JP2019065367A - 光エネルギー利用装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施形態1に係る光エネルギー利用装置の一例である人工光合成ユニットについて、図1を用いて説明する。この光合成ユニットは、炭酸ガスと水を原料として、陽極で酸素を、陰極でギ酸または一酸化酸素を生成する。
比較例の人工光合成ユニットを図2に示す。この例では、陽極2を1枚の平板の陽極ユニットから構成し、その面積を太陽電池1の受光面積と同じにした。それ以外は、実施形態1と同じである。
実施形態1、比較例ともに、陽極2と陰極3の間の電圧が1.8Vになるように調節し、時間と電流の関係を測定した。その結果を図3に示す。
人工光合成ユニットは、太陽電池1で発生する電流を有効に使うことができるような形態であればよく、上述したように、陽極2の性能上、太陽電池1の受光面と同じ面積では電流密度が高すぎ、陽極2が劣化するのであれば、陽極2の面積を大きくすればよい。一方、陰極3の性能上、太陽電池1の受光面と同じ面積では陰極3陽極が劣化するのであれば、陰極3の面積を多くすればよい。さらに、陽極2と陰極3が共に、太陽電池受光面と同じ面積では劣化するのであれば、陽極2と陰極3の両方の面積を、太陽電池1の受光面よりも広くすればよい。陽極2、陰極3において、劣化するのは触媒であり、担持する触媒の種類によっても、劣化し易いかどうかは異なる。そこで、使用する触媒に合わせて、その電極面積を決定することが好適である。
図4に、実施形態2の構成を示す。この例では、実施形態1のように、陽極2を折り曲げることなく、平板状のまま面積を大きくしている。従って、陽極2は、中央部が陰極3と対向しているが、周辺部は陽極2の法線方向において対向する位置に陰極3は、存在しない。しかし、周辺部分も、陽極2として機能することができ、陽極2の電流密度は面積が拡がったことに応じて小さくなる。
図5に、実施形態3の構成を示す。この例では、陽極2を複数配置している。すなわち、陽極2として、2枚の陽極2a,2bを有する。陽極2aは容器5の太陽電池1が設けられる側面の内側に配置されており、面積は太陽電池1の受光面積と同じである。また、陽極2aに対向する容器5の側面の内側には陰極3が配置されており、この面積も太陽電池1の受光面積と同じである。
図6に、実施形態4の構成を示す。この例では、2枚の陽極2a,2bと、2枚の陰極3a,3bを有し、これらそれぞれの電極の面積は太陽電池1の受光面積と同じである。陽極2aは容器5の太陽電池1が設けられる側面の内側に配置されている。また、陽極2aから所定の間隔をおいて対向する容器5の内部の位置に陰極3aが設けられ、陰極3aの裏側には所定の間隔をおいて陽極2bが容器5の側面の内側に配置されている。このように、容器5内には、陽極2a、陰極3a、陽極2b、陰極3bがこの順で配置されており、これらの電極間の3つ空間には原料キャリア4が流通できるようになっている。陰極3a、陽極2bはその両面が電極として機能し、3つの空間で酸化還元反応が生起される。このように、この例では、陽極2、陰極3の面積は、太陽電池1の受光面積の3倍に相当する。
図7に、実施形態5の構成を示す。この例では、容器5が3つの部屋に分割され、それぞれに陽極2と陰極3が対向配置されている。すなわち、太陽電池1の内側に第1の部屋が設けられここに陽極2a、陰極3aが対向配置され、第2の部屋に陽極2b、陰極3bが対向配置され、第3の部屋に陽極2c、陰極3cが対向配置されている。そして、各部屋にそれぞれ開口5a,5bが設けられ、各部屋に原料キャリア4が流通する。この例では、陽極2、陰極3は片面のみが電極として機能し、その面積はそれぞれ太陽電池1の受光面積の3倍になっている。
図8に、実施形態6の構成を示す。この例では、容器5が、プロトン透過電解質膜8によって、陽極室6と、陰極室7に分割されている。そして、陽極室6には、開口5a,5bを介し、陽極用原料キャリア4aが供給され、陰極室7には、開口5a,5bを介し、陰極用原料キャリア4bが供給される。この例において、陽極2の面積が太陽電池1の受光面積に比べ、3倍程度になっている。
図9に、実施形態7の構成を示す。この例では、図7の実施形態6の構成に比べ、陰極室7に2枚の陰極3a,3bを配置している。すなわち、プロトン透過電解質膜8に近い陰極室7内に陰極3aが配置され、陰極室の側壁内側に陰極3bが配置されている。陽極2b、陰極3aは部分的に貫通孔が形成されており、陽極2a,2bで生成するプロトンなどが陰極3a,3bに到達しやすくなっている。この構成によれば、陽極2、陰極3の両方の面積が太陽電池1の受光面積に比べ大きくなっている(それぞれ約3倍)。
図10に、実施形態8の構成を示す。この例では、図8の実施形態7に比べ、陽極室6として、2つの陽極室6a,6bを設けている。すなわち、容器5内には、2枚のプロトン透過電解質膜8a,8bが設けられ、陽極室6a、陰極室7、陽極室6bに仕切られている。太陽電池1が設けられる側壁の内側に陽極室6aが配置され、ここに陽極2a、2bが配置され、プロトン透過電解質膜8aを介し隣接する陰極室7に陰極3a,3bが配置され、プロトン透過電解質膜8bを介し隣接する陽極室6bに陽極2c,2dが配置されている。陽極2b,2cは部分的に貫通孔が形成されており、陽極2a,2dで生成するプロトンなどが陰極3a,3bに到達しやすくなっている。そして、陽極室6a,6bには陽極用原料キャリア4aが流通され、陰極室7には陰極用原料キャリア4bが流通される。
ここで、本実施形態の一形態では、太陽電池1からの電力を利用し、陽極2において原料キャリアの水から酸素ガスが発生し、陰極3において二酸化炭素からギ酸または一酸化炭素を発生する。
具体的な装置構成例を図13に示す。容器5の位置側壁の外側には、太陽電池1が配置されている。この例においては、太陽電池1は、4つの太陽電池セル1a〜1dの直列接続で構成されている。各太陽電池セル1a〜1dには、結晶シリコン太陽電池が利用されている。4つの直列接続で2V程度の出力が得られる。なお、太陽電池セルは、4〜6個が好適である。
Claims (5)
- 光エネルギーを利用して、原料キャリアから合成物を生成する光エネルギー利用装置において、
入射してくる光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池と、
原料キャリアと接触する陽極および陰極を含み、太陽電池からの出力を陽極と陰極の間に印加して、陽極または陰極に接触する原料キャリアから合成物を生成する合成部と、
を有し、
陽極または陰極の面積が、太陽電池の受光面積より大きい、
光エネルギー利用装置。 - 請求項1に記載の光エネルギー利用装置であって、
原料キャリアは、液状であり、合成物は液体または気体である、
光エネルギー利用装置。 - 請求項1または2に記載の光エネルギー利用装置であって、
陽極または陰極の面積は、太陽電池の受光面積の2倍以上である、
光エネルギー利用装置。 - 請求項1〜3のいずれか1つに記載の光エネルギー利用装置であって、
太陽電池の受光面の法線方向に、陽極または陰極を複数配置する、
光エネルギー利用装置。 - 請求項1〜4のいずれか1つに記載の光エネルギー利用装置であって、
陽極と陰極との電極間距離は、20cm以下である、
光エネルギー利用装置。
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