特許ウォッチ

公開番号2025084007
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-02
出願番号2023197739
出願日2023-11-21
発明の名称光燃料電池、電気化学デバイス、及び発電方法
出願人ポーラ化成工業株式会社,国立大学法人京都大学
代理人弁理士法人みなとみらい特許事務所
主分類H01M 8/1004 20160101AFI20250526BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】従来の光燃料電池は燃料として液体状のものを使用しているため、小型化、薄型化することが困難であった。また、燃料として気体状のものを使用する光燃料電池は、時間の経過に伴い発電持続性が低下するという課題があった。そこで、本発明は発電量の持続性に優れた、光燃料電池、電気化学デバイス及び発電方法の提供を課題とする。
【解決手段】負極と、正極と、前記負極と前記正極の間に配置された電解質層を有する電気化学デバイスと、前記負極と前記正極とを電気的に接続する外部回路と、を備える、水蒸気を燃料として発電する光燃料電池であって、前記負極は、第1の光触媒層、及び配位高分子層を備え、前記正極は、第2の光触媒層を備え、前記第1の光触媒層は、光を照射することにより水の分解反応を触媒し、前記第2の光触媒層は、光を照射することより酸素の還元反応を触媒する、光燃料電池により、解決した。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
負極と、正極と、前記負極と前記正極の間に配置された電解質層を有する電気化学デバイスと、前記負極と前記正極とを電気的に接続する外部回路と、を備える、水蒸気を燃料として発電する光燃料電池であって、
前記負極は、第１の光触媒層、及び配位高分子層を備え、
前記正極は、第２の光触媒層を備え、
前記第１の光触媒層は、光を照射することにより水の分解反応を触媒し、前記第２の光触媒層は、光を照射することより酸素の還元反応を触媒する、光燃料電池。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記正極は、さらに配位高分子層を備える、請求項１に記載の光燃料電池。
【請求項３】
前記配位高分子層は、プロトン配位性分子、オキソ酸イオン及び金属イオンを含み、前記オキソ酸イオン及び／又は前記プロトン配位性分子が、前記金属イオンに配位した配位高分子を含む、請求項１又は２に記載の光燃料電池。
【請求項４】
前記プロトン配位性分子は、アミン、イミン、イミダゾール、トリアゾール、ベンズイミダゾール、ベンズトリアゾール、及びこれらの誘導体から成る群から選ばれる１種以上である請求項３に記載の光燃料電池。
【請求項５】
前記プロトン配位性分子が、一般式Ｒ－ＮＨ
２
で表される第一級アミン、一般式Ｒ
１
（Ｒ
２
）－ＮＨで表される第二級アミン、一般式Ｒ
１
（Ｒ
２
）（Ｒ
３
）－Ｎで表される第三級アミン、炭素直鎖ジアミン、飽和環状アミン、及び飽和環状ジアミンから成る群から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項３に記載の光燃料電池。
（Ｒ、Ｒ
１
、Ｒ
２
、Ｒ
３
は、それぞれ独立に、アルキル基、アリール基、脂環式炭化水素基、及び複素環基のうちのいずれかを示す。）
【請求項６】
前記金属イオンが、コバルトイオン、銅イオン、亜鉛イオン、及びガリウムイオンから成る群から選ばれる１種以上である、請求項３に記載の光燃料電池。
【請求項７】
前記オキソ酸イオンが、リン酸イオン、リン酸水素イオン、及びリン酸二水素イオンから成る群から選ばれる１種以上である、請求項３に記載の光燃料電池。
【請求項８】
前記電解質層は、フッ素樹脂等の高分子中に酸性基を含む膜、又は前記配位高分子の膜である、請求項１又は２に記載の光燃料電池。
【請求項９】
前記負極及び正極は、さらに導電層を備え、
前記導電層は、導電性不織布で形成される、請求項１又は２に記載の光燃料電池。
【請求項１０】
前記負極は、さらに吸湿層を備える、請求項１又は２に記載の光燃料電池。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、水蒸気を燃料として発電する光燃料電池、当該光燃料電池に用いる電気化学デバイス、及びこれらを用いた発電方法に関する。
続きを表示（約 1,500 文字）【背景技術】
【０００２】
従来より、固体高分子型燃料電池、アルカリ電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池等の燃料電池が開発され、実用化されている。近年では、光触媒を用いた燃料電池、すなわち光燃料電池が提案されている。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、窒素含有化合物を燃料とすることができ、資源の有効活用が可能であるという点で注目を集めている。
【０００３】
特許文献１には、液相燃料にレドックスメディエータを含有させることで、光電流変換効率を向上させた光燃料電池が提案されている。
特許文献２には、負極層に接した光触媒層の一部又は全部に、有機色素層を備えることで、起電力を高めた光燃料電池が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２００９－２１８０８０号公報
特開２０１９－２０９２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載の発明は、光燃料電池の燃料として、有機化合物及び窒素含有化合物の少なくとも一方を含む液相燃料を用いている。また、特許文献２に記載の発明は、液体状の水を燃料として用いている。これら従来技術に係る光燃料電池は、起電力や光電流変換効率等、優れた性能を発揮するものであるが、燃料として液体状のものを使用しているため、小型化、薄型化することが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、新規な水蒸気を燃料とした光燃料電池、電気化学デバイス、及び発電方法を提供することを課題とする。
具体的には、発電量の持続性に優れた、光燃料電池、電気化学デバイス及び発電方法を提供することを課題とする。さらに、発電量の持続性に優れた、電気化学デバイスの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、鋭意研究の結果、光燃料電池の電極に配位高分子を用いることで、水蒸気を燃料とした光燃料電池の発電持続性が向上することを見出し、本発明を完成させた。
【０００８】
すなわち、前記課題を解決する本発明は、
負極と、正極と、前記負極と前記正極の間に配置された電解質層を有する電気化学デバイスと、前記負極と前記正極とを電気的に接続する外部回路と、を備える、水蒸気を燃料として発電する光燃料電池であって、
前記負極は、第１の光触媒層、及び配位高分子層を備え、
前記正極は、第２の光触媒層を備え、
前記第１の光触媒層は、光を照射することにより水の分解反応を触媒し、前記第２の光触媒層は、光を照射することより酸素の還元反応を触媒する、光燃料電池である。
【０００９】
本発明の光燃料電池は空気中の水蒸気を接触させ、そこに光を照射することで、水の分解反応によりプロトンと電子が生成し、当該プロトンと電子が正極に伝導し、正極では酸素の還元反応が進行する。この反応により、電気を取り出すことができる。
さらに、本発明の光燃料電池は、水蒸気を燃料として発電することができるため、液相燃料（電解液）を収容する電解槽が不要である。
【００１０】
また、前記配位高分子層は、配位結合で構造化し、共有結合性分子に比べ優れたラジカル耐性を示す。このため、本発明の光燃料電池は、光劣化が起きにくく、発電量の持続性に優れる。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許