JP2017155337A - Electrochemical reactor - 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.
人工光合成は、広範な意味で生物界の光合成を模倣したシステムであり、太陽光を用い、二酸化炭素を還元し資源化する技術である。 Artificial photosynthesis is a system that mimics photosynthesis in the biological world in a broad sense, and is a technology that uses sunlight to reduce carbon dioxide and turn it into resources.
高度に発展した現代社会では、主なエネルギー源として化石燃料を用いて経済活動が営まれている。しかしながら、人口の増加や主に新興国の経済活動の活発化により化石燃料の消費が増加し、化石燃料の枯渇が現実的かつ一般的な問題として危惧されている。現代社会において、限りある資源とエネルギーを有効に活用していくことが社会の発展を促すことであり、現代を生きる我々の責務である。人工光合成技術は、エネルギー源として無尽蔵な太陽エネルギーを用い、地球温暖化の要因であり、且つ使用後の化石燃料の最終形態である二酸化炭素を資源化し、燃料に変換する技術である。よって、グリーンエネルギーを生み出す究極のテクノロジーといえる。 In a highly developed modern society, economic activities are carried out using fossil fuel as the main energy source. However, the consumption of fossil fuels has increased due to population growth and economic activity mainly in emerging countries, and the depletion of fossil fuels is a concern as a realistic and general problem. Effective use of limited resources and energy in modern society is to promote social development and is our duty to live in the present. Artificial photosynthesis technology is a technology that uses infinite solar energy as an energy source, converts carbon dioxide, which is a factor of global warming, and is the final form of fossil fuel after use, into fuel. Therefore, it can be said that it is the ultimate technology that produces green energy.
近年、再生可能エネルギーが注目されている。このうち、太陽エネルギーには限りないエネルギー源として魅力がある。太陽光発電システムとしては、メガソーラーと呼ばれる大規模太陽光発電システムが挙げられる。太陽光発電システムによる生成物は電気エネルギーであるため、伝送システムや蓄電システムを併設することが必須である。これに対し、人工光合成による二酸化炭素の資源化は太陽光から燃料化可能な水素、メタン、一酸化炭素(一酸化炭素の燃料化には水素とのFischer−Tropsch合成(FT法)、あるいはメタノール合成反応が必要)、メタノール、エチレングリコールといった燃料ガス・液体等を直接発生させる。このため、運搬施設があれば、付随の設備が必要ない。人工光合成システムは、将来実用化が見込まれている水素社会に好適であり、砂漠などでも孤立して燃料を製造するプラントとしての可能性を有する。 In recent years, renewable energy has attracted attention. Of these, solar energy is attractive as an unlimited energy source. As a solar power generation system, there is a large-scale solar power generation system called a mega solar. Since the product of the solar power generation system is electric energy, it is essential to install a transmission system and a power storage system. On the other hand, carbon dioxide resources by artificial photosynthesis are hydrogen, methane, carbon monoxide that can be fueled from sunlight (Fischer-Tropsch synthesis with hydrogen (FT method) or hydrogen for carbon monoxide fuelization), or methanol. Synthesis reaction is required), and fuel gas and liquid such as methanol and ethylene glycol are directly generated. For this reason, if there is a transportation facility, the accompanying equipment is not necessary. The artificial photosynthesis system is suitable for a hydrogen society that is expected to be put into practical use in the future, and has the potential as a plant for producing fuel isolated in the desert.
太陽光を電気化学的に化学物質へ変換する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 an electrochemical reaction device that electrochemically converts sunlight into a chemical substance, for example, an electrode having a reduction catalyst for reducing carbon dioxide (CO 2 ) and an electrode having an oxidation catalyst for oxidizing water (H 2 O) And a two-electrode apparatus in which these electrodes are immersed in water in which carbon dioxide is dissolved is known. 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.
また、一対の電極で光電変換体を挟持した積層体(シリコン太陽電池等)を用いた電気化学反応装置も検討されている。光照射側の電極では、光エネルギーにより水(2H2O)を酸化して酸素(O2)と水素イオン(4H+)を得る。反対側の電極では、光照射側電極で生成した水素イオン(4H+)と光電変換体に生じた電位(e−)とを用いて、化学物質として水素(2H2)等を得る。また、シリコン太陽電池を積層させた電気化学反応装置も知られている。上記電気化学反応装置では、高い変換効率を有することが好ましい。 In addition, an electrochemical reaction device using a stacked body (a silicon solar cell or the like) in which a photoelectric conversion body is sandwiched between a pair of electrodes has been studied. In the electrode on the light irradiation side, water (2H 2 O) is oxidized by light energy to obtain oxygen (O 2 ) and hydrogen ions (4H + ). In the opposite electrode, hydrogen (2H 2 ) or the like is obtained as a chemical substance using the hydrogen ions (4H + ) generated in the light irradiation side electrode and the potential (e − ) generated in the photoelectric converter. An electrochemical reaction device in which silicon solar cells are stacked is also known. The electrochemical reaction device preferably has high conversion efficiency.
実施形態の発明が解決しようとする課題は、化学物質への変換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 conversion efficiency into a chemical substance.
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、を備える電解液槽と、還元触媒を含む第1の面を有し、第1の電解液に浸漬された還元電極と、酸化触媒を含む第2の面を有し、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、を具備する。第1の収容部における第1の面と第1の収容部の内壁との間の領域は、第1の電解液の少なくとも一部を送液するための電解液流路である。電解液流路は、電解液流路の長さ方向に垂直な断面の長さ方向上の一端から他端までの面積分布の極大値を有する極大部と、面積分布の極小値を有する極小部と、を有する。 An electrochemical reaction device according to an embodiment includes an electrolyte solution including a first storage part that stores a first electrolyte solution containing carbon dioxide, and a second storage part that stores a second electrolyte solution containing water. An oxidation bath having a first surface containing a reduction catalyst and immersed in a first electrolyte and a second electrode containing an oxidation catalyst and immersed in a second electrolyte An electrode, and a power source electrically connected to the reduction electrode and the oxidation electrode. A region between the first surface of the first housing portion and the inner wall of the first housing portion is an electrolyte flow path for feeding at least a part of the first electrolyte solution. The electrolyte flow path has a maximum portion having a maximum value of the area distribution from one end to the other end of the cross section perpendicular to the length direction of the electrolyte flow path, and a minimum portion having a minimum value of the area distribution. And having.
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断面模式図である。図2は、電気化学反応装置の外観模式図である。電気化学反応装置は、図1および図2に示すように、電解液槽11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、を具備する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of an electrochemical reaction device. FIG. 2 is a schematic external view of the electrochemical reaction device. As shown in FIGS. 1 and 2, the electrochemical reaction device 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、収容部となる空間部を有する立体形状であれば特に限定されない。電解液槽11の材料としては、例えばパイレックスガラス(登録商標)、青板ガラス、石英ガラス等のガラスや、ポリイミド、ポリアクリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンテレフタレート等の有機物を用いることができる。流れに対する強度、耐久性が求められるため、ポリアクリル系樹脂が好ましい。収容部111および収容部112の光入射面側では光透過性が求められる。光照射面と反対側の流路に光透過性は求められず、一般的な流路材料が用いられてもよい。例えば、ポリ塩化ビニル、テフロン(登録商標)処理されたポリイミド、ポリアクリル、一般的なガラス、セラミックス、コンクリート材等から任意に選択できる。この場合、重量や総コストなどの観点から最適な材料が選択されることが好ましい。
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、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、例えば水を含む。被酸化物質は、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を含んでいてもよい。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
還元電極31は、還元触媒を含む面311を有する。還元電極31は、電解液21に浸漬される。このとき、面311は、電解液21に接する。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(HOCH2CH2OH)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、酸化触媒を含む面321を有する。酸化電極32は、電解液22に浸漬される。このとき、面321は、電解液22に接する。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、さらに好ましくは80%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は面311の反対面に接し、面332は面321の反対面に接する。なお、面331と面311の反対面との間、および面332と面321の反対面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てもよい。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、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。還元電極31、酸化電極32、および光電変換体33を含むセルを光電変換セルともいう。
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、複数の光電変換体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。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
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
収容部111において面311と収容部111の内壁との間の領域は、電解液21の少なくとも一部を送液するための電解液流路51である。電解液21に含まれるイオンその他の物質は、電解液流路51を介して移動することができる。収容部112において面321と収容部112の内壁との間の領域は、電解液22の少なくとも一部を送液するための電解液流路52である。電解液22に含まれるイオンその他の物質は、電解液流路52を介して移動することができる。図1および図2に示す白抜きの矢印は電解液の移動可能な方向を表す。電解液流路51および電解液流路52の少なくとも一つの流路の電解液は、ポンプにより送液されてもよい。ポンプとしてはチューブポンプ、プランジャーポンプ、圧力ポンプ、ピストンポンプ、マグネットポンプ、スクリューポンプなどが用いることができる。
A region between the
電解液流路51は、極大部51aと、極小部51bと、を有する。電解液流路51の長さ方向に垂直な断面の面積の、当該長さ方向上の電解液流路51(面311との対向部)の一端から他端までの面積分布を表すと、図1に示すように、極大部51aの最大断面積Aは、極小部51bの最大断面積Bよりも大きい。すなわち、極大部51aは面積分布の極大値を有し、極小部51bは面積分布の極小値を有する。極大部51aおよび極小部51bは、例えば電解液流路51の長さ方向に沿って交互に設けられていてもよい。
The
電解液流路51は、極小部51bに重畳するように設けられた隔壁6を有する。図1において、隔壁6は、収容部111の内壁と還元電極31の面311との間に設けられ、且つ収容部111の内壁に接する。隔壁6の材料としては、例えば一般的なガラス、ポリアクリル、ポリイミド、塩化ビニル等のポリマー、等を用いることができる。なお、収容部111の内壁の一部に凸部を形成することにより隔壁6としてもよい。
The
次に、図1および図2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 FIGS. 1 and 2 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。一酸化炭素は任意の割合で電解液21に溶解する。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)
二酸化炭素から一酸化炭素への変換に必要なエネルギーは、標準化学エネルギーの差から、1.33Vであると見積もられる。しかしながら、実際の二酸化炭素の還元では、反応に必要な過電圧と呼ばれる電圧、すなわち、理論よりも大きな電圧が必要である。水を酸化して酸素を得る反応にも過電圧が用いられ、このときの電圧は例えば数百mVから2V弱に達することもある。設計した光電変換体の電流、電圧曲線にも大きく依存するが、還元側の過電圧と酸化側の過電圧、これに溶液抵抗による損失を加えた電圧と1.33Vとを加算した値が、電流電圧曲線と交差する点において動作するために必要な電圧である。 The energy required for the conversion from carbon dioxide to carbon monoxide is estimated to be 1.33 V from the difference in standard chemical energy. However, in the actual reduction of carbon dioxide, a voltage called an overvoltage necessary for the reaction, that is, a voltage larger than the theory is required. Overvoltage is also used in the reaction of oxidizing water to obtain oxygen, and the voltage at this time may reach several hundred mV to less than 2V, for example. Although it depends greatly on the current and voltage curve of the designed photoelectric converter, the overvoltage on the reduction side and the overvoltage on the oxidation side, and a value obtained by adding 1.33 V to the voltage obtained by adding a loss due to the solution resistance is the current voltage. This is the voltage required to operate at the point where it intersects the curve.
本実施形態の電気化学反応装置は、前述のとおり還元電極側の電解液流路のみに設けられ、且つ長さ方向に垂直な断面の面積が互いに異なる極大部と極小部とを有する。極小部における電解液の流れは乱流である。極大部における電解液の流れは、例えば層流であるがこれに限定されない。 As described above, the electrochemical reaction device of the present embodiment is provided only in the electrolyte solution channel on the reduction electrode side, and has a maximum portion and a minimum portion having different cross-sectional areas perpendicular to the length direction. The flow of the electrolyte in the local minimum is turbulent. The flow of the electrolyte in the maximum portion is, for example, a laminar flow, but is not limited to this.
層流と乱流との違いと、フィックの拡散方程式と二酸化炭素の溶解度・拡散係数から導かれる拡散律速について説明する。還元側の電解液に含まれる二酸化炭素は、電解液中において還元される。しかしながら、水に対する二酸化炭素の溶解度は25℃において0.034mol/lであることが知られている。上記溶解度は、モジュール、プラントスケールで反応させる主反応物として非常に低い溶解度であり、反応物濃度が低いことを意味する。 The difference between laminar flow and turbulent flow and the diffusion rate control derived from Fick's diffusion equation and the solubility / diffusion coefficient of carbon dioxide will be explained. Carbon dioxide contained in the electrolyte solution on the reduction side is reduced in the electrolyte solution. However, the solubility of carbon dioxide in water is known to be 0.034 mol / l at 25 ° C. The above-mentioned solubility means very low solubility as a main reactant to be reacted on a module or plant scale, and means that the concentration of the reactant is low.
溶液中における物質の移動方法としては、対流、拡散、およびイオンドリフトが挙げられる。二酸化炭素は中性分子であるため、イオンドリフトの効果は無いに等しい。よって、二酸化炭素の拡散は、主にフィックの第一法則とフィックの第二法則によって支配される。フィックの第一法則とフィックの第二法則で用いられる物理定数は濃度と拡散定数である。拡散定数は物理的に決まっており、濃度が溶解限度量である0.034mol/lであることを考えると、以下の拡散方程式を用い、フィックの第一法則(数式(1))およびフィックの第二法則(数式(2))について、水溶液中の二酸化炭素の拡散量、および濃度勾配について求めることができる。 Examples of the method for transferring a substance in a solution include convection, diffusion, and ion drift. Since carbon dioxide is a neutral molecule, there is no effect of ion drift. Thus, the diffusion of carbon dioxide is governed primarily by Fick's first law and Fick's second law. The physical constants used in Fick's first law and Fick's second law are concentration and diffusion constant. The diffusion constant is physically determined, and considering that the concentration is 0.034 mol / l, which is the solubility limit, Fick's first law (Equation (1)) and Fick's law are used using the following diffusion equation: About the 2nd law (Formula (2)), it can obtain | require about the diffusion amount of carbon dioxide in aqueous solution, and a concentration gradient.
Cは濃度、Dは拡散定数、xは位置、Jは物質の移動量、tは時刻である。一次元方向でのみ物質が拡散するとして、電極の表面方向に流れる流れを正とする。電極の表面に達した二酸化炭素は速やかに反応すると仮定する。以上より、この一次元の拡散方程式の解は以下の関係式(数式(3))を満たすと考えられる。 C is the concentration, D is the diffusion constant, x is the position, J is the amount of movement of the substance, and t is the time. Assuming that the substance diffuses only in the one-dimensional direction, the flow flowing toward the surface of the electrode is positive. It is assumed that carbon dioxide reaching the electrode surface reacts quickly. From the above, it is considered that the solution of this one-dimensional diffusion equation satisfies the following relational expression (Formula (3)).
jは反応電流密度(mA/cm2)、nは反応電子数、Fはファラデー定数(96500c/mol)、Cmax(mol/l)は二酸化炭素の溶解限度量、Dは二酸化炭素の拡散定数(cm2/sec)、tは反応時間(sec)である。水溶液中における二酸化炭素の拡散定数は例えば1.92×10−5cm2/secであることが知られている。電極の表面の反応電子数nは、二酸化炭素が一酸化炭素に還元される場合を想定し、2電子反応とし、電流密度を正にとる。 j is the reaction current density (mA / cm 2 ), n is the number of reaction electrons, F is the Faraday constant (96500 c / mol), Cmax (mol / l) is the solubility limit of carbon dioxide, D is the diffusion constant of carbon dioxide ( cm 2 / sec) and t is the reaction time (sec). It is known that the diffusion constant of carbon dioxide in an aqueous solution is, for example, 1.92 × 10 −5 cm 2 / sec. Assuming that carbon dioxide is reduced to carbon monoxide, the number of reaction electrons n on the surface of the electrode is a two-electron reaction, and the current density is positive.
図3は、パラメータをすべて計算し、プロットして得られる経過時間と電流密度との関係を示す図である。なお、分子運動による自然対流については無視している。反応時間1秒後に16mA/cm2であった電流密度は、急激に降下し、その後変化が緩やかになり10秒程度でほぼ一定となる。これを科学的知見から述べると、反応時間1〜2秒は電極の表面上に十分な二酸化炭素があり、表面反応が律速であるといえる。さらに数秒経過後、曲線は急激に下がった後なだらかになり、一定値になる。これは、表面反応律速であった状態が、反応の進行に伴い、表面での二酸化炭素を反応し尽くし、徐々に拡散律速に変化していく過程であると解釈することができる。すなわち、反応物である二酸化炭素が拡散律速へと変化し、ある程度の時刻が経過してしまうと、1〜2mA/cm2ほどしか流れなくなることを意味している。このことは電気化学装置において非常に大きな問題である。太陽エネルギーの変換効率10%を満たすためには上記拡散律速の問題を解決することが必要である。 FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between elapsed time and current density obtained by calculating and plotting all parameters. Note that natural convection due to molecular motion is ignored. The current density, which was 16 mA / cm 2 after 1 second of the reaction time, drops rapidly, and then changes gradually and becomes almost constant in about 10 seconds. Stated from scientific knowledge, it can be said that there is sufficient carbon dioxide on the surface of the electrode for a reaction time of 1 to 2 seconds, and the surface reaction is rate-limiting. Furthermore, after several seconds, the curve becomes gentle after dropping rapidly and becomes a constant value. This can be interpreted as a process in which the state that is surface reaction-limited is a process in which carbon dioxide on the surface is completely reacted and the diffusion rate is gradually changed as the reaction proceeds. That is, if the carbon dioxide as a reactant changes to diffusion-controlled and a certain amount of time has elapsed, it means that only about 1 to 2 mA / cm 2 flows. This is a very big problem in electrochemical devices. In order to satisfy the solar energy conversion efficiency of 10%, it is necessary to solve the above-mentioned problem of diffusion rate control.
次に、実空間での拡散層の厚みについて図4の模式図を参照しながら説明する。拡散定数の定義から、物質移動速度Jは以下の関係が成り立つ(数式(4))。 Next, the thickness of the diffusion layer in real space will be described with reference to the schematic diagram of FIG. From the definition of the diffusion constant, the mass transfer rate J holds the following relationship (Formula (4)).
濃度勾配の曲線C(x)を求めるために、一次(線形)近似を用いて拡散層厚みを求める。上記微分dc/dxを巨視的な微分と想定する。すなわち、Δx→0の極限dxを、x=0から濃度勾配が始まるXまでの距離を拡散層厚みδとし、また二酸化炭素の飽和溶解度をCmaxとする。次に、電極表面では二酸化炭素が速やかに反応し、電極の表面に残留二酸化炭素が無いと考えると、数式(4)は以下の通り表すことができる(数式(5))。 In order to obtain the concentration gradient curve C (x), the diffusion layer thickness is obtained using a first-order (linear) approximation. The differential dc / dx is assumed to be a macroscopic differential. That is, for the limit dx of Δx → 0, the distance from x = 0 to X at which the concentration gradient begins is the diffusion layer thickness δ, and the saturation solubility of carbon dioxide is Cmax. Next, assuming that carbon dioxide reacts quickly on the electrode surface and there is no residual carbon dioxide on the electrode surface, Equation (4) can be expressed as follows (Equation (5)).
上記近似式は電極表面から拡散層の濃度変化が始まる、濃度境界層を考える意味で有意義である。この式をさらにδについて解くと、数式(6)を得る。 The above approximate expression is significant in terms of considering a concentration boundary layer in which the concentration change of the diffusion layer starts from the electrode surface. When this equation is further solved for δ, Equation (6) is obtained.
Jは総物質移動量である。次に、数式(6)のJを単位面積当たりの物質移動値と考え、このJに前述の一次元拡散方程式の解(数式(3))を入れると、次の数式(7)を得る。 J is the total mass transfer amount. Next, when J in Equation (6) is considered as a mass transfer value per unit area, and the solution of the above-described one-dimensional diffusion equation (Equation (3)) is added to J, the following Equation (7) is obtained.
数式(7)は、反応時間tに対して平方根の形をしている。拡散層厚みは時間とともに増大していくと考えられる。 Equation (7) has a square root shape with respect to the reaction time t. It is considered that the diffusion layer thickness increases with time.
実際に二酸化炭素の拡散係数を代入して解いた図を図5に示す。反応時間とともに、拡散層の厚みが増していくのがわかる。変換効率10%を前提としたとき、達成すべき表面電流密度は約10mA/cm2弱である。1〜2secでは反応層厚みが約100〜200μm程度であると見積もることができる。 FIG. 5 is a diagram obtained by actually substituting the diffusion coefficient of carbon dioxide. It can be seen that the thickness of the diffusion layer increases with the reaction time. Assuming a conversion efficiency of 10%, the surface current density to be achieved is less than about 10 mA / cm 2 . In 1 to 2 seconds, it can be estimated that the reaction layer thickness is about 100 to 200 μm.
次に、流体について説明する。層流は粘性力に支配された流れであり、例えば染色剤を使った実験では中央に流された染色剤は中央をそのまま一筋に流れる。すなわち、進行方向を正とする速度方向をX方向、速度方向に垂直な方向をY方向とすれば、ほぼすべての速度成分がX方向のみとなる。これに対して乱流は、慣性力に支配される流れで、上記染色剤は中心に放された後、渦や乱れを生じ、最終的には均質に流体の中に溶け込んでしまう。これは、乱流ではX方向の速度成分に加えて、Y方向の速度成分を有するため、流体内の攪伴とも呼ぶことができる流れの乱れが生じる。 Next, the fluid will be described. A laminar flow is a flow governed by a viscous force. For example, in an experiment using a stain, the stain flowed in the center flows straight through the center. That is, assuming that the velocity direction with the traveling direction as positive is the X direction and the direction perpendicular to the velocity direction is the Y direction, almost all velocity components are only in the X direction. On the other hand, turbulent flow is a flow governed by inertial force, and after the stain is released to the center, it causes vortices and turbulence, and finally dissolves uniformly in the fluid. This is because the turbulent flow has a velocity component in the Y direction in addition to the velocity component in the X direction, so that a turbulence in the flow, which can also be called a stirring in the fluid, occurs.
流体の基礎方程式であるナビエ・ストークスの方程式は、滑らかな一般解というものが現段階で得られるという式ではない。層流、すなわち非常にゆっくりとした流れに限定して、限られた境界においてだけ解が得られている。その一つが層流における速度分布である。例えば円管内を流れる層流の速度分布は、円管中心をRとし、壁面(r=0)からの任意の点をrとすると、以下の式で表される。 The Navier-Stokes equation, which is the basic fluid equation, is not an equation that provides a smooth general solution at this stage. Limited to laminar flow, that is, very slow flow, solutions are obtained only at limited boundaries. One of them is the velocity distribution in laminar flow. For example, the velocity distribution of the laminar flow flowing in the circular pipe is expressed by the following equation, where R is the center of the circular pipe and r is an arbitrary point from the wall surface (r = 0).
Uが任意の速度を表す。Aは流速全体をUの平均値になるように調整する積分定数である。円管のときA=2である。Umaxは円管内の中心の最も流速の大きい点における速度である。Uのべき乗数は2である。よって、この曲線は壁面r=0で0、中心r=Rが最大点である放物線である。つまり、円管の壁面における流れは粘性に支配されるため非常に遅く、一方で中心に向かっていくに従って徐々に速くなっていくことがわかる。また、染色剤を使う実験では、層流の流速方向をXとすると、中心に流した染色剤はほぼ中心を一直線上に流れ、主流速に垂直なY方向にはほとんど流れ成分を持たないことが知られている。 U represents an arbitrary speed. A is an integral constant for adjusting the entire flow velocity so as to be an average value of U. In the case of a circular pipe, A = 2. Umax is the velocity at the center of the circular pipe where the flow velocity is the highest. The power of U is 2. Therefore, this curve is a parabola where the wall surface r = 0 is 0 and the center r = R is the maximum point. In other words, it can be seen that the flow on the wall surface of the circular pipe is very slow because it is governed by viscosity, while it gradually becomes faster toward the center. Also, in the experiment using a stain, if the laminar flow velocity direction is X, the stain flowed to the center flows almost in a straight line and has almost no flow component in the Y direction perpendicular to the main flow velocity. It has been known.
乱流はナビエ・ストークスの式の解はなく、経験則に基づいて導かれることが多い。代表的な乱流の速度分布を示す式としては、1/7乗則と呼ばれる式が挙げられる(数式(9))。 Turbulence does not have a solution to the Navier-Stokes equation, and is often derived based on empirical rules. As a formula representing a typical turbulent velocity distribution, there is a formula called a 1 / 7th power law (Formula (9)).
Uは任意のrにおける速度であり、Aは流速全体でUの平均値となるように調整する積分定数であり、Umaxは円管内の中心の最も流速の大きい点における速度である。上記流速分布では時間平均を主流速方向Xにしている。前述の染色剤を使った実験では、管中心の染色剤は即座に管内全域に分布する。つまり、乱流では、X方向の速度成分に加えて、垂直なY方向の速度成分を多く含む。この点は、前述までの二酸化炭素の拡散を考えた場合、定常状態を作りやすい層流に対して、乱流はY方向の速度成分により、二酸化炭素は管内全面へと乱れにより移動しやすいと考えられる。 U is a velocity at an arbitrary r, A is an integral constant that is adjusted so as to be an average value of U over the entire flow velocity, and Umax is a velocity at the point of the center in the circular tube where the flow velocity is the highest. In the flow velocity distribution, the time average is set to the main flow velocity direction X. In the experiment using the above-mentioned stain, the stain at the center of the tube is immediately distributed throughout the tube. That is, the turbulent flow includes many velocity components in the vertical Y direction in addition to the velocity component in the X direction. In this respect, when considering the diffusion of carbon dioxide up to the above, turbulent flow is likely to move due to turbulence due to the velocity component in the Y direction and carbon dioxide to the entire surface of the pipe due to turbulence, as opposed to laminar flow that tends to create a steady state. Conceivable.
流れは、流体力学的に層流と乱流、そしてその二つの間に位置する遷移流の三つに分類される。分類に用いる指標は、無次元数レイノルズ数(Re)である。無次元数のレイノルズ数を指標とすることができる理由は、流体の基礎方程式であるナビエ・ストークス方程式において唯一の変数がレイノルズ数であるためである。レイノルズ数は、無次元数であり、流速が異なる流れについても、力学的流れの類似性を示す指標として知られる。レイノルズ数(Re)は以下の式で示される(数式(10))。 Flows are classified into three types, hydrodynamically laminar and turbulent, and transitional flow located between the two. The index used for classification is a dimensionless number Reynolds number (Re). The reason why the dimensionless Reynolds number can be used as an index is that the only variable in the Navier-Stokes equation, which is the basic fluid equation, is the Reynolds number. The Reynolds number is a dimensionless number, and is also known as an index indicating the similarity of mechanical flow even for flows with different flow velocities. The Reynolds number (Re) is expressed by the following formula (Formula (10)).
Reは無次元数、dは溶液の密度、vは流速、Lは代表長さ、μは溶液の粘度である。密度、流速、粘度にはさまざまな単位が存在するが、レイノルズ数の算出においては単位が必ず無次元になるように(重さ、時間、長さ、質量のそれぞれの単位が消しあうように)、オーダーを調整して計算する必要がある。流路の形状にも依存するが、一般的にレイノルズ数が2300以下の場合の流れが層流であり、3000以上の場合の流れが乱流であり、2300超3000未満の場合の流れが遷移流である。 Re is a dimensionless number, d is the density of the solution, v is the flow velocity, L is the representative length, and μ is the viscosity of the solution. There are various units for density, flow rate, and viscosity, but in order to calculate the Reynolds number, the unit must be dimensionless (so that the units of weight, time, length, and mass are erased). , Need to adjust the order and calculate. Although it depends on the shape of the flow path, generally, the flow when the Reynolds number is 2300 or less is a laminar flow, the flow when it is 3000 or more is turbulent, and the flow when it is more than 2300 and less than 3000 Current.
代表長さLは、流体の流路を表す長さであり、慣習的に決められるのが一般である。例えば、円管内流の場合は円管の直径で表し、平行平板の場合は平行平板間の距離の2倍で表し、長方形の断面積を有する管内流れの場合は流路断面積を数学的に円に相当する形状に変換し、その変換後の対応円管直径で表す。本実施形態では、これら慣習を踏襲する。 The representative length L is a length representing the flow path of the fluid, and is generally determined conventionally. For example, in the case of a flow in a circular pipe, it is represented by the diameter of the circular pipe, in the case of a parallel plate, it is represented by twice the distance between the parallel flat plates, and in the case of a flow in a pipe having a rectangular cross-sectional area, The shape is converted into a shape corresponding to a circle, and is represented by the corresponding tube diameter after the conversion. In this embodiment, these conventions are followed.
層流の速度分布、および乱流の円管における速度分布を、縦軸に一般流速Uを平均流速Uaverageで割った無次元流速とし、横軸も円管の中心をR、壁面(r=0)からの任意の点をrとして、二つの流れの速度分布の違いを比較すると図6のように表される。図6は円管半径と無次元速度との関係を示す図である。層流では円管の壁面から緩やかな立ち上がりを示す。これに対し、乱流では壁面、すなわち反応電極に当てはめれば電極の表面から非常に俊敏な立ち上がりを示し、電極の表面から円管中心の1/100の点においても、平均流速の0.5〜0.6倍程度の流速を有することが分かる。
The velocity distribution in the laminar flow and the velocity distribution in the turbulent circular pipe is a dimensionless flow velocity obtained by dividing the general flow velocity U by the average flow velocity Uaverage on the vertical axis, and the horizontal axis also indicates the center of the circular tube as R, and the wall surface (r = 0 If an arbitrary point from) is r, the difference in velocity distribution between the two flows is compared as shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the radius of the circular pipe and the dimensionless velocity. In laminar flow, it shows a gentle rise from the wall surface of the tube. On the other hand, in turbulent flow, if applied to a wall surface, that is, a reaction electrode, it shows a very agile rise from the surface of the electrode, and an average flow velocity of 0.5 at a
以上を考慮すると、二酸化炭素が拡散律速に達する前、すなわち反応時間にして1〜2secに相当する値である100〜200μmの拡散層厚みにおいて、円管半径が1cmであるとしたとき、乱流での流路の壁面から1/100の位置において速度分布が生じる50〜100μmの領域は速度境界層である。この速度境界層が拡散層内部に存在することが予測される。すなわち、乱流による流れ場によって新鮮な二酸化炭素を供給することで、拡散層が形成し、時間とともに拡大していくことを阻害し、拡散律速を回避することが可能である。このことから送液する電解液流路に乱流を導入する必要があることがわかる。 Considering the above, turbulent flow is assumed when the radius of the circular tube is 1 cm in the diffusion layer thickness of 100 to 200 μm before the carbon dioxide reaches diffusion rate limiting, that is, the reaction time is a value corresponding to 1 to 2 seconds. The region of 50 to 100 μm where the velocity distribution occurs at a position of 1/100 from the wall surface of the flow path is a velocity boundary layer. It is predicted that this velocity boundary layer exists inside the diffusion layer. That is, by supplying fresh carbon dioxide by a flow field caused by turbulent flow, it is possible to prevent the diffusion layer from forming and expanding with time, and to avoid diffusion rate limiting. This shows that it is necessary to introduce a turbulent flow into the electrolyte flow path for feeding liquid.
反応効率を高めるためには乱流にするだけでなく、輸送律速を考える必要がある。乱流にするためには、単純に流速を大きくすればよい。しかしながら、ポンプの吐出流量は限られ、乱流を形成するためには莫大な量の電解液を送り続けねばならない。電極の表面は反応するが、主流の大部分がそのまま反応せず、装置外へ流出してしまう。また、ポンプ動作によるエネルギーロスや、ポンプの大型化等によるコストの増加があり好ましくない。反応を妨げない範囲で、ポンプサイズを小さく、圧力の少ない条件で流量も少ない方が好ましい。 In order to increase reaction efficiency, it is necessary to consider not only turbulent flow but also transport rate limiting. To make it turbulent, simply increase the flow velocity. However, the discharge flow rate of the pump is limited, and in order to form a turbulent flow, a huge amount of electrolyte must be continuously sent. Although the surface of the electrode reacts, most of the mainstream does not react as it is and flows out of the apparatus. Moreover, there is an energy loss due to the pump operation and an increase in cost due to an increase in the size of the pump, which is not preferable. It is preferable that the pump size is small and the flow rate is small under conditions where the pressure is low as long as the reaction is not hindered.
乱流にするためには例えば流路断面積を小さくすればよい。同じ体積流量で流れを生み出すポンプを用いることを考えると、層流から乱流に流れを変化させるには、流路断面積を小さくすればよい。結果として流速が高くなり、レイノルズ数が大きくなることにより、乱流を形成することができる。例えば電極の表面から壁面までの距離を10cmから1mmまで小さくする。このとき、体積流量が同じポンプからの流れであれば、レイノルズ数が2桁あがり、レイノルズ数が3000を超えれば乱流になる。 In order to make a turbulent flow, for example, the channel cross-sectional area may be reduced. Considering the use of a pump that generates a flow with the same volumetric flow rate, the flow path cross-sectional area may be reduced in order to change the flow from laminar flow to turbulent flow. As a result, turbulent flow can be formed by increasing the flow velocity and increasing the Reynolds number. For example, the distance from the surface of the electrode to the wall surface is reduced from 10 cm to 1 mm. At this time, if the flow is from a pump with the same volume flow rate, the Reynolds number increases by two digits, and if the Reynolds number exceeds 3000, turbulence occurs.
しかしながら、プラント化など商用化を考えた際の大きさを考慮し、1m四方の装置を考えた場合、溶存二酸化炭素の溶解度が25℃において0.034mol/lであると考えると、流路に存在する電解液の量が1m×1m×0.001m=0.001m3=1lであるから、収容部に存在する二酸化炭素の絶対量は0.034molである。また、10mA/cm2で反応させようとすれば、1秒で全ての二酸化炭素を反応し尽くし容易に物質の輸送律速に達してしまう。 However, considering the size when considering commercialization such as planting, and considering a 1 m square device, if the solubility of dissolved carbon dioxide is considered to be 0.034 mol / l at 25 ° C., Since the amount of the electrolyte present is 1 m × 1 m × 0.001 m = 0.001 m 3 = 1 l, the absolute amount of carbon dioxide present in the housing is 0.034 mol. Moreover, if it is made to react by 10 mA / cm < 2 >, all the carbon dioxide will be completely reacted in 1 second, and the transport rate of a substance will be reached easily.
上記のような状況を鑑みて、流路断面積を小さくする部分に加え、電解液を蓄える部分、すなわち緩衝部分を流路中に設けることにより、輸送律速の問題を解決することができる。本実施形態の電気化学反応装置では、電解液流路の極小部において、反応を集中的に行わせ、次にプール部分である極大部において消費した二酸化炭素を流液中に補う。すなわち、極大部は二酸化炭素の貯蔵部としての役割を果たし、乱流部で急激に消費した溶液中の二酸化炭素を補う働きを担う。 In view of the situation as described above, the problem of transport rate control can be solved by providing a part for storing the electrolyte, that is, a buffer part, in the flow path in addition to the part for reducing the cross-sectional area of the flow path. In the electrochemical reaction device of the present embodiment, the reaction is concentrated in the minimum part of the electrolyte flow path, and then the carbon dioxide consumed in the maximum part which is the pool part is supplemented in the flowing liquid. That is, the local maximum serves as a storage part for carbon dioxide, and serves to supplement the carbon dioxide in the solution rapidly consumed in the turbulent flow part.
流路の極小部および極大部を設け乱流を生じさせるのは還元側のみでよい。なぜならば、酸化側の反応物は溶媒自身の水であり、拡散律速にならないためである。従って、酸化側の電解液流路を流れる電解液は例えば層流であってもよい。 It is only necessary to provide a minimum portion and a maximum portion of the flow path to generate a turbulent flow only on the reduction side. This is because the reactant on the oxidation side is water of the solvent itself and does not become diffusion-limited. Therefore, the electrolyte flowing through the oxidation-side electrolyte flow path may be, for example, a laminar flow.
図1および図2に示す電気化学反応装置では、電解液流路52は、電解液流路52の長さ方向に垂直な断面の当該長さ方向上の一端から他端までの面積分布の最小値が電解液流路51の極小部における極小値よりも大きいことが好ましい。当該最小値が電解液流路51の極大値以上であってもよい。このとき、電解液流路52における電解液22の流れは例えば層流である。
In the electrochemical reaction device shown in FIGS. 1 and 2, the
両流路の圧力差によって不具合が生じる場合、酸化側の電解液を加圧してもよい。還元側電解液流路に乱流を生じさせるにはポンプの吐出圧および吐出量を大きくしなければならない。このためにエネルギーを投入する必要があるが、この点において、酸化側の電解液流路ではこのような余分なエネルギーの投入の必要はなく、通常の電解液流路を形成し、電解液を層流で流せばよい。 If a problem occurs due to the pressure difference between the two flow paths, the oxidizing electrolyte may be pressurized. In order to generate turbulent flow in the reduction-side electrolyte flow path, the discharge pressure and discharge amount of the pump must be increased. For this purpose, it is necessary to input energy. However, in this respect, there is no need to input such extra energy in the electrolyte flow path on the oxidation side. Laminar flow may be used.
層流に対して乱流を生じさせる場合、圧力損失が大きくなりやすい。よって、吐出圧に余力があることが好ましい。また、電気化学反応装置が斜面に設置された場合や直接立てた構造にする場合は、重力による加速度も流体流れを補助するとして利用することができる。 When turbulent flow is generated for laminar flow, pressure loss tends to increase. Therefore, it is preferable that the discharge pressure has a surplus. In addition, when the electrochemical reaction device is installed on a slope or has a direct standing structure, acceleration due to gravity can also be used to assist the fluid flow.
乱流を生じさせる他の方法としては、例えばランダムに充填物を詰め込む、あるいは突起状構造物を形成する等が考えられる。これらの方法はいずれも還元電極を覆うまたは実効面積が小さくなる。本実施形態の電気化学反応装置における極小部による乱流形成方法は、これらとは異なり、還元電極の全てを反応面として露出することが可能で、その分のロスを最小にすることができる。 As another method for generating turbulent flow, for example, a packing material is randomly packed or a protruding structure is formed. All of these methods cover the reduction electrode or reduce the effective area. Unlike these methods, the turbulent flow forming method using the minimum portion in the electrochemical reaction apparatus of the present embodiment can expose all the reduction electrodes as reaction surfaces, and can minimize the loss.
一方、還元電極31が多孔質構造を有する場合、電解液21が多孔質内部を流れる場合も考えられる。このとき、多孔質体の構造解析を行い、トータルの流路面積と吐出流量からレイノルズ数を算出することができる。レイノルズ数が乱流となる範囲を満たす場合は本実施形態の電気化学反応装置の範囲に含まれる。この場合、乱流の条件は多孔質体の内部が極小である。よって、還元電極31が収容部111の内壁と接していてもよい。また、極小部のみでも反応律速にならないのであれば、乱流形成部である極小部のみでも本実施形態の電気化学反応装置の範囲に含んでいてもよい。
On the other hand, when the
電解液流路51の極小部51bのレイノルズ数は3000以上であることが好ましい。還元電極31の物理的な破壊、および流路構造の破壊からの保護の観点から、極小部51bのレイノルズ数は200000以下、さらには20000以下であることが好ましい。
It is preferable that the Reynolds number of the
レイノルズ数を上げるためには、数式(10)より流速を上げる、代表長さを長くすることが上げられる。極小部51bにおける電解液21の流速は、1m/s以上100m/s以下であることが好ましい。流速が1m/s未満であると、乱流が生じにくく、乱流の代わりに層流あるいは遷移流が生じる場合がある。流速が100m/s超であると、流路、隔壁等に対する構造上のストレスが大きく、流路の破壊や隔壁の剥離等が生じる場合がある。特に両極が浸漬された電解液間にイオン交換膜が存在する場合は、膜の破壊が生じる恐れがある。
In order to increase the Reynolds number, it is possible to increase the flow velocity and lengthen the representative length from Equation (10). The flow rate of the
代表長さは、例えば円管なら直径に相当するが、極小部を設ける場合、還元電極31の面311と収容部111の内壁との間隔に相当する。極小部51bを設ける場合、前述のとおり乱流での壁面近傍の速度分布が生じる値である円管半径の100分の1から、20cmの円管を考えると、極小部51bにおける長さ方向に垂直な断面の最大径は1mm以上であることが好ましい。また、電解液流路51を流れる二酸化炭素の反応効率(流れにある二酸化炭素中の反応する二酸化炭素の割合)を考慮すると、極小部51bにおける長さ方向に垂直な断面の最大径は50mm以下、さらには25mm以下であることが好ましい。電解液流路51において面311が収容部111の内壁と接触してしまうと反応電流密度が低下する。このため、面311は、収容部111の内壁と離間していてもよい。
The representative length corresponds to the diameter of a circular tube, for example, but corresponds to the distance between the
極小部と極大部とのアスペクト比は、例えば極小部51bにおける還元電極31の面311から収容部111の内壁までの最小間隔D2に対する、極大部51aにおける還元電極31の面311から収容部111の内壁までの最大間隔D1の比で表すことができる。このとき、極小部51bと極大部51aとのアスペクト比は10以上1000以下であることが好ましい。アスペクト比が10未満であると、極大部51aにプールされる二酸化炭素の絶対量が少なくなり、装置全体に十分な二酸化炭素を供給することが難しい。アスペクト比が1000超であると、プール部に必要な溶液の量が膨大となり、反応に必要な溶液の量が急激に上昇する。
The aspect ratio between the local minimum portion and the local maximum portion is, for example, from the
以上のように、本実施形態の電気化学反応装置では、還元側の電解液流路に極大部と極小部を設け、乱流と層流を組合わせることにより、還元電極の表面に二酸化炭素を供給しやすくすることができる。よって、拡散律速による問題を解決することができる。 As described above, in the electrochemical reaction device of this embodiment, the maximum and minimum portions are provided in the electrolyte flow path on the reduction side, and carbon dioxide is generated on the surface of the reduction electrode by combining turbulent flow and laminar flow. Easy to supply. Therefore, the problem due to diffusion rate control can be solved.
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、炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、リン酸カリウム、リン酸二カリウム、リン酸三カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸二ナトリウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸二カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、塩酸カリウム、塩酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、といった強塩基と強酸または弱酸の塩、あるいは、硫酸、塩酸、ホウ酸、リン酸、炭酸、硝酸などの酸類、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの強塩基等が挙げられる。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またはケトン類を含んでもよい。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 electrolyte solution containing carbon dioxide applicable to the electrolyte include potassium bicarbonate, sodium bicarbonate, potassium carbonate, potassium phosphate, dipotassium phosphate, tripotassium phosphate, sodium phosphate, disodium phosphate, phosphorus Strong base and strong acid or weak acid salt such as trisodium acid, sodium borate, disodium borate, potassium borate, dipotassium borate, sodium sulfate, potassium sulfate, potassium hydrochloride, sodium hydrochloride, potassium nitrate, sodium nitrate, or And acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, boric acid, phosphoric acid, carbonic acid and nitric acid, and strong bases such as sodium hydroxide and potassium hydroxide. The electrolytic solution containing carbon dioxide may contain alcohols or ketones 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かまわない。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。置換した炭化水素は、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.
なお、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。 In addition, 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7は、光電変換セルの構造例を示す断面模式図である。図7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. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a structural example of a photoelectric conversion cell. The photoelectric conversion cell shown in FIG. 7 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ユニット3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、デンカブラック(登録商標)、バルカンXC−72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、Ni−Fe−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、デンカブラック(登録商標)、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7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ユニット3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、光電変換ユニット3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。トンネル効果を起こすためには2nm以下、さらには1nm以下であることが好ましい。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
原子層堆積(Atomic Layer Deposition:ALD)法によって150℃程度で作製したTiO2膜の場合、ポンプによるプリカーサ―排気時間を短くすることで透明性と導電性を両立した膜が得られる。この場合、トンネル伝導ではなく、TiO2膜中に残留する炭素原子がドーパントとして働くと考えられるため、通常の電子キャリア伝導と考えてよい。この場合の膜厚は、数十nm以上数百nm以下であってもよい。ただし、多層化、厚膜化は光の強い波長依存性を生み出すため、光学的に緻密に計算しなくてはならない。具体的には、波長をλ、屈折率をnとすると、λ/4nのm倍、mは1、3、5等の奇数で構成されるλ/4型反射防止膜構造を形成することが好ましい。 In the case of a TiO 2 film manufactured at about 150 ° C. by an atomic layer deposition (ALD) method, a film having both transparency and conductivity can be obtained by shortening the precursor exhaust time by the pump. In this case, not the tunnel conduction but the carbon atoms remaining in the TiO 2 film are considered to act as a dopant, and thus may be considered as normal electron carrier conduction. In this case, the film thickness may be several tens of nm or more and several hundreds of nm or less. However, since multilayering and thickening produce strong wavelength dependence of light, it must be calculated optically and precisely. Specifically, when a wavelength is λ and a refractive index is n, a λ / 4 type antireflection film structure composed of m times λ / 4n and m being an odd number such as 1, 3, 5, or the like can be formed. preferable.
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7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の面331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面332となる。以上のように、図7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. 7, the surface opposite to the contact surface of the n-type semiconductor layer 331n with the i-
図7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. 7, 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
隔壁6の形状は、図1に限定されない。図8に示す電気化学反応装置は、長さ方向の断面において極大部51aが長方形状を有する隔壁6を具備する。図9に示す電気化学反応装置は、長さ方向の断面において極大部51aが逆三角形状を有する隔壁6を具備する。図10に示す電気化学反応装置は、長さ方向の断面において極大部51aが下に凸の半円形状を有する隔壁6を具備する。
The shape of the
電気化学反応装置の構造例は、図1に限定されない。図11は、電気化学反応装置の他の例を示す模式図である。図11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、還元電極31が光電変換体33の面331に接していない構成が少なくとも異なる。還元電極31は、配線81を介して面331に電気的に接続されている。このとき、配線81の一部は、電解液槽11の外部に延在していてもよい。
The structural example of an electrochemical reaction device is not limited to FIG. FIG. 11 is a schematic view showing another example of an electrochemical reaction device. The electrochemical reaction device shown in FIG. 11 is at least different from the electrochemical reaction device shown in FIG. 1 in that the
図12は、電気化学反応装置の他の例を示す模式図である。図12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、光電変換体33が電解液槽11の外壁に接して設けられ、還元電極31および酸化電極32が光電変換体33に接していない構成が少なくとも異なる。還元電極31は、配線81を介して面331に電気的に接続されている。酸化電極32は、配線82を介して面332に電気的に接続されている。このとき、配線81の一部および配線82の一部は、電解液槽11の外部に延在していてもよい。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。
FIG. 12 is a schematic view showing another example of an electrochemical reaction device. Compared with the electrochemical reaction device shown in FIG. 1, the electrochemical reaction device shown in FIG. 12 is provided with the
図13は、電気化学反応装置の他の例を示す模式図である。図13に示す電気化学反応装置は、図12に示す電気化学反応装置と比較して、光電変換体33として電解液槽11の外部に設けられた光電変換層33x、33y、33zの三接合型の積層体を具備する構成が少なくとも異なる。光電変換層33x、33y、33zのそれぞれの説明については図7に示す光電変換層33x、33y、33zの説明を適宜援用することができる。なお、光電変換セルを図7に示す構造にしてもよい。図13では光電変換層33xの還元電極31側の面を面331とし、光電変換層33zの酸化電極32側の面を面332としている。還元電極31は、配線81および面331上に設けられた導電層83を介して面331に電気的に接続されている。酸化電極32は、配線82および面332上に設けられた導電層84を介して面332に電気的に接続されている。なお、導電層83、光電変換層33x、33y、33z、および導電層84を含むユニットを光電変換ユニット3ともいう。このとき、配線81の一部および配線82の一部は、電解液槽11の外部に延在していてもよい。なお、光電変換層の積層数は2または4以上であってもよい。
FIG. 13 is a schematic view showing another example of an electrochemical reaction device. Compared with the electrochemical reaction apparatus shown in FIG. 12, the electrochemical reaction apparatus shown in FIG. 13 is a three-junction type of photoelectric conversion layers 33x, 33y, and 33z provided outside the
図14は、電気化学反応装置の他の例を示す模式図である。図14に示す電気化学反応装置は、図13に示す電気化学反応装置と比較して、単接合型の光電変換体33を具備する光電変換ユニット3を複数具備する構成が少なくとも異なる。光電変換体33の説明については上記光電変換体33の説明を適宜援用することができ、それ以外の光電変換ユニット3の構造については光電変換ユニット3の説明を適宜援用することができる。複数の光電変換ユニット3は互いに直列接続で電気的に接続されている。なお、直列接続される光電変換ユニットの数は、2または4以上であってもよい。複数の光電変換ユニット3を直列に接続することにより酸化還元反応に用いる電圧を高めることができる。
FIG. 14 is a schematic view showing another example of an electrochemical reaction device. The electrochemical reaction device illustrated in FIG. 14 is at least different from the electrochemical reaction device illustrated in FIG. 13 in that it includes a plurality of
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.
(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Al層と、Al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70nmのITO層と、を有する。構造体の各層は光閉じ込め効果を得る目的でサブミクロンオーダーのテクスチャー構造を有する。
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. It has a 200 nm Al layer, a 1.5 mm thick SUS substrate provided on the Al layer, and a 70 nm thick ITO layer provided on the second surface of the three-junction photoelectric conversion body. Each layer of the structure has a submicron texture structure for the purpose of obtaining a light confinement effect.
三接合型光電変換体は、実施形態と同様に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。 Similar to the embodiment, the three-junction photoelectric converter 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 light in a long wavelength region. And a third photoelectric conversion layer that absorbs water. 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2.4V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 2.4V.
原子層堆積装置により厚さ100nmのITO層上に有機Ni化合物をプリカーサとして水と交互にパルスを送り、繰り返し脱気して、150℃で厚さ約6nmの酸化ニッケル層を形成した。SUS基板の裏面にコンタクト層として銅ワイヤを銅テープで接着した。還元電極としては、厚さ1mmのAu板を用い、ポテンシオ・ガルバノスタットを用いて1M硫酸中で二つの波のうちの第一波目の酸化が終了する電位とその還元が生じる電位間にて、10kHzの高周波を印加した。3時間印加後、溶液から取りだし、0.5M炭酸カリウム中で還元して触媒層を得た。SEM(Scanning Electron Microscope:SEM)で確認したところ、Au表面が数10nmの粒子状にエッチングされたような形状を有していた。次に、1cm角の正方形状に切り出して、エッジ部分を耐薬品性ポリマーシートで封止した。 Using an atomic layer deposition apparatus, an organic Ni compound was used as a precursor on an ITO layer having a thickness of 100 nm, and pulses were alternately sent to water, followed by repeated deaeration to form a nickel oxide layer having a thickness of about 6 nm at 150 ° C. A copper wire was bonded to the back surface of the SUS substrate with a copper tape as a contact layer. As a reduction electrode, an Au plate having a thickness of 1 mm is used, and a potentio galvanostat is used between a potential at which oxidation of the first wave of two waves ends in 1M sulfuric acid and a potential at which the reduction occurs. A high frequency of 10 kHz was applied. After applying for 3 hours, it was taken out from the solution and reduced in 0.5 M potassium carbonate to obtain a catalyst layer. When confirmed by SEM (Scanning Electron Microscope: SEM), the surface of Au had a shape as etched into particles of several tens of nanometers. Next, it cut out into the square shape of 1 cm square, and sealed the edge part with the chemical-resistant polymer sheet.
酸化側の電解液流路として10cm角のアクリル流路セルを準備し、光電変換体に触媒が設けられた酸化電極を流路内部に配置・固定し、アニオン交換膜(セレミオン)を介して還元電極であるAu板を配置・固定した。酸化電極と還元電極は電気的に銅線で接続し、ポテンシオスタットに接続した。酸化側流路にアルゴンバブリングで脱気した0.5M炭酸カリウム溶液をプランジャーポンプにより流量500sccm(ml/min)で送液した。 Prepare a 10cm square acrylic flow path cell as the electrolyte flow path on the oxidation side, place and fix an oxidation electrode with a catalyst on the photoelectric converter inside the flow path, and reduce it through an anion exchange membrane (ceremon) An Au plate as an electrode was placed and fixed. The oxidation electrode and the reduction electrode were electrically connected with a copper wire and connected to a potentiostat. A 0.5 M potassium carbonate solution deaerated by argon bubbling was sent to the oxidation side channel at a flow rate of 500 sccm (ml / min) by a plunger pump.
還元側の電解液流路としては、10cm角のアクリル流路セルを用いた。流路セルの内壁との距離が1mmとなるようにOリングで調整できるように設計した。容積5lのバブリング塔で流量200sccmで二酸化炭素のバブリングを行い二酸化炭素を飽和させた0.5M炭酸水素カリウム溶液を長さ10cmの流路内部にプランジャーポンプにより流量500sccmで送液した。このときの代表長さを10cmとしたときの電解液流路におけるレイノルズ数はRe8333であった。このことから電解液流路において乱流が生じていると考えられる。 As the electrolyte channel on the reduction side, a 10 cm square acrylic channel cell was used. It was designed so that the distance from the inner wall of the flow channel cell could be adjusted with an O-ring so as to be 1 mm. A 0.5 M potassium hydrogen carbonate solution saturated with carbon dioxide by bubbling carbon dioxide at a flow rate of 200 sccm in a bubbling tower having a volume of 5 l was fed into the flow channel having a length of 10 cm at a flow rate of 500 sccm by a plunger pump. The Reynolds number in the electrolyte channel when the representative length at this time was 10 cm was Re8333. From this, it is considered that turbulent flow is generated in the electrolyte flow path.
光電変換体にソーラーシミュレータ(AM1.5、1000W/m2)からの光を照射した。酸化電極および還元電極のそれぞれから気泡が発生し、還元電極から発生したガスに対してガスクロマトグラフィーを使用した。この結果、発生したガスは一酸化炭素と水素であった。また、一酸化炭素を基準としたときのファラデー効率は約91%であった。得られた電流値および電流密度と、水素と一酸化炭素の反応量から、ファラデー定数(96500C/mol)、および電流密度の式(電流密度=反応電子数(一酸化炭素と水素は2)×ファラデー定数×電位)の関係式を用いて、反応電位を求めた。光電変換体の電流電圧曲線との交点を考慮すると、光照射強度からの総変換効率は3.2%であった。 The photoelectric converter was irradiated with light from a solar simulator (AM1.5, 1000 W / m 2 ). Bubbles were generated from each of the oxidation electrode and the reduction electrode, and gas chromatography was used for the gas generated from the reduction electrode. As a result, the generated gas was carbon monoxide and hydrogen. In addition, the Faraday efficiency based on carbon monoxide was about 91%. From the obtained current value and current density, and the reaction amount of hydrogen and carbon monoxide, the Faraday constant (96500 C / mol) and the formula of current density (current density = number of reaction electrons (carbon monoxide and hydrogen are 2) × The reaction potential was determined using a relational expression of (Faraday constant × potential). Considering the intersection with the current-voltage curve of the photoelectric converter, the total conversion efficiency from the light irradiation intensity was 3.2%.
(比較例1)
実施例1の電気化学反応装置における還元側の電解液流路の内壁と還元電極との距離を10cmとして送液を行った。このときの代表長さを10cmとしたときの電解液流路におけるレイノルズ数はRe83であった。
(Comparative Example 1)
In the electrochemical reaction apparatus of Example 1, the solution was fed with the distance between the inner wall of the electrolyte channel on the reduction side and the reduction electrode being 10 cm. The Reynolds number in the electrolyte channel when the representative length at this time was 10 cm was Re83.
光電変換体にソーラーシミュレータ(AM1.5、1000W/m2)からの光を照射した。酸化電極および還元電極のそれぞれから気泡が発生し、還元電極から発生したガスに対してガスクロマトグラフィーを使用した。この結果、発生したガスは一酸化炭素と水素であった。また、一酸化炭素を基準としたときのファラデー効率は約80%であった。得られた電流値および電流密度と、水素と一酸化炭素の反応量から、ファラデー定数および電流密度の式の関係式を用いて反応電位を求めた。光照射強度からの総変換効率は0.21%であった。このことから電解液流路に乱流を生じさせることにより変換効率を高めることができることがわかる。 The photoelectric converter was irradiated with light from a solar simulator (AM1.5, 1000 W / m 2 ). Bubbles were generated from each of the oxidation electrode and the reduction electrode, and gas chromatography was used for the gas generated from the reduction electrode. As a result, the generated gas was carbon monoxide and hydrogen. Further, the Faraday efficiency when carbon monoxide was used as a reference was about 80%. From the obtained current value and current density and the reaction amount of hydrogen and carbon monoxide, the reaction potential was determined using the relational expression of the Faraday constant and the current density. The total conversion efficiency from the light irradiation intensity was 0.21%. This shows that the conversion efficiency can be increased by generating turbulent flow in the electrolyte flow path.
(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基板上の厚さ100nmの白金膜とを有する複合基板(1.5×9cm角)と、金箔(1.5cm×10cm角)と、を準備した。電源は、太陽電池の模擬装置である。3cm×11cm角で厚さ1cm(内径2×10cm)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電解液流路を形成した。枠に複合基板と金箔とを内包し、複合基板と金箔との間にイオン交換膜(Nafion117、2×10cm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3cm×横10cm×厚さ3mm)で挟んだモジュールを作製した。モジュール内にアルゴンバブリング塔でバブリングした後脱気した炭酸カリウム溶液を流量500sccmで供給した。複合基板を還元電極とし、金箔を酸化電極とした。アクリル板の一部を彫刻機で1cm×5cmを3cm置きに3か所削り、形成された凹部を極大部(プール部分)とした。プール部分以外の面はOリングを用いて流路セルの内壁と還元電極との距離が1mmになるよう設置した。酸化電極および還元電極間に3.6Vの電圧を印加した。還元電極側では一酸化炭素の発生が確認でき、二酸化炭素を還元していることがわかった。電流値は8.3mA/cm2を示した。
(Example 2)
A composite substrate (1.5 × 9 cm square) having a SUS substrate having a thickness of 1.5 mm and a platinum film having a thickness of 100 nm on the SUS substrate connected to a power source through a conductive wire, and a gold foil (1.5 cm × 10 cm) Corner) and prepared. The power source is a solar cell simulation device. An electrolyte flow path was formed on each of the oxidation electrode side and the reduction electrode side of an
(比較例2)
実施例2の電気化学反応装置と比較してプール部分が無い構成が異なる電気化学反応装置を作製した。酸化電極および還元電極間に3.6Vの電圧を印加した。還元電極側では一酸化炭素の発生が確認でき、二酸化炭素を還元していることがわかった。電流値は1.6mA/cm2を示した。このことから実施例2のように極大部を設けることにより変換効率が向上していることがわかる。
(Comparative Example 2)
Compared with the electrochemical reaction apparatus of Example 2, an electrochemical reaction apparatus having a different structure without a pool portion was produced. A voltage of 3.6 V was applied between the oxidation electrode and the reduction electrode. The generation of carbon monoxide was confirmed on the reducing electrode side, and it was found that carbon dioxide was being reduced. The current value was 1.6 mA / cm 2 . From this, it can be seen that the conversion efficiency is improved by providing the maximum portion as in the second embodiment.
(実施例3)
直列接続で電気的に接続された光電変換セルを電解液槽の外部に設置し、還元電極および酸化電極を電解液槽の内部に設定して電気化学反応装置を作製した。光電変換セルとしては、送電線が外部に接触しないように単結晶Si型太陽電池を4cm×7mm角に切断し、切断後の4つの太陽電池を導線で直列に接続した後にガラスで封止し、導線部を含め合計4cm角の光電変換セルを用いた。なお、流路の構造および電解液は、実施例1と同じである。
(Example 3)
A photoelectric conversion cell electrically connected in series was installed outside the electrolytic solution tank, and a reduction electrode and an oxidation electrode were set inside the electrolytic solution tank to produce an electrochemical reaction device. As a photoelectric conversion cell, a single-crystal Si type solar cell is cut into 4 cm × 7 mm square so that the transmission line does not come into contact with the outside, and the four solar cells after cutting are connected in series with conductive wires and then sealed with glass. In addition, a photoelectric conversion cell having a total of 4 cm square including the conductor portion was used. The structure of the flow path and the electrolytic solution are the same as those in Example 1.
ソーラーシミュレータ(AM1.5、1000W/m2)を用いて上記光電変換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3.6V、光電変換効率は約13%であった。 The open circuit voltage was measured when the photoelectric converter was irradiated with light using a solar simulator (AM1.5, 1000 W / m 2 ). The open circuit voltage was 3.6 V, and the photoelectric conversion efficiency was about 13%.
上記光電変換体の正極側、負極側導線のそれぞれを酸化電極、還元電極と電気的に接続した。酸化電極と還元電極はアニオン交換膜を挟んで密着した形態で電解液流路内に設置した。 Each of the positive electrode side and the negative electrode side conductor of the photoelectric converter was electrically connected to an oxidation electrode and a reduction electrode. The oxidation electrode and the reduction electrode were installed in the electrolyte channel in a form in which they were in close contact with an anion exchange membrane interposed therebetween.
酸化側の電解液流路として10cm角のアクリル流路セルを準備し、光電変換体に触媒が設けられた酸化電極を流路内部に配置・固定し、アニオン交換膜(セレミオン)を介して還元電極であるAu板を配置・固定した。酸化電極と還元電極は電気的に銅線で接続し、ポテンシオスタットに接続した。酸化側流路にアルゴンバブリングで脱気した0.5M炭酸カリウム溶液をプランジャーポンプにより流量500sccm(ml/min)で送液した。 Prepare a 10cm square acrylic flow path cell as the electrolyte flow path on the oxidation side, place and fix an oxidation electrode with a catalyst on the photoelectric converter inside the flow path, and reduce it through an anion exchange membrane (ceremon) An Au plate as an electrode was placed and fixed. The oxidation electrode and the reduction electrode were electrically connected with a copper wire and connected to a potentiostat. A 0.5 M potassium carbonate solution deaerated by argon bubbling was sent to the oxidation side channel at a flow rate of 500 sccm (ml / min) by a plunger pump.
還元側の電解液流路としては、10cm角のアクリル流路セルを用いた。流路セルの内壁との距離が1mmとなるようにOリングで調整できるように設計した。容積5lのバブリング塔で流量200sccmで二酸化炭素のバブリングを行い二酸化炭素を飽和させた溶液を長さ10cmの流路内部にプランジャーポンプにより流量500sccmで送液した。このときの代表長さを10cmとしたときの電解液流路におけるレイノルズ数はRe8333であった。このことから電解液流路において乱流が生じていると考えられる。 As the electrolyte channel on the reduction side, a 10 cm square acrylic channel cell was used. It was designed so that the distance from the inner wall of the flow channel cell could be adjusted with an O-ring so as to be 1 mm. A solution in which carbon dioxide was bubbled in a bubbling tower having a volume of 5 l at a flow rate of 200 sccm to saturate the carbon dioxide was fed into the flow channel having a length of 10 cm at a flow rate of 500 sccm by a plunger pump. The Reynolds number in the electrolyte channel when the representative length at this time was 10 cm was Re8333. From this, it is considered that turbulent flow is generated in the electrolyte flow path.
光電変換体にソーラーシミュレータ(AM1.5、1000W/m2)からの光を照射した。酸化電極および還元電極のそれぞれから気泡が発生し、還元電極から発生したガスに対してガスクロマトグラフィーを使用した。この結果、発生したガスは一酸化炭素と水素であった。また、一酸化炭素を基準としたときのファラデー効率は約91%であった。得られた電流値および電流密度と、水素と一酸化炭素の反応量から、ファラデー定数および電流密度の式の関係式を用いて反応電位を求めた。光電変換体の電流電圧曲線との交点を考慮すると、光照射強度からの総変換効率は4.7%であった。このことから光電変換セルを直列接続で電気的に接続することにより変換効率を高めることができることがわかる。 The photoelectric converter was irradiated with light from a solar simulator (AM1.5, 1000 W / m 2 ). Bubbles were generated from each of the oxidation electrode and the reduction electrode, and gas chromatography was used for the gas generated from the reduction electrode. As a result, the generated gas was carbon monoxide and hydrogen. In addition, the Faraday efficiency based on carbon monoxide was about 91%. From the obtained current value and current density and the reaction amount of hydrogen and carbon monoxide, the reaction potential was determined using the relational expression of the Faraday constant and the current density. Considering the intersection with the current-voltage curve of the photoelectric converter, the total conversion efficiency from the light irradiation intensity was 4.7%. This shows that the conversion efficiency can be increased by electrically connecting the photoelectric conversion cells in series.
3…光電変換ユニット、4…イオン交換膜、6…隔壁、11…電解液槽、21…電解液、22…電解液、30…導電性基板、31…還元電極層、32…酸化電極層、33…光電変換層、33a…光電変換層、33b…光電変換層、33c…光電変換層、33x…光電変換層、33y…光電変換層、33z…光電変換層、34…光反射層、35…金属酸化物層、36…金属酸化物層、51…電解液流路、51a…極大部、51b…極小部、52…電解液流路、81…配線、82…配線、83…導電層、83…配線、84…導電層、84…配線、111…収容部、112…収容部、311…面、321…面、331…面、332…面、331i…i型半導体層、331n…n型半導体層、331p…p型半導体層、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 (17)
前記第1の収容部に配置され、還元触媒を含む第1の面を有する還元電極と、
前記第2の収容部に配置され、酸化触媒を含む第2の面を有する酸化電極と、
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、を具備し、
前記第1の収容部における前記第1の面と前記第1の収容部の内壁との間の領域は、前記第1の電解液を送液するための電解液流路であり、
前記電解液流路は、前記電解液流路の長さ方向に垂直な断面の前記長さ方向上の一端から他端までの面積分布の極大値を有する極大部と、前記面積分布の極小値を有する極小部と、を有する、電気化学反応装置。 An electrolytic solution tank comprising: a first storage unit for storing a first electrolytic solution containing carbon dioxide; and a second storage unit for storing a second electrolytic solution containing water;
A reduction electrode disposed in the first housing portion and having a first surface including a reduction catalyst;
An oxidation electrode disposed in the second housing portion and having a second surface containing an oxidation catalyst;
A power source electrically connected to the reduction electrode and the oxidation electrode,
The region between the first surface of the first housing part and the inner wall of the first housing part is an electrolyte channel for feeding the first electrolyte solution,
The electrolyte flow path includes a maximum portion having a maximum value of an area distribution from one end to the other end of the cross section perpendicular to the length direction of the electrolyte flow path, and a minimum value of the area distribution. An electrochemical reaction device having a minimum portion.
前記第2の電解液流路は、前記第2の電解液流路の第2の長さ方向に垂直な断面の前記第2の長さ方向上の一端から他端までの面積分布の最小値が前記極小値よりも大きい、請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。 The region between the second surface of the second housing portion and the inner wall of the second housing portion is a second electrolyte flow for feeding at least a part of the second electrolyte solution. Road,
The second electrolyte flow path is a minimum value of an area distribution from one end to the other end in the second length direction of a cross section perpendicular to the second length direction of the second electrolyte flow path. The electrochemical reaction device according to any one of claims 1 to 8, wherein is larger than the minimum value.
前記第1の収容部に配置され、還元触媒を含む第1の面を有する還元電極と、
前記第2の収容部に配置され、酸化触媒を含む第2の面を有する酸化電極と、
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、を具備し、
前記第1の収容部における前記第1の面と前記第1の収容部の内壁との間の領域は、前記第1の電解液を送液するための電解液流路であり、
前記電解液流路は、第1の領域と第2の領域とを有し、前記第1の領域および前記第2の領域が前記電解液流路の長さ方向に沿って並置され、
前記第2の領域は、前記第1の電解液に乱流を生じさせるための隔壁を有し、前記隔壁が前記内壁に接する、電気化学反応装置。 An electrolytic solution tank comprising: a first storage unit for storing a first electrolytic solution containing carbon dioxide; and a second storage unit for storing a second electrolytic solution containing water;
A reduction electrode disposed in the first housing portion and having a first surface including a reduction catalyst;
An oxidation electrode disposed in the second housing portion and having a second surface containing an oxidation catalyst;
A power source electrically connected to the reduction electrode and the oxidation electrode,
The region between the first surface of the first housing part and the inner wall of the first housing part is an electrolyte channel for feeding the first electrolyte solution,
The electrolyte flow path has a first area and a second area, and the first area and the second area are juxtaposed along the length direction of the electrolyte flow path,
The electrochemical reaction apparatus, wherein the second region has a partition for generating a turbulent flow in the first electrolyte solution, and the partition is in contact with the inner wall.
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