JP2007179907A - Power generator, power generation method, and power generation system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generator capable of effectively generating electric power from hydrogen and oxygen, or accumulating protons and electrons by a visible light responding photocatalyst by utilizing the visible light irradiated from a light source. <P>SOLUTION: The power generator, generating electric power from hydrogen and oxygen by utilizing the visible light irradiated from a light source, is provided with a first electrode 10, a proton conducting part 20, a second electrode 30, an electron accumulation part 40, a proton accumulation part 50, and a switch 60. The first electrode is electrically connected to the second electrode through an electron accumulation part, and a switch connecting the first electrode to the second electrode in this sequence from first electrode side. The first electrode contains a first conductive material, the visible light responding photocatalyst, and an electric charge separating material, and the second electrode contains a second conductive material and a metallic material. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、発電装置、発電方法及び発電システムに係り、更に詳細には、光源から照射される可視光を利用して、水素を構成元素として有する化合物を含む水素源と酸素とから電気を発生させる、又はプロトン及び電子として蓄積することができる発電装置、発電装置を用いた発電方法、及び発電装置を備えた発電システムに関する。   The present invention relates to a power generation apparatus, a power generation method, and a power generation system, and more specifically, generates electricity from a hydrogen source containing a compound containing hydrogen as a constituent element and oxygen using visible light emitted from a light source. The present invention relates to a power generation device that can be stored as protons and electrons, a power generation method using the power generation device, and a power generation system including the power generation device.

近年、移動体から排出されるガス問題や燃料資源の枯渇が心配されている。
そこで、近年では、水素(H)と酸素(O)を燃料とする燃料電池の開発研究がなされている。
但し、燃料とする水素(H)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。
In recent years, there are concerns about the problem of gas discharged from mobile objects and the depletion of fuel resources.
Therefore, in recent years, research and development of fuel cells using hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) as fuels have been conducted.
However, there are many problems regarding how hydrogen (H 2 ) as a fuel is manufactured and how it is mounted on a moving body.

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(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」という。)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。
特開2004−71311号公報
As a solution to this problem, a direct methanol fuel cell has been proposed in which methanol is mounted and methanol is directly decomposed at the electrode and used in the form of protons (see Patent Document 1).
A single cell of this fuel cell (hereinafter referred to as “fuel cell”) has a structure in which an electrolyte layer made of special plastic is sandwiched between two electrodes from the left and right.
JP 2004-71311 A

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(H)が供給されると、電極が有する触媒作用によって水素(H)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。 Further, in this fuel cell, when hydrogen (H 2 ) as a fuel is supplied to one electrode, that is, the fuel electrode side, hydrogen (H 2 ) is protonated by the catalytic action of the electrode, and this proton is converted into an electrolyte. It reaches the other electrode, that is, the air electrode side through the layer.

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て、水が生じる。
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。
Since oxygen, which is an oxidant, is supplied to the air electrode side, protons meet and react with oxygen there to produce water.
During this reaction, since electrons constantly move from the fuel electrode side to the air electrode side, a current flows through the circuit.
Thus, the fuel cell generates electric power.

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。
On the other hand, along with research on fuel cells, research on dye-sensitized solar cells has been conducted as an effective use of sunlight.
This dye-sensitized solar cell is mainly composed of a pair of transparent substrates, a transparent conductive film constituting a pair of electrodes, a semiconductor layer which is a photoelectric conversion material sandwiched between the electrodes, and a carrier transport layer. . The semiconductor layer has adsorbed on its surface a sensitizing dye having an absorption spectrum in the visible light region.

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、一方の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り返されて電気エネルギーが取出される。
In such a solar cell, when the semiconductor layer is irradiated with visible light, the sensitizing dye on the surface of the semiconductor layer absorbs light, thereby exciting the electrons in the dye molecule and injecting the excited electrons into the semiconductor layer. .
The electrons injected into the semiconductor layer move from one electrode to the other electrode through an electric circuit.
The electrons that have moved to the other electrode are carried by holes or ions in the carrier transport layer and return to the semiconductor layer.
Such processes are repeated to extract electric energy.

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(特許文献2及び3参照。)。
特開平1−220380号公報 国際公開公報WO91/16719号
Specifically, a solar cell in which a sensitizing dye such as a ruthenium complex is adsorbed has been proposed (see Patent Documents 2 and 3).
Japanese Patent Laid-Open No. 1-220380 International Publication No. WO91 / 16719

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。
However, the technique described in Patent Document 1 has a problem that noble metal (Pt) is used in the electrodes of the fuel electrode and the air electrode, and the problem of CO poisoning also occurs in the fuel electrode.
In addition, an additional membrane must be added to prevent methanol from passing through the proton conducting membrane.

一方、特許文献2及び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。
更に、太陽光からの光照射量に対応して、発電量が大きく変動し、特に光が当たらなくなると、発電できなくなるという問題点があった。
On the other hand, in the techniques described in Patent Documents 2 and 3, since the solar cell cannot sufficiently separate the charge generated between the electrons and holes generated by the dye efficiently and the recombination of electrons and holes occurs, the conversion efficiency of the solar cell is increased. Is only about 10%.
Moreover, since a ruthenium complex is used, it becomes expensive, the manufacturing method is complicated, and it is difficult to spread industrially.
Furthermore, there is a problem that the amount of power generation greatly fluctuates corresponding to the amount of light irradiation from sunlight, and it becomes impossible to generate power especially when it is not exposed to light.

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、光源から照射される可視光を利用して、可視光応答性光触媒材料により、水素を構成元素として有する化合物を含む水素源と酸素とから効率良く電気を発生させる、又はプロトン(H)及び電子(e)として蓄積することができる発電装置、発電装置を用いた発電方法、及び発電装置を用いた発電システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is to use visible light responsive photocatalytic material using visible light irradiated from a light source. A power generation apparatus capable of efficiently generating electricity from a hydrogen source including a compound having a constituent element and oxygen or storing them as protons (H + ) and electrons (e ), a power generation method using the power generation apparatus, and An object is to provide a power generation system using a power generation device.

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源と可視光応答性光触媒材料とを接触させ、光源からの可視光を該可視光応答性光触媒材料に照射し、該水素源からプロトン(H)と電子(e)を生成し、得られたプロトン(H)の流れ及び電子(e)の流れを制御して、これらを酸素(O)と反応させ、発電量を制御することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventor brought a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element into contact with a visible light responsive photocatalytic material, and obtained visible light from a light source. irradiating the said visible light responsive photocatalyst material, a hydrogen source and a proton (H +) electrons - generate, resulting protons (H +) of the flow and electron (e) - control the flow of (e) The inventors have found that the above-described object can be achieved by reacting these with oxygen (O 2 ) and controlling the amount of power generation, and the present invention has been completed.

即ち、本発明の発電装置は、光源から照射される可視光を利用して、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源と酸素から発電する発電装置である。
かかる発電装置は、第1電極と、プロトン伝導部と、第2電極と、電子蓄積部と、プロトン蓄積部と、スイッチとを備え、該プロトン伝導部は、該第1電極及び該第2電極で狭持されており、且つ該プロトン蓄積部と接合されており、該第1電極と該第2電極とは、該第1電極側から、該電子蓄積部と、該第1電極及び該第2電極を電気的に接続し得る該スイッチと、をこの順に介して電気的に接続されており、該第1電極は、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを含有し、該第2電極は、第2電気伝導材料と金属材料とを含有することを特徴とする。
That is, the power generation device of the present invention is a power generation device that generates power from a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element and oxygen using visible light irradiated from a light source.
Such a power generation device includes a first electrode, a proton conduction unit, a second electrode, an electron accumulation unit, a proton accumulation unit, and a switch, and the proton conduction unit includes the first electrode and the second electrode. And the first electrode and the second electrode from the first electrode side, the electron storage unit, the first electrode, and the second electrode. The switches that can electrically connect two electrodes are electrically connected in this order, and the first electrode includes a first electrically conductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material. The second electrode contains a second electrically conductive material and a metal material.

また、本発明の発電方法は、上記本発明の発電装置を用いた発電方法であって、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源と可視光応答性光触媒材料とを接触させ、光源からの可視光を該可視光応答性光触媒材料に照射し、該水素源からプロトン(H)と電子(e)を生成し、得られたプロトン(H)の流れ及び電子(e)の流れを制御して、酸素(O)と反応させ、発電量を制御することを特徴とする。 The power generation method of the present invention is a power generation method using the power generation device of the present invention, wherein a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element and a visible light responsive photocatalytic material are brought into contact with each other. The visible light responsive photocatalytic material is irradiated with visible light from a light source to generate protons (H + ) and electrons (e ) from the hydrogen source, and the resulting proton (H + ) flow and electrons (e - ) The flow of) is controlled to react with oxygen (O 2 ) to control the power generation amount.

更に、本発明の発電システムは、上記本発明の発電装置を用いた発電システムであって、該発電装置と、該発電装置へ水素を構成元素として有する化合物を含む水素源を供給する供給手段と、該発電装置へ酸素を供給する供給手段と、該発電装置から酸素を排出する排出手段と、該発電装置から水を排出する排出手段と、該発電装置への水素を構成元素として有する化合物を含む水素源の供給量を制御する制御手段と、該発電装置への酸素の供給量を制御する制御手段と、該発電装置からの水の排出量を制御する制御手段と、該発電装置からの酸素の排出量を制御する制御手段と、該発電装置への光源からの可視光の照射量を制御する制御手段と、該発電装置のスイッチのオン・オフ状態を制御する制御手段と、を備え、該スイッチのオン・オフ状態制御手段が、断続的に該スイッチのオン・オフの制御を行なうことを特徴とする。   Furthermore, the power generation system of the present invention is a power generation system using the above-described power generation device of the present invention, the power generation device and supply means for supplying a hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element to the power generation device. A supply means for supplying oxygen to the power generation apparatus, a discharge means for discharging oxygen from the power generation apparatus, a discharge means for discharging water from the power generation apparatus, and a compound having hydrogen as a constituent element for the power generation apparatus Control means for controlling the supply amount of the hydrogen source, control means for controlling the supply amount of oxygen to the power generation apparatus, control means for controlling the discharge amount of water from the power generation apparatus, and Control means for controlling the amount of oxygen discharged, control means for controlling the amount of visible light emitted from the light source to the power generation apparatus, and control means for controlling the on / off state of the switch of the power generation apparatus. , Turn on the switch Off state control means, and performing control of intermittently the switch on and off.

本発明によれば、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源と可視光応答性光触媒材料とを接触させ、光源からの可視光を該可視光応答性光触媒材料に照射し、該水素源からプロトン(H)と電子(e)を生成し、得られたプロトン(H)の流れ及び電子(e)の流れを制御して、これらを酸素(O)と反応させ、発電量を制御することなどとしたため、光源から照射される可視光を利用して、可視光応答性光触媒材料により、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源及び酸素から効率良く電気を発生させる、又はプロトン(H)及び電子(e)として蓄積することができる発電装置、発電装置を用いた発電方法、及び発電装置を用いた発電システムを提供することができる。 According to the present invention, a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element is brought into contact with a visible light responsive photocatalyst material, the visible light responsive photocatalyst material is irradiated with visible light from a light source, Protons (H + ) and electrons (e ) are generated from a hydrogen source, and the resulting proton (H + ) and electron (e ) flows are controlled to react with oxygen (O 2 ). Because the amount of power generation is controlled, the visible light responsive photocatalyst material is utilized by the visible light responsive photocatalyst material using the visible light emitted from the light source, and the efficiency from the hydrogen source and oxygen containing the compound having hydrogen (H) as a constituent element. It is possible to provide a power generation device that can generate electricity well or store it as protons (H + ) and electrons (e ), a power generation method using the power generation device, and a power generation system using the power generation device.

以下、本発明の発電装置について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の発電装置は、光源から照射される可視光を利用して、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源と酸素とから電気を発生する発電装置であって、第1電極と、プロトン伝導部と、第2電極と、電子蓄積部と、プロトン蓄積部と、スイッチとを備え、該プロトン伝導部は、該第1電極及び該第2電極で狭持され、且つ該プロトン蓄積部と接合され、該第1電極と該第2電極とが、該第1電極側から、該電子蓄積部と、該第1電極及び該第2電極を電気的に接続し得る該スイッチと、をこの順に介して電気的に接続されるものである。
Hereinafter, the power generator of the present invention will be described in detail.
As described above, the power generator of the present invention is a power generator that generates electricity from a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element and oxygen using visible light emitted from a light source. A first electrode, a proton conducting part, a second electrode, an electron accumulating part, a proton accumulating part, and a switch, the proton conducting part being sandwiched between the first electrode and the second electrode. And the first electrode and the second electrode are electrically connected from the first electrode side to the first electrode and the second electrode. The obtained switches are electrically connected through this order.

そして、かかる第1電極は、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを含有し、かかる第2電極は、第2電気伝導材料と金属材料とを含有する。   The first electrode contains a first electrically conductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material, and the second electrode contains a second electrically conductive material and a metal material.

このような構成とすることにより、可視光応答性光触媒材料を光源から照射される可視光により活性化させながら、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源を当該可視光応答性光触媒材料に接触させ得るので、スイッチがオンの状態である場合には、電気を効率良く発生させることができ、スイッチがオフの状態である場合には、電子(e)を電子蓄積部に、またプロトン(H)をプロトン蓄積部に、それぞれ蓄積することができる。 By adopting such a configuration, the visible light responsive photocatalyst material is activated by the visible light irradiated from the light source, and the hydrogen source containing the compound having hydrogen (H) as a constituent element is used as the visible light responsive photocatalyst. When the switch is in an on state, electricity can be generated efficiently. When the switch is in an off state, electrons (e ) In addition, protons (H + ) can be accumulated in the proton accumulation unit.

また、蓄積した状態からスイッチをオンの状態とすると、光源から光が照射されていない場合であっても電気を発生させることができる。   Further, when the switch is turned on from the accumulated state, electricity can be generated even when light is not irradiated from the light source.

更に、上記したように、蓄電する際に、電子(e)とプロトン(H)の状態で蓄積することができるため、システムを構築した際に、必ずしもニッケル水素電池やリチウムイオン電池のような蓄電装置を必要とせず、また、蓄電装置を配設する場合にもその蓄電装置を小型化することができる。 Furthermore, as described above, when storing electricity, it can be stored in the state of electrons (e ) and protons (H + ). Therefore, when a system is constructed, it is not necessarily a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery. A power storage device is not required, and the power storage device can be downsized even when the power storage device is provided.

また、水素源から電気を得る際に利用するエネルギー源が従来より縮小化される。
具体的には、電気を発生させるために外部電源によって印加を行うことを必ずしも必要とせず、発電装置を更に小型化することができる。
更にまた、高価な半導体薄膜を必ずしも利用する必要がないことやルテニウム錯体を必ずしも利用する必要がないことも相俟って、安価且つ耐久性を有するように設計することができるため、自動車などの移動体へ搭載することが容易になる。
Moreover, the energy source utilized when obtaining electricity from a hydrogen source is reduced more than before.
Specifically, it is not always necessary to apply electricity from an external power source to generate electricity, and the power generator can be further downsized.
Furthermore, since it is not always necessary to use an expensive semiconductor thin film and it is not always necessary to use a ruthenium complex, it can be designed to be inexpensive and durable. It becomes easy to mount on a moving body.

また、本発明においては、第1電極と電子蓄積部との間に、電流検出器を備えていてもよい。
このような電流検出器は、スイッチがオンの状態の場合には、電気の発生量を測定することができ、また、スイッチがオフの状態の場合には、電子蓄積部における大体の電子蓄積量を推測することができる。
そして、このような測定値や推測値に基づいて、発電装置の制御を実行することにより、より効率良く電気を発生させることができる。
In the present invention, a current detector may be provided between the first electrode and the electron storage unit.
Such a current detector can measure the amount of electricity generated when the switch is on, and can roughly measure the amount of electrons stored in the electron storage section when the switch is off. Can be guessed.
And electricity can be more efficiently generated by performing control of a power generator based on such a measured value or an estimated value.

更に、本発明においては、光検出器を備えていてもよい。
ここで、光検出器とは、いわゆる光センサーであって、光源から発電装置、より望ましくは第1電極、更に望ましくは可視光応答性光触媒材料に照射される可視光を検出し、その照射量を測定することができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、フォトダイオードなどを用いることができる。
そして、このような光検出器の測定値に基づいて、発電装置の制御を実行することにより、より効率良く電気を発生させることができる。
Furthermore, in the present invention, a photodetector may be provided.
Here, the photodetector is a so-called optical sensor that detects visible light irradiated from the light source to the power generation device, more preferably the first electrode, and more preferably the visible light responsive photocatalytic material, and the irradiation amount. There is no particular limitation as long as it can be measured, and for example, a photodiode or the like can be used.
And electricity can be more efficiently generated by performing control of a power generator based on the measured value of such a photodetector.

ここで、本発明の発電装置を図面を用いてより詳細に説明する。
図1は、本発明の発電装置の一例を示す概略図である。同図に示すように、発電装置1は、第1電極10と、プロトン伝導部20と、第2電極30と、電子蓄積部40と、プロトン蓄積部50と、スイッチ60と、電流検出器70と、光検出器80とを備える。
また、プロトン伝導部20は、第1電極10及び第2電極30に狭持され、更にプロトン蓄積部50と接合されている。
更に、第1電極10と第2電極30とが、第1電極10側から電流検出器70と、電子蓄積部40と、第1電極10及び第2電極30を電気的に接続し得るスイッチ60と、を介して配線wにより接続されている。
なお、図1は、スイッチ60がオフの状態である場合を示している。
Here, the electric power generating apparatus of this invention is demonstrated in detail using drawing.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a power generator according to the present invention. As shown in the figure, the power generator 1 includes a first electrode 10, a proton conducting unit 20, a second electrode 30, an electron accumulating unit 40, a proton accumulating unit 50, a switch 60, and a current detector 70. And a photodetector 80.
The proton conducting unit 20 is sandwiched between the first electrode 10 and the second electrode 30 and further joined to the proton accumulating unit 50.
Further, the first electrode 10 and the second electrode 30 are switches 60 that can electrically connect the current detector 70, the electron storage unit 40, and the first electrode 10 and the second electrode 30 from the first electrode 10 side. And are connected by a wiring w.
FIG. 1 shows a case where the switch 60 is in an off state.

そして、光源から矢印aで示すように可視光を照射させることにより、第1電極10に含有される可視光応答性光触媒材料(図示せず。)を光源から照射される可視光により活性化させながら、水素源の一例である水(HO)を矢印bで示すように該可視光応答性光触媒材料に供給し接触させることによって、第1電極10において電子(e)(図示せず。)とプロトン(H)(図示せず。)と矢印cで示すように酸素(O)を生成し、得られた電子(e)は電流検出器70を通り、電子蓄積部40に蓄積される一方、得られたプロトン(H)はプロトン伝導部20を通り、プロトン蓄積部50に蓄積される。
また、図1には、スイッチ60がオンの状態である場合を示さないが、その場合には、破線の矢印dで示すように、例えば空気中の酸素(O)が供給され、第2電極30から破線の矢印eで示すように、水(HO)が生成する。なお、詳細については後述する。
The visible light responsive photocatalyst material (not shown) contained in the first electrode 10 is activated by the visible light irradiated from the light source by irradiating visible light from the light source as indicated by an arrow a. However, by supplying water (H 2 O), which is an example of a hydrogen source, to the visible light-responsive photocatalytic material as shown by an arrow b, the electrons (e ) (not shown) are formed in the first electrode 10. ), Proton (H + ) (not shown), and oxygen (O 2 ) as indicated by an arrow c, and the obtained electrons (e ) pass through the current detector 70 and pass through the electron storage unit 40. On the other hand, the obtained proton (H + ) passes through the proton conducting part 20 and is accumulated in the proton accumulating part 50.
Further, FIG. 1 does not show a case where the switch 60 is in an ON state, but in that case, for example, oxygen (O 2 ) in the air is supplied as shown by a dashed arrow d, and the second Water (H 2 O) is generated from the electrode 30 as indicated by a dashed arrow e. Details will be described later.

また、本発明においては、備える電子蓄積部は、電子(e)を蓄積することができればその材料や形状について特に限定されるものではないが、ポリマー、金属又は金属酸化物、及びこれらの任意の組合わせに係る電子蓄積材料と、絶縁性材料とから成り、該電子蓄積材料が、該絶縁性材料に覆われた構造を有することが望ましい。
そして、電子蓄積材料の電子構造としては、電子が蓄積でき且つ流れ易いように、導電性を有することが望ましい。
In addition, in the present invention, the electron storage section provided is not particularly limited as long as it can store electrons (e ), but the material and shape thereof are not particularly limited, but a polymer, metal or metal oxide, and any of these It is desirable that the electron storage material includes a combination of the above and an insulating material, and the electron storage material is covered with the insulating material.
The electronic structure of the electron storage material is preferably conductive so that electrons can be stored and flow easily.

上記電子蓄積材料であるポリマーとしては、特に限定されるものではないが、例えばドーピングしたポリアニリンやポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性ポリマーを挙げることができる。
また、電子蓄積材料である金属としては、特に限定されるものではないが、例えば銅(Cu)や鉄(Fe)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)などを挙げることができる。
更に、電子蓄積材料である金属酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば三酸化タングステン(WO)や酸化ニッケル(NiO)、酸化銅(CuO)などを挙げることができ、耐久性や電子蓄積能力などの観点からWOを用いることが望ましい。
The polymer as the electron storage material is not particularly limited, and examples thereof include conductive polymers such as doped polyaniline, polypyrrole, and polythiophene.
The metal that is an electron storage material is not particularly limited, and examples thereof include copper (Cu), iron (Fe), manganese (Mn), and nickel (Ni).
Furthermore, the metal oxide that is an electron storage material is not particularly limited, and examples thereof include tungsten trioxide (WO 3 ), nickel oxide (NiO), copper oxide (CuO), and the like. It is desirable to use WO 3 from the viewpoints of properties and electron storage capacity.

上記絶縁性材料としては、特に限定されるものではないが、軽量であり、形状を自由に設計することができる、更に透明であるという観点から、例えばポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートなどの絶縁性ポリマーを好適に用いることができる。   The insulating material is not particularly limited, but is preferably an insulating polymer such as polycarbonate or polyethylene terephthalate from the viewpoint of light weight, free design of shape, and transparency. Can be used.

図2に、本発明の発電装置が備える電子蓄積部の一例の概略的な断面形状を示す。同図に示すように、電子蓄積部40は、電子蓄積材料42の一例であるWOを例えばポリカーボネートのような絶縁性材料44の一例である絶縁ポリマーで覆われた構造を有している。
なお、電子蓄積材料42は配線wにより、図示しない第1電極やスイッチと電気的に接続されている。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional shape of an example of an electron storage unit provided in the power generation device of the present invention. As shown in the figure, the electron storage section 40 has a structure in which WO 3 which is an example of the electron storage material 42 is covered with an insulating polymer which is an example of an insulating material 44 such as polycarbonate.
Note that the electron storage material 42 is electrically connected to a first electrode and a switch (not shown) by a wiring w.

更に、本発明においては、備えるプロトン蓄積部は、プロトン(H)を蓄積することができればその材料や形状について特に限定されるものではないが、固体高分子、ガラス又は金属酸化物、及びこれらの任意の組合せに係るプロトン蓄積材料と、プロトン流出防止材料とから成り、該プロトン蓄積材料が、該プロトン流失防止材料に覆われた構造を有することが望ましい。 Furthermore, in the present invention, the material and shape of the proton accumulating portion provided is not particularly limited as long as it can accumulate protons (H + ), but it is not limited to solid polymer, glass or metal oxide, and these It is desirable that the proton storage material according to any combination of the above and a proton efflux prevention material have a structure covered with the proton loss prevention material.

上記プロトン蓄積材料である固体高分子としては、特に限定されるものではないが、例えばナフィオン(登録商標、デュポン社製)などのプロトン伝導膜を挙げることができる。
また、プロトン蓄積材料であるガラスとしては、特に限定されるものではないが、例えばリン酸塩ガラスなどのプロトン伝導膜を挙げることができる。
更に、プロトン蓄積材料である金属酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば三酸化タングステン(WO)や酸化ニッケル(NiO)、酸化銅(CuO)などを挙げることができ、耐久性やプロトン蓄積能力などの観点からWOを用いることが望ましい。
The solid polymer that is the proton storage material is not particularly limited, and examples thereof include a proton conductive membrane such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont).
Further, the glass that is a proton storage material is not particularly limited, and examples thereof include a proton conducting membrane such as phosphate glass.
Furthermore, the metal oxide that is a proton storage material is not particularly limited, and examples thereof include tungsten trioxide (WO 3 ), nickel oxide (NiO), copper oxide (CuO), and the like. It is desirable to use WO 3 from the viewpoints of properties and proton accumulation capacity.

上記プロトン流出防止材料としては、特に限定されるものではないが、軽量であり、形状を自由に設計すること、更に透明であることという観点から、例えばポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートなどのプロトン流出防止ポリマーを好適に用いることができる。   The proton efflux prevention material is not particularly limited, but from the viewpoint of being lightweight, freely designing the shape, and being transparent, for example, a proton efflux prevention polymer such as polycarbonate or polyethylene terephthalate is used. It can be used suitably.

ここで、備える電子蓄積部やプロトン蓄積部は、キャパシタ構造を有していることが電子(e)及びプロトン(H)の蓄積量を増加させることができるという観点から望ましい。
例えば、発電装置自体の構造によって、キャパシタ構造を構築してもよく、発電システムを構築する際に、複数の発電装置の配置によって、キャパシタ構造を構築してもよい。
Here, it is desirable that the electron storage unit and the proton storage unit provided have a capacitor structure from the viewpoint of increasing the amount of electrons (e ) and protons (H + ) stored.
For example, the capacitor structure may be constructed by the structure of the power generation device itself, or the capacitor structure may be constructed by arranging a plurality of power generation devices when constructing the power generation system.

更にまた、本発明の発電装置が備えるスイッチの一例の構成を説明する。図3は、FETを用いて構成したスイッチの一例の概略的な断面形状を示す説明図である。同図に示すように、基板61上にチャネル62、ソース63、ドレイン64、絶縁体層65及びゲート66が形成されており、絶縁体層65以外は、導電体で形成されている。
無機半導体及び有機半導体FETのいずれを用いてもよく、無機半導体であるMOSFETの場合は、以下のように機能する。
ゲート66にプラス電圧を加えてから絶縁体層65を隔てて絶縁体層65の底の部分に、P形シリコン中の電子が引き寄せられ、ドレイン64−ソース63間に電子で出来た細い道が形成される。するとこれが電流の通り道となり、ドレイン64−ソース63間が導通する。電圧を加えるのを止めると、ドレイン64−ソース63間が導通しなくなる。また、構成材料に違いがあるもののペンタセンに代表される有機半導体FETも同様に動作する。
Furthermore, a configuration of an example of a switch provided in the power generation device of the present invention will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic cross-sectional shape of an example of a switch configured using an FET. As shown in the figure, a channel 62, a source 63, a drain 64, an insulator layer 65, and a gate 66 are formed on a substrate 61, and the portions other than the insulator layer 65 are made of a conductor.
Either an inorganic semiconductor or an organic semiconductor FET may be used, and a MOSFET that is an inorganic semiconductor functions as follows.
After applying a positive voltage to the gate 66, electrons in the P-type silicon are attracted to the bottom of the insulator layer 65 across the insulator layer 65, and a narrow path made of electrons is formed between the drain 64 and the source 63. It is formed. Then, this becomes a path of current, and conduction is established between the drain 64 and the source 63. When the application of voltage is stopped, conduction between the drain 64 and the source 63 stops. An organic semiconductor FET typified by pentacene operates in the same manner although there are differences in constituent materials.

そして、上記FETのスイッチのソース63とドレイン64にそれぞれ図示しない電子蓄積部の出力配線、第2電機伝導材料への配線を接合させ、また、図示しない外部の制御装置からの信号配線をゲートに接合させて、スイッチとして用いることができる。   The FET switch source 63 and drain 64 are connected to the output wiring of the electron storage section (not shown) and the wiring to the second electric conduction material, respectively, and the signal wiring from an external control device (not shown) is used as the gate. It can be joined and used as a switch.

次に、本発明の発電装置における電子状態及び電子(e)の流れを説明する。
第1電極10において生成した電子(e)は、電子蓄積部40に移動し、更に第2電極30に移動する一方、第1電極10において生成したプロトン(H)は、プロトン伝導部20に移動し、更に第2電極30に移動する。
Next, the electronic state and the flow of electrons (e ) in the power generator of the present invention will be described.
Electrons (e ) generated in the first electrode 10 move to the electron storage unit 40 and further move to the second electrode 30, while protons (H + ) generated in the first electrode 10 are transferred to the proton conducting unit 20. To the second electrode 30.

また、上述のように電子(e)とプロトン(H)の流れ、特に電子(e)の流れをスムーズなものとし、発電を効率良くするためには、第1電極10、電子蓄積部40及び第2電極30における電子状態は、各部における構成要素間のエネルギー準位の高さを比較した場合に、下記の[1]及び[2]の関係が成立していることが望ましい(詳しくは後述する図4〜8を参照。)。 Further, as described above, in order to make the flow of electrons (e ) and protons (H + ), particularly the flow of electrons (e ) smooth, and to improve the power generation efficiency, the first electrode 10, the electron storage. It is desirable that the electronic states in the part 40 and the second electrode 30 satisfy the following relations [1] and [2] when the heights of energy levels between components in each part are compared ( For details, refer to FIGS.

[1](可視光応答性光触媒材料の価電子帯の上端)<(電荷分離材料におけるプラズモン吸収を示す微粒子のプラズマ吸収可能な基底状態や色素の光吸収時の基底状態のエネルギー準位)
[2](可視光応答性光触媒材料の伝導帯の下端)>(電荷分離材料におけるプラズモン吸収を示す微粒子のプラズマ吸収による励起状態や色素の光吸収時の励起状態のエネルギー準位)>(第1電気伝導材料(金属材料の場合:フェルミ準位、半導体の場合:伝導帯の下端))≧(電子蓄積部(金属材料の場合:フェルミ準位、半導体の場合:伝導帯の下端))≧(第2電気伝導材料(金属材料の場合:フェルミ準位、半導体の場合:伝導帯の下端))>(第2電極の金属材料のフェルミ準位)
[1] (Upper end of valence band of visible light responsive photocatalyst material) <(Earth energy level of ground state capable of plasma absorption of fine particles exhibiting plasmon absorption in charge separation material and light absorption of dye)
[2] (Lower end of conduction band of visible light responsive photocatalytic material)> (Energy level of excited state by plasma absorption of fine particles exhibiting plasmon absorption in charge separation material and excited state at light absorption of dye)> (No. 1 Electrically conductive material (for metal material: Fermi level, for semiconductor: lower end of conduction band)) ≧ (electron accumulating part (for metal material: Fermi level, for semiconductor: lower end of conduction band)) ≧ (Second electrically conductive material (for metal material: Fermi level, for semiconductor: lower end of conduction band))> (Fermi level of metal material of second electrode)

上述のような関係が成立する場合には、大きく分けて電子(e)は次のような2つの流れ方をする。
即ち、可視光応答性光触媒材料で生成した電子(e)が電荷分離材料を介してから第1電気伝導材料に流れる場合と可視光応答性光触媒材料で生成した電子(e)が第1電気伝導材料に直接流れる場合がある。
When the above relationship is established, the electrons (e ) flow roughly in the following two ways.
That is, electrons generated by the visible light responsive photocatalyst material (e -) electrons are generated by the visible light responsive photocatalyst material and when flowing from through a charge separation material on the first electrically conductive material (e -) is first May flow directly into electrically conductive material.

まず、前述の場合に、可視光応答性光触媒材料への可視光の照射により、当該可視光応答性光触媒材料において生じたホール(正孔)、更に電子(e)とプロトン(H)の流れにより、発電するメカニズムを説明する。 First, in the above-described case, the visible light responsive photocatalyst material is irradiated with visible light, so that holes (holes) generated in the visible light responsive photocatalyst material, further electrons (e ) and protons (H + ) are generated. The mechanism of generating electricity by the flow will be explained.

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おける光吸収で生成された電子(e)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のバンドギャップと電荷分離材料のバンドギャップ(遷移エネルギー)を調整することが望ましい。
言い換えれば、可視光応答性光触媒材料における電子(e)を放出する電位(伝導帯のエネルギー準位)が、電荷分離材料にできたホールに当該電子(e)が入る電位(プラズマ吸収可能な基底状態や色素の光吸収時の基底状態のエネルギー準位)より高く、電荷分離材料のプラズマ吸収による励起状態や色素の光吸収時の励起状態のエネルギー準位は、可視光応答性光触媒材料の伝導帯のエネルギー準位より低く、更に、電荷分離材料のバンドギャップ(遷移エネルギー)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望ましい。
Each of the visible light responsive photocatalyst material and the charge separation material can be used alone or in combination.
At this time, in order to prevent recombination of electrons (e ) and holes (holes) generated by light absorption in the visible light responsive photocatalytic material, the band gap of the visible light responsive photocatalytic material and the charge separation material It is desirable to adjust the band gap (transition energy).
In other words, the potential (electron band energy level) for emitting electrons (e ) in the visible light responsive photocatalytic material is the potential at which the electrons (e ) enter holes formed in the charge separation material (plasma can be absorbed). The energy level of the excited state due to the plasma absorption of the charge separation material and the excited state during the light absorption of the dye is higher than the ground state and the energy level of the dye when absorbing the light. It is desirable that the bandgap (transition energy) of the charge separation material is lower than the bandgap of the visible light responsive photocatalytic material.

図9は、上述の如き、好適な関係を有する可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料の吸収スペクトルの一例を示すグラフである。
なお、図9に示すにように、電荷分離材料はそれ自体でプラズモン吸収を示している。
FIG. 9 is a graph showing an example of an absorption spectrum of the visible light responsive photocatalyst material and the charge separation material having a preferable relationship as described above.
In addition, as shown in FIG. 9, the charge separation material itself exhibits plasmon absorption.

また、図4は、上述の如き、好適な関係を有する第1電極(可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料と第1電気伝導材料)と電子蓄積部と第2電極(第2電気伝導材料と金属材料)における電子状態及び電子とホールの流れの一例を示す説明図である。
図4に示すように、第1電極において、可視光応答性光触媒材料に可視光が照射され、電子(e)が励起され、励起電子(e)とホール(正孔)が生成する。
FIG. 4 shows a first electrode (visible light responsive photocatalyst material, charge separation material, and first electric conductive material), an electron storage unit, and a second electrode (second electric conductive material) having a preferable relationship as described above. It is explanatory drawing which shows an example of the electronic state and the flow of an electron and a hole in (metal material).
As shown in FIG. 4, in the first electrode, the visible light responsive photocatalytic material is irradiated with visible light, the electrons (e ) are excited, and excited electrons (e ) and holes (holes) are generated.

このとき、例えば水素源の一例である水(HO)(図示せず。)が可視光応答性光触媒に接触すると、水(HO)はホールを受け取って、酸素(O)が発生する。
また、可視光応答性光触媒材料に生成した電子(e)は、電荷分離材料のプラズマ吸収可能な基底状態や色素の光吸収時の基底状態に入ることによって、ホール(正孔)が消失し、電荷分離材料に生成した電子(e)は、第1電気伝導材料に移動する。若しくは、可視光応答性光触媒材料に生成した電子(e)は、プラズマ吸収の励起状態や色素の励起状態を直接経由して、第1電気伝導材料に移動する。
更に、この第1電気伝導材料に移動した電子(e)は、電子蓄積部に移動する。
そして、スイッチがオンの状態である場合には、この電子(e)は第2電極へ移動する。一方、スイッチがオフの状態である場合には、電子蓄積部に電子(e)が蓄積される。
At this time, for example, when water (H 2 O) (not shown) as an example of a hydrogen source comes into contact with the visible light responsive photocatalyst, the water (H 2 O) receives a hole and oxygen (O 2 ) is appear.
In addition, the electrons (e ) generated in the visible light responsive photocatalytic material enter the ground state in which the charge separation material can absorb the plasma and the ground state in the light absorption of the dye. The electrons (e ) generated in the charge separation material move to the first electrically conductive material. Alternatively, the electrons (e ) generated in the visible light-responsive photocatalytic material move to the first electrically conductive material directly via the excited state of plasma absorption and the excited state of the dye.
Furthermore, the electrons (e ) moved to the first electrically conductive material move to the electron storage unit.
When the switch is on, the electrons (e ) move to the second electrode. On the other hand, when the switch is off, electrons (e ) are accumulated in the electron accumulation unit.

更に、水(HO)から生成したプロトン(H)はプロトン伝導部に移動する。
そして、スイッチがオンの状態である場合には、このプロトン(H)は第2電極へ移動する。一方、スイッチがオフの状態である場合には、プロトン蓄積部にプロトン(H)が蓄積される。
Furthermore, protons (H + ) generated from water (H 2 O) move to the proton conducting part.
When the switch is on, this proton (H + ) moves to the second electrode. On the other hand, when the switch is off, protons (H + ) are accumulated in the proton accumulation unit.

この結果、第1電極では、次式(1)に示す反応が起こる。   As a result, the reaction represented by the following formula (1) occurs in the first electrode.

2HO→O+4H+4e…(1) 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e (1)

また、第2電極では、プロトンと電子と酸素によって、次式(2)に示す反応が起こり、水(HO)が生成する。 In the second electrode, the reaction represented by the following formula (2) occurs due to protons, electrons, and oxygen, and water (H 2 O) is generated.

+4H+4e→2HO…(2) O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (2)

以上の結果、発電装置によって電気を発生させることができる。   As a result, electricity can be generated by the power generator.

なお、後述の場合には、含有させた電荷分離材料が利用されていないが、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。具体的には、上述したように、第1電極において、可視光応答性光触媒材料に可視光が照射され、電子(e)が励起され、励起電子(e)とホール(正孔)が生成する。
このとき、例えば水素源の一例である水(HO)が可視光応答性光触媒に接触すると、水(HO)はホール(正孔)を受け取って、酸素(O)が発生する。
また、可視光応答性光触媒材料に生成した電子(e)は、第1電気伝導材料に移動する。以降は上述した場合と同様の電子(e)及びプロトン(H)の流れ方よって、電子(e)及びプロトン(H)が蓄積され、プロトンと電子と酸素によって、発電装置によって、電気が発生し、水(HO)が生成する。
In the case described later, the contained charge separation material is not used, but it goes without saying that it is included in the scope of the present invention. Specifically, as described above, in the first electrode, visible light responsive photocatalytic material is irradiated with visible light, electrons (e ) are excited, and excited electrons (e ) and holes (holes) are generated. Generate.
At this time, for example, when water (H 2 O), which is an example of a hydrogen source, comes into contact with the visible light responsive photocatalyst, the water (H 2 O) receives holes and generates oxygen (O 2 ). .
Moreover, the electrons (e ) generated in the visible light responsive photocatalytic material move to the first electrically conductive material. Thereafter, electrons (e ) and protons (H + ) are accumulated according to the flow of electrons (e ) and protons (H + ) as in the case described above. Electricity is generated and water (H 2 O) is generated.

図5〜8の場合も、図4の場合と同じように第1電極から第2電極に向かって電子は流れことができる。
但し、電荷分離材料、第1電気伝導材料、電子蓄積部、第2電気伝導材料にどのような材料(電子構造の違う材料)を選択するかによって、電子の流れ方は異なる。
5 to 8, electrons can flow from the first electrode toward the second electrode as in the case of FIG. 4.
However, the flow of electrons differs depending on what kind of material (material having a different electronic structure) is selected for the charge separation material, the first electrically conductive material, the electron storage portion, and the second electrically conductive material.

電荷分離材料、第1電気伝導材料(導電性ガラス)、電子蓄積部(導電性ポリマーや三酸化タングステン(WO)のような半導体の場合)のエネルギー準位に関して更に電子の流れを詳しく説明する。
電荷分離材料から放出された電子は、第1電気伝導材料の伝導帯に移動する。次にスイッチがオンの状態のときには、電子は一旦電子蓄積部の伝導帯に移動し、第2電極に移動する。
The flow of electrons will be described in more detail with respect to the energy levels of the charge separation material, the first electrically conductive material (conductive glass), and the electron storage portion (in the case of a semiconductor such as a conductive polymer or tungsten trioxide (WO 3 )). .
The electrons emitted from the charge separation material move to the conduction band of the first electrically conductive material. Next, when the switch is in the on state, the electrons once move to the conduction band of the electron storage unit and move to the second electrode.

スイッチがオフの状態のときには、電子蓄積部において、第1電気伝導材料の伝導帯の下端のエネルギー準位に相当するエネルギー準位まで電子を蓄積できる。
更に、スイッチがオフの状態からオンの状態にすると、この電子が第2電極に向かって流れる。
When the switch is off, electrons can be stored in the electron storage section up to an energy level corresponding to the energy level at the lower end of the conduction band of the first electrically conductive material.
Further, when the switch is turned on from the off state, the electrons flow toward the second electrode.

次に、第1電極の構造について説明する。
第1電極においては、上記式(1)の反応が進行する限り、第1電気伝導材料、可視光応答性光触媒材料、電荷分離材料の3成分を種々の態様で含有できる。
Next, the structure of the first electrode will be described.
As long as the reaction of the above formula (1) proceeds, the first electrode can contain the three components of the first electric conductive material, the visible light responsive photocatalytic material, and the charge separation material in various modes.

例えば、図10に示すように、第1電気伝導材料、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11から構成できる。
このときは、上記3成分を均一分散させることができる。また、プロトン伝導部側に第1電気伝導材料を多く含め、表層側(水素源に接する層)に可視光応答性光触媒材料を多く含めることもできる。
For example, as shown in FIG. 10, it can be composed of a single layer 11 in which a first electrically conductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material are mixed and dispersed.
At this time, the three components can be uniformly dispersed. Further, a large amount of the first electrically conductive material can be included on the proton conductive portion side, and a large amount of visible light responsive photocatalytic material can be included on the surface layer side (layer in contact with the hydrogen source).

また、図11に示すように、第1層12と第2層13を順にプロトン伝導部に積層して構成することができる。
このときは、第1層12が第1電気伝導材料から成り、第2層13が可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを混合分散して成ることが好適である。
なお、配線(図示せず。)の一端は、プロトン伝導部に接する層(第1層)に接続するのが望ましい。
Further, as shown in FIG. 11, the first layer 12 and the second layer 13 can be sequentially stacked on the proton conducting portion.
In this case, it is preferable that the first layer 12 is made of the first electrically conductive material, and the second layer 13 is made by mixing and dispersing the visible light responsive photocatalytic material and the charge separation material.
Note that one end of the wiring (not shown) is preferably connected to a layer (first layer) in contact with the proton conducting portion.

更に、図12に示すように、第1〜第3層(12〜14)を順にプロトン伝導部に積層して構成することもできる。   Furthermore, as shown in FIG. 12, the first to third layers (12 to 14) may be sequentially stacked on the proton conducting portion.

例えば、第1〜第3層(12〜14)の全てが、第1電気伝導材料、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層12の主成分を第1電気伝導材料とし、第2層13の主成分を電荷分離材料とし、第3層14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電気伝導材料、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いう。
For example, all of the first to third layers (12 to 14) are composed of a first electrically conductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material, and the main component of the first layer 12 is the first electrically conductive material. The main component of the second layer 13 can be a charge separation material, and the main component of the third layer 14 can be a visible light responsive photocatalytic material.
Note that the “main component” is a layer containing three or more components of the first electric conductive material, the visible light responsive photocatalytic material, and the charge separation material as long as it is 1/3 or more of the total content. If so, it means to occupy 1/2 or more of their total content.

また、第1層12が第1電気伝導材料、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電気伝導材料であり、第2層13が可視光応答性光触媒材料と電解分離材料から成り、主成分が電荷分離材料であり、第3層14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。   The first layer 12 is made of a first electroconductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material, the main component is the first electroconductive material, and the second layer 13 is electrolyzed with the visible light responsive photocatalytic material. It is also possible to make it composed of a separation material, the main component is a charge separation material, the third layer 14 is composed of a visible light responsive photocatalyst material and a charge separation material, and the main component is a visible light responsive photocatalyst material. .

更に、第1層12が第1電気伝導材料から成り、第2層13が電荷分離材料から成り、第3層14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。
可視光応答性光触媒材料を水素源に接触させるように、第1電気伝導材料をプロトン伝導部に接触させるように、電荷分離材料を可視光応答性光触媒材料と第1電気伝導材料の中間部にあるように配置することが、発電効率の観点から望ましく、このような観点から、特に第1層12が第1電気伝導材料から成り、第2層13が電荷分離材料から成り、第3層14が可視光応答性光触媒材料から成る、ようにすることが望ましい。
Further, the first layer 12 may be made of a first electrically conductive material, the second layer 13 may be made of a charge separation material, and the third layer 14 may be made of a visible light responsive photocatalytic material.
The charge separation material is placed between the visible light responsive photocatalytic material and the first electrically conductive material so that the visible light responsive photocatalytic material is in contact with the hydrogen source, and the first electrically conductive material is in contact with the proton conducting portion. It is desirable to arrange in such a manner from the viewpoint of power generation efficiency. From such a viewpoint, in particular, the first layer 12 is made of the first electrically conductive material, the second layer 13 is made of the charge separation material, and the third layer 14 is made. Is preferably made of a visible light responsive photocatalytic material.

以下、カーボン系と導電性ガラス系とに分けて説明する。
ここで、上記単層の第1電極を製造する際には、例えば、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを混合したスラリーを乾燥して、単層の第1電極を得ることができるが、これに限定されるものではない。
Hereinafter, the description will be divided into a carbon system and a conductive glass system.
Here, when the first electrode of the single layer is manufactured, for example, the slurry in which the first electrically conductive material, the visible light responsive photocatalyst material, and the charge separation material are mixed is dried to obtain the first single layer first electrode. Although an electrode can be obtained, it is not limited to this.

また、上記2層構造の第1電極を製造する際には、特に限定されるものではないが、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、第2層を形成して、2層構造の第1電極を得ることができる。
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に又は不均一に塗布することができる。
Further, when the first electrode having the above two-layer structure is manufactured, it is not particularly limited. For example, a conductive carbon cloth or a conductive carbon porous material slurry is applied to a conductive carbon cloth and dried. Then, a first layer is formed by pressing, and a slurry containing a visible light-responsive photocatalytic material and a charge separation material is applied on the first layer and dried to form a second layer. One electrode can be obtained.
At this time, the visible light responsive photocatalytic material and the charge separation material can be applied uniformly or non-uniformly.

更に、上記3層構造の第1電極を製造する際には、特に限定されるものではないが、以下のように各材料の塗布後に、乾燥処理、プレス処理、熱処理を適宜行なえばよい。
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層を形成し、更にこの上に、可視光応答性光触媒材料を含むスラリーを塗布して、第3層を形成し、全体を加熱して、3層構造の第1電極を得ることができる。
Further, when the first electrode having the above three-layer structure is manufactured, it is not particularly limited. However, after applying each material, drying treatment, press treatment, and heat treatment may be appropriately performed as follows.
For example, a conductive carbon cloth or a conductive carbon porous material slurry is applied to a conductive carbon cloth, dried to form a first layer, a slurry containing a charge separation material is applied thereon, and a second layer is formed. A layer is formed, and a slurry containing a visible light responsive photocatalytic material is applied thereon to form a third layer, and the whole is heated to obtain a first electrode having a three-layer structure.

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層を形成し、更にこの上に、可視光応答性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層を形成し、3層構造の第1電極を得ることができる。   Also, a conductive carbon cloth or conductive carbon porous material slurry is applied to the conductive carbon cloth, dried, pressed to form a first layer, and a slurry containing a charge separation material is applied thereon, A second layer is formed by drying, and a slurry containing a visible light responsive photocatalytic material is applied thereon, dried and heat-treated to form a third layer, and a first electrode having a three-layer structure is formed. Obtainable.

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層を形成し、更にこの上に、可視光応答性光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第3層を形成し、3層構造の第1電極を得ることができる。   Furthermore, the conductive carbon cloth is coated with a slurry of conductive carbon particles or a conductive carbon porous body, dried, pressed to form a first layer, and a slurry containing a charge separation material is coated thereon and dried. Then, a second layer is formed, and further, a slurry containing a visible light responsive photocatalytic material is applied thereon and dried to form a third layer, whereby a first electrode having a three-layer structure can be obtained. .

なお、上記乾燥処理は、特に限定されるものではないが、例えば120〜200℃、1〜2時間程度で行なうことができる。また、上記プレス処理は、特に限定されるものではないが、例えば、0.1〜40MPa程度で行なうことができる。更に、上記熱処理は、特に限定されるものではないが、例えば、400〜1200℃、2〜20時間程度で行なうことができる。   In addition, although the said drying process is not specifically limited, For example, it can carry out at 120-200 degreeC and about 1 to 2 hours. Moreover, although the said press process is not specifically limited, For example, it can carry out at about 0.1-40 Mpa. Furthermore, although the said heat processing is not specifically limited, For example, it can carry out at 400-1200 degreeC and about 2 to 20 hours.

以下、第1電極の第一電気伝導材料がITO 、FTO、CuI又はZnOを被覆した繊維状又は多孔状の導電性ガラスから選ばれた1種又は複数種を含む場合を説明する。
この場合も、ほぼ、導電性カーボンクロス、導電性カーボン粒子又は導電性カーボン多孔体と同様に製造できる。但し、導電性ガラスは比較的もろいので、プレス工程を含まないようにしたほうが良い。
Hereinafter, a case where the first electrically conductive material of the first electrode includes one or more kinds selected from fibrous or porous conductive glass coated with ITO, FTO, CuI, or ZnO will be described.
Also in this case, it can be manufactured in substantially the same manner as the conductive carbon cloth, the conductive carbon particles, or the conductive carbon porous body. However, since conductive glass is relatively brittle, it is better not to include a pressing step.

例えば、以下のように作製することができる。
上記単層の第1電極を製造する際には、例えば、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを混合したスラリーを乾燥して、単層の第1電極を得ることができるが、これに限定されるものではない。
For example, it can be produced as follows.
When manufacturing the single-layer first electrode, for example, a slurry in which the first electrically conductive material, the visible light-responsive photocatalytic material, and the charge separation material are mixed is dried to obtain the single-layer first electrode. However, the present invention is not limited to this.

2層構造の第1電極を製造する際には、特に限定されるものではないが、例えば、繊維状又は多孔状の導電性ガラスのスラリーを塗布し、乾燥し、第1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、第2層を形成して、2層構造の第1電極を得ることができる。   When the first electrode having a two-layer structure is manufactured, it is not particularly limited. For example, a fibrous or porous conductive glass slurry is applied and dried to form the first layer. On this, a slurry containing a visible light responsive photocatalytic material and a charge separation material is applied and dried to form a second layer, whereby a first electrode having a two-layer structure can be obtained.

繊維状又は多孔状の導電性ガラス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、乾燥して、第2層を形成し、更にこの上に、可視光応答性光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第3層を形成し、3層構造の第1電極を得ることができる。   A slurry of a fibrous or porous conductive glass is applied, a slurry containing a charge separation material is applied thereon, dried to form a second layer, and a visible light responsive photocatalytic material is further formed thereon. A third layer can be formed by applying a slurry containing and dried to obtain a first electrode having a three-layer structure.

次に、第2電極の構造について説明する。
第2電極においては、上記式(2)の反応が進行する限り、第2電気伝導材料と金属材料の2成分を種々の態様で含有できる。
Next, the structure of the second electrode will be described.
In the second electrode, as long as the reaction of the above formula (2) proceeds, the two components of the second electrically conductive material and the metal material can be contained in various modes.

例えば、図13に示すように、第2電気伝導材料と金属材料を混合分散させた単層31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、プロトン伝導部側に第2電気伝導材料を多く含め、裏層側(空気(酸素)と接する層)に金属材料を多く含めることもできる。
For example, as shown in FIG. 13, it can be composed of a single layer 31 in which a second electrically conductive material and a metal material are mixed and dispersed.
At this time, the two components can be uniformly dispersed. Further, a large amount of the second electrically conductive material can be included on the proton conductive portion side, and a large amount of a metal material can be included on the back layer side (a layer in contact with air (oxygen)).

また、図14に示すように、第1層32と第2層33を順にプロトン伝導部に積層して構成することもできる。
例えば、第1層32の主成分を第2電気伝導材料とし、第2層33の主成分を金属材料とすることができる。
なお、配線(図示せず。)の一端は、プロトン伝導部に接する層(第1層)に接続するのが望ましい。
Further, as shown in FIG. 14, the first layer 32 and the second layer 33 may be sequentially stacked on the proton conducting portion.
For example, the main component of the first layer 32 can be a second electrically conductive material, and the main component of the second layer 33 can be a metal material.
Note that one end of the wiring (not shown) is preferably connected to a layer (first layer) in contact with the proton conducting portion.

更に、第1層32が第2電気伝導材料から成り、第2層33が金属材料から成る、ようにすることもできる。
第2電気伝導材料をプロトン伝導部に接触させるように、金属材料をプロトン伝導部から離すように、配置することが発電効率の観点から望ましく、このような観点から、特に第1層32が第2電気伝導材料から成り、第2層33が金属材料から成る、ようにすることが望ましい。
Further, the first layer 32 may be made of a second electrically conductive material, and the second layer 33 may be made of a metal material.
From the viewpoint of power generation efficiency, it is desirable to dispose the metal material away from the proton conducting portion so that the second electrically conductive material is in contact with the proton conducting portion. It is desirable that the second layer 33 is made of a metal material and is made of two electrically conductive materials.

ここで、上記単層の第2電極を製造する際には、特に限定されるものではないが、例えば、金属材料と第2電気伝導材料を含むスラリーを乾燥させて、単層の第2電極を得ることができる。   Here, when manufacturing the single-layer second electrode, there is no particular limitation. For example, a slurry containing a metal material and a second electrically conductive material is dried to form a single-layer second electrode. Can be obtained.

また、上記2層構造の第2電極を製造する際には、特に限定されるものではないが、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層を形成し、全体を熱処理して、2層構造の第2電極を得ることができる。   In addition, when the second electrode having the two-layer structure is manufactured, there is no particular limitation. For example, the conductive carbon cloth is coated with a slurry of conductive carbon particles or a conductive carbon porous body and dried. Then, a first layer is formed by pressing, a slurry containing metal fine particles is applied thereon, and dried to form a second layer, and the whole is heat-treated to obtain a second electrode having a two-layer structure. be able to.

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層を形成し、この上に金属微粒子を塗布し、乾燥して、第2層を形成し、2層構造の第2電極を得ることもできる。   Furthermore, a conductive carbon cloth or a conductive carbon porous material slurry is applied to a conductive carbon cloth, dried, pressed to form a first layer, and metal fine particles are applied thereon and dried. A second layer can be formed to obtain a second electrode having a two-layer structure.

他方、第1電極、プロトン伝導部及び第2電極の接合は、例えば、上記第1電極と上記第2電極との間に、プロトン伝導部を配設し、プレスで圧着することにより行なうことができる。このときは、例えば0.1〜40MPa程度で行なうことができる。   On the other hand, the joining of the first electrode, the proton conducting portion, and the second electrode can be performed, for example, by disposing the proton conducting portion between the first electrode and the second electrode, and pressing with a press. it can. In this case, for example, it can be performed at about 0.1 to 40 MPa.

次に、第1電極の成分について説明する。
上述の如く、本発明においては、備える第1電極は、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを含有する。
Next, components of the first electrode will be described.
As described above, in the present invention, the first electrode provided includes the first electrically conductive material, the visible light responsive photocatalytic material, and the charge separation material.

上記可視光応答性光触媒材料としては、可視光の照射によって、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源からプロトン(H)を生成する機能を備え、好ましくは、水素源としての水(HO)からプロトン(H)を生成し、結果として酸素(O)を生成する機能を備えれば特に限定されるものではないが、例えば、五窒化三タンタル(Ta)光触媒や窒酸化タンタル(TaON)光触媒、酸化チタン(TiO)にクロム(Cr)とアンチモン(Sb)をドープした光触媒などが挙げられる。
更に、具体的には、以下の〔1〕〜〔7〕に記載の化合物を単独で又は混合して含有するものを挙げることができる。
The visible light-responsive photocatalytic material has a function of generating protons (H + ) from a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element by irradiation with visible light, preferably as a hydrogen source generate water (H 2 O) from the proton (H +), but as the oxygen (O 2) is not particularly limited if Sonaere the ability to produce results, for example, five nitride three tantalum (Ta 3 N 5 ) A photocatalyst, a tantalum oxynitride (TaON) photocatalyst, a photocatalyst obtained by doping titanium oxide (TiO 2 ) with chromium (Cr) and antimony (Sb), and the like.
Furthermore, what contains the compound as described in the following [1]-[7] individually or in mixture can be mentioned.

〔1〕La、Ta、Nb、Ti又はZr及びこれらの任意の組み合わせに係る遷移金属を含むオキシナイトライド
〔2〕五窒化三タンタル(Ta
〔3〕ストロンチウム−チタン酸化物(SrTiO)、銀−タンタル酸化物(AgTaO)、銀−ニオブ酸化物(AgNbO)、インジウム−タンタル酸化物(InTaO)、インジウム−ニオブ酸化物(InNbO)、ビスマス−バナジウム酸化物(BiVO)、又はこれらに窒素(N)、硫黄(S)、クロム(Cr)若しくはアンチモン(Sb)、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
〔4〕硫化亜鉛(ZnS)、銅(Cu)及び/又はニッケル(Ni)をドープしたZnS
〔5〕ガリウム(Ga)酸化物、インジウム(In)酸化物、亜鉛(Zn)酸化物、銀(Ag)酸化物、ナトリウム(Na)酸化物
〔6〕Ga硫化物、In硫化物、Zn硫化物、Ag硫化物、Na硫化物
〔7〕酸化ガリウム−酸化インジウム固溶体(Ga−In
[1] Oxynitride containing a transition metal according to La, Ta, Nb, Ti or Zr and any combination thereof [2] Tritantalum pentanitride (Ta 3 N 5 )
[3] Strontium-titanium oxide (SrTiO 3 ), silver-tantalum oxide (AgTaO 3 ), silver-niobium oxide (AgNbO 3 ), indium-tantalum oxide (InTaO 4 ), indium-niobium oxide (InNbO 4 ), metal oxides doped with bismuth-vanadium oxide (BiVO 4 ), or nitrogen (N), sulfur (S), chromium (Cr) or antimony (Sb), and any combination thereof. [4] ZnS doped with zinc sulfide (ZnS), copper (Cu) and / or nickel (Ni)
[5] Gallium (Ga) oxide, Indium (In) oxide, Zinc (Zn) oxide, Silver (Ag) oxide, Sodium (Na) oxide [6] Ga sulfide, In sulfide, Zn sulfide things, Ag sulfide, Na sulfide [7] gallium oxide - indium oxide solid solution (Ga 2 O 3 -In 2 O 3)

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好ましい。
このときは、光触媒で発生した正孔が水素源(例えば水等)とより反応し易くなるので有効である。
The visible light responsive photocatalytic material is preferably composed of fine particles having an average diameter of 0.01 to 50 μm.
This is effective because holes generated in the photocatalyst are more likely to react with a hydrogen source (for example, water).

なお、上記可視光応答性光触媒材料と共に、紫外光応答性光触媒材料を使用することもできる。例えば、酸化チタン(TiO)や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、ニオブ酸亜鉛などを挙げることができる。 In addition, an ultraviolet light-responsive photocatalyst material can be used together with the visible light-responsive photocatalyst material. For example, titanium oxide (TiO 2 ), alkali tantalate, alkaline earth tantalate, alkaline niobate, alkaline earth niobate, zinc niobate, and the like can be given.

上記電荷分離材料としては、上述した可視光応答性光触媒材料で発生する電子(e)とホール(正孔)の分離・移動を行なう機能を備えれば、好ましくは可視光応答性光触媒及び当該電荷分離材料自体で発生する電子(e)とホール(正孔)の分離・移動を行なう機能を備えれば、特に限定されるものではないが、例えばプラズモン吸収を示す微粒子及び可視光領域の吸収を示す色素の一方又は双方を含有するもの挙げることができる。
現時点における可視光応答性光触媒材料は、吸収できる可視光の波長域380〜550nmと限られており、特にプラズモン吸収を示す電荷分離材料は、吸収できる可視光の波長域を拡大できるという観点から好ましく、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。
また、色素も分子構造やサイズにより、同様に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。
The charge separation material is preferably a visible light responsive photocatalyst and a photocatalyst having the function of separating and moving electrons (e ) and holes (holes) generated in the visible light responsive photocatalyst material. Although it is not particularly limited as long as it has a function of separating and moving electrons (e ) and holes (holes) generated in the charge separation material itself, for example, fine particles exhibiting plasmon absorption and visible light region Mention may be made of those containing one or both of the dyes exhibiting absorption.
The visible light responsive photocatalyst material at present is limited to a visible light wavelength range of 380 to 550 nm, and in particular, a charge separation material exhibiting plasmon absorption is preferable from the viewpoint that the wavelength range of visible light that can be absorbed can be expanded. Since the absorption wavelength of plasmon absorption varies depending on the constituent elements and the size of the fine particles, it can be appropriately selected as necessary.
In addition, since the absorption wavelength similarly varies depending on the molecular structure and size, the dye can be appropriately selected as necessary.

また、電荷分離材料にフラーレンを添加して、電子(e)とホール(正孔)の分離・移動機能をより一層向上させることができる。
上記フラーレンとしては、例えばC60やC70、C76、C78、C82、C84、C90、C96などを挙げることができ、また、フラーレンの内部に適宜金属原子を内包して使用することもできる。
例えば、C60の場合の伝導帯と価電子帯のエネルギーギャップは、1.2eVと小さい。そのため、大きなエネルギーギャップを有する光触媒から、電子を受け取り易い。
Further, by adding fullerene to the charge separation material, the function of separating and moving electrons (e ) and holes (holes) can be further improved.
Examples of the fullerene include C 60 , C 70 , C 76 , C 78 , C 82 , C 84 , C 90 , C 96, and the like, and a metal atom is appropriately included in the fullerene. You can also
For example, the energy gap between the conduction band and the valence band in the case of C 60 is as small as 1.2 eV. Therefore, it is easy to receive electrons from a photocatalyst having a large energy gap.

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)又は白金(Pt)及びこれらの任意の組合わせに係る合金を使用することができる。
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。
As the fine particles exhibiting plasmon absorption, for example, gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and an alloy according to any combination thereof can be used.
These can be nano-sized rod-shaped, spherical one or both shapes. In particular, Au nanorods are effective.

上記可視光応答性光触媒材料側から、プラズモン微粒子、そして第1電気伝導材料へと、発生した電子が流れやすくするように、上記可視光応答性光触媒材料側から、第1電気伝導材料へと価電子帯及び伝導帯のエネルギー準位に勾配をつけることが最善である。即ち、上記第1電極は、上記第1電気伝導材料を含有する層と上記電荷分離材料を含有する層と上記可視光応答性光触媒材料を含有する層とを順にプロトン伝導部に積層して成る構造を有し、上記可視光応答性光触媒材料を含有する層から上記第1電気伝導材料を含有する層に移行するにしたがって、当該層における各材料のバンド構造の伝導帯下端のエネルギー準位が低くなり、且つ各材料のバンド構造の価電子帯上端のエネルギー準位が高くなるものであることが望ましい。例えば、図15にプラズモン微粒子を含む層の構造とその電子構造変化の好適形態を示す。   From the visible light responsive photocatalyst material side to the plasmon fine particles and the first electrical conductive material, the visible light responsive photocatalyst material side is charged to the first electrical conductive material so that the generated electrons can easily flow. It is best to grade the energy levels of the electron and conduction bands. That is, the first electrode is formed by sequentially laminating a layer containing the first electrically conductive material, a layer containing the charge separation material, and a layer containing the visible light responsive photocatalytic material on the proton conducting portion. As the transition from the layer containing the visible light responsive photocatalytic material to the layer containing the first electrical conductive material has a structure, the energy level at the lower end of the conduction band of the band structure of each material in the layer It is desirable that the energy level at the upper end of the valence band of the band structure of each material becomes lower and the energy level becomes higher. For example, FIG. 15 shows a structure of a layer containing plasmon fine particles and a preferred embodiment of its electronic structure change.

これは、以下の理由によるものである。
プラズモン微粒子では、このサイズや形状によって、吸収スペクトルが変化する。例えば、金の球状のナノ微粒子の場合、2〜50nmの範囲で、530nm程度のプラズモン吸収ピークを有する。
また、金のナノロッドの場合は、ロッドの長軸が10〜100nmかつ短軸が5〜50nmの範囲で、短軸に関して、プラズモン吸収ピーク位置530nmで、長軸に関して、プラズモン吸収ピーク位置820nmである。
このことから、上記サイズのプラズモン微粒子を接合させていくことで、第1電気伝導材料の電子状態にスムーズにつなげていくことが可能となる(図15のプラズモン微粒子を含む層の構造の電子構造が変化)。スムーズにつながっていることによって、各部分を構成する電子軌道が強く混成できるため、電子が移動し易くなる。
また、プラズモン共鳴によって発生した強力な電場により、電子が加速を受け、流れ易くなることも期待できる。
これによって、可視光応答性光触媒材料で生じた電子は、可視光応答性光触媒材料に逆流しないで、スムーズに第1電気伝導材料に移動でき、第2電極へ移動して行けるので、発電効率が向上できる。
また、必要に応じて、銀(プラズモン吸収ピーク位置420nm)と金(プラズモン吸収ピーク位置530nm)の割合を変えた合金から成るプラズモン微粒子を作製すれば、プラズモン吸収ピーク位置が420〜530nmまでの変化をするので、よりきめ細かなエネルギー準位の勾配の制御が可能となる。
This is due to the following reason.
In the plasmon fine particle, the absorption spectrum changes depending on the size and shape. For example, a gold spherical nanoparticle has a plasmon absorption peak of about 530 nm in the range of 2 to 50 nm.
In the case of gold nanorods, the major axis of the rod is in the range of 10 to 100 nm and the minor axis is 5 to 50 nm, the plasmon absorption peak position is 530 nm with respect to the minor axis, and the plasmon absorption peak position is 820 nm with respect to the major axis. .
From this, it is possible to smoothly connect to the electronic state of the first electrically conductive material by joining the plasmon fine particles of the above size (the electronic structure of the layer structure including the plasmon fine particles in FIG. 15). Change). By connecting smoothly, the electron trajectory which comprises each part can be mixed strongly, and it becomes easy to move an electron.
In addition, it can be expected that electrons are accelerated and flow easily by a strong electric field generated by plasmon resonance.
As a result, electrons generated in the visible light responsive photocatalyst material can smoothly move to the first electrically conductive material without flowing back to the visible light responsive photocatalyst material, and can move to the second electrode. It can be improved.
If necessary, plasmon absorption peak positions change from 420 to 530 nm by preparing plasmon fine particles made of an alloy in which the ratio of silver (plasmon absorption peak position 420 nm) and gold (plasmon absorption peak position 530 nm) is changed. As a result, the energy level gradient can be controlled more finely.

また、可視光領域の吸収を示す色素としては、例えばポルフィリン化合物、その金属錯体、フタロシアニン化合物又はその金属錯体、及びこれらの任意の組合わせに係るものを使用することができる。とりわけ、数個〜10個程度連結したポルフィリンを用いると、共鳴効果により、選択的に長軸方向への電子移動を促進させることができる。   Moreover, as a pigment | dye which shows absorption of visible region, the thing concerning a porphyrin compound, its metal complex, a phthalocyanine compound or its metal complex, and these arbitrary combinations can be used, for example. In particular, when several to about 10 connected porphyrins are used, the electron movement in the major axis direction can be selectively promoted by the resonance effect.

図16は、色素を含む層の構造の一例を示す概略図とその電子構造変化図である。同図に示すように、色素分子が有機系である場合、可視光応答性光触媒材料が、この有機系色素を分解するおそれがあるため、可視光応答性光触媒材料に対して、色素分子に接合する側に、該可視光応答性光触媒材料よりも触媒活性が低い色素保護材料をコートしておくことが望ましい。例えば、可視光応答性光触媒材料を含有する層と可視光域の吸収を示す色素を含有する層との間に色素保護材料を含有する層を備える構造としてもよい。
このような色素保護材料としては、酸化物半導体(Ta,Ti、WO等)のコーテングが最善である。これによって、直接、光触媒が有機系色素に接触することがなくなる。また、電子を流れやすくするために、上記可視光応答性光触媒材料側から、第1電気伝導材料へと価電子帯及び伝導帯のエネルギー準位に勾配をつけている。
FIG. 16 is a schematic view showing an example of the structure of a layer containing a dye and its electronic structure change diagram. As shown in the figure, when the dye molecule is organic, the visible light responsive photocatalyst material may decompose this organic dye, so it is bonded to the dye molecule with respect to the visible light responsive photocatalyst material. On the other hand, it is desirable to coat a dye protecting material having a lower catalytic activity than the visible light responsive photocatalytic material. For example, a structure including a layer containing a dye protective material between a layer containing a visible light responsive photocatalyst material and a layer containing a dye exhibiting absorption in the visible light region may be employed.
As such a dye protective material, the coating of an oxide semiconductor (Ta 2 O 5 , Ti 2 O 3 , WO 3 or the like) is the best. This prevents the photocatalyst from coming into direct contact with the organic dye. Further, in order to facilitate the flow of electrons, the valence band and the energy level of the conduction band are graded from the visible light responsive photocatalyst material side to the first electrically conductive material.

更に、上述したように電荷分離材料としてはプラズモン吸収を示す微粒子又は可視光領域の吸収を示す色素が好ましいが、上述したフラーレンは電子(e)のアクセプターとして有効に機能するため、プラズモン吸収を示す微粒子や可視光領域の吸収を示す色素に更にフラーレンを付加することが望ましい。このように、フラーレン類を含有する電荷分離材料が、プラズモン吸収を示す微粒子や可視光域の吸収を示す色素と接合するように配設されていると電子が逆流しないでスムーズに流れる。以下、詳細に説明する。
図17は、プラズモン微粒子を含む層にC60を含んだの構造の一例を示す概略図とその電子構造変化図である。フラーレンは、プラズモン吸収を示す微粒子を含む層の滑らかなエネルギー準位曲線にスムーズにつながるエネルギー準位を有し、更にバンドエネルギーギャップが小さくなる。更にまた、第1電気伝導材料のエネルギー準位へとスムーズにつながる。従って、電子が逆流しないでスムーズに流れる。
Further, as described above, fine particles exhibiting plasmon absorption or dyes exhibiting absorption in the visible light region are preferable as the charge separation material. However, since the above-described fullerene functions effectively as an electron (e ) acceptor, it absorbs plasmon absorption. It is desirable to further add fullerene to the fine particles to be displayed and the dye exhibiting absorption in the visible light region. As described above, when the charge separation material containing fullerenes is disposed so as to be bonded to the fine particles exhibiting plasmon absorption or the dye exhibiting absorption in the visible light region, electrons flow smoothly without backflow. Details will be described below.
FIG. 17 is a schematic view showing an example of a structure in which C 60 is contained in a layer containing plasmon fine particles and its electronic structure change diagram. Fullerene has an energy level smoothly connected to a smooth energy level curve of a layer containing fine particles exhibiting plasmon absorption, and the band energy gap is further reduced. Furthermore, it leads smoothly to the energy level of the first electrically conductive material. Therefore, electrons flow smoothly without backflow.

上記第1電気伝導材料としては、この第1電気伝導材料に上記電荷分離材料の伝導帯にある電子を取り込むために、電荷分離材料の接合が良好にされている必要がある。そのため、良好な導電性を示せば、特に限定されるものではないが、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することができる。
また、導電性カーボン粒子や導電性カーボン多孔体は、電気伝導性に優れ、更に微粒子状であるため各種材料を担持し易いという利点がある。具体例としては、例えばカーボンブラックやカーボンナノチューブを挙げることができる。
一方、導電性カーボンクロスは、導電性に優れた繊維状のカーボンファイバーから成るものを好適に使用できる。
As the first electrically conductive material, in order to take electrons in the conduction band of the charge separating material into the first electrically conducting material, the charge separating material needs to be well bonded. Therefore, it is not particularly limited as long as it shows good conductivity. For example, it is possible to use conductive carbon particles, a conductive carbon porous body or a conductive carbon cloth, and any combination thereof. it can.
Further, the conductive carbon particles and the conductive carbon porous body have an advantage that they are excellent in electrical conductivity, and are fine particles, so that various materials can be easily carried. Specific examples include carbon black and carbon nanotubes.
On the other hand, as the conductive carbon cloth, one made of a fibrous carbon fiber excellent in conductivity can be suitably used.

しかしながら、電子蓄積性能を向上させるために、第1電極の第1電気伝導材料は導電性ガラスがITO 、FTO、CuI又はZnOを被覆した繊維状又は多孔状の導電性ガラスから選ばれた少なくとも1種を含有するものを用いることが、電子を蓄電するには、望ましい。
何故ならば、上述したように、第1電気伝導材料としては、電子蓄積部への電子の蓄積量及ぶ蓄積電圧を確保することが必要だからである。
更に、後述する第2電極における第2電気伝導材料としても、第1電気伝導材料と同様のものを使用することができる。但し、第2電気伝導材料としては、必ずしも導電性ガラスである必要はない。
なお、第1電気伝導材料と第2電気伝導材料は同一でも異なってもよいことは言うまでもない。
However, in order to improve the electron storage performance, the first electrically conductive material of the first electrode is at least one selected from a fibrous or porous conductive glass in which the conductive glass is coated with ITO, FTO, CuI or ZnO. Use of a seed-containing material is desirable for storing electrons.
This is because, as described above, as the first electrically conductive material, it is necessary to secure an accumulation amount of electrons and an accumulation voltage in the electron accumulation portion.
Furthermore, the same material as the first electrically conductive material can be used as the second electrically conductive material in the second electrode described later. However, the second electrically conductive material does not necessarily need to be conductive glass.
Needless to say, the first electrically conductive material and the second electrically conductive material may be the same or different.

次に、プロトン伝導部の成分について説明する。
上述の如く、本発明においては、備えるプロトン伝導部は、電子伝導性を殆ど示さず、良好なプロトン伝導性を示せば特に限定されるものではないが、例えば高分子及び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望ましい。
例えば、高いプロトン伝導性を有するナフィオン(登録商標、デュポン社製)を使用することが望ましい。また、これ以外の高分子のプロトン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。
Next, the components of the proton conducting part will be described.
As described above, in the present invention, the proton conducting portion provided is not particularly limited as long as it exhibits almost no electron conductivity and good proton conductivity. For example, either one of a polymer and an oxide is used. Or it is desirable that it is a proton conductive membrane containing both.
For example, it is desirable to use Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) having high proton conductivity. Other polymer proton conducting membranes and proton conducting glasses can also be used. For example, there is phosphate glass which is proton conductive glass.

次に、第2電極の成分について説明する。
上述の如く、本発明においては、備える第2電極は、第2電気伝導材料と金属材料とを含有する。
Next, the components of the second electrode will be described.
As described above, in the present invention, the second electrode provided includes the second electrically conductive material and the metal material.

上記金属材料としては、例えば、Pt、NiO、RuO又はIrO、及びこれらを任意に組合わせたものを使用することができ、特にPtが望ましい。また、これらの形状は微粒子状やチューブ状であることが望ましい。
なお、上記第2電気伝導材料としては、上述したように第1電気伝導材料と同様のものを使用できる。
As the metal material, for example, Pt, NiO, Ru 2 O or IrO 2 and any combination thereof can be used, and Pt is particularly desirable. Further, it is desirable that these shapes are fine particles or tubes.
As the second electrically conductive material, the same material as the first electrically conductive material can be used as described above.

また、本発明においては、上記光源としては、太陽光源、発光ダイオード、半導体レーザー又はこれらと同等の可視光を照射できるランプ、及びこれらを適宜組合わせて利用することができる。
特に、エネルギー変換効率が優れているという観点からは、非常に狭い領域の可視光領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、太陽が照っている限り、枯渇せず、利用できる太陽光は、直接使用してもよいし、集光して集めたものを使用してもよい。
更に、プリズムにより、可視光を分光して利用してもよい。
In the present invention, as the light source, a solar light source, a light emitting diode, a semiconductor laser, a lamp capable of emitting visible light equivalent to these, and a combination thereof can be used as appropriate.
In particular, from the viewpoint of excellent energy conversion efficiency, it is desirable to use a light emitting diode that enables light emission in a very narrow visible region.
Moreover, as long as the sun is shining, the sunlight which is not depleted and can be used may be used directly, or may be collected and collected.
Further, visible light may be spectrally separated by a prism.

更に、本発明においては、上記水素を構成元素として有する化合物を含む水素源としては、特に限定されるものではなく、例えばメタノールやエタノールなどのアルコールなどを適宜用いることができるが、水又は犠牲試薬含有水溶液を用いることが特に望ましい。
水を水素源とすることにより、排出するガスの問題を完全に解決できるという利点がある。
Furthermore, in the present invention, the hydrogen source containing the compound having hydrogen as a constituent element is not particularly limited. For example, alcohol such as methanol or ethanol can be used as appropriate, but water or a sacrificial reagent can be used. It is particularly desirable to use a containing aqueous solution.
By using water as a hydrogen source, there is an advantage that the problem of exhaust gas can be completely solved.

また、上記犠牲試薬含有水溶液に含まれる犠牲試薬としては、水中で、水酸化物イオン(OH)、亜硫酸イオン(SO 2−)及びこれらの任意の組合わせに係るイオンを発生させ得る化合物を含むことが好適である。
このような酸化され易い物質が溶液中に存在すると、これらは可視光応答性光触媒材料が励起状態のときに生成する正孔と反応するため、生成した電子(e)が正孔と再結合する確率が小さくなり、発電し易くなる。
代表的には、アルコール、亜硫酸カリウムなどを犠牲試薬として使用できる。
The sacrificial reagent contained in the sacrificial reagent-containing aqueous solution includes compounds capable of generating hydroxide ions (OH ), sulfite ions (SO 3 2− ), and ions related to any combination thereof in water. Is preferably included.
When such oxidizable substances are present in the solution, they react with the holes generated when the visible light-responsive photocatalytic material is in an excited state, so that the generated electrons (e ) recombine with the holes. This reduces the probability of power generation and facilitates power generation.
Typically, alcohol, potassium sulfite, or the like can be used as a sacrificial reagent.

また、本発明においては、当該発電装置が光透過性の筐体内に配設されていることが望ましい。
本発明の発電装置においては、第1電極は、含有する可視光応答性光触媒材料に光が照射され得ることを要する。
このような要件を満たすようにするため、例えば発電装置自体が光透過性の筐体内に配設されている構造とすることが望ましい。
In the present invention, it is desirable that the power generation device is disposed in a light-transmitting casing.
In the power generation device of the present invention, the first electrode requires that the visible light-responsive photocatalytic material contained therein can be irradiated with light.
In order to satisfy such requirements, for example, it is desirable to have a structure in which the power generation device itself is disposed in a light-transmitting casing.

次に、本発明の発電方法について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の発電方法は、上記本発明の発電装置を用いた発電方法であって、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源と可視光応答性光触媒材料とを接触させ、光源からの可視光を該可視光応答性光触媒材料に照射し、該水素源からプロトン(H)と電子(e)を生成し、得られたプロトン(H)の流れ及び電子(e)の流れを制御して、これらを例えば空気中の酸素(O)と反応させ、発電量を制御する方法である。
このような方法によって、可視光応答性光触媒材料を光源から照射される可視光により活性化させながら、水素(H)を構成元素として有する化合物を含む水素源を当該可視光応答性光触媒材料に接触させ得るので、電気を効率良く発生させることができ、又は電子(e)及びプロトン(H)をそれぞれ蓄積することができる。
また、蓄積した状態からは、光源から光が照射されていない場合であっても、より具体的には、可視光光源からの照射量に応じて、電気を発生させることができる。
Next, the power generation method of the present invention will be described in detail.
As described above, the power generation method according to the present invention is a power generation method using the power generation apparatus according to the present invention, in which a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element is contacted with a visible light-responsive photocatalytic material. The visible light responsive photocatalyst material is irradiated with visible light from a light source to generate protons (H + ) and electrons (e ) from the hydrogen source, and the resulting proton (H + ) flow and electrons This is a method of controlling the power generation amount by controlling the flow of (e ) and reacting these with, for example, oxygen (O 2 ) in air.
By such a method, a visible light responsive photocatalyst material is activated by visible light irradiated from a light source, and a hydrogen source containing a compound having hydrogen (H) as a constituent element is brought into contact with the visible light responsive photocatalyst material. Therefore, electricity can be generated efficiently, or electrons (e ) and protons (H + ) can be accumulated, respectively.
Moreover, even when light is not irradiated from the light source from the accumulated state, more specifically, electricity can be generated according to the irradiation amount from the visible light source.

次に、本発明の発電システムについて詳細に説明する。
上述の如く、本発明の発電システムは、上記本発明の発電装置を用いた発電システムであって、該発電装置と、該発電装置へ水素を構成元素として有する化合物を含む水素源を供給する供給手段と、該発電装置へ酸素を供給する供給手段と、該発電装置から酸素を排出する排出手段と、該発電装置から水を排出する排出手段と、該発電装置への水素を構成元素として有する化合物を含む水素源の供給量を制御する制御手段と、該発電装置への酸素の供給量を制御する制御手段と、該発電装置からの水の排出量を制御する制御手段と、該発電装置からの酸素の排出量を制御する制御手段と、該発電装置への光源からの可視光の照射量を制御する制御手段と、該発電装置のスイッチのオン・オフ状態を制御する制御手段と、を備え、該スイッチのオン・オフ状態制御手段が、断続的に該スイッチのオン・オフの制御を行なうものである。
このような構成とすることにより、非常にコンパクト且つエネルギー消費の少ない発電システムが構築可能となる。
また、このようなコンパクトな発電システムとすることにより、自動車などの移動体に搭載することが容易となる。
Next, the power generation system of the present invention will be described in detail.
As described above, the power generation system according to the present invention is a power generation system using the power generation apparatus according to the present invention, and supplies the power generation apparatus and a hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element to the power generation apparatus. Means for supplying oxygen to the power generation device, discharge means for discharging oxygen from the power generation device, discharge means for discharging water from the power generation device, and hydrogen to the power generation device as constituent elements Control means for controlling the supply amount of a hydrogen source containing a compound, control means for controlling the supply amount of oxygen to the power generation apparatus, control means for controlling the discharge amount of water from the power generation apparatus, and the power generation apparatus Control means for controlling the amount of oxygen discharged from the control apparatus, control means for controlling the irradiation amount of visible light from the light source to the power generation apparatus, control means for controlling the on / off state of the switch of the power generation apparatus, Comprising the switch Down-off state control means, in which intermittently controls the said switching on and off.
With such a configuration, it is possible to construct a power generation system that is very compact and consumes less energy.
Moreover, it becomes easy to mount in mobile bodies, such as a motor vehicle, by setting it as such a compact electric power generation system.

上記水素源や酸素を供給する供給手段としては、例えば、水素源タンク、圧力調整弁、圧力計、配管、コック、空気取出し弁などを適宜組合わせて構成できる。
また、上記オン・オフ状態制御手段としては、発電装置のスイッチを制御することができれば特に限定されるものではなく、具体的には、16ビットマイクロコンピュータや従来公知の演算部を備えた電子制御装置を適宜使用することができる。
As the supply means for supplying the hydrogen source and oxygen, for example, a hydrogen source tank, a pressure adjusting valve, a pressure gauge, piping, a cock, an air take-off valve, and the like can be appropriately combined.
The on / off state control means is not particularly limited as long as it can control the switch of the power generation device. Specifically, the electronic control having a 16-bit microcomputer or a conventionally known arithmetic unit is possible. The apparatus can be used as appropriate.

更に、上記オン・オフ状態制御手段は、発電装置が備える光検出器からの検出データと電流検出器からの検出データとが入力されるように、更には、これらの検出データの積算データを算出できるようになっていてもよい。
更にまた、オン・オフ状態制御手段は、その内部に光検出器からの検出データに対する基準データを予め格納していてもよく、また、電流検出器からの検出データに対する電子蓄積量基準データや電子蓄積部の限界蓄積量を予め格納していてもよい。そのときは、かかる基準データの限界蓄積量を基準にして発電装置の制御を適切に実行することができる。
Further, the on / off state control means calculates the integrated data of these detection data so that the detection data from the photodetector provided in the power generation device and the detection data from the current detector are input. You may be able to.
Furthermore, the on / off state control means may store therein reference data for detection data from the photodetector in advance, and may also store electron storage amount reference data and electronic data for detection data from the current detector. The limit accumulation amount of the accumulation unit may be stored in advance. At that time, it is possible to appropriately execute the control of the power generation device based on the limit accumulation amount of the reference data.

また、上記オン・オフ状態制御手段は、水素源や酸素の供給手段を制御できるようになっていてもよい。
具体的には、水素源や酸素の供給手段が供給する水素源や空気(酸素)の供給量を、例えば備えるコックの開閉をオン・オフ状態制御手段により制御することができるようになっていてもよい。
The on / off state control means may be capable of controlling a hydrogen source or oxygen supply means.
Specifically, the supply amount of the hydrogen source and air (oxygen) supplied by the hydrogen source and oxygen supply means can be controlled by the on / off state control means, for example, for opening and closing of the cock provided. Also good.

図18は、本発明の発電システムの一例を示す概略図である。
同図に示すように、この発電システム100は、発電装置1と、水素源や酸素の供給手段110と、オン・オフ状態制御手段120と、水素源や酸素の排出手段130と、を備える。
供給手段110は、水素源の一例である水を貯留し、その水を発電装置1に送り込むコック(図示せず。)を有し、発電装置1に水を供給する。また、供給手段110は、空気を取り込み、発電装置に空気(酸素)も供給する。
制御手段120は、光源からの可視光照射量を図示しない光検出器によって、更には発生する電気の要否によって、発電装置1のスイッチを制御し、電気を必要とする場合には、スイッチをオンの状態にして、電気を発生し、電気を必要としない場合には、スイッチをオフの状態にして、電子(e)及びプロトン(H)をそれぞれ、発電装置1の電子蓄積部及びプロトン蓄積部に蓄積する。また、制御手段120は、該発電装置1への水供給量と空気供給量、該発電装置からの酸素排出量、水排出量及び該発電装置への太陽光の照射量を制御する。
FIG. 18 is a schematic diagram showing an example of the power generation system of the present invention.
As shown in the figure, the power generation system 100 includes a power generation apparatus 1, a hydrogen source and oxygen supply unit 110, an on / off state control unit 120, and a hydrogen source and oxygen discharge unit 130.
The supply unit 110 stores water that is an example of a hydrogen source, has a cock (not shown) that feeds the water to the power generation apparatus 1, and supplies water to the power generation apparatus 1. The supply means 110 takes in air and also supplies air (oxygen) to the power generation apparatus.
The control means 120 controls the switch of the power generation device 1 by a photodetector (not shown) that determines the amount of visible light emitted from the light source, and further according to whether or not electricity is generated. When electricity is generated in the on state and electricity is not required, the switch is turned off, and the electrons (e ) and protons (H + ) Accumulate in proton accumulation part. In addition, the control unit 120 controls the water supply amount and air supply amount to the power generation device 1, the oxygen discharge amount from the power generation device, the water discharge amount, and the sunlight irradiation amount to the power generation device.

また、本発明においては、備える制御装置が断続的にスイッチを制御するに際し、該発電装置の光検出器からのデータと該発電装置の電流検出器からの積算算出データとに基づいて該スイッチの制御を行なうことが望ましい。
このような構成とすることによって、非常にコンパクト且つエネルギー消費の少ない発電システムが構築可能となるだけでなく、発電効率をより向上させることができる。
Further, in the present invention, when the control device provided intermittently controls the switch, based on the data from the photodetector of the power generation device and the integrated calculation data from the current detector of the power generation device, It is desirable to perform control.
With such a configuration, it is possible not only to construct a power generation system that is very compact and consumes less energy, but also to improve power generation efficiency.

更に、本発明においては、蓄電装置を備えていてもよい。この場合には、備える蓄電装置を小型化することができ、非常にコンパクト且つエネルギー消費の少ない発電システムが構築可能となる。
更にまた、例えば、電子蓄積部及びプロトン蓄積部における電子及びプロトン蓄積量が限界となった際には、電子及びプロトンから電気を発生させて蓄電装置に蓄電することで、より発電効率を向上させることができる。
なお、用いる蓄電装置は、得られる電気を必要に応じて蓄電装置内に蓄電することができれば、特に限定されるものではなく、従来公知の蓄電装置を用いることができる。
Further, in the present invention, a power storage device may be provided. In this case, the power storage device provided can be reduced in size, and a power generation system that is very compact and consumes less energy can be constructed.
Furthermore, for example, when the amount of electrons and protons accumulated in the electron accumulating unit and proton accumulating unit reaches a limit, electricity is generated from the electrons and protons and stored in the power storage device to further improve the power generation efficiency. be able to.
Note that the power storage device to be used is not particularly limited as long as the obtained electricity can be stored in the power storage device as needed, and a conventionally known power storage device can be used.

更にまた、本発明においては、可視光光源を備えていてもよい。可視光光源としては、例えば発光ダイオード、半導体レーザー又はこれらと同等の可視光を照射できるランプ、及びこれらを適宜組合わせて使用することができる。
例えば、自動車に発電システムを搭載した場合には、通常は他のエネルギーデバイスとして燃料電池を用いるが、例えば太陽光源が利用できない場合に、発光ダイオードなどにより燃料電池が発電する電気を有効に利用して、発電させることもできる。
なお、水回収手段である水循環手段を備えていてもよく、再度水を利用することにより、システムをコンパクト化することができる。また、燃料電池と組合わせることにより、具体的には燃料電池から排出される水を回収し、水素源として再利用することにより、備える水素源タンクを小型化又は無くすことができ、更にコンパクトな発電システムを構築することが可能となる。
Furthermore, in the present invention, a visible light source may be provided. As the visible light source, for example, a light emitting diode, a semiconductor laser, a lamp that can emit visible light equivalent to these, and a combination thereof can be used as appropriate.
For example, when a power generation system is installed in an automobile, a fuel cell is usually used as another energy device. For example, when a solar light source cannot be used, the electricity generated by the fuel cell using a light emitting diode or the like is effectively used. Power generation.
In addition, you may provide the water circulation means which is a water collection | recovery means, and a system can be compactized by utilizing water again. Further, by combining with the fuel cell, specifically, the water discharged from the fuel cell can be recovered and reused as a hydrogen source, whereby the hydrogen source tank provided can be reduced in size or eliminated, and more compact. It becomes possible to construct a power generation system.

図19は、本発明の発電装置の制御フローの一例を示すフロー図である。
同図に示すように、STEP1(以下、「S1」のように略記する。)において、制御手段によって、発電する必要があるか否か判断する。必要である(YES)場合には、S2に進む。
S2において、光検出器と制御手段によって、太陽光が十分か否か判断する。十分である(YES)場合には、S3に進む。
S3において、供給手段と制御手段によって、水素源の一種である水と空気(酸素)を供給する。
S4において、制御手段によって、スイッチをオンの状態にする。
S5において、発電装置の運転を実施し、電気を発生させる。
FIG. 19 is a flowchart showing an example of a control flow of the power generator of the present invention.
As shown in the figure, in STEP 1 (hereinafter abbreviated as “S1”), the control means determines whether or not it is necessary to generate power. If it is necessary (YES), the process proceeds to S2.
In S2, it is determined whether or not sunlight is sufficient by the photodetector and the control means. If it is sufficient (YES), the process proceeds to S3.
In S3, water and air (oxygen), which are a kind of hydrogen source, are supplied by the supply means and the control means.
In S4, the control means turns on the switch.
In S5, the power generation device is operated to generate electricity.

なお、S2において、十分でない(NO)場合には、S4に進む。そして、S4において、スイッチをオンの状態にすると、プロトン蓄積部と電子蓄積部に、それぞれプロトンと電子が蓄積されている場合には、発電装置の運転が実施でき、電気を発生させる。   If it is not sufficient (NO) in S2, the process proceeds to S4. Then, in S4, when the switch is turned on, when protons and electrons are stored in the proton storage unit and the electron storage unit, respectively, the operation of the power generator can be performed and electricity is generated.

また、S1において、必要でない(NO)場合には、S6に進む。
S6において、光検出器と制御手段によって、太陽光が十分か否か判断する。十分である(YES)場合には、S7に進む。
S7において、制御手段によって、スイッチをオフの状態にする。
S8において、供給手段と制御手段によって、水素源の一種である水と空気(酸素)を供給する。
S9において、電子蓄積部とプロトン蓄積部に、それぞれ電子とプロトンを蓄積する。
なお、S6において、十分でない(NO)場合には、何もしない。
If it is not necessary (NO) in S1, the process proceeds to S6.
In S6, it is determined whether the sunlight is sufficient by the photodetector and the control means. If it is sufficient (YES), the process proceeds to S7.
In S7, the switch is turned off by the control means.
In S8, water and air (oxygen), which are a kind of hydrogen source, are supplied by the supply means and the control means.
In S9, electrons and protons are stored in the electron storage unit and proton storage unit, respectively.
In S6, if it is not sufficient (NO), nothing is done.

以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to some examples.

(実施例1)
<第1電極の作製>
可視光応答性光触媒材料としてTaON、電荷分離材料としてプラズモン吸収を示す微粒子である金の微粒子(径:20nm)、第1電気伝導材料として繊維状又は多孔状の導電性ガラスを用意した。
耐熱性のセラミック基板に、第1電気伝導材料である繊維状又は多孔状の導電性ガラス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、乾燥して、第2層を形成し、更にこの上に、可視光応答性光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第3層を形成し、3層構造の第1電極を得た。
Example 1
<Production of first electrode>
TaON was prepared as a visible light responsive photocatalyst material, gold fine particles (diameter: 20 nm) as plasmon absorption fine particles as a charge separation material, and fibrous or porous conductive glass as a first electric conductive material.
A fibrous or porous conductive glass slurry, which is a first electrically conductive material, is applied to a heat-resistant ceramic substrate, a slurry containing a charge separation material is applied thereon, and dried to form a second layer. Then, a slurry containing a visible light responsive photocatalytic material was applied thereon and dried to form a third layer, whereby a first electrode having a three-layer structure was obtained.

<第2電極の作製>
金属材料としてPt微粒子、第2電気伝導材料としてカーボンファイバーとカーボンブラックを用意した。
耐熱性のセラミック基板に、第2電気伝導材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第2電気伝導材料から成る第1層を得、この上に金属材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して金属材料から成る第2層を得、基板からこれらを剥離して2層構造の第2電極を得た。
<Production of second electrode>
Pt fine particles were prepared as the metal material, and carbon fiber and carbon black were prepared as the second electrically conductive material.
A slurry containing a second electrically conductive material is applied to a heat-resistant ceramic substrate and dried to obtain a first layer made of the second electrically conductive material. A slurry containing a metal material is applied thereon and dried. A second layer made of a metal material was obtained, and these were peeled from the substrate to obtain a second electrode having a two-layer structure.

<電子蓄積部の作製>
電子蓄積材料として銅、絶縁性ポリマーとしてポリカーボネートを用意した。電子蓄積材料を絶縁性ポリマーを用いて覆い、電子蓄積部を得た。
<Production of electron storage unit>
Copper was prepared as an electron storage material, and polycarbonate was prepared as an insulating polymer. The electron storage material was covered with an insulating polymer to obtain an electron storage portion.

<プロトン蓄積部の作製>
プロトン蓄積材料としてナフィオン(登録商標、デュポン社製)、プロトン流出防止材料としてポリカーボネートからなるプラスチック膜を用意した。プロトン蓄積材料をプラスチック膜を用いて覆い、プロトン蓄積部を得た。
<Production of proton accumulation part>
A plastic membrane made of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) as a proton storage material and polycarbonate as a proton outflow prevention material was prepared. The proton storage material was covered with a plastic membrane to obtain a proton storage part.

<発電装置の構築>
上記第1電極、上記第2電極、上記電子蓄積部、上記プロトン蓄積部、プロトン伝導部としてナフィオン膜、配線として銅線、光検出器としてフォトダイオード、スイッチ、電流検出器、光透過性筐体として無色透明のガラス容器を用意した。
プロトン伝導部20を第1電極10及び第2電極30とで狭持し、これらを型に入れ、プレスし、弱い力で圧着接合した。更にプロトン伝導部20とプロトン蓄積部50とを接合し、第1電極10の第1層12と電流検出器(図示せず。)とを配線(図示せず。)で接続し、該電流検出器と電子蓄積部(図示せず。)とを配線(図示せず。)で接続し、該電子蓄積部とスイッチ(図示せず。)を配線で接続し、更に該スイッチと第2電極30の第1層32を配線で接続し、図20に示すように光透過性筐体90内に収納して、本例の発電装置を構築した。
図20は、実施例1の発電装置の概略的な構成図である。なお、電流検出器と電子蓄積部とスイッチは図示しないが、光透過性筐体90に収納されている。また、光検出器も図示しないが第1電極10における可視光照射量を測定できるように配置されている。
<Construction of power generation equipment>
The first electrode, the second electrode, the electron accumulating unit, the proton accumulating unit, the proton conducting unit, a Nafion film, the wiring as a copper wire, the photodetector as a photodiode, a switch, a current detector, a light-transmitting casing A colorless and transparent glass container was prepared.
The proton conducting part 20 was sandwiched between the first electrode 10 and the second electrode 30, and these were put into a mold, pressed, and pressure-bonded and joined with a weak force. Further, the proton conducting part 20 and the proton accumulating part 50 are joined, and the first layer 12 of the first electrode 10 and a current detector (not shown) are connected by wiring (not shown) to detect the current. The device and the electron storage unit (not shown) are connected by wiring (not shown), the electron storage unit and the switch (not shown) are connected by wiring, and the switch and the second electrode 30 are further connected. The first layer 32 was connected by wiring and housed in a light transmissive casing 90 as shown in FIG. 20 to construct the power generation apparatus of this example.
FIG. 20 is a schematic configuration diagram of the power generation device according to the first embodiment. Although not shown, the current detector, the electron storage unit, and the switch are housed in the light transmissive casing 90. Further, although not shown, the photodetector is arranged so that the visible light irradiation amount at the first electrode 10 can be measured.

(実施例2)
<第2電極の作製>
耐熱性のセラミック基板に、第2電気伝導材料及び金属材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第2電気伝導材料及び金属材料から成る均一分布の単層を得、基板からこれを剥離して単層構造の第2電極を得た。
(Example 2)
<Production of second electrode>
A slurry containing a second electrically conductive material and a metal material is applied to a heat resistant ceramic substrate, and dried to obtain a single layer of uniform distribution composed of the second electrically conductive material and the metal material. A second electrode having a single layer structure was obtained.

<発電装置の構築>
2層構造の第2電極に替えて単層構造の第2電極を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の発電装置を構築した。
<Construction of power generation equipment>
A power generator of this example was constructed by adopting the same configuration as in Example 1 except that the second electrode having a single layer structure was used instead of the second electrode having a two layer structure.

(実施例3)
<第1電極の作製>
電荷分離材料として用意したプラズモン吸収を示す微粒子である金の微粒子(径:20nm)にフラーレン(C60)を付加し、フラーレン含有電荷分離材料を作成した。
フラーレン含有電荷分離材料を用いた以外は、実施例1の第1電極の作製と同様の操作を繰り返して、第1電極を得た。
(Example 3)
<Production of first electrode>
Fullerene (C 60 ) was added to gold fine particles (diameter: 20 nm), which are fine particles exhibiting plasmon absorption prepared as a charge separation material, to prepare a fullerene-containing charge separation material.
Except for using the fullerene-containing charge separation material, the same operation as in the production of the first electrode of Example 1 was repeated to obtain a first electrode.

<発電装置の構築>
上記フラーレン含有電荷分離材料を用いて作製した3層構造の第1電極を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の発電装置を構築した。
<Construction of power generation equipment>
A power generator of this example was constructed by adopting the same configuration as in Example 1 except that the first electrode having a three-layer structure manufactured using the fullerene-containing charge separation material was used.

(実施例4)
<プロトン蓄積部の作製>
プロトン蓄積材料としてプロトン伝導性ガラスを用いた以外は、実施例1におけるプロトン蓄積部の作製と同様の操作を繰り返して、プロトン蓄積部を得た。
Example 4
<Production of proton accumulation part>
Except for using proton conductive glass as the proton storage material, the same operation as in the production of the proton storage section in Example 1 was repeated to obtain a proton storage section.

<発電装置の構築>
上記プロトン伝導性ガラスを用いて作製したプロトン蓄積部を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の発電装置を構築した。
<Construction of power generation equipment>
A power generator of this example was constructed by adopting the same configuration as that of Example 1 except that the proton accumulation part produced using the proton conductive glass was used.

(実施例5)
<第1電極の作製>
電荷分離材料として亜鉛ポルフィリンを用い、可視光応答性光触媒材料にTaをコーティングした以外は、実施例1の第1電極の作製と同様の操作を繰り返して、第1電極を得た。
(Example 5)
<Production of first electrode>
A first electrode was obtained by repeating the same operation as in the production of the first electrode of Example 1, except that zinc porphyrin was used as the charge separation material and the visible light responsive photocatalytic material was coated with Ta 2 O 5 .

<発電装置の構築>
上記電荷分離材料として亜鉛ポルフィリンを用い、可視光応答性光触媒材料にTaをコーティングして作製した第1電極を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の発電装置を構築した。
<Construction of power generation equipment>
Except for using the first electrode prepared by coating zinc porphyrin as the charge separation material and coating the visible light responsive photocatalytic material with Ta 2 O 5 , the same configuration as in Example 1 was adopted. A power generator was constructed.

(実施例6)
<電子蓄積部の作製>
電子蓄積材料として導電性ポリマーを用いた以外は、実施例1における電子蓄積部の作製と同様の操作を繰り返して、電子蓄積部を得た。
(Example 6)
<Production of electron storage unit>
An operation similar to the production of the electron storage part in Example 1 was repeated except that a conductive polymer was used as the electron storage material to obtain an electron storage part.

<発電装置の構築>
上記導電性ポリマーを用いて作製した電子蓄積部を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の発電装置を構築した。
<Construction of power generation equipment>
A power generator of this example was constructed by adopting the same configuration as in Example 1 except that the electron accumulating part produced using the conductive polymer was used.

(実施例7)
<電子蓄積部の作製>
電子蓄積材料としてZnOを用いた以外は、実施例1における電子蓄積部の作製と同様の操作を繰り返して、電子蓄積部を得た。
(Example 7)
<Production of electron storage unit>
Except for using ZnO as the electron storage material, the same operation as in the preparation of the electron storage unit in Example 1 was repeated to obtain an electron storage unit.

<発電装置の構築>
上記ZnOを用いて作製した電子蓄積部を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の発電装置を構築した。
<Construction of power generation equipment>
A power generator of this example was constructed by adopting the same configuration as that of Example 1 except that the electron storage unit manufactured using ZnO was used.

(実施例8)
<第1電極の作製>
第1電気伝導材料としてカーボンファイバーとカーボンブラックを用意した。耐熱性のセラミック基板に、第1電気伝導材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して第1電気伝導材料から成る第1層を得、この上に電荷分離材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して電荷分離材料から成る第2層を得、この上に可視光応答性光触媒材料を含むスラリーを塗布し、乾燥して可視光応答性光触媒から成る第3層を得、基板からこれらを剥離して3層構造の第1電極を得た。
(Example 8)
<Production of first electrode>
Carbon fiber and carbon black were prepared as the first electrically conductive material. A slurry containing a first electrically conductive material is applied to a heat-resistant ceramic substrate and dried to obtain a first layer made of the first electrically conductive material. A slurry containing a charge separation material is applied thereon and dried. To obtain a second layer made of a charge separation material, and apply a slurry containing a visible light responsive photocatalyst material thereon, and then dry to obtain a third layer made of a visible light responsive photocatalyst, and peel them off from the substrate. Thus, a first electrode having a three-layer structure was obtained.

<発電装置の構築>
第1電気伝導材料としてカーボンファイバーとカーボンブラックを用いて作製した第1電極を用いた以外は、実施例1と同様の構成を採用し、本例の発電装置を構築した。
<Construction of power generation equipment>
A power generator of this example was constructed by adopting the same configuration as in Example 1 except that the first electrode produced using carbon fiber and carbon black was used as the first electrically conductive material.

[性能評価]
上記各例の発電装置(図1参照。)を用いて、筐体内に形成された流路に水を流通し、光源として太陽光を利用して、性能評価を実施した。
(評価条件)
・光源 :太陽光源
・水素源 :水
・蓄積時間 :1時間
[Performance evaluation]
Using the power generators of the above examples (see FIG. 1), water was circulated through a flow path formed in the housing, and sunlight was used as a light source to evaluate performance.
(Evaluation conditions)
・ Light source: Solar light source ・ Hydrogen source: Water ・ Accumulation time: 1 hour

上記性能評価の結果、実施例1の発電装置においては、太陽光を照射しないときでも電気を発生することができた。
また、実施例2においては、実施例1と比較して、単位時間当たりの発電量が少なかった。
更に、実施例3においては、実施例1と比較して、単位時間当たりの発電量が多かった。
また、実施例4においては、実施例1と比較して、単位時間当たりの発電量が同等であった。
更に、実施例5においては、実施例1と比較して、単位時間当たりの発電量が同等であった。
また、実施例6においては、実施例1と比較して、単位時間当たりの発電量がやや少なかった。更に、実施例1と比較して、発生電圧は、非常に高かった。
更に、実施例7においては、実施例1と比較して、単位時間当たりの発電量がやや少なかった。更に、実施例1と比較して、発生電圧は、非常に高かった。
更にまた、実施例8においては、実施例1と比較して、単位時間あたりの発電量が非常に少なかった。
As a result of the performance evaluation, the power generation apparatus of Example 1 was able to generate electricity even when it was not irradiated with sunlight.
Further, in Example 2, the amount of power generation per unit time was smaller than that in Example 1.
Furthermore, in Example 3, compared with Example 1, there was much electric power generation amount per unit time.
Moreover, in Example 4, compared with Example 1, the electric power generation amount per unit time was equivalent.
Furthermore, in Example 5, compared with Example 1, the electric power generation amount per unit time was equivalent.
Moreover, in Example 6, compared with Example 1, the electric power generation amount per unit time was a little small. Furthermore, compared with Example 1, the generated voltage was very high.
Furthermore, in Example 7, compared with Example 1, the power generation amount per unit time was slightly smaller. Furthermore, compared with Example 1, the generated voltage was very high.
Furthermore, in Example 8, compared with Example 1, the power generation amount per unit time was very small.

(実施例9)
図21は、自動車用発電システムの一例を示す概略図である。
同図に示すように、実施例1において構築した発電装置を用いて、自動車用の発電システムを構築した。
Example 9
FIG. 21 is a schematic diagram illustrating an example of an automobile power generation system.
As shown in the figure, an automobile power generation system was constructed using the power generation apparatus constructed in Example 1.

具体的には、自動車用発電システム200は、自動車のルーフ210に発電装置1を装着した。
水素を構成元素として有する化合物を含む水素源と空気を供給する供給手段としては、ルーフ210に取り付けた水素源タンク220に入った水を発電装置1へ流入させるためのコック(図示せず。)と、水素源タンク220と発電装置1との間をつなぐ管(図示せず。)を設けた。また、管の途中にポンプ(図示せず。)を設けた。更に、空気を発電装置1に流入させるコック(図示せず。)を設けた。
発電装置1の発電装置への水供給量と空気供給量、該発電装置からの酸素排出量、水排出量及び該発電装置への太陽光の照射量及びスイッチ等を制御する制御手段として、16ビットマイクロコンピュータ等を使用して、自動車の車体内部に内蔵した。
また、自動車用発電システム200では、発電によって発生した水を水素源タンク(220)に戻すようにした。
Specifically, in the automobile power generation system 200, the power generation apparatus 1 is mounted on the roof 210 of the automobile.
As a supply means for supplying a hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element and air, a cock (not shown) for flowing water in a hydrogen source tank 220 attached to the roof 210 into the power generation apparatus 1. And the pipe | tube (not shown) which connects between the hydrogen source tank 220 and the electric power generating apparatus 1 was provided. A pump (not shown) was provided in the middle of the pipe. Further, a cock (not shown) that allows air to flow into the power generation apparatus 1 was provided.
As control means for controlling the water supply amount and the air supply amount to the power generation device of the power generation device 1, the oxygen discharge amount from the power generation device, the water discharge amount, the amount of sunlight irradiated to the power generation device, the switch, and the like, 16 Built in the body of a car using a bit microcomputer.
Further, in the automobile power generation system 200, water generated by power generation is returned to the hydrogen source tank (220).

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が可能である。
例えば、車両の外板に塗装した塗膜や、ウィンドガラスなどに内蔵することができる。
Although the present invention has been described in detail with some preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention.
For example, it can be incorporated in a paint film or window glass painted on the outer plate of the vehicle.

本発明の発電装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the electric power generating apparatus of this invention. 電子蓄積部の一例の概略的な断面形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic cross-sectional shape of an example of an electronic storage part. FETを用いて構成したスイッチの一例の概略的な断面形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic sectional shape of an example of the switch comprised using FET. 発電装置の構成要素の電子状態及び電子とホールの流れの一例を示す説明図である(電荷分離材料:プラズモン微粒子、第1電気伝導材料:導電性カーボンの場合、電子蓄積材料:金属材料、第2電気伝導材料:導電性カーボンの場合)。It is explanatory drawing which shows an example of the electronic state of the component of an electric power generating apparatus, and the flow of an electron and a hole (in the case of a charge separation material: plasmon fine particle, the 1st electrically conductive material: conductive carbon, an electron storage material: a metal material, 1st 2 Electrically conductive material: in the case of conductive carbon). 発電装置の構成要素の電子状態及び電子とホールの流れの一例を示す説明図である(電荷分離材料:色素、第1電気伝導材料:導電性カーボンの場合、電子蓄積材料:金属材料、第2電気伝導材料:導電性カーボンの場合)。It is explanatory drawing which shows an example of the electronic state of the component of an electric power generating apparatus, and the flow of an electron and a hole (in the case of charge separation material: pigment | dye, 1st electric conduction material: conductive carbon, electron storage material: metal material, 2nd Electrically conductive material: for conductive carbon). 発電装置の構成要素の電子状態及び電子とホールの流れの一例を示す説明図である(電荷分離材料:プラズモン微粒子、第1電気伝導材料:FTO、電子蓄積材料:導電性ポリマー又は金属酸化物(半導体)、第2電気伝導材料:導電性カーボンの場合)。It is explanatory drawing which shows an example of the electronic state of the component of an electric power generating apparatus, and the flow of an electron and a hole (Charge separation material: Plasmon fine particle, 1st electric conduction material: FTO, electron storage material: Conductive polymer or metal oxide ( Semiconductor), second electrically conductive material: in the case of conductive carbon). 発電装置の構成要素の電子状態及び電子とホールの流れの一例を示す説明図である(電荷分離材料:色素、第1電気伝導材料:FTO、電子蓄積材料:導電性ポリマー又は金属酸化物(半導体)、第2電気伝導材料:導電性カーボンの場合)。It is explanatory drawing which shows an example of the electronic state of the component of an electric power generating apparatus, and the flow of an electron and a hole (Charge separation material: Dye, 1st electric conduction material: FTO, electron storage material: Conductive polymer or metal oxide (semiconductor ), Second electrically conductive material: in the case of conductive carbon). 発電装置の構成要素の電子状態及び電子とホールの流れの一例を示す説明図である(電荷分離材料:プラズモン微粒子、第1電気伝導材料:FTO、電子蓄積材料:金属材料、第2電気伝導材料:導電性カーボンの場合)。It is explanatory drawing which shows an example of the electronic state of the component of an electric power generating apparatus, and the flow of an electron and a hole (Charge separation material: Plasmon fine particle, 1st electric conduction material: FTO, electron storage material: Metal material, 2nd electric conduction material : For conductive carbon). 可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料の吸収スペクトルの一例を示すグラフである(電荷分離材料が金のナノ微粒子の場合)。It is a graph which shows an example of the absorption spectrum of a visible light responsive photocatalyst material and a charge separation material (when charge separation material is a gold nanoparticle). 第1電極の構造の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the structure of a 1st electrode. 第1電極の構造の他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other example of the structure of a 1st electrode. 第1電極の構造の更に他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the further another example of the structure of a 1st electrode. 第2電極の構造の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the structure of a 2nd electrode. 第2電極の構造の他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other example of the structure of a 2nd electrode. プラズモン微粒子を含む層の構造の一例を示す概略図とその電子構造変化図である。It is the schematic which shows an example of the structure of the layer containing a plasmon microparticle, and its electronic structure change figure. 色素を含む層の構造一例を示す概略図とその電子構造変化図である。It is the schematic which shows an example of the structure of the layer containing a pigment | dye, and its electronic structure change figure. プラズモン微粒子を含む層にC60を含む層の積層構造の一例を示す概略図とその電子構造変化図である。A layer containing a plasmon particles is a schematic diagram and its electronic structure change diagram illustrating an example of a laminated structure of a layer containing C 60. 本発明の発電システムの一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the electric power generation system of this invention. 本発明の発電装置の制御フローの一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the control flow of the electric power generating apparatus of this invention. 実施例1の発電装置の概略的な構成図である。It is a schematic block diagram of the electric power generating apparatus of Example 1. 自動車用発電システムの一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the electric power generation system for motor vehicles.

符号の説明Explanation of symbols

1 発電装置
10 第1電極
11 単層
12 第1層
13 第2層
13a 金の微粒子
14 第3層
14a TaON
20 プロトン伝導部
30 第2電極
31 単層
32 第1層
33 第2層
40 電子蓄積部
42 電子蓄積材料
44 絶縁性材料
50 プロトン蓄積部
52 プロトン蓄積材料
54 プロトン流出防止材料
60 スイッチ
61 基板
62 チャネル
63 ソース
64 ドレイン
65 絶縁体層
66 ゲート
70 電流検出器
80 光検出器
90 光透過性筐体
100 発電システム
110 供給手段
120 制御手段
130 排出手段
200 自動車用発電システム
210 ルーフ
220 水素源タンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generator 10 1st electrode 11 Single layer 12 1st layer 13 2nd layer 13a Gold fine particle 14 3rd layer 14a TaON
20 proton conducting part 30 second electrode 31 single layer 32 first layer 33 second layer 40 electron accumulating part 42 electron accumulating material 44 insulating material 50 proton accumulating part 52 proton accumulating material 54 proton outflow preventing material 60 switch 61 substrate 62 channel 63 Source 64 Drain 65 Insulator layer 66 Gate 70 Current detector 80 Photo detector 90 Light transmissive casing 100 Power generation system 110 Supply means 120 Control means 130 Discharge means 200 Automotive power generation system 210 Roof 220 Hydrogen source tank

Claims (23)

光源から照射される可視光を利用して、水素を構成元素として有する化合物を含む水素源と酸素とから発電する発電装置であって、
第1電極と、プロトン伝導部と、第2電極と、電子蓄積部と、プロトン蓄積部と、スイッチとを備え、
上記プロトン伝導部は、上記第1電極及び上記第2電極で狭持されており、且つ上記プロトン蓄積部と接合されており、
上記第1電極と上記第2電極とは、該第1電極側から、上記電子蓄積部と、該第1電極及び第2電極を電気的に接続し得る上記スイッチと、をこの順に介して電気的に接続されており、
上記第1電極は、第1電気伝導材料と可視光応答性光触媒材料と電荷分離材料とを含有し、
上記第2電極は、第2電気伝導材料と金属材料とを含有する、ことを特徴とする発電装置。
A power generator that generates power from a hydrogen source containing oxygen and a compound containing hydrogen as a constituent element using visible light emitted from a light source,
A first electrode, a proton conducting unit, a second electrode, an electron accumulating unit, a proton accumulating unit, and a switch;
The proton conducting part is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and is joined to the proton accumulating part,
The first electrode and the second electrode are electrically connected from the first electrode side through the electron storage section and the switch capable of electrically connecting the first electrode and the second electrode in this order. Connected,
The first electrode contains a first electrically conductive material, a visible light responsive photocatalytic material, and a charge separation material,
The power generation apparatus, wherein the second electrode includes a second electrically conductive material and a metal material.
上記第1電極と上記電子蓄積部との間に、電流検出器を備えることを特徴とする請求項1に記載の発電装置。   The power generator according to claim 1, further comprising a current detector between the first electrode and the electron storage unit. 光検出器を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 1, further comprising a photodetector. 上記第1電極は、上記第1電気伝導材料を含有する層と上記電荷分離材料を含有する層と上記可視光応答性光触媒材料を含有する層とを順にプロトン伝導部に積層して成る構造を有し、
上記可視光応答性光触媒材料を含有する層から上記第1電気伝導材料を含有する層に移行するにしたがって、当該層における各材料のバンド構造の伝導帯下端のエネルギー準位が低くなり、且つ各材料のバンド構造の価電子帯上端のエネルギー準位が高くなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の発電装置。
The first electrode has a structure in which a layer containing the first electrically conductive material, a layer containing the charge separation material, and a layer containing the visible light responsive photocatalytic material are sequentially laminated on the proton conducting portion. Have
As the layer containing the visible light responsive photocatalytic material moves to the layer containing the first electrically conductive material, the energy level at the lower end of the conduction band of the band structure of each material in the layer decreases, and each The power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the energy level at the upper end of the valence band of the band structure of the material is increased.
上記電荷分離材料が、プラズモン吸収を示す微粒子を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の発電装置。   The power generation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the charge separation material contains fine particles exhibiting plasmon absorption. 上記プラスモン吸収を示す微粒子が、金、銀及び白金から成る群より選ばれた少なくとも1種を含む金属単体ないし合金であり、その形状が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5に記載の発電装置。   The fine particles exhibiting plasmon absorption are simple metals or alloys containing at least one selected from the group consisting of gold, silver and platinum, and the shape thereof is a nano-sized rod and / or sphere. The power generator according to claim 5. 上記プラズモン吸収を示す微粒子の形状がロッド状であり、当該ロッドの長軸が10〜100nmであり、且つ短軸が5〜50nmであることを特徴とする請求項6に記載の発電装置。   The power generator according to claim 6, wherein the shape of the fine particles exhibiting plasmon absorption is rod-shaped, the major axis of the rod is 10 to 100 nm, and the minor axis is 5 to 50 nm. 上記プラズモン吸収を示す微粒子の形状が球状であり、当該球の直径が2〜50nmであることを特徴とする請求項6に記載の発電装置。   The power generator according to claim 6, wherein the shape of the fine particles exhibiting plasmon absorption is spherical, and the diameter of the sphere is 2 to 50 nm. 上記電荷分離材料が、可視光域の吸収を示す色素を含有す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。   The power generation device according to any one of claims 1 to 8, wherein the charge separation material contains a dye exhibiting absorption in a visible light region. 上記可視光域の吸収を示す色素が、ポルフィリン化合物、その金属錯体、フタロシアニ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。   10. The power generation according to claim 9, wherein the dye exhibiting absorption in the visible light region is at least one selected from the group consisting of a porphyrin compound, a metal complex thereof, a phthalocyanine compound, and a metal complex thereof. apparatus. 上記可視光応答性光触媒材料を含有する層と上記可視光域の吸収を示す色素を含有する層との間に色素保護材料を含有する層を備えることを特徴とする請求項9又は10に記載の発電装置。   The layer containing a dye protective material is provided between the layer containing the visible light responsive photocatalyst material and the layer containing the dye exhibiting absorption in the visible light region. Power generator. 上記電荷分離材料が、フラーレン類を含有す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。   The power generation device according to any one of claims 1 to 11, wherein the charge separation material contains fullerenes. 上記フラーレン類を含有する電荷分離材料が、上記プラズモン吸収を示す微粒子及び/又は可視光域の吸収を示す色素と接合するように配設されていることを特徴とする請求項12に記載の発電装置。   The power generation material according to claim 12, wherein the charge separation material containing the fullerenes is disposed so as to be bonded to the fine particles exhibiting plasmon absorption and / or the dye exhibiting absorption in the visible light region. apparatus. 上記第1電気伝導材料及び/又は上記第2電気伝導材料が、導電性カーボン粒子、導電性カーボン多孔体、導電性カーボンクロス、導電性ガラス繊維及び導電性ガラス多孔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1〜13のいずれか1つの項に記載の発電装置。   The first electrical conductive material and / or the second electrical conductive material is selected from the group consisting of conductive carbon particles, conductive carbon porous body, conductive carbon cloth, conductive glass fiber, and conductive glass porous body. The power generation device according to claim 1, wherein the power generation device is at least one type. 上記金属材料が、白金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。   The said metal material is platinum, The electric power generating apparatus as described in any one of Claims 1-14 characterized by the above-mentioned. 上記電子蓄積部が、ポリマー、金属及び金属酸化物から成る群より選ばれた少なくとも1種の電子蓄積材料と、絶縁性材料とから成り、
上記電子蓄積材料が、上記絶縁性材料に覆われた構造を有することを特徴とする請求項1〜15のいずれか1つの項に記載の発電装置。
The electron accumulating portion comprises at least one electron accumulating material selected from the group consisting of polymers, metals and metal oxides, and an insulating material;
The power generation device according to claim 1, wherein the electron storage material has a structure covered with the insulating material.
上記プロトン蓄積部が、固体高分子、ガラス及び金属酸化物から成る群より選ばれた少なくとも1種のプロトン蓄積材料と、プロトン流出防止材料とから成り、
上記プロトン蓄積材料が、上記プロトン流出防止材料に覆われた構造を有することを特徴とする請求項1〜16のいずれか1つの項に記載の発電装置。
The proton accumulating portion comprises at least one proton accumulating material selected from the group consisting of a solid polymer, glass and a metal oxide, and a proton outflow prevention material;
The power generation device according to any one of claims 1 to 16, wherein the proton storage material has a structure covered with the proton outflow prevention material.
上記水素を構成元素として有する化合物を含む水素源が、水又は犠牲試薬含有水溶液であることを特徴とする請求項1〜17のいずれか1つの項に記載の発電装置。   The power generation apparatus according to any one of claims 1 to 17, wherein the hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element is water or an aqueous solution containing a sacrificial reagent. 当該発電装置が光透過性の筐体内に配設されていることを特徴とする請求項1〜18のいずれか1つの項に記載の発電装置。   The power generation device according to any one of claims 1 to 18, wherein the power generation device is disposed in a light-transmitting casing. 請求項1〜19のいずれか1つの項に記載の発電装置を用いた発電方法であって、
水素を構成元素として有する化合物を含む水素源と可視光応答性光触媒材料とを接触させ、光源からの可視光を該可視光応答性光触媒材料に照射し、該水素を構成元素として有する化合物を含む水素源からプロトン及び電子を生成し、得られたプロトン及び電子の流れを制御して、これらを酸素と反応させ、発電量を制御する、ことを特徴とする発電方法。
A power generation method using the power generation device according to any one of claims 1 to 19,
A hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element is brought into contact with a visible light responsive photocatalyst material, the visible light responsive photocatalyst material is irradiated with visible light from a light source, and a compound having the hydrogen as a constituent element is contained. A power generation method characterized by generating protons and electrons from a hydrogen source, controlling the flow of the protons and electrons thus obtained, reacting them with oxygen, and controlling the amount of power generation.
請求項1〜19のいずれか1つの項に記載の発電装置を用いた発電システムであって、
上記発電装置と、
上記発電装置へ水素を構成元素として有する化合物を含む水素源を供給する供給手段と、
上記発電装置へ酸素を供給する供給手段と、
上記発電装置から酸素を排出する排出手段と、
上記発電装置から水を排出する排出手段と、
上記発電装置への水素を構成元素として有する化合物を含む水素源の供給量を制御する制御手段と、
上記発電装置への酸素の供給量を制御する制御手段と、
上記発電装置からの水の排出量を制御する制御手段と、
上記発電装置からの酸素の排出量を制御する制御手段と、
上記発電装置への光源からの可視光の照射量を制御する制御手段と、
上記発電装置のスイッチのオン・オフ状態を制御する制御手段と、を備え、
上記スイッチのオン・オフ状態制御手段が、断続的に上記スイッチのオン・オフの制御を行なうことを特徴とする発電システム。
A power generation system using the power generation device according to any one of claims 1 to 19,
The power generation device,
Supply means for supplying a hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element to the power generation device;
Supply means for supplying oxygen to the power generator;
Discharging means for discharging oxygen from the power generation device;
Discharging means for discharging water from the power generation device;
Control means for controlling the supply amount of a hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element to the power generation device;
Control means for controlling the amount of oxygen supplied to the power generator;
Control means for controlling the amount of water discharged from the power generator;
Control means for controlling the amount of oxygen discharged from the power generator;
Control means for controlling the irradiation amount of visible light from the light source to the power generation device;
Control means for controlling the on / off state of the switch of the power generator, and
An on / off state control means for the switch intermittently controls on / off of the switch.
上記スイッチのオン・オフ状態制御手段が、断続的に上記スイッチのオン・オフの制御をするに際し、該発電装置の光検出器からのデータと該発電装置の電流検出器からの積算算出データとに基づいて該スイッチのオン・オフの制御を行なうことを特徴とする請求項21に記載の発電システム。   When the on / off state control means of the switch intermittently controls the on / off of the switch, the data from the photodetector of the power generator and the integrated calculation data from the current detector of the power generator, The power generation system according to claim 21, wherein the switch is controlled to be turned on / off based on the control. 上記発電装置から排出される水を燃料としての水素を構成元素として有する化合物を含む水素源として再度利用する循環手段を備えたことを特徴とする請求項21又は22に記載の発電システム。   23. The power generation system according to claim 21, further comprising a circulation means for reusing water discharged from the power generation apparatus as a hydrogen source containing a compound having hydrogen as a constituent element as a fuel.
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JP2009056574A (en) * 2007-09-03 2009-03-19 Rohm Co Ltd Metal structure
JP2010528403A (en) * 2006-03-30 2010-08-19 フォーダム ユニバーシティー Photocatalytic electrode and fuel cell
BE1018888A4 (en) * 2009-09-21 2011-10-04 Schueren Willy Paul V D H2O2 BATTERY.

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