。
このような場合、制御部１７は、例えば、切換部２９に対して、ＳＷ１、ＳＷ２をＯＮとし、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ７およびＳＷ８をＯＦＦとする信号を出力する。このことにより、光電変換部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。
【０１３８】
制御部１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システムを太陽電池発電＋水素生成モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、日中であり、需要電力を光電変換部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。
例えば、図４のように発電システムが複数の光電変換部２を有する場合、一部の光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力し、他の光電変換部２の光起電力を第１外部回路に出力することができる。切換部２９が図４のような電気回路を有する場合、制御部１７は、切換部２９に対してＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１１、ＳＷ１２をＯＮとし、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ９、ＳＷ１０をＯＦＦとする信号を出力することができる。このことにより光電変換部２の光起電力を水電解部２１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。
【０１３９】
図１９のようなフローチャートにより、発電システムを各モードに切り換えることができるが、例えば、太陽電池発電モードから太陽電池＋燃料電池発電モードに切り換える場合、燃料電池部２２が起動し一定の電力を供給するために一定の時間を要するために一時的に電力不足が生じるおそれがある。この電力不足が生じるのを抑制するために、需要電力をある程度大きくすることが考えられるが、この場合、燃料電池部２２の起動が早くなりエネルギー損失が生じるおそれがある。
このような電力不足が生じるのを抑制することができ、エネルギー損失をできるだけ少なくする方法として、燃料電池部２２による発電を開始する前に燃料電池部２２、調湿部１０を燃料電池発電準備モードとすることが考えられる。
【０１４０】
図２０は、制御部１７により発電システムを太陽電池発電モードから太陽電池＋燃料電池発電モードに切り換える場合のフローチャートである。図２０を用いて燃料電池発電準備モードについて説明する。なお、ここでは太陽電池発電モードから太陽電池＋燃料電池発電モードへの切り換えについて説明するが、他の場合で燃料電池部２２を起動させるときにも光電変換部２の光起電力または需要電力に基づいて燃料電池部２２および調湿部１０を燃料電池発電準備モードとすることもできる。
光電変換部２の光起電力が需要電力を上回り、余剰電力があまりないとき、発電システムは、太陽電池発電モード制御される。この場合、光電変換部２に入射する光量の減少による光起電力の減少や、需要電力の増加が生じると、発電システムを太陽電池＋燃料電池発電モードに切り換える必要が生じる。
この切り換えのため、まず、制御部１７は、入力手段により光電変換部２の光起電力および需要電力を入力することができる。次に、制御部１７は、光起電力から需要電力を引いた差が所定値を下回っているか否かを判断する。この所定値は、電力不足が生じないための値に設定することができる。
【０１４１】
制御部１７が光起電力から需要電力を引いた差が所定値を下回っていると判断した場合、制御部１７は、出力手段から、燃料電池部２２および調湿部１０を燃料電池発電準備モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、制御部１７は、燃料電池部２２に対し、作動温度以下の所定温度まで昇温する信号を出力し、水素流路内および空気流路内の加湿部４８をＯＮとする信号を出力することができる。このことにより、燃料電池部２２をすぐに作動温度とすることができ、燃料電池部２２にすぐに加湿された水素ガスと加湿された空気とを供給できる状態である燃料電池発電準備モードとすることができる。
この後、制御部１７は、光電変換部２の光起電力が需要電力を下回っているか否かを判断する。制御部１７が光電変換部２の光起電力が需要電力を下回っていると判断した場合、制御部１７は、出力手段から、発電システムを太陽電池＋燃料電池発電モードとする信号を各構成要素に出力する。
このとき、燃料電池部２２および調湿部１０をあらかじめ燃料電池発電準備モードとしているため、燃料電池部２２は、早く発電電力を第１外部回路に出力することができ、電力不足が生じるのを抑制することができる。また、燃料電池部２２をあらかじめ燃料電池発電準備モードとすることにより、燃料電池部２２を早めに起動する必要がなくなり、エネルギー損失を抑制することができる。
【符号の説明】
【０１４２】
１：透光性基板 ２：光電変換部 ４：第１電極 ５：第２電極 ７：第２電解用電極 ８：第１電解用電極 ９：第１導電部 １０：調湿部 １１：絶縁部 １２：水素貯蔵部 １３：隔壁 １４：第２基板 １５：電解液室 １６：シール材 １７：制御部 １８：給水口 １９：第２気体排出口 ２０：第１気体排出口 ２１：水電解部 ２２：燃料電池部 ２３：水素製造装置 ２４：第２導電部 ２５：第３導電部 ２８：光電変換層 ２９：切換部 ３０：透光性電極 ３１：裏面電極 ３３：第４導電部 ３５：半導体部 ３６：ｐ型半導体部 ３７：ｎ型半導体部 ４０：アイソレーション ４１：センサ部 ４２：水素ボンベ ４４：空気圧縮機 ４５：凝縮器 ４６：水タンク ４８：加湿部 ４９：除湿部 ５０：配線 ５１：燃料極 ５２：空気極 ５３：電解質膜 ５５：集電板 ５７：セパレータ ５８：接続板 ６０：燃料流路 ６１：空気流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を利用した発電システムに関する。
【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。
これまでに、光電変換と、その光起電力を利用し電解液を電気分解することにより水素を発生させる水素製造装置が開示されている（例えば、特許文献１）。このような水素製造装置を用いることにより、太陽光エネルギーを効率よく水素として貯蔵することができる。
【０００６】
また、発電機器、蓄電機器、蓄熱機器および水素貯蔵機器を備え、エネルギーの運用を最適化する分散エネルギーシステムが知られており（例えば、特許文献２）、燃料電池と水電解槽とを一体化した燃料電池が知られている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４５９４４３８号公報
【特許文献２】特開２００４−３１２７９８号公報
【特許文献３】特許第４０３５３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のエネルギーシステムでは、電力源の切り換えについて十分に検討されていないため、効率よく安定した電力供給が行われていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、効率よく安定して発電および電力の供給を行うことのできる発電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または前記水電解部に出力する光電変換部と、需要電力または前記光電変換部の光起電力に応じて、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部と、前記水電解部により発生させた水素ガスを貯蔵し、貯蔵した水素ガスを前記燃料電池部に供給する水素貯蔵部と、前記燃料電池部に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部と、制御部とを備え、前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて、前記調湿部を制御する機能を備えることを特徴とする発電システムを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または前記水電解部に出力する光電変換部と、前記水電解部により発生させた水素ガスを貯蔵する水素貯蔵部とを備えるため、電力需要が多い場合には、光電変換部の光起電力を外部出力することができる。また、電力需要が少ない場合には、光電変換部の光起電力を水電解部に出力し水を電気分解し水素ガスを発生させることができ、発生させた水素ガスを水素貯蔵部に貯蔵することができる。このことにより、太陽光のエネルギーを燃料電池の燃料となる水素ガスとして貯蔵することができる。
本発明によれば、貯蔵した水素ガスを前記燃料電池部に供給する水素貯蔵部と、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部と、燃料電池部に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部とを備えるため、光電変換部の光起電力が低下した場合や電力需要が多くなった場合に、燃料電池部により発電し電力需要を満たすように電力を外部出力することができる。このことにより、電力不足が生じることを抑制することができる。また、燃料電池部は、水電解部により発生させ、水素貯蔵部に貯蔵した水素ガスを燃料とすることができるため、太陽光をエネルギー源として電力を外部出力することができる。
本発明によれば、制御部は光電変換部の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて調湿部を制御する機能を有するため、燃料電池部へ水素ガスまたは空気の供給を始める前に調湿部が加湿可能な状態となるように調湿部を制御することができる。このことにより、燃料電池部へ迅速に加湿された水素ガスまたは空気を供給することができ、燃料電池部が迅速に発電電力を外部出力することができる。このことにより、電力源に燃料電池部が加わった場合でも電力需要にすぐに対応することができ、効率よく安定して発電および電力の供給を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の発電システムの概念図である。
【図２】本発明の一実施形態の発電システムの概略配管図である。
【図３】本発明の一実施形態の発電システムの概略回路図である。
【図４】本発明の一実施形態の発電システムの概略回路図である。
【図５】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略平面図である。
【図６】図５の点線Ａ−Ａにおける水素製造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システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略裏面図である。
【図８】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図９】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図である。
【図１５】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる燃料電池部の構成を示す概略断面図である。
【図１６】本発明の一実施形態の発電システムの概略回路図である。
【図１７】本発明の一実施形態の発電システムの概略回路図である。
【図１８】本発明の一実施形態の発電システムの概略回路図である。
【図１９】本発明の一実施形態の発電システムに含まれる制御部の制御方法のフローチャートである。
【図２０】本発明の一実施形態の発電システム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】
【００１２】
本発明の発電システムは、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または前記水電解部に出力する光電変換部と、需要電力または前記光電変換部の光起電力に応じて、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部と、前記水電解部により発生させた水素ガスを貯蔵し、貯蔵した水素ガスを前記燃料電池部に供給する水素貯蔵部と、前記燃料電池部に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部と、制御部とを備え、
前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて、前記調湿部を制御する機能を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の発電システムにおいて、前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報および需要電力に関する情報に基づいて、前記燃料電池部へ水素ガスまたは空気の供給を始める前に前記調湿部が加湿可能な状態となるように前記調湿部を制御する機能を備えることが好ましい。
このような構成によれば、燃料電池部へ迅速に加湿された水素ガスまたは空気を供給することができ、燃料電池部が迅速に発電電力を外部出力することができる。このことにより、電力源に燃料電池部が加わった場合でも電力需要にすぐに対応することができ、効率よく安定して発電および電力の供給を行うことができる。
本発明の発電システムにおいて、制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報および需要電力に関する情報に基づいて、前記燃料電池部へ水素ガスまたは空気の供給を始める前に前記燃料電池部が作動温度以下の所定の温度に昇温するように前記燃料電池部を制御する機能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、燃料電池部を迅速に作動温度に昇温することができ、燃料電池部が迅速に発電電力を外部出力することができる。このことにより、電力源に燃料電池部が加わった場合でも電力需要にすぐに対応することができ、一時的な電力不足が生じるのを抑制することができる。
本発明の発電システムにおいて、前記調湿部は、前記水素貯蔵部に貯蔵する水素ガスの湿度を調節することが好ましい。
このような構成によれば、水電解部により発生させた水素ガスを調湿部により除湿し水素貯蔵部に貯蔵することができる。
【００１４】
本発明の発電システムにおいて、前記調湿部は、加湿部および除湿部を有することが好ましい。
このような構成によれば、調湿部により燃料電池部に供給する水素ガスおよび空気の加湿を行うことができる。また、調湿部により水電解部により発生させた水素ガスの除湿を行うことができる。
本発明の発電システムにおいて、水素流路をさらに備え、前記水素流路は、前記水電解部により発生させた水素ガスが前記除湿部を流れ、前記水素貯蔵部に貯蔵される経路と、前記燃料電池部の燃料となる水素ガスが前記加湿部を流れ前記燃料電池部に供給される経路とを有することが好ましい。
このような構成によれば、水電解部により発生させた水素ガスを水素貯蔵部に貯蔵することができ、燃料電池部の燃料となる水素ガスを加湿して燃料電池部に供給することができる。
【００１５】
本発明の発電システムにおいて、前記水素流路は、水素ガスが流れる経路を変更できるように設けられた複数のバルブを有することが好ましい。
このような構成によれば、複数のバルブにより水素ガスが流れる経路を変更することができる。
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部の光起電力を前記水電解部に出力する回路と、前記光電変換部の光起電力を外部出力する回路とを切り換える切換部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、切換部により光電変換部の光起電力の出力先を変更することができる。
【００１６】
本発明の発電システムにおいて、前記切換部は、前記光電変換部の光起電力および前記燃料電池部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、切換部により光電変換部の光起電力および燃料電池部の発電電力のうちどちらか一方または両方を切り換えて外部出力することができる。
本発明の発電システムにおいて、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発電システムの制御モード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発電システムの構成要素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、制御部により発電システムの制御モードを切り換えることができる。
【００１７】
本発明の発電システムにおいて、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、制御部がセンサ部からの情報に基づき発電システムの制御モードを切り換えることができる。
本発明の発電システムにおいて、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、制御部が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システムの制御モードを切り換えることができる。
【００１８】
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部は、受光面とその裏面を有し、前記水電解部は、前記光電変換部の裏面側に設けられ、前記光電変換部および前記水電解部は、水素製造装置を構成することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部と水電解部との配線距離を短くすることができ、オーミックロスを少なくすることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、前記光電変換部の裏面上にそれぞれ設けられた第１電解用電極および第２電解用電極を有し、前記光電変換部の受光面に太陽光が入射し第１および第２電解用電極が電解液と接触するとき、第１および第２電解用電極は、前記光電変換部が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体を発生させることができるように設けられ、第１気体および第２気体のうち、一方は水素ガスであり他方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、水素製造装置を構成する第１および第２電解用電極は、光電変換部が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体が発生するように設けられているため、第１電解用電極の表面で第１気体を発生させることができ、第２電解用電極の表面で第２気体を発生させることができる。また、光電変換部の裏面上に第１電解用電極および第２電解用電極を設けるため、光電変換部の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、光電変換部の裏面上に第１電解用電極および第２電解用電極を設けるため、受光面に入射する光が、第１および第２電解用電極、ならびにそこからそれぞれ発生する第１気体及び第２気体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。
【００１９】
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部は、受光することによりその受光面と裏面との間に起電力が生じ、第１電解用電極は、前記光電変換部の裏面と電気的に接続することができるように設けられ、第２電解用電極は、前記光電変換部の受光面と電気的に接続す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、水素製造装置に含まれる光電変換部に積層構造のものを利用することができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、第２電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた絶縁部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、水素製造装置において第２電解用電極と光電変換部の裏面との間にリーク電流が発生するのを防止することができる。
【００２０】
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、前記光電変換部の受光面に接触する第１電極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、水素製造装置内の内部抵抗を小さくすることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、第１電極と第２電解用電極とを電気的に接続する第１導電部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、光電変換部の受光面と第２電解用電極とを電気的に接続することができる。
【００２１】
本発明の発電システムにおいて、第１導電部は、前記光電変換部を貫通するコンタクトホールに設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の受光面と第２電解用電極との間の配線距離を短くすることができ、内部抵抗を小さくすることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、第１導電部は、前記絶縁部の一部であり前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、第１導電部を少ない工程で設けることができ、製造コストを低減することができる。
【００２２】
本発明の発電システムにおいて、前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、第２電解用電極は、前記絶縁部の一部であり前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられ、かつ、第１電極と接触することが好ましい。
このような構成によれば、第１導電部を設けることなく、第１電極と第２電解用電極とを電気的に接続することができる。
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部は、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層およびｎ型半導体層からなる光電変換層を有することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部に光を入射させることにより起電力を生じさせることができる。
【００２３】
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部は、受光することにより前記光電変換部の裏面の第１および第２区域間に電位差が生じ、第１区域は、第１電解用電極と電気的に接続するように設けられ、第２区域は、第２電解用電極と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、光電変換部の第１区域と第２区域との間生じた起電力を第１電解用電極と第２電解用電極とに出力することができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、第１および第２電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられ、かつ、第１区域上および第２区域上に開口を有する絶縁部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区域と第２区域との間に、光電変換部が受光することにより生じる起電力を効率よく発生させることができる。
【００２４】
本発明の発電システムにおいて、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区域間に起電力を生じさせることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、透光性基板をさらに備え、前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部を透光性基板の上に形成することができる。
【００２５】
本発明の発電システムにおいて、前記光電変換部は、直列接続した複数の光電変換層を含み、前記複数の光電変換層は、受光することにより生じる起電力を第１電解用電極および第２電解用電極に供給する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、容易に高電圧の起電力を第１および第２電解用電極に出力することができる。
本発明の発電システムにおいて、第１電解用電極および第２電解用電極のうち、一方は電解液からＨ2を発生させる水素発生部であり、他方は電解液からＯ2を発生させる酸素発生部であり、前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からＨ2が発生する反応の触媒である水素発生触媒および電解液からＯ2が発生する反応の触媒である酸素発生触媒を含むことが好ましい。
このような構成によれば、水素製造装置により燃料電池の燃料となる水素ガスを製造することができる。
【００２６】
本発明の発電システムにおいて、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、前記光電変換部の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、水素製造装置により、より効率的に水素ガスおよび酸素ガスを製造することができる。
本発明の発電システムにおいて、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、水素ガスまたは酸素ガスが発生する反応の触媒面積を広くすることができる。
【００２７】
本発明の発電システムにおいて、前記水素発生触媒は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｆｅ、ＮｉおよびＳｅのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。
このような構成によれば、水素製造装置により電解液から水素ガスを効率よく発生させることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記酸素発生触媒は、Ｍｎ、Ｃａ、Ｚｎ、ＣｏおよびＩｒのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。
このような構成によれば、水素製造装置により電解液から酸素ガスを効率よく発生させることができる。
【００２８】
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、透光性基板と、電解液室と、第１電解用電極および第２電解用電極の上に設けられた背面基板とをさらに備え、前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられ、前記電解液室は、第１電解用電極および第２電解用電極と前記背面基板との間に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、第１電解用電極の電解液に接触可能な面と、第２電解用電極の電解液に接触可能な面とを電解液室に面して設けることができ、第１および第２電解用電極を電解液に接触させることができる。
本発明の発電システムにおいて、前記水素製造装置は、第１電解用電極と前記背面基板との間の電解液室および第２電解用電極と前記背面基板との間の電解液室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、隔壁により第１気体と第２気体を分離することができる。
本発明の発電システムにおいて、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、電解液中で生じるイオン濃度の不均衡を容易に解消することができる。
【００２９】
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。
【００３０】
発電システムの構成
図１は本実施形態の発電システムの概念図であり、図２は本実施形態の発電システムの概略配管図であり、図３、図４は本実施形態の発電システムの概略回路図である。
本実施形態の発電システムは、水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部２１と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または水電解部２１に出力する光電変換部２と、需要電力または光電変換部２の光起電力に応じて、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部２２と、水電解部２１により発生させた水素ガスを貯蔵し、貯蔵した水素ガスを記燃料電池部２２に供給する水素貯蔵部１２と、燃料電池部２２に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部１０と、制御部１７とを備え、制御部１７は、光電変換部２の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて、調湿部１０を制御する機能を有することを特徴とする。
【００３１】
１．光電変換部２
光電変換部２は、太陽光を受光することにより光起電力が生じる部分であり、この起電力を外部出力または水電解部２１に出力する。光電変換部２の光起電力を外部出力することにより、この電力を外部回路において利用することができる。また、光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力することにより、光起電力を利用して水を電気分解し、水素ガスおよび酸素ガスを発生させることができる。このことにより、電力需要が少ない場合や光電変換部２の光起電力が大きい場合に、光電変換部２の光起電力により水素ガスを発生させることができる。この水素ガスは、水電解部２１から水素流路を流通させ除湿部４９により除湿した後、水素貯蔵部１２に貯蔵することができる。
【００３２】
光電変換部２は、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または水電解部２１に出力するために、切換部２９と電気的に接続することができる。このことにより、切換部２９により光電変換部２の光起電力の出力先を切り換えることができる。
【００３３】
光電変換部２は、太陽光を受光することにより光起電力が生じるものであれば特に限定されないが、例えば、シリコン系半導体を用いた光電変換部、化合物半導体を用いた光電変換部、色素増感剤を利用した光電変換部、有機薄膜を用いた光電変換部などである。
また、光電変換部２は、後述する水素製造装置２３に含まれてもよい。この場合の光電変換部２についての説明は後述する。また、水素製造装置２３に含まれる光電変換部２についての説明は、水素製造装置２３に含まれない光電変換部２についても矛盾がない限り当てはまる。
また、光電変換部２は、複数であってもよい。例えば、複数の太陽電池パネルと後述の水素製造装置からなってもよい。この場合、水素製造装置に含まれる光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力し、太陽電池パネルの光起電力を外部出力してもよい。また、太陽電池パネルの光起電力を水電解部２１に出力してもよい。また、水素製造装置に含まれる光電変換部２の光起電力および太陽電池パネルの光起電力のすべてを外部出力してもよい。この場合、発電システムは、図４のような回路図を有することができる。
【００３４】
２．水電解部
水電解部２１は、光電変換部２の光起電力を利用して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。水電解部２１は第１電解用電極８と第２電解用電極７とを含む電解槽とすることができる。この電解槽に電解液を溜めて、光電変換部２の光起電力を第１および第２電解用電極８、７に出力することにより、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。
また、水電解部２１は後述する水素製造装置２３に含まれてもよい。この場合の第１電解用電極８および第２電解用電極７についての説明は後述する。また、水素製造装置２３に含まれる第１電解用電極８および第２電解用電極７についての説明は、水素製造装置２３に含まれない第１電解用電極８および第２電解用電極７についても矛盾がない限り当てはまる。
【００３５】
３．水素製造装置
図５は、本実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略平面図であり、図６は、図５の点線Ａ−Ａにおける水素製造装置の概略断面図であり、図７は、本実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略裏面図である。
また、図８〜１４は、それぞれ本実施形態の発電システムに含まれる水素製造装置の構成を示す概略断面図であり、図６に対応する概略断面図である。
水素製造装置２３は、受光面とその裏面を有する光電変換部２と、光電変換部２の裏面側に設けられた水電解部２１を有することができる。
また、水素製造装置２３は、光電変換部２の裏面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を有し、光電変換部２の受光面に太陽光が入射し第１および第２電解用電極８、７が電解液と接触するとき、第１および第２電解用電極８、７は、光電変換部２が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体を発生させることができるように設けられ、第１気体および第２気体のうち、一方は水素ガスであり他方は酸素ガスである。
【００３６】
第１および第２電解用電極８、７は、光電変換部２が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体が発生するように設けられているため、第１電解用電極８の表面で第１気体を発生させることができ、第２電解用電極７の表面で第２気体を発生させることができる。また、第１気体および第２気体のうち一方は水素ガスであるため、水素ガスを製造することができる。
また、光電変換部２の裏面上に第１電解用電極８および第２電解用電極７を設けるため、光電変換部２の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２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。
さらに、光電変換部２の裏面上に第１電解用電極８および第２電解用電極７を設けるため、受光面に入射する光が、第１および第２電解用電極８、７、ならびにそこからそれぞれ発生する第１気体及び第２気体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２へ入射する光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。
【００３７】
また、水素製造装置２３は、透光性基板１、第１電極４、第２電極５、第１導電部９などを有することもできる。
以下、水素製造装置２３について説明する。
【００３８】
３−１．透光性基板
透光性基板１は、水素製造装置２３が備えてもよい。また、光電変換部２は、受光面が透光性基板１側となるように透光性基板１の上に設けられてもよい。なお、光電変換部２が、半導体基板などからなり一定の強度を有する場合、透光性基板１は省略することが可能である。また、光電変換部２が樹脂フィルムなど柔軟性を有する材料の上に形成可能な場合、透光性基板１は省略することができる。
【００３９】
また、太陽光を光電変換部２の受光面で受光するため、透光性基板１は、透明であり光透過率が高いことが好ましいが、光電変換部２へ効率的な光の入射が可能な構造であれば、光透過率に制限はない。
光透過率が高い基板材料として、例えば、ソーダガラス、石英ガラス、パイレックス（登録商標）、合成石英板等の透明なリジッド材、あるいは透明樹脂板やフィルム材等が好適に用いられる。化学的および物理的安定性を備える点より、ガラス基板を用いることが好ましい。
透光性基板１の光電変換部２側の表面には、入射した光が光電変換部２の表面で有効に乱反射されるように、微細な凹凸構造に形成することができる。この微細な凹凸構造は、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理もしくはブラスト処理等の公知の方法により形成することが可能である。
【００４０】
３−２．第１電極
第１電極４は、透光性基板１の上に設けることができ、光電変換部２の受光面と接触するように設けることができる。また、第１電極４は透光性を有してもよい。また、第１電極４は、透光性基板１を省略可能の場合、光電変換部２の受光面に直接設けられてもよい。第１電極４は、第２電解用電極７と電気的に接続することができる。第１電極４を設けることにより、光電変換部２の受光面と第２電解用電極７との間に流れる電流を大きくすることができる。また、光電変換部２が図１３、１４のように光電変換部２の裏面の第１区域と第２区域との間に起電力が生じるものである場合、第１電極４は不要である。
第１電極４は、図６、９、１２のように第１導電部９を介して第２電解用電極７と電気的に接続してもよく、図１１のように第２電解用電極７と接触してもよい。また、第１電極４は、図８、１０のような場合、切換部２９および配線５０を介して第２電解用電極７と電気的に接続することができる。
第１電極４は、例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ2などの透明導電膜からなってもよく、Ａｇ、Ａｕなどの金属のフィンガー電極からなってもよい。
【００４１】
以下に第１電極４を透明導電膜とした場合について説明する。
透明導電膜は、光電変換部２の受光面と第２電解用電極７とのコンタクトを取りやすくするために用いていることができる。
一般に透明電極として使用されているものを用いることが可能である。具体的にはＩｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2等を挙げることができる。なお本透明導電膜は、太陽光の光線透過率が８５％以上、中でも９０％以上、特に９２％以上であることが好ましい。このことにより光電変換部２が光を効率的に吸収することができるためである。
透明導電膜の作成方法としては公知の方法を用いることができ、スパッタリング、真空蒸着、ゾルゲル法、クラスタービーム蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。
【００４２】
３−３．光電変換部
光電変換部２は、受光面およびその裏面を有し、光電変換部２の裏面側に第１電解用電極８と第２電解用電極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、光電変換部２は、第１電極４が設けられた透光性基板１の上に受光面を下にして設けることができる。光電変換部２は、例えば、図６、８〜１２のように受光面と裏面との間に起電力が生じるものであってもよく、図１３、１４のように光電変換部２の裏面の第１区域と第２区域との間に起電力が生じるものであってもよい。図１３、１４のような光電変換部２は、ｎ型半導体領域３７とｐ型半導体領域３６を形成した半導体基板などにより形成することができる。
光電変換部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。
光電変換部２は、入射光により電荷分離することができ、起電力が生じるものであれば、特に限定されないが、例えば、シリコン系半導体を用いた光電変換部、化合物半導体を用いた光電変換部、色素増感剤を利用した光電変換部、有機薄膜を用いた光電変換部などである。
【００４３】
第１気体および第２気体のうちどちらか一方が水素ガスであり、他方が酸素ガスの場合、光電変換部２は、光を受光することにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７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。第１電解用電極８と第２電解用電極７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。例えば、図１２、１４のように並べて設けられた光電変換層を第４導電部３３により直列接続した構造を有することができる。
【００４４】
光電変換を行う材料は、シリコン系半導体、化合物半導体、有機材料をベースとしたものなどが挙げられるが、いずれの光電変換材料も使用することが可能である。また、起電力を大きくするために、これらの光電変換材料を積層することが可能である。積層する場合には同一材料で多接合構造を形成することが可能であるが、光学的バンドギャップの異なる複数の光電変換層を積層し、各々の光電変換層の低感度波長領域を相互に補完することにより、広い波長領域にわたり入射光を効率よく吸収することが可能となる。これらの複数の光電変換層は、それぞれ異なるバンドギャップを有することが好ましい。このような構成によれば、光電変換部２で生じる起電力をより大きくすることができ、電解液をより効率的に電気分解することができる。
【００４５】
また、光電変換層間の直列接続特性の改善や、光電変換部２で発生する光電流の整合のために、層間に透明導電膜等の導電体を介在させることが可能である。これにより光電変換部２の劣化を抑制することが可能となる。
光電変換部２の例を以下に具体的に説明する。また、光電変換部２は、これらを組み合わせたものでもよい。また、以下の光電変換部２の例は、矛盾しない限り光電変換層とすることもできる。
【００４６】
３−３−１．シリコン系半導体を用いた光電変換部
シリコン系半導体を用いた光電変換部２は、例えば、単結晶型、多結晶型、アモルファス型、球状シリコン型、及びこれらを組み合わせたもの等が挙げられる。いずれもｐ型半導体とｎ型半導体が接合したｐｎ接合を有することができる。また、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にｉ型半導体を設けたｐｉｎ接合を有するものとすることもできる。また、ｐｎ接合を複数有するもの、ｐｉｎ接合を複数有するもの、ｐｎ接合とｐｉｎ接合を有するものとすることもできる。
シリコン系半導体とは、シリコンを含む半導体であり、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、シリコンゲルマニウムなどである。また、シリコンなどにｎ型不純物またはｐ型不純物が添加されたものも含み、また、結晶質、非晶質、微結晶のものも含む。
また、シリコン系半導体を用いた光電変換部２は、透光性基板１の上に形成された薄膜または厚膜の光電変換層であってもよく、また、シリコンウェハなどのウェハにｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成したものでもよく、また、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成したウェハの上に薄膜の光電変換層を形成したものでもよい。
【００４７】
シリコン系半導体を用いた光電変換部２の形成例を以下に示す。
透光性基板１上に積層した第１電極４上に、第１導電型半導体層をプラズマＣＶＤ法等の方法で形成する。この第１導電型半導体層としては、導電型決定不純物原子濃度が１×１０18〜５×１０21／ｃｍ3程度ドープされた、ｐ+型またはｎ+型の非晶質Ｓｉ薄膜、または多結晶あるいは微結晶Ｓｉ薄膜とする。第１導電型半導体層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
次に、シリコン基板を用いた光電変換部２の形成例を以下に示す。
シリコン基板としては、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板などを用いることができ、ｐ型であっても、ｎ型であっても、ｉ型であってもよい。このシリコン基板の一部にＰなどのｎ型不純物を熱拡散またはイオン注入などによりドープすることによりｎ型半導体部３７を形成し、シリコン基板のほかの一部にＢなどのｐ型不純物を熱拡散またはイオン注入などによりドープすることによりｐ型半導体部３６を形成することができる。このことにより、シリコン基板にｐｎ接合、ｐｉｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合などを形成することができ、光電変換部２を形成することができる。
【００５２】
ｎ型半導体部３７およびｐ型半導体部３６は、図１３、１４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型半導体領域３７およびｐ型半導体領域３６のうちどちらか一方を複数形成することもできる。また、図１３のようにｎ型半導体領域３７およびｐ型半導体領域３６を形成したシリコン基板を並べて設置し、第４導電部３３により直列接続することにより光電変換部２を形成することもできる。
なお、ここではシリコン基板を用いて説明したが、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合、ｎｐｐ+接合またはｐｎｎ+接合などを形成することができる他の半導体基板を用いてもよい。また、ｎ型半導体部３７およびｐ型半導体部３６を形成することができれば、半導体基板に限定されず、基板上に形成された半導体層であってもよい。
【００５３】
３−３−２．化合物半導体を用いた光電変換部
化合物半導体を用いた光電変換部は、例えば、III−Ｖ族元素で構成されるＧａＰ、ＧａＡｓやＩｎＰ、ＩｎＡｓ、II−VI族元素で構成されるＣｄＴｅ／ＣｄＳ、Ｉ−III−VI族で構成されるＣＩＧＳ（Copper Indium Gallium DiSelenide）などを用いｐｎ接合を形成したものが挙げられる。
【００５４】
化合物半導体を用いた光電変換部の製造方法の一例を以下に示すが、本製造方法では、製膜処理等はすべて有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置を使って連続して行われる。III族元素の材料としては、例えばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなどの有機金属が水素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。
【００５５】
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。
【００５６】
３−３−３．色素増感剤を利用した光電変換部
色素増感剤を利用した光電変換部は、例えば、主に多孔質半導体、色素増感剤、電解質、溶媒などにより構成される。
多孔質半導体を構成する材料としては、例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム等公知の半導体から１種類以上を選択することが可能である。多孔質半導体を基板上に形成する方法としては、半導体粒子を含有するペーストをスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
３−３−４．有機薄膜を用いた光電変換部
有機薄膜を用いた光電変換部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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
３−４．第２電極
第２電極５は、光電変換部２の裏面上に設けることができる。また、第２電極５は、光電変換部２の裏面と第１電解用電極８との間および光電変換部２の裏面と絶縁部１１との間に設けることもできる。また、第２電極５は、第１電解用電極８と電気的に接続することができる。第２電極５を設けることにより、光電変換部２の裏面と第１電解用電極８との間のオーミックロスを低減することができる。また、第２電極５は、第１電解用電極８と接触してもよい。また、第２電極５は、切換部２９および配線５０を介して第１電解用電極８と電気的に接続してもよい。
また、第２電極５は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、電解液による光電変換部２の腐食を防止することができる。
第２電極５は、導電性を有すれば特に限定されないが、例えば、金属薄膜であり、また、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの薄膜である。これらは、例えば、スパッタリングなどにより形成することができる。また、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2等の透明導電膜である。
【００６８】
３−５．第１導電部
第１導電部９は、第１電極４と第２電解用電極７とにそれぞれ接触するように設けることができる。第１導電部９を設けることにより、容易に光電変換部２の受光面に接触した第１電極４と第２電解用電極７とを電気的に接続することができる。
また、第１導電部９は、図６、９のように光電変換部２を貫通するコンタクトホールに設けられてもよい。このことにより、光電変換部２の受光面と第２電解用電極７との間の電流経路を短くすることができ、より効率的に第１気体および第２気体を発生させることができる。また、第１導電部９が設けられたコンタクトホールは、１つまたは複数でもよく、円形の断面を有してもよい。
また、第１導電部９は、図１２のように光電変換部２の側面を覆うように設けられてもよい。
【００６９】
第１導電部９の材料は、導電性を有しているものであれば特に制限されない。導電性粒子を含有するペースト、例えばカーボンペースト、Ａｇペースト等をスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
【００７０】
３−６．絶縁部
絶縁部１１は、リーク電流の発生を防止するために設けることができる。例えば、図６、９のように第１導電部９を光電変換部２を貫通するコンタクトホール内に設ける場合、コンタクトホールの側壁に絶縁部１１を設けることができる。
また、絶縁部１１は、例えば、図６、８〜１２のように第２電解用電極７と光電変換部２の裏面との間に設けることができる。このことにより、第２電解用電極７と光電変換部２の裏面との間でリーク電流が生じるのを防止することができる。また、光電変換部２が図１３、１４のように受光することにより光電変換部２の裏面の第１区域と第２区域との間に電位差を生じるものである場合、絶縁部１１は、第１電解用電極８と光電変換部２の裏面との間、および第２電解用電極７と光電変換部２の裏面との間に設けられ、絶縁部１１は、第１区域上および第２区域上に開口を有してもよい。このことにより、光電変換部２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。
また、絶縁部１１は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、リーク電流の発生を防止することができ、また、電解液による光電変換部２の腐食を防止することができる。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
３−７．第２導電部、第３導電部、第４導電部
第２導電部２４、第３導電部２５は、絶縁部１１と第２電解用電極７との間、または、絶縁部１１と第１電解用電極８との間に設けることができる。第２導電部２４、第３導電部２５を設けることにより、光電変換部２が受光することにより生じた起電力を効率よく第１電解用電極８または第２電解用電極７に出力することができ、オーミックロスを低減することができる。第２導電部２４、第３導電部２５は、例えば、図１２〜１４に示すように設けることができる。
第２導電部２４、第３導電部２５は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、オーミック抵抗の上昇を防止することができ、また、電解液による光電変換部２の腐食を防止することができる。
第４導電部３３は、図１２、１４のように光電変換層を直列接続するように設けることができる。
【００７４】
第２導電部２４、第３導電部２５または第４導電部３３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。
【００７５】
３−８．第１電解用電極、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の裏面上にそれぞれ設けられる。また、第１電解用電極８および第２電解用電極７は、光電変換部２の裏面側の面とその裏面であり電解液に接触可能な面とをそれぞれ有することができる。このことにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７は光電変換部２に入射する光を遮ることはない。
また、第１電解用電極８および第２電解用電極７は、電解液と接触するとき、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を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体を発生させることができるように設けられる。例えば、光電変換部２が受光することにより受光面とその裏面との間に起電力が生じる場合、図６、１２のように、第１電解用電極８は、光電変換部２の裏面と電気的に接続することができ、第２電解用電極７は、光電変換部２の受光面と電気的に接続することができる。また、光電変換部２が受光することによりその裏面の第１区域と第２区域との間に起電力が生じる場合、図１３、１４のように第１電解用電極８は第１区域と第２区域のうちどちらか一方と電気的に接続し、第２電解用電極７は第１区域と第２区域のうち他方と電気的に接続することができる。
【００７６】
図９、１０のように第１電解用電極８が光電変換部２の裏面または第２電極５と接触していない場合、第１電解用電極８は、切換部２９を介して光電変換部２の裏面と電気的に接続することができる。また、図８、１０のような場合、第２電解用電極７は、光電変換部２の受光面と切換部２９を介して電気的に接続することができる。
【００７７】
第１電解用電極８および第２電解用電極７は、少なくとも一方が複数であってもよく、それぞれ帯状の電解液に接触可能な面を有してもよく、その面の長辺が隣接するように交互に設けられてもよい。このように、第１電解用電極８および第２電解用電極７を設けることにより、第１気体が発生する反応が生じる部分と、第２気体が発生する反応が生じる部分との間の距離を短くすることができ、電解液中で生じるイオン濃度の不均衡をより少なくすることができる。また、電解液に接触可能な面を帯状とすることにより、第１気体および第２気体を容易に回収することができる。
第１電解用電極８および第２電解用電極７は、電解液に対する耐食性および電解液に対する遮液性を有することが好ましい。このことにより、安定して第１気体および第２気体を発生させることができ、また、電解液による光電変換部２の腐食を防止することができる。例えば、第１電解用電極８および第２電解用電極７に電解液に対する耐食性を有する金属板または金属膜を用いることができる。
【００７８】
また、第１電解用電極８および第２電解用電極７のうち少なくとも一方は、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２で生じる起電力により、より効率的に第１気体または第２気体を発生させることができる。
また、第１電解用電極８および第２電解用電極７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８および第２電解用電極７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、より効率的に第１気体または第２気体を発生させることができる。また、多孔質の導電体を用いることにより、光電変換部２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、より効率的に第１気体または第２気体を発生させることができる。また、この場合、第１電解用電極８または第２電解用電極７を電解液に対する遮液性を有する部分と多孔質からなる部分の二層構造とすることもできる。
第１電解用電極８および第２電解用電極７のうち、一方は水素発生部であってもよく、他方が酸素発生部であってもよい。この場合、第１気体および第２気体のうち一方は水素ガスであり、他方は酸素ガスである。
【００７９】
３−９．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。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２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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
３−１０．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。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ガスを発生させることができる。
【００８７】
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。
【００８８】
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、「３−９．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。
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。
【００８９】
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。
【００９０】
３−１１．背面基板
背面基板１４は、第１電解用電極８および第２電解用電極７の上に透光性基板１と対向するように設けることができる。
また、背面基板１４は、第１電解用電極８および第２電解用電極７と背面基板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。この空間を電解液室１５とすることができ、電解液室１５に電解液を導入することにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７を電解液に接触させることができる。また、背面基板１４に箱状のものを用いる場合、背面基板１４は箱体の底の部分であってもよい。
【００９１】
また、背面基板１４は、電解液室１５を構成し、生成した第１気体および第２気体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、第１気体および第２気体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。透明な背面基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。
【００９２】
３−１２．隔壁
隔壁１３は、第１電解用電極８と背面基板１４との間の空間である電解液室１５および第２電解用電極７と背面基板１４との間の空間である電解液室１５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で発生させた第１気体および第２気体が混合することを防止することができ、第１気体および第２気体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と背面基板１４との間の空間の電解液と第２電解用電極７と背面基板１４との間の空間の電解液でアンバランスとなったイオン濃度を一定に保つことができる。
【００９３】
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。
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
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。
【００９７】
３−１３．シール材
シール材１６は、透光性基板１と背面基板１４を接着し、水素製造装置２３内の電解液および水素製造装置２３内で生成した第１気体および第２気体を密閉するための材料である。背面基板１４に箱状のものを用いる場合、この箱体と透光性基板１とを接着するためにシール材１６が用いられる。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。
【００９８】
ここではシール材１６と記しているが、透光性基板１と背面基板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。
【００９９】
３−１４．電解液室
電解液室１５は、第１電解用電極８と背面基板１４との間の空間および第２電解用電極７と背面基板１４との間の空間とすることができる。また、電解液室１５は、隔壁１３により仕切ることができる。
【０１００】
３−１５．給水口
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、もしくは背面基板１４の一部など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、第１気体及び第２気体へと分解された電解液を補充するために配置され、その配置箇所および形状は、原料となる電解液が効率よく水素製造装置２３へ供給されさえすれば、特に限定されるものではない。
【０１０１】
３−１６．第１気体排出口、第２気体排出口
第１気体排出口２０、第２気体排出口１９は、第１電解用電極８の端部および第２電解用電極７の端部にそれぞれ近接して設けられる。このことにより、第１気体排出口２０から第１気体を回収することができ、第２気体排出口１９から第２気体を回収することができる。
【０１０２】
また、第１気体排出口２０は、光電変換部２の受光面を水平面に対して傾斜するように水素製造装置２３を設置したとき、第１電解用電極８の電解液に接触可能な面の上端に近接して設けることができる。また、第２気体排出口１９は、光電変換部２の受光面を水平面に対して傾斜するように水素製造装置２３を設置したとき、第２電解用電極７の電解液に接触可能な面の上端に近接して設けることができる。このことにより、水素製造装置２３を光電変換部２の受光面が水平面に対して傾斜するように設置し、前記受光面に太陽光を入射させた場合に、第１電解用電極８で発生させた第１気体を気泡として電解液中を上昇させ第１気体排出口２０から回収することができ、第２電解用電極７で発生させた第２気体を気泡として電解液中を上昇させ第２気体排出口１９から回収することができる。
第１気体排出口２０、第２気体排出口１９は、例えば、シール材１６に開口を設けることにより形成することができる。また、第１気体排出口２０、第２気体排出口１９に電解液が流入しないように流入防止弁を設けることもできる。
【０１０３】
また、第１気体排出口２０は、第１気体排出路と導通することができ、第２気体排出口１９は第２気体排出路と導通することができる。また、第１気体排出路は、複数の第１気体排出口２０と導通することができ、第２気体排出路は、複数の第２気体排出口１９と導通することができる。このことにより、水素製造装置２３で発生させた第１気体および第２気体を回収することができる。また、第１気体排出路または第２気体排出路は、水素貯蔵部１２と接続することができる。このことにより水素製造装置２３で発生させた水素ガスを水素貯蔵部１２で貯蔵することができる。なお、第１気体排出路および第２気体排出路のうち一方は、水素流路を構成することができ、他方は、空気流路を構成することができる。
【０１０４】
３−１７．電解液
電解液は、第１気体および第２気体の原料となるものであれば特に限定されないが、例えば、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。この場合、電解液から第１気体および第２気体として水素ガスおよび酸素ガスを製造することができる。
【０１０５】
４．燃料電池部
燃料電池部２２は、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する。また、燃料電池部２２は、電力需要および光電変換部２の光起電力に応じて発電することができる。このことにより、光電変換部２の変動や電力需要の変動により供給電力の不足が生じることを抑制することができる。
図１５は、本実施形態の発電システムに含まれる燃料電池部２２の概略断面図である。
燃料電池部２２は、燃料極５１と、空気極５２と、燃料極５１と空気極５２との挟まれた電解質膜５３を有することができる。燃料極５１に水素ガスを供給し、空気極５２に空気または酸素ガスを供給することにより、燃料極５１と空気極５２との間に起電力を発生させることができる。燃料極５１および空気極５２は、起電力を外部出力するため外部回路と電気的に接続することができる。燃料極５１および空気極５２は、切換部２９を介して起電力を外部回路に出力することもできる。
【０１０６】
また、電解質膜５３は、湿潤した状態でイオン導電性を示す電解質膜であってもよい。また、電解質膜５３は、イオン導電種をＨ+とするものであってもよく、ＯＨ-とするものであってもよい。
燃料電池部２２は、例えば、固体高分子形燃料電池とすることができる。この場合、電解質膜５３は、固体高分子膜とすることができ、電解質膜５３、燃料極５１および空気極５２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成することができる。
電解質膜５３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。このような電解質膜５３は、水分を含まなければイオン導電性は示さないため、電解質膜５３に水分を供給する必要がある。また、このようなイオン導電性を示すために水分が必要な電解質膜５３は、適度な湿潤状態を維持する必要があり、燃料電池部２２に水分を適切に供給する必要がある。燃料電池部２２に供給する水分量が多すぎると、電解質膜５３の含水率が高くなり電解質膜５３の機械的強度が低下する場合や燃料極５１内または空気極５２内の細孔がふさがれ反応ガスの拡散を低下しセル電圧を低下させる場合（フラディング現象）などがある。また、燃料電池部２２に供給する水分量が少なすぎると、電解質膜５３のイオン伝導率が低下し、セル電圧が低下する場合がある。従って、電解質膜５３が適度な湿潤状態で維持されるように燃料電池部２２に水分を供給する必要がある。
【０１０７】
燃料電池部２２に水分を供給する方法として、燃料である水素ガスを加湿して燃料極５１に供給する方法がある。また、空気極５２に供給する空気（または酸素ガス）を加湿してもよい。この方法によれば、水素ガス、空気（酸素ガス）の湿度を制御することにより燃料電池部２２に供給する水分量を制御することができ、燃料電池部２２に水分を適切に供給することができる。
燃料電池部２２に供給する水素ガス、空気（酸素ガス）には、調湿部１０により加湿できる。調湿部１０による水素ガス、空気（酸素ガス）の加湿については後述する。
【０１０８】
燃料電池部２２は、発電するためには一定の温度以上である必要がある。例えば、燃料電池部２２が固体高分子形燃料電池である場合、その作動温度は、６０〜１００℃である。従って、特に燃料電池部２２の起動時において、迅速に燃料電池部２２を作動温度に昇温する必要がある。なお、燃料電池部２２は、燃料電池部２２を昇温するために加熱部を有することができる。
また、燃料電池部２２が発電を開始した後は、水素ガスなどが燃料極５１、空気極５２で化学反応することにより反応熱が生じるため、燃料電池部２２を冷却する必要がある。このため、燃料電池部２２は、ラジエターなどの冷却器を備えることができる。
【０１０９】
従って、燃料電池部２２による発電を迅速に開始するためには、燃料電池部２２を迅速に作動温度に昇温することと、電解質膜５３が適度な湿潤状態で維持されるように燃料電池部２２に水分を迅速に供給することと、燃料極５１に水素ガスを供給し空気極５２に空気（酸素ガス）を供給することが必要である。
なお、燃料電池部２２は、燃料電池発電準備モードとすることができる。具体的には、制御部１７からの信号により、燃料電池部２２を作動温度以下の所定の温度に昇温することができる。このことにより、燃料電池部２２の発電電力を外部出力したいときに燃料電池部２２を迅速に作動温度とすることができ、燃料電池部２２の発電電力を迅速に外部術力することができる。また、燃料電池部２２と共に調湿部１０も燃料電池準備モードとすることができる。
【０１１０】
燃料電池部２２の燃料極５１に供給する水素ガスは、水素貯蔵部１２に貯蔵した水素ガスであってもよく、水素ボンベから供給される水素ガスであってもよい。また、メタノールやガソリンや都市ガスを改質することにより発生させた水素ガスであってもよい。
また、燃料電池部２２の空気極５２に供給する空気（酸素ガス）は、空気圧縮機から供給される空気または酸素ガスであってもよく、ボンベから供給される空気または酸素ガスであってもよく、外気から取り込んだ空気であってもよい。
また、燃料電池部２２は、図１のように信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、燃料電池部２２と制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。
さらに燃料電池部２２は、制御部１７から入力される情報により電力負荷追従運転できるように設けられてもよい。
【０１１１】
５．切換部
切換部２９は例えば図３または図４のような電気回路を有することができる。また、図１６〜１８は、それぞれ本実施形態の発電システムの概略回路図である。なお、図面では１つの切換部２９を示しているが、複数の切換部２９からなってもよい。
切換部２９は、光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力する回路と、光電変換部２の光起電力を第１外部回路に出力する回路とを切り換えることができるように設けられる。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第１外部回路へ電力として供給でき、また、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を用いて水を電気分解し水素ガスを製造することができる。
【０１１２】
また、切換部２９は、第２外部回路と電気的に接続することができ、かつ、第２外部回路から入力される起電力を第１電解用電極８および第２電解用電極７に出力し電解液から水素ガスおよび酸素ガスを発生させる回路に切り換えることができる。このことにより、第２外部回路から入力される起電力を利用して、電解液から水素ガスおよび酸素ガスを製造することができる。例えば、深夜電力を用いて水素ガスを製造することができる。切換部２９が第２外部回路と電気的に接続する方法は特に限定されないが、例えば、切換部２９が入力端子を備え、入力端子を介して第２外部回路と電気的に接続してもよい。
また、切換部２９は、図１のように信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、切換部２９と制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。
【０１１３】
例えば、水素製造装置２３が図１０のような断面を有し、発電システムが図３のような電気回路を有する場合、例えば、ＳＷ（スイッチ）１、ＳＷ２がＯＮ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１外部回路へ出力することができる。また、この場合で燃料電池部２２により発電する場合、ＳＷ７、ＳＷ８をＯＮ状態とすることにより、光電変換部２の光起電力と燃料電池部２２の発電電力の両方を第１外部回路に出力することができる。
また、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ５、ＳＷ６がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７に出力することができる。
また、例えば、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態であり、ＳＷ５、ＳＷ６がＯＮ状態である場合、第２外部回路から入力される起電力を第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。また、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力および第２外部回路から入力される起電力の両方を第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。
【０１１４】
また、発電システムが複数の光電変換部２を有する場合、例えば、水素製造装置２３と太陽電池パネルとの両方を備える場合であって、発電システムが図４のような電気回路を有する場合、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ１１、ＳＷ１２をＯＮ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ９、ＳＷ１０がＯＦＦ状態である場合、複数の光電変換部２の光起電力を第１外部回路に出力することができる。なお、図４では、発電システムが２つの光電変換部２を有する場合についての回路図であるが、発電システムは３つ以上の光電変換部２を有することもできる。例えば、発電システムは、水素製造装置３２と複数の太陽電池パネルを備える場合である。
また、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ９、ＳＷ１０がＯＮ状態であり、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ１１、ＳＷ１２をＯＦＦ状態である場合、複数の光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力することができる。
また、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１１、ＳＷ１２がＯＮ状態であり、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ９、ＳＷ１０がＯＦＦ状態の場合、一方の光電変換部２の光起電力を第１外部回路に出力することができ、他方の光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力することができる。
【０１１５】
例えば、水素製造装置２３が図８のような断面を有し、発電システムが図１６のような電気回路を有する場合、例えば、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＮ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１外部回路へ出力することができる。また、この場合で燃料電池部２２により発電する場合、ＳＷ７、ＳＷ８をＯＮ状態とすることにより、光電変換部２の光起電力と燃料電池部２２の発電電力の両方を第１外部回路に出力することができる。また、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５がＯＦＦ状態であり、ＳＷ４がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７に出力することができる。
また、例えば、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ５がＯＮ状態である場合、第２外部回路から入力される起電力を第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。また、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力および第２外部回路から入力される起電力の両方を第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。
【０１１６】
例えば、水素製造装置２３が図９のような断面を有し、発電システムが図１７のような電気回路を有する場合、例えば、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＮ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１外部回路へ出力することができる。また、この場合で燃料電池部２２により発電する場合、ＳＷ７、ＳＷ８をＯＮ状態とすることにより、光電変換部２の光起電力と燃料電池部２２の発電電力の両方を第１外部回路に出力することができる。また、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５がＯＦＦ状態であり、ＳＷ４がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８と第２電解用電極７に出力することができる。
また、例えば、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ５がＯＮ状態である場合、第２外部回路から入力される起電力を第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。また、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＦＦ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５がＯＮ状態である場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力および第２外部回路から入力される起電力の両方を第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。
【０１１７】
例えば、水素製造装置２３が図６、１１〜１４のような断面を有し、発電システムが図１８のような電気回路を有する場合、例えば、ＳＷ１、ＳＷ２がＯＮ状態であり、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態である場合であって、光電変換部が受光することにより生じる起電力が電解液の電解電圧に達しない場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１外部回路へ出力することができる。また、この場合で燃料電池部２２により発電する場合、ＳＷ７、ＳＷ８をＯＮ状態とすることにより、光電変換部２の光起電力と燃料電池部２２の発電電力の両方を第１外部回路に出力することができる。
また、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＦＦ状態である場合であって、光電変換部２が受光することにより生じる起電力が電解液の電解電圧に達する場合、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８および第２電解用電極７へ出力することができる。従って、図１８のような電気回路を有する場合でも、切換部２９により、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１外部回路へ出力させる回路と、光電変換部２が受光することにより生じる起電力を第１電解用電極８および第２電解用電極７に出力させる回路とを切り換えることができる。
また、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＮ状態であり、ＳＷ１，ＳＷ２がＯＦＦ状態の場合、第２外部回路から入力される起電力、または第２外部回路から入力される起電力と光電変換部２が受光することにより生じる起電力の両方を第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。
【０１１８】
また、切換部２９は、制御部１２からの情報を入力することができ、入力した情報に基づき回路の切換を行うことができる。このことにより、切換部２９は、制御部１２が選択した回路に切り換えることができる。
また、切換部２９は、光電変換部２が受光することにより生じる起電力の大きさに基づき回路の切換を行うこともできる。このことにより、第１外部回路に出力する電力が光電変換部２で生じている場合、第１外部回路に光電変換部２で生じた起電力を出力することができ、第１外部回路に出力する電力が光電変換部２で生じていない場合、第１電解用電極８および第２電解用電極７に光電変換部２で生じた起電力を出力することができる。
さらに切換部２９は、第２外部回路の起電力の大きさに基づき回路の切換を行うこともできる。このことにより、第２外部回路が供給する電力が電気需要より大きくなっている場合、第２外部回路が供給する電力を利用して第１気体および第２気体を製造することができる。
【０１１９】
６．調湿部
調湿部１０は、燃料電池部２２に供給する水素ガスまたは空気（酸素ガス）の湿度を調節する部分である。また、調湿部１０は、水電解部２１により発生させ、水素貯蔵部１２に貯蔵する水素ガスを除湿する部分であってもよい。
調湿部１０は、加湿部４８または除湿部４９を有することができる。また、調湿部１０は、加湿部４８と除湿部４９の両方を有することもできる。また、離れて設けられた加湿部４８と除湿部４９からなってもよい。また、調湿部１０は、水素流路の経路内および空気（酸素ガス）流路の経路内にそれぞれ設けられてもよい。
調湿部１０は、燃料電池部２２の燃料となる水素ガスの湿度および水素貯蔵部１２に貯蔵する水素ガスの湿度を調節するように設けることができる。このことにより、加湿された水素ガスを燃料電池部２２の燃料極５１に供給することができ、水電解部２１により発生させた水素ガスを除湿した後、水素貯蔵部１２に貯蔵することができる。
また、調湿部１０は、燃料電池部２２の空気極５２に供給する空気または酸素ガスの湿度を調節するように設けられてもよく、水電解部２１により発生させた酸素ガスを除湿するように設けられてもよい。
【０１２０】
加湿部４８としては、例えば、昇温した水に気体をバブリングするバブラー加湿方式のものや気体に水蒸気を直接供給する水蒸気添加方式のものが挙げられる。
なお、「調湿部１０が加湿可能な状態となる」とは、調湿部１０がすぐに燃料電池部２２に供給する水素ガスまたは空気（酸素ガス）の加湿を行える状態となることをいう。例えば、調湿部１０がバブラー加湿方式である場合、水素ガスまたは空気をバブリングさせる水の温度を昇温した状態とすることをいう。この昇温された水に水素ガス又は空気をバブリングさせることにより加湿された水素ガス又は空気を燃料電池部２２に供給することができる。また、例えば、調湿部４８が水蒸気添加方式の場合、調湿部４８が水素流路または空気流路にすぐに水蒸気を添加できる状態とすることをいう。なお、加湿部４８が他の方式であってもよい。調湿部１０を加湿可能な状態にすることにより、調湿部１０を燃料電池発電準備モードとすることができる。
【０１２１】
また、除湿部４９としては、例えば、気体を露点温度以下に冷却して除湿を行う冷却方式のものや圧縮機で気体を圧縮することにより除湿を行う圧縮方式のものや水分を吸着しやすい固体に気体を通過させる吸着方式のものであってもよい。
また、調湿部１０は燃料電池部２２に供給する気体の湿度または水素貯蔵部１２に貯蔵する水素ガスの湿度を検知する湿度センサを備えてもよい。このことにより、湿度センサの測定値に基づき調湿部１０を制御することができる。なお、この湿度センサは、センサ部４１に含まれてもよい。
また、調湿部１０は、図１のように信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、調湿部１０と制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。また、調湿部１０は、制御部１７からの信号により「加湿可能な状態となる」ことができる。
【０１２２】
７．水素貯蔵部
水素貯蔵部１２は、水電解部２１により発生させた水素ガスを貯蔵することができるように設けられ、また、貯蔵した水素ガスを燃料電池部２２に供給できるように設けられる。また、水素貯蔵部１２は水素流路を介して水電解部２１または燃料電池部２２と導通することができる。
水素貯蔵部１２は、例えば、圧縮水素タンク、水素吸蔵合金である。また、水素貯蔵部１２が圧縮水素タンクの場合、水素貯蔵部１２は、水電解部２１により発生させた水素ガスを圧縮させるための圧縮機を備えてもよい。なお、除湿部４９が圧縮方式である場合、除湿部４９で圧縮した水素ガスを圧縮水素タンクに貯蔵することができ、水素貯蔵部１２が圧縮機を備えなくてもよい。
【０１２３】
８．水素流路、空気（酸素ガス）流路
水素流路は、水電解部２１により発生させた水素ガスが除湿部４９を流れ、水素貯蔵部１２に貯蔵される経路と、燃料電池部２２の燃料となる水素ガスが加湿部４８を流れ燃料電池部２２の燃料極５１に供給される経路とを有してもよい。また、水素流路は、水素ガスが流れる経路を変更できるように設けられた複数のバルブを有してもよい。このことにより水電解部２１の稼働状況および燃料電池部２２の稼働状況に合わせて水素流路を変更することができる。なお、これらのバルブは信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、これらのバルブと制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。また、バルブは、水素流路または空気流路を流れる気体の流量を調節できるように設けられてもよい。また、水素流路または空気流路は、流量調節弁を備えてもよく、流量計を備えてもよい。
【０１２４】
また、水素流路は、燃料電池部２２に含まれる燃料流路６０を流通した水素ガスが再び燃料電池部２２に供給されるような経路を有してもよく、水素ボンベの水素ガスが燃料電池部２２に供給されるような経路を有してもよい。これらの経路もバルブにより変更することができ、制御部１７により制御されてもよい。なお、燃料流路６０を流通した水素ガスは、凝縮器４５により水素ガスに含まれる水が除去されてもよい。
水素流路は、例えば、図２のように設けることができる。
【０１２５】
空気流路は、水電解部２１により発生させた酸素ガスが除湿部４９を流れ、空気圧縮機４４に貯蔵される経路と、空気圧縮機４４の空気または酸素ガスが加湿部４８を流れ燃料電池部２２の空気極５２に供給される経路とを有してもよい。また、空気流路は、空気（酸素ガス）が流れる経路を変更できるように設けられた複数のバルブを有してもよい。このことにより水電解部２１の稼働状況および燃料電池部２２の稼働状況に合わせて空気流路を変更することができる。なお、これらのバルブは信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、これらのバルブと制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。また、空気流路は、燃料電池部２２に含まれる空気流路６１を流れた空気（酸素ガス）が外部へ排出されるように設けられてもよい。また、空気（酸素ガス）を排出する前に凝縮器４５により空気（酸素ガス）に含まれる水を除去してもよい。
空気流路は、例えば、図２のように設けることができる。
【０１２６】
９．水流路
水流路は、調湿部１０（加湿部４８、除湿部４９）、水電解部２１および凝縮器４５と水タンク４６とを導通させるように設けることができる。水流路は、水を流通させるためにポンプまたはバルブを有することができる。
水流路は、例えば図２のように設けることができる。図２を用いて説明すると、水タンク４６に溜めた水をポンプ１（Ｐ１）により水電解部２１に供給することにより水電解部２１中の電解液の減少を防止することができる。また、凝縮器４５により分離した水をバルブ９、１０（Ｖ９、Ｖ１０）を開くことにより水タンク４６に回収することができる。また、除湿部４９により発生した水は加湿部４８で利用することができ、また、Ｐ２、Ｐ３で加湿部４８に水タンク４６の水を供給することができる。
なお、これらのバルブ、ポンプは信号線により制御部１７と接続してもよく、制御部１７の信号により制御されてもよい。また、これらのバルブ、ポンプと制御部１７は、無線により信号の送受信ができるように設けられてもよい。
【０１２７】
１０．センサ部
センサ部４１は、日射量計または照度センサを含むことができる。このことにより、光電変換部２に入射する光量に関する情報を得ることができる。また、センサ部４１に含まれる日射量計または照度センサの出力は、「光電変換部２の光起電力に関する情報」となってもよい。
また、センサ部４１は、燃料電池部２２に供給する水素ガスまたは空気（酸素ガス）の湿度を検知する湿度センサを含むことができる。
センサ部４１は制御部１７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４１の検知信号に基づき制御部１７により本実施形態の発電システムを制御することができる。
【０１２８】
１１．制御部
制御部１７は、光電変換部２の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて発電システムを制御する機能を備える。また、制御部１７は、切換部２９、燃料電池部２２、調湿部１０、センサ部４１、バルブおよびポンプと信号線または無線により接続することができる。また、制御部１７は、外部の情報通信網と接続することができる。このことにより、制御部１７により本実施形態の発電システムを制御することができる。
【０１２９】
制御部１７は、入力手段、設定手段、出力手段を有することができる。また、制御部１７は、入力手段による入力をするため、または出力手段により出力をするために、有線または無線の信号線によりセンサ部１４、外部情報網、サーバー、調湿部１０、燃料電池部２２、切換部２９、バルブ、ポンプ、光電変換部２などと接続することができる。
【０１３０】
入力手段は、例えば、センサ部４１からの信号または光電変換部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１７は、「光電変換部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１７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、切換部２９に含まれるスイッチのオン・オフ、燃料電池部２２の起動・停止・出力の調整、調湿部１０の起動・停止、バルブの開閉、ポンプの起動・停止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調湿部１０、燃料電池部２２、切換部２９、バルブ、ポンプなどに出力することができる。調湿部１０、燃料電池部２２、切換部２９、バルブ、ポンプなどはこの出力手段から出力された情報により制御されることができる。
これらの手段により本実施形態の発電システムを制御することができる。
【０１３１】
図１９は、制御部により発電システム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、発電システム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。
ここでは、図１〜４、図１９により発電システムの各モードについて説明する。なお、ここでは、上述の水素製造装置２３と燃料電池部２２を備えた発電システムについて説明する。また、水素製造装置２３の他に太陽電池パネルを備えた発電システムについても説明する。この場合、光電変換部２は、水素製造装置２３に含まれるものと、太陽電池パネルに含まれるものとになり、複数となる。
【０１３２】
まず、制御部１７は、入力手段により光電変換部２の光起電力（光電変換部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。光電変換部２の光起電力は、光電変換部２の配線や切換部２９の配線から測定した光電変換部２の光起電力であってもよく、センサ部４１に含まれる日射計や照度計などから予測される光電変換部２の光起電力であってもよい。後者の場合、入力部に入力されるのは、日射量や照度となり、制御部１７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。
【０１３３】
次に、制御部１７は、光電変換部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、光電変換部２の光起電力の場合、光起電力を外部回路に出力、または水電解部２１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、光電変換部２または燃料電池部２２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１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システム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、発電システム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１７は、切換部２９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、バルブに対しては閉じる信号、ポンプ、燃料電池部２２、調湿部１０に対してはＯＦＦとする信号を出力することができる。このことにより発電システムを待機モードとすることができる。
【０１３４】
制御部１７が光電変換部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１７は、光電変換部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１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システムを燃料電池発電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、発電システムにより電力を供給する必要がある場合である。
このような場合、例えば、制御部１７は、燃料電池部２２が起動する信号を燃料電池部２２に対して出力し、加湿部４８に対してＯＮとする信号を出力し、Ｖ１（バルブ１）またはＶ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を開ける信号を各バルブに出力する。また、制御部１７は、切換部２９に対して、ＳＷ７（スイッチ７）およびＳＷ８をＯＮとする信号を出力する。このことにより、第１外部回路に燃料電池部２２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。
この後、制御部１７は、燃料電池発電制御信号を燃料電池部２２などに出力することができる。具体的には、制御部１７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部２２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部２２、調湿部１０、バルブなどに出力することができる。
【０１３５】
制御部１７が、光電変換部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１７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１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システムを水素生成モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、日中であり、発電システム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、制御部１７は、切換部２９に対しＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦとし、ＳＷ３、ＳＷ４をＯＮとする信号を出力する。このことにより、光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力することができ、水電解部２１により水素ガスを製造することができる。また、発電システムが太陽電池パネルを備える場合、具体的には、発電システムが図４のような電気回路図を有する場合、制御部１７は、切換部２９に対しＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ１１、ＳＷ１２をＯＦＦとし、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ９、ＳＷ１０をＯＮとする信号を出力する。このことにより、水素製造装置２３に含まれる光電変換部２の光起電力と、太陽電池パネルの光起電力との両方を利用して水電解部２１により水素ガスを製造することができる。
また、制御部１７は、除湿部４９、空気圧縮機４４、水素貯蔵部１２に対してＯＮとする信号を出力し、Ｖ２（バルブ２）、Ｖ３、Ｖ７、Ｖ８に対してバルブを開く信号を出力することができる。このことにより、水電解部２１で発生させた水素ガスおよび酸素ガスを除湿部４９で除湿した後、それぞれ水素貯蔵部１２および空気圧縮機４４に貯蔵することができる。この貯蔵した水素ガスおよび酸素ガスは、燃料電池部２２を稼動させたときに燃料電池部２２に供給することができる。
【０１３６】
制御部１７が、光電変換部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１７は、光電変換部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１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システムを太陽電池＋燃料電池発電モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、日中であり、発電システム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。
このような場合、制御部１７は、例えば、燃料電池部２２が起動する信号を燃料電池部２２に対して出力し、加湿部４８に対してＯＮとする信号を出力し、Ｖ１（バルブ１）またはＶ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を開ける信号を各バルブに出力する。また、制御部１７は、切換部２９に対して、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ７およびＳＷ８をＯＮとし、ＳＷ３、ＳＷ４をＯＦＦとする信号を出力する。このことにより、燃料電池部２２が発電した電力と、光電変換部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。
この後、制御部１７は、燃料電池発電制御信号を燃料電池部２２などに出力することができる。具体的には、制御部１７は、入力手段により需要電力および光電変換部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部２２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部２２、調湿部１０、バルブなどに出力することができる。
【０１３７】
制御部１７が、光電変換部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１７は、光電変換部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１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システムを太陽電池発電モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、日中であり、需要電力を光電変換部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。
このような場合、制御部１７は、例えば、切換部２９に対して、ＳＷ１、ＳＷ２をＯＮとし、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ７およびＳＷ８をＯＦＦとする信号を出力する。このことにより、光電変換部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。
【０１３８】
制御部１７が光電変換部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１７は、出力手段から、発電システムを太陽電池発電＋水素生成モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、日中であり、需要電力を光電変換部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。
例えば、図４のように発電システムが複数の光電変換部２を有する場合、一部の光電変換部２の光起電力を水電解部２１に出力し、他の光電変換部２の光起電力を第１外部回路に出力することができる。切換部２９が図４のような電気回路を有する場合、制御部１７は、切換部２９に対してＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１１、ＳＷ１２をＯＮとし、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ９、ＳＷ１０をＯＦＦとする信号を出力することができる。このことにより光電変換部２の光起電力を水電解部２１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。
【０１３９】
図１９のようなフローチャートにより、発電システムを各モードに切り換えることができるが、例えば、太陽電池発電モードから太陽電池＋燃料電池発電モードに切り換える場合、燃料電池部２２が起動し一定の電力を供給するために一定の時間を要するために一時的に電力不足が生じるおそれがある。この電力不足が生じるのを抑制するために、需要電力をある程度大きくすることが考えられるが、この場合、燃料電池部２２の起動が早くなりエネルギー損失が生じるおそれがある。
このような電力不足が生じるのを抑制することができ、エネルギー損失をできるだけ少なくする方法として、燃料電池部２２による発電を開始する前に燃料電池部２２、調湿部１０を燃料電池発電準備モードとすることが考えられる。
【０１４０】
図２０は、制御部１７により発電システムを太陽電池発電モードから太陽電池＋燃料電池発電モードに切り換える場合のフローチャートである。図２０を用いて燃料電池発電準備モードについて説明する。なお、ここでは太陽電池発電モードから太陽電池＋燃料電池発電モードへの切り換えについて説明するが、他の場合で燃料電池部２２を起動させるときにも光電変換部２の光起電力または需要電力に基づいて燃料電池部２２および調湿部１０を燃料電池発電準備モードとすることもできる。
光電変換部２の光起電力が需要電力を上回り、余剰電力があまりないとき、発電システムは、太陽電池発電モード制御される。この場合、光電変換部２に入射する光量の減少による光起電力の減少や、需要電力の増加が生じると、発電システムを太陽電池＋燃料電池発電モードに切り換える必要が生じる。
この切り換えのため、まず、制御部１７は、入力手段により光電変換部２の光起電力および需要電力を入力することができる。次に、制御部１７は、光起電力から需要電力を引いた差が所定値を下回っているか否かを判断する。この所定値は、電力不足が生じないための値に設定することができる。
【０１４１】
制御部１７が光起電力から需要電力を引いた差が所定値を下回っていると判断した場合、制御部１７は、出力手段から、燃料電池部２２および調湿部１０を燃料電池発電準備モードとする信号を各構成要素に出力する。例えば、制御部１７は、燃料電池部２２に対し、作動温度以下の所定温度まで昇温する信号を出力し、水素流路内および空気流路内の加湿部４８をＯＮとする信号を出力することができる。このことにより、燃料電池部２２をすぐに作動温度とすることができ、燃料電池部２２にすぐに加湿された水素ガスと加湿された空気とを供給できる状態である燃料電池発電準備モードとすることができる。
この後、制御部１７は、光電変換部２の光起電力が需要電力を下回っているか否かを判断する。制御部１７が光電変換部２の光起電力が需要電力を下回っていると判断した場合、制御部１７は、出力手段から、発電システムを太陽電池＋燃料電池発電モードとする信号を各構成要素に出力する。
このとき、燃料電池部２２および調湿部１０をあらかじめ燃料電池発電準備モードとしているため、燃料電池部２２は、早く発電電力を第１外部回路に出力することができ、電力不足が生じるのを抑制することができる。また、燃料電池部２２をあらかじめ燃料電池発電準備モードとすることにより、燃料電池部２２を早めに起動する必要がなくなり、エネルギー損失を抑制することができる。
【符号の説明】
【０１４２】
１：透光性基板 ２：光電変換部 ４：第１電極 ５：第２電極 ７：第２電解用電極 ８：第１電解用電極 ９：第１導電部 １０：調湿部 １１：絶縁部 １２：水素貯蔵部 １３：隔壁 １４：第２基板 １５：電解液室 １６：シール材 １７：制御部 １８：給水口 １９：第２気体排出口 ２０：第１気体排出口 ２１：水電解部 ２２：燃料電池部 ２３：水素製造装置 ２４：第２導電部 ２５：第３導電部 ２８：光電変換層 ２９：切換部 ３０：透光性電極 ３１：裏面電極 ３３：第４導電部 ３５：半導体部 ３６：ｐ型半導体部 ３７：ｎ型半導体部 ４０：アイソレーション ４１：センサ部 ４２：水素ボンベ ４４：空気圧縮機 ４５：凝縮器 ４６：水タンク ４８：加湿部 ４９：除湿部 ５０：配線 ５１：燃料極 ５２：空気極 ５３：電解質膜 ５５：集電板 ５７：セパレータ ５８：接続板 ６０：燃料流路 ６１：空気流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または前記水電解部に出力する光電変換部と、需要電力または前記光電変換部の光起電力に応じて、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部と、前記水電解部により発生させた水素ガスを貯蔵し、貯蔵した水素ガスを前記燃料電池部に供給する水素貯蔵部と、前記燃料電池部に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部と、制御部とを備え、
前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて、前記調湿部を制御する機能を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報および需要電力に関する情報に基づいて、前記燃料電池部へ水素ガスまたは空気の供給を始める前に前記調湿部が加湿可能な状態となるように前記調湿部を制御する機能を備える請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報および需要電力に関する情報に基づいて、前記燃料電池部へ水素ガスまたは空気の供給を始める前に前記燃料電池部が作動温度以下の所定の温度に昇温するように前記燃料電池部を制御する機能をさらに備える請求項１または２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記調湿部は、前記水素貯蔵部に貯蔵する水素ガスの湿度を調節する請求項１〜３のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項５】
前記調湿部は、加湿部および除湿部を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項６】
水素流路をさらに備え、
前記水素流路は、前記水電解部により発生させた水素ガスが前記除湿部を流れ、前記水素貯蔵部に貯蔵される経路と、前記燃料電池部の燃料となる水素ガスが前記加湿部を流れ前記燃料電池部に供給される経路とを有する請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
前記水素流路は、水素ガスが流れる経路を変更できるように設けられた複数のバルブを有する請求項６に記載の発電システム。
【請求項８】
前記光電変換部の光起電力を前記水電解部に出力する回路と、前記光電変換部の光起電力を外部出力する回路とを切り換える切換部をさらに備える請求項１〜７のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項９】
前記切換部は、前記光電変換部の光起電力および前記燃料電池部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８に記載の発電システム。
【請求項１０】
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発電システムの制御モード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発電システムの構成要素に出力する出力手段とを備える請求項１〜９のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項１１】
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１０に記載の発電システム。
【請求項１２】
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１０または１１に記載の発電システム。
【請求項１３】
前記光電変換部は、受光面とその裏面を有し、
前記水電解部は、前記光電変換部の裏面側に設けられ、
前記光電変換部および前記水電解部は、水素製造装置を構成する請求項１〜１２のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項１４】
前記水素製造装置は、前記光電変換部の裏面上にそれぞれ設けられた第１電解用電極および第２電解用電極を有し、
前記光電変換部の受光面に太陽光が入射し第１および第２電解用電極が電解液と接触するとき、
第１および第２電解用電極は、前記光電変換部が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体を発生させることができるように設けられ、
第１気体および第２気体のうち、一方は水素ガスであり他方は酸素ガスである請求項１３に記載の発電システム。
【請求項１５】
前記光電変換部は、受光することによりその受光面と裏面との間に起電力が生じ、
第１電解用電極は、前記光電変換部の裏面と電気的に接続することができるように設けられ、
第２電解用電極は、前記光電変換部の受光面と電気的に接続することができるように設けられた請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１６】
前記水素製造装置は、第２電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた絶縁部をさらに備える請求項１５に記載の発電システム。
【請求項１７】
前記水素製造装置は、前記光電変換部の受光面に接触する第１電極をさらに備える請求項１６に記載の発電システム。
【請求項１８】
前記水素製造装置は、第１電極と第２電解用電極とを電気的に接続する第１導電部をさらに備える請求項１７に記載の発電システム。
【請求項１９】
第１導電部は、前記光電変換部を貫通するコンタクトホールに設けられた請求項１８に記載の発電システム。
【請求項２０】
前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、
第１導電部は、前記絶縁部の一部であり前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられた請求項１８に記載の発電システム。
【請求項２１】
前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、
第２電解用電極は、前記絶縁部の一部であり前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられ、かつ、第１電極と接触する請求項１７に記載の発電システム。
【請求項２２】
前記光電変換部は、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層およびｎ型半導体層からなる光電変換層を有する請求項１５〜２１のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項２３】
前記光電変換部は、受光することにより前記光電変換部の裏面の第１および第２区域間に電位差が生じ、
第１区域は、第１電解用電極と電気的に接続するように設けられ、第２区域は、第２電解用電極と電気的に接続するように設けられた請求項１４に記載の発電システム。
【請求項２４】
前記水素製造装置は、第１および第２電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられ、かつ、第１区域上および第２区域上に開口を有する絶縁部をさらに備える請求項２３に記載の発電システム。
【請求項２５】
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２３または２４に記載の発電システム。
【請求項２６】
前記水素製造装置は、透光性基板をさらに備え、
前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられた請求項１４〜２５のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項２７】
前記光電変換部は、直列接続した複数の光電変換層を含み、
前記複数の光電変換層は、受光することにより生じる起電力を第１電解用電極および第２電解用電極に供給するように設けられた請求項１４〜２６のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項２８】
第１電解用電極および第２電解用電極のうち、一方は電解液からＨ2を発生させる水素発生部であり、他方は電解液からＯ2を発生させる酸素発生部であり、
前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からＨ2が発生する反応の触媒である水素発生触媒および電解液からＯ2が発生する反応の触媒である酸素発生触媒を含む請求項１４〜２７のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項２９】
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、前記光電変換部の受光面の面積より大きい触媒表面積を有する請求項２８に記載の発電システム。
【請求項３０】
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２８または２９に記載の発電システム。
【請求項３１】
前記水素発生触媒は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｆｅ、ＮｉおよびＳｅのうち少なくとも１つを含む請求項２８〜３０のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項３２】
前記酸素発生触媒は、Ｍｎ、Ｃａ、Ｚｎ、ＣｏおよびＩｒのうち少なくとも１つを含む請求項２８〜３１のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項３３】
前記水素製造装置は、透光性基板と、電解液室と、第１電解用電極および第２電解用電極の上に設けられた背面基板とをさらに備え、
前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられ、
前記電解液室は、第１電解用電極および第２電解用電極と前記背面基板との間に設けられた請求項１４〜３２のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項３４】
前記水素製造装置は、第１電解用電極と前記背面基板との間の電解液室および第２電解用電極と前記背面基板との間の電解液室とを仕切る隔壁をさらに備える請求項３３に記載の発電システム。
【請求項３５】
前記隔壁は、イオン交換体を含む請求項３４に記載の発電システム。
【請求項１】
水を電気分解し水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解部と、太陽光を受光することにより生じる光起電力を外部出力または前記水電解部に出力する光電変換部と、需要電力または前記光電変換部の光起電力に応じて、水素ガスを燃料として発電し起電力を外部出力する燃料電池部と、前記水電解部により発生させた水素ガスを貯蔵し、貯蔵した水素ガスを前記燃料電池部に供給する水素貯蔵部と、前記燃料電池部に供給する水素ガスまたは空気の湿度を調節する調湿部と、制御部とを備え、
前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報または需要電力に関する情報に基づいて、前記調湿部を制御する機能を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報および需要電力に関する情報に基づいて、前記燃料電池部へ水素ガスまたは空気の供給を始める前に前記調湿部が加湿可能な状態となるように前記調湿部を制御する機能を備える請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記光電変換部の光起電力に関する情報および需要電力に関する情報に基づいて、前記燃料電池部へ水素ガスまたは空気の供給を始める前に前記燃料電池部が作動温度以下の所定の温度に昇温するように前記燃料電池部を制御する機能をさらに備える請求項１または２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記調湿部は、前記水素貯蔵部に貯蔵する水素ガスの湿度を調節する請求項１〜３のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項５】
前記調湿部は、加湿部および除湿部を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項６】
水素流路をさらに備え、
前記水素流路は、前記水電解部により発生させた水素ガスが前記除湿部を流れ、前記水素貯蔵部に貯蔵される経路と、前記燃料電池部の燃料となる水素ガスが前記加湿部を流れ前記燃料電池部に供給される経路とを有する請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
前記水素流路は、水素ガスが流れる経路を変更できるように設けられた複数のバルブを有する請求項６に記載の発電システム。
【請求項８】
前記光電変換部の光起電力を前記水電解部に出力する回路と、前記光電変換部の光起電力を外部出力する回路とを切り換える切換部をさらに備える請求項１〜７のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項９】
前記切換部は、前記光電変換部の光起電力および前記燃料電池部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８に記載の発電システム。
【請求項１０】
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発電システムの制御モード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発電システムの構成要素に出力する出力手段とを備える請求項１〜９のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項１１】
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１０に記載の発電システム。
【請求項１２】
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１０または１１に記載の発電システム。
【請求項１３】
前記光電変換部は、受光面とその裏面を有し、
前記水電解部は、前記光電変換部の裏面側に設けられ、
前記光電変換部および前記水電解部は、水素製造装置を構成する請求項１〜１２のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項１４】
前記水素製造装置は、前記光電変換部の裏面上にそれぞれ設けられた第１電解用電極および第２電解用電極を有し、
前記光電変換部の受光面に太陽光が入射し第１および第２電解用電極が電解液と接触するとき、
第１および第２電解用電極は、前記光電変換部が受光することより生じる起電力を利用して電解液を電気分解しそれぞれ第１気体および第２気体を発生させることができるように設けられ、
第１気体および第２気体のうち、一方は水素ガスであり他方は酸素ガスである請求項１３に記載の発電システム。
【請求項１５】
前記光電変換部は、受光することによりその受光面と裏面との間に起電力が生じ、
第１電解用電極は、前記光電変換部の裏面と電気的に接続することができるように設けられ、
第２電解用電極は、前記光電変換部の受光面と電気的に接続することができるように設けられた請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１６】
前記水素製造装置は、第２電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられた絶縁部をさらに備える請求項１５に記載の発電システム。
【請求項１７】
前記水素製造装置は、前記光電変換部の受光面に接触する第１電極をさらに備える請求項１６に記載の発電システム。
【請求項１８】
前記水素製造装置は、第１電極と第２電解用電極とを電気的に接続する第１導電部をさらに備える請求項１７に記載の発電システム。
【請求項１９】
第１導電部は、前記光電変換部を貫通するコンタクトホールに設けられた請求項１８に記載の発電システム。
【請求項２０】
前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、
第１導電部は、前記絶縁部の一部であり前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられた請求項１８に記載の発電システム。
【請求項２１】
前記絶縁部は、前記光電変換部の側面を覆うように設けられ、
第２電解用電極は、前記絶縁部の一部であり前記光電変換部の側面を覆う部分の上に設けられ、かつ、第１電極と接触する請求項１７に記載の発電システム。
【請求項２２】
前記光電変換部は、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層およびｎ型半導体層からなる光電変換層を有する請求項１５〜２１のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項２３】
前記光電変換部は、受光することにより前記光電変換部の裏面の第１および第２区域間に電位差が生じ、
第１区域は、第１電解用電極と電気的に接続するように設けられ、第２区域は、第２電解用電極と電気的に接続するように設けられた請求項１４に記載の発電システム。
【請求項２４】
前記水素製造装置は、第１および第２電解用電極と前記光電変換部の裏面との間に設けられ、かつ、第１区域上および第２区域上に開口を有する絶縁部をさらに備える請求項２３に記載の発電システム。
【請求項２５】
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２３または２４に記載の発電システム。
【請求項２６】
前記水素製造装置は、透光性基板をさらに備え、
前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられた請求項１４〜２５のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項２７】
前記光電変換部は、直列接続した複数の光電変換層を含み、
前記複数の光電変換層は、受光することにより生じる起電力を第１電解用電極および第２電解用電極に供給するように設けられた請求項１４〜２６のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項２８】
第１電解用電極および第２電解用電極のうち、一方は電解液からＨ2を発生させる水素発生部であり、他方は電解液からＯ2を発生させる酸素発生部であり、
前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ電解液からＨ2が発生する反応の触媒である水素発生触媒および電解液からＯ2が発生する反応の触媒である酸素発生触媒を含む請求項１４〜２７のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項２９】
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、前記光電変換部の受光面の面積より大きい触媒表面積を有する請求項２８に記載の発電システム。
【請求項３０】
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２８または２９に記載の発電システム。
【請求項３１】
前記水素発生触媒は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｆｅ、ＮｉおよびＳｅのうち少なくとも１つを含む請求項２８〜３０のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項３２】
前記酸素発生触媒は、Ｍｎ、Ｃａ、Ｚｎ、ＣｏおよびＩｒのうち少なくとも１つを含む請求項２８〜３１のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項３３】
前記水素製造装置は、透光性基板と、電解液室と、第１電解用電極および第２電解用電極の上に設けられた背面基板とをさらに備え、
前記光電変換部は、前記透光性基板の上に設けられ、
前記電解液室は、第１電解用電極および第２電解用電極と前記背面基板との間に設けられた請求項１４〜３２のいずれか１つに記載の発電システム。
【請求項３４】
前記水素製造装置は、第１電解用電極と前記背面基板との間の電解液室および第２電解用電極と前記背面基板との間の電解液室とを仕切る隔壁をさらに備える請求項３３に記載の発電システム。
【請求項３５】
前記隔壁は、イオン交換体を含む請求項３４に記載の発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
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【図１５】
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【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１３−４４０３２（Ｐ２０１３−４４０３２Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８３７３９（Ｐ２０１１−１８３７３９）
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【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２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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