JP2009218080A - Photofuel cell - Google Patents

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Masaya Matsuoka
雅也 松岡
Kazushi Iyatani
和志 飯屋谷
Shohei Fukumoto
章平 福本
Takashi Kamegawa
孝 亀川
Masahito Takeuchi
雅人 竹内
Shoichi Anpo
正一 安保
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Osaka University NUC
Osaka Prefecture University PUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photofuel cell superior in photocurrent conversion efficiency. <P>SOLUTION: In the photofuel cell 40, a cathode 11 and an anode 12 containing a photocatalyst are arranged inside an electrolyte cell 13, the inside of the electrolyte cell 13 is partitioned into a cathode side and an anode side by a proton-permeable membrane 14, a liquid-phase fuel 16 is filled into the cell 13b on the anode side while an electrolytic solution 17 containing redox mediator and oxygen is filled into the vessel 13a on the cathode side, proton formed by photocatalytic oxidation of the liquid-phase fuel moves through the proton-permeable membrane 14, moves to the vessel 13a on the cathode side from the vessel 13b on the anode side, electrons formed by the photocatalytic oxidation of the liquid-phase fuel moves from the anode to the cathode through an exterior circuit 15. In the vessel 13a on the cathode side, under existence of protons, a redox reaction in which oxygen is reduced by electrons and converted into water is formed, and the redox reaction is a reaction via the redox mediator. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、光燃料電池に関する。   The present invention relates to a photovoltaic fuel cell.

従来から、燃料電池として、例えば、固体高分子型燃料電池、アルカリ電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等が開発され、実用化されている。さらに、最近では、光触媒を用いた燃料電池(光燃料電池)が、提案されている(例えば、非特許文献1および2参照)。光燃料電池は、アノードへの光照射を必要とするが、バイオマスや廃棄物等に含まれる有機化合物や窒素含有化合物を燃料として用いることができる。このため、光燃料電池は、資源を有効利用できるという従来の燃料電池にはない利点を有している。非特許文献1および2に記載の光燃料電池は、アノードに二酸化チタンの薄層を用い、カソードに白金を用い、液相燃料を前記二酸化チタン電極上で光触媒的に酸化し、生じた電子を外部回路に取り出すことにより発電するものである。しかしながら、従来の光燃料電池は、光電流変換効率が十分ではなかった。   Conventionally, as a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, an alkaline electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, etc. have been developed and put into practical use. Yes. Furthermore, recently, a fuel cell (photo fuel cell) using a photocatalyst has been proposed (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). Photofuel cells require light irradiation to the anode, but organic compounds and nitrogen-containing compounds contained in biomass, waste, etc. can be used as fuel. For this reason, the optical fuel cell has an advantage that the conventional fuel cell can effectively use resources. The photofuel cells described in Non-Patent Documents 1 and 2 use a thin layer of titanium dioxide for the anode, platinum for the cathode, and photocatalytically oxidize liquid phase fuel on the titanium dioxide electrode. Electric power is generated by taking it out to an external circuit. However, the conventional photofuel cell has not had sufficient photocurrent conversion efficiency.

J.Nemoto,M.Horikawa,K.Ohnuki,T.Shibata,H.Ueno,M.Hoshino,M.Kaneko.J.Appl.Electochem.,37,1039(2007).J. et al. Nemoto, M .; Horikawa, K .; Ohnuki, T .; Shibata, H .; Ueno, M.M. Hoshino, M .; Kaneko. J. et al. Appl. Electrochem. 37, 1039 (2007). 金子ら,日本化学会第86春季年会,2A5−51(2006)Kaneko et al., The 86th Annual Meeting of the Chemical Society of Japan, 2A5-51 (2006)

そこで、本発明は、光電流変換効率に優れる光燃料電池を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a photovoltaic fuel cell that is excellent in photocurrent conversion efficiency.

前記目的を達成するために、本発明の光燃料電池は、カソードおよび光触媒を含むアノードを備え、前記カソードおよび前記アノードは、外部回路を介し電気的に接続され、前記光触媒への光照射により、液相燃料を光触媒的に酸化して生じた電子を前記外部回路に取り出すことにより発電する光燃料電池であって、
さらに、電解槽およびプロトン透過膜を備え、
前記カソードおよび前記アノードが、前記電解槽内部に配置され、
前記電解槽内部が、前記プロトン透過膜により、前記カソード側と前記アノード側とに区画された二槽構造になっており、
前記アノード側の槽に、前記液相燃料が充填され、
前記カソード側の槽に、レドックスメディエータおよび酸素を含む電解液が充填され、
前記液相燃料の光触媒的酸化により生じたプロトンが、前記プロトン透過膜を通過して、前記アノード側の槽から前記カソード側の槽に移動し、
前記液相燃料の光触媒的酸化により生じた電子が、前記外部回路を通じて前記アノードから前記カソードに移動し、
前記カソード側の槽において、前記プロトン存在下、前記酸素が前記アノードから移動してきた電子により還元されて水に変換される酸化還元反応が生じ、前記酸化還元反応が、前記レドックスメディエータを介した反応であることを特徴とする。
To achieve the above object, the photofuel cell of the present invention comprises an anode including a cathode and a photocatalyst, and the cathode and the anode are electrically connected via an external circuit, and by photoirradiation of the photocatalyst, A photofuel cell that generates electric power by extracting electrons generated by photocatalytically oxidizing liquid phase fuel to the external circuit,
Furthermore, an electrolytic cell and a proton permeable membrane are provided,
The cathode and the anode are disposed within the electrolytic cell;
The inside of the electrolytic cell has a two-cell structure divided into the cathode side and the anode side by the proton permeable membrane,
The tank on the anode side is filled with the liquid phase fuel,
The cathode side tank is filled with an electrolyte containing redox mediator and oxygen,
Protons generated by photocatalytic oxidation of the liquid phase fuel pass through the proton permeable membrane and move from the anode side tank to the cathode side tank,
Electrons generated by photocatalytic oxidation of the liquid phase fuel move from the anode to the cathode through the external circuit,
In the tank on the cathode side, in the presence of the proton, an oxidation-reduction reaction occurs in which the oxygen is reduced by electrons transferred from the anode and converted to water, and the oxidation-reduction reaction is a reaction via the redox mediator. It is characterized by being.

前記目的を達成するために、本発明者等は、一連の研究を重ねたところ、従来の光燃料電池の光電流変換効率が十分でないのは、カソード側の電子の授受の効率が十分でないことに起因することを見出した。この知見に基づき、本発明者等は、前記カソード側の電子の授受の効率を向上させるために、レドックスメディエータを用いることを着想した。この着想に基づき、本発明者等は、さらに、研究を重ねたところ、プロトン透過膜を用いて電解槽を、アノード側とカソード側とに区画した二槽構造にし、カソード側の槽に充填される電解液にレドックスメディエータを含ませれば、カソード側の電子の授受の効率を向上させることができ、その結果、光電流変換効率を大幅に向上できることを見出し、本発明に至った。本発明の光燃料電池が、光電流変換効率に優れるメカニズムは、下記のように推測される。すなわち、前記レドックスメディエータの過電圧が、酸素の過電圧より小さいため、レドックスメディエータの還元反応の方が、酸素の還元反応よりスムーズに進行する。このことにより、電子の授受の効率を向上させることができると推測される。なお、前述のメカニズムは推測であり、本発明を何ら限定しない。また、本発明の光燃料電池は、後述のように、例えば、カソードに白金等の高価な材料を用いるのに代えて、安価な材料、例えば、カーボン等を用いても高い光電流変換効率を得ることができる。このため、本発明の光燃料電池は、安価な電極材料を用いることができ、コストの面においても優れている。なお、本発明の光燃料電池に用いる電極材料は上記により限定されない。   In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have conducted a series of researches. As a result, the photocurrent conversion efficiency of the conventional photofuel cell is not sufficient, and the efficiency of electron transfer on the cathode side is not sufficient. It was found to be due to. Based on this finding, the present inventors have conceived of using a redox mediator to improve the efficiency of electron transfer on the cathode side. Based on this idea, the present inventors have further researched and made a two-cell structure in which the electrolytic cell is divided into an anode side and a cathode side using a proton permeable membrane, and the cathode side cell is filled. It has been found that if a redox mediator is included in the electrolyte solution, the efficiency of electron transfer on the cathode side can be improved, and as a result, the photocurrent conversion efficiency can be greatly improved, leading to the present invention. The mechanism by which the photofuel cell of the present invention is excellent in photocurrent conversion efficiency is presumed as follows. That is, since the redox mediator overvoltage is smaller than the oxygen overvoltage, the redox mediator reduction reaction proceeds more smoothly than the oxygen reduction reaction. Thus, it is estimated that the efficiency of electron transfer can be improved. In addition, the above-mentioned mechanism is speculation and does not limit this invention at all. Further, as will be described later, the photovoltaic fuel cell of the present invention has high photocurrent conversion efficiency even when an inexpensive material such as carbon is used instead of an expensive material such as platinum for the cathode. Obtainable. For this reason, the photovoltaic fuel cell of the present invention can use an inexpensive electrode material and is excellent in terms of cost. In addition, the electrode material used for the photovoltaic fuel cell of this invention is not limited by the above.

本発明において、「液相燃料」とは、燃料となる有機化合物および窒素含有化合物の少なくとも一方を含む液状のものを意味する。前記液状のものとしては、例えば、溶液であってもよいし、ゾルであってもよいし、ゲルであってもよい。   In the present invention, “liquid phase fuel” means a liquid fuel containing at least one of an organic compound and a nitrogen-containing compound as a fuel. The liquid material may be, for example, a solution, a sol, or a gel.

本発明において、「可視光応答型光触媒」とは、可視光により励起されて、液相燃料を光触媒的に酸化することができる光触媒を意味する。なお、本発明において、「可視光」とは、例えば、400〜800nmの範囲の波長を有する光を意味する。   In the present invention, the “visible light responsive photocatalyst” means a photocatalyst that is excited by visible light and can oxidize liquid phase fuel photocatalytically. In the present invention, “visible light” means light having a wavelength in the range of 400 to 800 nm, for example.

本発明の光燃料電池において、前記レドックスメディエータが、I /Iレドックスメディエータであることが好ましい。 In the photovoltaic fuel cell of the present invention, the redox mediator is preferably an I 3 / I - redox mediator.

本発明の光燃料電池において、前記電解液が、酸性であることが好ましい。前記電解液のpHが、0〜6の範囲であることがより好ましく、さらに好ましくは、1〜4の範囲である。   In the photovoltaic fuel cell of the present invention, the electrolyte solution is preferably acidic. The pH of the electrolytic solution is more preferably in the range of 0-6, and still more preferably in the range of 1-4.

本発明の光燃料電池において、前記光触媒が、可視光応答型光触媒であることが好ましく、より好ましくは、二酸化チタン(TiO)である。 In the photofuel cell of the present invention, the photocatalyst is preferably a visible light responsive photocatalyst, and more preferably titanium dioxide (TiO 2 ).

本発明の光燃料電池において、前記カソードが、カーボンを含むことが好ましい。前記カソードにカーボンを含ませることで、白金等の高価な材料を用いずにすむため、前述のように、コストを抑えることができる。   In the photovoltaic fuel cell of the present invention, the cathode preferably contains carbon. By including carbon in the cathode, it is not necessary to use an expensive material such as platinum, so that the cost can be reduced as described above.

本発明の光燃料電池において、前記液相燃料の溶存酸素が、除去されていることが好ましい。   In the photovoltaic fuel cell of the present invention, it is preferable that dissolved oxygen in the liquid phase fuel is removed.

本発明の光燃料電池において、前記アノード側の槽の壁面が、光透過性であることが好ましい。   In the photofuel cell of the present invention, the wall surface of the anode-side tank is preferably light transmissive.

つぎに、本発明の光燃料電池について詳細に説明する。ただし、本発明の光燃料電池は、以下の記載により制限されない。   Next, the photofuel cell of the present invention will be described in detail. However, the photovoltaic fuel cell of the present invention is not limited by the following description.

まず、本発明の光燃料電池の構成について例をあげて説明する。   First, an example is given and demonstrated about the composition of the photofuel cell of the present invention.

〔1.光燃料電池〕
[1−1.光燃料電池の全体構成]
図1の模式図に、本発明の光燃料電池の構成の一例を示す。同図においては、わかりやすくするために、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている。図示のとおり、この光燃料電池10は、カソード11と、アノード12と、電解槽13と、プロトン透過膜14とを主要な構成部材として備える。前記カソード11と、前記アノード12とは、外部回路15を介して、電気的に接続され、前記電解槽13内部に配置されている。前記電解槽13内部は、前記プロトン透過膜14により、前記カソード11側と前記アノード12側とに区画された二槽構造になっている。前記アノード側の槽13bには、液相燃料16が充填されている。前記カソード側の槽13aには、レドックスメディエータおよび酸素を含む電解液17が充填されている。ただし、本発明の光燃料電池は、この例に限定されない。この例では、前記電解槽13内部は、前記電解槽13の中央に配置された前記プロトン透過膜14により、前記カソード11側と前記アノード12側とに同じ大きさで区画されているが、前記プロトン透過膜14が、例えば、前記カソード11寄りに配置され、または前記アノード12寄りに配置されることで、前記カソード側の槽13aと、前記アノード側の槽13bとの大きさが異なっていてもよい。また、この例では、前記カソード11および前記アノード12は、それぞれ、一つであるが、前記カソード11および前記アノード12は、例えば、それぞれ、複数であってもよい。
[1. Photofuel cell)
[1-1. Overall configuration of photovoltaic fuel cell]
The schematic diagram of FIG. 1 shows an example of the configuration of the photofuel cell of the present invention. In the figure, the size, ratio, and the like of each component are different from actual ones for easy understanding. As shown in the figure, the photovoltaic fuel cell 10 includes a cathode 11, an anode 12, an electrolytic cell 13, and a proton permeable membrane 14 as main components. The cathode 11 and the anode 12 are electrically connected via an external circuit 15 and are disposed inside the electrolytic cell 13. The inside of the electrolytic cell 13 has a two-cell structure partitioned by the proton permeable membrane 14 into the cathode 11 side and the anode 12 side. The anode-side tank 13b is filled with liquid phase fuel 16. The tank 13a on the cathode side is filled with an electrolyte solution 17 containing a redox mediator and oxygen. However, the photofuel cell of the present invention is not limited to this example. In this example, the inside of the electrolytic cell 13 is divided into the same size on the cathode 11 side and the anode 12 side by the proton permeable membrane 14 disposed in the center of the electrolytic cell 13. For example, the proton permeable membrane 14 is disposed closer to the cathode 11 or closer to the anode 12, so that the cathode-side tank 13a and the anode-side tank 13b are different in size. Also good. In this example, the number of the cathodes 11 and the number of the anodes 12 is one, but the number of the cathodes 11 and the number of the anodes 12 may be plural, for example.

つぎに、各構成部材について説明する。   Next, each component will be described.

[1−2.電解槽]
前記電解槽の形状は、用いられる形態やその用途に応じて、どのような形状であってもよい。前記電解槽の形状としては、例えば、四角柱状、円柱状、半球状、これらを組み合わせた形状等があげられる。
[1-2. Electrolyzer]
The shape of the electrolytic cell may be any shape depending on the form used and its application. Examples of the shape of the electrolytic cell include a quadrangular prism shape, a cylindrical shape, a hemispherical shape, and a combination thereof.

前記電解槽の材質は、上記形状を形成できる材質であればよい。前記液相燃料および前記電解液の水分の減少を防止する観点から、前記電解槽の材質としては、例えば、透湿性が低いアルミニウム等の金属層を絶縁性の高分子で被覆したラミネート材、ポリ塩化ビニリデン樹脂、フッ素系樹脂、ガラス繊維強化プラスチック材料等があげられる。また、アノードに効率的に光を照射する観点から、前記アノード側の槽の壁面は、光透過性であることが好ましい。前記光透過性である材質としては、例えば、ガラス、透明プラスチック等があげられる。前記ガラスとしては、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス等があげられる。前記透明プラスチックとしては、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、硬質ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンオキサイド等があげられる。   The material of the electrolytic cell may be any material that can form the shape. From the viewpoint of preventing the liquid phase fuel and the electrolyte from deteriorating moisture, the electrolytic cell may be made of, for example, a laminate material in which a metal layer such as aluminum having low moisture permeability is coated with an insulating polymer, Examples thereof include vinylidene chloride resin, fluorine resin, and glass fiber reinforced plastic material. Further, from the viewpoint of efficiently irradiating the anode with light, the wall surface of the anode-side tank is preferably light transmissive. Examples of the light transmissive material include glass and transparent plastic. Examples of the glass include quartz glass, borosilicate glass, and soda lime glass. Examples of the transparent plastic include acrylic resin, polycarbonate resin, polystyrene resin, hard polyvinyl chloride, and polyphenylene oxide.

前記電解槽は、例えば、前述の材質を用いて従来公知の製造方法で形成することにより製造することができる。また、前記電解槽は、例えば、市販品をそのまま用いてもよい。   The electrolytic cell can be manufactured, for example, by forming the above-described material using a conventionally known manufacturing method. Moreover, for the electrolytic cell, for example, a commercially available product may be used as it is.

[1−3.プロトン透過膜]
前記プロトン透過膜は、プロトンを透過するものであればよい。前記プロトン透過膜を形成する材質としては、例えば、高分子酸、アルミナ水和物、固体電解質等があげられる。これらの中でも、高分子酸が特に好ましい。前記高分子酸としては、例えば、フェノールスルホン酸とホルムアルデヒドとの縮合体、スルホン化ポリスチレン、トリフルオロスチレンスルホン酸、フルオロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフルオライドとの混合物、フルオロカーボンスルホン酸等があげられる。
[1-3. Proton permeable membrane]
The proton permeable membrane may be any material that transmits protons. Examples of the material forming the proton permeable membrane include polymer acid, alumina hydrate, solid electrolyte, and the like. Among these, a polymer acid is particularly preferable. Examples of the polymer acid include a condensate of phenolsulfonic acid and formaldehyde, sulfonated polystyrene, trifluorostyrenesulfonic acid, a mixture of fluorocarbonsulfonic acid and polyvinylidene fluoride, and fluorocarbonsulfonic acid.

前記プロトン透過膜は、例えば、市販品をそのまま用いることもできる。前記プロトン透過膜の市販品としては、例えば、デュポン社製の商品名「Nafion(登録商標)」、旭硝子(株)製の商品名「フレミオン(登録商標)」、旭化成(株)製の商品名「アシプレックス」等があげられる。   As the proton permeable membrane, for example, a commercially available product can be used as it is. Commercially available products of the proton permeable membrane include, for example, a product name “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, a product name “Flemion (registered trademark)” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and a product name manufactured by Asahi Kasei Corporation. “Aciplex” and the like.

前記プロトン透過膜の厚みは、特に制限されない。前記プロトン透過膜の厚みは、例えば、20〜300μmの範囲であり、好ましくは、30〜250μmの範囲であり、より好ましくは、50〜200μmの範囲である。   The thickness of the proton permeable membrane is not particularly limited. The thickness of the proton permeable membrane is, for example, in the range of 20 to 300 μm, preferably in the range of 30 to 250 μm, and more preferably in the range of 50 to 200 μm.

前述のとおり、前記電解槽は、前記プロトン透過膜により、カソード側とアノード側とに区画された二槽構造になっている。前記カソード側の槽は、電解液を攪拌する攪拌手段を備えていることが好ましい。これは、前記電解液に含まれるレドックスメディエータの酸化還元反応を促進するためである。前記攪拌手段としては、例えば、マグネチックスターラ等の攪拌子、攪拌ノズル、回転羽根、プロペラ等の攪拌翼等があげられる。前記アノード側の槽は、不活性ガス導入手段を備えていることが好ましい。これは、前記液相燃料の溶存酸素を除去するためである。前記不活性ガス導入手段としては、例えば、気泡発生装置、気泡噴射ノズル、発泡板等があげられる。同様の観点から、前記アノード側の槽は、密閉できることがより好ましい。この場合、前記アノード側の槽は、前記液相燃料に導入される不活性ガスや発電時に発生するガス(例えば、二酸化炭素等)を排気する安全弁等の排気手段を備えていることがさらに好ましい。   As described above, the electrolytic cell has a two-tank structure divided into the cathode side and the anode side by the proton permeable membrane. The cathode side tank is preferably provided with a stirring means for stirring the electrolytic solution. This is to promote the redox reaction of the redox mediator contained in the electrolytic solution. Examples of the stirring means include a stirring bar such as a magnetic stirrer, a stirring blade such as a stirring nozzle, a rotary blade, and a propeller. It is preferable that the anode side tank is provided with an inert gas introducing means. This is to remove dissolved oxygen from the liquid phase fuel. Examples of the inert gas introduction means include a bubble generator, a bubble injection nozzle, and a foam plate. From the same viewpoint, it is more preferable that the tank on the anode side can be sealed. In this case, it is more preferable that the tank on the anode side includes an exhaust means such as a safety valve for exhausting an inert gas introduced into the liquid phase fuel or a gas generated during power generation (for example, carbon dioxide). .

[1−4.電解液]
前述のとおり、前記電解液は、レドックスメディエータおよび酸素を含む。
[1-4. Electrolyte]
As described above, the electrolytic solution includes a redox mediator and oxygen.

前記電解液は、電気伝導性を有する溶液であればよい。前記電解液は、従来公知の電解液を用いることができる。前記電解液は、酸性であることが好ましい。前記電解液を酸性とすることで、前記レドックスメディエータの酸化反応を促進させることができる。前記電解液のpHは、0〜6の範囲であることがより好ましく、さらに好ましくは、1〜4の範囲である。前記電解液のpHは、例えば、硫酸、塩素酸、過塩素酸等を添加して調整することができる。   The electrolyte solution may be a solution having electrical conductivity. As the electrolytic solution, a conventionally known electrolytic solution can be used. The electrolytic solution is preferably acidic. The oxidation reaction of the redox mediator can be promoted by making the electrolytic solution acidic. The pH of the electrolytic solution is more preferably in the range of 0-6, and still more preferably in the range of 1-4. The pH of the electrolytic solution can be adjusted by adding, for example, sulfuric acid, chloric acid, perchloric acid or the like.

前記レドックスメディエータは、特に限定されない。前記レドックスメディエータとしては、例えば、遷移金属レドックスメディエータ、有機レドックスメディエータ、無機レドックスメディエータ等があげられる。前記遷移金属レドックスメディエータとしては、例えば、Cu2+/Cuレドックスメディエータ、Fe3+/Fe2+レドックスメディエータ、[Fe(CN)4+/[Fe(CN)3+レドックスメディエータ等があげられる。前記有機レドックスメディエータとしては、例えば、キノン/ヒドロキノンレドックスメディエータ、ポリアニリン等があげられる。前記無機レドックスメディエータとしては、例えば、I /Iレドックスメディエータ、Br /Brレドックスメディエータ、NO/NOレドックスメディエータ等があげられる。これらの中でも、前記電解液に溶解または分散させやすいものが好ましい。また、前記I /Iレドックスメディエータは、前記電解液に溶解し、酸性条件下で容易に自然酸化される特徴を有するため、より好ましい。前記I /Iレドックスメディエータは、例えば、前記電解液に、ヨウ素の水溶液とヨウ化物とを所定の割合で添加することで調製することができる。前記ヨウ化物としては、例えば、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化カルシウム、ヨウ化リチウム等を含む。 The redox mediator is not particularly limited. Examples of the redox mediator include transition metal redox mediators, organic redox mediators, and inorganic redox mediators. Examples of the transition metal redox mediator include Cu 2+ / Cu redox mediator, Fe 3+ / Fe 2+ redox mediator, [Fe (CN) 6 ] 4+ / [Fe (CN) 6 ] 3+ redox mediator, and the like. Examples of the organic redox mediator include quinone / hydroquinone redox mediator, polyaniline, and the like. The inorganic redox mediator, for example, I 3 - / I - redox mediator, Br 3 - / Br - redox mediator, NO 2 / NO redox mediator, and the like. Among these, those that are easily dissolved or dispersed in the electrolytic solution are preferable. Further, the I 3 / I - redox mediator is more preferable because it has a characteristic that it is dissolved in the electrolytic solution and easily spontaneously oxidized under acidic conditions. The I 3 - / I - redox mediator, for example, the electrolyte can be prepared by adding an aqueous solution and an iodide iodine at a predetermined rate. Examples of the iodide include sodium iodide, potassium iodide, calcium iodide, lithium iodide and the like.

前記電解液におけるレドックスメディエータの濃度は、例えば、0.01〜0.5mol/Lの範囲であり、好ましくは、0.02〜0.2mol/Lの範囲であり、より好ましくは、0.05〜0.1mol/Lの範囲である。   The concentration of the redox mediator in the electrolytic solution is, for example, in the range of 0.01 to 0.5 mol / L, preferably in the range of 0.02 to 0.2 mol / L, and more preferably 0.05. It is the range of -0.1 mol / L.

[1−5.液相燃料]
前述のとおり、前記液相燃料は、燃料として有機化合物および窒素含有化合物の少なくとも一方を含む液状のものである。前記液相燃料のpHは、特に制限されないが、予め前記電解液と同じに調整しておくことが好ましい。前記液相燃料のpHを前記電解液のpHと同じに調整しておくことで、カソード側のpHを一定に保つことができるためである。前記液相燃料のpHは、例えば、硫酸、過塩素酸等を添加して調整することができる。
[1-5. Liquid phase fuel]
As described above, the liquid phase fuel is a liquid fuel containing at least one of an organic compound and a nitrogen-containing compound as a fuel. The pH of the liquid phase fuel is not particularly limited, but is preferably adjusted in advance to be the same as that of the electrolytic solution. This is because the pH on the cathode side can be kept constant by adjusting the pH of the liquid phase fuel to be the same as the pH of the electrolyte. The pH of the liquid phase fuel can be adjusted, for example, by adding sulfuric acid, perchloric acid or the like.

前記有機化合物は、特に限定されない。前記有機化合物としては、例えば、アルコール、有機酸、単糖類、少糖類、多糖類、高分子化合物等があげられる。前記アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセリン等があげられる。前記有機酸としては、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸等があげられる。前記単糖類としては、例えば、リボース、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトース等があげられる。前記少糖類としては、例えば、ラクトース、スクロース、マルトース等があげられる。前記多糖類としては、例えば、デンプン、硫酸セルロース、アガロース等があげられる。前記高分子化合物としては、例えば、リグニン、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド等があげられる。前記有機化合物は、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。   The organic compound is not particularly limited. Examples of the organic compound include alcohol, organic acid, monosaccharide, oligosaccharide, polysaccharide, and polymer compound. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, propanol, glycerin and the like. Examples of the organic acid include formic acid, acetic acid, propionic acid, and the like. Examples of the monosaccharide include ribose, glucose, galactose, mannose, and fructose. Examples of the oligosaccharide include lactose, sucrose, maltose and the like. Examples of the polysaccharide include starch, cellulose sulfate, and agarose. Examples of the polymer compound include lignin, polyethylene glycol, polyacrylamide and the like. The said organic compound may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

前記窒素含有化合物は、特に限定されない。前記窒素含有化合物としては、例えば、アンモニア、尿素、アミン、アミノ酸、タンパク質等があげられる。前記アミノ酸としては、例えば、グリシン、グルタミン、グルタミン酸、チロシン、フェニルアラニン等があげられる。前記タンパク質としては、例えば、ゼラチン、コラーゲン等があげられる。前記窒素含有化合物は、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。また、前記窒素含有化合物は、例えば、前述の有機化合物と併用してもよい。   The nitrogen-containing compound is not particularly limited. Examples of the nitrogen-containing compound include ammonia, urea, amine, amino acid, protein, and the like. Examples of the amino acid include glycine, glutamine, glutamic acid, tyrosine, phenylalanine and the like. Examples of the protein include gelatin and collagen. The said nitrogen containing compound may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. Further, the nitrogen-containing compound may be used in combination with the organic compound described above, for example.

前記有機化合物および前記窒素含有化合物が、液体である場合は、前記液相燃料における有機化合物および窒素含有化合物の少なくとも一方の濃度は、特に制限されないが、例えば、1〜50体積%の範囲であり、好ましくは、5〜30体積%の範囲であり、より好ましくは、10〜20体積%の範囲である。   When the organic compound and the nitrogen-containing compound are liquid, the concentration of at least one of the organic compound and the nitrogen-containing compound in the liquid phase fuel is not particularly limited, but is, for example, in the range of 1 to 50% by volume. The range is preferably 5 to 30% by volume, and more preferably 10 to 20% by volume.

前記有機化合物および前記窒素含有化合物が、固体である場合は、前記液相燃料における有機化合物および窒素含有化合物の少なくとも一方の濃度は、特に制限されないが、例えば、1〜50重量%の範囲であり、好ましくは、5〜30重量%の範囲であり、より好ましくは、10〜20重量%の範囲である。   When the organic compound and the nitrogen-containing compound are solid, the concentration of at least one of the organic compound and the nitrogen-containing compound in the liquid phase fuel is not particularly limited, but is, for example, in the range of 1 to 50% by weight. The range is preferably 5 to 30% by weight, and more preferably 10 to 20% by weight.

前述のとおり、前記液相燃料の溶存酸素は、除去されていることが好ましい。前記液相燃料中に酸素(O)が存在すると、例えば、光触媒が、前記酸素(O)の酸化に用いられてしまい、前記液相燃料が光触媒により酸化されるのを妨害してしまうからである。なお、前記溶存酸素が除去されているとは、前記液相燃料中の酸素(O)が完全に除去されている状態だけでなく、実質的に除去されている状態をも含む。 As described above, the dissolved oxygen in the liquid phase fuel is preferably removed. If oxygen (O 2 ) is present in the liquid phase fuel, for example, the photocatalyst is used for the oxidation of the oxygen (O 2 ), and the liquid phase fuel is prevented from being oxidized by the photocatalyst. Because. In addition, that the dissolved oxygen is removed includes not only a state in which oxygen (O 2 ) in the liquid phase fuel is completely removed but also a state in which oxygen is substantially removed.

[1−6.アノード]
前述のとおり、前記アノードは、光触媒を含む。前記光触媒は、前記光触媒のバンドギャップ以上のエネルギーを有する光が照射されることにより、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、かつ前記液相燃料に含まれる前記有機化合物および前記窒素含有化合物の少なくとも一方を酸化することができるものである。前記光触媒としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、貴金属、希土類等の金属酸化物半導体、化合物半導体等があげられる。前記金属酸化物半導体としては、例えば、TiO(ルチル型)、TiO(アナターゼ型)、FeO、CuO、In、WO、FeTiO、PbO、V、FeTiO、BiO、BiVO、Nb、SrTiO、ZnO、BaTiO、CaTiO、KTaO、SnO、ZrO等があげられる。前記化合物半導体としては、例えば、Si、GaAs、CdSe、GaP、CdS、ZnS等があげられる。これらの中でも、二酸化チタン(TiO)が好ましい。前記光触媒は、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。
[1-6. anode]
As described above, the anode includes a photocatalyst. When the photocatalyst is irradiated with light having energy greater than or equal to the band gap of the photocatalyst, electrons in the valence band are excited to the conduction band, and the organic compound and the nitrogen-containing compound contained in the liquid phase fuel At least one of these can be oxidized. Examples of the photocatalyst include metal oxide semiconductors such as alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, noble metals, rare earths, and compound semiconductors. Examples of the metal oxide semiconductor include TiO 2 (rutile type), TiO 2 (anatase type), FeO 3 , Cu 2 O, In 2 O 3 , WO 3 , Fe 2 TiO 3 , PbO, and V 2 O 5. FeTiO 3 , BiO 3 , BiVO 4 , Nb 2 O 3 , SrTiO 3 , ZnO, BaTiO 3 , CaTiO 3 , KTaO 3 , SnO 2 , ZrO 2 and the like. Examples of the compound semiconductor include Si, GaAs, CdSe, GaP, CdS, and ZnS. Among these, titanium dioxide (TiO 2 ) is preferable. The said photocatalyst may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

前記光触媒は、バンドギャップエネルギー(E)が3.2eV以上の紫外光応答型光触媒と、バンドギャップエネルギー(E)が3.2eV未満の可視光応答型光触媒とに分けることができる。前記紫外光応答型光触媒としては、例えば、TiO(アナターゼ型)、SrTiO、ZnO、BaTiO、CaTiO、KTaO、SnO、ZrO、ZnS等があげられる。前記TiO(アナターゼ型)のバンドギャップエネルギー(E)は、3.2eVである。前記TiO(アナターゼ型)は、下記式(I)より求められる波長である380nmより短い波長の光、すなわち紫外光により価電子帯の電子が励起される。前記可視光応答型光触媒としては、例えば、TiO(ルチル型)、FeO、CuO、In、WO、FeTiO、PbO、V、FeTiO、BiO、BiVO、Nb、Si、GaAs、CdSe、GaP、CdS等があげられる。前記WOのバンドギャップエネルギー(E)は、2.7eVである。前記WOは、下記式(I)より求められる波長である460nmより短い波長の光、すなわち可視光の一部および紫外光により価電子帯の電子が励起される。前記光触媒は、太陽光の有効利用の観点から、可視光応答型光触媒であることが好ましい。これらの中でも、WO、BiVOが、強い酸化力を有しており、特に好ましい。

E={(hc/(λ×10−9)}×e (I)
E:バンドギャップエネルギー(eV)
h:プランク定数(6.63×10−34J・s)
c:光速(3.0×10m/s)
λ:波長(nm)
e:電気素量(1.602×10−19C)
The photocatalyst can be classified into an ultraviolet light responsive photocatalyst having a band gap energy (E) of 3.2 eV or more and a visible light responsive photocatalyst having a band gap energy (E) of less than 3.2 eV. Examples of the ultraviolet light responsive photocatalyst include TiO 2 (anatase type), SrTiO 3 , ZnO, BaTiO 3 , CaTiO 3 , KTaO 3 , SnO 2 , ZrO 2 , and ZnS. The band gap energy (E) of the TiO 2 (anatase type) is 3.2 eV. In TiO 2 (anatase type), electrons in a valence band are excited by light having a wavelength shorter than 380 nm, which is a wavelength obtained from the following formula (I), that is, ultraviolet light. Examples of the visible light responsive photocatalyst include TiO 2 (rutile type), FeO 3 , Cu 2 O, In 2 O 3 , WO 3 , Fe 2 TiO 3 , PbO, V 2 O 5 , FeTiO 3 , and BiO 3. BiVO 4 , Nb 2 O 3 , Si, GaAs, CdSe, GaP, CdS, and the like. The band gap energy (E) of the WO 3 is 2.7 eV. In WO 3 , electrons in the valence band are excited by light having a wavelength shorter than 460 nm, which is a wavelength obtained from the following formula (I), that is, part of visible light and ultraviolet light. The photocatalyst is preferably a visible light responsive photocatalyst from the viewpoint of effective use of sunlight. Among these, WO 3 and BiVO 4 have strong oxidizing power and are particularly preferable.

E = {(hc / (λ × 10 −9 )} × e (I)
E: Band gap energy (eV)
h: Planck's constant (6.63 × 10 −34 J · s)
c: speed of light (3.0 × 10 8 m / s)
λ: Wavelength (nm)
e: Elementary electric quantity (1.602 × 10 −19 C)

前記可視光応答型光触媒は、例えば、基板に酸化チタンを蒸着させて製造される酸化チタン薄膜であってもよい。前記酸化チタン薄膜は、窒素含有不活性ガス雰囲気下で、かつ基板の温度が、400℃以上の高温条件のRFマグネトロンスパッタ法により製造される窒素置換型酸化チタン薄膜であることが、特に好ましい。   The visible light responsive photocatalyst may be, for example, a titanium oxide thin film manufactured by depositing titanium oxide on a substrate. The titanium oxide thin film is particularly preferably a nitrogen-substituted titanium oxide thin film produced by an RF magnetron sputtering method under a nitrogen-containing inert gas atmosphere and a substrate temperature of 400 ° C. or higher.

図2(A)に、RFマグネトロンスパッタ装置の構成の一例を示す。同図において、わかりやすくするために、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている。図示のとおり、このRFマグネトロンスパッタ装置20は、真空チャンバ21内に、ターゲット22および基板23が配置されている。前記ターゲット22は、永久磁石25を円形状に備えたマグネトロン部24に取り付けられている。前記基板23は、基板加熱ヒータ26に取り付けられている。前記真空チャンバ21は、不活性ガス導入口27および排気口28を備えている。前記マグネトロン部24には、高周波電源29および高周波マッチング装置30が接続されている。前記RFマグネトロンスパッタ装置20としては、例えば、大阪真空(株)製の商品名「N−SP−12型」等があげられる。前記ターゲット22としては、例えば、TiO焼結体等があげられる。前記基板23としては、例えば、石英、インジウムスズ酸化物(ITO)、金属Ti等があげられる。 FIG. 2A shows an example of a configuration of an RF magnetron sputtering apparatus. In the figure, the size, ratio, and the like of each component are different from actual ones for easy understanding. As shown in the figure, the RF magnetron sputtering apparatus 20 has a target 22 and a substrate 23 arranged in a vacuum chamber 21. The target 22 is attached to a magnetron portion 24 having a permanent magnet 25 in a circular shape. The substrate 23 is attached to a substrate heater 26. The vacuum chamber 21 includes an inert gas introduction port 27 and an exhaust port 28. A high frequency power supply 29 and a high frequency matching device 30 are connected to the magnetron unit 24. Examples of the RF magnetron sputtering apparatus 20 include a trade name “N-SP-12 type” manufactured by Osaka Vacuum Co., Ltd. Examples of the target 22 include a TiO 2 sintered body. Examples of the substrate 23 include quartz, indium tin oxide (ITO), and metal Ti.

図2(B)を参照して、前記装置を用いた窒素置換型酸化チタン薄膜の製造方法について説明する。ただし、前記窒素置換型酸化チタン薄膜の製造方法はこの例に限定されない。まず、前記真空チャンバ21内を、実質的に真空状態にし、前記基板23を加熱し、前記不活性ガス導入口27から、窒素含有不活性ガス31を導入する。ついで、前記基板23と前記ターゲット22との間に、電圧を印加し、高周波マグネトロンスパッタリングを実施する。このようにして、前記基板23上に窒素置換型酸化チタン薄膜32を製造することができる。前記基板23の温度は、例えば、400℃以上であり、好ましくは、600℃以上、より好ましくは、700℃以上、さらに好ましくは、800℃以上である。   With reference to FIG. 2 (B), the manufacturing method of the nitrogen substitution type titanium oxide thin film using the said apparatus is demonstrated. However, the method for producing the nitrogen-substituted titanium oxide thin film is not limited to this example. First, the inside of the vacuum chamber 21 is substantially evacuated, the substrate 23 is heated, and the nitrogen-containing inert gas 31 is introduced from the inert gas inlet 27. Next, a voltage is applied between the substrate 23 and the target 22 to perform high frequency magnetron sputtering. In this way, the nitrogen-substituted titanium oxide thin film 32 can be manufactured on the substrate 23. The temperature of the substrate 23 is, for example, 400 ° C. or higher, preferably 600 ° C. or higher, more preferably 700 ° C. or higher, and still more preferably 800 ° C. or higher.

この製造方法において、前記窒素含有不活性ガスは、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスであることが好ましい。前記混合ガスの混合比は、特に制限されない。前記混合ガスの混合比(体積比:窒素ガス/アルゴンガス)としては、例えば、0.02〜0.7の範囲であり、好ましくは、0.03〜0.6の範囲であり、より好ましくは、0.05〜0.3の範囲である。   In this manufacturing method, the nitrogen-containing inert gas is preferably a mixed gas of nitrogen gas and argon gas. The mixing ratio of the mixed gas is not particularly limited. The mixing ratio of the mixed gas (volume ratio: nitrogen gas / argon gas) is, for example, in the range of 0.02 to 0.7, preferably in the range of 0.03 to 0.6, and more preferably. Is in the range of 0.05 to 0.3.

この製造方法において、前記窒素置換型酸化チタン薄膜を、さらに焼成することが好ましい。焼成温度は、例えば、200℃以上であり、好ましくは、200〜500℃の範囲であり、より好ましくは、200〜400℃の範囲である。   In this manufacturing method, it is preferable that the nitrogen-substituted titanium oxide thin film is further baked. A calcination temperature is 200 degreeC or more, for example, Preferably, it is the range of 200-500 degreeC, More preferably, it is the range of 200-400 degreeC.

前記窒素置換型酸化チタン薄膜の製造方法において、例えば、前記混合ガスに代えて、酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガス等を用いることにより、紫外光応答型酸化チタン薄膜を製造することができる。前記酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガスの混合比(体積比:酸素ガス/アルゴンガス)としては、例えば、0.02〜0.7の範囲であり、好ましくは、0.03〜0.6の範囲であり、より好ましくは、0.05〜0.3の範囲である。   In the method for producing a nitrogen-substituted titanium oxide thin film, for example, an ultraviolet light-responsive titanium oxide thin film can be produced by using a mixed gas of oxygen gas and argon gas instead of the mixed gas. The mixing ratio of the mixed gas of oxygen gas and argon gas (volume ratio: oxygen gas / argon gas) is, for example, in the range of 0.02 to 0.7, preferably 0.03 to 0.6. More preferably, it is the range of 0.05-0.3.

前記アノードの形状は、特に制限されない。前記アノードの形状は、例えば、平板状であってもよいし、線状であってもよいし、棒状であってもよい。前記アノードは、多孔質であることが好ましい。前記アノードが多孔質であれば、例えば、前記液相燃料との接触面積を増やすことができ、アノード側の酸化反応を促進することができる。多孔質のアノードを形成する方法としては、例えば、予め揮発性物質を混合した状態でアノードを形成した後に、加熱によって前記揮発性物質を気化させて形成する方法、多孔状の型を用いて形成する方法、カソードを形成した後に針等でピンホールを形成することにより形成する方法、凹凸状の基板上に蒸着等によって、アノードを形成することで形成する方法、蒸着によってアノードを形成する際に、ガスを混合させることで形成する方法等があげられる。   The shape of the anode is not particularly limited. The shape of the anode may be, for example, a flat plate shape, a linear shape, or a rod shape. The anode is preferably porous. If the anode is porous, for example, the contact area with the liquid phase fuel can be increased, and the oxidation reaction on the anode side can be promoted. As a method for forming a porous anode, for example, a method in which an anode is formed in a state where volatile substances are mixed in advance and then the volatile substance is vaporized by heating, or a porous mold is used. A method of forming a cathode by forming a pinhole with a needle after forming the cathode, a method of forming an anode by vapor deposition or the like on an uneven substrate, and a method of forming an anode by vapor deposition And a method of forming by mixing gases.

[1−7.カソード]
前記カソードの材料は、導電性を有するものであればよい。前記カソードの材料は、従来公知のものを使用することができる。前記カソードの材料としては、例えば、金属、合金、無機化合物、有機化合物、カーボン等があげられる。前記金属としては、例えば、Pt、Au、Ag、Cu、Fe、Ni、Ti、Pd、Ir、Rh、Os、Ru、Co、Reまたはこれらの酸化物等があげられる。前記合金としては、例えば、Pt−Co、Pt−Au、Pt−Sn、Cu−Au、Cu−Ag、Pd−Ni、Pd−Au、Ru−Ta、Ni−Mn、Ni−P、Ni−酸化コバルト、Pt−Pd−Au、Ag−Ni−P、ラネー銀、ラネーニッケル等があげられる。前記無機化合物としては、例えば、ホウ化ニッケル、ホウ化コバルト、炭化タングステン、酸化タングステン、リン化タングステン、リン化ニオブ、水酸化チタン、遷移金属の炭化物、スピネル化合物、遷移金属のペロブスカイト型イオン結晶等があげられる。前記有機化合物としては、例えば、非イオン活性剤、フタロシアニン、金属フタロシアニン、キノン類等があげられる。前記カーボンとしては、例えば、カーボンペーパ、カーボンファイバ、カーボンの成型体、カーボンの焼結体等があげられる。これらの中でも、コストの観点からカーボン等の安価な材料を用いることが好ましい。前記材料は、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。
[1-7. Cathode]
The cathode material may be any material having conductivity. Conventionally known materials can be used for the cathode. Examples of the cathode material include metals, alloys, inorganic compounds, organic compounds, and carbon. Examples of the metal include Pt, Au, Ag, Cu, Fe, Ni, Ti, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, Co, Re, and oxides thereof. Examples of the alloy include Pt—Co, Pt—Au, Pt—Sn, Cu—Au, Cu—Ag, Pd—Ni, Pd—Au, Ru—Ta, Ni—Mn, Ni—P, and Ni—oxidation. Examples include cobalt, Pt—Pd—Au, Ag—Ni—P, Raney silver, Raney nickel, and the like. Examples of the inorganic compound include nickel boride, cobalt boride, tungsten carbide, tungsten oxide, tungsten phosphide, niobium phosphide, titanium hydroxide, transition metal carbide, spinel compound, transition metal perovskite ion crystal, etc. Is given. Examples of the organic compound include nonionic activators, phthalocyanines, metal phthalocyanines, quinones, and the like. Examples of the carbon include carbon paper, carbon fiber, a carbon molded body, and a carbon sintered body. Among these, it is preferable to use an inexpensive material such as carbon from the viewpoint of cost. The said material may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

前記カソードの形状は、特に制限されない。前記カソードの形状は、例えば、前記アノードと同様の形状とすることができる。   The shape of the cathode is not particularly limited. The shape of the cathode can be, for example, the same shape as the anode.

[1−8.外部回路]
前記外部回路は、特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
[1-8. External circuit]
The external circuit is not particularly limited, and a conventionally known circuit can be used.

[1−9.その他の構成部材]
本発明の光燃料電池は、前述の主要構成部材に加えて、その他の構成部材を備えていてもよい。その他の構成部材としては、例えば、液相燃料を供給するための供給口等があげられる。
[1-9. Other components]
The photofuel cell of the present invention may include other constituent members in addition to the main constituent members described above. Examples of other components include a supply port for supplying liquid phase fuel.

〔2.光燃料電池の製造方法〕
本発明の光燃料電池は、例えば、前述の各主要構成部材と、必要に応じてその他の構成部材とを従来公知の方法で組み立てることにより製造することができる。
[2. Photofuel cell manufacturing method]
The photovoltaic fuel cell of the present invention can be produced, for example, by assembling the above-described main constituent members and, if necessary, other constituent members by a conventionally known method.

〔3.光燃料電池の発電方法〕
つぎに、本発明の光燃料電池の発電方法について例をあげて説明する。ただし、本発明の光燃料電池の発電方法は、この例に限定されない。
[3. Photoelectric fuel cell power generation method]
Next, the power generation method of the photovoltaic fuel cell according to the present invention will be described with an example. However, the power generation method of the photovoltaic fuel cell of the present invention is not limited to this example.

図3の模式図を参照して、本発明の光燃料電池の発電方法について説明する。同図において、わかりやすくするために、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている。また、同図において、図1と同一部分には、同一符号を付している。図示のとおり、この光燃料電池40において、液相燃料16は、有機化合物として、メタノールを含む。電解液17は、レドックスメディエータとして、I /Iレドックスメディエータを含む。前記液相燃料16および前記電解液17は、酸性である。なお、本発明の光燃料電池は、この例に限定されない。 With reference to the schematic diagram of FIG. 3, the power generation method of the photovoltaic fuel cell of this invention is demonstrated. In the figure, the size, ratio, and the like of each component are different from actual ones for easy understanding. Moreover, in the same figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as FIG. As shown in the figure, in the photovoltaic fuel cell 40, the liquid phase fuel 16 contains methanol as an organic compound. The electrolytic solution 17 includes I 3 / I - redox mediator as a redox mediator. The liquid phase fuel 16 and the electrolytic solution 17 are acidic. The photofuel cell of the present invention is not limited to this example.

まず、光触媒を含むアノード12に、前記光触媒のバンドギャップ以上のエネルギーを有する光41aが、照射される。これにより、前記アノード12に含まれる光触媒の価電子帯の電子が伝導帯に励起され、前記価電子帯には、正孔42(h)が生じる。前記液相燃料16界面に達した正孔(h)42は、メタノールを二酸化炭素に酸化(矢印A:下記式(II))して、プロトン(H)を発生させる。また、前記励起された電子43aは、前記伝導帯に生じている電位勾配に沿って移動し、外部導線18を通じてカソード11に達する(矢印B)。これにより、前記外部回路15に光電流(矢印C)が発生する。この例において、アノード側の槽13bの壁面(例えば、同図において右側の側面)が、光透過性であれば、前記光41aに代えて、もしくは加えて光41bが照射されてもよい。

CHOH+HO+6h→CO+6H (II)
First, the anode 41 including the photocatalyst is irradiated with light 41a having energy greater than or equal to the band gap of the photocatalyst. Thereby, electrons in the valence band of the photocatalyst contained in the anode 12 are excited to the conduction band, and holes 42 (h + ) are generated in the valence band. The holes (h + ) 42 reaching the interface of the liquid phase fuel 16 oxidize methanol into carbon dioxide (arrow A: the following formula (II)) to generate protons (H + ). The excited electrons 43a move along the potential gradient generated in the conduction band and reach the cathode 11 through the external conductor 18 (arrow B). As a result, a photocurrent (arrow C) is generated in the external circuit 15. In this example, if the wall surface of the anode side tank 13b (for example, the right side surface in the figure) is light transmissive, the light 41b may be irradiated instead of or in addition to the light 41a.

CH 3 OH + H 2 O + 6h + → CO 2 + 6H + (II)

前記液相燃料16は、溶存酸素が除去されていることが好ましい。図示のとおり、前記溶存酸素の除去は、前記アノード側の槽13bに備えられた不活性ガス導入手段44を用いて、不活性ガス45のパージにより実施される。前記不活性ガス導入手段44は、前述のとおりである。前記不活性ガスとしては、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、メタン、エタン等があげられる。前記不活性ガスは、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。不活性ガスのパージは、この例に限定されない。前記不活性ガスのパージは、例えば、予め発電前に実施されてもよいし、予め実施された上でこの例のように発電中に実施されてもよい。なお、本発明の光燃料電池は、この例に限定されない。本発明の光燃料電池は、例えば、前記不活性ガス導入手段を備えていなくてもよい。   The liquid phase fuel 16 is preferably free from dissolved oxygen. As shown in the figure, the dissolved oxygen is removed by purging with an inert gas 45 using an inert gas introducing means 44 provided in the anode side tank 13b. The inert gas introducing means 44 is as described above. Examples of the inert gas include nitrogen, helium, argon, krypton, methane, and ethane. The said inert gas may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. The inert gas purge is not limited to this example. The inert gas purge may be performed, for example, before power generation in advance, or may be performed during power generation as in this example after being performed in advance. The photofuel cell of the present invention is not limited to this example. For example, the photovoltaic fuel cell of the present invention may not include the inert gas introducing means.

前記光は、自然エネルギーを有効利用する観点から、太陽光であることが好ましい。前記光は、例えば、光触媒のバンドギャップ以上のエネルギーを有する光を照射し得る人工光源からの光であってもよい。前記人工光源としては、例えば、キセノンランプ、紫外光ランプ、水銀ランプ(高圧、超高圧)、白熱灯、蛍光灯等があげられる。   The light is preferably sunlight from the viewpoint of effectively using natural energy. The light may be, for example, light from an artificial light source that can irradiate light having energy greater than or equal to the band gap of the photocatalyst. Examples of the artificial light source include a xenon lamp, an ultraviolet light lamp, a mercury lamp (high pressure or ultrahigh pressure), an incandescent lamp, and a fluorescent lamp.

一方、前記電解液17において、前述のとおり、Iは酸性条件下で容易に自然酸化(矢印D:下記式(III))を受け、I となる。一定時間を経過した後には、Iと、I とが平衡に達している。I は、カソード11に達した電子43bにより、Iに還元(矢印E:下記式(IV))される。これにより、カソード11側のレドックスサイクルが実現している。この時、カソード11側のプロトン(H)は、前記酸化反応(矢印D)により減少する。しかし、前記アノード12側で発生したプロトン(H)が、プロトン透過膜14を透過して、カソード11側に移動する(矢印F)ことで、カソード11側に供給される。これにより、本発明の光燃料電池では、完全な回路が実現し、定常的に光電流(矢印C)を発生させることが可能となる。

6I+O+4H→2I +2HO (III)

2I +4e→6I (IV)
On the other hand, in the electrolytic solution 17, as described above, I easily undergoes natural oxidation (arrow D: the following formula (III)) under acidic conditions to become I 3 . After a certain period of time, I and I 3 have reached equilibrium. I 3 is reduced to I (arrow E: the following formula (IV)) by the electrons 43b reaching the cathode 11. Thereby, the redox cycle on the cathode 11 side is realized. At this time, the proton (H + ) on the cathode 11 side decreases due to the oxidation reaction (arrow D). However, protons (H + ) generated on the anode 12 side pass through the proton permeable membrane 14 and move to the cathode 11 side (arrow F), thereby being supplied to the cathode 11 side. Thereby, in the photovoltaic fuel cell of the present invention, a complete circuit is realized, and it is possible to constantly generate a photocurrent (arrow C).

6I + O 2 + 4H + → 2I 3 + 2H 2 O (III)

2I 3 + 4e → 6I (IV)

前記電解液17は、攪拌されていることが好ましい。図示のとおり、前記攪拌は、カソード側の槽13aに備えられた攪拌手段46を用いて実施される。前記攪拌を実施することより、前記電解液17に、前記酸化反応(矢印D)で消費される酸素(O)を空気中から供給することができ、発電を持続することができる。前記攪拌手段46は、前述のとおりである。前記攪拌は、この例に限定されない。前記攪拌は、例えば、予め発電前に実施されてもよいし、予め実施された上でこの例のように発電中に実施されてもよい。なお、本発明の光燃料電池は、この例に限定されない。本発明の光燃料電池は、例えば、前記攪拌手段を備えていなくてもよい。 The electrolytic solution 17 is preferably stirred. As illustrated, the agitation is performed using agitation means 46 provided in the cathode-side tank 13a. By carrying out the stirring, oxygen (O 2 ) consumed in the oxidation reaction (arrow D) can be supplied from the air to the electrolytic solution 17, and power generation can be continued. The stirring means 46 is as described above. The stirring is not limited to this example. The agitation may be performed before power generation in advance, or may be performed during power generation as in this example after being performed in advance. The photofuel cell of the present invention is not limited to this example. For example, the photovoltaic fuel cell of the present invention may not include the stirring means.

本発明の光燃料電池の発電時の動作温度は、特に限定されない。前記光燃料電池は、室温でも十分な動作が得られるが、光触媒による液相燃料の酸化速度を向上させる観点から、高温下で動作させてもよい。前記動作温度は、例えば、3〜90℃の範囲、好ましくは10〜80℃の範囲であり、より好ましくは、30〜70℃の範囲である。   The operating temperature of the photovoltaic fuel cell of the present invention during power generation is not particularly limited. The photofuel cell can operate sufficiently even at room temperature, but may be operated at a high temperature from the viewpoint of improving the oxidation rate of the liquid phase fuel by the photocatalyst. The said operating temperature is the range of 3-90 degreeC, for example, Preferably it is the range of 10-80 degreeC, More preferably, it is the range of 30-70 degreeC.

つぎに、本発明の実施例について比較例と併せて説明する。なお、本発明は、下記の実施例および比較例によってなんら限定ないし制限されない。また、各実施例および各比較例における各種特性および物性の測定並びに数値の算出は、下記の方法により実施した。   Next, examples of the present invention will be described together with comparative examples. The present invention is not limited or restricted by the following examples and comparative examples. In addition, the measurement of various properties and physical properties and the calculation of numerical values in each example and each comparative example were performed by the following methods.

(a)光電流
光電流は、定電位測定により測定した。前記定電位測定は、アノードとカソードとの電位差を0Vにして光照射を行い、このとき流れる光電流を測定することで行った。前記定電位測定は、ポテンショスタット/ガルバノスタット、ファンクションジェネレーターおよびX−Yレコーダーが内蔵された電気化学測定システム(北斗電工(株)製の商品名「HZ−3000」)のプログラムを用いて行った。
(A) Photocurrent Photocurrent was measured by constant potential measurement. The constant potential measurement was performed by irradiating light with the potential difference between the anode and the cathode being 0 V, and measuring the photocurrent flowing at this time. The constant potential measurement was performed using a program of an electrochemical measurement system (trade name “HZ-3000” manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) incorporating a potentiostat / galvanostat, a function generator, and an XY recorder. .

(b)短絡電流密度(JSC)および開放電圧(VOC
短絡電流密度(JSC)および開放電圧(VOC)は、リニアスイープボルタンメトリ(LSV)測定を用いて求めた。前記LSV測定は、光照射時に発生する光起電力値から0Vにまで変化させたときの光電流値をプロットすることにより行った。この結果から、抵抗がゼロの状態で流れる光電流を短絡電流密度(JSC)とした。また、開回路状態(抵抗が無限大)において発生する光起電力を開放電圧(VOC)とした。前記LSV測定は、前述の電気化学測定システム(北斗電工(株)製の商品名「HZ−3000」)のプログラムを用いて行った。
(B) Short-circuit current density (J SC ) and open circuit voltage (V OC )
The short circuit current density (J SC ) and the open circuit voltage (V OC ) were determined using linear sweep voltammetry (LSV) measurement. The LSV measurement was performed by plotting the photocurrent value when the photovoltaic power value generated during light irradiation was changed from 0V to 0V. From this result, the photocurrent flowing in a state where the resistance was zero was defined as the short-circuit current density (J SC ). Moreover, the photovoltaic power generated in the open circuit state (resistance is infinite) was defined as the open circuit voltage (V oc ). The LSV measurement was performed using a program of the above-described electrochemical measurement system (trade name “HZ-3000” manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.).

(c)光電流変換効率(η)
光電流変換効率(η)は、下記式(V)より算出した。なお、形成因子(ff)は、光燃料電池の発電による電力の最大値(Pmax)を用いて、下記式(VI)より算出した値である。また、入射強度(I)は、パワーメータ(OPHIR社製の商品名「NovaII」)を用いて測定した。

η={(JSC×VOC×ff)/I}×100 (V)
η:光電流変換効率(%)
SC:短絡電流密度(mA/cm
OC:開放電圧(V)
ff:形成因子
I:入射強度(mW/cm

ff=Pmax/(JSC×VOC) (VI)
max:電力の最大値(mW)
(C) Photocurrent conversion efficiency (η)
The photocurrent conversion efficiency (η) was calculated from the following formula (V). The formation factor (ff) is a value calculated from the following formula (VI) using the maximum value (P max ) of electric power generated by the photovoltaic fuel cell. The incident intensity (I 0 ) was measured using a power meter (trade name “NovaII” manufactured by OPHIR).

η = {(J SC × V OC × ff) / I 0 } × 100 (V)
η: Photocurrent conversion efficiency (%)
J SC : short circuit current density (mA / cm 2 )
V OC : Open circuit voltage (V)
ff: formation factor
I 0 : Incident intensity (mW / cm 2 )

ff = P max / (J SC × V OC ) (VI)
P max : Maximum power value (mW)

(d)吸収スペクトル
電解液の吸収スペクトルは、自記分光光度計((株)島津製作所製、商品名「UV−2200A」)を用いて測定した。
(D) Absorption spectrum The absorption spectrum of the electrolytic solution was measured using a self-recording spectrophotometer (manufactured by Shimadzu Corporation, trade name “UV-2200A”).

〔アノード〕
[参考例1]
RFマグネトロンスパッタ装置(大阪真空(株)製の商品名「N−SP−12型」)を用いて、下記の条件で、可視光応答型二酸化チタン(Vis−TiO)を作製した。
ターゲット:TiO((株)オーナルテック製、99.990%)
基板:ITOガラス基板(三容真空工業(株)製、サイズ:0.7mm×8mm×40mm)
基板温度:600℃
ターゲットと基板との距離:75mm
到達真空度:8×10−4Pa
成膜圧:2.0Pa
スパッタガス:アルゴンガス(99.995%)
スパッタガス流量:4.23 ×10−3Pa・m/s
RF出力:300W
成膜時間:300分
〔anode〕
[Reference Example 1]
Using an RF magnetron sputtering device (trade name “N-SP-12 type” manufactured by Osaka Vacuum Co., Ltd.), visible light responsive titanium dioxide (Vis—TiO 2 ) was produced under the following conditions.
Target: TiO 2 (manufactured by Oraltech Co., Ltd., 99.990%)
Substrate: ITO glass substrate (manufactured by Sanyo Vacuum Industry Co., Ltd., size: 0.7 mm × 8 mm × 40 mm)
Substrate temperature: 600 ° C
Distance between target and substrate: 75mm
Ultimate vacuum: 8 × 10 −4 Pa
Deposition pressure: 2.0Pa
Sputtering gas: Argon gas (99.995%)
Sputtering gas flow rate: 4.23 × 10 −3 Pa · m 3 / s
RF output: 300W
Deposition time: 300 minutes

[参考例2]
基板温度を200℃としたこと以外は、参考例1と同様の条件および方法で、紫外光応答型二酸化チタン(UV−TiO)を作製した。
[Reference Example 2]
Ultraviolet light-responsive titanium dioxide (UV-TiO 2 ) was produced under the same conditions and method as in Reference Example 1 except that the substrate temperature was 200 ° C.

〔カソード〕
[参考例3]
白金の針金と銅線とをはんだ付けにより接合することで白金線を作製した。ついで、前記白金線の白金部分の一箇所に、バーナーを用いて溶融したソーダガラスのガラス玉を取り付けた。ついで、前記ガラス玉を取り付けた白金線を、ガラス管(AGCテクノグラス(株)製、商品名「パイレックス(登録商標)」)内に、前記白金線の銅線側から挿入し、前記ガラス玉が、前記ガラス管の端に当たるところまで通した。前記ガラス管は、その直径が、前記ガラス玉と同じか、前記ガラス玉より小さいものを用いた。最後に、バーナーを用いて、前記ガラス管の端と、前記ガラス玉とを熱融着することで、Pt電極を作製した。
[Cathode]
[Reference Example 3]
A platinum wire was produced by joining a platinum wire and a copper wire by soldering. Next, a glass ball of soda glass melted using a burner was attached to one portion of the platinum portion of the platinum wire. Next, the platinum wire with the glass ball attached is inserted into a glass tube (trade name “Pyrex (registered trademark)” manufactured by AGC Techno Glass Co., Ltd.) from the copper wire side of the platinum wire, and the glass ball Was passed to the end of the glass tube. The glass tube having the same diameter as the glass ball or smaller than the glass ball was used. Finally, using a burner, the end of the glass tube and the glass ball were thermally fused to produce a Pt electrode.

[参考例4]
(株)ニラコ製のカーボン電極072591 95615201を準備した。
[Reference Example 4]
A carbon electrode 072591 95615201 manufactured by Niraco Co., Ltd. was prepared.

〔電解槽〕
[参考例5]
縦60mm×横60mm×高さ60mmのガラス容器(AGCテクノグラス(株)製、商品名「パイレックス(登録商標)」)を準備した。前記ガラス容器は、その一つの側面の中心部分に、縦40mm×横40mmの開口部を有する。2つの前記ガラス容器を、ゴムバンドを用いて、前記開口部を合わせるようにして、つなぎ合わせることで、電解槽を作製した。
[Electrolysis tank]
[Reference Example 5]
A glass container (manufactured by AGC Techno Glass Co., Ltd., trade name “Pyrex (registered trademark)”) having a length of 60 mm × width of 60 mm × height of 60 mm was prepared. The glass container has an opening of 40 mm in length and 40 mm in width at the central portion of one side surface thereof. The two glass containers were joined using a rubber band so that the openings were aligned, thereby producing an electrolytic cell.

〔プロトン透過膜〕
[参考例6]
デュポン社製のプロトン透過膜、商品名「Nafion(登録商標)117」を準備した。
[Proton permeable membrane]
[Reference Example 6]
A proton permeable membrane manufactured by DuPont, trade name “Nafion (registered trademark) 117” was prepared.

〔液相燃料〕
[参考例7]
NaSO水溶液に、有機化合物として、メタノールを10体積%となるように添加した。ついで、1mol/Lの硫酸を用いて、前記メタノールを含むNaSO水溶液のpHを2に調整した。ついで、前記pHを2に調整したNaSO水溶液を、0.5mol/Lの濃度に調整することで、液相燃料を調製した。
[Liquid phase fuel]
[Reference Example 7]
Methanol was added to the Na 2 SO 4 aqueous solution as an organic compound so as to be 10% by volume. Next, the pH of the Na 2 SO 4 aqueous solution containing methanol was adjusted to 2 using 1 mol / L sulfuric acid. Next, a liquid phase fuel was prepared by adjusting the Na 2 SO 4 aqueous solution whose pH was adjusted to 2 to a concentration of 0.5 mol / L.

[参考例8]
有機化合物として、エタノールを10体積%となるように添加したこと以外は、参考例7と同様の条件および方法で、液相燃料を調製した。
[Reference Example 8]
A liquid-phase fuel was prepared under the same conditions and method as in Reference Example 7 except that ethanol was added so as to be 10% by volume as the organic compound.

[参考例9]
有機化合物として、グリセリンを10体積%となるように添加したこと以外は、参考例7と同様の条件および方法で、液相燃料を調製した。
[Reference Example 9]
A liquid-phase fuel was prepared under the same conditions and method as in Reference Example 7, except that glycerol was added as an organic compound so as to be 10% by volume.

〔電解液〕
[参考例10]
NaSO水溶液に、レドックスメディエータとして、NaIとI水溶液とを、それぞれ、0.5mol/Lおよび0.025mol/Lとなるように添加した。ついで、1mol/Lの硫酸を用いて、前記レドックスメディエータを含むNaSO水溶液のpHを2に調整した。ついで、前記pHを2に調整したNaSO水溶液の濃度を、0.5mol/Lに調整することで、電解液を調製した。図4のグラフに、本参考例の電解液の吸収スペクトルを示す。なお、本参考例の電解液の吸収スペクトルの測定は、本参考例の電解液を、250倍希釈した希釈液の吸収スペクトルを測定することで行った。本参考例の電解液は、調製時から、Iと、I とが平衡に達していたと考えられた。
[Electrolyte]
[Reference Example 10]
In aqueous Na 2 SO 4, as a redox mediator, a NaI and I 2 aqueous solution, respectively, it was added to a 0.5 mol / L and 0.025 mol / L. Next, the pH of the Na 2 SO 4 aqueous solution containing the redox mediator was adjusted to 2 using 1 mol / L sulfuric acid. Subsequently, the electrolytic solution was prepared by adjusting the concentration of the Na 2 SO 4 aqueous solution whose pH was adjusted to 2 to 0.5 mol / L. The absorption spectrum of the electrolyte solution of this reference example is shown in the graph of FIG. The absorption spectrum of the electrolyte solution of this reference example was measured by measuring the absorption spectrum of a diluted solution obtained by diluting the electrolyte solution of this reference example 250 times. In the electrolytic solution of this reference example, it was considered that I and I 3 reached equilibrium from the time of preparation.

[参考例11]
レドックスメディエータとして、NaIのみを0.5mol/Lとなるように添加したこと以外は、参考例10と同様の条件および方法で、電解液を調製した。図5のグラフに、本参考例の電解液を空気中で攪拌した場合の攪拌時間と吸収スペクトルとの関係を示す。なお、本参考例の電解液の吸収スペクトルの測定は、本参考例の電解液を、5000倍希釈した希釈液の吸収スペクトルを測定することで行った。同図において、0.5h、1h、2h、3h、5h、7h、9hとは、それぞれ、攪拌を開始してから、0.5時間、1時間、2時間、3時間、5時間、7時間、9時間経過したことを示す。なお、本参考例の電解液は、調製時においては、Iのみが存在したと考えられた。図示のとおり、時間の経過とともに、電解液の吸収スペクトルは変化し、前記図4とほぼ同様の吸収スペクトルがみられた。このことから、Iは酸性条件下において容易に自然酸化されてI となることが確かめられた。
[Reference Example 11]
As a redox mediator, an electrolytic solution was prepared under the same conditions and method as in Reference Example 10 except that only NaI was added to 0.5 mol / L. The graph of FIG. 5 shows the relationship between the stirring time and the absorption spectrum when the electrolytic solution of this reference example is stirred in air. In addition, the measurement of the absorption spectrum of the electrolyte solution of this reference example was performed by measuring the absorption spectrum of the diluted solution which diluted the electrolyte solution of this reference example 5000 times. In the figure, 0.5h, 1h, 2h, 3h, 5h, 7h, and 9h are 0.5 hour, 1 hour, 2 hours, 3 hours, 5 hours, and 7 hours from the start of stirring, respectively. , 9 hours have passed. In addition, it was thought that only the I < - > existed in the electrolyte solution of this reference example at the time of preparation. As shown in the figure, the absorption spectrum of the electrolytic solution changed with time, and an absorption spectrum almost the same as that shown in FIG. 4 was observed. From this, it was confirmed that I was easily spontaneously oxidized to I 3 under acidic conditions.

[参考例12]
レドックスメディエータを添加しなかったこと以外は、参考例10と同様の条件および方法で、電解液を調製した。
[Reference Example 12]
An electrolyte solution was prepared under the same conditions and method as in Reference Example 10 except that no redox mediator was added.

〔人工光源〕
[参考例13]
300nm以上の波長の光を発するキセノンランプ(500W、ウシオ電機(株)製の商品名「XENON SHORT ARC LAMP」)を準備した。前記キセノンランプを、約100mW/cmの光がアノードに照射されるように、水フィルタを用いて調整した。
[Artificial light source]
[Reference Example 13]
A xenon lamp (500 W, trade name “XENON SHORT ARC LAMP” manufactured by USHIO INC.) That emits light having a wavelength of 300 nm or more was prepared. The xenon lamp was adjusted using a water filter so that light of about 100 mW / cm 2 was irradiated on the anode.

[実施例1]
まず、参考例1のアノードおよび参考例3のカソードを、参考例5の電解槽内に配置した。前記電解槽に、参考例6のプロトン透過膜をアノード側の槽とカソード側の槽に区画するように配置した。ついで、前記アノード側の槽に、参考例7の液相燃料を充填し、前記カソード側の槽に、参考例10の電解液を充填した。このようにして、本実施例の光燃料電池を作製した。なお、前記液相燃料には、溶存酸素を除去するために、発電前に、アルゴンガス(99.995%)のパージを約15分間行った。つぎに、前記光燃料電池のアノードに、参考例13の人工光源を用いて光(入射強度(I):101.3mW/cm、照射面積:1.0cm)を照射し、発電を行った。なお、発電前に実施した前記アルゴンガスのパージは、発電中も引き続き実施した。また、前記電解液は、マグネチックスターラを用いて、発電中、激しく攪拌した。下記表1に本実施例の光燃料電池の構成および発電条件を示す。
[Example 1]
First, the anode of Reference Example 1 and the cathode of Reference Example 3 were placed in the electrolytic cell of Reference Example 5. In the electrolytic cell, the proton permeable membrane of Reference Example 6 was disposed so as to be divided into an anode-side cell and a cathode-side cell. Subsequently, the anode-side tank was filled with the liquid phase fuel of Reference Example 7, and the cathode-side tank was filled with the electrolyte solution of Reference Example 10. In this way, the photofuel cell of this example was produced. The liquid phase fuel was purged with argon gas (99.995%) for about 15 minutes before power generation in order to remove dissolved oxygen. Next, light (incident intensity (I 0 ): 101.3 mW / cm 2 , irradiation area: 1.0 cm 2 ) is irradiated on the anode of the photofuel cell using the artificial light source of Reference Example 13 to generate power. went. The purge of the argon gas performed before power generation was continued during power generation. The electrolytic solution was vigorously stirred during power generation using a magnetic stirrer. Table 1 below shows the configuration and power generation conditions of the photovoltaic fuel cell of this example.

[実施例2]
カソードとして、参考例4のカソードを用いたこと以外は、実施例1と同様の条件および方法で、本実施例の光燃料電池を作製し、発電を行った。下記表1に本実施例の光燃料電池の構成および発電条件を示す。
[Example 2]
Except for using the cathode of Reference Example 4 as the cathode, the photofuel cell of this example was produced and generated electricity under the same conditions and method as in Example 1. Table 1 below shows the configuration and power generation conditions of the photovoltaic fuel cell of this example.

[実施例3]
アノードとして、参考例2のアノードを用いたこと以外は、実施例2と同様の条件および方法で、本実施例の光燃料電池を作製し、発電を行った。下記表1に本実施例の光燃料電池の構成および発電条件を示す。
[Example 3]
Except for using the anode of Reference Example 2 as the anode, a photovoltaic fuel cell of this example was produced and generated electricity under the same conditions and method as in Example 2. Table 1 below shows the configuration and power generation conditions of the photovoltaic fuel cell of this example.

[実施例4]
電解液として、参考例11の電解液を用いたこと以外は、実施例2と同様の条件および方法で、本実施例の光燃料電池を作製し、発電を行った。下記表1に本実施例の光燃料電池の構成および発電条件を示す。
[Example 4]
Except for using the electrolyte solution of Reference Example 11 as the electrolyte solution, the photovoltaic fuel cell of this example was produced and generated under the same conditions and method as in Example 2. Table 1 below shows the configuration and power generation conditions of the photovoltaic fuel cell of this example.

[実施例5]
電解液として、参考例11の電解液を用いたこと以外は、実施例3と同様の条件および方法で、本実施例の光燃料電池を作製し、発電を行った。下記表1に本実施例の光燃料電池の構成および発電条件を示す。
[Example 5]
Except for using the electrolyte solution of Reference Example 11 as the electrolyte solution, the photofuel cell of this example was produced and generated under the same conditions and method as in Example 3. Table 1 below shows the configuration and power generation conditions of the photovoltaic fuel cell of this example.

[実施例6]
液相燃料として、参考例8の液相燃料を用いたこと以外は、実施例2と同様の条件および方法で、本実施例の光燃料電池を作製し、発電を行った。下記表1に本実施例の光燃料電池の構成および発電条件を示す。
[Example 6]
Except for using the liquid phase fuel of Reference Example 8 as the liquid phase fuel, a photovoltaic fuel cell of this example was produced and power was generated under the same conditions and method as in Example 2. Table 1 below shows the configuration and power generation conditions of the photovoltaic fuel cell of this example.

[実施例7]
液相燃料として、参考例9の液相燃料を用いたこと以外は、実施例2と同様の条件および方法で、本実施例の光燃料電池を作製し、発電を行った。下記表1に本実施例の光燃料電池の構成および発電条件を示す。
[Example 7]
Except for using the liquid phase fuel of Reference Example 9 as the liquid phase fuel, the photovoltaic fuel cell of this example was produced and power was generated under the same conditions and method as in Example 2. Table 1 below shows the configuration and power generation conditions of the photovoltaic fuel cell of this example.

[比較例1]
電解液として、参考例12の電解液を用いたこと以外は、実施例1と同様の条件および方法で、本比較例の光燃料電池を作製し、発電を行った。下記表1に本比較例の光燃料電池の構成および発電条件を示す。
[Comparative Example 1]
Except for using the electrolyte solution of Reference Example 12 as the electrolyte solution, a photofuel cell of this comparative example was produced under the same conditions and method as in Example 1 to generate electric power. Table 1 below shows the configuration and power generation conditions of the photovoltaic fuel cell of this comparative example.

[比較例2]
電解液として、参考例12の電解液を用いたこと以外は、実施例2と同様の条件および方法で、本比較例の光燃料電池を作製し、発電を行った。下記表1に本比較例の光燃料電池の構成および発電条件を示す。
[Comparative Example 2]
Except for using the electrolyte solution of Reference Example 12 as the electrolyte solution, a photofuel cell of this comparative example was produced under the same conditions and method as in Example 2 to generate electric power. Table 1 below shows the configuration and power generation conditions of the photovoltaic fuel cell of this comparative example.

Figure 2009218080
Figure 2009218080

図6のグラフに、実施例1および比較例1のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示す。実施例1の光燃料電池は、LSV測定より、VOC=0.74V、JSC=1.1mA/cm、ff=0.25であった。また、実施例1の光燃料電池のηは、前記式(V)より、0.19%であった。一方、比較例1の光燃料電池は、LSV測定より、VOC=0.82V、JSC=0.46mA/cm、ff=0.12であった。また、比較例1の光燃料電池のηは、前記式(V)より、0.045%であった。この結果から、レドックスメディエータとして、I /Iレドックスメディエータを導入することで、実施例1の光燃料電池は、レドックスメディエータを導入していない比較例1の光燃料電池と比較して、短絡電流密度および形成因子が、約2倍に向上し、光電流変換効率が、約4.2倍に向上した。 The graph of FIG. 6 shows the LSV measurement results of Example 1 and Comparative Example 1 as a current-voltage curve. From the LSV measurement, the photofuel cell of Example 1 had V OC = 0.74 V, J SC = 1.1 mA / cm 2 , and ff = 0.25. In addition, η of the photovoltaic fuel cell of Example 1 was 0.19% based on the formula (V). On the other hand, the optical fuel cell of Comparative Example 1 was V OC = 0.82 V, J SC = 0.46 mA / cm 2 , and ff = 0.12 from LSV measurement. Moreover, (eta) of the photofuel cell of the comparative example 1 was 0.045% from the said Formula (V). From this result, by introducing I 3 / I - redox mediator as a redox mediator, the photofuel cell of Example 1 is compared with the photofuel cell of Comparative Example 1 in which no redox mediator is introduced, The short-circuit current density and the formation factor were improved about twice, and the photocurrent conversion efficiency was improved about 4.2 times.

図7のグラフに、比較例1および2のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示す。図示のとおり、レドックスメディエータを導入せず、かつカソードにカーボン電極を用いた比較例2の光燃料電池は、光電流変換効率が低かった。   The graph of FIG. 7 shows the LSV measurement results of Comparative Examples 1 and 2 as current-voltage curves. As shown in the drawing, the photoelectric fuel cell of Comparative Example 2 in which the redox mediator was not introduced and the carbon electrode was used for the cathode had a low photocurrent conversion efficiency.

図8のグラフに、実施例1および2のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示す。図示のとおり、レドックスメディエータとして、I /Iレドックスメディエータを導入することで、カソードにカーボン電極を用いた実施例2の光燃料電池は、カソードにPt電極を用いた実施例1の光燃料電池と同程度の光電流変換効率であった。すなわち、レドックスメディエータを導入することで、カソードにカーボンを用いた実施例2の光燃料電池は、前述の比較例2の光燃料電池と比較して、光電流変換効率が、大幅に向上した。 The graph of FIG. 8 shows the LSV measurement results of Examples 1 and 2 as current-voltage curves. As shown, as a redox mediator, I 3 - / I - by introducing a redox mediator, light fuel cell of Example 2 using the carbon electrode to the cathode, the light of Example 1 using the Pt electrode to the cathode The photocurrent conversion efficiency was similar to that of a fuel cell. That is, by introducing the redox mediator, the photocurrent conversion efficiency of the photofuel cell of Example 2 using carbon for the cathode was significantly improved as compared with the photofuel cell of Comparative Example 2 described above.

図9のグラフに、実施例2および3のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示す。図示のとおり、アノードにVis−TiOを用いた実施例2の方が、アノードにUV−TiOを用いた実施例3より、高い短絡電流密度を得ることができた。なお、実施例3の光燃料電池のηは、0.17%であった。すなわち、レドックスメディエータを導入していない比較例1と比較して、実施例3の光燃料電池の光電流変換効率は、約3.8倍に向上した。 The graph of FIG. 9 shows the LSV measurement results of Examples 2 and 3 as current-voltage curves. As shown in the drawing, Example 2 using Vis-TiO 2 for the anode was able to obtain a higher short-circuit current density than Example 3 using UV-TiO 2 for the anode. In addition, η of the photovoltaic fuel cell of Example 3 was 0.17%. That is, the photocurrent conversion efficiency of the photofuel cell of Example 3 was improved by about 3.8 times compared to Comparative Example 1 in which no redox mediator was introduced.

図10のグラフに、実施例4および5の短絡電流値と、電解液の攪拌時間との関係を示す。図示のとおり、攪拌の開始から時間の経過ともに、アノードにVis−TiOを用いた実施例4、およびアノードにUV−TiOを用いた実施例5の双方の短絡電流値が向上し、一定時間の経過後、一定の電流値となった。前述のとおり、電解液に添加されたIが、電解液の攪拌により自然酸化を受けて、I となったためであると考えられた。 In the graph of FIG. 10, the relationship between the short circuit current value of Example 4 and 5 and the stirring time of electrolyte solution is shown. As shown in the figure, the short-circuit current values of both Example 4 using Vis-TiO 2 for the anode and Example 5 using UV-TiO 2 for the anode improve with the passage of time from the start of stirring. After a lapse of time, the current value became constant. As described above, it was considered that I added to the electrolytic solution was subjected to natural oxidation by stirring of the electrolytic solution to become I 3 .

図11のグラフに、実施例4および5の電解液の攪拌を開始した時点(0h:0時間)と、短絡電流値が一定となった時点(4h:4時間)との、LSV測定結果を電流−電圧曲線として示す。図示のとおり、短絡電流値が一定となった時点(4h:4時間)では、攪拌を開始した時点(0h:0時間)と比較して、実施例4および5の光燃料電池の光電流変換効率は、大幅に向上した。   The graph of FIG. 11 shows the LSV measurement results at the time when the stirring of the electrolytes of Examples 4 and 5 was started (0h: 0 hour) and when the short-circuit current value became constant (4h: 4 hours). Shown as a current-voltage curve. As shown in the figure, when the short-circuit current value becomes constant (4h: 4 hours), the photocurrent conversion of the photovoltaic fuel cells of Examples 4 and 5 is compared with the time when stirring is started (0h: 0 hours). Efficiency has improved significantly.

図12のグラフに、実施例2、6および7のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示す。実施例2の光燃料電池のηは、前述のとおり、0.19%であった。実施例6の光燃料電池のηは、0.14%であった。また、実施例7の光燃料電池のηは、0.25%であった。有機化合物として、メタノール、エタノール、グリセリンのいずれを用いた光燃料電池でも、レドックスメディエータを導入していない比較例1と比較して、光電流変換効率が向上した。   The graph of FIG. 12 shows the LSV measurement results of Examples 2, 6, and 7 as current-voltage curves. Η of the photovoltaic fuel cell of Example 2 was 0.19% as described above. The η of the photovoltaic fuel cell of Example 6 was 0.14%. In addition, η of the photovoltaic fuel cell of Example 7 was 0.25%. In a photofuel cell using any of methanol, ethanol, and glycerin as the organic compound, the photocurrent conversion efficiency was improved as compared with Comparative Example 1 in which no redox mediator was introduced.

以上のように、本発明の光燃料電池は、光電流変換効率に優れる。本発明の光燃料電池は、アノードに光が照射されることで、液相燃料が光触媒的に酸化されることにより、発電することができる。このため、本発明の光燃料電池は、光が照射される環境下で使用される小型電子機器、例えば、携帯電話、電子手帳、ノートパソコン等に組み込まれた形態で用いることができる。また、本発明の光燃料電池は、バイオマスや廃棄物等に含まれる有機化合物や窒素含有化合物を、燃料として用いることができるため資源を有効利用して発電を行う燃料電池としても用いることができる。ただし、本発明の光燃料電池は、前述の用途には限定されず、広い分野に適用可能である。   As described above, the photofuel cell of the present invention is excellent in photocurrent conversion efficiency. The photofuel cell of the present invention can generate electric power by irradiating light to the anode and oxidizing liquid phase fuel photocatalytically. For this reason, the photofuel cell of the present invention can be used in a form incorporated in a small electronic device used in an environment where light is irradiated, for example, a mobile phone, an electronic notebook, a notebook personal computer or the like. The photovoltaic fuel cell of the present invention can also be used as a fuel cell for generating power by effectively using resources because organic compounds and nitrogen-containing compounds contained in biomass, waste, etc. can be used as fuel. . However, the photovoltaic fuel cell of the present invention is not limited to the above-mentioned applications, and can be applied to a wide range of fields.

図1は、本発明の光燃料電池の構成の一例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the photovoltaic fuel cell of the present invention. 図2(A)は、RFマグネトロンスパッタ装置の構成の一例を示す模式図である。図2(B)は、図2(A)の装置を用いた窒素置換型酸化チタン薄膜の製造方法の一例を説明する模式図である。FIG. 2A is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of an RF magnetron sputtering apparatus. FIG. 2B is a schematic diagram for explaining an example of a method for producing a nitrogen-substituted titanium oxide thin film using the apparatus of FIG. 図3は、本発明の光燃料電池による発電方法を説明する模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a power generation method using the photovoltaic fuel cell according to the present invention. 図4は、I およびIの双方を含む電解液の吸収スペクトルを示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing an absorption spectrum of an electrolytic solution containing both I 3 and I . 図5は、Iのみを添加した電解液を、空気中で攪拌した場合の攪拌時間と吸収スペクトルとの関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the stirring time and the absorption spectrum when the electrolyte containing only I is stirred in air. 図6は、本発明の一実施例のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the LSV measurement result of one example of the present invention as a current-voltage curve. 図7は、本発明の一参考例のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the LSV measurement result of one reference example of the present invention as a current-voltage curve. 図8は、本発明のその他の実施例のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing LSV measurement results of other examples of the present invention as current-voltage curves. 図9は、本発明のさらにその他の実施例のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the LSV measurement results of still another example of the present invention as a current-voltage curve. 図10は、本発明の一実施例の短絡電流値と、電解液の攪拌時間との関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the short-circuit current value and the electrolytic solution stirring time in one example of the present invention. 図11は、本発明のさらにその他の実施例のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the LSV measurement results of still another example of the present invention as a current-voltage curve. 図12は、本発明のさらにその他の実施例のLSV測定結果を、電流−電圧曲線として示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the LSV measurement results of still another example of the present invention as a current-voltage curve.

符号の説明Explanation of symbols

10、40 光燃料電池
11 カソード
12 アノード
13 電解槽
13a カソード側の槽
13b アノード側の槽
14 プロトン透過膜
15 外部回路
16 液相燃料
17 電解液
18 外部導線
20 RFマグネトロンスパッタ装置
21 真空チャンバ
22 ターゲット
23 基板
24 マグネトロン部
25 永久磁石
26 基板加熱ヒータ
27 不活性ガス導入口
28 不活性ガス排気口
29 高周波電源
30 高周波マッチング装置
31 窒素含有不活性ガス
32 窒素置換型酸化チタン薄膜
41a、41b 光
42 正孔
43a、43b 電子
44 不活性ガス導入手段
45 不活性ガス
46 攪拌手段
A、B、C、D、E、F 矢印
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 40 Photofuel cell 11 Cathode 12 Anode 13 Electrolytic tank 13a Cathode side tank 13b Anode side tank 14 Proton permeable membrane 15 External circuit 16 Liquid phase fuel 17 Electrolyte 18 External conductor 20 RF magnetron sputtering apparatus 21 Vacuum chamber 22 Target 23 Substrate 24 Magnetron unit 25 Permanent magnet 26 Substrate heater 27 Inert gas inlet 28 Inert gas exhaust port 29 High frequency power supply 30 High frequency matching device 31 Nitrogen-containing inert gas 32 Nitrogen-substituted titanium oxide thin films 41a and 41b Light 42 Positive Holes 43a, 43b Electron 44 Inert gas introduction means 45 Inert gas 46 Stirring means A, B, C, D, E, F Arrow

Claims (8)

カソードおよび光触媒を含むアノードを備え、前記カソードおよび前記アノードは、外部回路を介し電気的に接続され、前記光触媒への光照射により、液相燃料を光触媒的に酸化して生じた電子を前記外部回路に取り出すことにより発電する光燃料電池であって、
さらに、電解槽およびプロトン透過膜を備え、
前記カソードおよび前記アノードが、前記電解槽内部に配置され、
前記電解槽内部が、前記プロトン透過膜により、前記カソード側と前記アノード側とに区画された二槽構造になっており、
前記アノード側の槽に、前記液相燃料が充填され、
前記カソード側の槽に、レドックスメディエータおよび酸素を含む電解液が充填され、
前記液相燃料の光触媒的酸化により生じたプロトンが、前記プロトン透過膜を通過して、前記アノード側の槽から前記カソード側の槽に移動し、
前記液相燃料の光触媒的酸化により生じた電子が、前記外部回路を通じて前記アノードから前記カソードに移動し、
前記カソード側の槽において、前記プロトン存在下、前記酸素が前記アノードから移動してきた電子により還元されて水に変換される酸化還元反応が生じ、前記酸化還元反応が、前記レドックスメディエータを介した反応であることを特徴とする光燃料電池。
An anode including a cathode and a photocatalyst, wherein the cathode and the anode are electrically connected via an external circuit, and electrons generated by photocatalytically oxidizing liquid phase fuel by photoirradiation of the photocatalyst A photovoltaic fuel cell that generates electricity by being taken out into a circuit,
Furthermore, an electrolytic cell and a proton permeable membrane are provided,
The cathode and the anode are disposed within the electrolytic cell;
The inside of the electrolytic cell has a two-cell structure divided into the cathode side and the anode side by the proton permeable membrane,
The tank on the anode side is filled with the liquid phase fuel,
The cathode side tank is filled with an electrolyte containing redox mediator and oxygen,
Protons generated by photocatalytic oxidation of the liquid phase fuel pass through the proton permeable membrane and move from the anode side tank to the cathode side tank,
Electrons generated by photocatalytic oxidation of the liquid phase fuel move from the anode to the cathode through the external circuit,
In the tank on the cathode side, in the presence of the proton, an oxidation-reduction reaction occurs in which the oxygen is reduced by electrons transferred from the anode and converted to water, and the oxidation-reduction reaction is a reaction via the redox mediator. A photovoltaic fuel cell characterized by the above.
前記レドックスメディエータが、I /Iレドックスメディエータである請求項1記載の光燃料電池。 The photovoltaic fuel cell according to claim 1, wherein the redox mediator is an I 3 / I redox mediator. 前記電解液が、酸性である請求項1または2記載の光燃料電池。 The photovoltaic fuel cell according to claim 1, wherein the electrolytic solution is acidic. 前記光触媒が、可視光応答型光触媒である請求項1から3のいずれか一項に記載の光燃料電池。 The photofuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the photocatalyst is a visible light responsive photocatalyst. 前記光触媒が、二酸化チタンである請求項1から4のいずれか一項に記載の光燃料電池。 The photofuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the photocatalyst is titanium dioxide. 前記カソードが、カーボンを含む請求項1から5のいずれか一項に記載の光燃料電池。 The photovoltaic fuel cell according to claim 1, wherein the cathode contains carbon. 前記液相燃料の溶存酸素が、除去されている請求項1から6のいずれか一項に記載の光燃料電池。 The photovoltaic fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein dissolved oxygen in the liquid phase fuel is removed. 前記アノード側の槽の壁面が、光透過性である請求項1から7のいずれか一項に記載の光燃料電池。
The photovoltaic fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein a wall surface of the anode-side tank is light transmissive.
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