JP2017150072A - Electrochemical reaction device - Google Patents
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Abstract
Description
実施形態の発明は、電気化学反応装置に関する。 The invention of an embodiment relates to an electrochemical reaction device.
近年、エネルギー問題や環境問題の観点から、植物の光合成を模倣して太陽光を電気化学的に化学物質に変換する人工光合成技術の開発が進められている。例えば、砂漠のような利用価値が低く、植物の生産に利用しない土地で太陽光を化学物質に変換して離れた場所に輸送しても十分にエネルギーを得ることができるためである。太陽光を化学物質に変換してボンベやタンクに貯蔵する場合、太陽光を電気に変換して蓄電池に貯蔵する場合に比べて、エネルギーの貯蔵コストを低減することができ、また貯蔵ロスも少ないという利点がある。 In recent years, from the viewpoint of energy problems and environmental problems, development of artificial photosynthesis technology that imitates plant photosynthesis and converts sunlight into electrochemical chemicals has been promoted. For example, it is because the utility value is low even if the utility value is low such as a desert and the sunlight is converted into a chemical substance and transported to a remote place on a land that is not used for plant production. When sunlight is converted into chemicals and stored in cylinders or tanks, energy storage costs can be reduced and storage loss is less than when sunlight is converted into electricity and stored in storage batteries. There is an advantage.
太陽光を電気化学的に化学物質へ変換する光電気化学反応装置としては、例えば二酸化炭素(CO2)を還元する還元触媒を有する電極と、水(H2O)を酸化する酸化触媒を有する電極とを備え、これら電極を二酸化炭素が溶解した水中に浸漬させる二電極方式の装置が知られている。このとき、各電極は電線等を介して電気的に接続される。酸化触媒を有する電極においては、光エネルギーによりH2Oを酸化して酸素(1/2O2)を得ると共に、電位を得る。還元触媒を有する電極においては、酸化反応を生起する電極から電位を得ることによって、二酸化炭素を還元して蟻酸(HCOOH)等を生成する。このように、二電極方式の装置においては、二酸化炭素の還元電位を2段励起により得ているため、太陽光から化学エネルギーへの変換効率が低い。 As a photoelectrochemical reaction apparatus for converting sunlight into a chemical substance electrochemically, for example, it has an electrode having a reduction catalyst for reducing carbon dioxide (CO 2 ) and an oxidation catalyst for oxidizing water (H 2 O). There is known a two-electrode type apparatus that includes electrodes and immerses these electrodes in water in which carbon dioxide is dissolved. At this time, each electrode is electrically connected via an electric wire or the like. In an electrode having an oxidation catalyst, H 2 O is oxidized by light energy to obtain oxygen (1 / 2O 2 ) and a potential is obtained. In an electrode having a reduction catalyst, formic acid (HCOOH) or the like is generated by reducing carbon dioxide by obtaining a potential from an electrode that causes an oxidation reaction. As described above, in the two-electrode system, the reduction potential of carbon dioxide is obtained by two-stage excitation, so that the conversion efficiency from sunlight to chemical energy is low.
実施形態の発明が解決しようとする課題は、二酸化炭素の還元効率を高めることである。 The problem to be solved by the invention of the embodiment is to increase the reduction efficiency of carbon dioxide.
実施形態の電気化学反応装置は、二酸化炭素を含む第1の電解液を収容する第1の収容部と、水を含む第2の電解液を収容する第2の収容部と、を備える第1の電解液槽と、第1の電解液に浸漬された還元電極と、第2の電解液に浸漬された酸化電極と、還元電極および酸化電極に電気的に接続された電源と、二酸化炭素を含む第3の電解液を収容する第3の収容部を備える第2の電解液槽と、第1の収容部と第3の収容部とを接続する流路と、を具備する。第3の電解液の温度は第1の電解液の温度よりも低い。 The electrochemical reaction device according to the embodiment includes a first storage unit that stores a first electrolytic solution containing carbon dioxide, and a second storage unit that stores a second electrolytic solution containing water. An electrolyte bath, a reduction electrode immersed in the first electrolyte, an oxidation electrode immersed in the second electrolyte, a power source electrically connected to the reduction electrode and the oxidation electrode, and carbon dioxide A second electrolytic solution tank including a third storage unit that stores the third electrolytic solution including the first electrolytic unit; and a flow path that connects the first storage unit and the third storage unit. The temperature of the third electrolytic solution is lower than the temperature of the first electrolytic solution.
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的であり、例えば各構成要素の厚さ、幅等の寸法は実際の構成要素の寸法と異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付け、説明を省略する場合がある。本明細書において「接続する」の用語は、直接接続する場合に限定されず、間接的に接続する意味を含んでいてもよい。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The drawings are schematic, and for example, the thickness and width of each component may differ from the actual component dimensions. In the embodiment, substantially the same constituent elements may be assigned the same reference numerals and description thereof may be omitted. In this specification, the term “connecting” is not limited to the case of direct connection, but may include the meaning of indirect connection.
図1は電気化学反応装置の構成例を示す模式図である。電気化学反応装置は、図1に示すように、電解液槽11と、電解液槽12と、還元電極31と、酸化電極32と、光電変換体33と、イオン交換膜4と、流路51と、流路52と、を具備する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of an electrochemical reaction device. As shown in FIG. 1, the electrochemical reaction apparatus includes an
電解液槽11は、収容部111と、収容部112と、を有する。電解液槽11の形状は、収容部となる空洞を有する立体形状であれば特に限定されない。
The
収容部111は、被還元物質を含む電解液21を収容する。被還元物質は、還元反応により還元される物質である。被還元物質は、例えば二酸化炭素を含む。また、被還元物質は水素イオンを含んでいてもよい。電解液21に含まれる水の量や電解液成分を変えることで、反応性を変化させ、被還元物質の選択性や生成する化学物質の割合を変えることができる。
The
収容部112は、被酸化物質を含む電解液22を収容する。被酸化物質は、酸化反応により酸化される物質である。被酸化物質は、例えば水、またはアルコールもしくはアミン等の有機物や酸化鉄などの無機酸化物である。電解液21と同じ物質が電解液22に含まれていてもよい。この場合、電解液21および電解液22が1つの電解液であるとみなされてもよい。
The
電解液22のpHは、電解液21のpHよりも高いことが好ましい。これにより、水素イオンや水酸化物イオン等が移動し易くなる。また、pHの差による液間電位差により酸化還元反応を効果的に進行させることができる。
The pH of the
電解液槽12は、電解液23を収容する収容部113を有する。電解液23は、例えば二酸化炭素を含む。電解液槽12は、還元触媒吸収装置としての機能を有する。電解液23の温度は、電解液21の温度よりも低い。
The
還元電極31は、電解液21に浸漬される。還元電極31は、例えば被還元物質の還元触媒を含む。還元反応により生成される化合物は、還元触媒の種類等によって異なる。還元反応により生成される化合物は、例えば一酸化炭素(CO)、蟻酸(HCOOH)、メタン(CH4)、メタノール(CH3OH)、エタン(C2H6)、エチレン(C2H4)、エタノール(C2H5OH)、ホルムアルデヒド(HCHO)、エチレングリコール等の炭素化合物、または水素である。還元反応により生成される化合物は、例えば生成物流路を介して回収されてもよい。このとき、生成物流路は、例えば収容部111に接続されている。還元反応により生成される化合物は、他の流路を介して回収されてもよい。
The
還元電極31は、例えば薄膜状、格子状、粒子状、ワイヤー状の構造を有してもよい。必ずしも還元電極31に還元触媒を設けなくてもよい。還元電極31以外に設けられた還元触媒を還元電極31に電気的に接続してもよい。
The
酸化電極32は、電解液22に浸漬される。酸化電極32は、例えば被酸化物質の酸化触媒を含む。酸化反応により生成される化合物は、酸化触媒の種類等によって変化する。酸化反応により生成される化合物は、例えば水素イオンである。酸化反応により生成される化合物は、例えば生成物流路を介して回収されてもよい。このとき、生成物流路は、例えば収容部112に接続される。酸化反応により生成される化合物は、他の流路を介して回収されてもよい。
The
酸化電極32は、例えば薄膜状、格子状、粒子状、ワイヤー状の構造を有してもよい。必ずしも酸化電極32に酸化触媒を設けなくてもよい。酸化電極32以外に設けられた酸化触媒層を酸化電極32に電気的に接続してもよい。
The
酸化電極32が積層され、かつ電解液22に浸漬される場合であって、酸化電極32を介して光電変換体33に光を照射して酸化還元反応を行う場合、酸化電極32は、透光性を有する必要がある。酸化電極32の光の透過率は、例えば酸化電極32に照射される光の照射量の少なくとも10%以上、より好ましくは30%以上であることが好ましい。これに限定されず、例えば還元電極31を介して光電変換体33に光を照射してもよい。
In the case where the
光電変換体33は、還元電極31に電気的に接続された面331と、酸化電極32に電気的に接続された面332と、を有する。図1において、面331と還元電極31との間、および面332と酸化電極電極32との間は例えば伝熱性を有する配線等の伝熱部材で接続されている。配線等により光電変換体と還元電極または酸化電極とを接続する場合、機能ごとに構成要素が分離されているため、システム的に有利である。光電変換体33は電解液槽11の外部に設けられてもよい。なお、必ずしも光電変換体33が設けられなくてもよい。他の電源を酸化電極32および還元電極31に接続してもよい。電源としては、光電変換体を含む光電変換素子に限定されず、系統電源、蓄電池等の電源装置または風力、水力、地熱などの再生可能エネルギー等を用いてもよい。
The
光電変換体33は、照射された太陽光等の光のエネルギーにより電荷分離を行う機能を有する。電荷分離により発生した電子は還元電極側に移動し、正孔は酸化電極側に移動する。これにより、光電変換体33は、起電力を発生することができる。光電変換体33としては、例えばpn接合型またはpin接合型の光電変換体を用いることができる。光電変換体33は例えば電解液槽11に固定されていてもよい。なお、複数の光電変換層を積層することにより光電変換体33が形成されてもよい。
The
還元電極31、酸化電極32、および光電変換体33のサイズは、互いに異なってもよい。
The sizes of the
イオン交換膜4は、収容部111と収容部112とを区切るように設けられている。イオン交換膜4としては、例えばアストム社のネオセプタ(登録商標)や旭硝子社のセレミオン(登録商標)、Aciplex(登録商標)、Fumatech社のFumasep(登録商標)、fumapem(登録商標)、デュポン社のテトラフルオロエチレンをスルホン化して重合したフッ素樹脂であるナフィオン(登録商標)、LANXESS社のlewabrane(登録商標)、IONTECH社のIONSEP(登録商標)、PALL社のムスタング(登録商標)、mega社のralex(登録商標)、ゴアテックス社のゴアテックス(登録商標)等を用いることができる。また、炭化水素を基本骨格とした膜や、アニオン交換ではアミン基を有する膜を用いてイオン交換膜が構成されていてもよい。なお、必ずしもイオン交換膜4が設けられなくてもよい。
The
流路51および流路52は、電解液を流通させる電解液流路としての機能を有する。これに限定されず、流路51および流路52により電解液と酸化還元反応による生成物を流通させてもよい。電解液槽11、12および流路51、52として、例えば光を透過する材料を用いてもよい。また、電解液槽12としては、電解液槽12の効率向上のために熱を伝えやすい材料で、槽内を均一に保つことが望ましく、太陽熱を用いる場合には熱を吸収しやすい材料や黒色等の熱の吸収率が高い素材を用いると、省エネルギーとなり好ましい。特に太陽光を受けているときに反応が進行する電気化学反応装置では、より望ましい。また、槽内部の電解液の液温調整を直接行うために、光を透過する材料を用い、内部に太陽光を吸収する材料を設けることで、効率を向上させることが可能となり、望ましい。
The
流路51は、収容部111と収容部113とを接続する。電解液21に含まれるイオンその他の物質は、流路51を介して電解液槽12に移動することができる。
The
流路52は、収容部111と収容部113とを接続する。電解液23に含まれるイオンその他の物質は、流路52を介して電解液槽11に移動することができる。
The
流路51および流路52の形状は、配管等の電解液を流すことができる空洞を有する形状であれば特に限定されない。流路51および流路52の少なくとも一つの流路の電解液は、循環ポンプにより循環されてもよい。電解液21の少なくとも一部は、例えば流路51を介して収容部113に移動する。電解液23の少なくとも一部は、例えば流路52を介して収容部111に移動する。図1に示す矢印は電解液の循環方向を示す。
The shape of the
次に、図1に示す電気化学反応装置の動作例について説明する。光電変換体33に光が入射すると、光電変換体33は、光励起電子および正孔を生成する。このとき、還元電極31には光励起電子が集まり、酸化電極32には正孔が集まる。これにより、光電変換体33に起電力が発生する。光としては、太陽光が好ましいが、発光ダイオードや有機EL等の光を光電変換体33に入射させてもよい。
Next, an operation example of the electrochemical reaction device shown in FIG. 1 will be described. When light enters the
電解液21および電解液22として水および二酸化炭素を含む電解液を用い、一酸化炭素を生成する場合について説明する。酸化電極32周辺では、下記式(1)のように水の酸化反応が起こり、電子を失い、酸素と水素イオンが生成される。生成された水素イオンの少なくとも一つは、イオン交換膜4を介して収容部111に移動する。
2H2O → 4H++O2+4e− ・・・(1)
A case where carbon monoxide is generated using an electrolytic solution containing water and carbon dioxide as the
2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e − (1)
還元電極31周辺では、下記式(2)のように二酸化炭素の還元反応が起こり、電子を受け取りつつ水素イオンが二酸化炭素と反応し、一酸化炭素と水が生成される。また、一酸化炭素とは別に下記式(3)のように水素イオンが電子を受け取ることにより、水素が生成される。このとき、水素は一酸化炭素と同時に生成されてもよい。
CO2+2H++2e− → CO+H2O ・・・(2)
2H++2e− → H2 ・・・(3)
In the vicinity of the
CO 2 + 2H + + 2e − → CO + H 2 O (2)
2H + + 2e − → H 2 (3)
光電変換体33は、酸化反応の標準酸化還元電位と還元反応の標準酸化還元電位との電位差以上の開放電圧を有する必要がある。例えば、式(1)における酸化反応の標準酸化還元電位は1.23[V]である。式(2)における還元反応の標準酸化還元電位は−0.03[V]である。式(3)における酸化反応の標準酸化還元電位は0Vである。このとき、式(1)と式(2)との反応では開放電圧を1.26[V]以上にする必要がある。
The
光電変換体33の開放電圧は、酸化反応の標準酸化還元電位と還元反応の標準酸化還元電位との電位差よりも過電圧の値以上高くすることが好ましい。例えば、式(1)における酸化反応および式(2)における還元反応の過電圧がそれぞれ0.2[V]である。式(1)と式(2)との反応では、開放電圧を1.66[V]以上にすることが好ましい。同様に式(1)と式(3)との反応では、開放電圧を1.63[V]以上にすることが好ましい。
The open-circuit voltage of the
水素イオンや二酸化炭素の還元反応は、水素イオンを消費する反応である。このため、水素イオンの量が少ない場合、還元反応の効率が悪くなる。よって、電解液21と電解液22との間で水素イオンの濃度を異ならせ、濃度差により水素イオンを移動させやすくしておくことが好ましい。陰イオン(例えば水酸化物イオン等)の濃度を電解液21と電解液22との間で異ならせてもよい。
The reduction reaction of hydrogen ions or carbon dioxide is a reaction that consumes hydrogen ions. For this reason, when the amount of hydrogen ions is small, the efficiency of the reduction reaction is deteriorated. Therefore, it is preferable to make the hydrogen ion concentration different between the
式(2)の反応効率は、電解液中に溶存された二酸化炭素の濃度によって変化する。二酸化炭素濃度が高くなるほど反応効率は高くなり、低くなるほど低下する。電解液中の二酸化炭素濃度を高くすることは、溶解度が低いため困難である。式(2)の反応効率は、炭酸水素イオンや炭酸イオン濃度によっても変化する。しかしながら、炭酸水素イオン濃度や炭酸イオン濃度は、電解液濃度を高めることやpHを調整することによって調整できるため、二酸化炭素濃度よりも調整させやすい。なお、酸化電極と還元電極との間にイオン交換膜を設けても二酸化炭素ガスや炭酸イオン、炭酸水素イオン等がイオン交換膜4を通過してしまうため、完全に性能低下を防ぐことは困難である。
The reaction efficiency of Formula (2) changes with the density | concentration of the carbon dioxide dissolved in electrolyte solution. The reaction efficiency increases as the carbon dioxide concentration increases, and decreases as it decreases. It is difficult to increase the carbon dioxide concentration in the electrolyte because of its low solubility. The reaction efficiency of formula (2) also changes depending on the bicarbonate ion concentration or carbonate ion concentration. However, since the bicarbonate ion concentration and the carbonate ion concentration can be adjusted by increasing the electrolyte concentration or adjusting the pH, it is easier to adjust than the carbon dioxide concentration. Even if an ion exchange membrane is provided between the oxidation electrode and the reduction electrode, carbon dioxide gas, carbonate ions, hydrogen carbonate ions, etc. will pass through the
二酸化炭素濃度を高める方法としては、例えば電解液槽11に直接二酸化炭素を吹き込む方法が考えられる。しかしながら、還元生成物がガス状の一酸化炭素等である場合、二酸化炭素ガスと一酸化炭素ガスとを分離する必要がある。よって、装置の複雑化によるコストの増加や分離に要するエネルギーを要するためにエネルギーロスが生じる。
As a method of increasing the carbon dioxide concentration, for example, a method of blowing carbon dioxide directly into the
本実施形態の電気化学反応装置は、酸化還元反応に用いられる第1の電解液槽と、第1の電解液槽に接続された第2の電解液槽と、を具備する。第2の電解液槽の収容部に収容される電解液の温度は、第1の電解液槽の収容部に収容される電解液よりも低い。例えば、第2の電解液槽における収容部を冷却することにより、第2の電解液槽に収容される電解液の温度を第1の電解液槽の収容部に収容される電解液よりも低くすることができる。第2の電解液槽における二酸化炭素の溶解度は、第1の電解液槽における二酸化炭素の溶解度よりも高い。 The electrochemical reaction device of the present embodiment includes a first electrolytic solution tank used for the oxidation-reduction reaction, and a second electrolytic solution tank connected to the first electrolytic solution tank. The temperature of the electrolytic solution accommodated in the accommodating portion of the second electrolytic solution tank is lower than the electrolytic solution accommodated in the accommodating portion of the first electrolytic solution tank. For example, by cooling the accommodating part in the second electrolytic solution tank, the temperature of the electrolytic solution accommodated in the second electrolytic solution tank is lower than the electrolytic solution accommodated in the accommodating part of the first electrolytic solution tank. can do. The solubility of carbon dioxide in the second electrolyte bath is higher than the solubility of carbon dioxide in the first electrolyte bath.
第2の電解液槽における二酸化炭素濃度は、電解液23に与えられる圧力を電解液21に与えられる圧力よりも高くすることによっても高めることができる。このとき、例えば第2の電解液槽の収容部の圧力を第1の電解液槽の収容部の圧力よりも高くしてもよい。また、流路52に圧力調整器が設けられてもよい。
The carbon dioxide concentration in the second electrolytic solution tank can also be increased by making the pressure applied to the
第2の電解液槽において調整された高い二酸化炭素濃度を有する電解液を第1の電解液槽に供給することにより、第1の電解液槽に収容された電解液の二酸化炭素濃度を高くすることができる。よって、還元反応の効率を向上させることができる。 By supplying an electrolytic solution having a high carbon dioxide concentration adjusted in the second electrolytic solution tank to the first electrolytic solution tank, the carbon dioxide concentration of the electrolytic solution accommodated in the first electrolytic solution tank is increased. be able to. Therefore, the efficiency of the reduction reaction can be improved.
第1の電解液槽の収容部を冷却する場合、触媒による反応が低下するために反応効率が低下しやすい。また、第1の電解液槽の収容部を加圧する場合、電解液槽の耐圧性を高める必要があるためコストが増大し、また構造が複雑になる。さらに、耐圧性を高めると電極の交換が煩雑になる等のメンテナンス性が悪化する。 When cooling the accommodating part of a 1st electrolyte solution tank, since reaction by a catalyst falls, reaction efficiency tends to fall. Moreover, when pressurizing the accommodating part of the first electrolytic solution tank, it is necessary to increase the pressure resistance of the electrolytic solution tank, so that the cost increases and the structure becomes complicated. Furthermore, if the pressure resistance is increased, the maintainability such as the exchange of the electrodes becomes complicated.
二酸化炭素の供給量を減らすことや、二酸化炭素を電解液に効率よく吸収させるためには、電解液中を通過する二酸化炭素の気泡同士の間隔が広いことが必要である。しかしながら、二酸化炭素の濃度を高めることにより気泡同士の間隔が短くなり、電解液槽を小さくすることができる。冷却温度は例えば第1の電解液槽における電解液の温度以下が好ましい。酸化還元反応によって電解液の温度が上昇する場合、冷却温度は室温以上第1の電解液槽の電解液温度以下であることが好ましい。冷却温度は電解液が凍結しない温度以上電解液温度以下であることがより好ましい。 In order to reduce the amount of carbon dioxide supplied and to efficiently absorb carbon dioxide in the electrolyte, it is necessary that the distance between the bubbles of carbon dioxide passing through the electrolyte is wide. However, by increasing the concentration of carbon dioxide, the distance between the bubbles is shortened, and the electrolyte bath can be made smaller. For example, the cooling temperature is preferably equal to or lower than the temperature of the electrolytic solution in the first electrolytic solution tank. When the temperature of the electrolytic solution rises due to the oxidation-reduction reaction, the cooling temperature is preferably room temperature or higher and lower than or equal to the electrolytic solution temperature of the first electrolytic bath. The cooling temperature is more preferably not less than the temperature at which the electrolyte does not freeze and not more than the electrolyte temperature.
第1の電解液槽における電解液の温度は凍結温度よりも高いことが好ましい。例えば、二酸化炭素の吸収量の向上、二酸化炭素イオン、HCO3イオン濃度の向上、および電解液の溶液抵抗の向上のためにカリウムイオンやナトリウムイオン等のイオンを含む場合、電解液は0℃で凍結しない。しかしながら、極端に冷却するためには大型の冷却器が必要になり、コストやエネルギーロスにつながるため、0℃以上が好ましい場合がある。また、電気化学反応装置全体のエネルギーロスや電解液の極端な冷却による反応低下なども懸念されるため、5℃以上または10℃以上が好ましい場合もある。 The temperature of the electrolytic solution in the first electrolytic solution tank is preferably higher than the freezing temperature. For example, when an ion such as potassium ion or sodium ion is included for the purpose of improving carbon dioxide absorption, carbon dioxide ion, HCO 3 ion concentration, and improving the solution resistance of the electrolyte, the electrolyte is at 0 ° C. Does not freeze. However, in order to cool extremely, a large-sized cooler is required, which leads to cost and energy loss. Moreover, since there are concerns about energy loss of the whole electrochemical reaction apparatus and reaction decrease due to extreme cooling of the electrolytic solution, 5 ° C. or higher or 10 ° C. or higher may be preferable.
電解液温度の低下による反応効率の低下を抑制するために電解液槽11、12や流路51、52に温度調節器が設けられてもよい。温度調節器により温度を調節することにより反応効率が向上する。例えば、流路51に冷却器が設けられ、流路52に加熱器が設けられてもよい。数℃の温度差でも効果を得ることが可能であるため、第1の電解液槽と第2の電解液槽との間の電解液流路や電解液槽に太陽光を照射させることで加温すると自然エネルギーを用いることができるため効率が良い。さらには後述する太陽光を電気エネルギーに変換して本反応を行う場合では太陽光の熱エネルギーと光エネルギーを効率よく用いることができるためさらに効率が向上する。
In order to suppress a decrease in reaction efficiency due to a decrease in the electrolyte temperature, a temperature controller may be provided in the
電気化学反応装置における各構成要素の構造例についてさらに説明する。電解液に適用可能な水を含む電解液としては、例えば任意の電解質を含む水溶液を用いることができる。この溶液は水の酸化反応を促進する水溶液であることが好ましい。電解質を含む水溶液としては、例えばリン酸イオン(PO4 2−)、ホウ酸イオン(BO3 3−)、ナトリウムイオン(Na+)、カリウムイオン(K+)、カルシウムイオン(Ca2+)、リチウムイオン(Li+)、セシウムイオン(Cs+)、マグネシウムイオン(Mg2+)、塩化物イオン(Cl−)、炭酸水素イオン(HCO3 −)等を含む水溶液が挙げられる。 A structural example of each component in the electrochemical reaction device will be further described. As the electrolytic solution containing water applicable to the electrolytic solution, for example, an aqueous solution containing an arbitrary electrolyte can be used. This solution is preferably an aqueous solution that promotes the oxidation reaction of water. Examples of the aqueous solution containing an electrolyte include phosphate ion (PO 4 2− ), borate ion (BO 3 3− ), sodium ion (Na + ), potassium ion (K + ), calcium ion (Ca 2+ ), lithium An aqueous solution containing ions (Li + ), cesium ions (Cs + ), magnesium ions (Mg 2+ ), chloride ions (Cl − ), hydrogen carbonate ions (HCO 3 − ), and the like can be given.
電解液に適用可能な二酸化炭素を含む電解液としては、例えばLiHCO3、NaHCO3、KHCO3、CsHCO3、リン酸、ホウ酸等を含む水溶液が挙げられる。二酸化炭素を含む電解液は、メタノール、エタノール、アセトン等のアルコール類を含んでもよい。水を含む電解液は、二酸化炭素を含む電解液と同じであってもよい。しかしながら、二酸化炭素を含む電解液における二酸化炭素の吸収量は高いことが好ましい。よって、二酸化炭素を含む電解液として水を含む電解液と異なる溶液を用いてもよい。二酸化炭素を含む電解液は、二酸化炭素の還元電位を低下させ、イオン伝導性が高く、二酸化炭素を吸収する二酸化炭素吸収剤を含む電解液であることが好ましい。 Examples of the electrolytic solution containing carbon dioxide applicable to the electrolytic solution include an aqueous solution containing LiHCO 3 , NaHCO 3 , KHCO 3 , CsHCO 3, phosphoric acid, boric acid, and the like. The electrolytic solution containing carbon dioxide may contain alcohols such as methanol, ethanol, and acetone. The electrolytic solution containing water may be the same as the electrolytic solution containing carbon dioxide. However, it is preferable that the amount of carbon dioxide absorbed in the electrolytic solution containing carbon dioxide is high. Therefore, a solution different from the electrolyte solution containing water may be used as the electrolyte solution containing carbon dioxide. The electrolytic solution containing carbon dioxide is preferably an electrolytic solution containing a carbon dioxide absorbent that reduces the reduction potential of carbon dioxide, has high ionic conductivity, and absorbs carbon dioxide.
上述した電解液としては、例えばイミダゾリウムイオンやピリジニウムイオン等の陽イオンと、BF4 −やPF6 −等の陰イオンとの塩からなり、幅広い温度範囲で液体状態であるイオン液体もしくはその水溶液を用いることができる。さらに、他の電解液としては、エタノールアミン、イミダゾール、ピリジン等のアミン溶液もしくはその水溶液が挙げられる。アミンとしては、一級アミン、二級アミン、三級アミン等が挙げられる。これらの電解液が、イオン伝導性が高く、二酸化炭素を吸収する性質を有し、還元エネルギーを低下させる特性を有していてもよい。 As the above-mentioned electrolytic solution, for example, an ionic liquid or an aqueous solution thereof which is made of a salt of a cation such as imidazolium ion or pyridinium ion and an anion such as BF 4 − or PF 6 − and is in a liquid state in a wide temperature range. Can be used. Furthermore, examples of the other electrolyte include amine solutions such as ethanolamine, imidazole, and pyridine, or aqueous solutions thereof. Examples of amines include primary amines, secondary amines, and tertiary amines. These electrolytic solutions may have high ion conductivity, a property of absorbing carbon dioxide, and a property of reducing reduction energy.
一級アミンとしては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン等が挙げられる。アミンの炭化水素は、アルコールやハロゲン等が置換していてもよい。アミンの炭化水素が置換されたものとしては、メタノールアミン、エタノールアミン、クロロメチルアミン等が挙げられる。また、不飽和結合が存在していてもよい。これら炭化水素は、二級アミン、三級アミンも同様である。 Examples of the primary amine include methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine and the like. The amine hydrocarbon may be substituted with alcohol, halogen or the like. Examples of the substituted amine hydrocarbon include methanolamine, ethanolamine, chloromethylamine and the like. Moreover, an unsaturated bond may exist. These hydrocarbons are the same for secondary amines and tertiary amines.
二級アミンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジメタノールアミン、ジエタノールアミン、ジプロパノールアミン等が挙げられる。置換された炭化水素は、異なってもよい。これは三級アミンでも同様である。例えば、炭化水素が異なるものとしては、メチルエチルアミン、メチルプロピルアミン等が挙げられる。 Examples of secondary amines include dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dipentylamine, dihexylamine, dimethanolamine, diethanolamine, and dipropanolamine. The substituted hydrocarbon may be different. The same applies to tertiary amines. For example, those having different hydrocarbons include methylethylamine, methylpropylamine and the like.
三級アミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリメタノールアミン、トリエタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリブタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリエキサノールアミン、メチルジエチルアミン、メチルジプロピルアミン等が挙げられる。 Tertiary amines include trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine, trihexylamine, trimethanolamine, triethanolamine, tripropanolamine, tributanolamine, tripropanolamine, triexanolamine, methyldiethylamine, methyl And dipropylamine.
イオン液体の陽イオンとしては、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾールイオン、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウムイオン、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。 As the cation of the ionic liquid, 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1-methyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl-3-methylimidazole ion, 1-methyl-3-pentylimidazolium ion 1-hexyl-3-methylimidazolium ion and the like.
イミダゾリウムイオンの2位が置換されていてもよい。イミダゾリウムイオンの2位が置換された陽イオンとしては、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−ペンチルイミダゾリウムイオン、1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。 The 2-position of the imidazolium ion may be substituted. Examples of the cation substituted at the 2-position of the imidazolium ion include 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl-2,3-dimethyl. Examples include imidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-pentylimidazolium ion, 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium ion, and the like.
ピリジニウムイオンとしては、メチルピリジニウム、エチルピリジニウム、プロピルピリジニウム、ブチルピリジニウム、ペンチルピリジニウム、ヘキシルピリジニウム等が挙げられる。イミダゾリウムイオンおよびピリジニウムイオンは共に、アルキル基が置換されてもよく、不飽和結合が存在してもよい。 Examples of the pyridinium ion include methylpyridinium, ethylpyridinium, propylpyridinium, butylpyridinium, pentylpyridinium, hexylpyridinium, and the like. In both the imidazolium ion and the pyridinium ion, an alkyl group may be substituted, and an unsaturated bond may exist.
アニオンとしては、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、BF4 −、PF6 −、CF3COO−、CF3SO3 −、NO3 −、SCN−、(CF3SO2)3C−、ビス(トリフルオロメトキシスルホニル)イミド、ビス(トリフルオロメトキシスルホニル)イミド、ビス(パーフルオロエチルスルホニル)イミド等が挙げられる。イオン液体のカチオンとアニオンとを炭化水素で接続した双生イオンでもよい。なお、リン酸カリウム溶液等の緩衝溶液を収容部111、112に供給してもよい。
As anions, fluoride ions, chloride ions, bromide ions, iodide ions, BF 4 − , PF 6 − , CF 3 COO − , CF 3 SO 3 − , NO 3 − , SCN − , (CF 3 SO 2). ) 3 C − , bis (trifluoromethoxysulfonyl) imide, bis (trifluoromethoxysulfonyl) imide, bis (perfluoroethylsulfonyl) imide and the like. It may be a zwitterion in which a cation and an anion of an ionic liquid are connected by a hydrocarbon. In addition, you may supply buffer solutions, such as a potassium phosphate solution, to the
図2は電気化学反応装置の他の例を示す図である。図2に示す電気化学反応装置では、図1に示す電気化学反応装置と還元電極31と、酸化電極32と、光電変換体33と、は積層されている構成が異なる。還元電極31は面331に接し、酸化電極32は面332に接している。このとき、還元電極31、酸化電極32、および光電変換体33を含む積層体を光電変換セルともいう。光電変換セルは、イオン交換膜4を貫通して電解液21および電解液22に浸漬されている。
FIG. 2 is a diagram showing another example of an electrochemical reaction device. In the electrochemical reaction apparatus shown in FIG. 2, the electrochemical reaction apparatus shown in FIG. 1, the
図3は、光電変換セルの構造例を示す断面模式図である。図3に示す光電変換セルは、導電性基板30と、還元電極31と、酸化電極32と、光電変換体33と、光反射体34と、金属酸化物体35と、金属酸化物体36と、を備える。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a structural example of a photoelectric conversion cell. The photoelectric conversion cell shown in FIG. 3 includes a
導電性基板30は、還元電極31に接するように設けられる。なお、導電性基板30を還元電極の一部とみなしてもよい。導電性基板30としては、例えばCu、Al、Ti、Ni、Fe、およびAgの少なくとも1つまたは複数を含む基板が挙げられる。例えば、SUS等のステンレス鋼を含むステンレス基板を用いてもよい。これに限定されず、導電性樹脂を用いて導電性基板30を構成してもよい。また、SiまたはGe等の半導体基板を用いて導電性基板30を構成してもよい。さらに、樹脂フィルム等を導電性基板30として用いてもよい。例えば、イオン交換膜4に適用可能な膜を導電性基板30として用いてもよい。
The
導電性基板30は、支持体としての機能を有する。収容部111と収容部112とを分離するように導電性基板30を設けてもよい。導電性基板30を設けることにより光電変換セルの機械的強度を向上させることができる。また、導電性基板30を還元電極31の一部とみなしてもよい。さらに、必ずしも導電性基板30を設けなくてもよい。
The
還元電極31は、還元触媒を含むことが好ましい。還元電極31は、導電材料および還元触媒の両方を含んでいてもよい。還元触媒としては、水素イオンや二酸化炭素を還元するための活性化エネルギーを減少させる材料が挙げられる。言い換えると、水素イオンや二酸化炭素の還元反応により水素や炭素化合物を生成する際の過電圧を低下させる材料が挙げられる。例えば、金属材料または炭素材料を用いることができる。金属材料としては、例えば水素の場合、白金、ニッケル等の金属、または当該金属を含む合金を用いることができる。二酸化炭素の還元反応では金、アルミニウム、銅、銀、白金、パラジウム、もしくはニッケル等の金属、または当該金属を含む合金を用いることができる。炭素材料としては、例えばグラフェン、カーボンナノチューブ(Carbon Nanotube:CNT)、フラーレン、またはケッチェンブラック等を用いることができる。なお、これに限定されず、還元触媒として例えばRu錯体またはRe錯体等の金属錯体、イミダゾール骨格やピリジン骨格を有する有機分子を用いてもよい。また、複数の材料を混合してもよい。
The
酸化電極32は、酸化触媒を含むことが好ましい。酸化電極32は、導電材料および酸化触媒の両方を含んでいてもよい。酸化触媒としては、水を酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料が挙げられる。言い換えると、水の酸化反応により酸素と水素イオンを生成する際の過電圧を低下させる材料が挙げられる。例えば、イリジウム、白金、コバルト、またはマンガン等が挙げられる。また、酸化触媒としては、二元系金属酸化物、三元系金属酸化物、または四元系金属酸化物などを用いることができる。二元系金属酸化物としては、例えば酸化マンガン(Mn−O)、酸化イリジウム(Ir−O)、酸化ニッケル(Ni−O)、酸化コバルト(Co−O)、酸化鉄(Fe−O)、酸化スズ(Sn−O)、酸化インジウム(In−O)、または酸化ルテニウム(Ru−O)等が挙げられる。三元系金属酸化物としては、例えばNi−Co−O、La−Co−O、Ni−La−O、Sr−Fe−O等が挙げられる。四元系金属酸化物としては、例えばPb−Ru−Ir−O、La−Sr−Co−O等が挙げられる。なお、これに限定されず、酸化触媒としてRu錯体またはFe錯体等の金属錯体を用いることもできる。また、複数の材料を混合してもよい。
The
還元電極31および酸化電極32の少なくとも一方は、多孔質構造を有していてもよい。多孔質構造を有する電極に適用可能な材料としては、上記材料に加え、例えばケッチェンブラックやバルカンXC−72等のカーボンブラック、活性炭、金属微粉末等が挙げられる。多孔質構造を有することにより、酸化還元反応に寄与する活性面の面積を大きくすることができるため、変換効率を高めることができる。
At least one of the
比較的低い光の照射エネルギーを用いて低電流密度の電極反応を行う場合、触媒材料の選択肢が広い。よって、例えばユビキタス金属等を用いて反応を行うことが容易であり、反応の選択性を得ることも比較的容易である。一方、電解液槽11に光電変換体33を設けず、配線等により光電変換体33と還元電極31および酸化電極32の少なくとも一方とを電気的に接続する場合、電解液槽を小型化する等の理由により一般的に電極面積は小さくなり、高電流密度で反応を行う場合がある。この場合、触媒として貴金属を用いることが好ましい。
When an electrode reaction with a low current density is performed using a relatively low light irradiation energy, there are a wide range of options for the catalyst material. Therefore, for example, it is easy to perform the reaction using ubiquitous metal or the like, and it is relatively easy to obtain the selectivity of the reaction. On the other hand, when the
光電変換体33は、光電変換層33xと、光電変換層33yと、光電変換層33zとを有する積層構造を備える。光電変換層の積層数は、図3に限定されない。
The
光電変換層33xは、例えばn型のアモルファスシリコンを含むn型半導体層331nと、真性(intrinsic)のアモルファスシリコンゲルマニウムを含むi型半導体層331iと、p型の微結晶シリコンを含むp型半導体層331pと、を有する。i型半導体層331iは、例えば400nmを含む短波長領域の光を吸収する層である。よって、光電変換層33xでは、短波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。
The
光電変換層33yは、例えばn型のアモルファスシリコンを含むn型半導体層332nと、真性のアモルファスシリコンゲルマニウムを含むi型半導体層332iと、p型の微結晶シリコンを含むp型半導体層332pと、を有する。i型半導体層332iは、例えば600nmを含む中間波長領域の光を吸収する層である。よって、光電変換層33yでは、中間波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。
The
光電変換層33zは、例えばn型のアモルファスシリコンを含むn型半導体層333nと、真性のアモルファスシリコンを含むi型半導体層333iと、p型の微結晶シリコンを含むp型半導体層333pと、を有する。i型半導体層333iは、例えば700nmを含む長波長領域の光を吸収する層である。よって、光電変換層33zでは、長波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。
The
p型半導体層またはn型半導体層は、例えば半導体材料にドナーまたはアクセプタとなる元素を添加することにより形成することができる。なお、光電変換層では、半導体層としてシリコン、ゲルマニウム等を含む半導体層を用いているが、これに限定されず、例えば化合物半導体層等を用いることができる。化合物半導体層としては、例えばGaAs、GaInP、AlGaInP、CdTe、CuInGaSe等を含む半導体層を用いることができる。また、光電変換が可能であればTiO2やWO3のような材料を含む層を用いてもよい。さらに、各半導体層は、単結晶、多結晶、またはアモルファスであってもよい。また、光電変換層に酸化亜鉛層を設けてもよい。 The p-type semiconductor layer or the n-type semiconductor layer can be formed, for example, by adding an element serving as a donor or an acceptor to a semiconductor material. Note that in the photoelectric conversion layer, a semiconductor layer containing silicon, germanium, or the like is used as the semiconductor layer; however, the present invention is not limited thereto, and for example, a compound semiconductor layer or the like can be used. As the compound semiconductor layer, for example, a semiconductor layer containing GaAs, GaInP, AlGaInP, CdTe, CuInGaSe, or the like can be used. In addition, a layer containing a material such as TiO 2 or WO 3 may be used as long as photoelectric conversion is possible. Further, each semiconductor layer may be single crystal, polycrystalline, or amorphous. Further, a zinc oxide layer may be provided on the photoelectric conversion layer.
光反射体34は、導電性基板30と光電変換体33との間に設けられる。光反射体34としては、例えば金属層または半導体層の積層からなる分布型ブラッグ反射体が挙げられる。光反射体34を設けることにより、光電変換体33で吸収できなかった光を反射させて光電変換層33xないし光電変換層33zのいずれかに入射することができるため、光から化学物質への変換効率を高めることができる。光反射体34としては、例えばAg、Au、Al、Cu等の金属、それら金属の少なくとも1つを含む合金等の層を用いることができる。
The
金属酸化物体35は、光反射体34と光電変換体33との間に設けられる。金属酸化物体35は、例えば光学的距離を調整して光反射性を高める機能を有する。金属酸化物体35としては、n型半導体層331nとオーミック接触が可能な材料を用いることが好ましい。金属酸化物体35としては、例えばインジウム錫酸化物(Indium Tin Oxide:ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素を含む酸化錫(Fluorine−doped Tin Oxide:FTO)、アルミニウムを含む酸化亜鉛(Aluminum−doped Zinc Oxide:AZO)、アンチモンを含む酸化錫(Antimony−doped Tin Oxide:ATO)等の透光性金属酸化物の層を用いることができる。
The
金属酸化物体36は、酸化電極32と光電変換体33との間に設けられる。金属酸化物体36を光電変換体33の表面に設けてもよい。金属酸化物体36は、酸化反応による光電変換セルの破壊を抑制する保護層としての機能を有する。金属酸化物体36を設けることにより、光電変換体33の腐食を抑制し、光電変換セルの寿命を長くすることができる。なお、必ずしも金属酸化物体36を設けなくてもよい。
The
金属酸化物体36としては、例えばTiO2、ZrO2、Al2O3、SiO2、またはHfO2等の誘電体薄膜を用いることができる。金属酸化物体36の厚さは、10nm以下、さらには5nm以下であることが好ましい。トンネル効果により導電性を得るためである。金属酸化物体36として、例えばインジウム錫酸化物(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素を含む酸化錫(FTO)、アルミニウムを含む酸化亜鉛(AZO)、アンチモンを含む酸化錫(ATO)等の透光性を有する金属酸化物の層を用いてもよい。
As the
金属酸化物体36は、例えば金属と透明導電性酸化物とを積層させた構造、金属とその他導電性材料とを複合させた構造、または透明導電性酸化物とその他導電性材料とを複合させた構造を有してもよい。上記構造にすることにより、部品点数が減り、軽量かつ製造が容易になりコストも低くすることができる。金属酸化物体36は、保護層、導電層、および触媒層としての機能を有していてもよい。
The
図3に示す光電変換セルでは、n型半導体層331nのi型半導体層331iとの接触面の反対面が光電変換体33の第1の面となり、p型半導体層333pのi型半導体層333iとの接触面の反対面が第2の面となる。以上のように、図3に示す光電変換セルは、光電変換層33xないし光電変換層33zを積層することで、太陽光の幅広い波長の光を吸収することができ、太陽光エネルギーをより効率良く利用することができる。このとき、各光電変換層が直列に接続されているため高い電圧を得ることができる。
In the photoelectric conversion cell shown in FIG. 3, the surface opposite to the contact surface of the n-
図3では、光電変換体33上に電極が積層されているため、電荷分離した電子と正孔とをそのまま酸化還元反応に利用することができる。また、配線等により光電変換体33と電極を電気的に接続する必要がない。よって、高効率で酸化還元反応を行うことができる。
In FIG. 3, since the electrodes are stacked on the
並列接続で複数の光電変換体を電気的に接続してもよい。2接合型、単層型の光電変換体を用いてもよい。2層または4層以上の光電変換体の積層を有していてもよい。複数の光電変換層の積層に代えて、単層の光電変換層を用いてもよい。 A plurality of photoelectric converters may be electrically connected in parallel connection. A two-junction type or single layer type photoelectric converter may be used. You may have the lamination | stacking of the photoelectric conversion body of 2 layers or 4 layers or more. Instead of stacking a plurality of photoelectric conversion layers, a single photoelectric conversion layer may be used.
本実施形態の電気化学反応装置は、還元電極と、酸化電極と、光電変換体とを一体化し、部品数が低減され、簡略化されたシステムである。よって、例えば製造、設置、およびメンテナンスの少なくとも一つが容易になる。さらに、光電変換体と還元電極および酸化電極とを接続する配線等が不要となるため、光透過率を高め、受光面積を大きくすることができる。 The electrochemical reaction device of this embodiment is a simplified system in which a reduction electrode, an oxidation electrode, and a photoelectric conversion body are integrated to reduce the number of components. Thus, for example, at least one of manufacture, installation, and maintenance is facilitated. Furthermore, since the wiring etc. which connect a photoelectric conversion body, a reduction electrode, and an oxidation electrode become unnecessary, a light transmittance can be improved and a light-receiving area can be enlarged.
光電変換体33が電解液に接触するために腐食し、腐食生成物が電解液に溶解することで電解液の劣化が生じる場合がある。腐食を防ぐためには、保護層を設けることが挙げられる。しかし、保護層成分が電解液に溶解する場合がある。そこで、流路や電解液槽内に金属イオンフィルタなどのフィルタを設けることで電解液の劣化が抑制される。
In some cases, the
本実施形態の電気化学反応装置は、余剰電力対策に適した技術であり、太陽光エネルギーを活用することが求められている。太陽光の照度が強い場合、余剰電力が無いときには可能な限りエネルギーを得て、余剰電力があるときには消費のために電解液循環等にエネルギーを利用する。これによりエネルギーミックスが効率よく行われ、全体としてのエネルギー利用率を増加させることができる。電解液に緩衝溶液を用いる場合、反応量が小さいと反応によるpHの変化も小さい。そこで、反応させていないときに電解液を循環させて、電解液成分を均一に保ち、反応時の電解液供給を制限または停止させることでトータルの効率の低下やコストを抑えることができる。例えば、夜間の風力やコストが低い余剰電力を用いて電解液を循環させ、昼間に電解液循環を停止もしくは最低限の供給量で反応させて、酸化還元反応を行うことが好ましい。 The electrochemical reaction device of the present embodiment is a technique suitable for measures against surplus power, and is required to utilize solar energy. When the illuminance of sunlight is strong, energy is obtained as much as possible when there is no surplus power, and energy is used for electrolyte circulation or the like for consumption when there is surplus power. Thereby, an energy mix is performed efficiently and the energy utilization rate as a whole can be increased. When a buffer solution is used as the electrolytic solution, the change in pH due to the reaction is small when the reaction amount is small. Therefore, by reducing the electrolyte solution by circulating the electrolyte solution when it is not reacted to keep the electrolyte solution components uniform and restricting or stopping the supply of the electrolyte solution during the reaction, it is possible to suppress the reduction in total efficiency and cost. For example, it is preferable to perform the oxidation-reduction reaction by circulating the electrolytic solution using wind power at night or surplus power with low cost, and stopping the circulation of the electrolytic solution during the day or reacting with a minimum supply amount.
電気化学反応装置の構造例は、図1に限定されない。図4は、電気化学反応装置の他の例を示す模式図である。図4に示す電気化学反応装置は、図1に示す電気化学反応装置と比較して、分離槽13と、分離槽14と、流路53ないし流路55をさらに具備する構成が少なくとも異なる。
The structural example of an electrochemical reaction device is not limited to FIG. FIG. 4 is a schematic view showing another example of an electrochemical reaction device. The electrochemical reaction device shown in FIG. 4 is at least different from the electrochemical reaction device shown in FIG. 1 in that the
分離槽13は、電解液24を収容する収容部114aと収容部114aを複数の領域に区切るように設けられた気液分離膜114bとを有する。気液分離膜114bは、例えば中空糸膜等を含む。中空糸膜は、例えばシリコーン樹脂やフッ素系樹脂(パーフルオロアルコキシアルカン(PFA)、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン・テトラフルオロエチレンコポリマー(ETFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフロオロエチレンコポリマー(ECTFE))等を含む。
The
図4に示す電気化学反応装置では、電解液槽11内の還元生成物の一部の生成物が分離槽13で抽出される。気液分離膜114bの外側(電解液24の接触面の反対面側)を減圧するとともにガス状の生成物を含む電解液24が気液分離膜114bを通過することにより効率よくガス状の生成物と二酸化炭素とを分離することができる。生成物が例えば一酸化炭素の場合、分離槽13での気液分離により一酸化炭素ガスのみを分離することができる。
In the electrochemical reaction apparatus shown in FIG. 4, a partial product of the reduction product in the
流路51は、収容部114aに接続される。流路53は、収容部113と収容部114aとを接続する。分離槽14は、電解液25を収容する収容部115aと収容部115aを複数の領域に区切るように設けられた気液分離膜115bとを有する。流路54は、収容部112と収容部115aとを接続する。流路55は、収容部112と収容部115aとを接続する。電解液22の少なくとも一部は、流路54を介して収容部115aに供給される。電解液25の少なくとも一部は、流路55を介して収容部112に供給される。流路54および流路55に循環ポンプ等が設けられていてもよい。
The
気液分離膜115bの外側(電解液25の接触面の反対面)を減圧するとともにガス状の生成物を含む電解液が気液分離膜115bを通過することにより二酸化炭素と同様に酸素ガスと溶存酸素とを分離することができる。電解液槽11で生成した酸素ガスを直接回収し利用することが考えられるが、電解液22中に酸素ガスが溶存し、完全に酸素ガスを回収することが困難である。酸化電極の性能低下を招くことから、溶存酸素をガス状にして回収することが望ましい。電解液槽11内でのガス分離と異なり複数のセルで発生したガスを一度に回収することが可能である。よって、ガス回収用の総流路長が短くなりシステムを単純にすることができる。この場合、酸素ガスを効率よく回収するために、電解液槽12と同様に、分離槽14や流路54および流路55に温度調節装置を設けることで電解液からの酸素の分離を効率よく行うことができる。
The pressure outside the gas-
分離槽13または流路51に温度調節装置を設けることにより生成物の分離効率を高めることができる。ガス分離を完全に行うために電解液中の溶存ガスを出来る限り除去することが好ましい。温度分布等による溶存ガスの除去効率を高めるために分離槽13に撹拌手段が設けられることが好ましい。
By providing a temperature control device in the
分離槽13の電解液24の温度と電解液槽11の電解液21の温度との差は、−10℃以上10℃以下であってもよい。分離槽13の電解液24の温度が高過ぎると溶存する二酸化炭素が気化し、生成物のガス濃度が低下しやすい。加熱によるエネルギーロスが大きいため、極端な加熱は効率低下を招く。
The difference between the temperature of the
生成物がメタノールやエタノール等の水溶性の液体物質である場合、分離槽13の分離方法は、例えば蒸留や膜分離であってもよい。このとき、分離効率向上のために温度調節装置を設けることが望ましい。分離膜は、例えばゼオライトであってもよい。特に上流での熱は大きいため、全体の効率が低下しやすい。これに対し、分離槽13に断熱材が設けられることで効率の低下を防ぐことができる。
When the product is a water-soluble liquid substance such as methanol or ethanol, the separation method of the
電解液槽内の酸化電極と還元電極との間にイオン交換膜や流路が設けられる場合、酸化電極に接する電解液は、還元電極に接する電解液と異なっていてもよい。上記構成により、酸化側での反応生成物である酸素を容易に分離して取り出すことができる。 When an ion exchange membrane or a flow path is provided between the oxidation electrode and the reduction electrode in the electrolytic solution tank, the electrolytic solution in contact with the oxidation electrode may be different from the electrolytic solution in contact with the reduction electrode. With the above configuration, oxygen which is a reaction product on the oxidation side can be easily separated and extracted.
各触媒には適した電解液があり、各触媒層に接する電解液を変えることによって効率を向上することができる。さらには、酸化側と還元側でpHを酸化側のほうを大きくした場合にはpHの違いによって生じる液間電位を反応の足りない電位に補うことができる利点がある。 Each catalyst has a suitable electrolyte, and the efficiency can be improved by changing the electrolyte in contact with each catalyst layer. Further, when the pH is increased on the oxidation side and the reduction side, there is an advantage that the liquid-liquid potential caused by the difference in pH can be supplemented with a potential with insufficient reaction.
図5に示す電気化学反応装置は、図4に示す電気化学反応装置に示す構成と、流路56と、冷却器61aと、冷却器61bと、加熱器62aと、加熱器62bと、ポンプ71と、加圧弁72と、を具備する。
The electrochemical reaction device shown in FIG. 5 includes the configuration shown in the electrochemical reaction device shown in FIG. 4, the
流路56は、電解液槽12の収容部に接続されている。例えば流路56は、二酸化炭素発生源80に接続される。
The
冷却器61aは、流路56に流れる電解液を冷却する機能を有する。冷却器61aは、例えば流路56の内部または外部に設けられてもよい。
The cooler 61 a has a function of cooling the electrolyte flowing through the
冷却器61bは、電解液23を冷却する機能を有する。冷却器61bは、例えば収容部113の内部または外部に設けられてもよい。
The cooler 61 b has a function of cooling the
加熱器62aは、電解液25を加熱する機能を有する。加熱器62aは、例えば収容部115aの内部または外部に設けられてもよい。
The
加熱器62bは、流路54に流れる電解液を加熱する機能を有する。加熱器62bは、例えば流路54の内部または外部に設けられてもよい。
The
ポンプ71は、収容部114aから収容部113に電解液を供給することを促進させる機能を有する。ポンプ71は、例えば流路53の内部または外部に設けられる。ポンプ71は、必ずしも設けられなくてもよい。
The
加圧弁72は、収容部113から収容部111に電解液を供給することを促進させる機能を有する。加圧弁72は、例えば流路52の内部または外部に設けられる。加圧弁72としては、例えばオリフィスバルブやパルスバルブ等が挙げられる。なお、加圧弁72は、必ずしも設けられなくもよい。
The pressurizing
分離槽13と分離槽14との間で熱交換が行われてもよい。例えば、分離槽13と分離槽14との間を接続する伝熱部材91を設けることにより熱交換を行うことができる。伝熱部材91を例えば収容部114aと収容部115aとの間を接続するように設けてもよい。また、別途熱交換器等を接続してもよい。
Heat exchange may be performed between the
図6に示す電気化学反応装置は、図5に示す構成に加え、冷却器61cをさらに具備し、分離槽13を具備しない。 The electrochemical reaction device shown in FIG. 6 further includes a cooler 61c in addition to the configuration shown in FIG.
流路53は、収容部111と収容部113とを接続する。流路56は、収容部111に接続されている。流路56は、例えば収容部111と二酸化炭素発生源80とを接続する。二酸化炭素発生源80は、電気化学反応装置の内部または外部に設けられていてもよい。
The
電解液槽12と分離槽14との間で熱交換が行われてもよい。例えば、電解液槽12と分離槽14との間を接続する伝熱部材92を設けることにより熱交換を行うことができる。伝熱部材92を例えば流路53と流路54との間を接続するように設けてもよい。また、別途熱交換器等を接続してもよい。
Heat exchange may be performed between the
冷却器61cは、流路53に流れる電解液を冷却する機能を有する。冷却器61cは、例えば流路53の内部または外部に設けられる。
The cooler 61 c has a function of cooling the electrolyte flowing through the
ポンプ71は、収容部113から収容部111に電解液を供給することを促進する機能を有する。ポンプ71は、例えば流路52に設けられる。
The
加圧弁72は、収容部111から収容部113に電解液を供給することを促進させる機能を有する。加圧弁72は、例えば流路52の内部または外部に設けられる。加圧弁72としては、例えばオリフィスバルブやパルスバルブ等が挙げられる。なお、加圧弁72は、必ずしも設けられなくもよい。
The pressurizing
図5及び図6に示す電気化学反応装置では、冷却器を用いることにより還元側の電解液の温度を低下させやすくすることができる。また、加熱器を用いることにより酸化側の電解液の温度を上昇させやすくすることができる。よって反応効率を高めることができる。 In the electrochemical reaction apparatus shown in FIGS. 5 and 6, the temperature of the electrolyte solution on the reduction side can be easily lowered by using a cooler. Moreover, the temperature of the electrolyte solution on the oxidation side can be easily increased by using a heater. Therefore, the reaction efficiency can be increased.
発電所や焼却炉等では高温の二酸化炭素が発生する。上記高温の二酸化炭素を電解液槽11に直接供給すると温度が向上する。このため、二酸化炭素発生源80と電解液槽11との間の流路56に冷却器を設けて温度上昇を抑制することが好ましい。冷却器は、例えば大気や海水、河川水などにより流路を冷却する構成であっても十分効果を得ることができる。
Hot carbon dioxide is generated in power plants and incinerators. When the high temperature carbon dioxide is directly supplied to the
発電所や焼却炉等の二酸化炭素発生源80で加圧された二酸化炭素をポンプ等を用いずに流路を介して電解液槽11または電解液槽12に供給することにより、エネルギーロスを小さくすることができる。圧力の安定のために圧力調整器が設けられてもよい。圧力調整器により安定した圧力で二酸化炭素を電解液に吸収することができる。よって装置全体の安定性を高めることができる。また、電解液槽11からの二酸化炭素の供給量や温度、二酸化炭素供給装置の運転の信号に応じて還元電極と酸化電極との間の電圧や電気化学反応装置の温度管理、圧力管理を行って効率を向上させると装置の能力を最大限活用できて効率が向上する。
By supplying carbon dioxide pressurized by a carbon
分離槽13を加熱する場合、二酸化炭素発生源等の熱を用いて加熱することによりエネルギーロスが減少するため効率が向上する。これに対し、二酸化炭素発生源から供給される高温の二酸化炭素ガスの熱を用いることにより、電解液槽12に供給する二酸化炭素ガス温度が低下して効率が向上する。
When the
図7に示す電気化学反応装置は、図6に示す電気化学反応装置の構成に加え、蒸留器81aと、還元反応装置81bと、収容部113と還元反応装置81bとを接続する流路57と、をさらに具備する。また、電気化学反応装置は、冷却器61cの代わりに冷却器61dを有する。なお、冷却器61cおよび冷却器61dの両方を具備していてもよい。
The electrochemical reaction device shown in FIG. 7 includes, in addition to the configuration of the electrochemical reaction device shown in FIG. 6, a
冷却器61dは、流路52に流れる電解液を冷却する機能を有する。冷却器61dは、例えば流路52の内部または外部に設けられる。
The cooler 61 d has a function of cooling the electrolyte flowing in the
蒸留器81aは、収容部113の生成物を蒸留する機能を有する。蒸留器81aは、収容部113に接続されている。蒸留器81aは、例えば電解液槽12上に設けられる。図7に示す電気化学反応装置では、蒸留器81aでの蒸留によって奪われる熱と二酸化炭素発生源から高温の二酸化炭素ガスを効率よく使えるため、効率を向上させることができる。ただし、効率が良い熱交換器はコスト上昇につながるため、配管等を伝熱部材で接続する等の簡略的な熱交換を行う手法でも効果は得られる。また、二酸化炭素発生源80と分離槽13との間で二酸化炭素発生源80から供給される高温の二酸化炭素ガスの熱を交換することができる。
The
還元反応装置81bは、収容部113の生成物を還元する機能を有する。還元反応装置81bでは、例えば銅、パラジウム、銀の酸化物やCu−ZnO、Pd−ZnO、Cu−Zn−Crなどの金属をAl2O3などに担持させた触媒が用いられ、主に加圧下において例えば150〜300℃で原料の水素とCOガスを流通させるとメタノールを製造することができる。また、加圧下において前述の触媒のスラリー中を水素とCOガスを通過させる液相法でメタノールを製造することができる。還元反応装置81bは、例えば反応によって生じる生成熱を抜熱するための熱交換器を具備する。また、還元反応装置81bは、ロジウムなどを用いてエタノールやニッケル、ルテニウムを用いてメタンを製造する装置であってもよい。
The
還元反応装置81bでの還元反応による生成物は、例えばメタン、メタノール、エタノール、酢酸、ジメチルエーテル、ワックス、オレフィン、ナフサ、軽油等の炭化水素等である。熱源は、例えば二酸化炭素発生源からの二酸化炭素だけでなく、二酸化炭素の還元生成物と水素との反応熱の少なくとも一部を含んでもよい。例えば、還元反応装置81bによる一酸化炭素と水素との反応からメタノールを生成する際の反応熱の一部を利用する相互熱利用によって効率が向上する。
The product of the reduction reaction in the
二酸化炭素発生源80と電解液槽12との間で熱交換が行われてもよい。例えば、二酸化炭素発生源80と電解液槽12との間を接続する伝熱部材93を設けることにより熱交換を行うことができる。伝熱部材93を例えば流路56と蒸留器81aとの間を接続するように設けてもよい。また、別途熱交換器等を接続してもよい。
Heat exchange may be performed between the carbon
還元反応装置81bと蒸留器81aとの間で熱交換が行われてもよい。例えば、還元反応装置81bと蒸留器81aとの間を接続する伝熱部材94を設けることにより熱交換を行うことができる。また、別途熱交換器等を接続してもよい。
Heat exchange may be performed between the
図7に示す電気化学反応装置では、流路56と蒸留器81aとの熱交換および蒸留器81aと還元反応装置81bとの熱交換により熱源の熱を効率良く排熱しつつ利用することができる。
In the electrochemical reaction apparatus shown in FIG. 7, heat from the heat source can be efficiently exhausted by heat exchange between the
なお、図7に示す電気化学反応装置に図4等に示す分離槽14、流路54、流路55を設けてもよい。また、温度分布などによる溶存ガスの分離効率を高めるために酸素ガス分離装置に撹拌手段が設けられてもよい。このとき、熱源として二酸化炭素発生源80、二酸化炭素発生源80から得られる高温の二酸化炭素ガス、または還元反応装置81b等で発生する熱を用いることで効率を向上させることができる。これら熱の組み合わせは任意であり、それぞれと熱交換を行う運転方法を行って、効率向上を行うことができる。また、これら熱を相互に利用するために流路等を伝熱部材によって接続することで効率を向上させることができる。収容部114aは、例えば伝熱部材を介して収容部112および収容部115aの少なくとも一つと接続されていてもよい。
Note that the electrochemical reactor shown in FIG. 7 may be provided with the
(実施例1)
構造体を具備する電気化学反応装置を作製した。構造体は、厚さ500nmの三接合型光電変換体と、三接合型の光電変換体の第1の面上に設けられた厚さ300nmのZnO層と、ZnO層上に設けられた厚さ200nmのAg層と、Ag層上に設けられた厚さ1.5mmのSUS基板と、三接合型光電変換体の第2の面上に設けられた厚さ100nmのITO層と、を有する。
Example 1
An electrochemical reaction device having a structure was produced. The structure includes a three-junction photoelectric converter having a thickness of 500 nm, a ZnO layer having a thickness of 300 nm provided on the first surface of the three-junction photoelectric converter, and a thickness provided on the ZnO layer. A 200 nm Ag layer; a 1.5 mm thick SUS substrate provided on the Ag layer; and a 100 nm thick ITO layer provided on the second surface of the three-junction photoelectric conversion body.
三接合型光電変換体は、短波長領域の光を吸収する第1の光電変換層と、中波長領域の光を吸収する第2の光電変換層と、長波長領域の光を吸収する第3の光電変換層と、を有する。第1の光電変換層は、p型微結晶シリコン層と、i型アモルファスシリコン層と、n型アモルファスシリコン層と、を有する。第2の光電変換層は、p型微結晶シリコン層と、i型アモルファスシリコンゲルマニウム層と、n型アモルファスシリコン層と、を有する。第3の光電変換層は、p型微結晶シリコンゲルマニウム層と、i型アモルファスシリコン層と、n型アモルファスシリコン層と、を有する。 The three-junction photoelectric conversion body includes a first photoelectric conversion layer that absorbs light in a short wavelength region, a second photoelectric conversion layer that absorbs light in a medium wavelength region, and a third that absorbs light in a long wavelength region. And a photoelectric conversion layer. The first photoelectric conversion layer includes a p-type microcrystalline silicon layer, an i-type amorphous silicon layer, and an n-type amorphous silicon layer. The second photoelectric conversion layer includes a p-type microcrystalline silicon layer, an i-type amorphous silicon germanium layer, and an n-type amorphous silicon layer. The third photoelectric conversion layer includes a p-type microcrystalline silicon germanium layer, an i-type amorphous silicon layer, and an n-type amorphous silicon layer.
ソーラーシミュレータ(AM1.5、1000W/m2)を用いて上記構造体に光を照射したときの開放電圧を測定した。開放電圧は2.1Vであった。 The open circuit voltage was measured when the structure was irradiated with light using a solar simulator (AM1.5, 1000 W / m 2 ). The open circuit voltage was 2.1V.
硝酸ニッケルを用いた電着法により上記三接合型光電変換体の構造体上のITO層上に酸化触媒として厚さ200nmのNi(OH)2層を形成した。SUS基板上に還元触媒として厚さ500nmのカーボンに担持した金ナノ粒子層を形成した。 A Ni (OH) 2 layer having a thickness of 200 nm was formed as an oxidation catalyst on the ITO layer on the structure of the three-junction photoelectric conversion body by an electrodeposition method using nickel nitrate. A gold nanoparticle layer supported on carbon having a thickness of 500 nm was formed on a SUS substrate as a reduction catalyst.
上記構造体を正方形状に切り出して、エッジ部分を熱硬化性エポキシ樹脂で封止した。構造体の周囲をイオン交換膜(ナフィオン(登録商標))で囲むことにより一枚のシート状にした。このイオン交換膜と複数枚のセルを組み合わせて10cm角のユニットを作製し、それを縦横10個並べて100cm四方の光電気化学反応ユニットを作製した。例えば、複数の穴を有する1枚のイオン交換膜の複数の穴に光電変換セルを埋め込んでシート状としてもよい。1つの穴を有するイオン交換膜の穴に光電変換セルを埋め込んだ構造体を複数並べてシート状としてもよい。穴を有する光電変換セルの穴にイオン交換膜を埋め込んでもよい。 The said structure was cut out in square shape, and the edge part was sealed with the thermosetting epoxy resin. The structure was surrounded by an ion exchange membrane (Nafion (registered trademark)) to form a sheet. This ion exchange membrane and a plurality of cells were combined to produce a 10 cm square unit, and 10 units were arranged vertically and horizontally to produce a 100 cm square photoelectrochemical reaction unit. For example, a photoelectric conversion cell may be embedded in a plurality of holes of one ion exchange membrane having a plurality of holes to form a sheet. A plurality of structures each having a photoelectric conversion cell embedded in a hole of an ion exchange membrane having one hole may be arranged in a sheet shape. An ion exchange membrane may be embedded in the hole of the photoelectric conversion cell having the hole.
このシート状の光電気化学反応ユニットを縦100cm×横100cmの中空部を有する厚さ3cmの一対の枠で挟み込み、一対の枠の間にシリコーン樹脂層を形成した。一対の枠の一方の中空部を覆うように無反射の太陽電池用ガラスからなる窓を作製した。一対の枠の他方の中空部を覆うようにアクリル樹脂板を形成した。これにより光電気化学反応ユニットを封止した封止体を作製した。光電気化学反応ユニットのNi(OH)2層側と金ナノ粒子層側にそれぞれ流路を設けた。電解液としては二酸化炭素ガスを飽和させた0.5Mリン酸水素カリウム水溶液を用いた。電解液槽の一部に発生ガスを捕集するためのガス回収流路を設けた。以上により光電気化学反応モジュールを作製した。混合槽として内容積30cm×3cm×3cmのアクリル製の容器をモジュールのPt層側に接続した。 This sheet-like photoelectrochemical reaction unit was sandwiched between a pair of 3 cm-thick frames having a hollow portion of 100 cm in length and 100 cm in width, and a silicone resin layer was formed between the pair of frames. A window made of non-reflective solar cell glass was produced so as to cover one hollow portion of the pair of frames. An acrylic resin plate was formed so as to cover the other hollow part of the pair of frames. This produced the sealing body which sealed the photoelectrochemical reaction unit. A flow path was provided on each of the Ni (OH) 2 layer side and the gold nanoparticle layer side of the photoelectrochemical reaction unit. As the electrolytic solution, a 0.5 M potassium hydrogen phosphate aqueous solution saturated with carbon dioxide gas was used. A gas recovery channel for collecting the generated gas was provided in a part of the electrolytic solution tank. Thus, a photoelectrochemical reaction module was produced. An acrylic container having an internal volume of 30 cm × 3 cm × 3 cm was connected to the Pt layer side of the module as a mixing tank.
このモジュールに容積30ccの円筒状のガラス容器を電解液槽として50cc/minのCO2ガスを吹き込み、電解液にCO2ガスを溶解させた。この電解液を0.1cc/minの流量でモジュールの還元電極側に供給し、電解液を循環させた。また、CO2を吹き込まずに酸化電極側のホウ酸カリウム緩衝溶液を0.1cc/minの流量で容積30ccの円筒容器のバッファータンクを介して循環させた。 A 50 cc / min CO 2 gas was blown into the module using a cylindrical glass container having a capacity of 30 cc as an electrolytic solution tank to dissolve the CO 2 gas in the electrolytic solution. This electrolytic solution was supplied to the reduction electrode side of the module at a flow rate of 0.1 cc / min, and the electrolytic solution was circulated. Further, the potassium borate buffer solution on the oxidation electrode side was circulated through a buffer tank of a cylindrical container having a capacity of 30 cc at a flow rate of 0.1 cc / min without blowing CO 2 .
実施例1のモジュールにおいて、AM1.5の擬似太陽光を酸化電極側から照射させ0.5時間反応させたところ、初期の電流値は1mA/cm2付近であったが、0.4mA/cm2まで低下した。 In the module of Example 1, when AM1.5 artificial sunlight was irradiated from the oxidation electrode side and reacted for 0.5 hour, the initial current value was around 1 mA / cm 2 , but 0.4 mA / cm 2. Decreased to 2 .
実施例1のモジュールにおいて、AM1.5の擬似太陽光を酸化電極側から照射させ、0.5時間反応させた後、電解液槽を氷水につけて冷却すると電流値が0.7mA/cm2付近まで回復した。このことから、二酸化炭素を含む電解液を冷却することにより反応効率を向上させることができることがわかる。 In the module of Example 1, AM1.5 artificial sunlight was irradiated from the oxidation electrode side, reacted for 0.5 hour, and then the electrolyte bath was cooled by placing it in ice water and the current value was around 0.7 mA / cm 2. It recovered until. This shows that the reaction efficiency can be improved by cooling the electrolytic solution containing carbon dioxide.
実施例1のモジュールにおいて、AM1.5の擬似太陽光を酸化電極側から照射させ、流量を0.2cc/minにすると電流の低下時間を約1.7倍にすることができた。このことから循環流量を増加させることで電流の低下を抑制できることがわかる。 In the module of Example 1, when the artificial sunlight of AM1.5 was irradiated from the oxidation electrode side and the flow rate was 0.2 cc / min, the current drop time could be increased by about 1.7 times. From this, it can be seen that a decrease in current can be suppressed by increasing the circulation flow rate.
(実施例2)
導線を介して電源に接続された厚さ1.5mmのSUS基板とSUS基板上の坦持量0.25mg/cm2の金坦持カーボン膜とを有する複合基板(4cm角)と、白金箔(4cm角)と、を準備した。電源は、太陽電池の模擬装置である。5cm角、厚さ1cmのアクリル製の枠の酸化電極側および還元電極側のそれぞれに流路とガス流路とを形成した。枠に複合基板と白金箔とを内包し、複合基板と白金箔との間にイオン交換膜(Nafion117、6cm角)を設け、複合基板の外側と白金箔の外側の両方にシリコンゴムシートとアクリル板(縦7cm×横7cm×厚さ3mm)で挟んだモジュールを作製した。モジュール内にpH7のリン酸カリウム緩衝溶液を供給した。複合基板を還元電極とし、白金箔を酸化電極とし、銀塩化銀電極を参照極とした。ガルバノスタットを用いて37mA:2.3mA/cm2の条件で電流を流して二酸化炭素を分解した。このモジュールに容積30ccの円筒状のガラス容器を電解液槽として50cc/minのCO2ガスを吹き込み、電解液にCO2ガスを溶解させた。この電解液を0.1cc/minの流量でモジュールの還元電極側に供給し、電解液を循環させた。酸化電極側のホウ酸カリウム緩衝溶液をCO2を吹き込まずに0.1cc/minの流量で30ccの円筒容器のバッファータンクを介して循環させた。
(Example 2)
A composite substrate (4 cm square) having a SUS substrate having a thickness of 1.5 mm connected to a power source via a conductive wire and a gold-carrying carbon film having a supported amount of 0.25 mg / cm 2 on the SUS substrate, and a platinum foil (4 cm square) were prepared. The power source is a solar cell simulation device. A flow path and a gas flow path were formed on each of the oxidation electrode side and the reduction electrode side of an acrylic frame having a 5 cm square and a thickness of 1 cm. A composite substrate and a platinum foil are encapsulated in a frame, an ion exchange membrane (Nafion 117, 6 cm square) is provided between the composite substrate and the platinum foil, and a silicon rubber sheet and an acrylic are provided on both the outside of the composite substrate and the outside of the platinum foil. A module sandwiched between plates (length 7 cm × width 7 cm × thickness 3 mm) was produced. A pH 7 potassium phosphate buffer solution was fed into the module. The composite substrate was a reduction electrode, the platinum foil was an oxidation electrode, and the silver-silver chloride electrode was a reference electrode. Using a galvanostat, carbon dioxide was decomposed by applying an electric current under the conditions of 37 mA: 2.3 mA / cm 2 . A 50 cc / min CO 2 gas was blown into the module using a cylindrical glass container having a capacity of 30 cc as an electrolytic solution tank to dissolve the CO 2 gas in the electrolytic solution. This electrolytic solution was supplied to the reduction electrode side of the module at a flow rate of 0.1 cc / min, and the electrolytic solution was circulated. The potassium borate buffer solution on the oxidation electrode side was circulated through a buffer tank of a 30 cc cylindrical container at a flow rate of 0.1 cc / min without blowing CO 2 .
実施例2のモジュールにおいて、電流37mA、循環流量0.1cc/minで0.5時間反応させたところ、初期の電位は−1V付近であったが、−1.4Vまで低下した。 In the module of Example 2, when the reaction was performed for 0.5 hour at a current of 37 mA and a circulation flow rate of 0.1 cc / min, the initial potential was around −1V, but it dropped to −1.4V.
実施例2のモジュールにおいて、電流37mA、循環流量0.1cc/minで0.5時間反応させた後、電解液槽を氷水につけて冷却すると電位が−0.8V付近まで回復した。このことから、二酸化炭素を含む電解液を冷却することにより反応効率を向上させることができることがわかる。 In the module of Example 2, after reacting at a current of 37 mA and a circulation flow rate of 0.1 cc / min for 0.5 hours, the potential was recovered to around −0.8 V when the electrolytic bath was cooled by being immersed in ice water. This shows that the reaction efficiency can be improved by cooling the electrolytic solution containing carbon dioxide.
実施例2のモジュールにおいて、電流37mA、循環流量0.1cc/minで0.5時間反応させ、流量を0.2cc/minにすると電位の低下時間を約2倍にすることができた。このことから循環流量を増加させることで電位の低下を抑制できることがわかる。 In the module of Example 2, when the reaction was performed at a current of 37 mA and a circulation flow rate of 0.1 cc / min for 0.5 hours and the flow rate was set to 0.2 cc / min, the potential decrease time could be approximately doubled. From this, it is understood that a decrease in potential can be suppressed by increasing the circulation flow rate.
上記実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 The above embodiment is presented as an example, and is not intended to limit the scope of the invention. The above embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. The above-described embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and equivalents thereof.
4…イオン交換膜、11…電解液槽、12…電解液槽、13…分離槽、14…分離槽、21…電解液、22…電解液、23…電解液、24…電解液、25…電解液、30…導電性基板、31…還元電極、32…酸化電極、33…光電変換体、33x…光電変換層、33y…光電変換層、33z…光電変換層、34…光反射体、35…金属酸化物体、36…金属酸化物体、51〜57…流路、61a…冷却器、61b…冷却器、61c…冷却器、61d…冷却器、62a…加熱器、62b…加熱器、71…ポンプ、72…加圧弁、80…二酸化炭素発生源、81a…蒸留器、81b…還元反応装置、91…伝熱部材、92…伝熱部材、93…伝熱部材、94…伝熱部材、111…収容部、112…収容部、113…収容部、114a…収容部、114b…気液分離膜、115a…収容部、115b…気液分離膜、331…面、331i…i型半導体層、331n…n型半導体層、331p…p型半導体層、332…面、332i…i型半導体層、332n…n型半導体層、332p…p型半導体層、333i…i型半導体層、333n…n型半導体層、333p…p型半導体層。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記第1の電解液に浸漬された還元電極と、
前記第2の電解液に浸漬された酸化電極と、
前記還元電極および前記酸化電極に電気的に接続された電源と、
二酸化炭素を含む第3の電解液を収容する第3の収容部を備える第2の電解液槽と、
前記第1の収容部と前記第3の収容部とを接続する流路と、を具備し、
前記第3の電解液の温度が前記第1の電解液の温度よりも低い、電気化学反応装置。 A first electrolyte tank comprising: a first container that contains a first electrolyte containing carbon dioxide; and a second container that contains a second electrolyte containing water;
A reduction electrode immersed in the first electrolytic solution;
An oxidation electrode immersed in the second electrolytic solution;
A power source electrically connected to the reduction electrode and the oxidation electrode;
A second electrolytic solution tank comprising a third accommodating portion for accommodating a third electrolytic solution containing carbon dioxide;
A flow path connecting the first housing portion and the third housing portion,
An electrochemical reaction device, wherein a temperature of the third electrolytic solution is lower than a temperature of the first electrolytic solution.
水を含む第5の電解液を収容する第5の収容部と前記第5の収容部を複数の領域に区切るように設けられた第2の気液分離膜とを備える第2の分離槽と、
前記第1の収容部と前記第4の収容部とを接続する第2の流路と、
前記第3の収容部と前記第4の収容部とを接続する第3の流路と、
前記第2の収容部と前記第5の収容部とを接続する第4の流路と、をさらに具備する、請求項1に記載の電気化学反応装置。 1st separation tank provided with the 4th accommodating part which accommodates the 4th electrolyte solution containing a carbon dioxide, and the 1st gas-liquid separation membrane provided so that the said 4th accommodating part may be divided into a plurality of fields When,
A second separation tank comprising a fifth housing portion for housing a fifth electrolyte containing water and a second gas-liquid separation membrane provided so as to divide the fifth housing portion into a plurality of regions; ,
A second flow path connecting the first housing portion and the fourth housing portion;
A third flow path connecting the third housing portion and the fourth housing portion;
2. The electrochemical reaction device according to claim 1, further comprising a fourth flow path connecting the second storage portion and the fifth storage portion.
前記二酸化炭素の還元反応による生成物を還元する還元反応装置と、
前記第3の収容部上に設けられた蒸留器と、
前記第1の収容部と前記二酸化炭素発生源とを接続する第5の流路と、
前記第3の収容部と前記還元反応装置とを接続する第6の流路と、をさらに具備する、請求項2に記載の電気化学反応装置。 A carbon dioxide generating source containing carbon dioxide having a temperature higher than that of the first electrolytic solution;
A reduction reaction device for reducing a product resulting from the reduction reaction of carbon dioxide;
A distiller provided on the third accommodating portion;
A fifth flow path connecting the first housing part and the carbon dioxide generation source;
The electrochemical reaction device according to claim 2, further comprising a sixth flow path that connects the third storage unit and the reduction reaction device.
前記第2の流路に設けられた第1の加熱器と、
前記第4の流路に設けられた第2の冷却器と、
前記第5の流路に設けられた第2の加熱器と、をさらに具備する、請求項3に記載の電気化学反応装置。 A first cooler provided in the third accommodating portion;
A first heater provided in the second flow path;
A second cooler provided in the fourth flow path;
The electrochemical reaction device according to claim 3, further comprising a second heater provided in the fifth flow path.
前記第1の電解液に浸漬された還元電極と、
前記第2の電解液に浸漬された酸化電極と、
前記還元電極および前記酸化電極に電気的に接続された電源と、
二酸化炭素を含む第3の電解液を収容する第3の収容部を備える第2の電解液槽と、
前記第1の収容部と前記第3の収容部とを接続する流路と、を具備し、
前記第3の電解液に与えられる圧力が前記第1の電解液に与えられる圧力よりも高い、電気化学反応装置。 A first electrolyte tank comprising: a first container that contains a first electrolyte containing carbon dioxide; and a second container that contains a second electrolyte containing water;
A reduction electrode immersed in the first electrolytic solution;
An oxidation electrode immersed in the second electrolytic solution;
A power source electrically connected to the reduction electrode and the oxidation electrode;
A second electrolytic solution tank comprising a third accommodating portion for accommodating a third electrolytic solution containing carbon dioxide;
A flow path connecting the first housing portion and the third housing portion,
An electrochemical reaction device, wherein a pressure applied to the third electrolytic solution is higher than a pressure applied to the first electrolytic solution.
水を含む第5の電解液を収容する第5の収容部と前記第5の収容部を複数の領域に区切るように設けられた第2の気液分離膜とを備える第2の分離槽と、
前記第1の収容部と前記第4の収容部とを接続する第2の流路と、
前記第3の収容部と前記第4の収容部とを接続する第3の流路と、
前記第2の収容部と前記第5の収容部とを接続する第4の流路と、をさらに具備する、請求項10に記載の電気化学反応装置。 1st separation tank provided with the 4th accommodating part which accommodates the 4th electrolyte solution containing a carbon dioxide, and the 1st gas-liquid separation membrane provided so that the said 4th accommodating part may be divided into a plurality of fields When,
A second separation tank comprising a fifth housing portion for housing a fifth electrolyte containing water and a second gas-liquid separation membrane provided so as to divide the fifth housing portion into a plurality of regions; ,
A second flow path connecting the first housing portion and the fourth housing portion;
A third flow path connecting the third housing portion and the fourth housing portion;
11. The electrochemical reaction device according to claim 10, further comprising a fourth flow path connecting the second storage portion and the fifth storage portion.
前記二酸化炭素の還元反応による生成物を還元する還元反応装置と、
前記第3の収容部上に設けられた蒸留器と、
前記第1の収容部と前記二酸化炭素発生源とを接続する第5の流路と、
前記第3の収容部と前記還元反応装置とを接続する第6の流路と、をさらに具備する、請求項11に記載の電気化学反応装置。 A carbon dioxide generating source containing carbon dioxide having a temperature higher than that of the first electrolytic solution;
A reduction reaction device for reducing a product resulting from the reduction reaction of carbon dioxide;
A distiller provided on the third accommodating portion;
A fifth flow path connecting the first housing part and the carbon dioxide generation source;
The electrochemical reaction device according to claim 11, further comprising a sixth flow path that connects the third storage unit and the reduction reaction device.
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