JP6258467B2 - 光電気化学反応システム - Google Patents
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図1は第1の実施形態による光電気化学反応システムの構成を示す図である。第1の実施形態の光電気化学反応システム100は、二酸化炭素(CO2)含むガスを発生するCO2発生部100Xに付随して設置される。光電気化学反応システム100は、CO2変換部102、反応溶液転送部103、CO2還元部104、反応溶液調整部105、反応溶液還流部106、生成物収集部107、および反応溶液貯蔵部108を具備している。CO2発生部100Xの代表例としては、発電所が挙げられる。CO2発生部100Xはこれに限られるものではなく、鉄工所、化学工場、ごみ焼却場等であってもよい。CO2発生部100Xは特に限定されない。実施形態による光電気化学反応システム100は、後述するようにCO2還元部104の小型化等を図ることができるため、発電所や鉄工所等の大型プラントに限らず、ごみ焼却場のような小型プラントに対しても有効である。
NaOH+CO2 → NaHCO3 …(1)
2NaOH+CO2 → Na2CO3+H2O …(2)
炭酸ナトリウムは、下記の(3)式に基づいて、さらに炭酸水素ナトリウムに変換される場合もある。
Na2CO3+CO2+H2O → 2NaHCO3 …(3)
他のアルカリ金属(第1族元素)もほぼ同様である。
Ca(OH)2+CO2 → CaCO3+H2O …(4)
CaCO3+H2O+CO2 → Ca(HCO3)2 …(5)
他のアルカリ土類金属(第2族元素)もほぼ同様である。
2H2O → 4H++O2+4e− …(6)
還元電極5付近においては、まず下記の(7)式や(8)式に示す反応、さらに下記の(9)式に示す反応が生じる。
NaHCO3 → NaOH+CO2 …(7)
2NaHCO3 → Na2CO3+CO2+H2O …(8)
2CO2+4H++4e− → 2CO+2H2O …(9)
図10は第2の実施形態による光電気化学反応システムの構成図である。第2の実施形態の光電気化学反応システム110は、CO2変換部102、反応溶液転送部103、第1CO2還元部104A、第1反応溶液調整部105A、第1反応溶液還流部106A、第2CO2還元部104B、第2反応溶液調整部105B、第2反応溶液還流部106B、および生成物収集部107を具備している。第2の実施形態の光電気化学反応システム110は、CO2発生部100Xに付随して設置される。光電気化学反応システム110は、第1の実施形態と同様に不純物除去部101を備えていてもよい。
Claims (24)
- 金属水酸化物を含む水溶液により二酸化炭素を金属炭酸塩および金属炭酸水素塩からなる群より選ばれる少なくとも1つの中間物質に変換し、前記中間物質を含む反応溶液を生成する変換部と、
前記中間物質を含む反応溶液を転送する転送部と、
前記転送部により前記反応溶液が導入される一液型反応槽と、前記反応溶液中に浸漬され、水を酸化する酸化電極と、前記反応溶液中に浸漬され、前記中間物質を還元する還元電極と、前記酸化電極および前記還元電極と電気的に接続され、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力素子とを備える還元部と、
前記変換部で生成された前記反応溶液を一旦貯蔵する貯蔵部とを具備し、
前記変換部を夜間に運転すると共に、前記還元部の運転を夜間に休止するとき、前記変換部で夜間に生成された前記反応溶液は前記貯蔵部に貯蔵される、光電気化学反応システム。 - 金属水酸化物を含む水溶液により二酸化炭素を金属炭酸塩および金属炭酸水素塩からなる群より選ばれる少なくとも1つの中間物質に変換し、前記中間物質を含む反応溶液を生成する変換部と、
前記中間物質を含む反応溶液を転送する転送部と、
前記転送部により前記反応溶液が導入される一液型反応槽と、前記反応溶液中に浸漬され、水を酸化する酸化電極と、前記反応溶液中に浸漬され、前記中間物質を還元する還元電極と、前記酸化電極および前記還元電極と電気的に接続され、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力素子とを備え、前記酸化電極で水を酸化することにより酸素および水素イオンを生成し、前記還元電極で前記中間物質を還元することにより炭素化合物を生成する還元部と、
前記還元部で生成された酸素および気体状の前記炭素化合物の少なくとも一方を収集する収集部とを具備し、
前記還元部での酸化還元反応により生じる気体状の生成物は、前記反応槽の上部空間に集められた後、生成物送出管を介して前記収集部に送られる、光電気化学反応システム。 - 金属水酸化物を含む水溶液により二酸化炭素を金属炭酸塩および金属炭酸水素塩からなる群より選ばれる少なくとも1つの中間物質に変換し、前記中間物質を含む反応溶液を生成する変換部と、
前記中間物質を含む反応溶液を転送する転送部と、
前記転送部により前記反応溶液が導入される一液型反応槽と、前記反応溶液中に浸漬され、水を酸化する酸化電極と、前記反応溶液中に浸漬され、前記中間物質を還元する還元電極と、前記酸化電極および前記還元電極と電気的に接続され、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力素子とを備える還元部と、
前記還元部で酸化還元反応を生じさせた前記反応溶液を前記変換部に還流する還流部と、
前記還元部に導入された前記反応溶液の濃度およびpHの少なくとも一方を調整する調整部とを具備し、
前記反応槽は、前記転送部に接続された反応溶液導入管、前記調整部に接続された調整液導入管、前記還流部に接続された反応溶液導出管、および反応後の溶液を排出する反応溶液排出管を備える、光電気化学反応システム。 - 金属水酸化物を含む水溶液により二酸化炭素を金属炭酸塩および金属炭酸水素塩からなる群より選ばれる少なくとも1つの中間物質に変換し、前記中間物質を含む反応溶液を生成する変換部と、
前記中間物質を含む反応溶液を転送する転送部と、
前記転送部により前記反応溶液が導入される一液型反応槽と、前記反応溶液中に浸漬され、水を酸化する酸化電極と、前記反応溶液中に浸漬され、前記中間物質を還元する還元電極と、前記酸化電極および前記還元電極と電気的に接続され、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力素子とを備える還元部とを具備し、
前記酸化電極は、支持基材と、前記支持基材の両面に設けられた酸化触媒層とを備える、光電気化学反応システム。 - 金属水酸化物を含む水溶液により二酸化炭素を金属炭酸塩および金属炭酸水素塩からなる群より選ばれる少なくとも1つの中間物質に変換し、前記中間物質を含む反応溶液を生成する変換部と、
前記中間物質を含む反応溶液を転送する転送部と、
前記転送部により前記反応溶液が導入される一液型反応槽と、前記反応溶液中に浸漬され、水を酸化する酸化電極と、前記反応溶液中に浸漬され、前記中間物質を還元する還元電極と、前記酸化電極および前記還元電極と電気的に接続され、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力素子とを備える還元部とを具備し、
前記還元電極は、支持基材と、前記支持基材の両面に設けられた還元触媒層とを備える、光電気化学反応システム。 - 前記変換部は、前記金属水酸化物としてアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれる少なくとも1つの金属の水酸化物を含む水溶液を備える、請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の光電気化学反応システム。
- 前記還元部は、前記反応溶液中に浸漬された前記酸化電極および前記還元電極と、前記一液型反応槽の外部に配置された前記光起電力素子とを備える、請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の光電気化学反応システム。
- 前記還元部は、前記酸化電極と前記光起電力素子と前記還元電極とが一体化された積層体を備え、前記積層体は前記反応溶液中に浸漬される、請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の光電気化学反応システム。
- 前記還元部は、前記酸化電極で水を酸化することにより酸素および水素イオンを生成し、前記還元電極で前記中間物質を還元することにより炭素化合物を生成する、請求項1、請求項3、請求項4又は請求項5に記載の光電気化学反応システム。
- さらに、前記還元部で生成された酸素および気体状の前記炭素化合物の少なくとも一方を収集する収集部を具備する、請求項9に記載の光電気化学反応システム。
- さらに、前記還元部で酸化還元反応を生じさせた前記反応溶液を前記変換部に還流する還流部を具備する、請求項1、請求項2、請求項4又は請求項5に記載の光電気化学反応システム。
- さらに、前記変換部で生成された前記反応溶液を一旦貯蔵する貯蔵部を具備する、請求項2ないし請求項11のいずれか1項に記載の光電気化学反応システム。
- さらに、前記還元部に導入された前記反応溶液の濃度およびpHの少なくとも一方を調整する調整部を具備する、請求項1、請求項2、請求項4又は請求項5に記載の光電気化学反応システム。
- さらに、前記変換部に送られる前記二酸化炭素、および前記反応溶液の少なくとも一方から不純物を除去する不純物除去部を具備する、請求項1ないし請求項13のいずれか1項に記載の光電気化学反応システム。
- 前記変換部は、前記金属水酸化物を含む水溶液を収容する反応槽と、前記反応槽内に収容された前記水溶液に二酸化炭素を含むガスを吹き込むガス供給管とを備える、請求項1ないし請求項14のいずれか1項に記載の光電気化学反応システム。
- 前記転送部は、複数の前記還元部に接続されている、請求項1ないし請求項15のいずれか1項に記載の光電気化学反応システム。
- 前記金属水酸化物を含む水溶液のpHは7以上14以下である、請求項1ないし請求項16のいずれか1項に記載の光電気化学反応システム。
- 前記還元部での酸化還元反応により生じる気体状の生成物は、前記反応槽の上部空間に集められた後、生成物送出管を介して前記収集部に送られる、請求項10に記載の光電気化学反応システム。
- 前記反応溶液は、前記反応槽の内部容量に対して50%以上90%以下の範囲となるように、前記反応槽に導入される、請求項2又は請求項18に記載の光電気化学反応システム。
- さらに、前記還元部で酸化還元反応を生じさせた前記反応溶液を前記変換部に還流する還流部と、前記還元部に導入された前記反応溶液の濃度およびpHの少なくとも一方を調整する調整部とを具備し、
前記反応槽は、前記転送部に接続された反応溶液導入管、前記調整部に接続された調整液導入管、前記還流部に接続された反応溶液導出管、および反応後の溶液を排出する反応溶液排出管を備える、請求項1、請求項2、請求項4又は請求項5に記載の光電気化学反応システム。 - 前記反応溶液の前記反応槽内への導入および前記反応溶液の前記反応槽外への導出は、連続してまたは不連続に実施される、請求項20に記載の光電気化学反応システム。
- 前記光起電力素子は、Si、Ge、およびCuInGaSeからなる群より選ばれる少なくとも1つを含む半導体層を備える、請求項1ないし請求項21のいずれか1項に記載の光電気化学反応システム。
- 前記積層体は、前記酸化電極、前記光起電力素子および前記還元電極の積層方向に形成された貫通孔を有する、請求項8に記載の光電気化学反応システム。
- 前記転送部は、前記複数の還元部に並列に接続されている、請求項16に記載の光電気化学反応システム。
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