JP6744242B2 - 化学反応システム - Google Patents

Description

実施形態の発明は、化学反応システムに関する。

電気エネルギー等のエネルギーの消費量は人間の生活行動により常に変動するため、エネルギーの需要と供給とのバランスは悪い。エネルギーを補うために、出力の調整が困難な原子力エネルギーと不規則な自然エネルギーとを組み合わせる場合、消費電力量を調整できず余剰電力の増加が懸念される。今後、再生可能エネルギーの利用が増加すると、火力エネルギーにより出力を調整することは限界がある。

この余剰電力を電力不足の地域に送ることが考えられるが、送電によるエネルギーロスや高コスト等の問題が生じる。このような問題に対する解決策として、例えば揚水発電による水のくみ上げや蓄電池による蓄電が挙げられる。しかし、揚水発電が可能なダムの設置に適した土地は限られ、蓄電池はコストが高いといった問題がある。このように、電気エネルギーは蓄電および送電に関する問題を有する。

一方、貯蔵および輸送可能な再生エネルギーとして、人工光合成システムが提案されている。エネルギー問題や環境問題の観点から、植物のように光エネルギーによってＣＯ_２を効率よく還元する技術が求められている。植物は、Ｚスキームと呼ばれる光エネルギーにより２段階で励起されるシステムを用いている。すなわち、植物は光エネルギーにより水（Ｈ_２Ｏ）から電子を得ると共に、この電子を利用して二酸化炭素（ＣＯ_２）を還元することによりセルロースや糖類を合成する。人工光合成を行う装置として、光エネルギーによりＣＯ_２を還元（分解）する光電気化学反応装置の開発が進められている。これら人工光合成システムによって得られた化学物質を化成品に変換するためには、新たな装置を導入する必要があるが、不安定な自然エネルギーを原料としているために原料の安定供給が難しく、よって装置の安定運転ができないために効率が悪い。このように、不安定な自然エネルギーに追従するように一酸化炭素などをメタノール等に変換する反応器の安定運転を行い、なおかつ電気化学反応装置を有効活用し変換効率が高くなる様なシステム設計が必要である。

自然エネルギーは不安定であり、常に安定したエネルギーを供給できない。これら自然エネルギーから化学エネルギーを生成し、これを原料とした化成品を製造する場合、新たな装置導入コストがかかる、またエネルギー供給が不安定であるために安定した装置稼働ができないといった課題がある。

米国特許３９５９０９４号明細書 特開２０１２−５０５３１０号公報

実施形態の発明が解決しようとする課題は、炭素化合物の生成反応を安定させることである。

実施形態の化学反応システムは、一酸化炭素および二酸化炭素の少なくとも一つを含む第１の炭素化合物を生成する供給源と、二酸化炭素の還元反応により一酸化炭素を含む第２の炭素化合物を生成する電気化学反応装置と、第１および第２の炭素化合物の少なくとも一つと、水素と、を含む反応物の化学反応により第３の炭素化合物を含む生成物を生成する反応器と、第２の炭素化合物を電気化学反応装置から供給源および反応器の少なくとも一つに供給するための流路と、を具備する。

化学反応システムの構成例を示す模式図である。 化学反応システムの構成例を示す模式図である。 化学反応システムの構成例を示す模式図である。 化学反応システムの構成例を示す模式図である。 化学反応システムの構成例を示す模式図である。 化学反応システムの構成例を示す模式図である。 電気化学反応装置の構成例を示す模式図である。 電気化学反応装置の構成例を示す模式図である。

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。

図１は化学反応システムの構成例を示す模式図である。図２ないし図６は図１に示す化学反応システムの構成例を示す模式図である。化学反応システムは、供給源１１と、電気化学反応装置１２と、反応器１３と、を具備する。なお、図１ないし図６に示す矢印は、流路を介しての物質の移動方向を表す。各物質は、例えばポンプ等を用いて移動させることができる。また、図２ないし図６に示す構成の少なくとも一部は、互いに適宜組み合わせまたは置換されてもよい。

供給源１１は、一酸化炭素（ＣＯ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）の少なくとも一つを含む炭素化合物Ａを生成することができる。炭素化合物Ａは、例えば配管等の流路を介して供給源１１から反応器１３に供給される。

図２に示す供給源１１は、二酸化炭素を排出する排出源１１ａと、水素（Ｈ_２）を生成する製造装置１１ｂと、を含む。図２に示すように、供給源１１は、水素を生成してもよい。

排出源１１ａにより排出される二酸化炭素は、例えば配管等の流路を介して排出源１１ａから反応器１３に供給される。排出源１１ａの例は、例えば発電所、鉄工所、化学工場、ごみ焼却場等を含む。排出源１１ａから排出される二酸化炭素を含むガスは、例えばフィルタ等を介して硫黄酸化物等の不純物の除去後に電気化学反応装置１２および反応器１３の少なくとも一つに供給されてもよい。

製造装置１１ｂにより生成される水素は、例えば配管等の流路を介して製造装置１１ｂから反応器１３に供給される。製造装置１１ｂは、例えば水を収容する収容部と、収容部の内部に配置され水に浸漬される陽極および陰極と、を備え、水の電気分解反応により水素を生成することができる。また、水蒸気熱分解により水素を生成してもよい。製造装置１１ｂの例は、通常の熱化学反応によるメタンの水蒸気改質等の炭化水素の改質反応により水素を生成する水素製造装置等を含む。

図３および図６に示す供給源１１は、逆シフト反応装置１１ｃを含む。逆シフト反応装置１１ｃは、水素と二酸化炭素との逆シフト反応により一酸化炭素を生成することができる。逆シフト反応装置１１ｃにより生成される一酸化炭素は、例えば配管等の流路を介して逆シフト反応装置１１ｃから反応器１３に供給される。逆シフト反応装置１１ｃは、例えば水素と二酸化炭素を収容する収容部を備え、収容部に導入される触媒を用いた逆シフト反応により一酸化炭素を生成することができる。逆シフト反応は吸熱反応であるため、図１に示す排出源１１ａ等により発生する熱を用い、伝熱性部材もしくは伝熱性の媒体を介して熱交換を行うと、化学反応システム全体の効率を向上させることができる。

上記水素の未反応部は、例えば図３に示すように配管等の流路を介して逆シフト反応装置１１ｃから反応器１３に供給されてもよい。上記二酸化炭素の未反応部は、例えば図３に示すように配管等の流路を介して逆シフト反応装置１１ｃから逆シフト反応装置１１ｃ、電気化学反応装置１２、および反応器１３の少なくとも一つに供給されてもよい。

図４ないし図６に示す供給源１１は、改質装置１１ｄを含む。改質装置１１ｄは、炭化水素の改質反応により二酸化炭素と水素とを生成することができる。炭化水素の例は、メタン等を含む。炭化水素の改質反応は、例えば水（水蒸気）が用いられる。図４および図５に示す改質装置１１ｄにより生成される二酸化炭素と水素は、例えば配管等の流路を介して改質装置１１ｄから反応器１３に供給される。図６に示す改質装置１１ｄにより生成される二酸化炭素と水素は、例えば配管等の流路を介して改質装置１１ｄから逆シフト反応装置１１ｃに供給される。改質装置１１ｄの例は、例えば炭化水素改質装置等を含む。炭化水素改質装置は、例えば炭化水素と水蒸気とを収容する収容部を備え、収容部に導入される触媒を用いた炭化水素の改質反応により二酸化炭素と水素とを生成することができる。これに限定されず、一酸化炭素と水素とを生成、または二酸化炭素と一酸化炭素と水素とを生成してもよい。後述するように、一酸化炭素と水素と二酸化炭素との割合を調整するために、シフト反応器を後段に設けると、上記割合を任意の割合に調整できるため、例えば後段の反応や需要量に合わせて上記割合を調整することができる。上記割合は主に温度や圧力によって調整可能である。改質装置１１ｄまたは後述のシフト反応器によって調整するために、電気化学反応装置１２から供給される不安定な一酸化炭素や水素の割合を反応器の温度や圧力を調節することにより化学反応システム全体の効率を向上させることができる。そのために図示しない調節装置を設けてもよい。

電気化学反応装置１２は、一酸化炭素を含む炭素化合物Ｂを生成することができる。一酸化炭素は、二酸化炭素の還元反応等の電気化学反応により生成される。炭素化合物Ｂは、例えば配管等の流路を介して電気化学反応装置１２から供給源１１および反応器１３の少なくとも一つに供給される。

電気化学反応装置１２は、図２ないし図６に示すように、上記還元反応により水素を生成してもよい。このとき、電気化学反応装置１２に供給される水と二酸化炭素とを用いる。電気化学反応装置１２により生成される水素は、例えば配管等の流路を介して電気化学反応装置１２から供給源１１および反応器１３の少なくとも一つに供給される。

電気化学反応装置１２は、図２ないし図６に示すように、酸化反応により酸素を生成してもよい。電気化学反応装置１２により生成される酸素は、例えば配管等の流路を介して電気化学反応装置１２から供給源１１および反応器１３の少なくとも一つに供給される。これにより、供給源１１および反応器１３の少なくとも一つにおいて、上記酸素を含む雰囲気下でのオートサーマル反応により炭素化合物等を生成することで化学反応システム全体の効率を向上させることができる。大気中の酸素濃度は約２１％であるが、上記構成では２１％を超える酸素濃度を容易に得ることができるため反応効率を向上させることができる。オートサーマル反応の場合、生成物が窒素ガスによって希釈される問題や、反応に適した熱を与える場合に反応に関与しないガスの温度も適温に調整する必要があるためエネルギーを必要とし、さらにそのガスによって熱が放出するために、効率が大きく低下する。上記構成は純度が高い酸素を供給できるため、効率向上のためにより適している。反応の温度を調整するために、電気化学反応装置１２により生成される不安定な酸素を、供給量を調整せずに供給源１１および反応器１３の少なくとも一つに供給してしまうと、反応器１３の温度が不安定になる。よって、温度調整のために酸素の供給量を調節することにより化学反応システム全体の効率を向上させることができる。そのために図示しない調節装置やバッファタンクを設けてもよい。特に、前述のように図１の排出源１１ａ等により発生する熱を用い、伝熱性部材または伝熱性の媒体を介して改質装置１１ｄやシフト反応器等と熱交換を行う場合にはさらに熱安定性が複雑となるため、酸素の供給量を調節することが好ましい。

電気化学反応装置１２による電気化学反応は、常に行われなくてもよい。例えば、電気化学反応装置１２の電気化学反応に太陽光を利用する場合、夜間は電気化学反応装置１２による電気化学反応を停止してもよい。例えば、電源から電気化学反応装置１２へのエネルギーの供給を停止させることにより、電気化学反応装置１２による電気化学反応を停止させることができる。これにより、例えば反応器１３の動作中に電気化学反応装置１２による電気化学反応を停止させることができる。

上記二酸化炭素の未反応部は、例えば図３に示すように電気化学反応装置１２から供給源１１および反応器１３の少なくとも一つに供給されてもよい。逆シフト反応装置１１ｃを通過したガスは平衡反応のために、その温度に応じた二酸化炭素を含有する、そこで、その残存した二酸化炭素を電気化学反応装置１２により一酸化炭素に変換し、より高濃度の一酸化炭素を反応器１３に供給することができるため、反応効率を向上させることができる。また、図３に示すように、上記二酸化炭素の未反応部は、循環のために電気化学反応装置１２に再供給されてもよい。

反応器１３は、炭素化合物Ａおよび炭素化合物Ｂの少なくとも一つと、水素と、を含む反応物の化学反応により炭素化合物Ｃを含む生成物を生成することができる。反応器１３は、例えば反応物を収容する収容部を備え、収容部に導入される触媒を用いた化学反応により炭素化合物Ｃを生成することができる。なお、図２、３、５、６では、炭素化合物Ｃの一例としてメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）を記載しているが、炭素化合物Ｃはこれに限定されない。炭素化合物Ｃの例は、メタノール、メタン、エチレン、エタノール、エタン、エチレングリコール、一酸化炭素等を含む。反応器１３の例は、例えば化成品を製造することが可能な化成品製造装置や一酸化炭素を生成することが可能な化学反応装置等を含む。

炭素化合物Ｃとしてメタノールを生成する場合、例えば銅触媒を用い、反応器１３の収容部の内部は、例えば５０ａｔｍ以上１００ａｔｍ以下に加圧され、２００℃以上３００℃以下の温度に調整される。

反応器１３における炭素化合物Ｃを生成する反応は発熱反応であるが、反応器１３からの放熱や、反応ガスによる外部への熱の放出のための熱を補うために、電気化学反応装置１２から供給される酸素を用いてもよい。また、オートサーマル反応に限らず、メタン等の燃焼によって、反応に熱を与えてもよく、ここに電気化学反応装置１２によって生じる酸素を用いても、同様に反応効率を向上させることができる。

以上のように、実施形態の化学反応システムは、供給源と、電気化学反応装置と、反応器と、流路と、を具備する。供給源および電気化学反応装置の両方から反応器に生成物の生成に必要な反応物を供給することにより、安定して生成物を生成することができる。

電気化学反応装置による還元反応に用いられるエネルギーは、電気エネルギーであるため、自然エネルギー等の再生可能エネルギーを用いることが好ましい。太陽光、風力、潮汐、水力等の再生可能エネルギーの多くは、電気エネルギーに変換される。しかしながら上記再生エネルギーは偏在しやすく、不安定であるため、電気エネルギーを安定して生成することは困難である。また、上記再生エネルギーが偏在しやすいため、電気エネルギーの生成地がエネルギー需要地から大きく離れている場合があり、この場合電気エネルギーを輸送することが困難である。さらに、再生可能エネルギーの利用が増加すると、電気エネルギーにおいて需要と供給とのバランスが崩れ、余剰電力問題が深刻化する。

これに対し、電気エネルギーを化学エネルギーへと変換すれば、貯蔵、輸送性が良くなり、好きな時に好きな場所で使い勝手が良いエネルギーを得ることができ、再生可能エネルギーの利用もより進む。このため、電気エネルギーを化学エネルギーへと変換する装置として、電気化学的に二酸化炭素を還元してメタノール等を生成する装置への期待が高まっているが、自然エネルギー由来の電気エネルギーや、余剰電力、バイオマス発電等のエネルギーは一年を通して安定しているわけではないために、常に二酸化炭素を還元することは困難である。また、二酸化炭素の還元反応は技術的に難しく、生成物は主に一酸化炭素やギ酸などの低級炭素化合物である。このため、熱化学反応によってメタノールよりも大きな需要や高い付加価値を有する化学物質を生成することが要求される。また、電気化学反応での反応量も通常の熱化学反応を行う装置よりも少ない。例えば、太陽光を用いて１か所で１ｋｔ／日のメタノールを生成すると仮定すると非常に広大な面積が必要となり、あまり現実的ではない。

そこで、電気化学反応によって生成した一酸化炭素などをメタノール等に変換する装置を後段に設けることが考えられるが、前段の電気化学反応装置が不安定な場合、後段の反応もそれに合わせて開始および停止させる必要があり、不連続な反応になる。このようにすると反応開始時に必要な反応器を適温にするためのエネルギーや物質供給の不連続性などによって反応の効率は低下する。よって、長期間連続的に反応させることが好ましい。

電気化学反応により生成される一酸化炭素などを貯留するバッファタンクを設けることにより、平均化された反応量で一酸化炭素を生成して後段の反応器に供給することが考えられるが、バッファタンクやバルブ等の増加によりコストが増加する。特に電気エネルギーが再生可能エネルギー由来である場合、一日の変動だけでなく、年での変動を考慮する必要があるために大型のバッファタンクが必要であり、その影響は顕著である。

そこで実施形態の化学反応システムでは、メタノール等の炭素化合物を生成する反応器に供給源から一酸化炭素や未反応の二酸化炭素を供給しつつ、電気化学反応装置から二酸化炭素の還元反応により生成される一酸化炭素を反応器に供給することにより、反応器の生成動作を安定に行うことができる。

また、再生可能エネルギーを用いる場合、エネルギーを有効に活用でき、より小規模で電気エネルギーから化学エネルギーへの変換を実現できる。電気化学反応により生成される一酸化炭素の量Ａと、反応器での化学反応に必要な一酸化炭素の量Ｂの比（Ｂ／Ａ）は少なくとも２以上、好ましくは５以上である。１０以上であれば、非常に有効な効果が得られる。

反応器に、供給源から炭素化合物を供給するだけでなく、電気化学反応装置により生成される炭素化合物を供給することによって、反応器の効率を向上させることができ、同時に電気化学反応装置を有効活用できる。このような電気化学反応と通常の化学反応を組み合わせることで通常の化学反応システムよりも反応効率を高めることや、全体のコストを小さくすることができる。

次に、図１ないし図６に示す電気化学反応装置１２の構成例について図７および図８を参照して説明する。図７および図８は、電気化学反応装置の構成例を示す模式図である。図７および図８に示す電気化学反応装置は、反応槽１０と、カソード３１と、アノード３２と、電源３３と、イオン交換体４と、配管５１〜５４と、を具備する。

反応槽１０は、収容部１１１と、収容部１１２と、を有する。反応槽１０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。反応槽１０は、例えば石英白板ガラス、ポリスチロール、メタクリレート等を含む。一部に光を透過する材料を用い、残部に樹脂材料を用いてもよい。樹脂材料の例は、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂（コポリマー）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂等を含む。

収容部１１１は、反応溶液２１を収容する。反応溶液２１は、例えば二酸化炭素等の還元される物質を含む。また、反応溶液２１は水素イオンを含んでいてもよい。反応溶液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、還元される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。収容部１１１の一部は、反応物や生成物に含まれる気体を有する空間部を有する。

収容部１１２は、反応溶液２２を収容する。反応溶液２２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等の酸化される物質を含む。反応溶液２１、２２は、必要に応じて酸化還元対を含有してもよい。酸化還元対としては、例えばＦｅ^３＋／Ｆｅ^２＋やＩＯ^３−／Ｉ⁻が挙げられる。反応槽１０は、反応溶液２１、２２を攪拌する攪拌器を有していてもよい。

反応溶液２１と同じ物質が反応溶液２２に含まれていてもよい。この場合、反応溶液２１および反応溶液２２が１つの電解液であるとみなされてもよい。収容部１１２の一部は、反応物や生成物に含まれる気体を有する空間部を有する。

反応溶液２２のｐＨは、反応溶液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。

反応溶液２２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（ＰＯ_４ ^２−）、ホウ酸イオン（ＢＯ_３ ^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（Ｃａ^２＋）、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（Ｍｇ^２＋）、塩化物イオン（Ｃｌ⁻）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）等を含む水溶液が挙げられる。

反応溶液２１に適用可能な二酸化炭素を含む電解液としては、例えばＬｉＨＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３、ＫＨＣＯ_３、ＣｓＨＣＯ_３、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。

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、ＢＦ_４ ⁻やＰＦ_６ ⁻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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、ＣＦ_３ＣＯＯ⁻、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻、ＮＯ_３ ⁻、ＳＣＮ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_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。

カソード３１は、収容部１１１の内部に配置され、反応溶液２１に浸漬される。カソード３１は、例えば還元触媒を含む。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、還元触媒に応じて異なり、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、メタン（ＣＨ_４）、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、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。

カソード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。必ずしもカソード３１に還元触媒を設けなくてもよい。カソード３１以外に設けられた還元触媒をカソード３１に電気的に接続してもよい。

アノード３２は、反応溶液２２に浸漬される。アノード３２は、例えば酸化される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。

アノード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。必ずしもアノード３２に酸化触媒を設けなくてもよい。アノード３２以外に設けられた酸化触媒層をアノード３２に電気的に接続してもよい。

電源３３は、カソード３１およびアノード３２に電気的に接続される。電源３３とカソード３１との間、および電源３３とアノード３２との間は例えば配線で接続されていてもよい。配線等により電源３３とカソード３１またはアノード３２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。電源３３は反応槽１０の外部に設けられてもよい。なお、必ずしも電源３３が設けられなくてもよい。

電源３３は、光電変換素子、系統電源、蓄電池等の電源装置または風力、水力、地熱、潮汐力等の再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部を含む。例えば、光電変換素子は、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。光電変換素子の例は、ｐｉｎ接合型太陽電池、ｐｎ接合型太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、多接合型太陽電池、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、色素増感型太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む。

図８に示す電気化学反応装置は、導電性基板３０と、カソード３１と、アノード３２と、光電変換体３３ａ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。カソード３１、アノード３２、および光電変換体３３ａを含む積層体を光電変換セルともいう。光電変換セルは、イオン交換体４を貫通して反応溶液２１および反応溶液２２に浸漬されている。カソード３１、アノード３２、光電変換体３３ａ、光反射体３４、金属酸化物体３５と、および金属酸化物体３６のサイズは、互いに異なってもよい。

導電性基板３０は、カソード３１に接するように設けられる。なお、導電性基板３０をカソード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、イオン交換体４に適用可能な膜を導電性基板３０として用いてもよい。

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をカソード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。

カソード３１は、還元触媒を含むことが好ましい。カソード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。還元触媒の例は、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｈｇ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｓｎ等の金属、ルテニウム錯体やレニウム錯体のような金属錯体、グラフェン、ＣＮＴ（Ｃａｒｂｏｎ ＮａｎｏＴｕｂｅ）、フラーレン、ケッチェンブラック等の炭素材料等を含むことが好ましい。

アノード３２は、酸化触媒を含むことが好ましい。アノード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、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｒｕ、およびＩｒから選ばれる少なくとも１種の金属の酸化物または水酸化物を含むことが好ましい。酸化触媒としては、例えばＲｕＯ_２、ＮｉＯ、Ｎｉ（ＯＨ）_２、ＮｉＯＯＨ、Ｃｏ_３Ｏ_４、Ｃｏ（ＯＨ）_２、ＣｏＯＯＨ、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、Ｍｎ_３Ｏ_４、Ｒｈ_２Ｏ_３、およびＩｒＯ_２から選ばれる１つまたは２つ以上の複合材料が挙げられる。

アノード３２が積層され、かつ反応溶液２２に浸漬される場合であって、アノード３２を介して電源３３に光を照射して酸化還元反応を行う場合、アノード３２は、透光性を有する必要がある。アノード３２の光の透過率は、例えばアノード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、例えばカソード３１を介して電源３３に光を照射してもよい。

カソード３１およびアノード３２の少なくとも一つは、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。

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、反応槽１０に電源３３を設けず、配線等により電源３３とカソード３１およびアノード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。

光電変換体３３ａは、電源３３の変換部としての機能を有する。光電変換体３３ａ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８に限定されない。

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。

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。

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。

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ＴｉＯ_２やＷＯ_３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。

光反射体３４は、導電性基板３０と光電変換体３３ａ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３３ａ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。

金属酸化物体３５は、光反射体３４と光電変換体３３ａ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。

金属酸化物体３６は、アノード３２と光電変換体３３ａとの間に設けられる。金属酸化物体３６を光電変換体３３ａ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３３ａ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。

金属酸化物体３６としては、例えばＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、またはＨｆＯ_２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。

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。

以上のように、図８に示す電気化学反応装置は、光電変換層３３ｘないし光電変換層３３ｚの積層により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。

図８では、光電変換体３３ａの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３３ａ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。

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。

図８に示す電気化学反応装置は、カソードと、アノードと、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、光電変換体とカソードおよびアノード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。

光電変換体３３ａ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。

イオン交換体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。イオン交換体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体が構成されていてもよい。また、イオン交換体４としてガラスフィルタを用いてもよい。なお、必ずしもイオン交換体４が設けられなくてもよい。

配管５１は、反応溶液２１、２２を収容部１１１に導入するための流路（反応溶液導入管）としての機能を有する。

配管５２は、反応溶液調整部から反応溶液２１、２２を調整するための調整溶液を導入するための流路（調整液導入管）としての機能を有する。反応溶液２１、２２は、酸化反応および還元反応に適した濃度や性質を有するように調整される。調整溶液は、例えば水および二酸化炭素を含む電解液である。

配管５３は、反応溶液２１、２２を収容部１１１の内部と外部との間で循環させるための流路としての機能を有する。配管５３の一端は、収容部１１２を介して収容部１１１に接続され、他端は例えば配管５１および収容部１１２を介して収容部１１１に接続されている。

配管５４は、収容部１１１と図１等に示す供給源１１および反応器１３の少なくとも一つとを接続する。反応溶液２１、２２に含まれるイオンその他の物質は、配管５４を介して移動することができる。

配管５５は、収容部１１２と図１等に示す供給源１１および反応器１３の少なくとも一つとを接続する。収容部１１１に生成される気体は、配管５５を介して移動することができる。例えば、還元反応により生成される一酸化炭素や二酸化炭素等の気体は、配管５５を介して供給源１１および反応器１３の少なくとも一つに供給される。

配管５６は、収容部１１２と図１等に示す供給源１１および反応器１３の少なくとも一つとを接続する。収容部１１２に生成される気体は、配管５６を介して移動することができる。例えば、酸化反応により生成される酸素等の気体は、配管５６を介して供給源１１および反応器１３の少なくとも一つに供給される。

次に、図８に示す電気化学反応装置の動作例について説明する。ここでは、炭酸ナトリウムの還元反応により一酸化炭素を生成する例について説明する。光電変換体３３ａは、太陽光を受けると光のエネルギーにより生じる電荷分離により光励起電子および正孔を生成する。このとき、カソード３１には光励起電子が集まり、アノード３２には正孔が集まる。これにより、光電変換体３３ａに起電力が発生する。

アノード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、イオン交換体４を介して収容部１１１に移動する。
２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ ・・・（１）

カソード３１周辺では、下記式（２）〜（５）のような還元反応が起こり、一酸化炭素と水素が生成される。
ＮａＨＣＯ_３ → ＮａＯＨ＋ＣＯ_２ ・・・（２）
２ＮａＨＣＯ_３ → Ｎａ_２ＣＯ_３＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ ・・・（３）
２ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ → ２ＣＯ＋２Ｈ_２Ｏ ・・・（４）
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２ ・・・（５）

水の酸化反応により生成される酸素や二酸化炭素の還元反応により生成される一酸化炭素等の炭素化合物Ｃを含むガス状生成物は、反応槽１０の上部空間に集められた後、配管５５、５６を介して供給源１１および反応器１３の少なくとも一つに供給される。反応が終了した反応溶液２１、２２の一部または全ては、配管５３を介して収容部１１１、１１２に再供給される。また、反応後の反応溶液２１、２２の一部は、必要に応じて配管５４を介して供給源１１および反応器１３の少なくとも一部に供給されてもよい。

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。

４…イオン交換体、１０…反応槽、１１…供給源、１１ａ…排出源、１１ｂ…製造装置、１１ｃ…逆シフト反応装置、１１ｄ…改質装置、１２…電気化学反応装置、１３…反応器、２１…反応溶液、２２…反応溶液、３０…導電性基板、３１…カソード、３２…アノード、３３…電源、３３ａ…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、５１〜５６…配管、１１１…収容部、１１２…収容部、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。

Claims (9)

1. 一酸化炭素および二酸化炭素の少なくとも一つを含む第１の炭素化合物を生成する供給源と、
   二酸化炭素の還元反応により一酸化炭素を含む第２の炭素化合物を生成する電気化学反応装置と、
   前記第１および第２の炭素化合物と、水素と、を含む反応物の化学反応により第３の炭素化合物を含む生成物を生成する反応器と、
   前記第１の炭素化合物を前記供給源から前記反応器に供給するための第１の流路と、
   前記第２の炭素化合物を前記電気化学反応装置から前記反応器または前記供給源および前記反応器に供給するための第２の流路と、を具備し、
   前記供給源は、
   二酸化炭素と水素との逆シフト反応により前記一酸化炭素を生成する逆シフト反応装置を備える、化学反応システム。
2. 一酸化炭素および二酸化炭素の少なくとも一つを含む第１の炭素化合物を生成する供給源と、
   二酸化炭素の還元反応により一酸化炭素を含む第２の炭素化合物を生成する電気化学反応装置と、
   前記第１および第２の炭素化合物と、水素と、を含む反応物の化学反応により第３の炭素化合物を含む生成物を生成する反応器と、
   前記第１の炭素化合物を前記供給源から前記反応器に供給するための第１の流路と、
   前記第２の炭素化合物を前記電気化学反応装置から前記反応器または前記供給源および前記反応器に供給するための第２の流路と、を具備し、
   前記供給源は、
   炭化水素の改質反応により前記二酸化炭素と水素とを生成する改質装置を備え、
   前記反応物の前記水素は、前記改質装置により生成される前記水素を含む、化学反応システム。
3. 一酸化炭素および二酸化炭素の少なくとも一つを含む第１の炭素化合物を生成する供給源と、
   二酸化炭素の還元反応により一酸化炭素を含む第２の炭素化合物を生成する電気化学反応装置と、
   前記第１および第２の炭素化合物と、水素と、を含む反応物の化学反応により第３の炭素化合物を含む生成物を生成する反応器と、
   前記第１の炭素化合物を前記供給源から前記反応器に供給するための第１の流路と、
   前記第２の炭素化合物を前記電気化学反応装置から前記反応器または前記供給源および前記反応器に供給するための第２の流路と、を具備し、
   前記供給源は、
   炭化水素の改質反応により二酸化炭素と水素とを生成する改質装置と、
   前記改質装置の前記二酸化炭素と前記改質装置の前記水素との逆シフト反応により前記一酸化炭素を生成する逆シフト反応装置と、を備える、化学反応システム。
4. 前記炭化水素は、メタンを含む、請求項２または請求項３に記載の化学反応システム。
5. 前記第３の炭素化合物は、メタノールを含む、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の化学反応システム。
6. 一酸化炭素および二酸化炭素の少なくとも一つを含む第１の炭素化合物を生成する供給源と、
   二酸化炭素の還元反応により一酸化炭素を含む第２の炭素化合物と水素とを生成する電気化学反応装置と、
   前記第１および第２の炭素化合物と、水素と、を含む反応物の化学反応により第３の炭素化合物を含む生成物を生成する反応器と、
   前記第１の炭素化合物を前記供給源から前記反応器に供給するための第１の流路と、
   前記第２の炭素化合物を前記電気化学反応装置から前記反応器または前記供給源および前記反応器に供給するための第２の流路と、を具備し、
   前記反応物の前記水素は、前記電気化学反応装置の前記水素を含み、
   前記電気化学反応装置は、水の酸化反応により酸素をさらに生成し、
   前記供給源および前記反応器の少なくとも一つは、前記酸素を含む環境下で前記第１の炭素化合物および前記第３の炭素化合物の少なくとも一つを生成する、化学反応システム。
7. 前記電気化学反応装置は、
   前記二酸化炭素を含有する第１の反応溶液を収容するための第１の収容部と、前記水を含有する第２の反応溶液を収容するための第２の収容部と、を備える反応槽と、
   前記第１の収容部の内部に配置された、前記二酸化炭素を還元するためのカソードと、
   前記第２の収容部の内部に配置された、前記水を酸化するためのアノードと、
   前記カソードおよび前記アノードに電気的に接続された電源と、を備え、
   前記流路は、前記第１の収容部と前記反応器との間を接続する、請求項６に記載の化学反応システム。
8. 前記電気化学反応装置は、前記第１の反応溶液を前記第１の収容部の内部と外部との間で循環させるための第３の流路をさらに備える、請求項７に記載の化学反応システム。
9. 前記電源は、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換するための変換部を有する、請求項７または請求項８に記載の化学反応システム。

Images