(57)【要約】【課題】安価に製造可能な光電気化学電池の提供。【解決手段】容器を互いに分離された第１領域と第２領域とに画成し、且つ、前記第１領域側に臨む第１面と前記第２領域側に臨む第２面とを有する隔壁と、前記第１領域内に充填されている第１電解質と、前記第２領域内に充填されている第２電解質と、前記隔壁の第１面の上に配設される第１電極と、前記隔壁の第２面の上に配設される第２電極と、前記第１電極の上に配設される第１光触媒層と、前記第２電極の上に配設される第２光触媒層と、前記第１領域と前記第２領域を連通させ、且つ、前記第１および第２電解質を一方向に移動可能にする電解質移動通路と、を備えることを特徴とする光電気化学電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器を互いに分離された第１領域と第２領域とに画成し、且つ、前記第１領域側に臨む第１面と前記第２領域側に臨む第２面とを有する隔壁と、
前記第１領域内に充填されている第１電解質と、
前記第２領域内に充填されている第２電解質と、
前記隔壁の第１面の上に配設される第１電極と、
前記隔壁の第２面の上に配設される第２電極と、
前記第１電極の上に配設される第１光触媒層と、
前記第２電極の上に配設される第２光触媒層と、
前記第１領域と前記第２領域を連通させ、且つ、前記第１および第２電解質を一方向に移動可能にする電解質移動通路と、
を備えることを特徴とする光電気化学電池。
【請求項２】
前記第１光触媒層は酸化光触媒を含み、前記第２光触媒層は還元光触媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の光電気化学電池。
【請求項３】
前記第１光触媒層はＮ型の半導体金属化合物を含み、前記第２光触媒層はＰ型の半導体金属化合物を含むことを特徴とする請求項２に記載の光電気化学電池。
【請求項４】
前記第１光触媒層はＴｉＯ２を含み、前記第２光触媒層はＣｕ２Ｏを含むことを特徴とする請求項３に記載の光電気化学電池。
【請求項５】
前記第１および第２電極は、金属、金属化合物および炭素のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光電気化学電池。
【請求項６】
前記第１および第２電極は、アルミニウム（Ａｌ）、ガラス状炭素およびｎ型チタン酸バリウム（ｎ-ＢａＴｉＯ３）のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項５に記載の光電気化学電池。
【請求項７】
前記隔壁は、テフロン、ゴムおよび絶縁性高分子のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の光電気化学電池。
【請求項８】
前記隔壁は、可撓性材料を含むことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の光電気化学電池。
【請求項９】
前記第１および第２光触媒層のうちの少なくとも一方は、表面に凹凸またはうねりがあることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の光電気化学電池。
【請求項１０】
前記隔壁の第１面および第２面のうちの少なくとも一面は、表面に凹凸またはうねりがあることを特徴とする請求項９に記載の光電気化学電池。
【請求項１１】
前記隔壁の第１面および第２面は折れ曲がっており、
前記第１および第２光触媒層のうちの少なくとも一方の凹凸またはうねりがある表面は、前記隔壁の折れ曲がった第１面および第２面の形状に倣うことを特徴とする請求項１０に記載の光電気化学電池。
【請求項１２】
前記第１および第２光触媒層の側面は、傾いていることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の光電気化学電池。
【請求項１３】
前記隔壁の第１面および第２面のうちの少なくとも一面は、傾いていることを特徴とする請求項１２に記載の光電気化学電池。
【請求項１４】
前記隔壁と、前記第１および第２電極と、前記第１および第２光触媒層とは、一体になっていることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の光電気化学電池。
【請求項１５】
前記第１光触媒層の表面に配設され、且つ、前記第１電解質と接触する第１電極触媒をさらに含むことを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載の光電気化学電池。
【請求項１６】
前記第２光触媒層の表面に配設され、且つ、前記第２電解質と接触する第２電極触媒をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の光電気化学電池。
【請求項１７】
前記第１および第２電極触媒は、金属、金属化合物および炭素のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１６に記載の光電気化学電池。
【請求項１８】
前記第１および第２光触媒層は、それぞれ前記第１および第２電解質と接触することを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載の光電気化学電池。
【請求項１９】
前記電解質移動通路に設けられている微細ポンプをさらに備え、
前記微細ポンプは、塩橋、電動ポンプおよび電気浸透ポンプのうちの一種を備えることを特徴とする請求項１から１８の何れか１項に記載の光電気化学電池。
【請求項２０】
前記第１電極と前記第２電極を結ぶ導電線をさらに備え、
前記微細ポンプは前記導電線と接続されて、前記導電線に流れる電気エネルギーによって動作することを特徴とする請求項１９に記載の光電気化学電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電気化学電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電気化学（photoelectrochemistry）技術をエネルギー転換および環境浄化などに幅広く活用するための取り組みが盛んになされている。例えば、光エネルギーを、水分解反応を通じた水素の製造および有機汚染物の分解を通じた水処理に活用するために、種々の光電気化学反応システムおよび電池が開発されている。とりわけ、最近では、太陽光エネルギーを、二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）から有用な化合物を合成する人工光合成技術に利用しようとする研究が盛んになされている。人工光合成技術とは、太陽光エネルギーを用いて、代表的な温室ガスである二酸化炭素を水と反応させて、メタン、メタノール、ホルム酸などの有用な炭素化合物を合成する技術のことをいい、二酸化炭素転換を通じて温室ガスを低減するとともに、太陽光エネルギーを転換および貯蔵して環境問題とエネルギー問題を一気に解決することのできる有望な未来技術である。
【０００３】
光エネルギーおよび光触媒電極素材を活用する、光電気化学的な水分解反応を通じた水素の製造技術および光電気化学的な二酸化炭素還元を通じた炭素化合物の合成技術は、光電気化学反応の代表的な応用分野である。このような光電気化学反応のためには、光エネルギーを吸収して酸化／還元反応を引き起こし得る光触媒素材からなる一つ以上の光電極を有する光電気化学反応器、すなわち、光電気化学電池（photoelectrochemical cell；ＰＥＣ cell）が必要である。光電気化学反応効率の向上および反応特性に応じて様々な構造を有する光電気化学電池が開発されている。このような構造の代表例として、電解質が満たされている反応器に、透明導電性基板の上に光触媒素材がコーティングされた光電極が両側に互いに対称をなすように設けられており、両電極が高分子イオン伝導性膜またはイオン交換膜によって分離されている隔膜構造が挙げられる。このような構造は、生成物が分離し易く、光透過性および伝導性を同時に与えることができる。
【０００４】
このような電池構造において用いられている透明導電性基板は、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：indium tin oxide）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ：fluorine doped tin oxide）などから製作され、高分子イオン交換膜はナフィオン（Nafion）などから製作されるが、これらは非常に高価である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストの安い光電気化学電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための本発明の一実施形態に係る光電気化学電池は、容器を互いに分離された第１領域と第２領域とに画成し、且つ、前記第１領域側に臨む第１面と前記第２領域側に臨む第２面とを有する隔壁と、前記第１領域内に充填されている第１電解質と、前記第２領域内に充填されている第２電解質と、前記隔壁の第１面の上に配設される第１電極と、前記隔壁の第２面の上に配設される第２電極と、前記第１電極の上に配設される第１光触媒層と、前記第２電極の上に配設される第２光触媒層と、前記第１領域と前記第２領域を連通させ、且つ、前記第１および第２電解質を一方向に移動可能にする電解質移動通路と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
前記第１光触媒層は酸化光触媒を含むことができ、前記第２光触媒層は還元光触媒を含むことができる。
【０００８】
前記第１光触媒層はＮ型の半導体金属化合物を含むことができ、前記第２光触媒層はＰ型の半導体金属化合物を含むことができる。
【０００９】
前記第１光触媒層はＴｉＯ２を含むことができ、前記第２光触媒層はＣｕ２Ｏを含むことができる。
【００１０】
前記第１および第２電極は、金属、金属化合物および炭素のうちの少なくとも一種を含むことができる。
【００１１】
前記第１および第２電極は、アルミニウム（Ａｌ）、ガラス状炭素およびｎ型チタン酸バリウム（ｎ-ＢａＴｉＯ３）のうちの少なくとも一種を含むことができる。
【００１２】
前記隔壁は、テフロン、ゴムおよび絶縁性高分子のうちの少なくとも一種を含むことができる。
【００１３】
前記隔壁は、可撓性材料を含むことができる。
【００１４】
前記第１および第２光触媒層のうちの少なくとも一方は、表面に凹凸またはうねりがあってもよい。
【００１５】
前記隔壁の第１面および第２面のうちの少なくとも一面は、表面に凹凸またはうねりがあってもよい。
【００１６】
前記隔壁の第１面および第２面は折れ曲がっていてもよく、前記第１および第２光触媒層のうちの少なくとも一方の凹凸またはうねりがある表面は、前記隔壁の折れ曲がった第１面および第２面の形状に倣っていてもよい。
【００１７】
前記第１および第２光触媒層の側面は、傾いていてもよい。
【００１８】
前記隔壁の第１面および第２面のうちの少なくとも一面は、傾いていてもよい。
【００１９】
前記隔壁と、前記第１および第２電極と、前記第１および第２光触媒層とは、一体になっていてもよい。
【００２０】
前記第１光触媒層の表面に配設され、且つ、前記第１電解質と接触する第１電極触媒をさらに含むことができる。
【００２１】
前記第２光触媒層の表面に配設され、且つ、前記第２電解質と接触する第２電極触媒をさらに含むことができる。
【００２２】
前記第１および第２電極触媒は、金属、金属化合物および炭素のうちの少なくとも一種を含むことができる。
【００２３】
前記第１および第２光触媒層は、それぞれ前記第１および第２電解質と接触することができる。
【００２４】
前記光電気化学電池は、前記電解質移動通路に設けられている微細ポンプをさらに備え、前記微細ポンプは、塩橋、電動ポンプおよび電気浸透ポンプのうちの一種を備えることができる。
【００２５】
前記光電気化学電池は、前記第１電極と前記第２電極を結ぶ導電線をさらに備え、前記微細ポンプは前記導電線と接続されて、前記導電線に流れる電気エネルギーによって動作することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の実施形態に係る光電気化学電池は、安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る光電気化学電池の概略断面図である。
【図２】各種の実施形態に係る隔壁、第１および第２電極、第１および第２光触媒層の断面図である。
【図３】各種の実施形態に係る隔壁、第１および第２電極、第１および第２光触媒層の断面図である。
【図４】各種の実施形態に係る隔壁、第１および第２電極、第１および第２光触媒層の断面図である。
【図５】各種の実施形態に係る隔壁、第１および第２電極、第１および第２光触媒層の断面図である。
【図６】各種の実施形態に係る隔壁、第１および第２電極、第１および第２光触媒層の断面図である。
【図７】各種の実施形態に係る隔壁、第１および第２電極、第１および第２光触媒層の断面図である。
【図８】各種の実施形態に係る隔壁、第１および第２電極、第１および第２光触媒層の断面図である。
【図９】各種の実施形態に係る隔壁、第１および第２電極、第１および第２光触媒層の断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る光電気化学電池の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明について、本発明が属する技術分野において通常の知識を持った者が容易に実施できる程度に詳しく説明する。しかしながら、本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。図中、本実施形態を明確に説明するために、説明とは無関係な部分は省略し、明細書全体に亘って同一または類似の構成要素に対しては同じ図面符号を付す。
【００２９】
図１乃至図９に基づき、本発明の一実施形態に係る光電気化学電池について詳述する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態に係る光電気化学電池の概略断面図であり、図２乃至図９は、各種の実施形態に係る隔壁、第１および第２電極、第１および第２光触媒層の断面図であり、そして図１０は、本発明の他の実施形態に係る光電気化学電池の概略断面図である。
【００３１】
図１を参照すると、本発明の一形態に係る光電気化学電池１００は、容器１１０と、隔壁１２０と、第１電極１３２と、第２電極１３４と、第１光触媒層１４２と、第２光触媒層１４４と、第１電解質１５２と、第２電解質１５４と、電解質移動通路１６０と、微細ポンプ１７０と、導電線１８０と、を備える。
【００３２】
容器１１０は、絶縁物質から製作されてもよく、隔壁１２０によって互いに分離された二つの領域、すなわち、酸化反応領域１１２および還元反応領域１１４を備える。酸化反応領域１１２には第１電解質１５２が充填されており、還元反応領域１１４には第２電解質１５４が充填されている。酸化反応領域１１２および還元反応領域１１４は、別設された電解質移動通路１６０によって連通されており、この移動通路１６０に沿って電解質１５２、１５４が反応領域１１２、１１４の間を移動することができる。電解質移動通路１６０の途中には微細ポンプ１７０が設けられて電解質１５２、１５４の移動方向を制御するが、例えば、酸化反応領域１１２の電解質１５２は還元反応領域１１４に移動できるようにし、還元反応領域１１４の電解質１５４は酸化反応領域１１２に移動できないようにする。微細ポンプ１７０の例としては、塩橋、電動ポンプ、電気浸透ポンプなどが挙げられるが、これらに何ら限定されるものではなく、電解質１５２、１５４が流れる方向を制御可能なものであれば、いかなるものであってもよい。なお、微細ポンプ１７０が導電線１８０と接続されて導電線１８０に流れる電気エネルギーによって作動されてもよい。
【００３３】
隔壁１２０は、例えば、テフロン（登録商標）、ゴム、絶縁性高分子（insulating polymer）などの絶縁物質を含んでいてもよく、酸化反応領域１１２に臨む第１面１２１と、還元反応領域１１４に臨む第２面１２２とを有する。隔壁１２０は、図１、図６から図８に示すように、両面１２１、１２２が平らであってもよいが、図２から図５に示すように、片面１２１、１２２または両面１２１、１２２にうねりがあってもよい。例えば、図２に示すように、隔壁１２０の表面に小さな凹凸が形成されていてもよく、図３に示すように、大きくうねっていてもよい。また、図４および図５に示すように、隔壁１２０そのものが折れ曲がっていてもよく、この場合、隔壁１２０は、折れ曲がり易い可撓性素材から製作されてもよい。しかしながら、隔壁１２０の形状はこれらに何ら限定されるものではなく、種々の形状が採用可能である。例えば、図９を参照すると、隔壁１２０の側面１２１、１２２は傾いていてもよい。
【００３４】
隔壁１２０の第１面１２１の上には第１電極１３２が配設され、第２面１２２の上には第２電極１３４が配設される。第１電極１３２および第２電極１３４は、導電線１８０によって結ばれている。第１および第２電極１３２、１３４は、低抵抗の金属、金属化合物および炭素のうちの一種以上を含んでいてもよいが、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ガラス状炭素、ｎ型チタン酸バリウム（ｎ-ＢａＴｉＯ３）などを含んでいてもよい。第１および第２電極１３２、１３４は、スパッタリング、単なる貼り合わせ、薄膜コーティングなどの方法により隔壁１２０に貼り付けることができ、その厚さは、約１０ｎｍ〜約１ｍｍであってもよい。第１および第２電極１３２、１３４の表面は、隔壁１２０の表面１２１、１２２の形状に応じて、図１、図６から図８に示すように平らであってもよく、図２から図５に示すようにうねっていてもよく、図９に示すように傾いていてもよい。
【００３５】
第１光触媒層１４２は第１電極１３２の上に配設され、第２光触媒層１４４は第２電極１３４の上に配設される。第１光触媒層１４２は酸化光触媒を含んでいてもよく、第２光触媒層１４４は還元光触媒を含んでいてもよい。酸化光触媒は、Ｎ型の半導体金属化合物、例えば、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、ＷＯ３などを含んでいてもよく、還元光触媒は、Ｐ型の半導体金属化合物、例えば、Ｃｕ２Ｏ、ｐ-ＧａＰ、ｐ-ＳｉＣなどを含んでいてもよい。第１および第２光触媒層１４２、１４４は、スパッタリング、化学気相蒸着（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、蒸発法、薄膜コーティングなどの方法によって積層可能であり、第１および第２光触媒層１４２、１４４の厚さはそれぞれ約１０ｎｍ〜約５００μｍであってもよい。
【００３６】
第１および第２光触媒層１４２、１４４のうちの少なくとも一方の表面には、図２から図６に示すような凹凸またはうねりが形成されていてもよい。第１または第２光触媒層１４２、１４４の凹凸またはうねりは、図２から図５に示すように、隔壁１２０の表面の形状に倣って形成されてもよいが、隔壁１２０の表面の形状とは無関係に、第１または第２光触媒層１４２、１４４の表面にのみ凹凸またはうねりが形成されていてもよい。例えば、図６から図８を参照すると、隔壁１２０と第１および第２電極１３２、１３４の表面は平らであるが、第１または第２光触媒層１４２、１４４の表面には凹凸またはうねりがあってもよい。凹凸の形状は、図６に示すように、丸状であってもよいが、図７に示すように、鋸歯状であってもよい。
【００３７】
これとは異なり、第１および第２光触媒層１４２、１４４の側面が傾いていてもよい。第１および第２光触媒層１４２、１４４の側面の傾きは、図９に示すように、隔壁１２０の側面の傾きに起因するものであってもよい。
【００３８】
図９に示す構造の場合にも、図２から図６に示すようなうねりまたは凹凸が形成されていてもよい。
【００３９】
しかしながら、第１および第２光触媒層１４２、１４４の形状はこれらに何ら限定されるものではない。
【００４０】
このように、隔壁１２０と、電極１３２、１３４および光触媒層１４２、１４４は一体に形成されてもよいが、光触媒層１４２、１４４が外向きになっているため光は電極１３２、１３４を経ることなく直ちに光触媒層１４２、１４４に入射し、このため、電極１３２、１３４は透明である必要がない。したがって、電極１３２、１３４の材料として、高価な透明導電物質の代わりに、低抵抗であり、しかも、安価な不透明材料を採用することができる。
【００４１】
第１電解質１５２は、純水や海水であってもよく、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）および水酸化カリウム（ＫＯＨ）のうちの少なくとも一方を含んでいてもよい。第２電解質１５４は、純水や海水であってもよく、重炭酸ソーダー（ＮａＨＣＯ３）および重炭酸塩カリウム（ＫＨＣＯ３）のうちの少なくとも一方を含んでいてもよい。
【００４２】
以下、このような光電気化学電池１００の動作について説明する。
【００４３】
まず、光電気化学電池１００に光を入射させる。図１から図６に示す構造の場合、電池１００の左右から光が入射するが、図９に示す構造の場合には、電池１００の上方から光が入射する。
【００４４】
酸化反応領域１１２において第１光触媒層１４２が光を受光すると、第１光触媒層１４２と接触している第１電解質１５２の水が酸化されながら、酸素気体（Ｏ２）と水素イオン（Ｈ+）および電子が生成される。酸化反応領域１１２の水素イオンは電解質移動通路１６０に沿って還元反応領域１１４に移動し、電子は第１電極１３２を経て導電線１８０に沿って第２電極１３４に移動する。
【００４５】
還元反応領域１１４において第２電解質１５４と接触している第２光触媒層１４４が光を受光すると、二酸化炭素（ＣＯ２）が第２電解質１５４の水素イオンと反応して還元されながら炭素化合物、例えば、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）が生成される。
【００４６】
このように、本発明の一実施形態に係る光電気化学電池においては、高価な透明導電物質やイオン交換膜を用いることなく、光エネルギーを用いてＣＯ２から炭素化合物を産生することができる。
【００４７】
本実施形態において、微細ポンプ１７０は、電解質１５２、１５４が一方向にしか流れないようにするため、生成物、例えば、還元反応領域１１４の生成物であるメタノールが酸化反応領域１１２に逆流して再酸化されることを低減することができる。
【００４８】
図２から図８に示すように、第１および第２光触媒層１４２、１４４の表面にうねりまたは凹凸がある場合、入射光の散乱によって第１および第２光触媒層１４２、１４４の吸光率が高められ、第１および第２光触媒層１４２、１４４と第１および第２電解質１５２、１５４との接触面積が広くなって反応効率が高められる。
【００４９】
以下、図１０に基づき、本発明の他の実施形態に係る光電気化学電池について詳述する。
【００５０】
図１０は、本発明の他の実施形態に係る光電気化学電池の概略断面図である。
【００５１】
図１０を参照すると、本発明の実施形態に係る光電気化学電池２００は、図１に示す光電気化学電池１００と同様に、容器２１０と、隔壁２２０と、第１電極２３２と、第２電極２３４と、第１光触媒層２４２と、第２光触媒層２４４と、第１電解質２５２と、第２電解質２５４と、電解質移動通路２６０と、微細ポンプ２７０と、導電線２８０と、を備える。容器２１０は、隔壁２２０によって互いに分離された酸化反応領域２１２および還元反応領域２１４を備え、隔壁２２０は、酸化反応領域２１２と対面する第１面２２１および還元反応領域２１４と対面する第２面２２２を備える。
【００５２】
しかしながら、本発明の実施形態に係る光電気化学電池２００は、図１に示す光電気化学電池１００とは異なり、第１光触媒層２４２の表面の上に配設される第１電極触媒２４６と、第２光触媒層２４４の表面の上に配設される第２電極触媒２４８と、をさらに備えていてもよい。第１および第２電極触媒２４６、２４８は、炭素、金属および金属化合物のうちの少なくとも一種を含んでいてもよく、その厚さは、約１ｎｍ〜約１００μｍであってもよい。第１および第２電極触媒２４６、２４８のうちの一方は、省略してもよい。
【００５３】
本発明の実施形態に係る光電気化学電池２００も、図２から図９に示す構造を有していてもよい。
【００５４】
本発明の実施形態に係る光電気化学電池は、人工光合成装置、二酸化炭素転換装置、水分解装置または有機汚染物処理装置などに適用可能である。
【００５５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明の欄および添付図面の範囲内において種々に変形して実施することが可能であり、これもまた本発明の範囲に属するということはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５６】
１００、２００:光電気化学電池
１１０、２１０:容器
１１２、２１２:酸化反応領域
１１４、２１４:還元反応領域
１２０、２２０:隔壁
１３２、１３４、２３２、２３４:電極
１４２、１４４、２４２、２４４:光触媒層
１５２、１５４、２５２、２５４:電解質
１６０、２６０:電解質移動通路
１７０、２７０:微細ポンプ
１８０、２８０:導電線
２４６、２４８:電極触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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