JP6768273B2 - 光電気化学反応装置 - Google Patents
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Description
2H2O → 4H++O2+4e− ・・・(1)
CO2+6H++4e− → CH3OH+H2O ・・・(2)
2H++2e− → H2 ・・・(3)
本実施例では、光電気化学反応ユニットを具備する光電気化学反応装置を作製した。
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(4cm角)と、白金箔(4cm角)と、を準備した。電源は、太陽電池の模擬装置である。5cm角、厚さ1cmのアクリル製の枠の酸化電極側および還元電極側のそれぞれに流路とガス流路とを形成した。枠に複合基板と白金箔とを内包し、複合基板と白金箔との間にイオン交換膜(Nafion117、6cm角)を設け、複合基板の外側と白金箔の外側の両方にシリコンゴムシートとアクリル板(縦7cm×横7cm×厚さ3mm)で挟んだモジュールを作製した。モジュール内にpH7のリン酸カリウム緩衝溶液を供給した。複合基板を還元電極とし、白金箔を酸化電極とした。酸化電極側の電解液および還元電極側の電解液として0.5M炭酸水素カリウム水溶液を用いた。
比較例1のモジュールからなる第1のモジュールと比較例1のモジュールからなる第2のモジュールとを並べ、第1のモジュールの酸化電極側の流路と第2のモジュールの還元電極側の流路とを第1のシリコンチューブで接続した。第1のモジュールの還元電極側の流路と第2のモジュールの酸化電極側の流路とを第2のシリコンゴムチューブで接続した。それぞれの流路にチューブポンプを接続し、0.3cc/分で電解液を循環させた。10mA/cm2の電流密度で電流を流して1.5時間反応させた。第1のモジュールにおいて、酸化電極側電解液のpHは7.00であり、還元電極側の電解液のpHは6.79であった。第2のモジュールにおいて、酸化電極側の電解液のpHは6.99であり、還元電極側の電解液のpHは6.55であった。
20の光電気化学反応モジュールの電解液槽を直列に接続して光電気化学反応装置を作製した。20の光電気化学反応モジュールのそれぞれにおいて、セルサイズが100cm×100cmであり、化学物質の変換効率が10%であり、酸化側の電解液の体積および還元側の電解液の体積のそれぞれが30Lである構成は、実施例1の光電気化学反応モジュールと異なる。
Claims (12)
- 複数の第1の電気化学反応ユニットを備える第1のユニットグループと複数の第2の電気化学反応ユニットを備える第2のユニットグループとを含み、前記第1および第2の電気化学反応ユニットのそれぞれが、第1の収容部と第2の収容部とを有する電解液槽と、前記第1の収容部に設けられた還元電極と、前記第2の収容部に設けられた酸化電極と、前記還元電極に電気的に接続された第1の面と前記酸化電極に電気的に接続された第2の面とを有する光電変換体と、を備える、複数のユニットグループを有し、
前記複数の第1の電気化学反応ユニットの前記電解液槽のそれぞれは、複数の第1の電解液流路により前記第1の収容部同士、前記第2の収容部同士、または前記第1および第2の収容部が互いに接続されることで、互いに直列に接続され、
前記複数の第2の電気化学反応ユニットの前記電解液槽のそれぞれは、複数の第2の電解液流路により前記第1の収容部同士、前記第2の収容部同士、または前記第1および第2の収容部が互いに接続されることで、互いに直列に接続され、
前記複数の第2の電気化学反応ユニットにおける互いに直列に接続された前記電解液槽は、前記複数の第1の電気化学反応ユニットにおける互いに直列に接続された前記電解液槽に、複数の第3の電解液流路により前記第1の収容部同士または前記第2の収容部同士が互いに接続されることで、並列に接続されている、光電気化学反応装置。 - 前記第1のユニットグループは、2以上20以下の前記第1の電気化学反応ユニットを備え、
前記第2のユニットグループは、2以上20以下の前記第2の電気化学反応ユニットを備える、請求項1に記載の光電気化学反応装置。 - 前記第1の収容部は、被還元物質を含む第1の電解液を収容するために設けられ、
前記第2の収容部は、被酸化物質を含む第2の電解液を収容するために設けられ、
前記被還元物質は、二酸化炭素を含み、
前記被酸化物質は、水を含む、請求項1または請求項2に記載の光電気化学反応装置。 - 前記第1および第2の電気化学反応ユニットのそれぞれは、前記第1の収容部と前記第2の収容部との間に設けられたイオン交換膜をさらに備える、請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の光電気化学反応装置。
- 前記複数の第1の電解液流路により互いに直列に接続された前記電解液槽に流れる電解液の温度、流量、および圧力の少なくとも一つの状態を示す第1のデータを取得する第1のセンサと、
前記複数の第2の電解液流路により互いに直列に接続された前記電解液槽に流れる電解液の温度、流量、および圧力の少なくとも一つの状態を示す第2のデータを取得する第2のセンサと、をさらに具備する、請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の光電気化学反応装置。 - 前記第2のユニットグループは、2以上の前記第2の電気化学反応ユニットを有する第1のサブグループと1または2以上の前記第2の電気化学反応ユニットを有する第2のサブグループとを有し、
前記第1のサブグループおよび前記第2のサブグループの少なくとも一つにおける前記2以上の前記第2の電気化学反応ユニットの前記電解液槽は、複数の第4の電解液流路により前記第1の収容部同士、前記第2の収容部同士、または前記第1および第2の収容部が互いに接続されることで、互いに直列に接続され、
前記第2のサブグループの前記第2の電気化学反応ユニットにおける一つの電解液槽または互いに直列に接続された前記電解液槽は、前記第1のサブグループの2以上の前記第2の電気化学反応ユニットにおける互いに直列に接続された前記電解液槽に、複数の第5の電解液流路により前記第1の収容部同士または前記第2の収容部同士が互いに接続されることで、並列に接続されている、請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の光電気化学反応装置。 - 前記複数の第1の電気化学反応ユニットの一つの前記電解液槽と前記複数の第2の電気化学反応ユニットの一つの前記電解液槽とを、前記第1の収容部同士または前記第2の収容部同士を互いに接続することで、直列に接続する第1の生成物流路と、
前記複数の第1の電気化学反応ユニットの他の一つの前記電解液槽と前記複数の第2の電気化学反応ユニットの他の一つの前記電解液槽とを、前記第1の収容部同士または前記第2の収容部同士を互いに接続することで、直列に接続する第2の生成物流路とを有し、
前記第1の生成物流路により直列に接続された電気化学反応ユニットのグループは、前記第2の生成物流路により接続された電気化学反応ユニットのグループと異なる、請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の光電気化学反応装置。 - 前記複数の第1の電気化学反応ユニットの一つの前記電解液槽と前記複数の第2の電気化学反応ユニットの一つの前記電解液槽とを、前記第1の収容部同士または前記第2の収容部同士を互いに接続することで、直列に接続する第1の生成物流路と、
前記複数の第1の電気化学反応ユニットの他の一つの前記電解液槽と前記複数の第2の電気化学反応ユニットの他の一つの前記電解液槽とを、前記第1の収容部同士または前記第2の収容部同士を互いに接続することで、直列に接続する第2の生成物流路と、
前記複数の第1の電解液流路により互いに直列に接続された前記電解液槽に流れる電解液の温度、流量、および圧力の少なくとも一つの状態を示す第1のデータを取得する第1のセンサと、
前記複数の第2の電解液流路により互いに直列に接続された前記電解液槽に流れる電解液の温度、流量、および圧力の少なくとも一つの状態を示す第2のデータを取得する前記第2のセンサと、
前記第1の生成物流路により互いに直列に接続された前記電解液槽に流れる前記被酸化物質の酸化反応による生成物または前記被還元物質の還元反応による生成物の生成量を示す第3のデータを取得する前記第3のセンサと、
前記第2の生成物流路により互いに直列に接続された前記電解液槽に流れる前記被酸化物質の酸化反応による生成物または前記被還元物質の還元反応による生成物の生成量を示す第4のデータを取得する第4のセンサと、をさらに具備する、請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の光電気化学反応装置。 - 前記複数の第2の電気化学反応ユニットのそれぞれは、前記複数の第1の電気化学反応ユニットのそれぞれの位置よりも高い位置に設けられ、
前記複数の第1の電気化学反応ユニットのそれぞれの高低差は0cm以上30cm以下であり、
前記複数の第2の電気化学反応ユニットのそれぞれの高低差は0cm以上30cm以下である、請求項7または請求項8に記載の光電気化学反応装置。 - 前記第1および第2の電気化学反応ユニットのそれぞれは、還元触媒層および酸化触媒層の少なくとも一つの触媒層をさらに具備し、
前記複数の第2の電気化学反応ユニットのそれぞれは、前記複数の第1の電気化学反応ユニットのそれぞれの位置よりも高い位置に設けられ、
前記複数の第1の電気化学反応ユニットの前記触媒層のそれぞれの高低差は0cm以上30cm以下であり、
前記複数の第2の電気化学反応ユニットの前記触媒層のそれぞれの高低差は0cm以上30cm以下である、請求項7または請求項8に記載の光電気化学反応装置。 - 前記第1の収容部は、被還元物質を含む第1の電解液を収容するために設けられ、
前記第2の収容部は、被酸化物質を含む第2の電解液を収容するために設けられ、
前記第1の電解液に含まれる前記被還元物質の量は、前記電気化学反応ユニットの還元反応により消費される前記被還元物質の量の2倍以上であり、
前記第2の電解液に含まれる前記被酸化物質の量は、前記電気化学反応ユニットの酸化反応により消費される前記被酸化物質の量の2倍以上である、請求項1ないし請求項10のいずれか一項に記載の光電気化学反応装置。 - 第1ないし第4の電気化学反応ユニットを含み、前記第1ないし第4の電気化学反応ユニットのそれぞれが、第1の収容部と第2の収容部とを有する電解液槽と、前記第1の収容部に設けられた還元電極と、前記第2の収容部に設けられた酸化電極と、前記還元電極に電気的に接続された第1の面と前記酸化電極に電気的に接続された第2の面とを有する光電変換体と、を備える、アレイと、
前記第1の電気化学反応ユニットの前記電解液槽と前記第2の電気化学反応ユニットの前記電解液槽とを、前記第1の収容部同士、前記第2の収容部同士、または前記第1および第2の収容部を互いに接続することで、直列に接続する第1の流路と、
前記第3の電気化学反応ユニットの前記電解液槽と前記第4の電気化学反応ユニットの前記電解液槽とを、前記第1の収容部同士、前記第2の収容部同士、または前記第1および第2の収容部を互いに接続することで、直列に接続する第2の流路と、
前記第1の電気化学反応ユニットの前記電解液槽と前記第3の電気化学反応ユニットの前記電解液槽とを、前記第1の収容部同士、前記第2の収容部同士、または前記第1および第2の収容部を互いに接続することで、直列に接続する第3の流路と、
前記第2の電気化学反応ユニットの前記電解液槽と前記第4の電気化学反応ユニットの前記電解液槽とを、前記第1の収容部同士、前記第2の収容部同士、または前記第1および第2の収容部を互いに接続することで、直列に接続する第4の流路と、
前記第1の流路により互いに直列に接続された前記電解液槽に流れる電解液の温度、流量、および圧力の少なくとも一つの状態を示す第1のデータを取得する第1のセンサと、
前記第2の流路により互いに直列に接続された前記電解液槽に流れる電解液の温度、流量、および圧力の少なくとも一つの状態を示す第2のデータを取得する第2のセンサと、
前記第3の流路により互いに直列に接続された前記電解液槽に流れる電解液の温度、流量、および圧力の少なくとも一つの状態を示す第3のデータを取得する第3のセンサと、
前記第4の流路により互いに直列に接続された前記電解液槽に流れる電解液の温度、流量、および圧力の少なくとも一つの状態を示す第4のデータを取得する第4のセンサと、
前記第1ないし第4の電気化学反応ユニットのそれぞれに電解液を供給する電解液供給源と、
前記第1ないし第4のセンサに電気的に接続され、前記第1ないし第4のデータに応じて、前記電解液供給源から前記第1ないし第4の電気化学反応ユニットのそれぞれへの前記電解液の供給を制御する制御回路と、を具備する、光電気化学反応装置。
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