JPH04342964A - 光燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、酸素−水素燃料電池に
係わり、光エネルギーでこれらの酸素、水素燃料を生成
し、実質的に燃料を供給する必要のない燃料電池、換言
すれば、光を燃料源（エネルギー源）とした燃料電池に
関するものである。 【０００２】 【従来の技術】燃料電池は、燃料を供給しつつ、該燃料
が電気化学反応する過程における自由エネルギー変化を
直接電気エネルギー変化に変換する装置であり、エネル
ギー変換効率が高いとの理由から、リン酸電解液燃料電
池やアルカリ電解液燃料電池、および溶融炭酸塩燃料電
池、固体電解質燃料電池などの各種の燃料電池が従来か
ら活発に開発されてきた。しかし、従来のこの種の燃料
電池では、燃料となる水素と酸素を分離し、これらを高
純度化した後に供給しなければならないといった問題が
あった。一方、近年、図４に示すような、水素と酸素の
混合燃料の供給によっても動作する小形の燃料電池が米
国のＣ．Ｋ．Ｄｙｅｒによって開発され、ＮＡＴＵＲＥ
誌（ＶＯＬ３４３、８　　ＦＥＢＲＵＡＲＹ　　１９９
０）に発表された。図４において図中符号１２は基板、
１３は内部電極、１４は外部電極、１５は電解質膜であ
る。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】この燃料電池は、燃料
である水素と酸素を分離する必要がないという点では優
れているが、これらの燃料を外部電極１４上へ供給して
やらなれば動作しないという点で、上述のリン酸電解液
燃料電池やアルカリ電解液燃料電池、および溶融炭酸塩
燃料電池、固体電解質燃料電池と同様の欠点を有してい
る。さらに、この電池は、水素と酸素等の混合ガスを外
部電極１４上まで導いてやらなければならず、実用上は
、これら爆発性に富む混合ガスの供給、または、保管と
いった安全上の問題があり、携帯使用可能な燃料電池を
実現することは困難であった。 【０００４】本発明は前記事情に鑑みてなされたもので
、酸素と水素の反応を利用してエネルギーを取り出す燃
料電池において、これらの酸素、水素燃料を、光エネル
ギーの存在下で、電池内電解質中に生成することが可能
であり、実質的に該燃料を供給する必要がなく、持ち運
び可能で、かつ、経済性に富む燃料電池を提供すること
を目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の光燃料電池は、気体透過性の第１の電解質と光触媒を
含む第２の電解質との中間に多孔質触媒からなる第１の
電極が設けられ、該第１の電解質に隣接して非多孔質触
媒からなる第２の電極が設けられてなることを前記課題
の解決手段とした。また、請求項２に記載の光燃料電池
は、請求項１に記載の光燃料電池であって、第１の電極
と第２の電解質との間に多孔質の溌水膜が介在するよう
、第１の電極の片面を該多孔質の溌水膜で被覆したこと
を前記課題の解決手段とした。また、請求項３に記載の
光燃料電池は、請求項１または２に記載の光燃料電池で
あって、光触媒が半導体部と金属部とにより構成された
微粒子からなり、かつ、該微粒子が上記第２の電解質中
に分散されてなることを前記課題の解決手段とした。 また、請求項４に記載の光燃料電池は請求項１ないし３
のいずれかに記載の光燃料電池であって、第２の電解質
が、水素イオン、または、水素イオンよりもイオン化傾
向の大きな陽イオンを含み、かつ、水酸イオン、または
、水酸イオンよりもイオン化傾向の大きな陰イオンを含
む水溶液電解質からなることを前記課題の解決手段とし
た。 【０００６】 【実施例】図１および図２は本発明の実施例を説明する
図であって、図１は、本発明電池の外観図、図２は図１
のＩＩ−ＩＩ線に添う断面図である。図中符号１は電池
ケース、２，３は電池端子であり、電池端子２および３
の間には負荷（電気機器）が接続される。また、４は多
孔質触媒からなる第１の電極、５は非多孔質触媒からな
る第２の電極、６は第１の電極４と第２の電極５に挟ま
れてなる気体透過性の第１の電解質であり、７はこれと
第１の電解質６とで上記第１の電極４を挟むように構成
された第２の電解質である。さらに、８は上記第２の電
解質７中へ分散されてなる光触媒である。なお、本実施
例では、第１の電極４は、その片面（第２の電解質７側
の表面）が多孔質溌水膜４ａで被覆された構成となって
いる。また図３は、本発明の光燃料電池における光触媒
微粒子８部分の拡大図であり、該光触媒８は半導体部９
と金属部１０からなる微粒子により構成されている。な
お、図３においては、第２の電解質７として酸性水溶液
電解質を使用した例を示した。 【０００７】第１の電極４および第２の電極５は、Ｐｔ
、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｐｔ−Ｃｏ、
Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｔ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｎｉ、Ｐｄ−Ａｕ、Ｒ
ｕ−Ｔａ、Ｐｔ−Ｐｄ−Ａｕ、Ｐｔ−酸化物、Ａｕ、Ａ
ｇ、Ａｇ−Ｃ、Ｎｉ−Ｐ、Ａｇ−Ｎｉ−Ｐ、ラネーニッ
ケル、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｎｉ−酸化コバルト、Ｃｕ−Ａｇ、
Ｃｕ−Ａｕ、ラネー銀等の貴金属および合金、ホウ化ニ
ッケル、ホウ化コバルト、炭化タングステン、水酸化チ
タン、リン化タングステン、リン化ニオブ、遷移金属の
炭化物、スピネル化合物、酸化銀、酸化タングステン、
遷移金属のペロブスカイト型イオン結晶等の無機化合物
、およびバクテリヤ、非イオン活性剤、フタロシアニン
、金属フタロシアニン、活性炭、キノン類等の有機化合
物のいずれかで構成される。これらの無機化合物および
有機化合物を第１の電極４として用いる場合には、この
電極を形成する際に、予め揮発性物質を混合して電極を
形成した後、加熱によって該揮発性物質を気化させて多
孔性とする、あるいは多孔状の型を用いて電極を形成す
る、電極形成後に針等を用いてピンホールを形成する、
凹凸状の基板上に蒸着よって電極を形成する、蒸着によ
って電極を形成する際にガスを混合させる等の方法によ
って多孔性に形成することができる。また、第２の電極
５として用いる場合には、加圧成形等の方法によって非
多孔性に形成することができる。また、多孔質溌水膜４
ａには、フッ素系樹脂やシリコン系樹脂を用いることが
できる。 【０００８】第１の電解質６は、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（Ｎａｆｉｏｎ）等の高
分子酸、および、アルミナ水和物、各種固体電解質等で
構成され、気体透過性を有するものである。 【０００９】第２の電解質７は、水素イオン、または、
Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ
、Ｐｂイオン等の水素イオンよりもイオン化傾向の大き
な陽イオンを含み、かつ、水酸イオン、または、硝酸イ
オン、硫酸イオン等の水酸イオンよりもイオン化傾向の
大きな陰イオンを含む酸、塩、または、塩基性水溶液電
解質からなる。 【００１０】光触媒８は、Ｒｈ／ＳｒＴｉＯ２、Ｒｕ／
ＳｒＴｉＯ２、Ｒｅ／ＳｒＴｉＯ２、Ｉｒ／ＳｒＴｉＯ
２、Ｐｔ／ＳｒＴｉＯ２、Ｐｄ／ＳｒＴｉＯ２、Ｏｓ／
ＳｒＴｉＯ２、Ｃｏ／ＳｒＴｉＯ２、ＲｕＯ２／ＴｉＯ
２／Ｐｔ、ＴｉＯ２／Ｐｔ、ＴｉＯ２／Ｐｄ、ＲｕＯ２
／ＴｉＯ２、ＴｉＯ２／［Ｐｈ３Ｐ］３Ｒｈ（Ｉ）Ｃｌ
、ＴｉＯ２＋ＭＶ，Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３等の材料で構成さ
れ、本実施例では、０．１〜１００μｍの微粒子を用い
た。なお、光触媒８の粒子径は必ずしもこの値に限定さ
れるものではなく、適度に分散されれば、粒子径の大き
さは問わない。また、該光触媒８の半導体部９は、水溶
液電解質中の水分子を分解し、酸素、および、水素を生
成する目的から、バンドギャップの値が１．１ｅＶ以上
の半導体で構成する必要があるが、この条件を満たすも
のであれば、ＺｎＯやＣｄＳ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＧａＡｓ
、ＳｉＣ等でも良く、必ずしも前述の材料に限定される
ものではない。また、金属部１０には、前述の第１の電
極４および第２の電極５と同種の材料を用いることがで
きる。 【００１１】電池ケース１は上記構成の電池を収容し、
密閉するもので電解質の水分の減少を防止する目的から
、低透湿性に優れたアルミニウム等の金属層を絶縁性高
分子で被覆したラミネート材やポリ塩化ビニリデン樹脂
（ＰＶＣＤ）、フッ素系樹脂、および、ガラス繊維強化
プラスチック材等で構成される。また、少なくとも、第
２の電解質７に隣接する部分の電池ケース１は、ガラス
繊維や透明プラスチック等の光透過性に優れた部材で構
成される。なお、該電池ケースには、必要に応じて、ガ
ス抜き用の排気安全弁が設けられる。 【００１２】また電池の形状は必ずしも平板状である必
要はなく、曲面状、球面状、多面体状でも良い。 【００１３】以下に本実施例における光燃料電池の動作
を簡単に説明する。ｎ型半導体電極と電解質との接触界
面においては、該ｎ型半導体電極のエネルギーバンドは
、電解質側へ向って上方曲りとなる。このことは、本発
明における光触媒微粒子８においても全く同様である。 図３に示すように光触媒微粒子８へ太陽や蛍光燈等の光
エネルギー１１が照射されると、半導体部９のエネルギ
ーバンドの伝導帯に電子（ｅ−）を励起し、価電子帯に
ホール（ｈ＋）を生む。このホールは上記バンドの曲り
に添って、半導体部９表面から電解質側へ運ばれ、半導
体部９表面で電気化学酸化反応を生起する。一方、伝導
帯に励起された電子は、バンドの曲りに添って半導体部
９から金属部１０表面へ移動し、そこで電気化学還元反
応を行わしめる。その結果、光触媒微粒子８のｎ型半導
体部９表面近傍には酸素が生成し、金属部１０表面近傍
には還元生成物である水素が生成する。以上の過程を経
て、第１の電極４に酸素と水素とが供給される。 【００１４】そして、該生成水素（Ｈ２）は、多孔質で
ある第１の電極４を透過し、第１の電解質６と直接接触
する第１の電極４表面上で、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−なる
反応に従って、水素イオン（Ｈ＋）に変化するとともに
、電極端子２を通じて電子（ｅ−）を負荷に供給する。 さらに、この水素イオンは、第１の電解質６中に拡散し
、第２の電極５の表面に達する。一方、該生成酸素（Ｏ
２）は、第１の電極４、ならびに、気体透過性である第
１の電解質６を透過した後、第２の電極５表面に達する
。そして、該酸素は、上記水素イオン、ならびに、第１
の電極４→電極端子２→負荷→電極端子３→第２の電極
５と移動してきた電子（ｅ−）と反応し、１／２Ｏ２＋
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏなる反応に従って、水分子（Ｈ
２Ｏ）を生成する。以上の結果、第１の電極４と第２の
電極５との間で光により生成した水素と酸素とから水が
生成する電気化学反応（燃料電池反応）が生起し、電極
端子２、および３の間に接続された負荷（電気機器）に
電気エネルギーを供給することができる。　　【００１
５】このように、光による水分子からの水素、酸素生成
と、これら生成物からの水の生成反応である燃料電池反
応が対となって進行する為、電池使用期間中に電解質中
の水分が減少することはない。また、第２の電解質７中
に生成した水素は、間断なく電池反応や触媒反応で消費
される為、酸素との混合ガスが多量に電池内に滞積する
こともなく、これら混合ガスを外部から供給する従来の
燃料電池に比べ、その安全性は極めて高い。なお、光触
媒微粒子８を構成する半導体部９にｐ型半導体を用いた
場合には、半導体のエネルギーバンドは下方曲りとなり
、半導体部９表面で水素を、金属部１０表面で酸素を生
成するが、この酸素、水素の生成部位が異なることを除
けば、他の動作機構は、上記ｎ型半導体を用いた本実施
例と全く同様である。 【００１６】このような光燃料電池において、第１の電
極４を多孔質材で、第１の電解質６を気体透過性材で構
成したことによって以下のような効果が得られる。光エ
ネルギーにより第２の電解質７中に生成した酸素、水素
と第１の電解質６とは充分な接触が確保され、さらに、
これら酸素、水素、または、そのイオンは第１の電解質
６中を拡散し、第２の電極５表面に到達して反応するこ
とができる。したがって、酸素と水素から水を生成する
際の電気化学反応によって、効率良くエネルギーを取り
出すことができる。 【００１７】また、第１の電極４の片面（第２の電解質
側の表面）を多孔質溌水膜４ａで被覆したことによって
以下のような効果が得られる。■第２の電解質７の第１
の電解質６中への侵入による気体透過性低下を防止する
、■生成気体のイオンへの電気化学変化の反応場を第１
の電極４と第１の電解質６との界面に限定し、第２の電
極５表面への該イオンの拡散を容易にすることができる
。なお、第１の電極４として、該多孔質溌水膜４ａで被
覆しない電極を用いてもよいが、溌水膜４ａを使用する
ことによって電池性能が向上する。 【００１８】また第２の電極５を非多孔質としたことに
よって、第１の電解質６との接触界面における反応気体
の透過防止、上記界面からの流失防止がなされ、電池反
応を効率よく進行させることができる。 【００１９】また、光触媒８を微粒子化し、第２の電解
質７中へ分散することによって、これら光触媒８と電解
質水溶液７との接触面積が増大するとともに、光のあら
ゆる入射角に対して、表面の半導体部分が受光可能な光
触媒が常に存在することになり、光による酸素、水素生
成効率の向上をはかることができる。 【００２０】また、第２の電解質７が、水素イオン、ま
たは水素イオンよりもイオン化傾向の大きな陽イオンを
含み、かつ、水酸イオン、または水酸イオンよりもイオ
ン化傾向の大きな陰イオンを含む酸、塩、または、塩基
性水溶液電解質からなることによって、光エネルギーに
よる水素、酸素の生成効率を上げ、他の気体の発生や光
触媒８上への金属析出等の副反応を抑えることが可能と
なる。 【００２１】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の光燃料電
池は、気体透過性の第１の電解質と光触媒を含む第２の
電解質との中間に多孔質触媒からなる第１の電極が設け
られ、該第１の電解質に隣接して非多孔質触媒からなる
第２の電極が設けられてなるものである。このような光
燃料電池においては、まず、第２の電解質中の光触媒微
粒子表面に入射した光エネルギーによって、該電解質中
の水分子から水素と酸素が生成され、これに引続き、こ
れら生成物を消費する電池反応が進行する。したがって
、従来の燃料電池のように酸素や水素燃料を供給する必
要が無くなり、光エネルギー存在下で動作する、実質的
に燃料供給の不要な極めて省エネルギー性に優れた燃料
電池を提供することができる。また、外部から、水素燃
料や酸素と水素の混合ガスを供給する必要がないので、
安全性に優れ、携帯使用可能な燃料電池を提供でき、本
発明は実用上極めて大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光燃料電池の一例を示した外観図であ
る。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図を示したもの
である。

【図３】本発明の光燃料電池に用いられる光触媒微粒子
の例を示した説明図である。

【図４】従来の燃料電池の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１　　　　容器（電池ケース） ４　　　　第１の電極 ４ａ　　　　溌水膜 ５　　　　第２の電極 ６　　　　第１の電解質 ７　　　　第２の電解質 ８　　　　光触媒 ９　　　　半導体部 １０　　　　金属部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　気体透過性の第１の電解質と光触媒を
   含む第２の電解質との中間に多孔質触媒からなる第１の
   電極が設けられ、該第１の電解質に隣接して非多孔質触
   媒からなる第２の電極が設けられてなることを特徴とす
   る光燃料電池。
2. 【請求項２】　　上記第１の電極と上記第２の電解質と
   の間に多孔質の溌水膜が介在するよう、該第１の電極の
   片面を該多孔質の溌水膜で被覆したことを特徴とする請
   求項１記載の光燃料電池。
3. 【請求項３】　　上記光触媒が半導体部と金属部とによ
   り構成された微粒子からなり、かつ、該微粒子が上記第
   ２の電解質中に分散されてなることを特徴とする請求項
   １または２記載の光燃料電池。
4. 【請求項４】　　第２の電解質が、水素イオン、または
   、水素イオンよりもイオン化傾向の大きな陽イオンを含
   み、かつ、水酸イオン、または、水酸イオンよりもイオ
   ン化傾向の大きな陰イオンを含む水溶液電解質からなる
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の
   光燃料電池。