阴离子交换膜类型的燃料电池系统的制作方法

专利名称：阴离子交换膜类型的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种阴离子交换膜类型的燃料电池系统。
背景技术：
具有用作固态聚合物电解质膜的阴离子交换膜的碱性燃料电池可以采用不同于贵金属的催化剂作为电极催化剂。因此，可以以降低的成本制造该类型的碱性燃料电池。因此，已经研究并开发了碱性燃料电池，该碱性燃料电池作为燃料电池以取代具有作为固态聚合物电解质膜的阳离子交换膜的燃料电池。图14是具有作为固态聚合物电解质膜的阴离子交换膜的碱性燃料电池的示意截面图。碱性燃料电池包括燃料电极51、空气电极52、具有作为导电离子的OH—并且夹在所述燃料电极51和空气电极52之间的固态聚合物电解质膜53、将燃料气供给至燃料电极51 的燃料通道60、以及将空气和水供给至空气电极52的空气通道61。在空气电极52上，从空气通道61供给的O2和H2O与在空气电极52上的电子反应产生0H_。在空气电极52上产生的0!1_通过离子导电移动通过固态聚合物电解质膜53以移动至燃料电极51，并且与从燃料通道60供给的H2反应以产生H2O,因而电子被释放到燃料电极51。随着如上所述的电池反应的进行，在空气电极52和燃料电极51之间产生电动势，因此可以提取电力。然而，已知的是，在碱性燃料电池中，在空气通道61或燃料通道60中的二氧化碳(CO2)影响固态聚合物电解质膜53，从而降低燃料电池的发电效率。因为固态聚合物电解质膜53的离子导电性由于固态聚合物电解质膜53的碳酸化作用的进行而降低，或因为在电极反应中的过电压由于二氧化碳的影响而增加，所以认为将引起发电效率的降低。因为将CO2溶解到固态聚合物电解质膜53中以产生HC03_，并且HC03_的产生降低作为主要导电离子的0H_的数量，所以认为碳酸化的固态电解质膜的离子导电性降低。由于离子导电，HC03_移动穿过固态聚合物电解质膜53将作为CO2被排放至燃料通道60。为了防止燃料电池的发电效率的降低，传统碱性燃料电池预先除去在被供给至空气通道的空气中所包含的CO2 (参见，例如日本未审查专利公开No. 2011-34710)。然而，在碱性燃料电池中，溶解到固态聚合物电解质膜中的CO2被释放到燃料通道，因而从燃料通道排出的未反应的燃料气包含co2。因此，在传统碱性燃料电池中，当再次将待被重复使用的未反应的燃料气供给至燃料通道时，也将CO2供给至燃料通道，这可能使得燃料电池的发电效率的降低的问题成为必然。

发明内容
鉴于上述情况，完成了本发明，并且本发明旨在提供一种可以重复使用未反应的燃料电池作为燃料而不降低燃料电池的发电效率的燃料电池系统。本发明提供了一种阴离子交换膜类型的燃料电池系统，包括燃料电池部分；以及二氧化碳除去部分，其中该燃料电池部分包括燃料电极、空气电极、夹在该燃料电极和该空气电极之间的阴离子交换固态聚合物电解质膜、将燃料气供给至该燃料电极的燃料通道、以及将空气或氧气供给至空气电极的空气通道，并且该二氧化碳除去部分被构造成当燃料气流经燃料通道时除去混合在燃料气中的二氧化碳，并且在除去二氧化碳之后允许燃料气再次流到燃料通道中。根据本发明，二氧化碳除去部分被构造成当燃料气流经燃料通道时除去混合在燃料气中的二氧化碳，并且在除去二氧化碳之后允许燃料气再次流到燃料通道中。因此，可以将在流经燃料通道的燃料气中所包含的未反应的燃料气再次作为燃料气使用，因而可以提高燃料气的利用效率。由于可以由二氧化碳除去部分除去当燃料气流经燃料通道时混合在燃料气中的二氧化碳，所以可以将已经从中除去二氧化碳的未反应的气体供给至燃料通道，其结果是，可以防止由在燃料气中所包含的二氧化碳引起的燃料电池的发电效率的降低。


·图I是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的示意管路图；图2是包括在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中的燃料电池部分的示意截面图；图3是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的示意管路图；图4是示出了包括在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的示意平面图；图5是沿着图4中的链线A-A截取的制氢装置的示意截面图；图6是示出了包括在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的不意后视图；图7是示出了包括在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的示意截面图；图8是示出了包括在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的示意截面图；图9是示出了包括在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的示意截面图；图10是示出了包括在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的示意截面图；图11是示出了包括在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的示意截面图；图12是示出了包括在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的示意截面图；图13是示出了包括在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的示意截面图；并且图14是使用阴离子交换膜作为固态聚合物电解质膜的碱性燃料电池的示意截面图。
具体实施方式
根据本发明的阴离子交换膜燃料电池系统包括燃料电池部分；以及二氧化碳除去部分，其中该燃料电池部分包括燃料电极、空气电极、夹在该燃料电极和该空气电极之间的阴离子交换固态聚合物电解质膜、将燃料气供给至燃料电极的燃料通道以及将空气或氧气供给至空气电极的空气通道，并且该二氧化碳除去部分被构造成当燃料气流经燃料通道时除去混合在燃料气中的二氧化碳，并且在除去二氧化碳之后允许燃料气再次流到燃料通道中。优选地，根据本发明的燃料电池系统进一步包括燃料气供给部分以及空气供给部分，燃料气供给部分将燃料气供给至燃料通道，空气供给部分将空气或氧气供给至空气通道。根据上述构造，可以将燃料气供给至燃料电极，而可以将空气或氧气供给至空气电极供，因而燃料电池部分可以发电。
优选地，根据本发明的燃料电池系统进一步包括气体混合器，该气体混合器将由二氧化碳除去部分从中除去二氧化碳的燃料气与从燃料气供给部分供给的燃料气混合，并且将产生的混合物供给至燃料通道。根据上述构造，可以再次将由二氧化碳除去部分从中除去二氧化碳的燃料气供给至燃料电池部分，因而可以提高燃料气的利用效率。优选地，根据本发明的燃料电池系统进一步包括循环通道，该循环通道被设置成允许燃料气从燃料通道流到气体混合器，其中二氧化碳除去部分被设置成除去包含在流经循环通道的燃料气中的二氧化碳。根据上述构造，可以再次将由二氧化碳除去部分从中除去二氧化碳的燃料气供给至燃料电池部分，因而可以提高燃料气的利用效率。优选地，根据本发明的燃料电池系统进一步包括湿度传感器，该湿度传感器检测流经循环通道的燃料气的湿度或由气体混合器形成的气体混合物的湿度，其中气体混合器被构造成能够基于来自湿度传感器的信号改变从循环通道供给的燃料气与从燃料气供给部分供给的燃料气的混合比。根据上述构造，气体混合器可以混合包含水分且从循环通道供给的燃料气以及从燃料气供给部分供给的燃料气，从而能够将具有适当湿度的气体混合物供给至在燃料电池部分中的燃料通道。优选地，根据本发明的燃料电池系统进一步包括加湿部分，该加湿部分对供给至燃料通道的燃料气进行加湿。根据上述构造，可以降低固态聚合物电解质膜的电阻，因而可以提高燃料电池的发电效率。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，燃料气是氢气，并且燃料气供给部分是氢供给部分。该构造可以提高燃料气的利用效率。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，氢供给部分包括氢存储部分，该氢存储部分被构造成存储由二氧化碳除去部分从中除去二氧化碳的氢气，并且将存储的氢气供给至气体混合器。根据上述构造，当将燃料电池部分的运行停止时，可以将流经气体通道的氢气存储在氢存储部分中，因而可以有效地将氢气供给至燃料电池部分。该构造还可以防止二氧化碳积聚到氢存储部分中。优选地，根据本发明的燃料电池系统进一步包括除湿部分，该除湿部分对流经燃料通道的氢气进行除湿。该构造可以防止将包含过多水分的氢气供给至燃料电池部分，因而可以防止由于液泛现象而导致燃料电池部分的发电效率的降低。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，除湿部分被构造成对待被存储在氢存储部分中的氢气进行除湿。该构造可以防止水聚集在氢存储部分中。优选地，根据本发明的燃料电池系统进一步包括水电解部分，该水电解部分以电·解方式产生氢气和氧气，其中氢存储部分存储由水电解部分产生并且由除湿部分除湿的氢气。根据上述构造，可以将由水电解部分产生的氢气存储在氢存储部分中，并且可以将存储的氢气供给至燃料电池部分。因此，当对电的需求增加时，可以通过过剩电力产生氢气，并且燃料电池部分可以通过使用该氢气来发电。因此，可以根据对电的需求供给电力。由于从燃料电池部分排出的氢气和由水电解部分产生的氢气由公共除湿部分除湿，所以可以减少系统的部件，并且可以降低操作成本。优选地，根据本发明的燃料电池系统进一步包括光电转换部分，该光电转换部分被构造成向水电解部分输出光伏电。该构造可以通过光电转换部分的光伏电产生氢。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，光电转换部分具有光接受表面和后表面，并且水电解部分设置在光电转换部分的后表面上，其中光电转换部分和水电解部分构成制氢装置。该构造可以缩短光电转换部分和水电解部分之间的布线距离，从而能够降低欧姆损失。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，制氢装置包括第一电解电极和第二电解电极，所述第一电解电极和第二电解电极分别形成在光电转换部分的后表面上，其中，当用光照射光电转换部分的光接受表面，并且使第一和第二电解电极与电解溶液相接触时，所述第一和第二电解电极通过利用由接收光的光电转换部分产生的电动势可以电解电解溶液以产生第一气体和第二气体，所述第一气体和第二气体中的一种气体是氢气，并且另一种气体是氧气。根据上述构造，构成制氢装置的第一和第二电解电极被构造成通过利用由接收光的光电转换部分产生的电动势来电解电解溶液以产生第一气体和第二气体。因此，第一和第二电解电极可以在第一电解电极的表面上产生第一气体并且在第二电解电极的表面上产生第二气体。由于第一和第二电解电极形成在光电转换部分的后表面上，所以光可以在不穿过电解溶液的情况下进入光接受表面，从而可以防止入射光被吸收并且可以防止入射光被电解溶液散射。因此，进入光电转换部分的入射光量会很大，并且光利用效率会很高。由于第一和第二电解电极形成在光电转换部分的后表面上，所以进入光接受表面的光不被第一和第二电解电极以及分别从第一和第二电极产生的第一气体和第二气体吸收或散射。因此，进入光电转换部分的入射光量会很大，并且光利用效率会很高。 在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，光电转换部分被构造成当被用光照射时在光接受表面和后表面之间产生电动势，第一电解电极被构造成能够电连接到光电转换部分的后表面，并且第二电解电极被构造成能够电连接到光电转换部分的光接受表面。根据上述构造，可以对包括在制氢装置中的光电转换部分采用堆叠结构。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，制氢装置还包括绝缘部分，该绝缘部分设置在第二电解电极与光电转换部分的后表面之间。该构造可以防止泄漏电流在制氢装置中的第二电解电极和光电转换部分的后表面之间流动。
在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，制氢装置进一步包括第一电极，该第一电极与光电转换部分的光接受表面相接触。该构造可以减小制氢装置中的内电阻。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，制氢装置进一步包括第一导电部分，该第一导电部分电连接第一电极和第二电解电极。该构造可以允许光电转换部分的光接受表面和第二电解电极电连接到彼此。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，第一导电部分形成在贯穿光电转换部分的接触孔中。该构造可以缩短光电转换部分的光接受表面和第二电解电极之间的布线距离，从而能够降低内电阻。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，绝缘部分被设置成覆盖光电转换部分的侧面，并且第一导电部分设置在如下部分上，该部分是绝缘部分的一部分并且覆盖光电转换部分的侧面。根据上述构造，可以对第一导电部分提供减少的步骤，因而可以降低生产成本。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，绝缘部分被设置成覆盖光电转换部分的侧面，并且第二电解电极设置在如下部分上，该部分是绝缘部分的一部分并且覆盖光电转换部分的侧面，并且与第一电极相接触。该构造可以在不形成第一导电部分的情况下允许第一电极和第二电解电极电连接。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，光电转换部分具有由P型半导体层、i型半导体层、和η型半导体层形成的光电转换层。根据上述构造，电动势可以由入射到光电转换部分中的光产生。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，光电转换部分当被用光照射时在光电转换部分的后表面上在第一和第二区域之间产生电位差，其中该第一区域形成为电连接到第一电解电极，而该第二区域形成为电连接到第二电解电极。根据上述构造，可以将在第一区域和第二区域之间产生的电动势输出到第一电解电极和第二电解电极。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，制氢装置进一步具有绝缘部分，该绝缘部分形成在第一和第二电解电极与光电转换部分的后表面之间，并且在第一区域和第二区域上具有开口。
根据上述构造，由入射到光电转换部分中的光产生的电动势可以有效地在第一区域和第二区域之间产生。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，光电转换部分由至少一个具有η型半导体部分和P型半导体部分的半导体材料形成，其中第一和第二区域中的一个区域是该η型半导体部分的一部分，而另一个区域是该P型半导体部分的一部分。根据上述构造，电动势可以由入射到光电转换部分中的光在光电转换部分的后表面上的第一区域和第二区域之间产生。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，制氢装置进一步具有半透明基底，其中光电转换部分设置在半透明基底上。根据上述构造，光电转换部分可以形成在半透明基底上。 在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，光电转换部分包括多个串联的光电转换层，其中该多个光电转换层将由入射到光电转换部分中的光产生的电动势供给至第一电解电极和第二电解电极。根据该构造，可以容易地将高压电动势输出到第一和第二电解电极。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，第一电解电极和第二电解电极中的一个电解电极是从电解溶液产生H2的氢产生部分，而另一个电解电极是从电解溶液产生O2的氧产生部分，其中氢产生部分和氧产生部分包含氢产生催化剂和氧产生催化剂，氢产生催化剂是用于从电解溶液产生H2的反应的催化剂，氧产生催化剂是用于从电解溶液产生O2的反应的催化剂。根据上述构造，制氢装置可以产生氢气，该氢气是燃料电池部分的燃料。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，氢产生部分和氧产生部分中的至少一个部分具有大于光接受表面的面积的催化表面积。根据上述构造，通过制氢装置可以更有效地产生氢或氧。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，氢产生部分和氧产生部分中的至少一个部分优选地由催化剂支撑多孔导体形成。根据上述构造，可以增加用于反应以产生氢气或氧气的催化表面积。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，氢产生部分包含Pt、Ir、Ru、Pd、Rh、Au、Fe、Ni、和Se中的至少一个。根据上述构造，通过制氢装置可以有效地从电解溶液产生氢气。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，氧产生部分包含Mn、Ca、Zn、Co和Ir中的至少一个。根据上述构造，通过制氢装置可以有效地从电解溶液产生氧气。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，制氢装置包括半透明基底、电解溶液腔以及后基底，后基底设置在第一电解电极和第二电解电极上，其中光电转换部分设置在半透明基底上，并且电解溶液腔设置在第一和第二电解电极与后基底之间。根据上述构造，第一电解电极的可以与电解溶液相接触的表面以及第二电解电极的可以与电解溶液相接触的表面可以形成为面对电解溶液腔，因而可以将第一和第二电解电极带入到电解溶液腔中。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，制氢装置进一步包括间隔壁，该间隔壁将在第一电解电极和后基底之间的电解溶液腔与在第二电解电极和后基底之间的电解溶液腔隔开。根据上述构造，通过间隔壁可以将第一气体和第二气体隔开。在根据本发明的燃料电池系统中，优选的是，间隔壁包括离子交换剂。根据上述构造，在电解溶液中产生的离子浓度失衡可以容易地被消除并且变得均匀。在下文中，将参照附图描述本发明的实施例。在附图中和在下列描述中所示的构造仅仅只是示例，并且本发明的范围并不限于在附图中和在下列描述中所示的那些。阴离子交换膜燃料电池系统的构造 图I是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的示意管路图，并且图2是燃料电池部分的示意截面图，该燃料电池部分被包括在根据本发明的实施例的图I中的燃料电池系统中。根据本发明的阴离子交换膜燃料电池系统包括燃料电池部分22 ;以及二氧化碳除去部分10，其中燃料电池部分22包括燃料电极51、空气电极52、夹在燃料电极51和空气电极52之间的阴离子交换固态聚合物电解质膜53、将燃料气供给至燃料电极51的燃料通道60、以及将空气或氧气供给至空气电极52的空气通道61，并且二氧化碳除去部分10被构造成当燃料气流经燃料通道60时除去混合在燃料气中的二氧化碳，并且在除去二氧化碳之后允许燃料气再次流到燃料通道60中。根据本实施例的燃料电池系统还可以包括燃料气供给部分62、空气供给部分63、加湿部分48、气体混合器17和循环通道65。根据本实施例的燃料电池系统可以是使用氢气作为燃料气的系统。图3是根据本实施例的燃料电池系统的示意管路图。根据本实施例的使用氢气作为燃料气的燃料电池系统可以具有水电解部分21、和可以向水电解部分21输出光伏电的光电转换部分2。水电解部分21和光电转换部分2可以构成制氢装置23。下面将描述根据本实施例的燃料电池系统。I.燃料电池部分、燃料气供给部分、空气供给部分、加湿部分燃料电池部分22包括燃料电极51、空气电极52、夹在燃料电极51和空气电极52之间的阴离子交换固态聚合物电解质膜53、将燃料气供给至燃料电极51的燃料通道60、以及将空气或氧气供给至空气电极52的空气通道61。燃料气供给部分62被设置成能够将燃料气供给至燃料通道60，而空气供给部分63被设置成能够将空气或氧气供给至空气通道61。加湿部分48被设置成能够对供给至燃料通道60的燃料气或供给至空气通道61的空气进行加湿。凭借该构造，可以将已加湿的氢供给至在燃料电池部分22中的燃料电极51，并且可以将已加湿的空气供给至空气电极52。因此，可以在燃料电极51、固态聚合物电解质膜53和空气电极52中进行上述电解反应，因而可以在空气电极和燃料电极之间提取电力。例如，燃料电池部分22具有图2中所示的横截面。具体地，燃料电池部分22具有堆叠体，该堆叠体包括夹在燃料电极51和空气电极52之间的固态聚合物电解质膜53和设置在燃料电极51和空气电极52两端的集流体55。图2中所示的燃料电池部分22具有三个上述堆叠体。通过设有燃料通道60和空气通道61的分离器57，将三个堆叠体中的每一个堆叠，并且将设有燃料通道60和空气通道61的连接板58堆叠在所述堆叠体的两端处。将燃料电池部分22的温度升高至操作温度，使燃料气流经燃料通道60，并且使空气或氧气流经空气通道61，因而在每个堆叠体中进行电解反应以引起电动势。因此，可以将电力从在两侧上的连接板58输出至外部电路。设置在燃料电池部分22中的堆叠体的数目可以根据燃料电池部分22的输出而改变。固态聚合物电解质膜53是阴离子交换类型，并且该固态聚合物电解质膜53是具有阴离子作为离子导电离子的阴离子导电固态聚合物电解质膜。固态聚合物电解质膜53可以具有作为主要离子导电离子的氢氧根离子(0H_)。这可以减小固态聚合物电解质膜53的电阻率，因而可以增加燃料电池部分22的输出。例如，固态聚合物电解质膜53可以包含烃阴离子交换树脂。固态聚合物电解质膜53还可以由在其表面上具有阴离子交换剂的多孔膜形成。固态聚合物电解质膜53的优选示例包括全氟磺酸固态聚合物电解质膜(阴离　子交换膜)、苯乙烯乙烯苯基固态聚合物电解质膜(阴离子交换膜)、和季铵固态聚合物电解质膜(阴离子交换膜)。可以使用阴离子导电固态氧化物电解质膜作为固态聚合物电解质膜53。燃料电极51和空气电极52可以具有导电载体、和电极催化剂和被承载在导电载体的表面上的阴离子交换树脂。这可以促进在电极催化剂的表面上的上述电极反应。电极催化剂的示例包括钼、铁、钴、镍、钯、银、钌、铱、钥、锰、这些金属的金属化合物，和由包含这些金属中的至少两种或更多种金属的合金制成的细颗粒。优选地，合金包含钼、铁、钴和镍中的至少两种或更多种。合金的示例包括钼铁合金、钼钴合金、铁钴合金、钴镍合金、铁镍合金和铁钴镍合金。导电载体的示例包括诸如乙炔黑、炉黑、槽黑或科琴黑的碳黑和诸如石墨或活性碳的导电碳颗粒。还可以使用诸如气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管、或碳纳米线的碳纤维。集流体55可以形成为具有导电性的多孔层。具体地，集流体55可以是包含碳纸、碳布或碳颗粒的环氧树脂膜或多孔金属。多孔金属可以是金属或合金或无纺纤维的泡沫或烧结体。燃料通道60和空气通道61中的每一个可以形成为具有供气口和排气口。将燃料气从供气口供给至燃料通道60，而将燃料气从排气口从燃料通道60排出。将空气或氧气从供气口供给至空气通道61，而将空气或氧气从排气口从空气通道61排出。被供给至燃料电池部分22的燃料通道60的燃料气是例如氢气或甲醇气。燃料气供给部分62将燃料气供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60。当燃料气是氢气时，燃料气供给部分62 (氢供给部分6)是氢瓶或氢管。燃料气供给部分62还可以是重整天然气、丙烷、甲醇或汽油以产生氢气的部分。燃料气供给部分62可以是稍后描述的水电解部分21。在这种情况下，可以将由水电解部分21产生的氢气供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60。当燃料气供给部分62是重整天然气或其它的部分时，燃料气供给部分62可以包括二氧化碳除去部分。采用该构造，在将燃料气供给至燃料通道60之前，可以从燃料气除去在氢气中所包含的二氧化碳，因而可以防止由于二氧化碳的影响而导致燃料电池部分22的输出的减少。将参照图3描述将氢气从氢气瓶42供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60并且不操作水电解部分21的情况。打开阀V2和阀V6，而关闭阀V5，因而来自氢气瓶42的氢气和流经循环通道65的氢气通过气体混合器17混合，并且可以将该气体混合物供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60。打开阀Tl,而关闭阀V8和阀VII，因而流经燃料通道60并且由二氧化碳除去部分10从中除去二氧化碳的氢气可以流经循环通道65。利用从氢气瓶42供给的用作燃料的氢气并且利用在流经燃料通道60的燃料气中所包含的被重复使用的未反应的燃料气，如上所述的氢气的循环可以使燃料电池部分22运行。当氢在燃料通道60中的利用效率高时，通过打开阀V8和关闭阀V7可以仅将来自氢气瓶42的氢气供给至燃料通道60而没有氢气的循环。流经燃料通道60的氢气包含由水引起的水分，由于氢气的燃料而产生所述水。通过使用循环通道65使氢气循环，可以将该水分再次供给至燃料通道60。因此，可以减少加湿部分48的操作量。接着，将参照图3描述将氢气从氢气瓶42和水电解部分21供给至燃料通道60的 情况。打开阀V7和阀VII，而关闭阀V8，因而流经氢通道60的氢气和由水电解部分21产生的氢气由气体混合器17混合，并且可以将该气体混合物供给至循环通道65。打开阀V2和阀V6，而关闭阀V5，因而来自氢气瓶42的氢气和流经循环通道65的氢气由气体混合器17混合，并且可以将该气体混合物供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60。当氢在燃料通道60中的利用效率高时，通过打开阀V8和关闭阀V7可以仅将由水电解部分21产生的氢气供给至循环通道65。因为由水电解部分21产生的氢气直接被供给至燃料通道60而不被储存在氢存储部分12中，所以不必要通过除湿部分49除去因电解溶液引起的水分。由于可以将由电解溶液引起的水分供给至燃料通道60，所以可以减少加湿部分48的操作数。当由水电解部分21产生的氢气量大于在燃料电池部分22中使用的氢气量时,可以关闭阀V2以便仅将流经循环通道65的氢气供给至燃料通道60。氢供给部分6 (燃料气供给部分62)可以具有氢存储部分12。氢存储部分12可以存储从水电解部分21所产生的氢，并且可以将存储的氢供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60。例如，氢存储部分12是氢气瓶或氢存储合金。当氢存储部分12是氢气瓶时，从水电解部分21所产生的氢在被压缩机44压缩时被存储在氢气瓶中。可以将氢存储部分12与循环通道65连通，允许在流经燃料通道60的氢中所包含的未反应的氢再次流经燃料通道60。凭借该构造，当将燃料电池部分22停止时，可以将剩余在通道中的氢存储在存储部分12中，因而可以有效地利用充当燃料气的氢气。凭借该构造，始终不必要操作燃料电池系统。因此，燃料电池系统可以对负荷中的变化作出响应。图3示出氢供给部分6具有氢气瓶42和氢存储部分12两者的情况。然而，氢供给部分6可以仅具有氢存储部分12。在这种情况下，氢存储部分12可以存储来自外部氢管的氢，并且可以将存储的氢供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60。当燃料气是甲醇气时，燃料气供给部分62是用于存储甲醇的罐和用于蒸发甲醇的蒸发装置。空气供给部分63是用于将空气或氧气供给至在燃料电池部分22中的空气通道61的部分。例如，空气供给部分63是空气气缸、氧气瓶和空气压缩机。空气供给部分62可以是存储由水电解部分21产生的氧的氧气罐，其中可以将存储在氧气罐中的氧气供给至空气通道61。由于约300ppm的二氧化碳被包含在空气中，所以当空气被供给至空气通道61时，二氧化碳除去部分10可以设置在空气供给部分63和空气通道61之间，以便防止由于二氧化碳而导致从燃料电池部分22的输出的减小。加湿部分48可以设置成能够对供给至燃料通道60的燃料气进行加湿。加湿部分48可以设置成能够对供给至空气供给部分61的空气或氧气进行加湿。凭借该构造，可以供给在空气电极52上的电化学反应所需的水，或可以将水供给至固态聚合物电解质膜53，因而可以减小固态聚合物电解质膜53的电阻率，并且可以提高发电效率。加湿部分48的示例包括起泡器加湿系统或蒸汽添加系统，起泡器加湿系统使气体冒泡至加热的水中，蒸汽添加系统用于直接将蒸汽供给至气体。2. 二氧化碳除去部分、气体混合器、循环通道、湿度传感器
二氧化碳除去部分10除去气体中的二氧化碳。二氧化碳除去部分10可以是通过将二氧化碳溶解到碱性溶液中来除去气体中的二氧化碳的部分，或可以是通过将二氧化碳吸附到诸如沸石或活性碳的多孔吸附剂来除去气体中的二氧化碳的部分。二氧化碳除去部分10可以设置成除去在流经在燃料电池部分22中的燃料通道60的燃料气(氢气)中的二氧化碳，可以设置成除去被供给至在燃料电池部分22中的空气通道61的空气中的二氧化碳，可以设置成除去在重整装置中所产生的氢中的二氧化碳，或可以设置成当燃料电池单元22停止时除去剩余在通道中的氢中的二氧化碳并且允许所产生的氢到氢存储部分12中。在此处将描述二氧化碳除去部分10，所述二氧化碳除去部分10被设置成除去在流经在燃料电池部分22中的燃料通道60的燃料气中的二氧化碳。从燃料气供给部分62 (氢供给部分6)供给的燃料气(氢气)流经燃料通道60，其中氢气被供给至燃料电极51。在燃料电极51上，从燃料通道60供给的氢气和从固态聚合物电解质膜53供给的氢氧根离子(0H_)反应以产生H2O,因而电子被释放到燃料电极51。产生的H2O流经燃料通道60，并且从燃料电池部分22被排出。流经燃料通道60并且从燃料电池部分22排出的燃料气包含未在燃料电极51上反应的氢气。在燃料电池部分22的停止期间溶解到固态聚合物电解质膜53中的二氧化碳或在被供给至空气通道的空气中所包含的少量二氧化碳通过如HCO3-的离子电导移动通过固态聚合物电解质膜53，并且在燃料电极51上反应以产生C02。所产生的CO2流经燃料通道60，并且连同未反应的氢气从燃料电池部分22被排出。因此，当燃料气是氢气时，流经燃料通道60并且从燃料电池部分22排出的燃料气包含未反应的氢气、H2O和二氧化碳。当燃料气是诸如甲醇的有机化合物时，从燃料电池部分22排出的燃料气包含未反应的燃料气，由于燃料气和0!1_之间反应产生的C02，H2O以及从固态聚合物电解质膜53排出的CO2。认为将从燃料电池部分22排出的燃料气中所包含的未反应的燃料气再次供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60，以便提高燃料气的利用效率。当将从燃料电池部分22排出的燃料气无变化地再次供给至燃料通道60时，电池反应可以由未反应的燃料气引起，因而可以提高燃料气的利用效率。然而，不期望将CO2连同未反应的燃料气供给至燃料通道60。CO2被溶解到固态聚合物电解质膜53中，或影响燃料电极51中的电池反应，这可能使得燃料电池部分22的发电效率的降低。此外，CO2重复地流经燃料通道60，使得CO2可能被积聚在流经燃料通道60的燃料气中。鉴于这点，设置二氧化碳除去部分10以便除去流经燃料通道60的燃料气中所包含的C02并且允许从中除去C02的燃料气再次流到燃料通道60中。凭借该构造，在除去C02之后，可以将从燃料电池部分22排出的燃料气再次供给至燃料电池部分22，结果是可以将从中除去C02的未反应的燃料气供给至燃料电池部分22。因此，可以抑制由于CO2而导致的燃料电池的输出的减小，并且可以提高燃料气的利用效率。二氧化碳除去部分10可以设置成除去被存储在氢存储部分12中的氢气中所包含的C02。凭借该构造，可以将从中除去二氧化碳的氢气存储在氢存储部分12中，这可以防止CO2聚集在氢存储部分12中。更具体地，可以设置循环通道65，该循环通道65允许在燃料电 池部分22中的燃料通道60的排气口与气体混合器17彼此连通。将二氧化碳除去部分10设置在循环通道65上。气体混合器17可以设置成将从燃料气供给部分62供给的燃料气与从循环通道65供给的燃料气混合以产生气体混合物，并且将该气体混合物供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60。气体混合器17可以设有止回阀、压力调节阀或流量控制器。气体混合器17还可以设置成能够在防止回流的同时混合气体。具体地，当在从燃料气供给部分62供给的燃料气和从循环通道65供给的燃料气之间存在压力差时，设置止回阀或设置压力调节阀，以便调整每种气体的压力。采用该构造，可以在防止从一个通道供给的燃料气流入到另一个通道中或不使从一个通道供给的气体的流动停止的同时混合气体。气体混合器17还可以设置成将由水电解部分21产生的氢气和流经燃料电池部分22的燃料气混合。湿度传感器67可以设置成检测流经循环通道65的燃料气的湿度或由气体混合器17形成的气体混合物的湿度。在这种情况下，气体混合器17可以设置成能够基于来自湿度传感器67信号改变流经循环通道65的燃料气和从燃料气供给部分62供给的燃料气的混合比。凭借此点，气体混合器17可以将包含水分且流经循环通道的燃料气与从燃料气供给部分62供给的燃料气混合，并且可以将具有适当湿度的气体混合物供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60。因此，可以减少加湿部分48的能量消耗，所述加湿部分对被供给至燃料通道60的燃料气进行加湿，因而可以提高作为燃料电池系统的能量效率。当燃料电池系统具有除湿部分49时，还可以减少除湿部分49的能量消耗，因而可以提高作为燃料电池系统的能量效率。根据压力调节和流量控制，气体混合器17可以改变从循环通道65供给的燃料气和从燃料气供给部分62供给的燃料气的混合比。例如，当气体混合器17将来自被包括在燃料气供给部分62中的氢气瓶的氢气与流经燃料电池部分22的氢气混合时，通过分别调节从相应的通道供给的气体的压力/流速，气体混合器17可以调节气体的混合比。例如，流经燃料电池部分22的氢气包含许多在燃料电池部分22中产生的水。在这种情况下，气体混合器17调节包含水且流经燃料电池部分的氢气和来自氢气瓶的不包含水的氢气的混合比，从而能够在不操作加湿部分48的情况下调节气体混合物以具有适当的湿度。当可以如上所述调节气体的混合比时，可以重复使用在燃料电池部分22中产生的水，使得操作除湿部分49变得不必要。
通过如上所述调节气体混合物的比率，可以减少加湿部分48和除湿部分49的操作量，因而可以提高作为系统的效率。3.除湿部分除湿部分49可以设置成对流经在燃料电池部分22中的燃料通道60的燃料气进行除湿。该构造可以除去在流经在燃料电池部分22中的燃料通道60燃料气中所包含水分，因而可以再次将从中除去水分的燃料气供给至燃料通道60。因此，可以防止对过剩的水分连同被供给至燃料通道60的燃料气的供给。因此，该构造可以防止因在燃料电极51上发生的溢流现象引起的发电效率的降低。除湿部分49可以设置成使得从燃料通道60的排气口排出的燃料气在流经二氧化碳除去部分10之后流经除湿部分49，或使得从燃料通道60的排气口排出的燃料气在流经除湿部分49之后流经二氧化碳除去部分10。·除湿部分49的示例包括采用用于将气体冷却至不大于露点温度的温度的冷却系统来除湿的除湿部分，采用用于通过压缩机压缩气体的压缩系统来除湿的除湿部分，或采用用于允许气体穿过易于吸收水分的固体的吸附系统的除湿部分。除湿部分49可以设置成对存储在氢存储部分12中的氢气进行除湿。该构造可以允许将从中除去水分的氢气存储在氢存储部分12，并且可以防止水聚集在氢存储部分12中。存储在氢存储部分12中的氢气可以是由水电解部分21产生的氢气。除湿部分49可以设置成使得流经在燃料电池部分22中的燃料通道60的燃料气和由水电解部分21产生且存储在氢存储部分12中的氢气均由公共除湿部分49除湿。该构造可以降低操作成本和生产成本。4.水电解部分水电解部分21可以电解水以产生氢气和氧气。水电解部分21可以形成为包括第一电解电极8和第二电解电极7的电解容器。将电解溶液存储在电解容器中，并且在第一电解电极8和第二电解电极7之间施加电压，因而电解部分21可以电解在电解溶液中所包含的水以产生氢气和氧气。水电解部分21可以是通过利用光电转换部分2的光伏电来电解水的一部分。在这种情况下，水电解部分21设置成将光电转换部分2的光伏电输出至第一电解电极8和第二电解电极7。水电解部分21可以设置成将产生的氢存储到氢存储部分12中，或还可以设置成将产生的氧存储到空气罐中。还可以构造成，在由除湿部分49除湿之后存储待存储的氢和氧。可以将水电解部分21包括在稍后描述的制氢装置23中。将在稍后描述在这种情况下的第一电解电极8和第二电解电极7。被包括在制氢装置23中的第一电解电极8和第二电解电极7的描述适用于不被包括在制氢装置23中的第一电解电极8和第二电解电极7的描述，只要不存在不一致。此处将参照图3描述将在水电解部分21中产生的氢气存储在氢存储部分12中并且不操作燃料电池部分22的情况。通过打开阀Vll和关闭阀V7，可以使在水电解部分21中产生的氢气流至除湿部分49。除湿部分49除去在氢气中所包含并且由电解溶液产生的水分，因而所干燥的氢流经循环通道65。通过打开阀V5并且关闭阀Vl和V6，流经循环通道的氢气被压缩机44压缩以被存储在氢存储部分12中。可以将存储在氢存储部分12中的氢气供给至在燃料电池部分22中的燃料通道60。5.光电转换部分光电转换部分2在接收日光时产生光伏电。光电转换部分2可以将光伏电输出至水电解部分21。由于将来自光电转换部分2的光伏电输出至水电解部分21，所以通过利用光伏电可以将水电解以产生氢气和氧气。因此，可以通过来自光电转换部分2的光伏电产生氢气。从水电解部分21流经气体通道的该氢气由除湿部分49除湿，然后可以被存储在氢存储部分12中。光电转换部分2不受特别的限制，只要光电转换部分在接收光时产生光伏电。光电转换部分的示例包括使用硅半导体的光电转换部分、使用化合物半导体的光电转换部分、使用染料敏化剂的光电转换部分，或使用有机薄膜的光电转换部分。 可以将光电转换单元2包括在描述稍后的制氢装置23中。将在稍后描述被包括在制氢装置23中的光电转换部分2。被包括在制氢装置23中的光电转换部分2的描述适用于不被包括在制氢装置23中的光电转换部分2的描述，只要不存在不一致。6.制氢装置图4是示出了被包括在根据本实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的示意平面图，图5是沿着图4中的线A-A截取的示意截面图，并且图6是示出了被包括在根据本实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造的示意后视图。图7至图13是示意截面视图，每个图均示出了被包括在根据本实施例的燃料电池系统中的制氢装置的构造，并且图7至图13是对应于图5的示意截面视图。制氢装置23可以包括具有光接受表面和后表面的光电转换部分2,和设置在光电转换部分2的后表面上的水电解部分21。制氢装置23还包括分别设置在光电转换部分2的后表面上的第一电解电极8和第二电解电极7。当使日光入射在光电转换部分2的光接受表面上，并且使第一电解电极8和第二电解电极7与电解溶液相接触时，通过利用由入射到光电转换部分2中的光产生的电动势，第一电解电极8和第二电解电极7电解电解溶液以产生第一气体和第二气体。第一气体和第二气体中的一种气体为氢气，并且另一种气体为氧气。由于第一电解电极8和第二电解电极7被设置成通过利用由入射到光电转换部分2中的光产生的电动势来电解电解溶液以分别产生第一气体和第二气体，所以可以在第一电解电极8的表面上产生第一气体，而可以在第二电解电极7的表面上产生第二气体。由于第一气体和第二气体中的一种气体为氢气，所以可以产生氢气。由于将第一电解电极8和第二电解电极7设置在光电转换部分2的后表面上,所以可以使光在不穿过电解溶液的情况下入射在光电转换部分2的光接受表面上，使得可以防止入射光被吸收并且可以防止入射光被电解溶液散射。因此，进入光电转换部分2的入射光量会很大，并且光利用效率会很高。由于第一电解电极8和第二电解电极7形成在光电转换部分2的后表面上，所以进入光接受表面的光不分别被第一电解电极8和第二电解电极7以及从那些电极产生的第一气体和第二气体吸收或散射。因此，进入光电转换部分2的入射光量会很大，并且光利用效率会很高。制氢装置23还可以包括半透明基底I、第一电极4、第二电极5和第一导电部分9。
下面将描述制氢装置23。6-1.半透明基底在该实施例中，半透明基底I可以设置在制氢装置23中。此外，光电转换部分2可以设置在半透明基底I上，且光接受表面在半透明基底I的侧面上。在光电转换部分2充当半导体基底等且具有一定强度的情况下，可以不设置半透明基底I。在光电转换部分2可以形成在柔性材料，诸如树脂膜上的情况下，可以不设置半透明基底I。此外，为了在光电转换部分2的光接受表面上接收日光，基底I优选地是透明的并 且具有高透光率，然而透光率不受限制，只要基底I具有光可以有效地进入光电转换部分2的结构。具有高透光率的基底材料优选地包括透明的刚性材料，所述透明的刚性材料诸如钠玻璃、石英玻璃、Pyrex (注册商标)、和人造石英片、透明的树脂板和膜材料。优选地使用玻璃基板，因为玻璃基板是化学和物理稳定的。在光电转换部分2的侧面上的半透明基底I的表面可以具有细小凹凸的结构，使得入射光可以有效地在光电转换部分2的表面上不规则地反射。该细小凹凸结构可以通过熟知的方法，诸如活性离子蚀刻(RIE)过程或爆破过程形成。6-2.第一电极第一电极4可以设置在半透明基底I上，并且可以设置成与光电转换部分2的光接受表面相接触。可替代地，第一电极4可以具有半透明性。在可以不设置半透明基底I的情况下，可以直接将第一电极4设置在光电转换部分2的光接受表面上。第一电极4可以电连接到第二电解电极7。通过设置第一电极4，较大的电流在光电转换部分2的光接受表面与第二电解电极7之间流动。当光电转换部分2在如图12和13中所示的光电转换部分2的后表面上的第一区域和第二区域之间产生电动势时，第一电极4是不必要的。第一电极4可以经由如图5、图8和图11所示的第一导电部分9电连接到第二电解电极7，或可以与如图10中所示的第二电解电极7相接触。如在图7和图9中的情况，第一电极4可以经由切换部分29和接线50电连接到第二电解电极7。第一电极4可以由由ITO或SnO^U成的透明导电膜形成，或可以由指状电极形成，该指状电极由金属，诸如Ag或Au制成。在下文中，将对第一电极4由透明导电膜形成的情况作出描述。使用透明导电膜来将光电转换部分2的光接受表面容易地连接到第二电解电极7。可以使用通常被用作透明电极的任何材料。更具体地，透明电极可以由In-Zn-O(IZ0)、In-Sn-0(IT0)、Zn0-Al、Zn-Sn-0或SnO2制成。此外，透明导电膜优选地具有85%或更多，更优选90%或更多，并且最优选92%或更多的日光透射率。在这种情况下，光电转换部分2可以有效地吸收光。可以以熟知的方法形成透明导电膜，该熟悉的方法诸如溅射法、真空沉积法、溶胶-凝胶法、簇束沉积法、或PLD (脉冲激光沉积)法。6-3.光电转换部分光电转换部分2具有光接受表面和后表面,并且第一电解电极8和第二电解电极7设置在光电转换部分2的后表面上。光接受表面接收待光电转换的光，并且后表面设置在光接受表面后面。光电转换部分2可以经由第一电极4设置在半透明基底I上，且光接受表面朝下。光电转换部分2可以是如图5、和图7至图11中所不的在光接受表面和后表面之间产生电动势的光电转换部分，或可以是如图12和图13中所示的在电转换部分2的后表面上在第一区域和第二区域之间产生电动势的光电转换部分。图12和图13中所示的光电转换部分2可以由半导体基底形成，所述半导体基底在其上形成有η型半导体区域37和P型半导体区域36。光电转换部分2的形状不受特别的限制。例如，光电转换部分2形成为具有矩形形状。然而光电转换部分2不受特别的限制，只要该光电转换部分可以通过入射光使电荷分离并且产生电动势，光电转换部分2可以是使用硅基底半导体的光电转换部分、使用化合物半导体的光电转换部分、使用染料敏化剂的光电转换部分或使用有机薄膜的光电转换部分。 当第一气体和第二气体中的一种气体是氢气，并且另一种气体是氧气时，光电转换部分2必须由如下材料制成，所述材料通过接收光分别在第一电解电极8和第二电解电极7中产生生成氢气和氧气所需的电动势。在第一电解电极8和第二电解电极7之间的电位差需要比水分解所需的理论电压(I. 23V)高，因而有必要在光电转换部分2中产生足够大的电位差。因此，优选地将光电转换部分2设置成使得产生电动势的部分由两个或更多串联的结，诸如ρη结形成。例如，光电转换部分2可以形成为具有如下结构在该结构中，将并排布置的光电转换层与第四导电部分33串联，如图11和13中所示。用于光电转换的材料包括基于硅基底半导体、化合物半导体和有机材料设置的材料，并且可以使用任何光电转换材料。此外，为了增加电动势，可以将以上光电转换材料叠层。当将光电转换材料叠层时，多结结构可以由相同的材料制成。在将具有不同光学带隙的多个光电转换层叠层以相互补足光电转换层的低敏感波长区域的情况下，可以有效地吸收在大波长区域内的入射光。多个光电转换层中的每一个光电转换层优选地具有不同的带隙。凭借该构造，可以使在光电转换部分2中产生的电动势增加更多，因而可以更有效地电解电解溶液。此外，为了提高光电转换层之间的串联连接特性，并且为了匹配在光电转换部分2中产生的光电流，可以将诸如透明导电膜的导体置入在层之间。因此，可以防止光电转换部分2恶化。在下文中，将更具体地描述光电转换部分2的示例。应注意的是，可以通过组合这些示例设置光电转换部分2。下述光电转换部分2可以形成为光电转换层，只要存在一致性。6-3-1.使用硅基底半导体的光电转换部分使用硅基底半导体的光电转换部分2可以是单晶类型、多结晶类型、非晶类型、球硅类型、或那些的组合。在P型半导体和η型半导体之间的ρη结可以设置成这些类型中的任一个。可替代地，可以设置pin结，其中i型半导体设置在P型半导体和η型半导体之间。此外，可替代地，可以设置多个ρη结、多个pin结、或ρη结和pin结。硅基底半导体是包含硅系的半导体，硅系诸如硅、碳化硅、或硅锗。此外，硅基底半导体可以包括其中将η型杂质或P型杂质添加到硅的半导体，并且可以包括水晶半导体、非晶半导体、或微晶半导体。可替代地，使用硅基底半导体的光电转换部分2可以是形成在半透明基底I上的薄膜或厚膜光电转换层、其中Pn结或pin结被形成在诸如硅片的薄片上的光电转换部分、或其中薄膜光电转换层被形成在具有Pn结或pin结的薄片上的光电转换部分。将用于使用硅基底半导体形成光电转换部分2的方法的示例示出如下。通过诸如等离子CVD法的方法将第一导电性类型半导体层形成在第一电极4上，所述第一电极4被叠层在半透明基底I上。该第一导电性类型半导体层是P+-型或n+_型非晶Si薄膜，或掺杂的多结晶或微晶Si薄膜，使得确定杂质原子浓度的导电性是IXlO18至5X1021/cm3。用于第一导电性类型半导体层的材料不限于Si，并且可以使用诸如SiC、SiGe、或SixCVx的化合物。通过诸如等离子CVD法的方法将多晶或微晶Si薄膜作为水晶Si基光敏层形成在如上所述形成的第一导电性类型半导体层上。在这种情况下，导电性类型是其掺杂浓度比 第一导电性类型半导体层的掺杂浓度低的第一导电性类型或i型。用于水晶Si基光敏层的材料并不限于Si，并且可以使用诸如SiC、SiGe、或SixCVx的化合物。然后，为了在水晶Si基光敏层上形成半导体结，通过诸如等离子CVD的方法形成第二导电性类型半导体层，该半导体层的导电性类型与第一导电性类型半导体层的导电性类型相反。该第二导电性类型半导体层是n+_型或p+-型非晶Si薄膜，或掺杂的多晶或微晶Si薄膜，该多晶或微晶Si薄膜具有I X IO18至5 X IO2Vcm3的确定杂质原子的导电性。用于第二导电性类型半导体层的材料并不限于Si，并且可以使用诸如SiC、SiGe、或SixCVx的化合物。此外，为了进一步提高结特性，可以将大体i型非晶Si基薄膜插入在水晶Si基光敏层和第二导电性类型半导体层之间。因此，层压最靠近光接受表面的光电转换层是可能的。然后，形成第二光电转换层。第二光电转换层由第一导电性类型半导体层、水晶Si基光敏层和第二导电性类型半导体层形成，并且相应地，以与在第一光电转换层中的第一导电性类型半导体层、水晶Si基光敏层和第二导电性类型半导体层相同的方式形成第二光电转换层的第一导电性类型半导体层、水晶Si基光敏层和第二导电性类型半导体层。当利用两层串接不能充分地获得水分解所需的电位时，优选地设置三层或更多叠层结构。这里，应注意的是，在第二光电活性层中的水晶Si基光敏层的结晶化体积率优选地高于在第一层中的水晶Si基光敏层的结晶化体积率。类似地，当将三层或更多层叠层时，第三或更多层的结晶化体积分数优选地高于底层的结晶化体积分数。这是因为吸收性在长波长区域中高，并且光谱灵敏度被转移至长波长区域侧，所以即使当光敏层由相同的Si材料制成时也可以提高在大波长区域上的灵敏度。即，当串接结构由具有不同结晶度的硅制成时，光谱灵敏度变高，因而可以以高效率使用光。这时，必须将具有低结晶度的材料设置在光接受表面的侧面上以实现高光利用效率。此外，当结晶度为40%或更小时，非晶成分增加，并且产生恶化。如下示出用于使用硅基底形成光电转换部分2的方法的示例。可以使用单晶娃基底或多结晶娃基底作为娃基底。娃基底可以是P型、η型、或i型。将诸如P的η型杂质利用热扩散或离子注入掺杂到硅基底的一部分中从而形成η型半导体部分37，而将诸如B的P型杂质利用热扩散或离子注入掺杂到该硅基底的另一部分中从而产生P型半导体部分36。借此,可以将ρη结、pin结、npp+结、或pnn+结形成在娃基底上，因而可以形成光电转换部分2。如图12和图13中所示，可以将一个η型半导体部分37和一个P型半导体部分36形成在硅基底上，或可以将η型半导体部分37和P型半导体部分36中的一个半导体部分形成为多个。如图13中所示，将在其上均形成有η型半导体部分37和P型半导体部分36的硅基底并排布置，并且将它们与第四导电部分33串联，因而可以形成光电转换部分2。在此处已经描述了使用硅基底的情况。然而，可以使用可以形成ρη结、pin结、npp+结、或pnn+结的另一种半导体基底。光电转换部分2并不限于具有半导体基底，也可以具有形成在基底上的半导体层，只要它可以形成η型半导体部分37和P型半导体部分36。6-3-2.使用化合物半导体的光电转换部分关于使用化合物半导体的光电转换部分，所述化合物半导体例如由III-V族元素　形成的GaP、GaAs、InP、或InAs、由II-VI族元素形成的CdTe/CdS、或由I-III-VI族元素形成的CIGS (铜铟镓硒)形成ρη结。将用于使用化合物半导体产生光电转换部分的方法作为一个示例示出如下，并且在该方法中，利用MOCVD(金属有机化学汽相沉积)装置顺序地进行膜形成过程等。作为III族元素的材料，通过使用氢作为载气将诸如三甲基镓、三甲基铝、或三甲基铟的有机金属供给至生长系统。作为V族元素的材料,使用诸如胂(AsH3)、三氢化磷(ΡΗ3)、或铺化氢(SbH3)的气体。作为P型杂质或η型杂质，使用二乙基锌等来形成P型，或使用硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、硒化氢(H2Se)等来形成η型。当将以上原料气供给至被加热至700°C且被裂解的基底上时，可以使期望的化合物半导体材料膜外延生长。生长层的组分可以被引入的气体组分控制，并且生长层的膜厚度可以被气体的引入时间长度控制。当将光电转换部分设置作为多结叠合层时，通过尽可能匹配层之间的晶格常数，生长层结晶性能可以是优良的，从而可以提高光电转换效率。为了增强载体收集效率，可以在光接受表面的侧面上设置熟知的窗层或可以在非光接受表面的侧面上设置熟知的电场层，除其中形成有Pn结的部分之外。此外，缓冲层可以设置成防止杂质扩散。6-3-3.使用染料敏化剂的光电转换部分例如，使用染料敏化剂的光电转换部分主要由多孔半导体、染料敏化剂、电解质、和溶剂形成。作为用于多孔半导体的材料，一种或更多种可以选自由氧化钛、氧化钨、氧化锌、钛酸钡、钛酸锶、硫化镉等制成的熟知的半导体。用于在基底上形成多孔半导体的方法包括其中通过诸如丝网印刷法或喷墨印刷法的方法应用包含半导体颗粒的糊剂并且干燥或烘烤该糊剂的方法；其中通过诸如使用原料气的CVD法、PVD法、沉积法、溅射法、溶胶-凝胶法的方法和使用电化学氧化还原反应的方法来形成膜的方法。作为被吸附到多孔半导体的染料敏化剂，可以使用被吸附到可见光区域和红外光区域的各种染料。这里，为了将染料强烈地吸附到多孔半导体，优选的是，染料分子包含诸如竣酸基、竣酸野基、烧氧基、横酸基、轻基、轻基、轻烧基、疏基、或憐酸基的基。这些功能基提供电耦合以容易地使电子在多孔半导体的激发态染料和导电带之间移动。包含功能基的染料包括钌联吡啶系染料、苯醌系染料、醌亚胺系染料、偶氮基系染料、喹吖酮系染料、方酸菁系染料、蓝色素系染料、部花青素系染料、三苯代甲烷系染料、黄嘌呤系染料、叶啉系染料、酞花青染料系染料、二萘嵌苯系染料、靛蓝系染料、和萘酞菁系染料。用于将染料吸附到多孔半导体的方法包括其中将多孔半导体浸在包括溶解于其中的染料的溶液中的方法(染料吸附溶液)。在染料吸附溶液中使用的溶剂不受特别的限制，只要它们可以溶解染料，并且更具体地包括诸如乙醇或甲醇的酒精、诸如丙酮的酮、诸如二乙醚或四氢呋喃的醚、诸如乙腈的氮化合物、诸如己烷的脂肪烃、诸如苯的芳香烃、诸如乙酸乙酯的酯、和水。电解质由氧化还原对和并且诸如聚合物冻胶的液体或固体介质形成，液体或固体介质用于保持氧化还原对。使用诸如铁系或钴系的金属，或优选地使用诸如氯、溴、或碘的卤素物质，并且优 选地使用诸如锂碘、钠碘、或钾碘、和碘的金属碘化物的组合作为氧化还原对。此外，可以将诸如二甲基丙基咪唑碘化物的咪唑盐混合在其中。虽然使用了诸如碳酸丙烯的碳酸盐化合物、诸如乙腈的腈化合物、诸如乙醇或甲醇的酒精、水、两极质子惰性物质等作为溶剂，但是在它们当中，优选地使用碳酸盐化合物或腈化合物。6-3-4.使用有机薄膜的光电转换部分使用有机薄膜的光电转换部分可以是由具有供电子性质和电子接受性质的有机半导体材料形成的电子空穴传输层，或是具有电子接受性质的电子传输层和具有供电子性质的孔传输层的层压。然而具有供电子性质的有机半导体材料不受特别的限制，只要具有作为电子供体的功能，但是优选的是，膜可以通过涂层方法形成，并且特别地，优选地使用具有供电子性质的导电聚合物。这里，导电聚合物是指由其中包含碳-碳或杂原子的双键或三键交替地与单键相邻的共轭体系形成的31-共轭聚合物，而表现出半导电性质。用于具有供电子性质的导电聚合物的材料可以是聚亚苯基、聚对苯撑乙烯、聚噻吩、聚咔唑、聚乙烯咔唑、聚硅烷、聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚芴、聚乙烯芘、聚乙烯蒽、其衍生物或共聚物、含酞菁的聚合物、含咔唑的聚合物、有机金属聚合物等。特别地，优选使用的材料可以是噻吩芴共聚物、聚甲基丙烯酸噻吩、苯乙炔-苯乙烯共聚物、氟苯撑亚乙烯共聚物、噻吩苯乙烯等。然而用于具有电子接受性质的有机半导体不受特别的限制，只要它具有作为电子受体的功能，优选的是，膜可以通过涂层方法形成，并且特别地，优选地使用具有供电子性质的导电聚合物。作为具有电子接受性质的导电聚合物，它可以是聚对苯撑乙烯；聚芴、其衍生物或共聚物；碳纳米管；富勒烯、及其衍生物；包含CN基或CF3基的聚合物、以及其CF3取代聚合物。替代地，可以使用具有电子接受性质的掺杂有供电子化合物的有机半导体材料、或具有供电子性质的掺杂有电子接受化合物的有机半导体材料。用于具有电子接受性质的掺杂有供电子化合物的导电聚合物的材料可以是上述具有电子接受性质的导电聚合物材料。待掺杂的供电子化合物可以是诸如诸如Li、K、Ca、或Cs的碱金属或碱土金属的路易斯碱。路易斯碱充当电子供体。此外，用于具有供电子性质的掺杂有电子接受化合物的导电聚合物的材料可以是上述具有供电子性质的导电聚合物材料。待掺杂的电子接受化合物可以是诸如FeCl3、AlCl3、AlBr3、AsF6、或卤素化合物的路易斯酸。路易斯酸充当电子受体。虽然主要假设的是，上述光电转换部分2接收日光并且执行光电转换，但是取决于应用，可以用人造光，诸如从日光灯、白炽灯、LED、或特定热源放射的光来照射光电转换部分2以执行光电转换。6-4.第二电极第二电极5可以设置在光电转换部分2的后表面上。第二电极5还可以设置在光电转换部分2的后表面和第一电解电极8之间，以及在光电转换部分2的后表面和绝缘部分11之间。第二电极5还可以电连接到第一电解电极8。通过设置第二电极5，可以减少·在光电转换部分2的后表面和第一电解电极8之间的欧姆损失。第二电极5还可以与第一电解电极8相接触。第二电极5可以经由切换部分29和接线50电连接到第一电解电极8。优选的是，第二电极5对电解溶液具有耐蚀性，并且对电解溶液具有液体屏蔽性质。这可以防止光电转换部分2受到电解溶液的腐蚀。然而第二电极5不受特别的限制，只要它具有导电性，它可以是金属薄膜，该金属薄膜诸如由Al、Ag、或Au制成薄膜。膜可以通过溅射方法等形成。可替代地，它可以是由诸如 In-Zn-O (ΙΖ0)、In-Sn-O (IT0)、Zn0-Al、Zn-Sn_0、或 SnO2 的材料制成的透明导电膜。6-5.第一导电部分第一导电部分9可以设置成分别与第一电极4和第二电解电极7相接触。通过设置第一导电部分9，可以使与光电转换部分2的光接受表面相接触的第一电极4和第二电解电极7容易地电连接。如图5和图8中所示，第一导电部分9可以形成在贯穿光电转换部分2的接触孔中。该结构可以缩短光电转换部分2的光接受表面和第二电解电极7之间的电流路径，因而可以更有效地产生第一气体和第二气体。形成为第一导电部分9的接触孔可以是一个或更多个，并且它可以具有圆形截面。第一导电部分9可以形成为覆盖光电转换部分2的侧面，如图11中所示。用于第一导电部分9的材料不受特别的限制，只要它具有导电性。用于形成第一导电部分9的方法包括其中通过将诸如丝网印刷法或喷墨印刷法的方法应用于包含半导体颗粒的糊剂例如碳糊或银糊并且将其干燥或烘烤的方法；其中通过诸如使用原料气的CVD法、PVD法、沉积法、溅射法、溶胶-凝胶法的方法和使用电化学氧化还原反应的方法来形成膜的方法。6-6.绝缘部分可以设置绝缘部分11以防止泄漏电流的产生。例如，如图5和图8中所示，当第一导电部分9形成在贯穿光电转换部分2的接触孔中时，绝缘部分11可以设置在接触孔的侧壁上。绝缘部分11可以设置在第二电解电极7和光电转换部分2的后表面之间，如图5和图7至11所示。凭借该构造，可以防止在第二电解电极7和光电转换部分2的后表面之间的泄漏电流的产生。如图12和图13中所示，当光电转换部分2在受到光照射时在光电转换部分2的后表面上在第一区域和第二区域之间产生电位差时，绝缘部分11可以设置在第一电解电极8和光电转换部分2的后表面之间，以及在第二电解电极7和光电转换部分2的后表面之间，其中绝缘部分11可以在第一区域和第二区域上具有开口。凭借该构造，可以使由光入射产生的电子和孔彼此有效地分离，因而光电转换效率可以增加更多。优选的是，绝缘部分11对电解溶液具有耐蚀性，并且对电解溶液具有液体屏蔽性质。这可以防止泄漏电流的产生，并且可以防止光电转换部分2受到电解溶液的腐蚀。绝缘部分11可以由有机材料或无机材料制成，并且有机材料可以是有机聚合物诸如聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳醚、芳香乙烯化合物、氟系聚合物、丙烯酸系聚合物、或乙烯基酰胺系聚合物，而无机材料可以是诸如Al2O3的金属氧化物、诸如多孔硅膜的SiO2、氟化硅氧化膜(FSG)、SiOC、HSQ (氢倍半硅氧烷)膜、SiNx、或溶解在诸如乙醇的溶剂中的硅烷醇(Si (OH) 4)，该溶剂将被应用并且被加热以形成膜。用于形成绝缘部分11的方法可以是其中通过将丝网印刷法、喷墨法、或旋转涂布法应用于包含保温材料的糊剂并且将其干燥或烘烤的方法；其中通过诸如使用原料气的CVD法、PVD法、沉积法、溅射法、溶胶-凝胶法的方法来形成膜的方法。6-7.第二导电部分、第三导电部分、第四导电部分第二导电部分24和第三导电部分25可以设置在绝缘部分11和第二电解电极7之间，或在绝缘部分11和第一电解电极8之间。通过设置第二导电部分24和第三导电部分25，可以将由入射到光电转换部分2中的光产生的电动势有效地输出到第一电解电极8或第二电解电极7，并且此外，可以减少欧姆损失。例如，第二导电部分24和第三导电部分25可以设置成如图11至13所示。优选的是，第二导电部分24和第三导电部分25对电解溶液具有耐蚀性，并且对电解溶液具有液体屏蔽性质。这可以防止欧姆阻抗的增加，并且可以防止光电转换部分2受电解溶液的腐蚀。第四导电部分33可以设置成串联连接光电转换层，如图11和13中所示。然而第二导电部分24、第三导电部分25、或第四导电部分33不受特别限制，只要它具有导电性，它可以是金属薄膜，诸如由Al、Ag、或Au制成的薄膜。膜可以通过溅射方法等形成。可替代地，它可以是由诸如In-Zn-O (ΙΖ0)、In-Sn-O (ΙΤ0)、ZnO-Al、Zn-Sn-O、或SnO2的材料制成的透明导电膜。6-8.第一电解电极，第二电解电极第一电解电极8和第二电解电极7分别设置在光电转换部分2的后表面上。第一电解电极8和第二电解电极7分别具有在光电转换部分2的后表面的侧面处的表面以及作为相反表面并且可以与电解溶液相接触的表面。因此，第一电解电极8和第二电解电极7不阻挡进入光电转换部分2的光。形成第一电解电极8和第二电解电极7，使得当它们与电解溶液相接触时，通过利用由入射到光电转换部分2中的光产生的电动势，它们能够电解电解溶液以便分别产生第一气体和第二气体。例如，当光电转换部分2接收光以在光接受表面和后表面之间产生电动势时，第一电解电极8可以电连接到光电转换部分2的后表面，而第二电解电极7可以电连接到光电转换部分2的光接受表面，如图5和图11中所示。当光电转换部分2受到光的照射在其后表面上在第一区域和第二区域之间产生电动势时，第一电解电极8可以电连接到第一区域和第二区域中的一个区域，而第二电解电极7可以电连接到第一区域和第二区域中的另一个区域，如图12和图13中所示。如图8和图9中所示，当第一电解电极8不接触光电转换部分2的后表面或第二电极5时，第一电解电极8可以经由切换部分29电连接到光电转换部分2的后表面。在图7和图9中所示的情况下，第二电解电极7可以经由切换部分29电连接到光电转换部分2的光接受表面。第一电解电极8和第二电解电极7中的至少一个电解电极可以被设置为多个，并且每一个电解电极可以具有可以与电解溶液相接触的带状表面，其中第一电解电极8和第二电解电极7可以交替地形成，使得表面的长侧彼此相邻。通过提供如上所述的第一电解电极8和第二电解电极7，可以缩短在产生第一气体的部分和产生第二气体的部分之间的距离，结果是，在电解溶液中产生的离子浓度不平衡可以被消除并且变得 均匀。由于可以与电解溶液相接触的表面形成为具有带状形状，所以可以容易地收集第一气体和第二气体。优选的是，第一电解电极8和第二电解电极7对电解溶液具有耐蚀性，并且对电解溶液具有液体屏蔽性质。这样可以稳定地产生第一气体和第二气体，并且可以防止光电转换部分2受到电解溶液的腐蚀。例如，可以采用对电解溶液具有耐蚀性的金属板或金属薄膜用于第一电解电极8和第二电解电极7。第一电解电极8和第二电解电极7中的至少一个电解电极可以优选地具有大于光电转换部分2的光接受表面的面积的催化剂表面积。凭借该构造，通过在光电转换部分2中产生的电动势，可以更有效地产生第一气体和第二气体。此外，第一电解电极8和第二电解电极7中的至少一个电解电极可以优选地是催化剂支撑多孔导体。在这种情况下，可以增加第一电解电极8和第二电解电极7中的任一个电解电极的催化表面积，因而可以更有效地产生第一气体和第二气体。通过使用多孔导体，可以防止电位由于电流在光电转换部分2和催化剂之间的流动而改变，因而可以更有效地产生第一气体和第二气体。在这种情况下，第一电解电极8或第二电解电极7可以形成为具有双层结构，该双层结构包括对电解溶液具有液体屏蔽性质的部分和多孔部分。第一电解电极8和第二电解电极7中的一个电解电极可以是氢产生部分，并且另一个电解电极可以是氧产生部分。在这种情况下，第一气体和第二气体中的一种气体为氢气，并且另一种气体为氧气。6-9.氢产生部分氢产生部分是从电解溶液产生H2的部分，并且氢产生部分是第一电解电极8或第二电解电极7。此外，氢产生部分可以包含用于反应以从电解溶液产生H2的催化剂。在这种情况下，可以增加从电解溶液产生H2的反应速度。氢产生部分可以由仅用于反应以从电解溶液产生H2的催化剂形成，并且催化剂可以由载体支撑。此外，氢产生部分可以具有大于光电转换部分2的光接受表面的面积的催化表面积。在这种情况下，从电解溶液产生H2的反应速度可以变得更高。此外，氢产生部分可以是催化剂支撑多孔导体。在这种情况下，催化表面积可以增加。此外，可以防止电位由于电流在光电转换部分2的光接受表面或后表面与被包含在氢产生部分中的催化剂之间流动而改变。此外，氢产生部分可以包含作为氢产生催化剂的Pt、Ir、Ru、Pd、Rh、Au、Fe、Ni、和Se中的至少一个。采用该构造，通过在光电转换部分2中产生的电动势，可以以更高的反应速度产生氢气。
设置用于反应以从电解溶液产生H2的催化剂(氢产生催化剂)以促进从两个质子和两个电子转换成一个氢分子，并且该催化剂可以由化学稳定的且具有小的氢产生过电压的材料制成。氢产生催化剂的示例包括具有氢催化活性的诸如Pt、Ir、Ru、Pd、Rh、或Au的钼族金属、其合金、以及包含钼族金属的化合物；以及包含组成作为氢产生酶的氢化酶的活性中心的诸如Fe、Ni和Se的金属中的任一种的合金，以及包含金属的化合物，并且可以期望地使用这些示例及其组合作为氢产生催化剂。在它们当中，优选地使用Pt和包含Pt的纳米结构体，因为它们的氢产生过电压是低的。还可以使用通过光照射产生氢产生反应的材料，该材料诸如CdS、CdSe、ZnS、或ZrO2。氢产生催化剂可以被支撑在导体上。作为支撑催化剂的导体，它可以是金属材料、碳质材料、或具有导电性的无机材料。
金属材料优选地是在酸性气氛下具有电子导电性和具有耐蚀性的材料。更具体地，材料可以是诸如Au、Pt、或Pd的贵金属；诸如Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su、或Si的金属；以上金属的氮化物和碳化物、不锈钢、或诸如Cu-Cr、Ni-Cr、或Ti-Pt的合金。金属材料更优选地包含从包括Pt、Ti、Au、Ag、Cu、Ni和W选择的至少一个元素，因为几乎不产生另一化学副反应。该金属材料的电阻相对低，并且即使当电流在表面方向上被吸引时也可以防止电压降低。此外，当使用了在酸性气氛下具有差耐蚀性的诸如Cu、Ag、或Zn的金属材料时，可以用具有耐蚀性的诸如Au、Pt、或Pd的贵金属或金属、碳、石墨、玻璃碳、导电聚合物、导电氮化物、导电碳化物、或导电氧化物涂覆具有差耐蚀性的金属材料的表面。作为碳质材料，优选的是，它是化学稳定的并且具有导电性。例如，材料可以碳粉或碳纤维，诸如乙炔黑、硫化纤维、科琴黑、炉黑、VGCF、碳纳米管、碳纳米突、或富勒烯。作为具有导电性的无机材料，它可以是In-Zn-O (ΙΖ0)、In-Sn-O (ΙΤ0)、ZnO-Al、Zn-Sn-0, SnO2、或掺杂氧化锡的氧化锑。此外，作为导电聚合物，它可以是聚乙炔、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯、聚对苯撑、或聚对苯乙撑，并且作为导电氮化物，它可以是氮化碳、氮化硅、氮化镓、氮化铟、氮化锗、氮化钛、氮化锆、或氮化铊，并且作为导电碳化物，它可以是碳化钽、碳化硅、碳化锆、碳化钛、碳化钥、碳化铌、碳化铁、碳化镍、碳化铪、碳化钨、碳化钒、或碳化铬，并且作为导电氧化物，它可以是氧化锡、氧化铟锡(ΙΤ0)、或掺杂氧化锡的氧化锑。用以支撑氢产生催化剂的导体的结构优选地可以选自板形、箔形、棒形、网形、板条板形、多孔板形、多孔棒形、织布形、无纺布形、纤维状、和毡形。此外，优选地使用通过在毡形电极的表面中受挤压而形成的具有凹槽的导体，因为它可以减小电极液体的电阻和流动阻力。6-10.氧产生部分氧产生部分从电解溶液产生O2的部分，并且氧产生部分是第一电解电极8或第二电解电极7。此外，氧产生部分可以包含用于反应从电解溶液产生O2的催化剂。在这种情况下，可以增加从电解溶液产生O2的反应速度。氧产生部分可以由仅用于反应以从电解溶液产生O2的催化剂形成，并且催化剂可以由载体支撑。此外，氧产生部分可以具有大于光电转换部分2的光接受表面的面积的催化表面积。在这种情况下，可以增加从电解溶液产生O2的反应速度。此外，氧产生部分可以是催化剂支撑多孔导体。因此，可以增加催化表面积。此外，可以防止电位由于电流在光电转换部分2的光接受表面或后表面与被包含在氧产生部分中的催化剂之间流动而改变。此外，氧产生部分可以包含作为氧产生催化剂的Mn、Ca、Zn、Co、和Ir中的至少一个。采用该构造，通过在光电转换部分2中产生的电动势，可以以更高的反应速度产生氧气。设置用于反应以从电解溶液产生O2的催化剂(氧产生催化剂)以促进从两个水分子转换成一个氧、四个质子和四个电子，并且给催化剂由化学稳定的且具有小的氧产生过电压的材料制成。例如,材料包括包含充当光系统II的活性中心的Mn、Ca、Zn或Co的氧化物或化合物，光系统II是对使用光从水产生氧的反应进行催化的酶；包含诸如Pt、RuO2,或IrO2的钼族金属的化合物；包含诸如Ti、Zr、Nb、Ta、W、Ce、Fe、或Ni的过渡金属的氧化物或化合物；以及以上材料的组合。在它们当中，优选地使用氧化铱、氧化锰、氧化钴、或磷酸钴，因为过电压低并且氧产生效率高。可以将氧产生催化剂支撑在导体上。作为支撑催化剂的导体，它可以是金属材料、碳质材料、或具有导电性的无机材料。它们的解释与针对“6-9.氢产生部分”中的氢产生部 分所描述的那些相关，只要不存在不一致。当单个氢产生催化剂和单个氧产生催化剂的催化活性小时，可以使用辅助催化齐U，该辅助催化剂诸如Ni、Cr、Rh、Mo、Co、或Se的氧化物或它们的化合物。此外，取决于材料，用于支撑氢产生催化剂和氧产生催化剂的方法可以是通过直接将催化剂应用到导体或半导体而进行的方法、诸如汽相沉积法的PVD法、溅射法、或离子电镀法、诸如CVD法的干镀法、或电结晶化法。可以将导电物质支撑在光电转换部分和催化剂之间。此外，当用于氢产生和氧产生的催化活性不足时，将催化剂支撑在多孔体、纤维物质或金属或碳的纳米颗粒上以增加反应表面积，因而可以提高氢和氧产生率。6-11.后基底后基底14可以设置成在第一电解电极8和第二电解电极7上以便与半透明基底I相反。此外，可以设置后基底14，使得在第一电解电极8和第二电解电极7与后基底14之间设置空间。该空间可以形成为电解溶液腔15。通过将电解溶液引入到电解溶液腔15中，可以使第一电解电极8和第二电解电极7与电解溶液相接触。当采用箱状后基底14时，该后基底可以是箱的底部部分。此外，后基底14构成电解溶液腔15并且被设置成限制产生的氢和氧，因而它由具有高空气泄漏效率的材料制成。虽然材料并不限于是透明的或不透明的，但是它优选地是透明的，因为可以观察到产生第一气体和第二气体。透明的后基底不受特别的限制，并且它可以是透明的刚性材料，诸如石英玻璃、Pyrex (注册商标)、或人造石英板、透明树脂板、或膜材料。在它们当中，优选地使用玻璃材料，因为它不传输气体并且它是化学和物理稳定的。6-12.间隔壁可以设置间隔壁13以将是第一电解电极8和后基底14之间的空间的电解溶液腔15和是第二电解电极7和后基底14之间的空间的电解溶液腔15隔开。因此，防止在第一电解电极8和第二电解电极7中产生的第一气体和第二气体混合，从而分别地收集第一气体和第二气体。此外，间隔壁13可以包含离子交换剂。在这种情况下，间隔壁13可以平衡在第一电解电极8和后基底14之间的空间中的电解溶液和在第二电解电极7和后基底14之间的空间中的电解溶液之间变得不平衡的离子浓度。间隔壁13可以是由多孔玻璃、多孔氧化锆、或多孔氧化铝、或离子交换剂制成的无机膜。离子交换剂可以是任何熟知的离子交换剂，诸如质子传导膜、阳离子交换膜、或阴离子交换膜。 用于质子传导膜的材料不受特别的限制，只要它具有质子传导和电绝缘性质，诸如聚合物膜、无机膜、或复合膜。聚合物膜可以是全氟磺酸盐系电解膜，诸如由Du Pont制造的Naf ion(注册商标)、由 Asahi Kasei Corporation 制造的 Aciplex (注册商标)、或由 Asahi Glass Co. , Ltd.制造的Flemion (注册商标)，或由聚磺苯乙烯、磺化聚醚酮醚等形成的碳氢化物系电解膜。无机膜可以是由玻璃磷酸盐、铯氢硫酸盐、多钨磷酸盐、聚磷酸铵等制成的膜。复合膜由诸如磺化聚酰亚胺系聚合物、或钨酸的无机物，和诸如聚酰亚胺的有机物质，并且更具体地，由Gore & Associates Inc.制造的GORE-SELECT (注册商标)、孔隙填充电解膜等组成。此外，当在高温气氛(诸如100°C或更高)使用它时，材料可以是磺化聚酰亚胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、磺化聚苯并咪唑、膦酸化聚苯并咪唑、铯氢硫酸盐、聚磷酸铵等。阳离子交换膜可以是可以移动阳离子的固态聚合物电解质。更具体地，它可以是氟系离子交换膜，诸如全氟碳磺酸盐膜或全氟碳羧酸膜、浸溃有磷酸的多苯并咪唑膜、聚磺苯乙烯膜、磺化苯乙烯共聚物膜等。当在支撑电解溶液中的阴离子运输量高时，优选地使用阴离子交换膜。作为阴离子交换膜，可以使用可以移动阴离子的固态聚合物电解质。更具体地，它可以是聚邻苯二胺膜、具有铵盐衍生物组的氟系离子交换膜、具有铵盐衍生物组的苯乙烯聚合物膜，用氯甲基苯乙烯乙烯苯基共聚物胺化的膜等。6-13.密封材料密封材料16是与半透明基底I和后基底14粘合的材料，并且密封在制氢装置23中流动的电解溶液以及在制氢装置23中产生的第一气体和第二气体。当采用箱状后基底14时，使用密封材料16来粘合箱和半透明基底I。密封材料16优选地是紫外线固化粘合剂或热固化粘合剂，但是其种类不受限制。紫外线固化粘合剂是通过被用具有200至400nm的波长的光照射而聚合并且在被照射之后几秒钟内固化的树脂，并且被划分成游离基聚合类型和阳离子聚合类型，并且游离基聚合类型树脂由丙烯酸酯或不饱和聚酯形成，并且阳离子聚合类型由环氧、氧杂环丁烷、或乙烯醚形成。此外，热固化聚合物粘合剂可以是有机树脂诸如酚醛树脂、环氧树脂、三聚氰胺树脂、脲醛树脂、或热固化聚酰亚胺。通过被加热并且在热压缩时在挤压状况下聚合然后保持受挤压的同时被冷却至室温，热固化聚合物粘合剂成功地粘合构件，从而不需要紧固构件。除有机树脂之外，可以使用对玻璃基板具有高粘附性的混合材料。通过使用混合材料，提高了诸如弹性和硬度的机械特性，并且可以大大提高耐热性和耐化学性。混合材料由无机胶体颗粒和有机粘结剂树脂形成。例如，它由诸如二氧化硅的无机胶体颗粒、以及有机粘结剂树脂诸如环氧树脂、聚亚安酯丙烯酸树脂、或聚酯丙烯酸酯树脂形成。
这里，示出密封材料16，然而这不受限制，只要它具有粘合半透明基底I和后基底14的功能，使得可以偶尔使用如下方法来提高气密性在该方法中，通过使用树脂或金属垫片用诸如螺杆的构件从外侧施加物理压力。6-14.电解溶液腔电解溶液腔15可以是第一电解电极8和后基底14之间的空间，和第二电解电极7和后基底14之间的空间。此外，电解溶液腔15可以由间隔壁13隔开。6-15.进水口可以通过打开制氢装置23中的密封材料16的一部分或打开后基底14的一部分来设置进水口 18。进水口 18被布置成供给待转换成第一气体和第二气体的电解溶液，并且进水口的位置和形状不受特别的限制，只要可以有效地将作为原料的电解溶液供给至制氢 装置23。6-16.第一排气口，和第二排气口第一排气口 20和第二排气口 19形成为分别非常靠近第一电解电极8的端部和第二电解电极7的端部。凭借该构造，可以从第一排气口 20收集第一气体，而可以从第二排气口 19收集第二气体。当制氢装置23被布置成使得光电转换部分2的光接受表面相对于水平面倾斜时，第一排气口 20可以形成为非常靠近第一电解电极8的可以与电解溶液相接触的表面的上端。当制氢装置23被布置成使得光电转换部分2的光接受表面相对于水平面倾斜时，第二排气口 19可以形成为非常靠近第二电解电极7的可以与电解溶液相接触的表面的上端。凭借该构造，当制氢装置23被布置成使得光电转换部分2的光接受表面相对于水平面倾斜从而允许日光入射在光接受表面上时，在第一电解电极8中产生的第一气体在电解溶液中以气泡的形式上升，并且可以从第一排气口 20收集该第一气体，而在第二电解电极7中产生的第二气体在电解溶液中以气泡的形式上升，并且可以从第二排气口 19收集该第二气体。例如，通过在密封材料16上形成开口，可以设置第一排气口 20和第二排气口 19。可以设置流入防止阀以便防止电解溶液流入到第一排气口 20和第二排气口 19中。第一排气口 20可以与第一气体排气路径相连通，而第二排气口 19可以与第二气体排气路径相连通。第一气体排气路径可以与多个第一排气口 20相连通，而第二气体排气路径可以与多个第二排气口 19相连通。采用该构造，可以收集在制氢装置23中产生的第一气体和第二气体。第一气体排气路径和第二气体排气路径可以连接到氢存储部分12。凭借该构造，可以将在制氢装置23中产生的氢气存储在氢存储部分12中。第一气体排气路径和第二气体排气路径中的一个气体排气路径可以构成氢流经的气体通道，并且另一个气体排气路径可以构成空气流经的气体通道。6-17.电解溶液电解溶液不受特别限制，只要它是第一气体和第二气体的原料。电解溶液是包含电解质的水溶液，诸如包含O. IM的H2SO4的电解溶液，或包含O. IM的磷酸钾的缓冲溶液。在这种情况下，氢气和氧气可以作为第一气体和第二气体从电解溶液产生。7.水通道水通道可以设置成允许加湿部分48、除湿部分49、和水电解部分21与水槽46相连通。水通道可以设有用于循环水的泵或阀。
例如，水通道可以设置成如图3中所示。参照图3，通过用泵Pl将存储在水槽46中的水供给至水电解部分21，可以阻止水电解部分21中电解溶液的减少。打开阀V12和V13,因而可以将由除湿部分49分离的水收集到水槽46中。可以用泵P2将水槽46中的水供给至加湿部分48。因此，水电解部分21或加湿部分48可以使用由除湿部分49分离的水，因而可以有效地利用水。8.切换部分切换部分29可以切换将由入射到光电转换部分2中的光产生的电动势输出到第一外部电路的回路，和将由入射到光电转换部分2中的光产生的电动势输出到第一电解电极8和第二电解电极7中并且从电解溶液产生第一气体和第二气体的回路。因此，由入射　到光电转换部分2中的光产生的电动势作为能量到第一外部电路，并且第一气体和第二气体可以通过使用由入射到光电转换部分2中的光产生的电动势产生。电连接切换部分29和第一外部电路的方法不受特别的限制。例如，切换部分29可以具有输出端子，并且切换部分29可以经由该输出端子电连接到第一外部电路。切换部分29可以电连接到第二外部电路，并且可以切换到将从第二外部电路输入的电动势输出到第一电解电极8和第二电解电极7并且从电解溶液产生第一气体和第二气体的回路。因此，通过利用从第二外部电路输入的电动势，第一气体和第二气体可以从电解溶液产生。电连接切换部分29和第二外部电路的方法不受特别的限制。例如，切换部分29可以具有输入端子，并且切换部分29可以经由该输入端子电连接到第二外部电路。
权利要求
1.一种阴离子交换膜类型的燃料电池系统，包括 燃料电池部分；以及 二氧化碳除去部分，其中 所述燃料电池部分包括燃料电极、空气电极、夹在所述燃料电极和所述空气电极之间的阴离子交换类型的固态聚合物电解质膜、将燃料气供给至所述燃料电极的燃料通道、以及将空气或氧气供给至所述空气电极的空气通道，并且 所述二氧化碳除去部分被构造成当所述燃料气流经所述燃料通道时除去混合在所述燃料气中的二氧化碳，并且在除去所述二氧化碳之后允许所述燃料气再次流到所述燃料通道中。
2.根据权利要求I所述的燃料电池系统，进一步包括燃料气供给部分以及空气供给部分，所述燃料气供给部分将燃料气供给至所述燃料通道，所述空气供给部分将空气或氧气供给至所述空气通道。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，进一步包括气体混合器，所述气体混合器将由所述二氧化碳除去部分从中除去二氧化碳的燃料气与从所述燃料供给部分供给的燃料气混合，并且将合成的混合物供给至所述燃料通道。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，进一步包括循环通道，所述循环通道被设置成允许所述燃料气从所述燃料通道流到所述气体混合器，其中所述二氧化碳除去部分被设置成除去在流经所述循环通道的燃料气中所包含的二氧化碳。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，进一步包括湿度传感器，所述湿度传感器检测流经所述循环通道的燃料气的湿度或由所述气体混合器形成的气体混合物的湿度，其中所述气体混合器被构造成能够基于来自所述湿度传感器的信号改变从所述循环通道供给的燃料气与从所述燃料气供给部分供给的燃料气的混合比。
6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，进一步包括加湿部分，所述加湿部分对供给至所述燃料通道的燃料气进行加湿。
7.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述燃料气是氢气，并且所述燃料气供给部分是氢供给部分。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，所述氢供给部分包括氢存储部分，所述氢存储部分被构造成存储由所述二氧化碳除去部分从中除去二氧化碳的氢气，并且将所存储的氢气供给至所述气体混合器。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，进一步包括除湿部分，所述除湿部分对流经所述燃料通道的氢气进行除湿。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，所述除湿部分被构造成对待被存储在所述氢存储部分中的氢气进行除湿。
11.根据权利要求9所述的燃料电池系统，进一步包括水电解部分，所述水电解部分以电解方式产生氢气和氧气，其中所述氢存储部分存储由所述水电解部分产生并且由所述除湿部分除湿的氢气。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，进一步包括光电转换部分，所述光电转换部分被构造成向所述水电解部分输出光伏电。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述光电转换部分具有光接受表面和后表面，并且所述水电解部分设置在所述光电转换部分的后表面上，其中所述光电转换部分和所述水电解部分构成制氢装置。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述制氢装置包括第一电解电极和第二电解电极，所述第一电解电极和第二电解电极分别形成在所述光电转换部分的后表面上，其中，当用光照射所述光电转换部分的光接受表面，并且使所述第一和第二电解电极与电解溶液相接触时，通过利用由接收光的所述光电转换部分产生的电动势，所述第一和第二电解电极可以电解所述电解溶液以产生第一气体和第二气体，所述第一和第二气体中的一种气体为氢气，并且另一种气体为氧气。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述光电转换部分被构造成当被用光照射时在所述光接受表面和所述后表面之间产生电动势，所述第一电解电极被构造成能够电连接到所述光电转换部分的后表面，并且所述第二电解电极被构造成能够电连接到所述光电转换部分的光接受表面。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中所述制氢装置进一步包括绝缘部分， 所述绝缘部分设置在所述第二电解电极与所述光电转换部分的后表面之间。
17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中所述制氢装置进一步包括第一电极，所述第一电极与所述光电转换部分的光接受表面相接触。
18.根据权利要求17所述燃料电池系统，其中所述制氢装置进一步包括第一导电部分，所述第一导电部分电连接所述第一电极和所述第二电解电极。
19.根据权利要求18所述的燃料电池系统，其中所述第一导电部分形成在贯穿所述光电转换部分的接触孔中。
20.根据权利要求18所述的燃料电池系统，其中所述绝缘部分被设置成覆盖所述光电转换部分的侧面，并且所述第一导电部分设置在如下部分上，所述部分是绝缘部分的一部分并且覆盖所述光电转换部分的侧面。
21.根据权利要求17所述的燃料电池系统，其中所述绝缘部分被设置成覆盖所述光电转换部分的侧面，并且所述第二电解电极设置在如下部分上，所述部分是绝缘部分的一部分并且覆盖所述光电转换部分的侧面，并且与所述第一电极相接触。
22.根据权利要求15所述的燃料电池系统,其中所述光电转换部分具有光电转换层，所述光电转换层由P型半导体层、i型半导体层、和η型半导体层形成。
23.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中当所述光电转换部分被用光照射时，所述光电转换部分在所述光电转换部分的后表面上在第一和第二区域之间产生电位差，其中所述第一区域形成为电连接到所述第一电解电极，而所述第二区域形成为电连接到所述第二电解电极。
24.根据权利要求23所述的燃料电池系统，其中所述制氢装置进一步具有绝缘部分，所述绝缘部分形成在所述第一和第二电解电极与所述光电转换部分的后表面之间，并且所述绝缘部分在所述第一区域和所述第二区域上具有开口。
25.根据权利要求23所述的燃料电池系统，其中所述光电转换部分由至少一个具有η型半导体部分和P型半导体部分的半导体材料形成，其中所述第一和第二区域中的一个区域是所述η型半导体部分的一部分，而另一个区域是所述P型半导体部分的一部分。
26.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述制氢装置进一步具有半透明基底，其中所述光电转换部分设置在所述半透明基底上。
27.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述光电转换部分包括多个串联的光电转换层，其中所述多个光电转换层将由入射到所述光电转换部分中的光产生的电动势供给至所述第一电解电极和所述第二电解电极。
28.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述第一电解电极和所述第二电解电极中的一个电解电极是氢产生部分，所述氢产生部分从所述电解溶液产生H2，而另一个电解电极是氧产生部分，所述氧产生部分从所述电解溶液产生O2，其中所述氢产生部分包含氢产生催化剂，所述氢产生催化剂是用于从所述电解溶液产生H2的反应的催化剂，并且所述氧产生部分包括氧产生催化剂，所述氧产生催化剂是用于从所述电解溶液产生O2的反应的催化剂。
29.根据权利要求28所述的燃料电池系统，所述氢产生部分和所述氧产生部分中的至少一个部分具有大于所述光接受表面的面积的催化表面积。
30.根据权利要求28所述的燃料电池系统，其中所述氢产生部分和所述氧产生部分中的至少一个部分由催化剂支撑多孔导体形成。
31.根据权利要求28所述的燃料电池系统，其中所述氢产生部分包含Pt、Ir、Ru、Pd、Rh、Au、Fe、Ni、和Se中的至少一个。
32.根据权利要求28所述的燃料电池系统，其中所述氧产生部分包含Mn、Ca、Zn、Co、和Ir中的至少一个。
33.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述制氢装置包括半透明基底、电解溶液腔和后基底，所述后基底设置在所述第一电解电极和所述第二电解电极上，其中所述光电转换部分设置在所述半透明基底上，并且所述电解溶液腔设置在所述第一和第二电解电极与所述后基底之间。
34.根据权利要求33所述的燃料电池系统，其中所述制氢装置进一步包括间隔壁，所述间隔壁将在所述第一电解电极和所述后基底之间的电解溶液腔与在所述第二电解电极和所述后基底之间的电解溶液腔隔开。
35.根据权利要求34所述的燃料电池系统，其中所述间隔壁包括离子交换剂。
全文摘要
一种阴离子交换膜类型的燃料电池系统，包括燃料电池部分；以及二氧化碳除去部分，其中该燃料电池部分包括燃料电极、空气电极、夹在该燃料电极和该空气电极之间的阴离子交换类型的固态聚合物电解质膜、将燃料气供给至燃料电极的燃料通道、以及将空气或氧气供给至空气电极的空气通道，并且该二氧化碳除去部分被构造成当燃料气流经燃料通道时除去混合在燃料气中的二氧化碳，并且在除去二氧化碳之后允许燃料气再次流到燃料通道中。
文档编号H01M8/08GK102956903SQ20121030539
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月24日 优先权日2011年8月25日
发明者水畑宏隆, 吉田章人, 佐多俊辅 申请人:夏普株式会社