(57)【要約】【課題】エネルギー変換効率の高い光電気化学反応装置を提供する。【解決手段】第１の槽と、第２の槽と、前記第１の槽と前記第２の槽とを接続する第１の接続流路及び第２の接続流路と、前記第１の槽、前記第１の接続流路、前記第２の槽、第２の接続流路の順に液体を循環させる輸送機構部と、光触媒を含む材料により形成された第１の電極と、前記第１の電極と接続された第２の電極と、を有し、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方は、前記液体の流れる方向に対し面が傾いた状態で設置されていることを特徴とする光電気化学反応装置により上記課題を解決する。【選択図】図１
2018178227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の槽と、
第２の槽と、
前記第１の槽と前記第２の槽とを接続する第１の接続流路及び第２の接続流路と、
前記第１の槽、前記第１の接続流路、前記第２の槽、第２の接続流路の順に液体を循環させる輸送機構部と、
光触媒を含む材料により形成された第１の電極と、
前記第１の電極と接続された第２の電極と、
を有し、
前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方は、前記液体の流れる方向に対し面が傾いた状態で設置されていることを特徴とする光電気化学反応装置。
【請求項２】
前記第１の電極は、前記第１の接続流路内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電気化学反応装置。
【請求項３】
前記第１の電極は、複数設けられており、隣り合う前記第１の電極は、前記液体の流れる方向に対し異なる角度となるように設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電気化学反応装置。
【請求項４】
第１の槽と、
第２の槽と、
前記第１の槽と前記第２の槽とを接続する第１の接続流路及び第２の接続流路と、
前記第１の槽、前記第１の接続流路、前記第２の槽、第２の接続流路の順に液体を循環させる輸送機構部と、
光触媒を含む材料により形成された第１の電極と、
前記第１の電極と接続された第２の電極と、
を有し、
前記第１の電極は前記第１の接続流路内に設けられていることを特徴とする光電気化学反応装置。
【請求項５】
前記第１の接続流路の内側には複数の凸部が設けられており、
隣り合う前記凸部の間の凹部には前記第１の電極が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の光電気化学反応装置。
【請求項６】
前記第１の接続流路の内側の面には前記第１の電極が形成されており、
前記第１の接続流路の中央部分には、前記液体の流れを変える乱流板が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の光電気化学反応装置。
【請求項７】
前記第１の電極は、前記液体の流れにより形状が変化するものであることを特徴とする請求項４に記載の光電気化学反応装置。
【請求項８】
前記第１の接続流路には、前記第１の接続流路において前記第１の電極を動かす機構部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の光電気化学反応装置。
【請求項９】
前記第１の接続流路内には、前記液体の流れに伴い回転する羽根車が設けられており、
前記羽根車の羽部には、前記第１の電極が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の光電気化学反応装置。
【請求項１０】
前記第１の接続流路内には、前記第１の電極よりも上流側に乱流部材が設けられており、
前記乱流部材は、前記液体の流れを変えるものであることを特徴とする請求項４に記載の光電気化学反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電気化学反応装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光エネルギーを用いて、水から水素ガスを生成したり、水と炭酸ガスから有機物を合成したりする、いわゆる人工光合成技術や、汚染物質を分解する光触媒技術の開発が盛んに行われている。光励起材料をアノードに用いた光電気化学反応装置としては、例えば、光触媒を電極として用いて、この光触媒の電極に光を照射することにより水を分解し、水素ガスと酸素ガスを生成する水素ガス発生装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５４４８９号公報
【特許文献２】特開２０１３−２２０９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の水素ガス発生装置では、光触媒の電極に光を照射することにより、電極表面で酸素が発生し、発生した酸素が気泡となり電極に付着するため、電極表面への反応物質の輸送が制限され、エネルギー変換効率の低下が招かれる。また、光触媒の電極となるアノードの周囲ではＨ＋が発生するためＨ＋の濃度が高くなりｐＨが低下し、カソードの周囲では電子とＨ＋により水素ガスが発生しＨ＋が減少し、ｐＨが上昇するため、この場合にもエネルギー変換効率の低下が招かれる。
【０００５】
このため、エネルギー変換効率の高い水素ガス発生装置等の光電気化学反応装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様では、光電気化学反応装置は、第１の槽と、第２の槽と、前記第１の槽と前記第２の槽とを接続する第１の接続流路及び第２の接続流路と、前記第１の槽、前記第１の接続流路、前記第２の槽、第２の接続流路の順に液体を循環させる輸送機構部と、光触媒を含む材料により形成された第１の電極と、前記第１の電極と接続された第２の電極と、を有し、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方は、前記液体の流れる方向に対し面が傾いた状態で設置されている。
【発明の効果】
【０００７】
１つの側面として、エネルギー変換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態における光電気化学反応装置の構造図
【図２】第１の実施の形態における光電気化学反応装置の構成のブロック図
【図３】第１の実施の形態における光電気化学反応装置の説明図
【図４】第１の実施の形態における他の光電気化学反応装置の構造図
【図５】第１の実施の形態における他の光電気化学反応装置の構成のブロック図
【図６】第２の実施の形態における光電気化学反応装置の構造図
【図７】第２の実施の形態における光電気化学反応装置の説明図
【図８】第２の実施の形態における光電気化学反応装置の説明図（１）
【図９】第２の実施の形態における光電気化学反応装置の説明図（２）
【図１０】第３の実施の形態における光電気化学反応装置の説明図（１）
【図１１】第３の実施の形態における光電気化学反応装置の説明図（２）
【図１２】第４の実施の形態における光電気化学反応装置の説明図（１）
【図１３】第４の実施の形態における光電気化学反応装置の説明図（２）
【図１４】第５の実施の形態における光電気化学反応装置の説明図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。また、発明の内容を説明するため、便宜上、図面の一部は実際よりも誇張されて表されている場合がある。
【００１０】
〔第１の実施の形態〕
本実施の形態における光電気化学反応装置である水素ガス発生装置について、図１及び図２に基づき説明する。本実施の形態における水素ガス発生装置は、第１の槽１０、第２の槽２０とを有しており、第１の槽１０と第２の槽２０との間には、第１の接続流路３０及び第２の接続流路４０により接続されている。また、第１の接続流路３０と第１の槽１０との間には、輸送機構部となるポンプ５０が設けられており、第１の接続流路３０内には複数の第１の電極６０が設けられている。また、第２の槽２０には第２の電極７０が設けられている。
【００１１】
本実施の形態においては、第１の電極６０は、ＴｉＯ２（二酸化チタン）等の光触媒により形成されており、第１の電極６０に光を照射すると電子と正孔が生成され、水を分解し酸素ガスが生成される。第１の電極６０と第２の電極７０とは、配線８０及び電源９０を介し電気的に接続されており、第１の電極６０において発生した電子は、第２の電極７０に流れる。本願においては、第１の電極６０がアノードとなり、第２の電極７０がカソードとなる。また、水は反応物質となる液体であり、水素及び酸素を発生させる際の原料となる。本実施の形態における光電気化学反応装置では、ポンプ５０により、第２の槽２０、第２の接続流路４０、第１の槽１０、第１の接続流路３０の順に水を循環させている。
【００１２】
尚、光触媒には、ＴａＯＮや遷移金属をドープしたＳｒＴｉＯ３等の可視光により水を分解することのできる可能性のあるものがある。また、光触媒がバイアス電圧（もしくはｐＨを変える化学バイアス）を印加することなく水を分解することのできる材料である場合には電源９０は不要である。光触媒にＴｉＯ２やＷＯ３等を用いた場合には、バイアス電圧の印加が必要な場合があるため、この場合には、電源９０が必要となる。
【００１３】
より詳細に説明すると、第１の接続流路３０内に設置された第１の電極６０に光を照射すると、正孔と電子が生成される。このように生成された正孔と水により、下記化１の化学式に示されるように、酸素と水素イオン（Ｈ＋）が生成され、電子は、配線８０を第２の電極７０に向かって流れる。また、生成された酸素と水素イオンが含まれている水は、ポンプ５０により第１の槽１０に流れ、第１の槽１０において、酸素ガスが回収される。具体的には、第１の槽１０は、生成された酸化物を回収する槽であり、水素ガス発生装置の場合では、酸素（Ｏ２）ガスを回収する酸素ガス回収槽である。生成物となる酸素ガスは、第１の槽１０に設けられた第１の排気口１１より回収される。
【００１４】
この後、水素イオンを含んだ水は第２の接続流路４０を通り第２の槽２０に流れる。第２の槽２０では、下記化１の化学式に示されるように、水に含まれる水素イオンが、第２の槽２０に設けられた第２の電極７０より電子を受け取り、水素ガスが生成され、第２の槽２０において水素ガスが回収される。具体的には、第２の槽２０は、生成された還元物を生成し回収する槽であり、水素ガス発生装置の場合では、水素（Ｈ２）ガスを生成する水素ガス生成槽である。第２の槽２０内に設けられている第２の電極７０は水素ガスを生成するためのＰｔ等により形成されており、生成物となる水素ガスは、第２の槽２０に設けられた第２の排気口２１より回収される。
【００１５】
【化１】
2018178227.tif 000003
【００１６】
本実施の形態では、図３に示されるように、第１の接続流路３０内に設置されている第１の電極６０は、ガラス等の透明基板６１の一方の面に、ＴｉＯ２等の光触媒材料により光触媒層６２が形成されている。尚、第１の接続流路３０は紫外線等の光を透過する材料により形成されている。
【００１７】
また、第１の電極６０は、第１の接続流路３０において、水が供給される破線矢印Ａで示される方向に対し、透明基板６１の面が所定の角度θで傾いた状態となるように設置されている。本実施の形態においては、このような第１の電極６０は複数設けられており、隣り合う第１の電極６０の面は、相互に異なる角度となるように設置されている。具体的には、第１の電極６０は、第１の接続流路３０に水が供給される方向に対する面の角度θが４５°になるものと、面の角度θが−４５°になるものとが交互に配置されている。従って、隣り合う第１の電極６０の面は相互に直交しており、複数の第１の電極６０は、１つおきに第１の電極６０の面が略平行となるように設置されている。
【００１８】
このように、第１の接続流路３０に水が供給される方向に対し、第１の電極６０の面を傾けて設置し、破線Ａで示す方向より水を流すことにより、破線矢印Ｂに示すような乱流が発生する。この乱流は、第１の電極６０の光触媒層６２に向かって流れるため、第１の電極６０の光触媒層６２の周囲の水素イオンは、第１の電極６０の光触媒層６２より離れる方向に流され、第１の電極６０の周囲のｐＨの低下を抑制することができる。また、この乱流により、第１の電極６０の光触媒層６２に付着している酸素の気泡は、第１の電極６０の光触媒層６２から離れ、水とともに第１の槽１０に運ばれる。このように第１の槽１０に運ばれた酸素の気泡は、第１の槽１０において回収され、第１の排気口１１より酸素ガスが得られる。
【００１９】
図１及び図２に示す場合では、第１の接続流路３０と第１の槽１０との間にポンプ５０を設置した場合について説明したが、ポンプ５０は第２の槽２０と第１の接続流路３０との間に設置してもよく、また、第１の接続流路３０内に設置してもよい。また、ポンプ５０は、図４及び図５に示されるように、第１の槽１０と第２の接続流路４０との間に設置してもよく、更には、図示はしないが、第２の接続流路４０と第２の槽２０との間に設置してもよく、第２の接続流路４０内に設置してもよい。
【００２０】
上記における説明では、第１の電極６０を第１の接続流路３０に設けた場合について説明したが、第２の電極７０を第２の接続流路４０において、乱流が生じるように設置したものであってもよい。また、本実施の形態における光電気化学反応装置は、二酸化炭素を光触媒により形成された電極に光を照射することにより還元し、蟻酸、ホルムアルデヒド、メタノール等を生成する場合についても適用可能である。
【００２１】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について図６及び図７に基づき説明する。図６は、本実施の形態における光電気化学反応装置の全体の構造を示す図である。本実施の形態においては、図７に示されるように、第１の接続流路１３０の内側には複数の凸部１３１が設けられている。隣り合う凸部１３１と凸部１３１との間は凹部１３２となっており、第１の接続流路１３０の内側の面となる凹部１３２の底面１３２ａには、第１の電極１６０が設けられている。本実施の形態は、図６に示すように、第１の接続流路１３０が複数設けられているものが、効率等の観点からは好ましいが、１つであってもよい。本実施の形態においては、第１の電極１６０は、ＴｉＯ２等の光触媒により形成されており、第１の電極１６０は配線８０により第２の電極７０と接続されている。尚、第１の接続流路１３０は紫外光等を透過する透明な材料により形成されている。
【００２２】
本実施の形態においては、複数の凸部１３１と凹部１３２を形成することにより、破線矢印Ｃに示す方向より水を供給すると乱流が生じる。この乱流は第１の電極１６０に向かって流れるため、この乱流により、第１の電極１６０の周囲の水素イオンや、第１の電極１６０に付着している酸素の気泡は第１の電極１６０より離れ第１の槽１０に運ばれる。このような突起は、図７に示されるように、規則的に設けられているものであってもよく、図８に示すようにランダムに設けられているものであってもよい。また、第１の接続流路１３０は円筒形であって、凸部１３１は第１の接続流路１３０の内側の周方向に沿って形成されており、凸部１３１が形成されている領域の内径と、凹部１３２が形成されている領域の内径とが異なるものであってもよい。
【００２３】
また、本実施の形態は、図９に示されるように、筒状の第１の接続流路１３０の内側の面１３０ａに第１の電極１６０を形成し、中央部分に乱流板１３３を設けた構造のものであってもよい。この場合も、第１の接続流路１３０に水を供給すると、乱流板１３３により乱流が生じる。この乱流は第１の電極１６０に向かって流れるため、第１の電極６０の周囲の水素イオンや、第１の電極６０に付着している酸素の気泡は第１の電極１６０より離れ、第１の槽１０に運ばれる。
【００２４】
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００２５】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図１０に示されるように、第１の接続流路２３０内にフィルム等の柔軟な材料により形成された第１の電極２６０を設けた構造のものである。第１の電極２６０は、第１の接続流路２３０内の固定部２３１に接続されており、破線矢印Ｄに示される方向より第１の接続流路２３０に水を供給することにより、供給された水によりはためく。即ち、第１の電極２６０は柔軟な材料により形成されており、第１の接続流路２３０内を流れる水により、はためくように形状が変化する。このように、第１の電極２６０がはためくように形状が変化することにより、第１の電極２６０の周囲の水素イオンや、第１の電極２６０に付着している酸素の気泡は第１の電極２６０より離れ、第１の槽１０に運ばれる。本実施の形態においては、第１の電極２６０は、薄い樹脂材料の表面にＴｉＯ２等の光触媒の膜が形成されているものであってもよい。
【００２６】
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００２７】
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図１１に示されるように、第１の接続流路３３０内に設けられた第１の電極３６０が第１の接続流路３３０内において可動するものである。具体的には、第１の電極３６０を可動させる機構部３６１が設けられており、機構部３６１の軸３６２には第１の電極３６０が接続されており、機構部３６１により第１の電極３６０を軸３６２を中心に可動させることができる。これにより、第１の接続流路３３０に供給される水に対する第１の電極３６０の面の角度を変化させることができる。このように、機構部３６１により第１の電極３６０を可動させることにより、破線矢印Ｅに示される方向より第１の接続流路３３０に水を供給すると、供給された水に乱流が発生する。この乱流により、第１の電極３６０の周囲の水素イオンや、第１の電極３６０に付着している酸素の気泡は第１の電極３６０より離れ、第１の槽１０に運ばれる。尚、本実施の形態においては、第１の電極３６０は、基板等の表面にＴｉＯ２等の光触媒の膜が形成されているものである。また、第１の電極３６０は軸３６２により支持される以外に、第１の接続流路３３０内において機構部３６１により第１の電極３６０を動かすことができるように支持されているものであればよい。
【００２８】
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００２９】
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図１２に示されるように、第１の接続流路４３０内に回転軸４９０を中心に回転する羽根車４９１を設けた構造のものである。本実施の形態においては、図１３に示されるように、羽根車４９１の羽部４９２には、ＴｉＯ２等の光触媒の膜が形成されており第１の電極４６０となっている。図１３（ａ）は羽根車４９１の側面図であり、図１３（ｂ）は正面図である。
【００３０】
このように、第１の接続流路４３０内に羽根車４９１を設けることにより、破線矢印Ｆに示される方向より水が供給されると、羽根車４９１が回転軸４９０を中心に回転する。このように、羽根車４９１が回転軸４９０を中心に回転することにより、羽根車４９１の羽部４９２に設けられた第１の電極４６０の周囲の水素イオンや、第１の電極４６０に付着している酸素の気泡は第１の電極４６０より離れ、第１の槽１０に運ばれる。
【００３１】
羽根車としては、水平軸の揚力形のプロペラ式、セイルウィング式、オランダ式、多翼式等を用いることが可能であり、垂直軸の揚力形のダリウス式、直線翼式、抗力形のサボニウス式、パドル式、クロスフロー式、Ｓ型ロータ式等を用いることが可能である。
【００３２】
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００３３】
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図１４に示されるように、第１の接続流路５３０内に設けられた第１の電極５６０の上流側に、第１の接続流路５３０を流れる水に乱流を発生させる乱流部材５３１や乱流部材５３２を設けた構造のものである。このように、第１の接続流路５３０内に乱流部材５３１や乱流部材５３２を設けることにより、破線矢印Ｇに示される方向より第１の接続流路５３０に水を供給することにより、供給された水に乱流が発生する。この乱流により、乱流部材５３１や乱流部材５３２の下流に位置している第１の電極５６０の周囲の水素イオンや、第１の電極５６０に付着している酸素の気泡は第１の電極４６０より離れ、第１の槽１０に運ばれる。尚、第１の電極５６０は、基板等の表面にＴｉＯ２等の光触媒の膜が形成されているものである。
【００３４】
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００３５】
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００３６】
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
第１の槽と、
第２の槽と、
前記第１の槽と前記第２の槽とを接続する第１の接続流路及び第２の接続流路と、
前記第１の槽、前記第１の接続流路、前記第２の槽、第２の接続流路の順に液体を循環させる輸送機構部と、
光触媒を含む材料により形成された第１の電極と、
前記第１の電極と接続された第２の電極と、
を有し、
前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方は、前記液体の流れる方向に対し面が傾いた状態で設置されていることを特徴とする光電気化学反応装置。
（付記２）
前記第１の電極は、前記第１の接続流路内に設けられていることを特徴とする付記１に記載の光電気化学反応装置。
（付記３）
前記第１の電極は、複数設けられており、隣り合う前記第１の電極は、前記液体の流れる方向に対し異なる角度となるように設置されていることを特徴とする付記１または２に記載の光電気化学反応装置。
（付記４）
第１の槽と、
第２の槽と、
前記第１の槽と前記第２の槽とを接続する第１の接続流路及び第２の接続流路と、
前記第１の槽、前記第１の接続流路、前記第２の槽、第２の接続流路の順に液体を循環させる輸送機構部と、
光触媒を含む材料により形成された第１の電極と、
前記第１の電極と接続された第２の電極と、
を有し、
前記第１の電極は前記第１の接続流路内に設けられていることを特徴とする光電気化学反応装置。
（付記５）
前記第１の接続流路の内側には複数の凸部が設けられており、
隣り合う前記凸部の間の凹部には前記第１の電極が設けられていることを特徴とする付記４に記載の光電気化学反応装置。
（付記６）
前記第１の接続流路の内側の面には前記第１の電極が形成されており、
前記第１の接続流路の中央部分には、前記液体の流れを変える乱流板が設けられていることを特徴とする付記４に記載の光電気化学反応装置。
（付記７）
前記第１の電極は、前記液体の流れにより形状が変化するものであることを特徴とする付記４に記載の光電気化学反応装置。
（付記８）
前記第１の接続流路には、前記第１の接続流路において前記第１の電極を動かす機構部が設けられていることを特徴とする付記４に記載の光電気化学反応装置。
（付記９）
前記第１の接続流路内には、前記液体の流れに伴い回転する羽根車が設けられており、
前記羽根車の羽部には、前記第１の電極が設けられていることを特徴とする付記４に記載の光電気化学反応装置。
（付記１０）
前記第１の接続流路内には、前記第１の電極よりも上流側に乱流部材が設けられており、
前記乱流部材は、前記液体の流れを変えるものであることを特徴とする付記４に記載の光電気化学反応装置。
（付記１１）
前記輸送機構部は、前記第１の接続流路と前記第１の槽との間、前記第２の槽と前記第１の接続流路との間、前記第１の接続流路内、前記第１の槽と前記第２の接続流路との間、前記第２の接続流路と前記第２の槽との間、前記第２の接続流路内のうちのいずれかに設けられていることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の光電気化学反応装置。
（付記１２）
前記液体は水であることを特徴とする付記１から１１のいずれかに記載の光電気化学反応装置。
（付記１３）
前記第１の電極は、二酸化チタンを含む材料により形成されており、
前記第１の電極には、紫外光が照射されることを特徴とする付記１から１２のいずれかに記載の光電気化学反応装置。
【符号の説明】
【００３７】
１０        第１の槽
１１        第１の排気口
２０        第２の槽
２１        第２の排気口
３０        第１の接続流路
４０        第２の接続流路
５０        ポンプ
６０        第１の電極
７０        第２の電極
【図１】
2018178227.tif 000004
【図２】
2018178227.tif 000005
【図３】
2018178227.tif 000006
【図４】
2018178227.tif 000007
【図５】
2018178227.tif 000008
【図６】
2018178227.tif 000009
【図７】
2018178227.tif 000010
【図８】
2018178227.tif 000011
【図９】
2018178227.tif 000012
【図１０】
2018178227.tif 000013
【図１１】
2018178227.tif 000014
【図１２】
2018178227.tif 000015
【図１３】
2018178227.tif 000016
【図１４】
2018178227.tif 000017