JP6799609B2 - 閉ループ型光触媒太陽光素子を用いた発電システム及び方法 - Google Patents

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関連出願への相互参照

本出願は、２０１６年３月９日に出願された米国特許出願第１５／０６５，２３５号に対する優先権を主張し、その全体の内容は参照により組み込まれる。

本開示は、光触媒発電システムに関する。より具体的には、本開示は、放射線活性連続閉ループ酸化／還元サイクルを用いて電力を生成する光触媒発電システムの技術を紹介する。

本開示の主題によれば、光触媒発電システムは、太陽光ハウジングと、光アノードと、電解質膜と、カソードと、酸素拡散膜と、外部発電回路と、を含む。太陽光ハウジングは、光アノード活性化放射線に対して透明な入力窓を備え、アノード側とカソード側とを備える。光アノードは、太陽光ハウジング内のアノード側に位置付けされ、外部発電回路に電気的に連結される。カソードは、太陽光ハウジング内のカソード側に位置付けされ、外部発電回路に電気的に連結される。電解質膜は、光アノードとカソードとの間に位置付けされ、それらに電気化学的に係合して光触媒セルを形成する。太陽光ハウジングは、アノード側に位置付けされたアノード側流路とカソード側に位置付けされたカソード側流路とを有する閉ループ水チャンバを備える。太陽光ハウジングは、アノード側流路からカソード側流路に延在する再結合水路を備え、アノード側流路からカソード側流路に延在する酸素輸送路を備える。さらに、酸素拡散膜は、アノード側流路と酸素輸送路との間に位置付けされ、カソードで生成された再結合水が、酸素輸送路に沿ってカソード側流路からアノード側流路へと流れることを抑制し、カソードで生成された再結合水が、再結合水路に沿って、カソード側流路からアノード側流路に流れることを可能にするように構造的に構成される。

本開示の実施形態によれば、光触媒発電システムは、太陽光ハウジングと、光アノードと、電解質膜と、カソードと、酸素拡散膜と、外部発電回路と、を含む。太陽光ハウジングは、光アノード活性化放射線に対して透明な入力窓を備える。光アノードは、太陽光ハウジング内に位置付けされ、外部発電回路に電気的に連結される。カソードは、太陽光ハウジング内に位置付けされ、外部発電回路に電気的に連結される。太陽光ハウジングは、光アノード、カソード、及び電解質膜を囲む閉ループ水チャンバを備える。酸素拡散膜は、閉ループ水チャンバ内に位置付けされ、酸素拡散膜を通る水の流れを抑制し、酸素拡散膜を通る酸素分子の流れを可能にするように構造的に構成される。光アノードは、光アノード活性化放射線を受け取り、光アノード活性化放射線に暴露されると、外部発電回路によって受容可能な電子を出力し、電子正孔を生成して、閉ループ水チャンバ内に収容された水が電子正孔で酸化して水素イオンと酸素分子になるように構造的に構成される。電解質膜は、光アノードとカソードとの間に陽子経路を提供するように構造的に構成される。閉ループ水チャンバは、酸素拡散膜を横断して光アノードとカソードとの間に延在する酸素分子のための経路を提供するように構造的に構成される。カソードは、陽子経路から水素イオンを受け取り、酸素分子を受け取り、水素イオンと酸素分子の還元によって水素イオン及び酸素分子を結合させて再結合水にするように構造的に構成される。さらに、閉ループ水チャンバ、酸素拡散膜を横断せずにカソードと光アノードとの間に延在する再結合水のための経路を提供するように構造的に構成される

本開示の概念は、いくつかの特定の光触媒発電システム構成を主に参照して本明細書に記載されているが、任意の数の光アノード、電解質膜、及びカソードを有する光触媒発電システムへの適用性を享受すると考えられる。

本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むと最もよく理解することができる。

本明細書に示され説明される１つ以上の実施形態による光触媒発電システムの概略図である。 本明細書に示され説明される１つ以上の実施形態による複数の光アノードを有する光触媒発電システムの概略図である。 本明細書に示され説明される１つ以上の実施形態による複数の光触媒サブセルを有する光触媒発電システムの概略図である。

図１は、太陽光ハウジング１１０と、光アノード１４２と、電解質膜１４６と、カソード１４４と、酸素拡散膜１１６と、外部発電回路１５０と、を備える光触媒発電システム１００の概略図である。太陽光ハウジング１１０は、例えば、紫外線、可視光線、赤外線などの太陽光線などの光アノード活性化放射線１０２に対して透明な入力窓１１２を備える。

いくつかの実施形態では、太陽光ハウジング１１０は、アノード側１０４及びカソード側１０６を備えるものとして説明することができる。入力窓１１２は、太陽光ハウジング１１０のアノード側１０４に位置付けることができる。光アノード１４２は、アノード側１０４において太陽光ハウジング１１０内に同様に位置付けされてもよく、外部発電回路１５０に電気的に連結され得る。カソード１４４は、太陽光ハウジング１１０内のカソード側１０６に位置付けすることができ、また外部発電回路１５０に電気的に連結することもできる。さらに、電解質膜１４６は、光アノード１４２とカソード１４４との間に位置付けされ、それらに電気化学的に係合して光触媒セル１４０を形成する。太陽光ハウジング１１０は、電気化学的に活性な構成要素と周囲の空気、湿度、粉塵等との間の気密分離を提供することができる任意の材料、及び太陽光ハウジング１１０に構造的及び機械的完全性を提供することができる任意の材料を含有する、本明細書に示されるタイプの電気化学的に活性な構成要素を収容するのに適した様々な材料で構築することができる。例えば、太陽光ハウジング１１０は、１つ以上の金属、ＩＮＯＸ金属、プラスチック、プレキシガラス、ガラス繊維、またはそれらの組み合わせで構築することができると考えられる。

外部発電回路１５０は、発電ユニット１５４と、回路経路１５２とを備えている。回路経路１５２は、例えば、導電性ワイヤ、導電性トレースなどの電気経路を含み、光アノード１４２、発電ユニット１５４、及びカソード１４４に電気的に連結される。発電ユニット１５４は、光アノード１４２によって出力された電子によって生成された電流を受け取るように構造的に構成される。電流を受け取ると、発電ユニット１５４は、電力を生成するように構造的に構成されている。

図１に示すように、太陽光ハウジング１１０は、光触媒セル１４０を取り囲み、いくつかの実施形態では、太陽光ハウジング１１０内に機密封止された閉ループ水チャンバ１２０を備える。水は、太陽光ハウジング１１０の閉ループ水チャンバ１２０内に収容されてもよく、例えば、液体水、ガス入り水、またはそれらの組み合わせであってもよい。いくつかの実施形態では、水と不活性ガスとの混合物を閉ループ水チャンバ１２０内に収容することができる。不活性ガスは、光アノード活性化放射線１０２を吸収しない不活性ガス、例えば、Ｎ_２、Ｈｅ、Ａｒなどを含む。動作中、閉ループ水チャンバ１２０内に収容された水は、水が光アノード１４２で分割され、カソード１４４で再結合され、再利用のため光アノード１４２に輸送されて戻される連続閉ループ酸化／還元サイクルで酸化され、還元される。太陽光ハウジング１１０内の圧力は、大気圧に近似することができると考えられる。

閉ループ水チャンバ１２０は、アノード側１０４に位置付けされたアノード側流路１２２と、カソード側１０６に位置付けされたカソード側流路１２４と、を含む。閉ループ水チャンバ１２０はまた、アノード側流路１２２からカソード側流路１２４に延在する再結合水路１２８と、アノード側流路１２２からカソード側流路１２４に延在する酸素輸送路１２６と、を備える。再結合水路１２８と酸素輸送路１２６の両方は、アノード側流路１２２とカソード側流路１２４とを流体的に結合する。また、アノード側流路１２２に位置付けされた水は、光アノード１４２に接触することができ、カソード側流路１２４に位置付けされた水は、カソード１４４に接触することができる。

酸素拡散膜１１６は、例えば、アノード側流路１２２と酸素輸送路１２６との間の閉ループ水チャンバ１２０内に位置付けされる。酸素拡散膜１１６は、酸素拡散膜１１６を通る酸素拡散を可能にし、酸素拡散膜１１６を通る水拡散を抑制する、閉ループ水チャンバ１２０内の選択的バリアを提供する。選択的バリアを設けることにより、酸素拡散膜１１６は、閉ループ水チャンバ１２０内の水の流れを受動的に制御して、連続閉ループ酸化／還元サイクルを容易にする。特に、酸素拡散膜１１６は、カソード１４４で生成した再結合水が、酸素輸送路１２６に沿ってカソード側流路１２４からアノード側流路１２２に流れるのを抑制し、カソード１４４で生成した再結合水が、カソード側流路１２４からアノード側流路１２２へと再結合水路１２８に沿って流れることを可能にする。

酸素拡散膜１１６は、水溶液または水蒸気を含むガス状溶液中での酸素拡散を選択的に可能にするのに好適な任意の膜材料で構築することができると考えられる。これより先、酸素拡散膜１１６の正確な組成は、本開示の範囲を超えており、対象に関する従来のまだ開発されていない教示から学ぶことができる。例えば、酸素拡散膜１１６は、多孔質無機膜、多孔質ポリマー膜、有機−無機複合膜、シリコンゴム、またはそれらの組み合わせから形成されてもよいと考えられる。多孔質無機膜の例には、ガラス、金属、アルミナ、ジルコニア、ゼオライト、炭素繊維、コージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタニア、酸化スズ、マイカ、またはそれらの組み合わせが含まれる。多孔質ポリマー膜の例には、ペルフルオロジオキソール、ポリエーテルスルホン、ポリアニリン、ポリイミド、ポリスルホン、ポリアラミド、ポリカーボネート、シリコンゴム、ポリフェニレンオキシド、酢酸セルロース、ポリプロピレン、またはこれらの組み合わせを有する膜が含まれる。さらに、酸素拡散膜１１６は、例えば、中空繊維膜、らせん状に巻かれた膜、板枠式膜などの任意の膜形状を含むことができる。

いくつかの実施形態では、第１のセル壁１１８ａ及び第２のセル壁１１８ｂは、太陽光ハウジング１１０内に各々位置付けされ、光触媒セル１４０に各々結合される。第１のセル壁１１８ａは、光触媒セル１４０と再結合水路１２８との間に位置付けされ、光アノード１４２、電解質膜１４６、及びカソード１４４の各々に結合することができる。第１のセル壁１１８ａは、再結合水路１２８と、光アノード１４２、電解質膜１４６、及びカソード１４４の各々との間にバリアを提供する。第２のセル壁１１８ｂは、光触媒セル１４０と酸素輸送路１２６との間に位置付けされ、光アノード１４２、電解質膜１４６、及びカソード１４４の各々に結合されてもよい。第２のセル壁１１８ｂは、酸素輸送路１２６と、光アノード１４２、電解質膜１４６、及びカソード１４４の各々との間のバリアを提供する。いくつかの実施形態では、第１及び第２のセル壁１１８ａ、１１８ｂは、閉ループ水チャンバ１２０が光触媒セル１４０を取り囲むように、太陽光ハウジング１１０に各々結合され、太陽光ハウジング１１０内に光触媒セル１４０を固定する。さらに、いくつかの実施形態では、酸素拡散膜１１６は、第２のセル壁１１８ｂと太陽光ハウジング１１０との間に位置付けされ、結合される。セル壁１１８ａ、１１８ｂは、光触媒セル１４０の構造的及び電気化学的完全性を維持するのに好適な任意の材料から構築されてもよいと考えられる。例えば、限定するものではないが、第１及び第２のセル壁１１８ａ、１１８ｂは、ポリプロピレンまたはＮａｆｉｏｎ（登録商標）などのポリマー、セラミックス、例えばアルミナまたはチタニア、またはそれらの組み合わせなどの任意の耐食性電気絶縁材料から構築されてもよいと考えられる。

図１をさらに参照すると、光アノード１４２は、１つ以上の半導体材料（例えば、ｐ型半導体材料）を含む感光性アノードであり、光アノード活性化放射線１０２の波長範囲内、例えば、紫外線、可視光線、赤外線、またはそれらの組み合わせのような太陽放射線を吸収するように構造的に構成される。光アノード１４２は、光アノード１４２の価電子帯と光アノード１４２の伝導帯との間のエネルギー差であるバンドギャップエネルギー（Ｅ_ｂｇ）を含む。光アノード１４２が吸収するように構成された光子活性化放射線１０２の光子エネルギーは、光アノード１４２のバンドギャップエネルギーと実質的に等しいかまたはそれより大きい。さらに、光アノード活性化放射線１０２の光子エネルギー及び光子波長が反比例している、例えば、Ｅ＝ｈｃ／λ、ここで、Ｅは、光子エネルギーであり、ｈは、プランク定数（６．６２６×１０^−３４ジュール秒）であり、ｃは、光速（２．９９８×１０^８メートル／秒）であり、λ光子波長である。一例として、約２電子ボルト（ｅＶ）のバンドギャップエネルギーを含む光アノード１４２は、約２ｅＶ以上の光子エネルギー及び約６２０ナノメートル（ｎｍ）以下の光子波長を含む光子活性化放射線１０２を吸収するように構成される。さらに、光アノード１４２のバンドギャップエネルギーよりも大きい光子エネルギーを含む光アノード活性化放射線１０２は、光アノード１４２によって吸収されるが、熱平衡化されて熱に変換されてもよい。

いくつかの実施形態では、光アノード１４２は、光アノード１４２が、約４００ｎｍまでの波長、例えば、約３１５ｎｍ〜約４００ｎｍの紫外線を含む光アノード活性化放射線１０２を吸収するように構成されるように、約３．１０ｅＶ〜約３．９４ｅＶのバンドギャップエネルギーを含むことができる。光アノード１４２は、光アノード１４２が、約７００ｎｍまでの波長、例えば、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの可視光線を含む光アノード活性化放射線１０２を吸収するように構成されるように、約１．７７ｅＶ〜約３．１０ｅＶのバンドギャップエネルギーを含むことができる。さらに、光アノード１４２は、光アノード１４２が、約３０００ｎｍまでの波長、例えば、約７００ｎｍ〜約３０００ｎｍの赤外線を含む光アノード活性化放射線１０２を吸収するように構成されるように、約０．４１ｅＶ〜約１．７７ｅＶのバンドギャップエネルギーを含むことができる。いくつかの実施形態において、光アノード１４２は、光子束と光子エネルギーの積が大きい光子エネルギー密度を含む光アノード活性化放射線１０２を吸収するように構成されてもよい。太陽光スペクトルの最大光子エネルギー密度は、約１．８ｅＶ〜約２．８ｅＶのバンドギャップエネルギーに相当する、約４４０ｎｍと約６６０ｎｍの波長範囲内にある。

さらに、光アノード１４２の１つ以上の半導体材料は、２元酸化物、２元硫化物、ドープ酸化物、３元酸化物、４元酸化物、Ａｇベース酸化物、インジウムヒドロキシド、オキシハロゲン化ビスマス、または４元オキシハロゲン化物のうちの１つ以上から選択される。例示２元酸化物は、のＺｎＯ（Ｅ_ｂｇ＝３．０ｅＶ）、ＷＯ_３（Ｅ_ｂｇ＝２．８電子ｅＶ）、Ｂｉ２Ｏ_３（Ｅ_ｂｇ＝２．８ｅＶ）、ＴｉＯ_２（Ｅ_ｂｇ＝３．２ｅＶ）、ＣｅＯ_２（Ｅ_ｂｇ＝２．９ｅＶ）、Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｅ_ｂｇ＝２．２ｅＶ）等、を含む。例示ドープされたＴｉＯ_２物質は、Ｎ−ＴｉＯ_２（Ｅ_ｂｇ＝２．７３ｅＶ）、Ｐｔ−ＴｉＯ_２（Ｅ_ｂｇ＝２．７ｅＶ）、Ｓ−ＴｉＯ_２（Ｅ_ｂｇ＝２．３ｅＶ）、Ｃｅ−ＴｉＯ_２（Ｅ_ｂｇ＝２．３ｅＶ）、Ｆｅ−ＴｉＯ_２（Ｅ_ｂｇ＝２．５ｅＶ）等、を含む。例示２元硫化物は、ＣｄＳ（Ｅ_ｂｇ＝２．４ｅＶ）、ＣｄＳｅ（Ｅ_ｂｇ＝１．７ｅＶ）、Ｓｂ_２Ｓ_５（Ｅ_ｂｇ＝１．６ｅＶ）等、を含む。例示３元化合物は、ＩｎＶＯ_４（Ｅ_ｂｇ約１．８ｅＶ〜２．０ｅＶ）、Ｂｉ_２ＷＯ_６（Ｅ_ｂｇ約１．８ｅＶ〜２．０ｅＶ）、Ｚｎ_２ＳｎＯ_４（Ｅ_ｂｇ＝３．６ｅＶ），ＺｎＩｎ_２Ｓ_４（Ｅ_ｂｇ＝２．２ｅＶ）、ＢａＢｉＯ_３（Ｅ_ｂｇ＝２．１ｅＶ）、ＮａＢｉＯ_３（Ｅ_ｂｇ＝２．６ｅＶ）、ＳｒＴｉＯ_３（Ｅ_ｂｇ＝３．２ｅＶ）、ＢｉＦｅＯ_３（Ｅ_ｂｇ約２．１ｅＶ〜約２．５ｅＶ）、Ｐｂ_３Ｎｂ_４Ｏ_１３（Ｅ_ｂｇ＝３ｅＶ）、Ｐｂ_３Ｎｂ_２Ｏ_８（Ｅ_ｂｇ＝２．８ｅＶ）、Ｃａ_２Ｓｂ_２Ｏ_７（Ｅ_ｂｇ＝４．０ｅＶ）、Ｓｒ_２Ｓｂ_２Ｏ_７（Ｅ_ｂｇ＝３．９ｅＶ）等、を含む。例示Ａｇ系酸化物は、ＡｇＡｌＯ_２（Ｅ_ｂｇ＝３．０ｅＶ）、ＡｇＣｒＯ_２（Ｅ_ｂｇ＝１．７ｅＶ）、Ａｇ_２ＣｒＯ_４（Ｅ_ｂｇ＝１．８ｅＶ）、Ａｇ_２ＧｅＯ_３（Ｅ_ｂｇ＝１．８ｅＶ）等、を含む。例示オキシハロゲン化ビスマスは、ＢｉＯＩ（Ｅ_ｂｇ＝１．８ｅＶ）、ＢｉＯＢｒ（Ｅ_ｂｇ＝２．９ｅＶ）、ＢｉＯＣＩ（Ｅ_ｂｇ＝３．２ｅＶ）等、を含む。さらに、任意の半導体材料を含む光アノード１４２が考えられるべきである。

動作中、光アノード活性化放射線１０２に暴露されると、光アノード１４２は、光アノード１４２のバンドギャップエネルギーと実質的に等しいまたはそれを上回る光子エネルギーを有する光子を含む光アノード活性化放射線１０２の波長範囲を吸収する。光アノード活性化放射線１０２が吸収されると、光アノード１４２の電子が、価電子帯から伝導帯に励起されて価電子帯に電子正孔が生成され、電子が光アノード１４２から出力される。光アノード１４２から出力された電子は、外部発電回路１５０によって受容可能であり、回路経路１５２内に電流を生成して発電ユニット１５４に電力が生成される。電子正孔は、アノード側流路１２２内に収容された水の光触媒酸化の活性点として作用し、化学式：

で表される、水素イオン（Ｈ^＋）と酸素分子（Ｏ_２）とになる。いくつかの実施形態では、酸素分子はガス状酸素を含む。

図１を参照すると、電解質膜１４６は、固体陽子伝導電解質を含む。例えば、電解質膜１４６は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７、ポリベンゾイミダゾール、ピリジンベースのポリエーテルポリマーのようなポリエーテルポリマー、またはＣｓＨＳＯ_４、ＣｓＨＳｅＯ_４、Ｒｂ_３Ｈ（ＳＥＯ_４）_２、（ＮＨ_４）_３Ｈ（ＳＯ_４）_２、Ｋ_３Ｈ（ＳＯ_４）_２などの固体酸を含んでいてもよい。電解質膜１４６は、光アノード１４２とカソード１４４との間に陽子経路１４５を提供するように構造的に構成される。動作中、アノード側流路１２２内に収容された水が光触媒で酸素分子と水素イオンに酸化されると、酸素分子は、酸素拡散膜１１６を通って拡散し、酸素輸送路１２６を横断し、水素イオンは、電解質膜１４６を陽子経路１４５に沿って光アノード１４２からカソード１４４に移動することができる。いくつかの実施形態では、電解質膜１４６は、約２５℃〜約１５０℃の温度で動作することができるが（例えば、陽子経路１４５を提供する）、任意の動作温度が考えられていることを理解すべきである。

カソード１４４は、貴金属、遷移金属、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、カソード１４４は、１つ以上の多孔質の、電気的に伝導性の単一または混合金属酸化物、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎなどの酸化物を含む。カソード１４４は、電解質膜１４６によって提供される陽子経路１４５から水素イオンを受け取り、酸素輸送路１２６から酸素分子を受け取り、外部発電回路１５０から電子を受け取り、水素イオン、酸素分子、及び電子を電気化学的に結合して水素イオン及び酸素分子の還元によって再結合水にするように構造的に構成される。再結合された水は、カソード側流路１２４に入り、カソード側流路１２４からアノード側流路１２２に再結合水路１２８に沿って輸送され、連続的な閉ループ酸化／還元サイクルで再利用される。いくつかの実施形態において、カソード１４４は、約２５℃〜約１５０℃の温度で動作することができるが、任意の動作温度が考えられていることを理解すべきである。また、カソード１４４は、半導体物質を含まないので、光触媒セル１４０に電子−正孔内部再結合が起こらず、光触媒セル１４０の劣化が減少し、光触媒セル１４０の効率及び動作寿命を高める。

いくつかの実施形態では、光アノード１４２のバンドギャップエネルギーが増加すると、光触媒セル１４０の最大動作電位が上昇し得る。開回路条件下での最大動作電位は、カソード１４４のカソード反応電位と光アノード１４２のアノード反応電位との差である。例えば、ＯＣＰ＝Ｐ_Ｃ−Ｐ_ＰＡであり、ここで、ＯＣＰは、光触媒セル１４０の最大動作電位であり、Ｐ_Ｃは、カソード１４４のカソード反応の電位であり、Ｐ_ＰＡは、光アノード１４２のアノード反応電位である。いくつかの実施形態では、Ｐ_Ｃは、約１．２３ボルト（Ｖ）であり、Ｐ_ＰＡ＝−（Ｅ_ｂｇ／ｑ−１．２３Ｖ）ここで、Ｅ_ｂｇは、光アノード１４２のバンドギャップエネルギーであり、ｑは、素電荷である。したがって、ＯＣＰ＝Ｐ_Ｃ−Ｐ_ＰＡは、ＯＣＰ＝Ｅ_ｂｇ／ｑのように書き換えることができ、光触媒セル１４０の最大動作電位と光アノード１４２のバンドギャップエネルギーとの間の正の直線関係を示す。

いくつかの実施形態では、光触媒セル１４０の温度を上昇させることによって、光触媒セル１４０の太陽光電池効率を高めることができる。光触媒セル１４０の太陽光電池効率は、

であり、ε_ｓは、光触媒セル１４０の太陽光照射効率であり、ε_ｑは、光触媒セル１４０の量子効率であり、ε_ｃｈｅｍは、光触媒セル１４０の酸化／還元サイクルの化学効率である。太陽光照射効率ε_ｓは、光アノード１４２のバンドギャップエネルギーよりも大きい光子エネルギーを含む光アノード１４２によって受け取られる光子のパーセンテージである。量子効率ε_ｑは、電流に変換された光アノード１４２によって受け取られる光子のパーセンテージである。

さらに、酸化／還元サイクルε_ｃｈｅｍの化学的効率は、生成した電子正孔のエネルギーと水分解エネルギーの比であり、例えばε_{ｃｈｅｍ＝（}Ｅ_ｂｇ−Ｅ_{ｌｏｓｓ）}／Ｅ_ｂｇ、ここで、Ｅ_ｌｏｓｓ＝Ｅ_{ｌｏｓｓ，ｅｎｔｒｏｐｙ}＋Ｅ_{ｌｏｓｓ，ｋｉｎｅｔｉｃ，}Ｅ_{ｌｏｓｓ，ｅｎｔｒｏｐｙ}は、光触媒セル１４０のエントロピー損失であり、かつＥ_{ｌｏｓｓ，ｋｉｎｅｔｉｃ}は、光触媒セル１４０の運動損失である。さらに、Ｅ_{ｌｏｓｓ，ｅｎｔｒｏｐｙ}＝ＴΔＳ_ｅｘｃここで、Ｔは、光触媒セル１４０の温度であり、ΔＳ_ｅｘｃは、光アノード１４２が、光アノード活性化放射線１０２を受け取るとき光アノード１４２内の基底状態のマトリックス中に励起状態の生成に起因するエントロピー増大である。さらに、

であり、ここで、η_ａｎは、光アノード１４２の過電位であり、η_ｃａｔｈは、カソード１４４の過電位であり、ＩＲ_ｅｌは、電解質膜１４６の抵抗降下である。

操作において、温度は、温度上昇がＥ_{ｌｏｓｓ，ｅｎｔｒｏｐｙ}の直線的な増加を引き起こすように、光触媒セル１４０のＥ_{ｌｏｓｓ，ｅｎｔｒｏｐｙ}と正の直線関係を有している。さらに、温度は、温度上昇がＥ_{ｌｏｓｓ，ｋｉｎｅｔｉｃ}の指数関数的な下降を引き起こすように、光触媒セル１４０のＥ_{ｌｏｓｓ，ｋｉｎｅｔｉｃ}と負の指数関数関係を有している。したがって、温度上昇は、温度上昇が、光触媒セル１４０の太陽光電池効率εを高めるように、Ｅ_{ｌｏｓｓ，ｋｉｎｅｔｉｃ}の指数関数的な減少による光触媒セル１４０のＥ_ｌｏｓｓを減少させる。電解質膜１４６が、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７を含む一例示実施形態では、約２５℃〜約８０℃の温度上昇は（Ｅ_{ｌｏｓｓ，ｋｉｎｅｔｉｃ}）約７５％の運動損失の減少及び約２０％のエントロピー損失（Ｅ_{ｌｏｓｓ，ｋｉｎｅｔｉｃ}）の増加を引き起こし、その結果、光触媒セル１４０（Ｅ_ｌｏｓｓ）の全体的な損失が約５５％減少する。さらに、光アノード１４２によって吸収された全ての光子が、電流に変換される実施形態では（例えばε_ｑ＝１の場合）、光触媒セル１４０の化学的効率ε_ｃｈｅｍが、

でありここで、ΔＧ_Ｒは、反応のギブス自由エネルギー、ｎは酸化／還元反応あたりの光子の数である。上昇温度が上昇するΔＧ_Ｒ酸化／還元反応は、高い温度でより容易に発生し、より高い温度でより少ないＥ_ｂｇ光アノード１４２の使用を可能にする。

再び図１を参照すると、光触媒発電システム１００は、太陽光ハウジング１１０内に位置付けされた太陽照射熱トラップ１７０をさらに備えることができる。いくつかの実施形態では、太陽照射熱トラップ１７０は、例えば、カソード１４４に熱的に結合された光触媒セル１４０に熱的に結合される。太陽照射熱トラップ１７０は、カソード１４４の一部が太陽照射熱トラップ１７０に接触し、カソード１４４の一部が直接カソード側流路１２４に露出するように、例えば間欠的配置で、カソード１４４に固定された複数の多孔質ストリップを備えることができる。太陽照射熱トラップ１７０は、太陽放射線を吸収し、太陽放射線を吸収すると、温度を上昇させて酸化／還元プロセスの化学効率と光触媒セル１４０の全体的な太陽光電池効率の両方を高めるように構造的に構成される。太陽照射熱トラップ１７０は、好ましくは、水性環境における長時間の運転に耐え、太陽放射線を容易に吸収し、比較的高い比熱容量及び熱伝導率を有する材料で構築される。例えば、限定ではなく、太陽照射熱トラップ１７０は、酸化第二銅、黒色クロムニッケルメッキ銅、黒色ニッケル、窒化チタン酸化物、またはそれらの組み合わせで構築されてもよいと考えられる。

動作中、太陽照射熱トラップ１７０及び光アノード１４２は、少なくとも部分的に波長範囲を含まない太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、光アノード１４２及び太陽照射熱トラップ１７０の両方が太陽放射線を同時に吸収することを可能にする。例えば、光アノード１４２は、第１の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され得、太陽照射熱トラップ１７０は、第１の波長範囲を少なくとも部分的に含まない第２の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され得る。さらに、第１の波長範囲は、光アノード１４２が、第１の波長範囲内の太陽放射線に対して透過性である第２の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように、第２の波長範囲内の波長よりも大きい波長を含むことができる。これにより、太陽放射線の第１の波長範囲が、光アノード１４２を横断し、太陽照射熱トラップ１７０に到達することが可能になる。

１つの例示的な実施形態では、太陽照射熱トラップ１７０は、赤外線波長範囲の太陽放射線（例えば、約７００ｎｍ〜約３０００ｎｍ）を含む太陽放射線を吸収し、温度を上昇させて光触媒セル１４０の太陽光電池効率を高めるように構造的に構成された赤外線加熱層を含む。この例では、光アノード１４２は、赤外線が光アノード１４２を横断して太陽照射熱トラップ１７０に到達することを可能にする一方、可視放射、紫外線、またはその両方を吸収するように構成することができる。

図１を参照すると、光触媒セル１４０は、光アノード１４２の上または中に位置付けされたドーピング層１６０を含むことができるいくつかの実施形態では、ドーピング層１６０は、光子アップコンバージョンドーピング材料、起電力装置における光子アップコンバージョンに関連する従来の、またはまだ開発されていない教示から学ぶことができるその特定の組成及び構成を含む。例えば、これに限定されるものではないが、光子アップコンバージョンドーピング材料は、Ｅｒ^３＋ドープＮａＹＦ_４、Ｙｂ^３＋及びＥｒ^３＋ドープＮａＹＦ_４、Ｙｂ^３＋及びＥｒ^３＋ドープＬａ_２Ｏ_２Ｓ、テキサフィリン（ＴＸＰ）−感受性ルブレン、ペリレン−融合ＢＯＤＩＰＹ、またはそれらの組み合わせを含むと考えられる。光子アップコンバージョンドーピング材料でドープされた光アノード１４２は、第１の光子エネルギーを有する第１の光子と第２の光子エネルギーを有する第２の光子とを含む光アノード活性化放射線１０２を受け取るように構造的に構成され、単一の電子の励起を得るために、第１の光子エネルギーと第２の光子のエネルギーとを結合するように構造的に構成される。結合された光子エネルギーは、光アノード１４２が結合した光子を吸収し、先に説明したように１５０によって受容可能電子を出力するように、光アノード１４２のバンドギャップエネルギー以上であってもよい。光アノード１４２のバンドギャップエネルギーよりも小さい光子エネルギーを有する光子を、光アノード１４２のバンドギャップエネルギー以上の光子エネルギーを有する結合光子に結合させることにより、光アノード１４２は、太陽光スペクトルのより大きな部分を吸収し、したがって光触媒セル１４０の効率を高めることができる。

いくつかの実施形態では、ドーピング層１６０は、光子ダウンコンバージョンドーピング材料、起電力装置における光子ダウンコンバージョンに関連する従来の、またはまだ開発されていない教示から学ぶことができるその特定の組成及び構成を含む。限定ではなく例として、光子ダウンコンバージョンドーピング材料は、Ｄｙ^３＋ドープＬａＶＯ_４、Ｄｙ^３＋ドープＧｄＶＯ_４、Ｅｕ^３＋ドープＬｉＧＤＦ_４、またはそれらの組み合わせを含むことができると考えられる。光子ダウンコンバージョンドーピング材料でドープされた光アノード１４２は、第１の光子を含む光アノード活性化放射線１０２を受け取るように構造的に構成され、第１の光子に暴露されると、外部発電回路１５０によって受容可能な２つの電子を出力し、閉ループ水チャンバ１２０内に収容された水が各々の電子正孔で水素イオンと酸素分子に酸化されるように２つの電子正孔を生成させるように構造的に構成されている。

ここで図２を参照すると、光触媒セル１４０は、複数の光アノード１４２、例えば、第１の光アノード１４２ａ、第２の光アノード１４２ｂ、及び第３の光アノード１４２ｃを含むことができる。図２に示すように、複数の光アノード１４２は、積み重ねられた配置で位置付けされてもよい。例えば、第２の光アノード１４２ｂは、第１の光アノード１４２ａと電気化学的に係合し、第１の光アノード１４２ａと電解質膜１４６との間に位置付けされる。さらに、第３の光アノード１４２ｃは、第２の光アノード１４２ｂと電気化学的に係合し、第２の光アノード１４２ｂと電解質膜１４６との間に位置付けされる。さらに、外部発電回路１５０の回路経路１５２は、第１、第２、及び第３の光アノード１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃと電気的に連結され、各々の光アノード１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃで生成された電子は、発電ユニット１５４によって受容可能である。

ここで図３を参照すると、光触媒セル１４０は、その間に水サブチャンバ１８０を形成するように離間載置された複数の光触媒サブセル１４１を備えることができる。例えば、光触媒セル１４０は、第１の光アノード１４２ａ、第１の電解質膜１４６ａ及び第１カソード１４４ａを含む第１の光触媒サブセル１４１ａと、第２の光アノード１４２ｂ、第２の電解質膜１４６ｂ及び第２のカソード１４４ｂを含む第２の光触媒サブセル１４１ｂと、第３の光アノード１４２ｃ、第３の電解質膜１４６ｃ及び第３のカソード１４４ｃを含む第３光触媒サブセル１４１ｃと、を備えることができる。任意の数の光触媒サブセル１４１が考えられることを理解されたい。

図３に示すように、第２の光触媒サブセル１４１ｂは、第１の光触媒サブセル１４１ａとカソード側流路１２４との間に位置付けされ、第１の光触媒サブセル１４１ａから離間載置されてそれらの間に第１の水サブチャンバ１８０ａを形成する。第３の光触媒サブセル１４１ｃは、第２の光触媒サブセル１４１ｂとカソード側流路１２４との間に位置付けされ、第２の光触媒サブセル１４１ｂから離間載置されてそれらの間に第２の水サブチャンバ１８０ｂを形成する。また、第１のセル壁１１８ａ及び第２のセル壁１１８ｂは、各々光触媒サブセル１４１に連結されている第１のセル壁１１８ａは、光触媒サブセル１４１と再結合水路１２８との間に位置付けされ、第２のセル壁１１８ｂは、光触媒サブセル１４１と酸素輸送路１２６との間に位置付けされる。各々の水サブチャンバ１８０ａ、１８０ｂは水を収容し、第１のセル壁１１８ａ、第２のセル壁１１８ｂ、及び隣接する光触媒サブセル１４１の間に封入される。さらに、外部発電回路１５０の回路経路１５２は、各々の光触媒サブセル１４１の光アノード１４２に電気的に連結されている。

図２及び図３をまとめて参照すると、第１の光アノード１４２ａは、第１のバンドギャップエネルギーを含み、第１の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２を吸収するように構造的に構成される。第１の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２は、第１のバンドギャップエネルギーに実質的に等しいかまたはそれより大きい光子エネルギーを含む。第２の光アノード１４２ｂは、第２のバンドギャップエネルギーを含み、第２の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２を吸収するように構造的に構成される。第２の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２は、第２のバンドギャップエネルギーと実質的に等しいまたはそれより大きい光子エネルギーを含む。第３の光アノード１４２ｃは、第３のバンドギャップエネルギーを含み、第３の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２を吸収するように構造的に構成される。第３の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２は、第３のバンドギャップエネルギーに実質的に等しい光子エネルギーを含む。

第１、第２及び第３の光アノード１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃのバンドギャップエネルギーは、第１、第２、及び第３の光アノード１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃの残りのバンドギャップエネルギーを各々少なくとも部分的に含まず、第１、第２及び第３の波長範囲を、少なくとも部分的に含まない。各々が少なくとも部分的に含まないバンドギャップエネルギーを有する複数の光アノード１４２を備える光触媒セル１４０は、個々の光アノード１４２を備える光触媒セル１４０よりも広い波長範囲の太陽光スペクトル内で光子活性化放射線１０２を吸収することができ、熱化で失われる光子エネルギーを最小にすることができる。付加的に、第１、第２及び第３の光アノード１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃは、入力窓１１２の近くに位置付けされた光アノード１４２（例えば、第１の光アノード１４２ａ）が、入力窓１１２から遠くに位置付けされた光アノード１４２（例えば、第２の光アノード１４２ｂ）よりも低いバンドギャップエネルギーを含むように位置付けされ、その結果、間にある光アノード１４２（入力窓１１２の近くに位置付けされたもの）が、後続の光アノード１４２（入力窓１１２から遠くに位置付けされるもの）が、吸収するように構造的に構成されている光アノード活性化放射線１０２の波長範囲に対して透明になる。さらに、３つの光アノード１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃが、図２及び図３に示されているが、両方の実施形態において任意の数の光アノード１４２が考えられることは理解されたい。

再び図３を参照すると、第１の光触媒サブセル１４１ａの第１の電解質膜１４６ａ及び第１のカソード１４４ａは、少なくとも第１及び第２の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２に対して各々透明である。さらに、第２の光触媒サブセル１４１ｂの第２の電解質膜１４６ｂ及び第２のカソード１４４ｂは、第２の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２に対して各々透明である。例示的な光アノード活性化放射線透過性電解質膜１４６は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７及びポリエーテルポリマーを含む。例示的な光アノード活性化放射線透過陰極１４４には、多孔質の電子伝導性の単一または混合金属酸化物、例えばＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎなどの酸化物が含まれる。

図３をさらに参照すると、第１の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２に暴露されると、第１の光アノード１４２は、外部発電回路１５０によって受容可能な第１の電子を出力してアノード側流路１２２内に収容された水が、第１の電子正孔で水素イオンと酸素分子に酸化される。第２の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２に暴露されると、第２の光アノード１４２ｂは、外部発電回路１５０によって受容可能な第２の電子を出力して第１の水サブチャンバ１８０ａ内に収容された水が、第２の電子正孔で水素イオンと酸素分子に酸化される。さらに、第３の波長範囲内の光アノード活性化放射線１０２に暴露されると、第３の光アノード１４２ｃは、外部発電回路１５０によって受容可能な第３の電子を出力して第２の水サブチャンバ１８０ｂ内に収容された水が、第３の電子正孔で水素イオンと酸素分子に酸化される。

図３をさらに参照すると、第１の電解質膜１４６ａは、第１の光アノード１４２ａと第１のカソード１４４ａとの間に第１の陽子経路１４５ａを提供するように構造的に構成され、第２の電解質膜１４６ｂは、第２の光アノード１４２ｂと第２のカソード１４４ｂとの間に第２の陽子経路１４５ｂを提供するように構造的に構成され、第３の電解質膜１４６ｃは、第３の光アノード１４２ｃと第３の陰極１４４ｃとの間に第３の陽子経路１４５ｃを提供するように構造的に構成される。

さらに、第１のカソード１４４ａは、第１の陽子経路１４５ａから水素イオンを受け取り、第２の光アノード１４２ｂによって第１の水サブチャンバ１８０ａで生成された酸素分子を受け取り、外部発電回路１５０から電子を受け取り、水素イオンと酸素分子との還元によって、水素イオン、酸素分子及び電子を電気化学的に結合して再結合水にするように構造的に構成される。第２のカソード１４４ｂは、第２の陽子経路１４５ｂから水素イオンを受け取り、第３の光アノード１４２ｃによって第２の水サブチャンバ１８０ｂで生成された酸素分子を受け取り、外部発電回路１５０から電子を受け取り、水素イオンと酸素分子との還元によって、水素イオン、酸素分子及び電子を電気化学的に結合して再結合水にするように構造的に構成される。再結合された水は、第１及び第２水サブチャンバ１８０ａ、１８０ｂの両方に残り、連続閉ループ酸化／還元サイクルで再利用される。

さらに、第３のカソード１４４ｃは、第３の陽子経路１４５ｃから水素イオンを受け取り、第１の光アノード１４２ａによって酸素輸送路１２６で生成された酸素分子を受け取り、外部発電回路１５０から電子を受け取り、水素イオンと酸素分子との還元によって、水素イオン、酸素分子及び電子を電気化学的に結合して再結合水にするように構造的に構成される。再結合された水は、カソード側流路１２４に入り、カソード側流路１２４からアノード側流路１２２に再結合水路１２８に沿って輸送され、連続的な閉ループ酸化／還元サイクルで再利用される。

特定の方法で「構成された」、特定の特性を具体化する、または特定の様式で機能する本開示の構成要素の本明細書の列挙は、意図された用途の列挙とは対照的な構造的列挙であることに留意されたい。より具体的には、本明細書における構成要素が「構成されている」という様式の参照は、その構成要素の現存する物理的状態を示し、したがって、構成要素の構造的特徴の明確な列挙として解釈されるべきである。

本発明を説明及び定義する目的で、「約」という用語は、定量的な比較、価値、測定または他の表現に起因する可能性がある本質的な不確実性の程度を表すために本明細書で利用されていることに留意されたい。「約」という用語は、本明細書では、定量的表現が、問題の主題の基本機能に変化をもたらさずに、記載された基準と異なる程度を表すためにも利用される。

本開示の主題を詳細に、及びその特定の実施形態を参照して説明したが、本明細書に開示された様々な詳細は、本明細書に付随する図面の各々に特定の要素が示されている場合であっても、これらの詳細が本明細書に記載された様々な実施形態の必須構成要素である要素に関係することを意味するものではないことに留意すべきである。さらに、添付の特許請求の範囲に規定される実施形態を含むが、これに限定されない本開示の範囲から逸脱することなく、修正及び変更が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本開示のいくつかの態様が本明細書において好ましいまたは特に有利であると特定されるが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されないことが考えられる。

以下の請求項のうちの１つ以上は、用語「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」を過渡的なフレーズとして利用することに留意されたい。本発明を定義する目的で、この用語は、構造の一連の特性の列挙を導入するために使用され、より一般的に使用される開放型の前置き用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様の方法で解釈されるべきである構造の一連の特徴の説明を導入するために使用される開放型の遷移句として、特許請求の範囲に導入され、以下のように解釈されるべきであることに留意されたい。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
太陽光ハウジングと、光アノードと、電解質膜と、カソードと、酸素拡散膜と、外部発電回路と、を備える光触媒発電システムであって、
前記太陽光ハウジングが、光アノード活性化放射線に対して透明な入力窓を備え、
前記太陽光ハウジングが、アノード側とカソード側と、を備え、
前記光アノードが、前記太陽光ハウジング内の前記アノード側に位置付けされ、前記外部発電回路に電気的に連結され、
前記カソードが、前記太陽光ハウジング内の前記カソード側に位置付けされ、前記外部発電回路に電気的に連結され、
前記電解質膜が、前記光アノードと前記カソードとの間に位置付けされ、それらに電気化学的に係合して光触媒セルを形成し、
前記太陽光ハウジングが、前記アノード側に位置付けされたアノード側流路と前記カソード側に位置付けされたカソード側流路とを有する閉ループ水チャンバを備え、
前記太陽光ハウジングが、前記アノード側流路から前記カソード側流路に延在する再結合水路を備え、
前記太陽光ハウジングが、前記アノード側流路から前記カソード側流路に延在する酸素輸送路を備え、
前記酸素拡散膜が、前記アノード側流路と前記酸素輸送路との間に位置付けされ、前記カソードで生成された再結合水が前記カソード側流路から前記アノード側流路に前記酸素輸送路に沿って流れるのを抑制し、前記カソードで生成された再結合水が、前記カソード側流路から前記アノード側流路に前記再結合水路に沿って流れることを可能にする、光触媒発電システム。
実施形態２
水が前記太陽光ハウジングの前記閉ループ水チャンバ内に収容され、前記光触媒セルが前記太陽光ハウジング内に気密封止されている、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態３
前記入力窓が、前記太陽光ハウジングの前記アノード側に位置付けされ、光アノード活性化放射線に対して透明である、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態４
前記光触媒セルに結合され、前記光触媒セルと前記再結合水路との間に位置付けされた第１のセル壁と、
前記光触媒セルに結合され、前記光触媒セルと前記酸素輸送路との間に位置付けされた第２のセル壁であって、前記酸素拡散膜が、前記第２のセル壁と前記太陽光ハウジングとの間に位置付けされ、それらに結合されている、第２のセル壁と、をさらに備える、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態５
前記光アノードが、光アノード活性化放射線を受け取り、光アノード活性化放射線に暴露されると、前記外部発電回路によって受容可能な電子を出力し、電子正孔を生成して、前記閉ループ水チャンバ内に収容された水が前記電子正孔で酸化して水素イオンと酸素分子になるように構造的に構成されている、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態６
前記電解質膜が、前記光アノードと前記カソードとの間に陽子経路を提供するように構造的に構成されている、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態７
前記カソードが、前記電解質膜によって提供される陽子経路から水素イオンを受け取り、酸素分子を受け取り、前記水素イオン及び前記酸素分子の還元によって前記水素イオン及び前記酸素分子を結合させて再結合水にするように構造的に構成されている、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態８
前記光アノードが、光子アップコンバージョンドーピング材料でドープされ、かつ（ｉ）第１の光子エネルギーを有する第１の光子と、第２の光子エネルギーを有する第２の光子と、を含む光アノード活性化放射線を受け取り、（ｉｉ）前記第１の光子エネルギーと前記第２の光子エネルギーとを結合するように構造的に構成されている、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態９
前記光アノードが、光子ダウンコンバージョンドーピング材料でドープされ、かつ（ｉ）第１の光子を含む光アノード活性化放射線を受け取り、前記第１の光子に暴露されると、前記外部発電回路によって受容可能な２つの電子を出力し、（ｉｉ）前記閉ループ水チャンバ内に収容された水が各々の電子正孔で酸化して水素イオンと酸素分子になるように、２つの電子正孔を生成するように構造的に構成されている、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態１０
前記太陽光ハウジング内に位置付けされた太陽照射熱トラップをさらに備え、
前記入力窓が、太陽照射熱トラップ活性放射線に対して透明であり、
前記太陽照射熱トラップが、太陽放射線を吸収し、太陽放射線を吸収すると、温度を上昇させて前記光触媒セルの化学効率を高めるように構造的に構成されている、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態１１
前記光アノードが、第１の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、前記太陽照射熱トラップが、前記第１の波長範囲を少なくとも部分的に含まない第２の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成されている、実施形態１０に記載の光触媒発電システム。
実施形態１２
赤外線波長範囲の太陽放射線を含む太陽放射線を吸収し、前記赤外線波長範囲の太陽放射線が吸収されると、温度を上昇させて前記光触媒セルの化学効率を高めるように構造的に構成された赤外線加熱層をさらに含み、前記入力窓が、赤外線加熱層活性化放射線に対して透明である、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態１３
前記カソードに熱的に連結された太陽照射熱トラップをさらに備え、前記入力窓が、太陽照射熱トラップ活性放射線に対して透明である、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態１４
前記太陽照射熱トラップが、前記カソードに間欠的配置で固定された複数の多孔質ストリップを備える、実施形態１３に記載の光触媒発電システム。
実施形態１５
前記外部発電回路が、
前記光アノードによって出力された電子によって生成された電流を受け取り、電流を受け取ると、電力を生成するように構造的に構成された発電ユニットと、
前記光アノードと、前記発電ユニットと、前記カソードに電気的に連結された回路経路と、を備える、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態１６
前記光アノードが、第１の光アノードと、第２の光アノードと、を備え、
前記第２の光アノードが、前記第１の光アノードと電気化学的に係合し、前記第１の光アノードと前記電解質膜との間に位置付けされている、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態１７
前記第１の光アノードが、第１の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、
前記第２の光アノードが、前記第１の波長範囲を少なくとも部分的に含まない第２の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成されている、実施形態１６に記載の光触媒発電システム。
実施形態１８
前記光アノードが、前記第２の光アノードと電気化学的に係合され、前記第２の光アノードと前記電解質膜との間に位置付けされた第３の光アノードをさらに備える、実施形態１６に記載の光触媒発電システム。
実施形態１９
前記第１の光アノードが、第１の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、前記第２の光アノードが、第２の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、前記第３の光アノードが、第３の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、
前記第１、第２、及び第３の波長範囲が、前記第１、第２、及び第３の波長範囲のうちの残りの波長範囲内の波長を少なくとも部分的に含まない波長を含む、実施形態１８に記載の光触媒発電システム。
実施形態２０
前記光触媒セルが、複数の光触媒サブセルを備え、前記複数の光触媒サブセルの各々が、光アノードと、電解質膜と、カソードと、を備える、実施形態１に記載の光触媒発電システム。
実施形態２１
前記複数の光触媒サブセルが、第１の光触媒サブセル及び第２の光触媒サブセルを備え、
前記第２の光触媒サブセルが、前記第１の光触媒サブセルと前記カソード側流路との間に位置付けされ、
前記第２の光触媒サブセルが、前記第１の光触媒サブセルから離間載置され、それらの間に第１の水サブチャンバを形成している、実施形態２０に記載の光触媒発電システム。
実施形態２２
前記第１の光触媒サブセルが、ある波長範囲内の太陽放射線に対して透明であり、
前記第２の光触媒サブセルの光アノードが、前記波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成されている、実施形態２１に記載の光触媒発電システム。
実施形態２３
前記複数の光触媒サブセルが、前記第２の光触媒サブセルと前記カソード側カソード側流路との間に位置付けされ、前記第２の光触媒サブセルから離間載置されてそれらの間に第２の水サブチャンバを形成する第３の光触媒サブセルを備える、実施形態２１に記載の光触媒発電システム。
実施形態２４
前記第１の光触媒サブセルが、第１の波長範囲と、前記第１の波長範囲を少なくとも部分的に含まない第２の波長範囲内の太陽放射線の両方の範囲内の太陽放射線に対して透明であり、
前記第２の光触媒サブセルが、前記第２の波長範囲内の太陽放射線に対して透明であり、
前記第２の光触媒サブセルの光アノードが、前記第１の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、
前記第３の光触媒サブセルの光アノードが、前記第２の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成されている、実施形態２３に記載の光触媒発電システム。
実施形態２５
太陽光ハウジングと、光アノードと、電解質膜と、カソードと、酸素拡散膜と、外部発電回路と、を備える光触媒発電システムであって、
前記太陽光ハウジングが、光アノード活性化放射線に対して透明な入力窓を備え、
前記光アノードが、前記太陽光ハウジング内に位置付けされ、前記外部発電回路に電気的に連結され、
前記カソードが、前記太陽光ハウジング内に位置付けされ、前記外部発電回路に電気的に連結され、
前記太陽光ハウジングが、前記光アノード、前記カソード、及び前記電解質膜を囲む閉ループ水チャンバを備え、
前記酸素拡散膜が、前記閉ループ水チャンバ内に位置付けされ、前記酸素拡散膜を通る水の流れを抑制し、前記酸素拡散膜を通る酸素分子の流れを可能にするように構造的に構成され、
前記光アノードが、光アノード活性化放射線を受け取り、光アノード活性化放射線に暴露されると、前記外部発電回路によって受容可能な電子を出力し、電子正孔を生成して、前記閉ループ水チャンバ内に収容された水が前記電子正孔で酸化して水素イオンと酸素分子になるように構造的に構成され、
前記電解質膜が、前記光アノードと前記カソードとの間に陽子経路を提供するように構造的に構成され、
前記閉ループ水チャンバが、前記酸素拡散膜を横断し、前記光アノードと前記カソードとの間に延在する、酸素分子のための経路を提供するように構造的に構成され、
前記カソードが、前記陽子経路から前記水素イオンを受け取り、前記酸素分子を受け取り、前記水素イオンと前記酸素分子の還元によって前記水素イオン及び前記酸素分子を結合させて、再結合水にするように構造的に構成され、
前記閉ループ水チャンバが、前記酸素拡散膜を横断せずに前記カソードと前記光アノードとの間に延在する再結合水のための経路を提供するように構造的に構成されている、光触媒発電システム。

Claims (25)

1. 太陽光ハウジングと、光アノードと、電解質膜と、カソードと、酸素拡散膜と、外部発電回路と、を備える光触媒発電システムであって、
   前記太陽光ハウジングが、光アノード活性化放射線に対して透明な入力窓を備え、
   前記太陽光ハウジングが、アノード側とカソード側と、を備え、
   前記光アノードが、前記太陽光ハウジング内の前記アノード側に位置付けされ、前記外部発電回路に電気的に連結され、
   前記カソードが、前記太陽光ハウジング内の前記カソード側に位置付けされ、前記外部発電回路に電気的に連結され、
   前記電解質膜が、前記光アノードと前記カソードとの間に位置付けされ、それらに電気化学的に係合して光触媒セルを形成し、
   前記太陽光ハウジングが、前記アノード側に位置付けされたアノード側流路と前記カソード側に位置付けされたカソード側流路とを有する閉ループ水チャンバを備え、
   前記太陽光ハウジングが、前記アノード側流路から前記カソード側流路に延在する再結合水路を備え、
   前記太陽光ハウジングが、前記アノード側流路から前記カソード側流路に延在する酸素輸送路を備え、
   前記酸素拡散膜が、前記アノード側流路と前記酸素輸送路との間に位置付けされ、前記カソードで生成された再結合水が前記カソード側流路から前記アノード側流路に前記酸素輸送路に沿って流れるのを抑制し、前記カソードで生成された再結合水が、前記カソード側流路から前記アノード側流路に前記再結合水路に沿って流れることを可能にする、光触媒発電システム。
2. 水が前記太陽光ハウジングの前記閉ループ水チャンバ内に収容され、前記光触媒セルが前記太陽光ハウジング内に気密封止されている、請求項１に記載の光触媒発電システム。
3. 前記入力窓が、前記太陽光ハウジングの前記アノード側に位置付けされ、光アノード活性化放射線に対して透明である、請求項１に記載の光触媒発電システム。
4. 前記光触媒セルに結合され、前記光触媒セルと前記再結合水路との間に位置付けされた第１のセル壁と、
   前記光触媒セルに結合され、前記光触媒セルと前記酸素輸送路との間に位置付けされた第２のセル壁であって、前記酸素拡散膜が、前記第２のセル壁と前記太陽光ハウジングとの間に位置付けされ、それらに結合されている、第２のセル壁と、をさらに備える、請求項１に記載の光触媒発電システム。
5. 前記光アノードが、光アノード活性化放射線を受け取り、光アノード活性化放射線に暴露されると、前記外部発電回路によって受容可能な電子を出力し、電子正孔を生成して、前記閉ループ水チャンバ内に収容された水が前記電子正孔で酸化して水素イオンと酸素分子になるように構造的に構成されている、請求項１に記載の光触媒発電システム。
6. 前記電解質膜が、前記光アノードと前記カソードとの間に陽子経路を提供するように構造的に構成されている、請求項１に記載の光触媒発電システム。
7. 前記カソードが、前記電解質膜によって提供される陽子経路から水素イオンを受け取り、酸素分子を受け取り、前記水素イオン及び前記酸素分子の還元によって前記水素イオン及び前記酸素分子を結合させて再結合水にするように構造的に構成されている、請求項１に記載の光触媒発電システム。
8. 前記光アノードが、光子アップコンバージョンドーピング材料でドープされ、かつ（ｉ）第１の光子エネルギーを有する第１の光子と、第２の光子エネルギーを有する第２の光子と、を含む光アノード活性化放射線を受け取り、（ｉｉ）前記第１の光子エネルギーと前記第２の光子エネルギーとを結合するように構造的に構成されている、請求項１に記載の光触媒発電システム。
9. 前記光アノードが、光子ダウンコンバージョンドーピング材料でドープされ、かつ（ｉ）第１の光子を含む光アノード活性化放射線を受け取り、前記第１の光子に暴露されると、前記外部発電回路によって受容可能な２つの電子を出力し、（ｉｉ）前記閉ループ水チャンバ内に収容された水が各々の電子正孔で酸化して水素イオンと酸素分子になるように、２つの電子正孔を生成するように構造的に構成されている、請求項１に記載の光触媒発電システム。
10. 前記太陽光ハウジング内に位置付けされた太陽照射熱トラップをさらに備え、
    前記入力窓が、太陽照射熱トラップ活性放射線に対して透明であり、
    前記太陽照射熱トラップが、太陽放射線を吸収し、太陽放射線を吸収すると、温度を上昇させて前記光触媒セルの化学効率を高めるように構造的に構成されている、請求項１に記載の光触媒発電システム。
11. 前記光アノードが、第１の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、前記太陽照射熱トラップが、前記第１の波長範囲を少なくとも部分的に含まない第２の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成されている、請求項１０に記載の光触媒発電システム。
12. 赤外線波長範囲の太陽放射線を含む太陽放射線を吸収し、前記赤外線波長範囲の太陽放射線が吸収されると、温度を上昇させて前記光触媒セルの化学効率を高めるように構造的に構成された赤外線加熱層をさらに含み、前記入力窓が、赤外線加熱層活性化放射線に対して透明である、請求項１に記載の光触媒発電システム。
13. 前記カソードに熱的に連結された太陽照射熱トラップをさらに備え、前記入力窓が、太陽照射熱トラップ活性放射線に対して透明である、請求項１に記載の光触媒発電システム。
14. 前記太陽照射熱トラップが、前記カソードに間欠的配置で固定された複数の多孔質ストリップを備える、請求項１３に記載の光触媒発電システム。
15. 前記外部発電回路が、
    前記光アノードによって出力された電子によって生成された電流を受け取り、電流を受け取ると、電力を生成するように構造的に構成された発電ユニットと、
    前記光アノードと、前記発電ユニットと、前記カソードに電気的に連結された回路経路と、を備える、請求項１に記載の光触媒発電システム。
16. 前記光アノードが、第１の光アノードと、第２の光アノードと、を備え、
    前記第２の光アノードが、前記第１の光アノードと電気化学的に係合し、前記第１の光アノードと前記電解質膜との間に位置付けされている、請求項１に記載の光触媒発電システム。
17. 前記第１の光アノードが、第１の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、
    前記第２の光アノードが、前記第１の波長範囲を少なくとも部分的に含まない第２の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成されている、請求項１６に記載の光触媒発電システム。
18. 前記光アノードが、前記第２の光アノードと電気化学的に係合され、前記第２の光アノードと前記電解質膜との間に位置付けされた第３の光アノードをさらに備える、請求項１６に記載の光触媒発電システム。
19. 前記第１の光アノードが、第１の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、前記第２の光アノードが、第２の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、前記第３の光アノードが、第３の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、
    前記第１、第２、及び第３の波長範囲が、前記第１、第２、及び第３の波長範囲のうちの残りの波長範囲内の波長を少なくとも部分的に含まない波長を含む、請求項１８に記載の光触媒発電システム。
20. 前記光触媒セルが、複数の光触媒サブセルを備え、前記複数の光触媒サブセルの各々が、光アノードと、電解質膜と、カソードと、を備える、請求項１に記載の光触媒発電システム。
21. 前記複数の光触媒サブセルが、第１の光触媒サブセル及び第２の光触媒サブセルを備え、
    前記第２の光触媒サブセルが、前記第１の光触媒サブセルと前記カソード側流路との間に位置付けされ、
    前記第２の光触媒サブセルが、前記第１の光触媒サブセルから離間載置され、それらの間に第１の水サブチャンバを形成している、請求項２０に記載の光触媒発電システム。
22. 前記第１の光触媒サブセルが、ある波長範囲内の太陽放射線に対して透明であり、
    前記第２の光触媒サブセルの光アノードが、前記波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成されている、請求項２１に記載の光触媒発電システム。
23. 前記複数の光触媒サブセルが、前記第２の光触媒サブセルと前記カソード側流路との間に位置付けされ、前記第２の光触媒サブセルから離間載置されてそれらの間に第２の水サブチャンバを形成する第３の光触媒サブセルを備える、請求項２１に記載の光触媒発電システム。
24. 前記第１の光触媒サブセルが、第１の波長範囲と、前記第１の波長範囲を少なくとも部分的に含まない第２の波長範囲内の太陽放射線の両方の範囲内の太陽放射線に対して透明であり、
    前記第２の光触媒サブセルが、前記第２の波長範囲内の太陽放射線に対して透明であり、
    前記第２の光触媒サブセルの光アノードが、前記第１の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成され、
    前記第３の光触媒サブセルの光アノードが、前記第２の波長範囲内の太陽放射線を吸収するように構造的に構成されている、請求項２３に記載の光触媒発電システム。
25. 太陽光ハウジングと、光アノードと、電解質膜と、カソードと、酸素拡散膜と、外部発電回路と、を備える光触媒発電システムであって、
    前記太陽光ハウジングが、光アノード活性化放射線に対して透明な入力窓を備え、
    前記光アノードが、前記太陽光ハウジング内に位置付けされ、前記外部発電回路に電気的に連結され、
    前記カソードが、前記太陽光ハウジング内に位置付けされ、前記外部発電回路に電気的に連結され、
    前記太陽光ハウジングが、前記光アノード、前記カソード、及び前記電解質膜を囲む閉ループ水チャンバを備え、
    前記酸素拡散膜が、前記閉ループ水チャンバ内に位置付けされ、前記酸素拡散膜を通る水の流れを抑制し、前記酸素拡散膜を通る酸素分子の流れを可能にするように構造的に構成され、
    前記光アノードが、光アノード活性化放射線を受け取り、光アノード活性化放射線に暴露されると、前記外部発電回路によって受容可能な電子を出力し、電子正孔を生成して、前記閉ループ水チャンバ内に収容された水が前記電子正孔で酸化して水素イオンと酸素分子になるように構造的に構成され、
    前記電解質膜が、前記光アノードと前記カソードとの間に陽子経路を提供するように構造的に構成され、
    前記閉ループ水チャンバが、前記酸素拡散膜を横断し、前記光アノードと前記カソードとの間に延在する、酸素分子のための経路を提供するように構造的に構成され、
    前記カソードが、前記陽子経路から前記水素イオンを受け取り、前記酸素分子を受け取り、前記水素イオンと前記酸素分子の還元によって前記水素イオン及び前記酸素分子を結合させて、再結合水にするように構造的に構成され、
    前記閉ループ水チャンバが、前記酸素拡散膜を横断せずに前記カソードと前記光アノードとの間に延在する再結合水のための経路を提供するように構造的に構成されている、光触媒発電システム。

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