(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料極でメタノール分解によるＣＯ被毒が起こらない、付加的膜を設ける必要がない、低コスト化が達成できる、光エネルギーへの変換効率を向上させ得る発電装置、その製造方法及び太陽発電システムを提供する。【解決手段】伝導材料と光触媒と電荷分離材料を含む燃料極１０７、プロトン伝導層１０８、伝導材料と金属材料を含む空気極１１０、光源及び電気伝導配線を備え、光源１０１は水１０２と接触する燃料極へ可視光を照射し、燃料極は水から酸素１０４、プロトン１０５及び電子１０６を生成し、プロトン伝導層は燃料極から空気極へプロトンを伝導し、空気極はプロトン、電子及び空気中の酸素１０３から水１０９を生成する発電装置である。  伝導材料と光触媒と電荷分離材料を混合し乾燥して燃料極を得、発電装置を製造する。  発電装置を光透過性である筐体内に配設し、水供給手段、酸素排出手段、空気供給手段、水排出手段を備える太陽発電システム。【選択図】図１
2007005009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、プロトン伝導層、空気極、光源及び電気伝導配線を備え、水と空気中の酸素を燃料として電気を発電する装置であって、
プロトン伝導層を燃料極及び空気極で挟持し、燃料極と空気極を電気伝導配線で電気的に接続し、
燃料極は、第１伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料を含み、該可視光応答性光触媒材料は、可視光の照射によって水から酸素を生成する機能を有し、該電荷分離材料は、可視光の照射によって可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料で発生する電子とホールの分離・移動を行う機能を有し、
空気極は、第２伝導材料と金属材料を含み、
上記光源が、燃料極と水が接触するときに、該燃料極へ可視光を照射し、
上記燃料極が、水から酸素、プロトン及び電子を生成し、
上記プロトン伝導層が、燃料極から空気極へプロトンを伝導し、
上記空気極が、プロトン、電子及び空気中の酸素から水を生成する、ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
上記燃料極は、第１燃料極層と第２燃料極層を順にプロトン伝導層に積層して成り、
第１燃料極層が、第１伝導材料から成り、且つ電気伝導配線に接続され、
第２燃料極層が、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料の混合分散して成る、ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
上記燃料極は、第１伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料から成る第１〜３燃料極層を順にプロトン伝導層に積層して成り、
第１燃料極層の主成分が第１伝導材料であり、且つ第１燃料極層が電気伝導配線に接続され、
第２燃料極層の主成分が電荷分離材料であり、
第３燃料極層の主成分が可視光応答性光触媒材料である、ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
上記燃料極は、第１〜３燃料極層を順にプロトン伝導層に積層して成り、
第１燃料極層が、第１伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料から成り、主成分が第１伝導材料であり、且つ第１燃料極層が電気伝導配線に接続され、
第２燃料極層が、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料から成り、主成分が電荷分離材料であり、
第３燃料極層が、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料から成り、主成分が可視光応答性光触媒材料である、ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項５】
上記燃料極は、第１〜３燃料極層を順にプロトン伝導層に積層して成り、
第１燃料極層が、第１伝導材料から成り、且つ第１燃料極層が電気伝導配線に接続され、
第２燃料極層が、電荷分離材料から成り、
第３燃料極層が、可視光応答性光触媒材料から成る、ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項６】
上記空気極は、第１空気極層と第２空気極層を順にプロトン伝導層に積層して成り、
第１空気極層の主成分が、第２伝導材料であり、且つ第１空気極層が電気伝導配線に接続され、
第２空気極層の主成分が、金属材料である、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の発電装置。
【請求項７】
上記空気極は、第１空気極層と第２空気極層を順にプロトン伝導層に積層して成り、
第１空気極層が、第２伝導材料から成り、且つ第１空気極層が電気伝導配線に接続され、
第２空気極層が、金属材料から成る、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の発電装置。
【請求項８】
上記光源は、太陽光源、発光ダイオード、半導体レーザ及びこれらと同等の可視光を照射できるランプ、から成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の発電装置。
【請求項９】
上記電荷分離材料は、プラズモン吸収を示す微粒子及び／又は色素であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の発電装置。
【請求項１０】
上記プラズモン吸収を示す微粒子は、金及び／又は銀であり、ナノサイズのロッド状及び／又は球状であることを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
【請求項１１】
上記プラズモン吸収を示す色素は、フタロシアニン化合物、ポルフィルン化合物及びその金属錯体から成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
【請求項１２】
上記電荷分離材料にＣ６０を含めることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つの項に記載の発電装置。
【請求項１３】
上記第１伝導材料及び／又は上記第２伝導材料は、導電性カーボン粒子、導電性カーボン多孔体及び導電性カーボンクロスから成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つの項に記載の発電装置。
【請求項１４】
上記プロトン伝導層は、高分子及び／又は酸化物を含むプロトン伝導膜であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つの項に記載の発電装置。
【請求項１５】
上記金属材料は、白金、酸化ニッケル、酸化ルテニウム及び酸化イリジウムから成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つの項に記載の発電装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１つの項に記載の発電装置を製造するに当たり、
上記燃料極を、第１伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料を混合したスラリーを乾燥して得ることを特徴とする発電装置の製造方法。
【請求項１７】
上記燃料極を、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第１燃料極層を形成し、
この上に、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料を混合したスラリーを塗布し、乾燥して第２燃料極層を形成して得ることを特徴とする請求項１６に記載の発電装置の製造方法。
【請求項１８】
上記燃料極を、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、この上に、電荷分離材料を含むスラリーを塗布し、更に光触媒材料を含むスラリー塗布し、全体を熱処理して得ることを特徴とする請求項１６に記載の発電装置の製造方法。
【請求項１９】
上記燃料極を、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第１燃料極層を形成し、
この上に、電荷分離材料を含むスラリーを塗布し乾燥し、更に光触媒材料を含むスラリーを塗布し乾燥し、熱処理して、得ることを特徴とする請求項１６に記載の発電装置の製造方法。
【請求項２０】
上記燃料極を、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第１燃料極層を形成し、
この上に、電荷分離材料を含むスラリーを塗布し乾燥して第２燃料極層を形成し、
更にこの上に光触媒材料を含むスラリーを塗布し乾燥して第３燃料極層を形成し、得ることを特徴とする請求項１６に記載の発電装置の製造方法。
【請求項２１】
上記空気極を、金属材料と第２伝導材料を混合したスラリーを乾燥させて得ることを特徴とする請求項１６〜２０のいずれか１つの項に記載の発電装置の製造方法。
【請求項２２】
上記空気極を、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第１空気極層を形成し、
この上に金属微粒子を含むスラリーを塗布し、乾燥して第２空気極層を形成し、全体を熱処理して得ることを特徴とする請求項１６〜２０のいずれか１つの項に記載の発電装置の製造方法。
【請求項２３】
上記空気極を、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第１空気極層を形成し、
この上に金属微粒子を塗布し、乾燥して第２空気極層を形成して、得ることを特徴とする請求項１６〜２０のいずれか１つの項に記載の発電装置の製造方法。
【請求項２４】
上記燃料極と上記酸素極との間にプロトン伝導層を配設し、プレスで圧着接合することを特徴とする請求項１６〜２３のいずれか１つの項に記載の発電装置の製造方法。
【請求項２５】
請求項１〜１５のいずれか１つの項に記載の発電装置を用いた太陽発電システムであって、
該発電装置は、少なくとも燃料極側が光透過性である筐体内に配設され、
この筐体内且つ燃料極側へ水を供給する手段と、
この筐体内且つ燃料極側から酸素を排出する手段と、
この筐体内且つ空気極側へ空気を供給する手段と、
この筐体内且つ空気極側から水を排出する手段と、
を備えることを特徴とする太陽発電システム。
【請求項２６】
複数の発電装置を直列及び／又は並列に配設され、隣接する発電装置同士を電気接続したことを特徴とする請求項２５に記載の太陽発電システム。
【請求項２７】
水供給量、酸素排出量、空気供給量、水排出量及び太陽光の照射量から成る群より選ばれた少なくとも１種のものを制御する手段を備えることを特徴とする請求項２５又は２６に記載の太陽発電システム。
【請求項２８】
水排出手段で得た水を水供給手段で再度利用することを特徴とする請求項２５〜２７のいずれか１つの項に記載の太陽発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、その製造方法及び太陽発電システムに係り、更に詳細には、燃料極では可視光応答性光触媒を用いて水を効率良く分解させ、空気極ではプロトンと電子と空気中の酸素を用いて水を再度生成させることで、電極間に電気を発生させ得る発電装置、その製造方法及び太陽発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動体の排出するガス問題や燃料資源の枯渇の心配されている。
そこで、近年では、水素と酸素を燃料とする燃料電池の開発研究がされている。
但し、燃料とする水素をどのように製造し、移動体にどのように搭載するかについては、多くの課題があった。
【０００３】
その解決策として、メタノールを搭載して、直接的に電極で、メタノールを分解してプロトンの形で利用するダイレクトメタノール方式の燃料電池が提案されている（例えば特許文献１参照）。
この燃料電池の単セル（以下、燃料電池セルと言う）は、特殊なプラスチックからなる電解質層を、左右から二つの電極で挟んだ構造となっている。
【特許文献１】特開２００４−７１３１１号公報
【０００４】
また、この燃料電池では、一方の電極、即ち燃料極側に燃料である水素が供給されると、電極が有する触媒作用によって水素はプロトン化され、このプロトンが電解質層を経て他方の電極、即ち空気極側に至る。
【０００５】
この空気極側には、酸化剤である酸素が供給されているので、プロトンは、そこで酸素と出会って反応し水を生じる。
この反応の際、電子が燃料極側から空気極側に絶えず移動するため、回路には電流が流れることになる。
こうして燃料電池セルは電力を発生させる。
【０００６】
一方、燃料電池の研究とともに、太陽光の有効活用として色素増感太陽電池の研究がされてきた。
この色素増感太陽電池は、主に、一対の透明基板、一対の電極を構成する透明導電膜、電極間に挟持された、光電変換材料である半導体層及びキャリア輸送層とから構成されている。また、半導体層は、その表面に、可視光領域に吸収スペクトルを有する増感色素を吸着させている。
【０００７】
かかる太陽電池において、半導体層に可視光が照射されると、半導体層表面上の増感色素が光を吸収することにより、色素分子内の電子が励起され、励起電子が半導体層へ注入される。
半導体層に注入された電子は、一方電極から電気回路を通って他方の電極に移動する。
他方の電極に移動した電子は、キャリア輸送層中のホール又はイオンによって運ばれ、半導体層に戻る。
このような過程が繰返されて電気エネルギーが取出される。
【０００８】
具体的には、ルテニウム錯体などの増感色素が吸着された太陽電池が提案されている（例えば特許文献２，３参照）。
【特許文献２】特開平１−２２０３８０号公報
【特許文献３】国際公開公報ＷＯ９１／１６７１９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に記載の技術では、燃料極及び空気極の電極においても貴金属（Ｐｔ）を使い、燃料極では、ＣＯの被毒の問題も発生するという問題がある。
また、メタノールがプロトン伝導膜を通らないようにするための付加的膜が追加される必要がある。
【００１０】
更に、特許文献２，３に記載の技術では、太陽電池は、十分に色素で発生した電子とホールの電荷分離を効率良く行えず、電子とホールの再結合が起こるため、太陽電池の変換効率は１０％程度にしかならない。
また、ルテニウム錯体を使用するため高額になり、製造方法も複雑で、工業的に普及しにくい。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料極でメタノールの分解によるＣＯの被毒が起こらない、プロトン以外の分子や原子の通過を防ぐ付加的膜を設ける必要がない、高額な貴金属の使用量が少ない（低コスト化が達成できる）、弱い可視光や広い波長域の光でも光エネルギーへの変換効率を向上させ得る発電装置、その製造方法及び太陽発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、水を燃料として用いること、電極近傍で発生した電子とホールを効率良く分離できる構成を設けることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
即ち、本発明の発電装置は、燃料極、プロトン伝導層、空気極、光源及び電気伝導配線を備え、水と空気中の酸素を燃料として電気を発電する装置であって、
プロトン伝導層を燃料極及び空気極で挟持し、燃料極と空気極を電気伝導配線で電気的に接続し、
燃料極は、第１伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料を含み、該可視光応答性光触媒材料は、可視光の照射によって水から酸素を生成する機能を有し、該電荷分離材料は、可視光の照射によって可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料で発生する電子とホールの分離・移動を行う機能を有し、
空気極は、第２伝導材料と金属材料を含み、
上記光源が、燃料極と水が接触するときに、該燃料極へ可視光を照射し、
上記燃料極が、水から酸素、プロトン及び電子を生成し、
上記プロトン伝導層が、燃料極から空気極へプロトンを伝導し、
上記空気極が、プロトン、電子及び空気中の酸素から水を生成する、ことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の発電装置の好適形態は、上記燃料極は、第１燃料極層と第２燃料極層を順にプロトン伝導層に積層して成り、
第１燃料極層が、第１伝導材料から成り、且つ電気伝導配線に接続され、
第２燃料極層が、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料の混合分散して成る、ことを特徴とする。
【００１５】
更に、本発明の発電装置の他の好適形態は、上記電荷分離材料は、プラズモン吸収を示す微粒子及び／又は色素であることを特徴とする。
【００１６】
更にまた、本発明の発電装置の更に他の好適形態は、上記電荷分離材料にＣ６０を含めることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の発電装置の他の好適形態は、上記第１伝導材料及び／又は上記第２伝導材料は、導電性カーボン粒子、導電性カーボン多孔体及び導電性カーボンクロスから成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明の発電装置の更に他の好適形態は、上記プロトン伝導層は、高分子及び／又は酸化物を含むプロトン伝導膜であることを特徴とする。
【００１９】
更にまた、本発明の発電装置の他の好適形態は、上記金属材料は、白金、酸化ニッケル、酸化ルテニウム及び酸化イリジウムから成る群より選ばれた少なくとも１種のものの微粒子であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の発電装置の製造方法は、上記燃料極を、第１伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料を混合したスラリーを乾燥して得ることを特徴とする。
【００２１】
更に、本発明の発電装置の製造方法の好適形態は、上記燃料極と上記酸素極との間にプロトン伝導層を配設し、プレスで圧着接合することを特徴とする。
【００２２】
更にまた、本発明の太陽発電システムは、上記発電装置を用いた太陽発電システムであって、
該発電装置は、少なくとも燃料極側が光透過性である筐体内に配設され、
この筐体内且つ燃料極側へ水を供給する手段と、
この筐体内且つ燃料極側から酸素を排出する手段と、
この筐体内且つ空気極側へ空気を供給する手段と、
この筐体内且つ空気極側から水を排出する手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の太陽発電システムの好適形態は、水供給量、酸素排出量、空気供給量、水排出量及び太陽光の照射量から成る群より選ばれた少なくとも１種のものを制御する手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、水を燃料として用いることとし、電極近傍で発生した電子とホールを効率良く分離できる構成を設けることとしたため、燃料極でのメタノールの分解によるＣＯの被毒が起こらない、付加的膜が必要ない、高額な貴金属の使用量が少ない（低コスト化が達成できる）、弱い可視光や広い波長域の光でも光エネルギーへの変換効率を向上させ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の発電装置について詳細に説明する。なお、本特許請求の範囲及び本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００２６】
上述の如く、本発明の発電装置は、燃料極、プロトン伝導層、空気極、光源及び電気伝導配線を備える。
また、プロトン伝導層は燃料極及び空気極で挟持されている。
更に、燃料極と空気極は電気伝導配線で電気的に接続されている。
【００２７】
これにより、上記光源が、燃料極と水が接触するときに、該燃料極へ可視光を照射し、上記燃料極が、水から酸素、プロトン及び電子を生成し、上記プロトン伝導層が、燃料極から空気極へプロトンを伝導し、上記空気極が、プロトン、電子及び空気中の酸素から水を生成する、こととなるので水と空気中の酸素を燃料として電気を発電する。
【００２８】
また、上記燃料極は、第１伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料を含む。この可視光応答性光触媒材料は、可視光の照射によって水から酸素を生成する機能を有する。また、この電荷分離材料は、可視光の照射によって可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料で発生する電子とホールの分離・移動を行う機能を有する。
一方、上記空気極は、第２伝導材料と金属材料を含む。
【００２９】
ここで、本発明の発電装置の基本構成を図１に示す。
かかる発電装置１００では、光源１０１から可視光が燃料極１０７に照射され、水１０２が燃料極１０７に接触するときに、燃料極１０７では、水１０２から酸素１０４とプロトン１０５及び電子１０６が生成される。
また、プロトン伝導層１０８では、燃料極１０７から空気極１１０へプロトン１０５が伝導される。
更に、空気極１１０では、プロトン１０５、電子１０６及び空気中の酸素１０３から水１０９が生成される。
更にまた、燃料極１０７と空気極１１０は電気伝導配線１１１で電気的に接続されている。
【００３０】
以下に発電原理を具体的に説明する。
燃料極１０７で、可視光応答性光触媒材料に可視光光源が照射されると、電子１０６が励起され、励起電子とホールができる。
また、同時に電荷分離材料も可視光によって、電子（ｅ−）１０６を励起して、電子１０６とホールを分離することができる。
【００３１】
可視光応答性光触媒材料に接した水１０２は、ホールを受け取って、酸素１０４を生成する。
また、可視光応答性光触媒材料の電子１０６は、電荷分離材料の価電子帯に入り、ホールは消え、電荷分離材料の電子１０６は、第１伝導材料に移動するか、または、直接的に可視光応答性光触媒材料の電子１０６が第１伝導材料に移動する。
更に、水の中で生成したプロトン（Ｈ＋）１０５は、プロトン伝導層１０８を介して、空気極１０９に移動する。
【００３２】
この結果、燃料極では次式（１）に示す反応が起こる。
【００３３】
２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−      …（１）
【００３４】
また、空気極に取り入れられた空気１０３の中の酸素は、金属材料上で、プロトン１０５と電子１０６とで、次式（２）に示す反応により、水１０９を生成する。
【００３５】
Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →２Ｈ２Ｏ      …（２）
【００３６】
以上の結果、燃料極１０７と空気極１１０の間に電位が発生し、発電ができる。
【００３７】
また、本発明の発電装置において、上記燃料極には、上記式（１）の反応が進行する限り、第１伝導材料、可視光応答性光触媒材料、電荷分離材料の３成分を種々の方法で含有できる。
【００３８】
例えば、図２に示すように、第１伝導材料、可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料を混合分散させた単層１２０から構成できる。
このときは、上記３成分を均一分散することができる。また、プロトン伝導層側に第１伝導材料を多く含め、表層側（燃料に接する層）に可視光応答性光触媒材料を多く含めることもできる。
【００３９】
また、図３に示すように、第１燃料極層１２１と第２燃料極層１２２を順にプロトン伝導層に積層して構成することができる。
このときは、第１燃料極層が第１伝導材料から成り、第２燃料極層が可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料を混合分散して成ることが好適である。
なお、電気伝導配線の一端は、プロトン伝導層に接する層（第１燃料極層）に接続するのが良い。
【００４０】
更に、図４に示すように、第１〜３燃料極層（１２１〜１２３）を順にプロトン伝導層に積層して構成することもできる。
【００４１】
例えば、第１〜３燃料極層の全てが、第１伝導材料、可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料から成り、
第１燃料極層の主成分を第１伝導材料とし、第２燃料極層の主成分を電荷分離材料とし、第３燃料極層の主成分を可視光応答性光触媒材料とすることができる。
なお、「主成分」とは、第１伝導材料、可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料の３成分を含む層であればそれらの総含有量の１／３以上、２成分を含む層であればそれらの総含有量の１／２以上を占めることを言う。
【００４２】
また、第１燃料極層が、第１伝導材料、可視光応答性光触媒材料及び電荷分離材料から成り、主成分が第１伝導材料であり、第２燃料極層が、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料から成り、主成分が電荷分離材料であり、第３燃料極層が、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料から成り、主成分が可視光応答性光触媒材料である、ようにすることもできる。
【００４３】
更に、第１燃料極層が、第１伝導材料から成り、第２燃料極層が、電荷分離材料から成り、第３燃料極層が、可視光応答性光触媒材料から成る、ようにすることもできる。
【００４４】
一方、本発明の発電装置において、上記空気極には、上記式（２）の反応が進行する限り、金属材料と第２伝導材料の２成分を種々の方法で含有できる。
【００４５】
例えば、図５に示すように、金属材料と第２伝導材料を混合分散させた単層１３０から構成できる。
このときは、上記２成分を均一分散することができる。また、プロトン伝導層側に第２伝導材料を多く含め、裏層側（空気に接する層）に金属材料を多く含めることもできる。
【００４６】
また、図６に示すように、第１空気極層１３１と第２空気極層１３２を順にプロトン伝導層に積層して構成することもできる。
例えば、第１空気極層の主成分を第２伝導材料とし、第２空気極層の主成分を金属材料とすることができる。
なお、電気伝導配線の一端は、プロトン伝導層に接する層（第１空気極層）に接続するのが良い。
【００４７】
また、第１空気極層が、第２伝導材料から成り、第２空気極層が、金属材料から成る、ようにすることもできる。
【００４８】
更にまた、本発明の発電装置において、上記光源は、少なくとも３８０〜５００ｎｍの範囲内にある可視光を該可視光応答性光触媒に照射できるようにする。
代表的には、太陽光源、発光ダイオード、半導体レーザ又はこれらと同等の可視光を照射できるランプ、及びこれらを任意に組合わせたものを使用できる。特に、エネルギー変換効率の良い、非常に狭い領域の可視光域の発光を可能にする発光ダイオードを使用するのが望ましい。また、太陽光は直接使用しても良いし、集光して集めたものを使用しても良い。
【００４９】
本発明の発電装置において、上記可視光応答性光触媒材料としては、例えば、Ｔａ３Ｎ５光触媒、ＴａＯＮ光触媒やＴｉＯ２にＣｒとＳｂをドーパントした光触媒などが挙げられる。
具体的には、以下の１〜６に記載の化合物を単独で又は混合して使用できる。
【００５０】
１．Ｔａ３Ｎ５（五窒化三タンタル）
２．ＳｒＴｉＯ３（ストロンチウム−チタン酸化物）、ＡｇＴａＯ３（銀−タンタル酸化物）、ＡｇＮｂＯ３（銀−ニオブ酸化物）ＩｎＴａＯ４（インジウム−タンタル酸化物）、ＩｎＮｂＯ４（インジウム−ニオブ酸化物）ＢｉＶＯ４（ビスマス−バナジウム酸化物）、これらに、Ｎ（窒素）、Ｓ（硫黄）、Ｃｒ（クロム）又はＳｂ（アンチモン）、及びこれらを任意に組合わせたものをドープした金属酸化物
３．ＺｎＳ（硫化亜鉛）、Ｃｕ（銅）及び／又はＮｉ（ニッケル）をドープしたＺｎＳ
４．Ｇａ（ガリウム）酸化物、Ｉｎ（インジウム）酸化物、Ｚｎ（亜鉛）酸化物、Ａｇ（銀）酸化物、Ｎａ（ナトリウム）酸化物
５．Ｇａ硫化物，Ｉｎ硫化物，Ｚｎ硫化物，Ａｇ硫化物，Ｎａ硫化物
６．Ｇａ２Ｏ３−Ｉｎ２Ｏ３（酸化ガリウム−酸化インジウム）固溶体
【００５１】
また、上記可視光応答性光触媒材料は、平均径０．０１〜５０μｍの微粒子から構成されることがよい。
このときは、光触媒で発生した電子と正孔とが水とより反応し易くなるので有効である。
【００５２】
また、上記可視光応答性光触媒材料は、白金（Ｐｔ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）又は酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、及びこれらの任意の組合わせに係る助触媒を担持させることができる。特に、Ｐｔ微粒子は多様な光触媒の助触媒となり得る。
【００５３】
上記可視光応答性光触媒と助触媒との代表的な組合わせとしては、Ｔａ３Ｎ５に対してはＰｔ、ＩｎＴａＯ４に対してはＮｉＯ、などが挙げられる。
なお、上記光触媒と助触媒の使用量は、代表的にはモル比で１０００：１〜１０：１の範囲で使用できる。例えば、Ｔａ３Ｎ５：Ｐｔのモル比は、５０：１から１００：１が一番よい。
【００５４】
なお、上記可視光応答性触媒とともに、紫外線応答性光触媒を使用することもできる。
例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、タンタル酸アルカリ、タンタル酸アルカリ土類、ニオブ酸アルカリ、ニオブ酸アルカリ土類、ニオブ酸亜鉛などが挙げられる。
【００５５】
また、本発明の発電装置において、上記電荷分離材料は、プラズモン吸収を示す微粒子、プラズモン吸収を示す色素のいずれか一方又は双方であることが好適である。
プラズモン吸収は、構成元素や微粒子のサイズによって吸収波長が異なるので、必要に応じて適宜選択することができる。
【００５６】
上記プラズモン吸収を示す微粒子としては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）のいずれか一方又は双方を使用できる。
これらは、ナノサイズのロッド状、球状のいずれか一方又は双方の形状のものを使用できる。特に、Ａｕのナノロッドが有効である。
【００５７】
また、上記プラズモン吸収を示す色素としては、例えば、フタロシアニン化合物、ポルフィルン化合物又はその金属錯体、及びこれらを任意に組合わせたものを使用できる。
【００５８】
更に、本発明の発電装置において、上記電荷分離材料は、Ｃ６０を含むことが好適である。
Ｃ６０は、電子のアクセプターとして有効である。また、電子のアクセプターとして機能を有するＣ６０の内部に適宜金属原子を内包して使用することも可能である。
【００５９】
なお、上記可視光応答性光触媒材料と上記電荷分離材料のそれぞれは、１種又は複数種を適宜混合して使用することができる。
このとき、可視光応答性光触媒材料にて光吸収で生成された電子とホール（正孔）が再結合しないようにするため、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料のバンドギャップを調整することが良い。言い換えれば、可視光応答性光触媒材料における電子を放出する電位（伝導帯の準位）が、電荷分離材料のホールに当該電子が入る電位（価電子帯の準位）より低く、電荷分離材料の伝導帯の準位は可視光応答性光触媒材料の伝導帯の準位より高く、更に電荷分離材料のバンドギャップは、可視光応答性光触媒材料のバンドギャップより小さいことが良い。
【００６０】
更にまた、本発明の発電装置において、上記第１伝導材料、上記第２伝導材料のいずれか一方又は双方は、例えば、導電性カーボン粒子、導電性カーボン多孔体又は導電性カーボンクロス、及びこれらを任意に組合わせたものを使用できる。
導電性カーボン粒子や導電性カーボン多孔体は、電気伝導性が良く、更に微粒子状であり、各種材料を坦持しやすい。また、カーボンクロスは、導電性の良い繊維状のカーボンファイバーから成るものが良い。
【００６１】
また、本発明の発電装置において、上記プロトン伝導層は、高分子、酸化物のいずれか一方又は双方を含むプロトン伝導膜であることが好適である。
例えば、高いプロトン伝導性を有するナフィオン（商標：デュポン社）を使用するのが望ましい。また、これ以外の高分子のプロトンの伝導膜やプロトン伝導ガラスも使用可能である。例えば、プロトン伝導ガラスであるリン酸塩ガラスなどがある。
【００６２】
更に、本発明の発電装置において、上記金属材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）又は酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、及びこれらを任意に組合わせたものが使用できる。特に、Ｐｔが有効である。また、これらは微粒子であることが望ましい。
【００６３】
次に、本発明の発電装置の製造方法について詳細に説明する。
本発明は、上述の発電装置を製造するに当たり、燃料極を、第１伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料を混合したスラリーを乾燥して得る。
【００６４】
また、上記燃料極が２層構造であるときは、例えば、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第１燃料極層を形成し、この上に、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料を含んだスラリーを塗布し、乾燥して第２燃料極層を形成して得ることができる。このとき、可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料は、均一又は不均一に塗布できる。
【００６５】
更に、上記燃料極が３層構造であるときは、以下のように各材料の塗布後に、乾燥処理、プレス処理、熱処理を適宜行うことで作製できる。
例えば、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥して第１燃料極層を形成し、この上に、電荷分離材料を含むスラリーを塗布して第２燃料極層を形成し、更にこの上に光触媒材料を含むスラリー塗布して第３燃料極層を形成し、全体を熱処理して得ることができる。
【００６６】
また、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第１燃料極層を形成し、
この上に、電荷分離材料を含むスラリーを塗布し乾燥して第２燃料極層を形成し、
更にこの上に光触媒材料を含むスラリーを塗布し乾燥し熱処理して第３燃料極層を形成し、得ることができる。
【００６７】
更に、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第１燃料極層を形成し、
この上に、電荷分離材料を含むスラリーを塗布し乾燥して第２燃料極層を形成し、
更にこの上に光触媒材料を含むスラリーを塗布し乾燥して第３燃料極層を形成し、得ることができる。
【００６８】
なお、乾燥処理は、１２０〜２００℃で１〜２時間程度行うことができる。
プレス処理は、０．１〜４０ＭＰａ程度で行うことができる。
熱処理は、４００〜１２００℃で２〜２０時間程度行うことができる。
【００６９】
一方、空気極の製造方法は、以下のように作製できる。
例えば、空気極が単層構造であるときは、例えば、金属材料と第２伝導材料を含むスラリーを乾燥させて得ることができる。
【００７０】
また、空気極が２層構造であるときは、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第１空気極層を形成し、
この上に金属微粒子を含むスラリーを塗布し、乾燥して第２空気極層を形成し、全体を熱処理して得ることができる。
【００７１】
更に、導電性カーボンクロスに導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥し、プレスして第１空気極層を形成し、
この上に金属微粒子を塗布し、乾燥して第２空気極層を形成して、得ることもできる。
【００７２】
他方、燃料極、プロトン伝導層及び空気極の接合は、例えば、上記燃料極と上記酸素極との間にプロトン伝導層を配設し、プレスで圧着接合することができる。
このときは、０．１〜４０ＭＰａ程度で行うことができる。
【００７３】
次に、本発明の太陽発電システムについて詳細に説明する。
本発明の太陽発電システムは、上述の発電装置を、少なくとも燃料極側が光透過性である筐体内に配設し、
この筐体内且つ燃料極側へ水を供給する手段と、この筐体内且つ燃料極側から酸素を排出する手段と、この筐体内且つ空気極側へ空気を供給する手段と、この筐体内且つ空気極側から水を排出する手段と、を備える。
また、筐体内において、燃料極側と空気極側には別個の空間が形成されるようにする。
【００７４】
例えば、図７に示すように、太陽発電システム２００は、発電装置を内設し透明な空洞材料２０１と、空洞材料２０１内且つ燃料極１０７側へ燃料である水を供給する水取入口２０２と、空洞材料２０１内且つ空気極１１０側へ燃料である空気を供給する空気取入口２０３と、空洞材料２０１内且つ燃料極１１０側から生成された酸素を排出する酸素取出口２０４と、空洞材料２０１内且つ空気極１１０から生成された水を排出する水取出口２０５と、を有する。
【００７５】
ここで、太陽発電システム２００の動作原理を説明する。
まず、水取入口２０２と空気取入口２０３から、それぞれ燃料となる水と空気を取り入れる。
発電装置で発電が行われた結果、発生した酸素と水は、酸素取出口２０４から酸素が排気され、水取出口２０５から水が排出される。
なお、太陽発電システム２００の形状は、膜状のもの（厚さ０．２〜２ｃｍ程度）が望ましい。また、発電で得られた電気は、燃料極１０７と空気極１１０に接続される金属配線１１１より取り出すことができる。
【００７６】
また、本発明の太陽発電システムは、複数の発電装置を直列、並列のいずれか一方又は双方に配設し、隣接する発電装置同士を電気接続することができる。
例えば、図８に示すように、３つの発電装置を用い、各発電装置間の燃料極と空気極を直列に電気接続することができる。
【００７７】
このように、複数の発電装置の燃料極と空気極を結線して、直列接続することで、高電圧を作り出すシステムを構成できる。
また、複数の発電装置の燃料極と空気極を結線して、並列接続することで、大電流を作り出すシステムを構成できる。
更に、並列化、直列化を併用することで、高電圧且つ大電流の発電が可能なシステムを構成できる。
【００７８】
また、本発明の太陽発電システムは、水供給量、酸素排出量、空気供給量、水排出量又は太陽光の照射量、及びこれらの任意の組合せに係るものを制御する手段を備えることができる。
このときは、非常にコンパクトな発電システムの構築が可能となる。
【００７９】
例えば、図９に示すように、発電システム２００において、発電装置を内設する筐体２０１の外部に燃料（水と空気）の供給量を制御できる燃料制御手段２０６を配設できる。
また、発電装置のオンオフや発電量を制御できる発電制御手段２０７を配設できる。
更に、省エネを達成する観点から、水排出手段で得た水を水供給手段で再度利用することもできる。
【００８０】
また、本発明の太陽発電システムは、自動車用として適用することができる。
例えば、図１０に示すように、自動車３０１のルーフ３０２に膜状に取り付けられた発電装置３０４を有する太陽発電システム３００を挙げることができる。このシステムにおいて、発電装置を複数使用するときは直列接続することができる。
【００８１】
発電装置に燃料を供給する手段としては、燃料タンク３０３に貯蔵された水と空気取入口を有し、これら燃料はコックにより流量を調節できる。
【００８２】
発電装置を制御する手段としては、マイクロコンピュータを設けることができる。これにより、外部からの命令で、燃料（水と空気）の発電装置への供給量をコックの開閉で制御する信号を送ると共に、発電で生成した酸素の排気と水の排出を制御する信号を送ることができる。
以上の構成により、発電した電気を車室内の電装部品の駆動のための電力源として活用できる。
【実施例】
【００８３】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００８４】
（実施例１）
以下の材料を使用して、発電装置を作製した。
光源としては、太陽光源を用いた。
可視光応答性光触媒材料としては、Ｔａ３Ｎ５を使用した。
電荷分離材料としては、プラズモン粒子である金のナノロッドを用いた。この金ナノロッドは、長軸が６５±１６ｎｍ、短軸が２０±６ｎｍであるものを使用した。
プロトン伝導層としては、高分子プロトン伝導材料であるナフィオン（商標：デュポン社）を使用した。
第１伝導材料及び第２伝導材料としては、カーボンファイバーとカーボンブラックを用いた。
金属材料としては、白金（Ｐｔ）を使用した。
電気伝導配線としては、銅線を用いた。
【００８５】
具体的には、先ず、燃料極は、可視光応答性光触媒材料、電荷分離材料、第１伝導材料を混合し均一分布させたスラリーを乾燥させて得た。
次に、空気極は、金属材料と第２伝導材料を混合し均一分布させたスラリーを乾燥させて得た。
燃料極と空気極とでプロトン伝導層を挟持し、これらを型に入れて、プレスして圧着接合し、発電装置を作製した。
【００８６】
（実施例２）
第１伝導材料として導電性カーボンクロスに導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥させ、プレスして第１燃料極層を形成し、光触媒材料と電荷分離材料を含んだスラリーを第１燃料極層に塗布し、乾燥させて、燃料極を得た。
これ以外は、実施例１と同様な操作を繰返して、発電装置を作製した。
【００８７】
（実施例３）
第１伝導材料として導電性カーボンクロスに導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥させた。この上に電荷分離材料を含むスラリーを塗布し、更にこの上に光触媒材料を含むスラリー塗布し、全体を焼くことで、燃料極を得た。
これ以外は、実施例１と同様な操作を繰返して、発電装置を作製した。
【００８８】
（実施例４）
第１伝導材料として導電性カーボンクロスに導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥させ、プレスして第１燃料極層を形成した。この上に電荷分離材料を含むスラリーを塗布し、乾燥させ、更にその上に光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥させ、焼くことで、燃料極を得た。
これ以外は、実施例１と同様な操作を繰返して、発電装置を作製した。
【００８９】
（実施例５）
第１伝導材料として導電性カーボンクロスに導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥させ、プレスして、第１燃料極層を形成した。
この上に電荷分離材料を含むスラリーを塗布し、乾燥させ、電荷分離層を形成した。
更にこの上に光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥させて光触媒層を形成することで、燃料極を得た。
これ以外は、実施例１と同様な操作を繰返して、発電装置を作製した。
【００９０】
（実施例６）
実施例５と同様な操作を繰返して、燃料極を得た。
第２伝導材料として導電性カーボンクロスに導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥させ、この上に金属微粒子を含むスラリーを塗布し、乾燥させ、全体を焼くことで、空気極を得た。
これ以外は、実施例１と同様な操作を繰返して、発電装置を作製した。
【００９１】
（実施例７）
実施例５と同様な操作を繰返して、燃料極を得た。
第２伝導材料として導電性カーボンクロスに導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥させ、プレスして第１空気極層を形成し、この上に金属微粒子を塗布し、乾燥することで金属層を形成して、空気極を得た。
これ以外は、実施例１と同様な操作を繰返して、発電装置を作製した。
【００９２】
（性能評価１）
実施例１〜７で得られた発電装置の性能評価結果を表１に示す。
燃料極で発生した電子が空気極に流れる量の点では、実施例７の発電装置（燃料極が三層構造、空気極が二層構造）が最も高く、実施例１の発電装置（燃料極、空気極ともに均一分布）が最も小さかった。従って、実施例７の発電性能が最も高く、実施例１の発電性能が最も低くかった。
また、実施例２〜６の発電装置は、燃料極で発生した電子が空気極に流れる量と同様に、実施例７と実施例１の中間程度の発電性能を有していた。
【００９３】
【表１】
2007005009.tif 000003
【００９４】
（実施例８）
以下の材料を使用して、発電装置を作製した。
光源としては、太陽光源を用いた。
可視光応答性光触媒材料としては、Ｔａ３Ｎ５を使用した。
電荷分離材料としては、亜鉛ポルフィリンを使用した。
プロトン伝導層としては、高分子プロトン伝導材料であるナフィオン（商標：デュポン社）を使用した。
第１伝導材料及び第２伝導材料としては、カーボンファイバーとカーボンブラックを用いた。
金属材料としては、白金（Ｐｔ）を使用した。
電気伝導配線としては、銅線を用いた。
【００９５】
上記材料を使用した以外は、実施例１と同様な操作を繰返して、発電装置を作製した。
【００９６】
（実施例９）
電荷分離材料として、亜鉛ポルフィリンを使用した以外は、実施例５と同様な操作を繰返して、燃料極を得た。
また、実施例７と同様な操作を繰返して、空気極を得た。
これ以外は、実施例１と同様な操作を繰返して、発電装置を作製した。
【００９７】
（実施例１０）
電荷分離材料として、亜鉛ポルフィリンに更にＣ６０を添加した以外は、実施例９と同様な操作を繰返して、発電装置を作製した。
具体的には、第１伝導材料として導電性カーボンクロスに導電性カーボン多孔体のスラリーを塗布し、乾燥させ、プレスして第１燃料極層を形成した。この上に電荷分離材料として最初にＣ６０を含むスラリーを塗布し乾燥させ、次に電荷分離材料として亜鉛ポルフィリンを含むスラリーを塗布し乾燥させ電荷分離層を形成した。更にこの上に光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥させて光触媒層を形成して、燃料極を得た。
【００９８】
（性能評価２）
実施例８〜１０においては、実施例８の発電装置より実施例９の発電装置の方が発電量が多くなった。
また、実施例１０の発電装置では、Ｃ６０を添加したため、実施例９の発電装置より発電量が多くなった。
【００９９】
（実施例１１）
図８に示すように、実施例７で得た発電装置を３つ用いて発電セルとし、隣接するセル同士の燃料極と空気極を結線することで、複数の発電装置を直列接続した。
そして、それを透明なガラス内に収め、太陽発電システムを作製した。その結果、高電圧を作り出せた。
【０１００】
（実施例１２）
図１０に示すように、実施例１１の太陽発電システムを用いて自動車用太陽発電システム３００を構成した。
【０１０１】
具体的には、自動車３０１のルーフ３０２に、発電装置３０４を装着した。
燃料供給手段としては、車体のルーフ３０２に取り付けた燃料タンク３０３に入った水と発電装置へのこの水の流入のためのコック、発電装置内への空気の流入のためのコック、燃料タンク３０３と発電装置３０４と間をつなぐ管を設けた。
発電装置の制御手段として、１６ビットマイクロコンピュータ等を使用して、車体内部に内蔵した。
【０１０２】
また、発電装置３０４では、発電で得られた電気は、電気配線を介して、車体内へ供給した。また、発生した酸素は、空気中に解放し、水は、配管を通して再び燃料タンク３０３に戻すようにした。
なお、燃料タンク３０３は、車体内に内蔵して、ポンプ等で発電装置３０４へ水を供給しても良い。また、発電装置の制御手段としては適宜公知の制御装置を使用しても良い。
【０１０３】
以上、本発明を若干の好適実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。
例えば、発電装置の燃料極と空気極は、１〜３層に限られず、これ以上の多層構造体であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】発電装置の基本構成を示す概略図である。
【図２】燃料極の構成の一例を示す概略図である。
【図３】燃料極の構成の他の例を示す概略図である。
【図４】燃料極の構成の更に他の例を示す概略図である。
【図５】空気極の構成の一例を示す概略図である。
【図６】空気極の構成の他の例を示す概略図である。
【図７】太陽発電システムの一例を示す概略図である。
【図８】太陽発電システムの他の例を示す概略図である。
【図９】太陽発電システムに接続する各種制御手段の一例を示す概略図である。
【図１０】自動車用太陽発電システムの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１００  発電装置
１０１  光源
１０２  水
１０３  空気中の酸素
１０４  酸素
１０５  プロトン
１０６  電子
１０７  燃料極
１０８  プロトン伝導層
１０９  水
１１０  空気極
１１１  電気伝導配線
１２０  単層
２００  太陽発電システム
２０１  透明な空洞材料（筐体）
２０２  水取入口
２０３  空気取入口
２０４  酸素取出口
２０５  水取出口
２０６  燃料制御手段
２０７  発電制御手段
３００  太陽発電システム
３０１  自動車
３０２  ルーフ
３０３  燃料タンク
３０４  発電装置
【図１】
2007005009.tif 000004
【図２】
2007005009.tif 000005
【図３】
2007005009.tif 000006
【図４】
2007005009.tif 000007
【図５】
2007005009.tif 000008
【図６】
2007005009.tif 000009
【図７】
2007005009.tif 000010
【図８】
2007005009.tif 000011
【図９】
2007005009.tif 000012
【図１０】
2007005009.tif 000013