(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子伝達性およびプロトン伝達性を有する第１伝達部（１１）により内部を２つに分けられた変換貯蔵部（１）と、
前記変換貯蔵部の２つに分けられたうちの一方の内部に形成され、光が照射されることにより電子を励起して前記第１伝達部へ移動させる色素（１２）と、
前記変換貯蔵部の２つに分けられたうちの前記色素が形成された側に充填され、前記色素との間で電子を移動させる電子供与体（２１）と、
前記変換貯蔵部の２つに分けられたうちの他方に充填され、前記第１伝達部との間で電子を移動させる電子受容体（３１）と、を備え、
前記色素への光の照射により、前記第１伝達部のうち前記変換貯蔵部の内部を２つに分ける部分であって、前記色素が形成された部分を介して前記電子供与体から前記電子受容体へ電子を移動させることによりエネルギーを貯蔵することを特徴とする光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項２】
電子伝達性およびプロトン伝達性を有する第２伝達部（５１）により内部を２つに分けられ、２つに分けられたうちの一方に前記電子供与体が充填され、他方に前記電子受容体が充填され、前記電子供与体が充填された側が前記変換貯蔵部の前記電子供与体が充填された側と連結され、前記電子受容体が充填された側が前記変換貯蔵部の前記電子受容体が充填された側と連結された使用部（５）を備えることを特徴とする請求項１に記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項３】
前記変換貯蔵部と前記使用部との連結路の開閉状態を切り替える連結切り替え手段（２５、２６、３５、３６）を備えることを特徴とする請求項２に記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項４】
前記変換貯蔵部の前記電子供与体が充填された側と前記使用部との連結路上に形成され、前記連結切り替え手段により前記変換貯蔵部と前記使用部それぞれとの連結路の開閉状態が切り替えられる電子供与体貯蔵部（２３）と、
前記変換貯蔵部の前記電子受容体が充填された側と前記使用部との連結路上に形成され、前記連結切り替え手段により前記変換貯蔵部と前記使用部それぞれとの連結路の開閉状態が切り替えられる電子受容体貯蔵部（３３）と、を備え、
前記電子供与体貯蔵部の内部と、前記変換貯蔵部と前記使用部のうち前記電子供与体貯蔵部との連結路が開状態である方の内部との間で前記電子供与体が移動し、
前記電子受容体貯蔵部の内部と、前記変換貯蔵部と前記使用部のうち前記電子受容体貯蔵部との連結路が開状態である方の内部との間で前記電子受容体が移動することを特徴とする請求項３に記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項５】
前記第１伝達部が、電子貯蔵能を有する第１貯蔵膜（１３）を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項６】
前記第１貯蔵膜が、
【化１】
0006459582.tif 000009
で示される構造を備える高分子で構成されることを特徴とする請求項５に記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項７】
前記高分子は、２−アクリロイルオキシアントラキノンとアクリル酸ブチルをモノマーとする共重合体であることを特徴とする請求項６に記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項８】
前記第１伝達部が、前記第１貯蔵膜を挟み外部の回路を通して前記電子供与体と前記電子受容体を電気的に接続し、電子を通すことにより外部に電力を供給する負荷回路（１５）を有することを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項９】
前記電子供与体と前記電子受容体に対して前記第１貯蔵膜と並列に形成されたプロトン伝達膜（１４ａ）を有することを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１つに記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項１０】
前記第１伝達部が、第１電極（１７）、第２電極（１８）からなる一対の電極と、前記一対の電極の間に挟まれたプロトン伝達膜（１４ｂ）と、前記一対の電極を短絡して前記一対の電極の間で電子を移動させる短絡回路（１９）と、を有することを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項１１】
前記第２伝達部が、電子貯蔵能を有する第２貯蔵膜（５２）を有することを特徴とする請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項１２】
前記第２貯蔵膜が、
【化１】
0006459582.tif 000010
で示される構造を備える高分子で構成されることを特徴とする請求項１１に記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項１３】
前記高分子は、２−アクリロイルオキシアントラキノンとアクリル酸ブチルをモノマーとする共重合体であることを特徴とする請求項１２に記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項１４】
前記電子供与体と前記電子受容体に対して前記第２貯蔵膜と並列に形成されたプロトン伝達膜（５３ａ）を有することを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１つに記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項１５】
前記第２伝達部が、第３電極（５４）と、第４電極（５５）と、前記第３、第４電極の間に挟まれたプロトン伝達膜（５３ｂ）と、前記第３、第４電極を外部の回路を通して電気的に接続し、電子を通すことにより外部へ電力を供給する負荷回路（５６）と、を有することを特徴とする請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【請求項１６】
前記第２伝達部が、第３電極（５４）と、第４電極（５５）と、前記第３、第４電極の間に挟まれたプロトン伝達膜（５３ｂ）と、前記第３、第４電極を短絡して前記第３、第４電極の間で電子を移動させる短絡回路と、を有することを特徴とする請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の光エネルギー変換貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光エネルギー変換貯蔵システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を利用してエネルギーを創出する装置や素子として、太陽電池や、例えば特許文献１に示される人工光合成素子等が提案されている。これらの装置や素子は、光電変換によりエネルギーを取得すると同時に、取得したエネルギーを使用するものであり、取得したエネルギーを貯蔵する機能を備えていない。
【０００３】
そのため、光電変換で取得したエネルギーを貯蔵して後で使用するためには、これらの装置や素子等によりエネルギーを取得する変換部とは別に、蓄電池等によりエネルギーを貯蔵する貯蔵部を設ける必要がある。
【０００４】
また、太陽光等の再生可能エネルギー源はエネルギーの供給量の変動が大きいため、光電変換により得られたエネルギーを安定して使用するためにも、同様に貯蔵部を設ける必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１６６６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、太陽電池や人工光合成素子等を有する変換部と蓄電池等を有する貯蔵部とを別々に設けることで、システムが大型化し、システムの製造コスト等が増加するという問題がある。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、小型化された光エネルギー変換貯蔵システム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】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電子伝達性およびプロトン伝達性を有する第１伝達部（１１）により内部を２つに分けられた変換貯蔵部（１）と、変換貯蔵部の２つに分けられたうちの一方の内部に形成され、光が照射されることにより電子を励起して第１伝達部へ移動させる色素（１２）と、変換貯蔵部の２つに分けられたうちの色素が形成された側に充填され、色素との間で電子を移動させる電子供与体（２１）と、変換貯蔵部の２つに分けられたうちの他方に充填され、第１伝達部との間で電子を移動させる電子受容体（３１）と、を備え、色素への光の照射により、第１伝達部のうち変換貯蔵部の内部を２つに分ける部分であって、色素が形成された部分を介して電子供与体から電子受容体へ電子を移動させることによりエネルギーを貯蔵することを特徴とする。
【０００９】
これによれば、色素への光の照射により生じた励起電子が第１伝達部を通って変換貯蔵部の電子受容体側へ移動することでエネルギーが貯蔵され、電子受容体側の電子が第１伝達部を通って変換貯蔵部の電子供与体側へ移動することでエネルギーが使用される。そのため、エネルギーの変換部と貯蔵部が一体となった小型のシステムで光エネルギーの変換と貯蔵を行うことができる。
【００１０】
さらに、請求項５に記載の発明では、第１伝達部が、電子貯蔵能を有する第１貯蔵膜（１３）を有することを特徴とする。
【００１１】
これによれば、第１貯蔵膜が電子貯蔵能を有するため、第１伝達部において電子の捕捉や放出を必要に応じて迅速に行うことができる。そのため、電子の移動に関する時間的なずれを解消して光酸化還元反応を効率よく円滑に進め、システムの効率を向上させることができる。
【００１２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態における光エネルギー変換貯蔵システムの構成図である。
【図２】第１実施形態における光エネルギー変換貯蔵システムの構成図である。
【図３】アントラキノン誘導体の高分子のゲル浸透クロマトグラムである。
【図４】アントラキノン誘導体の高分子のＮＭＲ測定結果である。
【図５】第２実施形態における光エネルギー変換貯蔵システムの構成図である。
【図６】第３実施形態における光エネルギー変換貯蔵システムの構成図である。
【図７】第４実施形態における光エネルギー変換貯蔵システムの構成図である。
【図８】第４実施形態の変形例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムは、例えば太陽光をエネルギー源としたモーターの駆動に用いることができるが、光エネルギー変換貯蔵システムを他の用途に用いることもできる。
【００１６】
まず、図１を用いて、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムの構成について説明する。本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムは、変換貯蔵部１、Ｄ流動部２、Ａ流動部３を備える。
【００１７】
変換貯蔵部１は、光電変換によりエネルギーを取得し、貯蔵する容器であり、第１伝達部１１と色素１２を有する。図１に示すように、変換貯蔵部１は、第１伝達部１１によって内部を２つに分けられており、分けられた２つのうち一方はＤ流動部２と、他方はＡ流動部３と連結されている。第１伝達部１１の詳細については後述する。
【００１８】
第１伝達部１１のＤ流動部２側の表面には、色素１２が塗布されている。色素１２は、太陽光が照射されることにより内部に有する電子を励起するものである。このような色素１２は、例えばポルフィリンで構成される。変換貯蔵部１を構成する容器のうち、Ｄ流動部２側は、色素１２に太陽光を照射するために、太陽光が透過する材料で形成されている。
【００１９】
Ｄ流動部２は、後述する廃熱輸送や冷却効果、酸化還元反応の促進のために、変換貯蔵部１のＤ流動部２側の内部に充填された電子供与体２１を流動させるものであり、ポンプ２２、Ｄ貯蔵部２３、配管２４を備える。
【００２０】
電子供与体（Ｄ：ドナー）２１は、エネルギーの貯蔵時に、色素１２に電子を供与するものである。電子供与体２１は、例えば臭化ナトリウム水溶液、フェロシアン化カリウム水溶液、臭化水素水溶液等で構成される。
【００２１】
ポンプ２２は、電子供与体２１を変換貯蔵部１のＤ流動部２側、Ｄ貯蔵部２３、配管２４の中で流動させるためのものである。
【００２２】
Ｄ貯蔵部２３は、エネルギーの貯蔵において色素１２に電子を供与した電子供与体２１を貯蔵する容器であり、Ｄ貯蔵部２３の容積が増えるほど、光エネルギー変換貯蔵システムが貯蔵できるエネルギーの量が増加する。Ｄ貯蔵部２３は、本発明の電子供与体貯蔵部に相当する。
【００２３】
配管２４は、変換貯蔵部１にポンプ２２とＤ貯蔵部２３を直列に連結し、変換貯蔵部１のＤ流動部２側、ポンプ２２、Ｄ貯蔵部２３、変換貯蔵部１のＤ流動部２側の順、あるいはこの逆の順に電子供与体２１を循環させる流路を形成している。電子供与体２１は、変換貯蔵部１のＤ流動部２側の内部とＤ流動部２のうちＤ貯蔵部２３、配管２４の内部に充填され、ポンプ２２により流動している。
【００２４】
Ａ流動部３は、酸化還元反応の促進のために、変換貯蔵部１のＡ流動部３側の内部に充填された電子受容体３１を流動させるものであり、ポンプ３２、Ａ貯蔵部３３、配管３４を備える。
【００２５】
電子受容体（Ａ：アクセプタ）３１は、エネルギーの貯蔵時に、色素１２により励起された電子が第１伝達部１１を通って変換貯蔵部１のＡ流動部３側へ移動する際に、第１伝達部１１から電子を受容するものである。電子受容体３１は、例えばアントラキノンジスルホン酸二ナトリウム水溶液で構成される。
【００２６】
ポンプ３２は、電子受容体３１を変換貯蔵部１のＡ流動部３側、Ａ貯蔵部３３、配管３４の中で流動させるためのものである。
【００２７】
Ａ貯蔵部３３は、電子を受容した電子受容体３１を貯蔵する容器であり、Ａ貯蔵部３３の容積が増えるほど、光エネルギー変換貯蔵システムが貯蔵できるエネルギーの量が増加する。Ａ貯蔵部３３は、本発明の電子受容体貯蔵部に相当する。
【００２８】
配管３４は、変換貯蔵部１にポンプ３２とＡ貯蔵部３３を直列に連結し、変換貯蔵部１のＡ流動部３側、ポンプ３２、Ａ貯蔵部３３、変換貯蔵部１のＡ流動部３側の順、あるいはこの逆の順に電子受容体３１を循環させる流路を形成している。電子受容体３１は、変換貯蔵部１のＡ流動部３側の内部とＡ流動部３のうちＡ貯蔵部３３、配管３４の内部に充填され、ポンプ３２により流動している。
【００２９】
第１伝達部１１の詳細について説明する。第１伝達部１１は、第１貯蔵膜１３、プロトン伝達膜１４ａ、負荷回路１５、スイッチ１６を備える。
【００３０】
第１貯蔵膜１３は、電子伝達性および電子貯蔵能を備える膜であり、第１貯蔵膜１３のＤ流動部２側の表面には、色素１２が塗布されている。電子貯蔵能とは、多くの電子を捕捉し、内部に留める性質のことである。
【００３１】
第１貯蔵膜１３は、アントラキノン誘導体の高分子、例えば化学式１に示す構造を備える高分子で構成され、特に、２−アクリロイルオキシアントラキノンとアクリル酸ブチルをモノマーとする共重合体で構成される。２−アクリロイルオキシアントラキノンとアクリル酸ブチルをモノマーとする共重合体の製造方法については後述する。
【００３２】
【化１】
0006459582.tif 000002
【００３３】
プロトン伝達膜１４ａは、プロトン伝達性を有する膜であり、エネルギーの貯蔵、使用において、電子が変換貯蔵部１のＤ流動部２側とＡ流動部３側とを移動する際に、電荷のバランスを取るためにプロトンをＤ流動部２側とＡ流動部３側とで行き来させるためのものである。プロトン伝達膜１４ａは、例えばナフィオンで構成される。
【００３４】
負荷回路１５は、モーター等の外部負荷４に接続された回路であり、貯蔵したエネルギーを電力として使用する際に、外部負荷４を通して電子を移動させるものである。スイッチ１６を入れることで、変換貯蔵部１のＤ流動部２側とＡ流動部３側が負荷回路１５により電気的に接続される。
【００３５】
つぎに、図１、図２を用いて、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムの動作について説明する。まず、図１を用いて、エネルギーの貯蔵時の動作について説明する。図１に示すように、エネルギーの貯蔵時には、スイッチ１６は切られている。
【００３６】
色素１２に光が照射されると、色素１２の中の電子が励起され、第１貯蔵膜１３へ移動する。また、色素１２から電子が失われると、電子供与体２１から色素１２に電子が移動し、色素１２が失った電子が補われる。励起電子は第１貯蔵膜１３を通って変換貯蔵部１のＡ流動部３側へ移動し、電子受容体３１が電子を受容する。
【００３７】
また、電子供与体２１の中のプロトンがプロトン伝達膜１４ａを通って変換貯蔵部１のＡ流動部３側へ移動し、電子供与体２１、電子受容体３１において電荷のバランスが取られる。
【００３８】
電子供与体２１と電子受容体３１はそれぞれポンプ２２、３２によって流動し、電子を供与した電子供与体２１は、Ｄ貯蔵部２３に貯蔵される。また、電子を受容した電子受容体３１は、Ａ貯蔵部３３に貯蔵される。
【００３９】
このようにして、電子が電子供与体２１から電子受容体３１へ移動し、エネルギーが貯蔵される。以上説明したエネルギー貯蔵時の動作を化学式で表せば、化学式２となる。なお、以下の化学式において、Ｄは電子供与体２１を、Ａは電子受容体３１を示す。
【００４０】
【化２】
0006459582.tif 000003
【００４１】
つぎに、図２を用いて、エネルギーの使用時の動作について説明する。図示しないシャッター等で色素１２に照射される光が遮られ、図２に示すようにスイッチ１６が入れられると、エネルギーの使用が開始される。
【００４２】
電子受容体３１の電子は負荷回路１５を通って変換貯蔵部１のＤ流動部２側に移動する。また、電子受容体３１の中のプロトンはプロトン伝達膜１４ａを通って変換貯蔵部１のＤ流動部２側に移動し、電子供与体２１、電子受容体３１において電荷のバランスが取られる。
【００４３】
電子供与体２１と電子受容体３１はそれぞれポンプ２２、３２によって流動し、電子を受け取った電子供与体２１は、Ｄ貯蔵部２３に貯蔵される。また、電子を放出した電子受容体３１は、Ａ貯蔵部３３に貯蔵される。
【００４４】
負荷回路１５には外部負荷４が接続されているため、負荷回路１５を電子が移動する、つまり、負荷回路１５に電流が流れ、モーター等の外部負荷４に電力を供給することで、エネルギーが使用される。
【００４５】
以上説明したエネルギー使用時の動作を化学式で表せば、化学式３となる。
【００４６】
【化３】
0006459582.tif 000004
【００４７】
本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムは、以上の動作により、光エネルギーの変換と貯蔵を行う。
【００４８】
最後に、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムの効果について説明する。
【００４９】
太陽光を利用してエネルギーを創出する従来の装置や素子、例えば太陽電池や人工光合成素子等は、光電変換によりエネルギーを取得すると同時に、取得したエネルギーを使用するものであり、取得したエネルギーを貯蔵する機能を備えていない。
【００５０】
そのため、光電変換で取得したエネルギーを貯蔵して後で使用するためには、これらの装置や素子等によりエネルギーを取得する変換部とは別に、蓄電池等によりエネルギーを貯蔵する貯蔵部を設ける必要がある。これによりシステムが大型化し、システムの製造コスト等が増加する。
【００５１】
これに対し、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムでは、１つの変換貯蔵部１で光電変換によるエネルギーの取得と貯蔵を行うことができるので、変換部と貯蔵部を別々に設ける必要がない。そのため、システムを小型化し、また、製造コスト等を減少させることができる。
【００５２】
また、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムでは、ポンプ２２により、Ｄ流動部２と変換貯蔵部１のＤ流動部２側において、電子供与体２１を流動させている。あるいは、ポンプ３２により、Ａ流動部３と変換貯蔵部１のＡ流動部３側において、電子受容体３１を流動させている。そのため、配管２４あるいは配管３４を外部のエンジン等の付近に配置することで、エンジン等の熱を電子供与体２１あるいは電子受容体３１によって除去する廃熱輸送が可能である。
【００５３】
また、エネルギーの貯蔵時に、励起電子が化学式２の変化に関与せずに失活し、熱を発する場合があるが、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムでは電子供与体２１をポンプ２２により循環させているため、このような発熱に対して冷却効果が期待できる。
【００５４】
また、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムでは、ポンプ２２により、Ｄ流動部２と変換貯蔵部１のＤ流動部２側において電子供与体２１を循環させ、ポンプ３２により、Ａ流動部３と変換貯蔵部１のＡ流動部３側において電子受容体３１を循環させている。そのため、電子供与体２１と電子受容体３１の循環により、変換貯蔵部１での酸化還元反応を促進し、システムの効率を向上させることができる。
【００５５】
また、従来の装置等で構成されたシステム、例えば太陽電池で得られたエネルギーの貯蔵部としてレドックスフロー電池を用いたシステムの場合、太陽電池を介した電子の移動と、レドックスフロー電池での酸化還元反応に伴う電子の移動とで、時間的なずれが生じる。そのため、レドックスフロー電池での酸化還元反応の効率が低下し、それに伴ってシステムの効率が低下する。
【００５６】
これに対し、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムでは、第１伝達部１１が備える第１貯蔵膜１３は、電子貯蔵能を有するアントラキノン誘導体の高分子で構成されている。これにより、第１伝達部１１において電子の捕捉や放出を必要に応じて迅速に行えるため、例えばエネルギーの貯蔵時においては、励起電子を基底状態に戻る前に捕捉し、変換貯蔵部１のＡ流動部３側へ移動させることができる。このように、電子の移動に関する時間的なずれを解消して光酸化還元反応を効率よく円滑に進め、システムの効率をさらに向上させることができる。
【００５７】
また、リチウムイオンバッテリー等の蓄電池では、電極を構成する材料が充放電に伴い溶解、析出を繰り返すため、電極の劣化が進みやすい。
【００５８】
これに対し、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムでは、エネルギーの貯蔵において、電子とプロトンは電極の溶解や析出を伴わずに変換貯蔵部１のＤ流動部２側からＡ流動部３側に移動する。そのため、電極の劣化を抑制することができる。
【００５９】
なお、エネルギーの使用において、第１貯蔵膜１３よりも負荷回路１５の方に多くの電子が通るように、負荷回路１５の導電性を第１貯蔵膜１３よりも大きくすることが望ましい。あるいは、第１貯蔵膜１３の酸化還元電位がＡ流動部３側からＤ流動部２側に向かって低くなるようにして、電子が電子受容体３１から、第１貯蔵膜１３のうち色素１２の側へ移動することを抑制することが望ましい。例えば、官能基等を付与して酸化還元電位を変化させたアントラキノン誘導体の高分子により、酸化還元電位が互いに異なる複数の層を形成し、それらを積層して第１貯蔵膜１３を構成することで、第１貯蔵膜１３の酸化還元電位を上記のようにすることができる。
【００６０】
（アントラキノン誘導体の高分子の製造方法）
アントラキノン誘導体の高分子のうち、２−アクリロイルオキシアントラキノンとアクリル酸ブチルをモノマーとする共重合体の製造方法について説明する。発明者は、以下の方法により２−アクリロイルオキシアントラキノンとアクリル酸ブチルをモノマーとする共重合体を製造した。
【００６１】
まず、特開２００４−６０６７号公報に示される方法に従って、化学式４のように、化学式４の化合物（２）で示される２−アクリロイルオキシアントラキノンを合成した。
【００６２】
【化４】
0006459582.tif 000005
【００６３】
２−ヒドロキシアントラキノン１．１２ｇ（５ｍｍｏｌ）をトルエン１００ｍＬに溶かし、トリエチルアミン１．７２ｍＬ（１２ｍｍｏｌ）を加えて窒素気流下氷冷した。この溶液をかくはんしながら、塩化アクリロイル０．４５ｍＬ（５．５ｍｍｏｌ）のトルエン（１０ｍＬ）溶液を５０分かけて滴下した。徐々に室温に戻しながら３時間半かくはんした。水１００ｍＬを加え、分液ロートに移して混合後有機相を分離した。有機相を５％硫酸水素カリウム水溶液で洗い、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、紫色の不溶物を硫酸ナトリウムとともにろ別した。ロータリーエバポレーターで溶媒を留去し、得られた緑褐色固体を少量のメタノールで洗って、化学式４に示す化合物（２）を緑黄色の固体として得た。収量は１．２３ｇ（４．４ｍｍｏｌ、８８％）であった。
【００６４】
つぎに、化学式５のように、化学式５の化合物（３）で示される２−アクリロイルオキシアントラキノン／アクリル酸ブチル共重合体を合成した。
【００６５】
【化５】
0006459582.tif 000006
【００６６】
化合物（２）１３９ｍｇ（０．５ｍｍｏｌ）、アクリル酸ブチル０．１４２ｍＬ（１．０ｍｍｏｌ）、１，２−ジクロロエタン１ｍＬを混合した。これに適量のＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル、仕込み量は表１に記述）を加え、９０℃で２時間加熱した。化合物（２）は最初は溶け残っていたが、４０℃程度まで昇温した時点でとけて均一溶液となった。放冷後、ロータリーエバポレーターで溶媒を留去し、メタノール５ｍＬを加えて、上澄みをピペットで取り除いた。メタノールを加えて上澄みを除く操作を３回繰り返した後、残留物を室温で３時間真空乾燥した（１ｍｍＨｇ）。
【００６７】
このようにして得られた生成物のゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）分析を行った。
【００６８】
東ソー製ＧＰＣカラム（ＳｕｐｅｒＨＭ−Ｈ、ＳｕｐｅｒＨＭ−Ｍ、ＳｕｐｅｒＨ３０００、ガードカラムＳｕｐｅｒＨ−Ｈ）を４０℃で用い、移動相としてクロロホルムを０．６ｍＬ／ｍｉｎで流してクロマトグラフィー分析を行った。分析試料は約１ｍｇをクロロホルム１ｍＬに溶かしたものを０．１ｍＬ用いた。溶出物の検出は、屈折率検出器を用いた。
【００６９】
以下のような生成物が得られた。ＡＩＢＮの仕込み量と得られたポリマーの性状・収量を表１に示す。
【００７０】
【表１】
0006459582.tif 000007
【００７１】
ＧＰＣ分析の結果を図３に示す。ＡＩＢＮ＝６．０μｍｏｌでの生成物は大部分化合物（２）が回収されており、一部アクリル酸ブチルが単独で重合したものが混じっていた。ＡＩＢＮ＝１５μｍｏｌ、６１μｍｏｌ、１５０μｍｏｌでの生成物はいずれもキノンが重合したポリマーを含んでいた。ＡＩＢＮの量が増えるに従って残留モノマーの量は減少し、ＡＩＢＮ＝１５０μｍｏｌではほとんど検出されなかった。一方、キノン含有ポリマーの分子量分布は、ＡＩＢＮの量が増えるに従って幅広くなることがわかった。
【００７２】
ＮＭＲ測定の結果を図４に示す。図４の領域Ｒ１のシグナルは、アントラキノン由来のピークであり、幅広いシグナルが現れていることから、アントラキノンポリマーが形成されていると考えられる。また、領域Ｒ２のシグナルは、アクリル酸ブチル由来のピークであり、幅広いシグナルが現れていることから、ポリアクリル酸ブチルが生成されていると言える。Ｒ１とＲ２の結果、少なくとも共重合体が存在していると考えられる。
【００７３】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図５を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して使用部５を追加し、Ｄ流動部２、Ａ流動部３、第１伝達部１１の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムは、例えば、自動車の空調関連製品や、エンジン始動時の各システムの暖気にも応用展開が可能である。
【００７４】
まず、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムの構成について説明する。
【００７５】
本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムは、基本的な構成は上記第１実施形態と同様であるが、図５に示すように、使用部５が追加されている。本実施形態において、変換貯蔵部１は、光電変換によるエネルギーの貯蔵のみを行い、エネルギーの使用は使用部５において行われる。
【００７６】
使用部５は貯蔵したエネルギーを使用して熱を発生させる容器であり、第２伝達部５１を有する。使用部５は、第２伝達部５１によって内部を２つに分けられており、分けられた２つのうち一方はＤ流動部２と、他方はＡ流動部３と連結されている。
【００７７】
第２伝達部５１は、第２貯蔵膜５２、プロトン伝達膜５３ａを備える。第２貯蔵膜５２は、電子伝達性および電子貯蔵能を有する膜であり、第１貯蔵膜１３と同様の材料で構成される。
【００７８】
プロトン伝達膜５３ａは、プロトン伝達性を有する膜であり、エネルギーの使用において、電子が使用部５のＡ流動部３側からＤ流動部２側へ移動する際に、電荷のバランスを取るためにプロトンをＡ流動部３側からＤ流動部２側へ移動させるためのものである。プロトン伝達膜５３ａは、例えばナフィオンで構成される。
【００７９】
本実施形態では、第１実施形態と異なり、Ｄ流動部２は２つのポンプ２２ａ、２２ｂを備えている。Ｄ貯蔵部２３とポンプ２２ａ、Ｄ貯蔵部２３と変換貯蔵部１を連結する配管２４ａには第１バルブ２５が設けられている。Ｄ貯蔵部２３とポンプ２２ｂ、Ｄ貯蔵部２３と使用部５を連結する配管２４ｂには第２バルブ２６が設けられている。
【００８０】
エネルギーの貯蔵時には第１バルブ２５が開かれ、第２バルブ２６が閉じられる。これにより、変換貯蔵部１のＤ流動部２側、ポンプ２２ａ、Ｄ貯蔵部２３、変換貯蔵部１のＤ流動部２側の順、あるいはこの逆の順に電子供与体２１を循環させる流路が形成される。
【００８１】
エネルギーの使用時には第１バルブ２５が閉じられ、第２バルブ２６が開かれる。これにより、使用部５のＤ流動部２側、ポンプ２２ｂ、Ｄ貯蔵部２３、使用部５のＤ流動部２側の順、あるいはこの逆の順に電子供与体２１を循環させる流路が形成される。
【００８２】
同様に、Ａ流動部３は２つのポンプ３２ａ、３２ｂを備えている。Ａ貯蔵部３３とポンプ３２ａ、Ａ貯蔵部３３と変換貯蔵部１を連結する配管３４ａには第１バルブ３５が設けられている。Ａ貯蔵部３３とポンプ３２ｂ、Ａ貯蔵部３３と使用部５を連結する配管３４ｂには第２バルブ３６が設けられている。
【００８３】
エネルギーの貯蔵時には第１バルブ３５が開かれ、第２バルブ３６が閉じられる。これにより、変換貯蔵部１のＡ流動部３側、ポンプ３２ａ、Ａ貯蔵部３３、変換貯蔵部１のＡ流動部３側の順、あるいはこの逆の順に電子受容体３１を循環させる流路が形成される。
【００８４】
エネルギーの使用時には第１バルブ３５が閉じられ、第２バルブ３６が開かれる。これにより、使用部５のＡ流動部３側、ポンプ３２ｂ、Ａ貯蔵部３３、使用部５のＡ流動部３側の順、あるいはこの逆の順に電子受容体３１を循環させる流路が形成される。
【００８５】
電子供与体２１は、変換貯蔵部１のＤ流動部２側の内部、Ｄ流動部２のうちＤ貯蔵部２３、配管２４ａ、２４ｂの内部、使用部５のＤ流動部２側の内部に充填され、第１バルブ２５、第２バルブ２６の状態により形成された流路をポンプ２２ａ、２２ｂにより移動する。
【００８６】
電子受容体３１は、変換貯蔵部１のＡ流動部３側の内部、Ａ流動部３のうちＡ貯蔵部３３、配管３４ａ、３４ｂの内部、使用部５のＡ流動部３側の内部に充填され、第１バルブ３５、第２バルブ３６の状態により形成された流路をポンプ３２ａ、３２ｂにより移動する。
【００８７】
第１バルブ２５、３５と第２バルブ２６、３６は本発明の連結切り替え手段に相当する。
【００８８】
つぎに、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムの動作について説明する。まず、図５（ａ）を用いて、エネルギーの貯蔵時の動作について説明する。エネルギーの貯蔵時には、図５（ａ）に示すように、第１バルブ２５、３５が開かれ、第２バルブ２６、３６が閉じられて、上記の流路のうち、変換貯蔵部１を含む流路が形成される。
【００８９】
エネルギーの貯蔵時には、第１実施形態と同様に、色素１２に光が照射されて生じた励起電子が第１貯蔵膜１３を通って変換貯蔵部１のＡ流動部３側へ移動する。また、電子供与体２１から色素１２に電子が移動し、色素１２が失った電子が補われる。
【００９０】
また、電子供与体２１の中のプロトンがプロトン伝達膜１４ａを通って変換貯蔵部１のＡ流動部３側へ移動し、電子供与体２１、電子受容体３１において電荷のバランスが取られる。
【００９１】
電子供与体２１と電子受容体３１はそれぞれポンプ２２ａ、３２ａによって流動し、電子を供与した電子供与体２１は、Ｄ貯蔵部２３に貯蔵される。また、電子を受容した電子受容体３１は、Ａ貯蔵部３３に貯蔵される。
【００９２】
このようにして、本実施形態においても化学式２で表される反応が起こり、エネルギーが貯蔵される。
【００９３】
つぎに、図５（ｂ）を用いて、エネルギーの使用時の動作について説明する。エネルギーの使用時には、図５（ｂ）に示すように、第１バルブ２５、３５が閉じられ、第２バルブ２６、３６が開かれて、上記の流路のうち、使用部５を含む流路が形成される。そして、エネルギーの貯蔵時に色素１２へ電子を供与した電子供与体２１と、第１貯蔵膜１３から電子を受容した電子受容体３１が、それぞれＤ貯蔵部２３、Ａ貯蔵部３３から新たに形成された流路に流れ込む。
【００９４】
電子受容体３１の電子は第２貯蔵膜５２を通って使用部５のＤ流動部２側に充填された電子供与体２１へ移動する。また、電子受容体３１の中のプロトンはプロトン伝達膜５３ａを通って使用部５のＤ流動部２側に移動し、電子供与体２１、電子受容体３１において電荷のバランスが取られる。
【００９５】
電子供与体２１と電子受容体３１はそれぞれポンプ２２ｂ、３２ｂによって流動し、電子を受け取った電子供与体２１は、Ｄ貯蔵部２３に貯蔵される。また、電子を放出した電子受容体３１は、Ａ貯蔵部３３に貯蔵される。
【００９６】
本実施形態では、化学式６で表される反応により熱が発生し、その熱を用いて暖気等をすることで、エネルギーが使用される。
【００９７】
【化６】
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【００９８】
最後に、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムの効果について説明する。本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムにおいても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００９９】
また、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムでは、変換貯蔵部１と別に使用部５を設けているため、変換貯蔵部１と離れた場所でエネルギーを使用することができる。
【０１００】
また、第１バルブ２５、３５と第２バルブ２６、３６をともに開くと、変換貯蔵部１と使用部５を含む流路が形成される。この場合、変換貯蔵部１で電子を供与した電子供与体２１、電子を受容した電子受容体３１が、各バルブの切り替えを伴わずに使用部５へ流動し、使用部５において電子受容体３１から電子供与体２１へ電子が移動し、エネルギーが使用される。これにより、エネルギーの貯蔵と使用を同時に行うことができる。
【０１０１】
また、本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムでは、取得したエネルギーを熱として使用している。そのため、Ｄ流動部２あるいはＡ流動部３において廃熱輸送をする場合、外部のエンジン等から得た熱を化学式６における発熱とともに利用することで、システムの効率をさらに向上させることができる。
【０１０２】
なお、第２伝達部５１のうち第２貯蔵膜５２に相当する部分は、電子伝達性を有し、電子供与体２１と電子受容体３１を隔てることができるものであればよい。そのため、第２伝達部５１のうち第２貯蔵膜５２に相当する部分を、例えば金属で構成してもよい。
【０１０３】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について図６を用いて説明する。本実施形態は、第２実施形態に対して第１伝達部１１、色素１２の構成を変更したものであり、その他に関しては第２実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【０１０４】
本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムは、基本的な構成は上記第２実施形態と同様であるが、図６に示すように、第１伝達部１１が、第１貯蔵膜１３とプロトン伝達膜１４ａを備えず、第１電極１７、第２電極１８、プロトン伝達膜１４ｂ、短絡回路１９を備えている。
【０１０５】
第１電極１７と第２電極１８は、電子伝達性とプロトン伝達性を有する電極であり、例えばカーボンペーパーで構成される。第１電極１７と第２電極１８はそれぞれ平板状であり、互いに対向して配置され、第１電極１７と第２電極１８の間には、プロトン伝達膜１４ｂが挟まれている。プロトン伝達膜１４ｂに対してＤ流動部２側に第１電極１７が、Ａ流動部３側に第２電極１８が配置され、第１電極１７のプロトン伝達膜１４ｂとは反対側の表面に色素１２が塗布されている。
【０１０６】
本実施形態では、色素１２は、第１電極１７の表面の一部が電子供与体２１と接するように、隙間を空けて塗布されている。ここでは、色素１２を図６の紙面奥行き方向に平行なストライプ状に塗布しているが、色素１２を格子状に塗布してもよいし、第１電極１７のプロトン伝達膜１４ｂとは反対側の表面を２つに分けたうちの一方にのみ隙間なく塗布してもよい。
【０１０７】
プロトン伝達膜１４ｂは、プロトン伝達性を有する膜であり、ここでは、第１実施形態のプロトン伝達膜１４ａと同様の材料で構成される。
【０１０８】
第１電極１７と第２電極１８の間には配線が施され、短絡回路１９が接続されている。短絡回路１９は、エネルギーの貯蔵において変換貯蔵部１のＤ流動部２側からＡ流動部３側へ電子を移動させるものである。
【０１０９】
本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムでは、図６（ａ）に示すように、エネルギーの貯蔵時には、電子は第１電極１７、短絡回路１９、第２電極１８を通って変換貯蔵部１のＡ流動部３側へ移動する。また、プロトンは第１電極１７、プロトン伝達膜１４ｂ、第２電極１８を通って変換貯蔵部１のＡ流動部３側へ移動する。
【０１１０】
また、図６（ｂ）に示すように、エネルギーの使用時には、電子とプロトンは第２実施形態と同様の経路で移動し、化学式６によりエネルギーが熱として使用される。また、エネルギーの貯蔵時、使用時において、Ｄ流動部２、Ａ流動部３の動作は第２実施形態と同様である。
【０１１１】
本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムにおいても、第１実施形態と同様に、システムを小型化し、また、製造コスト等を減少させることができる。また、廃熱輸送が可能である。また、励起電子の失活による発熱に対して冷却効果が期待できる。また、電子供与体２１と電子受容体３１の循環により、変換貯蔵部１での酸化還元反応を促進し、システムの効率を向上させることができる。また、第２貯蔵膜５２の電子貯蔵能により、電子の移動に関する時間的なずれを解消して光酸化還元反応を効率よく円滑に進め、システムの効率をさらに向上させることができる。また、電極の劣化を抑制することができる。
【０１１２】
また、第２実施形態と同様に、変換貯蔵部１と離れた場所でエネルギーを使用することができる。また、第２実施形態と同様に、第１バルブ２５、３５と第２バルブ２６、３６をともに開くことで、エネルギーの貯蔵と使用を同時に行うことができる。また、Ｄ流動部２あるいはＡ流動部３において廃熱輸送をする場合、外部のエンジン等から得た熱を化学式６における発熱とともに利用することで、システムの効率をさらに向上させることができる。
【０１１３】
なお、本実施形態においても、第２実施形態と同様に、第２伝達部５１のうち第２貯蔵膜５２に相当する部分を、例えば金属で構成してもよい。
【０１１４】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について図７を用いて説明する。本実施形態は、第２実施形態に対して第２伝達部５１の構成を変更したものであり、その他に関しては第２実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【０１１５】
本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムは、基本的な構成は上記第２実施形態と同様であるが、第２伝達部５１が第２貯蔵膜５２、プロトン伝達膜５３ａを備えず、第３電極５４、第４電極５５、プロトン伝達膜５３ｂ、負荷回路５６を備えている。
【０１１６】
第３電極５４と第４電極５５は、電子伝達性とプロトン伝達性を有する電極であり、例えばカーボンペーパーで構成される。第３電極５４と第４電極５５はそれぞれ平板状であり、互いに対向して配置され、第３電極５４と第４電極５５の間には、プロトン伝達膜５３ｂが挟まれている。プロトン伝達膜５３ｂに対してＤ流動部２側に第３電極５４が、Ａ流動部３側に第４電極５５が配置されている。プロトン伝達膜５３ｂは、プロトン伝達性を有する膜であり、ここでは、第２実施形態のプロトン伝達膜５３ａと同様の材料で構成される。
【０１１７】
第３電極５４と第４電極５５の間には配線が施され、負荷回路５６が接続されている。負荷回路５６は、モーター等の外部負荷４に接続された回路であり、貯蔵したエネルギーを電力として使用する際に、外部負荷４を通して電子を移動させるものである。
【０１１８】
本実施形態におけるエネルギーの貯蔵時には、図７（ａ）に示すように、第２実施形態と同様の経路で電子とプロトンが移動する。エネルギーの使用時には、図７（ｂ）に示すように、電子は第４電極５５、負荷回路５６、第３電極５４を通って使用部５のＤ流動部２側へ移動し、プロトンは第４電極５５、プロトン伝達膜５３ｂ、第３電極５４を通ってＤ流動部２側へ移動する。
【０１１９】
負荷回路５６には外部負荷４が接続されているため、負荷回路５６を電子が移動する、つまり、負荷回路５６に電流が流れ、モーター等の外部負荷４に電力を供給することで、エネルギーが使用される。
【０１２０】
このようにして、化学式３で表されるように電子が電子受容体３１から電子供与体２１へ移動して、エネルギーが使用される。また、エネルギーの貯蔵時、使用時において、Ｄ流動部２、Ａ流動部３の動作は第２実施形態と同様である。
【０１２１】
本実施形態の光エネルギー変換貯蔵システムにおいても、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第２実施形態と同様に、変換貯蔵部１と離れた場所でエネルギーを使用することができる。また、第２実施形態と同様に、第１バルブ２５、３５と第２バルブ２６、３６をともに開くことで、エネルギーの貯蔵と使用を同時に行うことができる。
【０１２２】
なお、本実施形態では、貯蔵したエネルギーを電力として使用しているが、第２伝達部５１が負荷回路５６の代わりに第３電極５４と第４電極５５を短絡する短絡回路を備えることで、化学式６の反応により、エネルギーを熱として使用することもできる。この場合、第２実施形態と同様に、廃熱輸送により得た熱を化学式６における発熱とともに利用することで、システムの効率をさらに向上させることができる。
【０１２３】
（変形例）
図８に示す変形例は、本実施形態において第１伝達部１１の構成を変更し、第３実施形態における第１伝達部１１と同様の構成としたものである。この変形例では、エネルギーの貯蔵時には、電子とプロトンは第３実施形態と同様の経路で移動する。また、エネルギーの使用時には、電子とプロトンは本実施形態と同様の経路で移動し、エネルギーが電力として使用される。
【０１２４】
この変形例においても、第１実施形態と同様に、システムを小型化し、また、製造コスト等を減少させることができる。また、廃熱輸送が可能である。また、励起電子の失活による発熱に対して冷却効果が期待できる。また、電子供与体２１と電子受容体３１の循環により、変換貯蔵部１での酸化還元反応を促進し、システムの効率を向上させることができる。また、電極の劣化を抑制することができる。
【０１２５】
また、第２実施形態と同様に、変換貯蔵部１と離れた場所でエネルギーを使用することができる。また、第２実施形態と同様に、第１バルブ２５、３５と第２バルブ２６、３６をともに開くことで、エネルギーの貯蔵と使用を同時に行うことができる。
【０１２６】
なお、この変形例においても、本実施形態と同様に、第２伝達部５１が負荷回路５６の代わりに第３電極５４と第４電極５５を短絡する短絡回路を備えることで、化学式６の反応により、エネルギーを熱として使用することもできる。この場合、第２実施形態と同様に、廃熱輸送により得た熱を化学式６における発熱とともに利用することで、システムの効率をさらに向上させることができる。
【０１２７】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した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した範囲内において適宜変更が可能である。
【０１２８】
例えば、色素１２に照射されるのは、太陽光以外の光でもよい。また、塗布以外の方法で色素１２を第１伝達部１１に吸着させてもよい。また、各ポンプにより電子供与体２１、電子受容体３１を流動させなくてもよい。また、電子供与体２１や電子受容体３１に、レドックスフロー電池と同じく、バナジウムの希硫酸溶液を用いてもよい。
【０１２９】
また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。
【０１３０】
例えば、上記第２〜第４実施形態における第１伝達部１１を、第１実施形態における第１伝達部１１と同様の構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１３１】
１    変換貯蔵部
１１  第１伝達部
１２  色素
２１  電子供与体
３１  電子受容体
【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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