特許 5895562 水素製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5895562

(24)【登録日】2016年3月11日

(45)【発行日】2016年3月30日

(54)【発明の名称】水素製造装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/04 20060101AFI20160317BHJP

   B01J 35/02 20060101ALI20160317BHJP

【ＦＩ】

   C01B3/04 A

   B01J35/02 J

【請求項の数】3

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-19159(P2012-19159)

(22)【出願日】2012年1月31日

(65)【公開番号】特開2013-155101(P2013-155101A)

(43)【公開日】2013年8月15日

【審査請求日】2015年1月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】591261509

【氏名又は名称】株式会社エクォス・リサーチ

(74)【代理人】

【識別番号】100116207

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 俊明

(74)【代理人】

【識別番号】100089635

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 守

(74)【代理人】

【識別番号】100096426

【弁理士】

【氏名又は名称】川合 誠

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 敬一

(72)【発明者】

【氏名】岡田 真規

【審査官】 村岡 一磨

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／０８９９０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−２８４６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１２９４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０５５８５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３１３０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２６７５５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３／００−３／５８

Ｂ０１Ｊ ３５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

陰極部材と、光触媒を含む陽極部材とを有し、前記光触媒が光を受光することによって水を電気分解して水素及び酸素を生成する水素製造装置であって、
前記陰極部材及び陽極部材を保持するとともに、内部に電解液収容空間を形成するフレームと、
前記陽極部材と導通する電気的接続部とを有し、
前記陽極部材は、一方の面に光触媒を付着させた基板と、前記一方の面に形成された導電膜とを備え、
前記電気的接続部は、前記基板の周辺部において前記一方の面に形成された導電膜に接触する導電板に接続され、
該導電板は段付部を含み、該段付部の平板部は、前記基板の電解液収容空間側に配設され、前記導電膜に対向し、
前記フレームは、前記電解液収容空間の周囲を画定する内側フレームと、該内側フレームの外側に配設される外側フレームとを備え、
前記内側フレームは前記段付部を収容する凹部を備え、
前記基板及び導電板は前記内側フレームと外側フレームとの間に配設され、
前記基板の周辺部は前記凹部の少なくとも一部を覆い、前記凹部に収容された段付部の平板部と対向する
ことを特徴とする水素製造装置。

【請求項2】

前記電解液収容空間は、その上端及び下端が前記陽極部材及び陰極部材によって画定され、
前記一方の面は、前記基板の電解液収容空間側の面である
請求項１に記載の水素製造装置。

【請求項3】

前記導電板は、弾性的に変形可能な部材を介して、前記導電膜に接触する
請求項１又は２に記載の水素製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素製造装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、太陽光エネルギーを利用して水を電気分解することによって水素を製造する水素製造装置の開発が行われているが、近年は、高性能の半導体光触媒を使用して水を電気分解する技術の研究が進んでいる（例えば、非特許文献１及び２参照。）。

【0003】

このような水素製造装置によって製造された水素を貯蔵して、例えば、燃料電池システム等に供給するようにすることは、不安定な自然エネルギーである太陽エネルギーを水素という貯蔵可能な安定した形態のエネルギーに変換して利用することを意味し、化石資源に依存しないエネルギー社会の実現に貢献することとなる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】佐山和弘、「触媒」、Vol.47、 No. 4 (2005) 、p.267

【非特許文献2】Y.Miseki et al. Phys. CHEM. Lett. (2010)1 、1196-1200

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、前記従来の水素製造装置においては、光触媒粉末の水素発生効率が必ずしも高いものでないことや、十分な量の水素を製造するためには、水分解で得られた生成ガスを分離したりする必要性から装置サイズを大きくしなければならない。そのため建物の屋根、壁面等のような狭く不定形の場所に設置することも困難である。

【0006】

本発明は、前記従来の水素製造装置の問題点を解決して、光触媒を凝縮し作成した電極、すなわち光触媒電極を作成することで水分解装置を小型化することができ、水素を高い効率で製造することができ、小型で任意の配置形態で複数個連結することができ、かつ生成ガスを電解質膜を介して容易に分離することができ、種々の面積の種々の形状のスペースに配設することができる水素製造装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

そのために、本発明の水素製造装置においては、陰極部材と、光触媒を含む陽極部材とを有し、前記光触媒が光を受光することによって水を電気分解して水素及び酸素を生成する水素製造装置であって、前記陰極部材及び陽極部材を保持するとともに、内部に電解液収容空間を形成するフレームと、前記陽極部材と導通する電気的接続部とを有し、前記陽極部材は、一方の面に光触媒を付着させた基板と、前記一方の面に形成された導電膜とを備え、前記電気的接続部は、前記基板の周辺部において前記一方の面に形成された導電膜に接触する導電板に接続され、該導電板は段付部を含み、該段付部の平板部は、前記基板の電解液収容空間側に配設され、前記導電膜に対向し、前記フレームは、前記電解液収容空間の周囲を画定する内側フレームと、該内側フレームの外側に配設される外側フレームとを備え、前記内側フレームは前記段付部を収容する凹部を備え、前記基板及び導電板は前記内側フレームと外側フレームとの間に配設され、前記基板の周辺部は前記凹部の少なくとも一部を覆い、前記凹部に収容された段付部の平板部と対向する。

【発明の効果】

【0008】

請求項１の構成によれば、基板を小型化することができ、電気抵抗を低くすることができ、水素を高い効率で製造することができる。また、水素製造装置同士を容易に接続することができるので、任意の個数の水素製造装置を任意の配置形態で連結することができ、種々の面積の種々の形状のスペースに水素製造装置を配設することができる。さらに、導電板の上面と基板の上面との高さを揃（そろ）えることができ、導電板及び基板をフレームによって確実に保持することができる。さらに、簡単な構造でありながら、導電板と導電膜とが確実に導通し、かつ、導電板及び基板をフレームによって確実に保持することができる。

【0009】

請求項２の構成によれば、一般的に電気抵抗が高い導電膜を他方の面にまで形成する必要がなく、構造を簡素化することができ、電気抵抗を低くすることができる。

【0011】

請求項３の構成によれば、導電板の面と基板の面との距離にばらつきがあっても、導電板と導電膜とが確実に導通する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施の形態における水素製造装置を示す斜視図である。

【図2】本発明の実施の形態における水素製造装置を含む水素製造システムの構成を示す概略図である。

【図3】本発明の実施の形態における水素製造装置の動作原理を説明する図である。

【図4】本発明の実施の形態における水素製造装置の分解図である。

【図5】本発明の実施の形態における水素製造装置の二面図である。

【図6】本発明の実施の形態における水素製造装置の断面図であり図５におけるＡ−Ａ矢視断面図である。

【図7】本発明の実施の形態における水素製造装置の要部拡大断面図であり図６におけるＢ部拡大図である。

【図8】本発明の実施の形態における水素製造装置を複数個連結する前の状態を示す斜視図である。

【図9】本発明の実施の形態における水素製造装置を複数個連結した状態を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【0015】

図１は本発明の実施の形態における水素製造装置を示す斜視図、図２は本発明の実施の形態における水素製造装置を含む水素製造システムの構成を示す概略図、図３は本発明の実施の形態における水素製造装置の動作原理を説明する図である。

【0016】

図において、１０は本実施の形態における水素製造装置としての水素製造モジュールであり、太陽光等の光を受光して電解液を含む水を酸化することによって酸素を生成する光触媒と、水分解にて精製されたプロトンを還元して水素を生成する低電圧電気分解とを組み合わせたものである。具体的には、前記水素製造モジュール１０は、ＷＯ₃ （酸化タングステン）から成る光触媒を一面に付着させたガラス等の透明基板を備える陽極部材２１と、耐食性の強い鋼などの導電性金属から成る陰極部材３１とを有し、図３に示されるような動作原理に従って水素を生成する。なお、前記光触媒の材料は、必ずしもＷＯ₃ に限定されるものでなく、ＴｉＯ₂ （二酸化チタン）、ＳｒＴｉＯ₃ （チタン酸ストロンチウム）、ＢａＴｉＯ₃ （チタン酸バリウム）、ＺｒＯ（酸化亜鉛）、ＳｎＯ₂ （二酸化錫（すず））、ＣｄＳ（硫化カドミウム）等の任意の物質を選択することができる。

【0017】

図３において、７４は太陽等の光源であり、該光源７４からの光は陽極部材２１を照射する。また、６４は陽極部材２１と陰極部材３１との間に所定の電圧を印加するための電池等の外部電源であって、導電線６３を介して、陽極部材２１及び陰極部材３１に接続されている。なお、前記所定の完全水分解する電圧は、半導体のバンドギャップ幅できまる。例えば、酸化タングステン電極ならば０．８〔Ｖ〕程度の低電圧で完全水分解が可能である。これにより、水中に配設された陽極部材２１の表面からは酸素が生成され、水中に配設された陰極部材３１の表面からは水素が生成される。

【0018】

図２に示されるように、前記外部電源６４に加えて、水素製造モジュール１０には水循環管路６１、水素排出管路６６、酸素排出管路６８、照度センサ７１、水位ゲージ７２等が接続されている。

【0019】

そして、前記水循環管路６１を介して、水素製造モジュール１０内に水が供給される。また、前記水循環管路６１には、水循環ポンプ６２ａ、流量調整弁６２ｂ等が配設され、水位ゲージ７２が検出した水素製造モジュール１０内の水位が適切な値となるように、水素製造モジュール１０内への水の供給量及び排出量が制御される。なお、前記水循環管路６１には、必要に応じて、フィルタ、リザーブタンク、水源からの管路等を配設することができる。

【0020】

また、水素製造モジュール１０で生成された水素は、水素排出管路６６を通って排出され、水素タンク６７内に貯蔵される。該水素タンク６７内に貯蔵された水素は、例えば、発電のために燃料電池装置に燃料ガスとして供給してもよいし、動力を得るために水素エンジンに、さらには熱エネルギー源としての燃料ガスとして供給してもよい。

【0021】

さらに、水素製造モジュール１０で生成された酸素は、酸素排出管路６８を通って排出され、酸素タンク６９内に貯蔵される。該酸素タンク６９内に貯蔵された酸素は、例えば、発電のために燃料電池装置に酸化ガスとして供給してもよいし、他の用途に使用してもよい。

【0022】

図１に示されるように、本実施の形態における水素製造モジュール１０は、六面体状、具体的には、直方体状の形状を備える。望ましくは、図１における上側の面及び下側の面が正方形であり、該正方形の四辺に接続された四面、すなわち、四つの側面が横長の長方形である。具体的には、水素製造モジュール１０は、内側フレーム１２と、該内側フレーム１２の外側に配設された外側フレーム１１とを含む六面体状、すなわち、直方体状のフレームを有する。なお、前記内側フレーム１２は、上方内側フレーム１２Ｕと下方内側フレーム１２Ｌとを含み、前記外側フレーム１１は、上方外側フレーム１１Ｕと下方外側フレーム１１Ｌとを含んでいる。

【0023】

そして、前記上方外側フレーム１１Ｕには、貫通する窓部１３が形成されている。図に示される例では、正方形である。そして、前記窓部１３内には、陽極部材２１の背面が露出している。これにより、上方外側フレーム１１Ｕの上側の面を照射する光源７４からの光は、窓部１３を通過して陽極部材２１を照射する。そして、前記光源７４からの光は、前記陽極部材２１の透明基板を透過して該透明基板の表面に付着する光触媒を照射する。その結果、水素製造モジュール１０内の水に接している陽極部材２１の表面から酸素が生成される。

【0024】

また、水素製造モジュール１０の側面の長手方向中心付近では、外側フレーム１１の一部が欠落し、内側フレーム１２が露出している。そして、水素製造モジュール１０の側面の長手方向中心における内側フレーム１２の側面には、該側面を厚さ方向に貫通する管路接続部としての側面導孔（こう）１４が形成されている。該側面導孔１４は、上方内側フレーム１２Ｕに形成された上側側面導孔１４Ｕと、下方内側フレーム１２Ｌに形成された下側側面導孔１４Ｌとを含んでいる。前記側面導孔１４は、水素製造モジュール１０の内部と外部とを連通する導通孔であり、その外側端部には、図示されない管路接続継ぎ手、すなわち、ジョイントを接続することができる。そして、図１に示されるように、前記側面導孔１４には、図示されないジョイントを介して、水循環管路６１、水素排出管路６６、酸素排出管路６８等の管路が接続される。なお、前記側面導孔１４の外側端部には、ジョイントに代えて、図示されない栓、蓋（ふた）等の閉鎖具を接続することもできる。これにより、所望の側面導孔１４を閉鎖することができる。

【0025】

さらに、水素製造モジュール１０の側面の長手方向中心における内側フレーム１２と外側フレーム１１との境界には、電気的接続部としての電極接続部４２が配設されている。該電極接続部４２は、外側フレーム１１の側面の外方に延出する凸状端子部４２ａと、外側フレーム１１の側面から内方に凹入する凹状端子部４２ｂとを含んでいる。前記電極接続部４２には、図示されない電気接続部材、すなわち、電気コネクタを接続することができる。そして、図１に示されるように、前記電極接続部４２には、図示されない電気コネクタを介して、外部電源６４からの導電線６３等の電線が接続される。なお、水素製造モジュール１０の隣接する側面同士では、凸状端子部４２ａと凹状端子部４２ｂとの配置の仕方が逆転するようになっている。つまり、図１に示される例で、左側の側面では凸状端子部４２ａが下方に位置し凹状端子部４２ｂが上方に位置するように配置されているのに対して、右側の側面では凸状端子部４２ａが上方に位置し凹状端子部４２ｂが下方に位置するように配置されている。

【0026】

次に、前記水素製造モジュール１０の内部構造について説明する。

【0027】

図４は本発明の実施の形態における水素製造装置の分解図、図５は本発明の実施の形態における水素製造装置の二面図、図６は本発明の実施の形態における水素製造装置の断面図であり図５におけるＡ−Ａ矢視断面図、図７は本発明の実施の形態における水素製造装置の要部拡大断面図であり図６におけるＢ部拡大図である。なお、図５において、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図であり、図７において、（ａ）は本実施の形態の構造を示す図、（ｂ）は比較例の構造を示す図である。

【0028】

図４に示されるように、水素製造モジュール１０は、下側から、下方外側フレーム１１Ｌ、陰極部材３１、下方内側フレーム１２Ｌ、分離膜５１、上方内側フレーム１２Ｕ、陽極部材２１、集電部材４１及び上方外側フレーム１１Ｕ、の順に重ねられた複数の部材を有する。

【0029】

そして、前記上方外側フレーム１１Ｕは、樹脂等の材料から成る一体的に形成された部材であり、平板部１１ａと側板部１１ｂとを備える。前記平板部１１ａは、外形が正方形の平板状部材であるが、中央に正方形の大きな窓部１３が形成されているので、口の字状の形状を備える矩（く）形フランジ状となっている。

【0030】

また、前記側板部１１ｂは、前記平板部１１ａの四つの側縁から下方に向けて直交するように延出する二対の平板状部材である。そして、各側板部１１ｂの長手方向中心には、略矩形の切欠き部１１ｃが形成されている。さらに、互いに対向する一対の側板部１１ｂにおける切欠き部１１ｃの両側からは、一対の係合腕部１１ｄが下方に向けて延出し、他の一対の側板部１１ｂにおける切欠き部１１ｃの両側には、前記係合腕部１１ｄを収容する一対の係合溝部１１ｆが形成されている。なお、各係合腕部１１ｄの下端には係合爪部１１ｅが形成され、各係合溝部１１ｆの上端には前記係合爪部１１ｅと係合する係合凹部１１ｇが形成されている。

【0031】

本実施の形態において、下方外側フレーム１１Ｌは、前記上方外側フレーム１１Ｕと実質的に同じ構造を備え、上下逆様に配置された部材である。そして、図４に示される状態から、上方外側フレーム１１Ｕと下方外側フレーム１１Ｌとを接近させて互いに結合すると、一方の係合腕部１１ｄが相手方の係合溝部１１ｆに収容され、係合爪部１１ｅが係合凹部１１ｇと係合する。これにより、図５に示されるように、上方外側フレーム１１Ｕと下方外側フレーム１１Ｌとが互いに結合して、離間不能となり、単一の外側フレーム１１として機能する。

【0032】

前記陽極部材２１は、図７（ａ）に示されるように、外形が正方形の平板状の透明基板である基板２２の下面に導電膜２３を形成し、さらに、該導電膜２３の下面に光触媒を付着させた部材である。そして、前記陽極部材２１の周囲を囲繞（にょう）するように、導電板としての集電部材４１が配設されている。

【0033】

該集電部材４１は、金属等の導電性の材料から成る一体的に形成された部材であり、口の字状の形状を備える矩形フランジ状の平板部４１ａと、該平板部４１ａの内側縁に接続された段付部４３とを含み、前記基板２２の周辺部において前記導電膜２３に接触する部材である。

【0034】

なお、前記平板部４１ａの外側面であって互いに対向する一対の側板部４１ｂにおける長手方向中心には凹状端子部４２ｂが形成され、他の一対の側板部４１ｂにおける長手方向中心には外方に向けて膨出する膨出部４１ｃが形成されるとともに、該膨出部４１ｃに凸状端子部４２ａが接続されている。前記膨出部４１ｃは、上方外側フレーム１１Ｕと下方外側フレーム１１Ｌとが互いに結合した状態において、前記上方外側フレーム１１Ｕの切欠き部１１ｃ内に収容される。

【0035】

また、図７（ａ）に示されるように、略Ｌ字状の断面形状を備える前記段付部４３は、前記平板部４１ａから下方に延出する連結部４３ｂと、該連結部４３ｂに下端から内方に延出する前記平板部４１ａと平行な接触部４３ａとを含んでいる。そして、該接触部４３ａは、段付部４３の平板部であって、基板２２の下面における周辺部の下方に位置して導電膜２３と対向し、抵抗低減部材４４を介して、前記導電膜２３と接触して電気的に導通する。

【0036】

なお、前記抵抗低減部材４４は、弾性を備える導電性の部材であって上下方向に弾性的に変形可能であり、接触部４３ａの上面又は基板２２の下面の精度が低くても、接触部４３ａの上面と基板２２の下面の導電膜２３との距離のばらつきを吸収する。必要に応じて、前記抵抗低減部材４４を省略し、接触部４３ａの上面を導電膜２３と直接に接触させるようにすることもできる。

【0037】

仮に、前記構成の段付部４３を含む集電部材４１を使用しないとすると、外部電源６４を陽極部材２１の導電膜２３に電気的に接続するためには、図７（ｂ）に示されるように、下面に導電膜２３が塗布された基板２２を上方外側フレーム１１Ｕ及び上方内側フレーム１２Ｕの側面よりも外方に突出させる必要がある。この場合、基板２２の導電膜２３に一般的な電気コネクタを接続することができず、外部電源６４からの導電線６３を接続することが困難である。また、後述するように水素製造モジュール１０同士を接続することも、困難である。さらに、一般的に電気抵抗が高い導電膜２３を導電経路として使用する距離が長くなり、電気導電性が低下してしまう。

【0038】

これに対して、本実施の形態においては、前記構成の段付部４３を含む集電部材４１を使用するので、これらの問題点を解決することができる。

【0039】

また、前記上方内側フレーム１２Ｕは、樹脂等の材料から成る一体的に形成された部材であり、前記上方外側フレーム１１Ｕの平板部１１ａと同様に、口の字状の形状を備える矩形フランジ状となっているが、前記上方外側フレーム１１Ｕの平板部１１ａよりも厚肉（上下方向の寸法が大きい）の部材である。そして、上面側及び下面側に位置する平面部１２ａには、中心の開口部５５Ｕを囲繞（にょう）するように連続した矩形環状のシール収容溝１２ｄが形成されている。該シール収容溝１２ｄ内には、Ｏ−リング等のシール部材５３が収容されている。また、前記上方内側フレーム１２Ｕの互いに対向する一対の側板部１２ｂにおける長手方向中心には外方に向けて膨出する膨出部１２ｃが形成されるとともに、該膨出部１２ｃには上側側面導孔１４Ｕが形成されている。

【0040】

さらに、前記上方内側フレーム１２Ｕの上面側の平面部１２ａには、図７（ａ）に示されるように、前記集電部材４１の段付部４３を収容するための凹部１２ｅが形成されている。該凹部１２ｅの中に前記段付部４３及び抵抗低減部材４４が収容されることによって、上方内側フレーム１２Ｕの平面部１２ａの上面上に位置する基板２２の下面の導電膜２３に、前記抵抗低減部材４４が下方から接触することができる。具体的には、前記基板２２の周辺部は、前記凹部１２ｅの少なくとも一部を覆い、前記凹部１２ｅに収容された段付部４３の接触部４３ａと対向している。また、前記集電部材４１の平板部４１ａは、基板２２とほぼ同様の板厚を備え、基板２２とともに、上方外側フレーム１１Ｕの平板部１１ａと上方内側フレーム１２Ｕの平面部１２ａとによって、上下から挟持される。

【0041】

また、本実施の形態において、前記上方内側フレーム１２Ｕとの間に分離膜５１を挟み込むようになっている。なお、前記分離膜５１は、プロトン交換膜等のイオン交換膜であって、酸素及び水素が透過不能な膜である。

【0042】

前記陽極部材２１及び分離膜５１によって上下が画定され、かつ、上方内側フレーム１２Ｕによって周囲が画定された水素製造モジュール１０の内部空間、すなわち、上方内側フレーム１２Ｕの開口部５５Ｕに相当する空間は、水を分解して酸素を生成する酸素生成空間として機能する。また、前記陰極部材３１及び分離膜５１によって上下が画定され、かつ、下方内側フレーム１２Ｌによって周囲が画定された水素製造モジュール１０の内部空間、すなわち、下方内側フレーム１２Ｌの開口部５５Ｌに相当する空間は、水を分解して水素を生成する水素生成空間として機能する。したがって、酸素排出管路６８は上側側面導孔１４Ｕに接続され、水素排出管路６６は下側側面導孔１４Ｌに接続される。

【0043】

また、前記陰極部材３１は、鋼等の導電性金属から成る平板状の一体的に形成された部材である。そして、その上面３１ａには、エキスパンドメタル、金網、発泡金属等から成る多孔導電部材３２が付着している。該多孔導電部材３２は表面積が広い部材であるので、前記多孔導電部材３２を上面３１ａに付着させることによって、陰極部材３１の表面積を拡大したこととなり、水素の生成効率が上昇する。なお、前記多孔導電部材３２は、省略することもできる。

【0044】

そして、前記陰極部材３１の互いに対向する一対の側板部３１ｂにおける長手方向中心には凹状端子部４２ｂが形成され、他の一対の側板部３１ｂにおける長手方向中心には外方に向けて膨出する膨出部３１ｃが形成されるとともに、該膨出部３１ｃに凸状端子部４２ａが接続されている。前記膨出部３１ｃは、上方外側フレーム１１Ｕと下方外側フレーム１１Ｌとが互いに結合した状態において、該下方外側フレーム１１Ｌの切欠き部１１ｃ内に収容される。なお、前記陰極部材３１は、陽極部材２１と異なり、それ自体が導電性金属から成る部材なので、集電部材４１に相当する部材を使用することなく、凸状端子部４２ａ及び凹状端子部４２ｂを直接形成することができる。換言すると、前記陰極部材３１は、集電部材４１の機能を兼ね備えるものである。

【0045】

前記下方外側フレーム１１Ｌ、陰極部材３１、下方内側フレーム１２Ｌ、分離膜５１、上方内側フレーム１２Ｕ、陽極部材２１、集電部材４１及び上方外側フレーム１１Ｕを組み合わせ、上方外側フレーム１１Ｕと下方外側フレーム１１Ｌとが互いに結合した水素製造モジュール１０の内部には、図６に示されるように、陽極部材２１及び陰極部材３１によって上下が画定され、かつ、上方内側フレーム１２Ｕ及び下方内側フレーム１２Ｌによって周囲が画定された水素製造モジュール１０の電解液収容空間としての内部空間５５が形成される。そして、該内部空間５５には、側面導孔１４に接続された水循環管路６１を介して、電解液としての水が供給される。

【0046】

また、前記内部空間５５は、分離膜５１によって、上方内側フレーム１２Ｕの開口部５５Ｕに相当する酸素生成空間と、下方内側フレーム１２Ｌの開口部５５Ｌに相当する水素生成空間とに分離される。そして、酸素生成空間からは、上側側面導孔１４Ｕに接続された酸素排出管路６８を介して、生成された酸素が排出され、水素生成空間からは、下側側面導孔１４Ｌに接続された水素排出管路６６を介して、生成された水素が排出される。

【0047】

図６に示されるように、上方内側フレーム１２Ｕの上面側及び下面側の平面部１２ａに形成されたシール収容溝１２ｄ内にはシール部材５３が収容されているので、前記上面側及び下面側の平面部１２ａと陽極部材２１及び分離膜５１との間は、液密乃至気密に封止されている。したがって、酸素生成空間内の水又は酸素が、上方内側フレーム１２Ｕの平面部１２ａと陽極部材２１及び分離膜５１との間から漏出することはない。

【0048】

同様に、下方内側フレーム１２Ｌの上面側及び下面側の平面部１２ａに形成されたシール収容溝１２ｄ内にはシール部材５３が収容されているので、前記上面側及び下面側の平面部１２ａと分離膜５１及び陰極部材３１との間は、液密乃至気密に封止されている。したがって、水素生成空間内の水又は水素が、下方内側フレーム１２Ｌの平面部１２ａと分離膜５１及び陰極部材３１との間から漏出することはない。

【0049】

なお、図に示される例においては、陽極部材２１の上面が窓部１３から直接外気に露出するようになっているが、必要に応じて、透明の板状乃至膜状の保護部材乃至補強部材を陽極部材２１の上面を覆うように配設することもできる。

【0050】

次に、前記水素製造モジュール１０を複数個連結する方法について説明する。

【0051】

図８は本発明の実施の形態における水素製造装置を複数個連結する前の状態を示す斜視図、図９は本発明の実施の形態における水素製造装置を複数個連結した状態を示す斜視図である。

【0052】

本実施の形態における水素製造モジュール１０は、前述のように、上側の面及び下側の面が正方形であり、該正方形の四辺に接続された四面、すなわち、四つの側面が横長の長方形である。そして、対向する一対の側面においては、凸状端子部４２ａが上方に位置し凹状端子部４２ｂが下方に位置するとともに、対向する他の一対の側面においては、凸状端子部４２ａが下方に位置し凹状端子部４２ｂが上方に位置する。つまり、隣接する側面同士では、凸状端子部４２ａと凹状端子部４２ｂとの上下の位置関係が逆転するようになっている。なお、凸状端子部４２ａ及び凹状端子部４２ｂの横方向の位置、すなわち、前記側面の長手方向に関する位置は、すべての側面において同様であって、長手方向中心である。また、上側側面導孔１４Ｕ及び下側側面導孔１４Ｌの位置は、すべての側面において同様であって、長手方向中心である。

【0053】

そこで、複数個の水素製造モジュール１０を連結する場合には、図８に示されるように、隣接する水素製造モジュール１０同士の互いに対向する側面の一方において凸状端子部４２ａが下方に位置し凹状端子部４２ｂが上方に位置し、他方において凸状端子部４２ａが上方に位置し凹状端子部４２ｂが下方に位置するように、水素製造モジュール１０の姿勢を調整する。なお、すべての水素製造モジュール１０の陽極部材２１が同じ方向（図に示される例では上方）を向くように、水素製造モジュール１０の姿勢を調整する。

【0054】

そして、図９に示されるように、隣接する水素製造モジュール１０同士の側面同士を対面させて前記隣接する水素製造モジュール１０同士を連結すると、一方の水素製造モジュール１０の凸状端子部４２ａが他方の水素製造モジュール１０の凹状端子部４２ｂ内に進入して、凸状端子部４２ａと凹状端子部４２ｂとが互いに電気的に接続される。なお、前記側面同士は、図９に示されるように、互いに当接していてもよいし、当接せずに離間していてもよい。これにより、隣接する水素製造モジュール１０の陽極部材２１同士が、各々の集電部材４１を介して、電気的に接続され、かつ、陰極部材３１同士が互いに電気的に接続される。

【0055】

また、一方の水素製造モジュール１０の上側側面導孔１４Ｕ及び下側側面導孔１４Ｌは、図示されないジョイントを介して、他方の水素製造モジュール１０の上側側面導孔１４Ｕ及び下側側面導孔１４Ｌと接続される。これにより、図９に示されるように、隣接する水素製造モジュール１０の酸素生成空間同士が互いに連通し、水素生成空間同士も互いに連通する。

【0056】

さらに、必要に応じて、隣接する水素製造モジュール１０の外側フレーム１１同士を、図示されないロッド、ワイヤ、帯、紐（ひも）等の連結部材によって、離間しないように連結することができる。

【0057】

なお、図に示される例では、水素製造モジュール１０の数が４個であるが、水素製造モジュール１０の数は２個若しくは３個でもよく、また、５個以上であってもよい。また、図に示される例では、複数個が連結された水素製造モジュール１０の集合の平面上の外形は、正方形であるが、長方形であってもよいし、いかなる形状であってもよく、水素製造モジュール１０の集合を設置する場所の形状等に適合するように任意に決定することができる。例えば、水素製造モジュール１０の集合を住宅の切り妻状の屋根上に設置する場合には、外形が概略三角形乃至台形となるように、決定することができる。

【0058】

このように、本実施の形態において、水素製造モジュール１０は、陰極部材３１と、光触媒を含む陽極部材２１とを有し、陰極部材３１と陽極部材２１との間に電圧を印加するとともに光触媒が光を受光することによって水素及び酸素を生成する。そして、水素製造モジュール１０は、陰極部材３１及び陽極部材２１を保持するとともに、内部に電解液収容空間としての内部空間５５を形成するフレームとしての外側フレーム１１及び内側フレーム１２と、陽極部材２１と電気的に導通する電気的接続部としての電極接続部４２とを有し、陽極部材２１は、一方の面に光触媒を付着させた基板２２と、一方の面に形成された導電膜２３とを備え、電極接続部４２は、基板２２の周辺部において一方の面に形成された導電膜２３に接触する導電板としての集電部材４１に接続されている。

【0059】

これにより、基板２２を小型化することができ、一般的に電気抵抗が高い導電膜２３を導電経路として使用する距離を短くすることができるので、水素を高い効率で製造することができる。また、水素製造モジュール１０全体を小型化することができる。さらに、水素製造モジュール１０同士を容易に接続することができ、任意の個数の水素製造モジュール１０のフレーム同士を任意の配置形態で連結することができ、種々の面積の種々の形状のスペースに水素製造モジュール１０を配設することができる。

【0060】

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

【産業上の利用可能性】

【0061】

本発明は、水素製造装置に利用することができる。

【符号の説明】

【0062】

１０ 水素製造モジュール
１１ 外側フレーム
１２ 内側フレーム
１２ｅ 凹部
２１ 陽極部材
２２ 基板
２３ 導電膜
３１ 陰極部材
４１ 集電部材
４１ａ 平板部
４２ 電極接続部
４３ 段付部
５５ 内部空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】