JP6805307B2 - How to operate the chemical reactor - Google Patents

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実施形態は、化学反応装置の動作方法に関する。 The embodiment relates to a method of operating a chemical reactor.

エネルギー問題や環境問題の観点から、再生エネルギーが急速に増加している。特に、EUでは、スウェーデンのようにエネルギーの50%を再生エネルギー(自然エネルギー)が占める国が存在する。 Renewable energy is increasing rapidly from the viewpoint of energy problems and environmental problems. In particular, in the EU, there are countries such as Sweden where renewable energy (renewable energy) accounts for 50% of energy.

ところで、消費電力(電気エネルギー)は人間の生活行動によって常に変動しているため、需要と供給とのバランスは悪くなる。消費電力を補うために出力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、消費電力量に合わせられず余剰電力の発生が増加することが懸念される。今後、再生エネルギーが増加すると、出力調整を火力エネルギーで行うには限界がある。 By the way, since power consumption (electrical energy) constantly fluctuates depending on human living behavior, the balance between supply and demand becomes poor. When nuclear energy whose output is difficult to adjust and irregular natural energy are combined in order to supplement the power consumption, there is a concern that the generation of surplus power will increase because it cannot be adjusted to the amount of power consumption. As renewable energy increases in the future, there is a limit to adjusting the output with thermal energy.

この余剰電力を電力不足の地域に送電することが考えられるが、送電によるエネルギーロスやコスト等の問題が生じる。このような問題に対して、現在行われている対策として、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。 It is conceivable to transmit this surplus electricity to areas where electricity is insufficient, but problems such as energy loss and cost due to transmission will occur. Countermeasures currently being taken to deal with such problems include pumping water by pumped storage power generation and storing electricity by storage batteries. However, there is a problem that the land suitable for installing a dam capable of pumped storage power generation is limited and the cost of storage batteries is high.

このように、電気エネルギーには蓄電および送電に関する問題が存在する。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。 Thus, electrical energy has problems with storage and transmission. On the other hand, an artificial photosynthesis system has been proposed as a renewable energy that can be stored and transported.

人工光合成は、植物のように光エネルギーによって化学燃料(化学エネルギー)を生成する技術である。植物は、Zスキームと呼ばれる光エネルギーを2段階で励起するシステムを用いる。これにより、植物は、太陽エネルギーを利用することで、水を酸化して電子を得て、二酸化炭素を還元してセルロースや糖類を合成する。人工光合成では、人工的な光化学反応によって、この植物の光合成反応を可能にする。 Artificial photosynthesis is a technology that produces chemical fuel (chemical energy) using light energy like plants. Plants use a system called the Z scheme that excites light energy in two stages. As a result, plants use solar energy to oxidize water to obtain electrons and reduce carbon dioxide to synthesize cellulose and sugars. In artificial photosynthesis, an artificial photochemical reaction enables the photosynthetic reaction of this plant.

特許文献1では、光触媒の表面に二酸化炭素(CO)還元触媒が設けられる。そして、このCO還元触媒は別の光触媒と電線を介して接続される。別の光触媒は、光エネルギーによって電位を得る。CO還元触媒は、電線を介して別の光触媒から還元電位を得ることで、COを還元してギ酸を生成する。このように、特許文献1では、可視光を用いて光触媒でCOの還元を行うのに必要な電位を得るために、2段励起を用いている。しかしながら、その太陽光から化学エネルギーへの変換効率は、0.04%と非常に低い。これは、可視光で励起する光触媒のエネルギー効率が低いことに原因がある。 In Patent Document 1, a carbon dioxide (CO 2 ) reduction catalyst is provided on the surface of the photocatalyst. Then, this CO 2 reduction catalyst is connected to another photocatalyst via an electric wire. Another photocatalyst obtains an electric potential by light energy. CO 2 reduction catalyst, through an electric wire to obtain a reduction potential from another photocatalyst, by reducing CO 2 to produce formic acid. As described above, in Patent Document 1, two-stage excitation is used in order to obtain the potential required for reducing CO 2 with a photocatalyst using visible light. However, the conversion efficiency from sunlight to chemical energy is as low as 0.04%. This is due to the low energy efficiency of the photocatalyst excited by visible light.

特許文献2では、反応の電位を得るためにシリコン太陽電池を用いて、その両面に触媒を設けて反応を起こす構成が考えられている。非特許文献1では、反応の電位を得るためにシリコン太陽電池を重ねた構成を用いて、その両面に触媒を設けることで水(HO)の電解反応を行っている。これらにおける太陽光エネルギーから化学エネルギーへの変換効率は、4.7%と非常に高いものである。 In Patent Document 2, a configuration is considered in which a silicon solar cell is used to obtain a reaction potential, and catalysts are provided on both sides thereof to cause a reaction. Non-Patent Document 1, by using a configuration of repeating silicon solar cells in order to obtain a potential of the reaction, is subjected to electrolytic reaction of water (H 2 O) by providing a catalyst on both surfaces thereof. The conversion efficiency from solar energy to chemical energy in these is as high as 4.7%.

しかし、この人工光合成システムであっても、太陽電池の太陽光エネルギー変換効率を超えるには至らない。言い換えると、太陽電池による電荷分離によって起電力を得るため、太陽電池の太陽光エネルギー変換効率を超えることは不可能である。 However, even this artificial photosynthesis system does not exceed the solar energy conversion efficiency of the solar cell. In other words, since the electromotive force is obtained by charge separation by the solar cell, it is impossible to exceed the solar energy conversion efficiency of the solar cell.

このため、これらの人工光合成システムは、余剰電力がある場合においては有効に機能するが、電力不足の場合においては有効に機能しない。すなわち、電力不足の場合、これらの人工光合成システムによって太陽光エネルギーを化学エネルギーへと変換させ、この化学エネルギーを電気エネルギーへと変換させるよりも、太陽電池を用いて直接太陽光エネルギーを電気エネルギーへと変換させたほうが効率がよい。このため、電力不足時においては、人工光合成システムを用いて化学エネルギーを生成するよりも、太陽電池を用いて電気エネルギーを生成したほうが効率的である。 Therefore, these artificial photosynthesis systems function effectively when there is surplus power, but do not function effectively when there is insufficient power. That is, in the case of power shortage, rather than converting solar energy into chemical energy by these artificial photosynthesis systems and converting this chemical energy into electrical energy, the solar cell is used to directly convert solar energy into electrical energy. It is more efficient to convert it to. Therefore, when there is a power shortage, it is more efficient to generate electrical energy using a solar cell than to generate chemical energy using an artificial photosynthesis system.

余剰電力がある場合および電力不足の場合の両方の問題を解決するために、人工光合成システムおよび太陽電池をいずれも設置することが考えられる。しかし、人工光合成システムおよび太陽電池を設置することで、設置面積が少なくとも2倍以上必要になってしまう。 It is conceivable to install both an artificial photosynthesis system and a solar cell in order to solve the problems both when there is surplus power and when there is insufficient power. However, installing an artificial photosynthesis system and a solar cell requires at least twice the installation area.

また、余剰電力がある場合であって太陽光エネルギーが小さい場合、人工光合成システム以外に、電源を用いた通常の電解システムによって、電気エネルギーを化学エネルギーに変換する方法がある。しかしながら、太陽電池と電解システムとの接続や、不安定な自然エネルギーに追従するように装置を運用しなければならないといった問題がある。 Further, when there is surplus power and the solar energy is small, there is a method of converting electrical energy into chemical energy by a normal electrolytic system using a power source, in addition to the artificial photosynthesis system. However, there are problems such as the connection between the solar cell and the electrolytic system and the operation of the device so as to follow the unstable natural energy.

このように、余剰電力の有無および太陽光エネルギーの有無等の条件に応じてエネルギー変換効率が高くなるように、人工光合成システム、太陽電池、および電解システムが適宜動作する一体型のデバイスは存在しない。 As described above, there is no integrated device in which the artificial photosynthesis system, the solar cell, and the electrolysis system operate appropriately so that the energy conversion efficiency becomes high depending on the conditions such as the presence / absence of surplus power and the presence / absence of solar energy. ..

特開2011−094194号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-094194 特開平10−290017号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-2900017

S. Y. Reece, et al., Science. vol.334. pp.645 (2011)S. Y. Reece, et al., Science. Vol.334. Pp.645 (2011)

諸条件に応じてエネルギー変換効率が高くなるように、人工光合成システム、太陽電池、または電解システムとして適宜動作する一体型の化学反応装置の動作方法を提供する。 Provided is an operation method of an integrated chemical reaction device that appropriately operates as an artificial photosynthesis system, a solar cell, or an electrolytic system so that the energy conversion efficiency becomes high according to various conditions.

本実施形態による化学反応装置の動作方法は、電力を溜めるまたは電力を消費する電力需要部と、前記電力需要部に電力を供給する外部電源とに電気的に接続された化学反応装置の動作方法において、
前記外部電源から前記電力需要部に供給される電力のうち、前記電力需要部の需要を越える余剰電力の有無を確認する第1ステップと、
太陽光エネルギーの有無を確認する第2ステップと、
を具備し、
前記第1ステップにおいて、前記余剰電力がない場合、電解槽内の電解液の量を制御することにより、前記電解槽内の少なくとも1つの電極が電解液に浸漬されないようにして、光起電力層における起電力によって前記電極を介して前記電力需要部に電力を供給する第1システムとして機能させ、
前記第1ステップにおいて、前記余剰電力がある場合、前記第2ステップに進み、
前記第2ステップにおいて、前記太陽光エネルギーがない場合、前記電解槽内の電解液の量を制御することにより、前記電解槽内の前記電極が電解液に浸漬されるようにして、前記余剰電力によって前記電極に接する前記電解液に酸化還元反応を生じさせる第2システムとして機能させ、
前記第2ステップにおいて、前記太陽光エネルギーがある場合、前記電解槽内の電解液の量を制御することにより、前記電解槽内の前記電極が電解液に浸漬されるようにして、前記光起電力層の起電力によって前記電極に接する前記電解液に酸化還元反応を生じさせる第3システムとして機能させる。
The operation method of the chemical reaction device according to the present embodiment is an operation method of the chemical reaction device electrically connected to a power demand unit that stores or consumes electric power and an external power source that supplies electric power to the power demand unit. In
Among the electric power supplied from the external power source to the electric power demand unit, the first step of confirming the presence or absence of surplus electric power exceeding the demand of the electric power demand unit, and
The second step to check for the presence of solar energy,
Equipped with
In the first step, when there is no surplus power, the amount of the electrolytic solution in the electrolytic cell is controlled so that at least one electrode in the electrolytic cell is not immersed in the electrolytic cell, and the photovoltaic layer. It functions as a first system that supplies electric power to the electric power demand unit through the electrode by the electromotive force in the above .
If there is surplus power in the first step, the process proceeds to the second step.
In the second step, when there is no solar energy, the amount of the electrolytic cell in the electrolytic cell is controlled so that the electrode in the electrolytic cell is immersed in the electrolytic cell, so that the surplus power is generated. To function as a second system that causes an oxidation-reduction reaction in the electrolytic solution in contact with the electrode .
In the second step, when the solar energy is present, the amount of the electrolytic solution in the electrolytic cell is controlled so that the electrode in the electrolytic cell is immersed in the electrolytic cell , and the light is generated. It functions as a third system that causes an oxidation-reduction reaction in the electrolytic solution in contact with the electrode by the electromotive force of the power layer.

第1の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the structural example of the chemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図。The figure which shows the operation of the artificial photosynthesis system of the chemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図。The figure which shows the operation of the electrolytic system of the chemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図。The figure which shows the solar cell operation of the chemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the solar cell operation of the chemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る化学反応装置における動作を示すフローチャート。The flowchart which shows the operation in the chemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る化学反応装置の第1の変形例の構成を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the structure of the 1st modification of the chemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る化学反応装置の第2の変形例の構成を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the structure of the 2nd modification of the chemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the structural example of the chemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図。The figure which shows the operation of the artificial photosynthesis system of the chemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図。The figure which shows the operation of the electrolytic system of the chemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図。The figure which shows the solar cell operation of the chemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the solar cell operation of the chemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る化学反応装置の第1の変形例の構成を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the structure of the 1st modification of the chemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る化学反応装置の第2の変形例の構成を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the structure of the 2nd modification of the chemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the structural example of the chemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図。The figure which shows the operation of the artificial photosynthesis system of the chemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図。The figure which shows the operation of the electrolytic system of the chemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図。The figure which shows the solar cell operation of the chemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the solar cell operation of the chemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る化学反応装置の第1の変形例の構成を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the structure of the 1st modification of the chemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment.

本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。また、重複した説明は、必要に応じて行う。 This embodiment will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals. In addition, duplicate explanations will be given as necessary.

1.第1の実施形態
以下に図1乃至図8を用いて、第1の実施形態に係る化学反応装置について説明する。
1. 1. First Embodiment The chemical reaction apparatus according to the first embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 to 8.

第1の実施形態に係る化学反応装置では、第1電極16、光起電力層15、および第2電極11を含む積層体10と、積層体10を収容する電解槽21と、積層体10に電気的に接続または遮断可能な外部電源32および電力需要部34と、で構成される。これにより、化学反応装置は、積層体10と外部電源32とを電気的に接続することで電解システムとして機能し、積層体10と電力需要部34とを電気的に接続することで太陽電池として機能し、積層体10と外部電源32および電力需要部34とを電気的に遮断することで人工光合成システムとして機能することができる。したがって、諸条件に応じて適宜動作する一体型の化学反応装置を提供することができる。以下に、第1の実施形態について詳説する。 In the chemical reaction apparatus according to the first embodiment, the laminated body 10 including the first electrode 16, the photovoltaic layer 15, and the second electrode 11, the electrolytic cell 21 accommodating the laminated body 10, and the laminated body 10 It is composed of an external power supply 32 that can be electrically connected or disconnected and a power demand unit 34. As a result, the chemical reactor functions as an electrolytic system by electrically connecting the laminate 10 and the external power supply 32, and as a solar cell by electrically connecting the laminate 10 and the power demand unit 34. It functions and can function as an artificial photosynthesis system by electrically shutting off the laminate 10, the external power supply 32, and the power demand unit 34. Therefore, it is possible to provide an integrated chemical reaction apparatus that operates appropriately according to various conditions. The first embodiment will be described in detail below.

1−1.第1の実施形態の構成
図1は、第1の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図である。なお、図1において、積層体10および電解槽21は、その断面構成を示している。
1-1. Configuration of the First Embodiment FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of a chemical reaction apparatus according to the first embodiment. In addition, in FIG. 1, the laminated body 10 and the electrolytic cell 21 show the cross-sectional structure thereof.

図1に示すように、第1の実施形態に係る化学反応装置は、積層体10、電解槽21、外部電源32、電力需要部34、スイッチング素子制御部41、および電解液制御部61を備える。 As shown in FIG. 1, the chemical reaction apparatus according to the first embodiment includes a laminate 10, an electrolytic cell 21, an external power supply 32, a power demand unit 34, a switching element control unit 41, and an electrolytic solution control unit 61. ..

電解槽21は、その内部に積層体10を収容する。また、電解槽21は、積層体10を浸漬するように、その内部に電解液23を収容する。電解液23は、例えばHOを含む溶液である。このような溶液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、HOの酸化反応を促進するものであることが望ましい。また、電解液23は、例えばCOを含む溶液である。電解槽21の上面は、光透過率の高い例えばガラスまたはアクリルからなる窓部が設けられる。照射光は、電解槽21の上方から照射される。この照射光によって、積層体10は、酸化還元反応を行う。 The electrolytic cell 21 houses the laminated body 10 inside. Further, the electrolytic cell 21 houses the electrolytic solution 23 so as to immerse the laminated body 10. The electrolytic solution 23 is, for example, a solution containing H 2 O. Such solutions include but are intended to include any electrolyte, it is desirable is to promote the oxidation reaction of H 2 O. The electrolytic solution 23 is, for example, a solution containing CO 2 . The upper surface of the electrolytic cell 21 is provided with a window portion made of, for example, glass or acrylic, which has high light transmittance. The irradiation light is emitted from above the electrolytic cell 21. The laminated body 10 undergoes a redox reaction by this irradiation light.

また、電解槽21には、配管22が接続される。配管22は、電解槽21内に電解液23を注入する、または、電解槽21内から電解液23を排出する。 Further, a pipe 22 is connected to the electrolytic cell 21. The pipe 22 injects the electrolytic solution 23 into the electrolytic cell 21, or discharges the electrolytic solution 23 from the electrolytic cell 21.

電解液制御部61は、電解槽21内の電解液23を制御する。より具体的には、電解液制御部61は、電解槽21内の電解液23の量を測定し、配管22による電解液23の注入および排出を制御する。これにより、電解液制御部61は、人工光合成システムおよび電解システムとして用いる場合に、十分な電解反応が起こるように電解槽21内を電解液23で充填させる。また、電解液制御部61は、太陽電池として用いる場合に、電解液23中に電気が流れないように電解槽21内から電解液23を排出して電解槽21内を空気で充填させる。 The electrolytic solution control unit 61 controls the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21. More specifically, the electrolytic solution control unit 61 measures the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 and controls the injection and discharge of the electrolytic solution 23 through the pipe 22. As a result, the electrolytic solution control unit 61 fills the electrolytic cell 21 with the electrolytic solution 23 so that a sufficient electrolytic reaction occurs when used as an artificial photosynthesis system and an electrolytic system. Further, when used as a solar cell, the electrolytic solution control unit 61 discharges the electrolytic solution 23 from the electrolytic cell 21 so that electricity does not flow into the electrolytic cell 23, and fills the electrolytic cell 21 with air.

積層体10は、第1電極16、光起電力層15、第2電極11、第1触媒17、および第2触媒18を有する。積層体10は、平面に拡がる平板状であり、第2電極11を基材(基板)として順次形成される。なお、ここでは、光照射側を表面(上面)とし、光照射側の反対側を裏面(下面)として説明する。 The laminate 10 has a first electrode 16, a photovoltaic layer 15, a second electrode 11, a first catalyst 17, and a second catalyst 18. The laminated body 10 has a flat plate shape that extends in a plane, and is sequentially formed with the second electrode 11 as a base material (substrate). Here, the light irradiation side will be described as the front surface (upper surface), and the opposite side of the light irradiation side will be described as the back surface (lower surface).

第2電極11は、導電性を有する。また、第2電極11は、積層体41を支持し、その機械的強度を増すために設けられる。第2電極11は、例えばCu、Al、Ti、Ni、Fe、またはAg等の金属板、もしくはそれらを少なくとも1つ含む例えばSUSのような合金板で構成される。また、第2電極11は、導電性の樹脂等で構成されてもよい。また、第2電極11は、SiまたはGe等の半導体基板、イオン交換膜で構成されてもよい。 The second electrode 11 has conductivity. Further, the second electrode 11 is provided to support the laminated body 41 and increase its mechanical strength. The second electrode 11 is composed of, for example, a metal plate such as Cu, Al, Ti, Ni, Fe, or Ag, or an alloy plate containing at least one of them, such as SUS. Further, the second electrode 11 may be made of a conductive resin or the like. Further, the second electrode 11 may be composed of a semiconductor substrate such as Si or Ge, or an ion exchange membrane.

光起電力層15は、第2電極11上(表面上(上面上))に形成される。光起電力層15は、第1光起電力層12、第2光起電力層13、および第3光起電力層14で構成される。 The photovoltaic layer 15 is formed on the second electrode 11 (on the surface (on the upper surface)). The photovoltaic layer 15 is composed of a first photovoltaic layer 12, a second photovoltaic layer 13, and a third photovoltaic layer 14.

第1光起電力層12、第2光起電力層13、および第3光起電力層14はそれぞれ、pin接合半導体を使用した太陽電池であり、光の吸収波長が異なる。これらを平面状に積層することで、光起電力層15は、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可能となる。また、各光起電力層は、直列に接続されているため、高い開放電圧を得ることができる。 The first photovoltaic layer 12, the second photovoltaic layer 13, and the third photovoltaic layer 14 are solar cells using pin-bonded semiconductors, and have different light absorption wavelengths. By stacking these in a plane, the photovoltaic layer 15 can absorb light having a wide wavelength of sunlight, and the solar energy can be used more efficiently. Further, since each photovoltaic layer is connected in series, a high open circuit voltage can be obtained.

より具体的には、第1光起電力層12は、第2電極11上に形成され、例えば下部側から順に形成されたn型のアモルファスシリコン(a−Si)層、真性(intrinsic)のアモルファスシリコンゲルマニウム(a−SiGe)層、およびp型の微結晶シリコン(μc−Si)層で構成される。ここで、a−SiGe層は、700nm程度の長波長領域の光を吸収する層である。すなわち、第1光起電力層12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。 More specifically, the first photovoltaic layer 12 is an n-type amorphous silicon (a-Si) layer formed on the second electrode 11 and formed in order from the lower side, for example, an intrinsic amorphous layer. It is composed of a silicon germanium (a-SiGe) layer and a p-type microcrystalline silicon (μc-Si) layer. Here, the a-SiGe layer is a layer that absorbs light in a long wavelength region of about 700 nm. That is, in the first photovoltaic layer 12, charge separation occurs due to the light energy in the long wavelength region.

また、第2光起電力層13は、第1光起電力層12上に形成され、例えば下部側から順に形成されたn型のa−Si層、真性(intrinsic)のa−SiGe層、およびp型のμc−Si層で構成される。ここで、a−SiGe層は、600nm程度の中間波長領域の光を吸収する層である。すなわち、第2光起電力層13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。 Further, the second photovoltaic layer 13 is formed on the first photovoltaic layer 12, for example, an n-type a-Si layer formed in order from the lower side, an intrinsic a-SiGe layer, and an intrinsic a-SiGe layer. It is composed of a p-type μc-Si layer. Here, the a-SiGe layer is a layer that absorbs light in an intermediate wavelength region of about 600 nm. That is, in the second photovoltaic layer 13, charge separation occurs due to the light energy in the intermediate wavelength region.

また、第3光起電力層14は、第2光起電力層13上に形成され、例えば下部側から順に形成されたn型のa−Si層、真性(intrinsic)のa−Si層、およびp型のμc−Si層で構成される。ここで、a−Si層は、400nm程度の短波長領域の光を吸収する層である。すなわち、第3光起電力層14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。 Further, the third photovoltaic layer 14 is formed on the second photovoltaic layer 13, for example, an n-type a-Si layer formed in order from the lower side, an intrinsic a-Si layer, and an intrinsic a-Si layer. It is composed of a p-type μc-Si layer. Here, the a-Si layer is a layer that absorbs light in a short wavelength region of about 400 nm. That is, in the third photovoltaic layer 14, charge separation occurs due to the light energy in the short wavelength region.

このように、光起電力層15は、各波長領域の光によって電荷分離が生じる。すなわち、正孔が陽極側(表面側)に、電子が陰極側(裏面側)に分離する。これにより、光起電力層15は、起電力を発生させる。 As described above, in the photovoltaic layer 15, charge separation occurs due to the light in each wavelength region. That is, holes are separated on the anode side (front surface side) and electrons are separated on the cathode side (back surface side). As a result, the photovoltaic layer 15 generates an electromotive force.

第1電極16は、光起電力層15のp型半導体層(p型のμc−Si層)上に形成される。このため、第1電極16は、p型半導体層とオーミック接触が可能な材料で構成されることが望ましい。第1電極は、例えば、Ag、Au、Al、またはCu等の金属、もしくはそれらを少なくとも1つ含む合金で構成される。また、第1電極16は、ITO、ZnO、FTO、AZO、またはATO等の透明導電性酸化物で構成されてもよい。また、第1電極16は、例えば金属と透明導電性酸化物とが積層された構造、金属とその他導電性材料とが複合された構造、または透明導電性酸化物とその他導電性材料とが複合された構造で構成されてもよい。 The first electrode 16 is formed on the p-type semiconductor layer (p-type μc—Si layer) of the photovoltaic layer 15. Therefore, it is desirable that the first electrode 16 is made of a material capable of ohmic contact with the p-type semiconductor layer. The first electrode is composed of, for example, a metal such as Ag, Au, Al, or Cu, or an alloy containing at least one of them. Further, the first electrode 16 may be made of a transparent conductive oxide such as ITO, ZnO, FTO, AZO, or ATO. Further, the first electrode 16 has, for example, a structure in which a metal and a transparent conductive oxide are laminated, a structure in which a metal and another conductive material are composited, or a structure in which a transparent conductive oxide and another conductive material are composited. It may be composed of the above-mentioned structure.

また、本例において、照射光は、第1電極16を通過して光起電力層15に到達する。このため、光照射側(図面において上部側)に配置される第1電極16は、照射光に対して光透過性を有する。より具体的には、光照射側の第1電極16の光透過性は、照射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。または、第1電極16は、光を透過することができる開口部分を有する。すなわち、第1電極16の形状は、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、またはワイヤー状であってもよい。開口率は、少なくとも10%以上、より好ましくは30%以上である。 Further, in this example, the irradiation light passes through the first electrode 16 and reaches the photovoltaic layer 15. Therefore, the first electrode 16 arranged on the light irradiation side (upper side in the drawing) has light transmission to the irradiation light. More specifically, the light transmittance of the first electrode 16 on the light irradiation side is preferably at least 10% or more, more preferably 30% or more of the irradiation amount of the irradiation light. Alternatively, the first electrode 16 has an opening portion capable of transmitting light. That is, the shape of the first electrode 16 is not limited to the thin film shape, but may be a grid shape, a particle shape, or a wire shape. The aperture ratio is at least 10% or more, more preferably 30% or more.

なお、上記において、3つの光起電力層(第1光起電力層12、第2光起電力層13、および第3光起電力層14)の積層構造で構成される光起電力層15を例に説明したが、これに限らない。光起電力層15は、2つまたは4つ以上の光起電力層の積層構造から構成されてもよい。または、光起電力層の積層構造の代わりに、1つの光起電力層を用いてもよい。また、前述ではpin接合半導体を使用した太陽電池について説明したが、pn接合型半導体を使用した太陽電池であってもよい。また、半導体層として、SiおよびGeで構成される例を示したが、これに限らず、化合物半導体系、例えばGaAs、GaInP、AlGaInP、CdTe、CuInGaSeで構成されてもよい。さらに、単結晶、多結晶、アモルファス状の種々の形態を適用することができる。また、第1電極16および第2電極11は、光起電力層15の全面に設けられてもよいし、部分的に設けられてもよい。 In the above, the photovoltaic layer 15 having a laminated structure of three photovoltaic layers (first photovoltaic layer 12, second photovoltaic layer 13, and third photovoltaic layer 14) is provided. Although explained as an example, it is not limited to this. The photovoltaic layer 15 may be composed of a laminated structure of two or four or more photovoltaic layers. Alternatively, one photovoltaic layer may be used instead of the laminated structure of the photovoltaic layers. Further, although the solar cell using the pin-junction semiconductor has been described above, the solar cell using the pn junction type semiconductor may be used. Further, the example in which the semiconductor layer is composed of Si and Ge is shown, but the present invention is not limited to this, and the semiconductor layer may be composed of compound semiconductor systems such as GaAs, GaInP, AlGaInP, CdTe, and CuInGaSe. Furthermore, various forms such as single crystal, polycrystalline, and amorphous can be applied. Further, the first electrode 16 and the second electrode 11 may be provided on the entire surface of the photovoltaic layer 15 or may be partially provided.

第1触媒17は、第1電極16の上面上に形成される。第1触媒17は、第1電極16の表面付近における化学反応性(酸化反応性)を高めるために設けられる。電解液23として水溶液、すなわち、HOを含む溶液を用いた場合、第1電極16はHOを酸化してOとHを生成する。このため、第1触媒17は、HOを酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、HOを酸化してOとHを生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、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)等の二元系金属酸化物、Ni−Co−O、Ni−Fe−O、La−Co−O、Ni−La−O、Sr−Fe−O等の三元系金属酸化物、Pb−Ru−Ir−O、La−Sr−Co−O等の四元系金属酸化物、もしくは、Ru錯体またはFe錯体等の金属錯体が挙げられる。また、第1触媒17の形状としては、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、またはワイヤー状であってもよい。また、第1電極16にある金属と透明導電性酸化物とが積層された構造における金属部、または金属とその他導電性材料とが複合された構造における金属部に触媒性能を設けてもよい。また、電極金属自体が触媒性能を有してもよい。これにより、構造を簡略化することができる。 The first catalyst 17 is formed on the upper surface of the first electrode 16. The first catalyst 17 is provided to enhance the chemical reactivity (oxidation reactivity) near the surface of the first electrode 16. When an aqueous solution, that is, a solution containing H 2 O is used as the electrolytic solution 23, the first electrode 16 oxidizes H 2 O to generate O 2 and H + . Therefore, the first catalyst 17 is comprised of a material that reduces the activation energy for the oxidation of H 2 O. In other words, it is composed of a material that reduces the overvoltage in oxidizing H 2 O to produce O 2 and H + . Examples of such materials include manganese oxide (Mn-O), iridium oxide (Ir-O), nickel oxide (Ni-O), cobalt oxide (Co-O), iron oxide (Fe-O), and tin oxide (Sn). -O), indium oxide (In-O), or binary metal oxide such as ruthenium oxide (Ru-O), Ni-Co-O, Ni-Fe-O, La-Co-O, Ni-La A ternary metal oxide such as −O, Sr—Fe—O, a quaternary metal oxide such as Pb-Ru-Ir—O, La—Sr-Co—O, or a Ru complex or Fe complex. Examples include metal complexes. Further, the shape of the first catalyst 17 is not limited to the thin film shape, but may be a lattice shape, a particle shape, or a wire shape. Further, the catalytic performance may be provided on the metal portion in the structure in which the metal and the transparent conductive oxide are laminated on the first electrode 16, or the metal portion in the structure in which the metal and the other conductive material are composited. Further, the electrode metal itself may have catalytic performance. Thereby, the structure can be simplified.

第2触媒18は、第2電極11の下面上に形成される。第2触媒18は、第2電極11の裏面付近における化学反応性(還元反応性)を高めるために設けられる。電解液23としてCOを含む溶液を用いた場合、COを還元して炭素化合物(例えば、CO、HCOOH、CH、CHOH、COH、C)等を生成する。このため、第2触媒18は、COを還元するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、COを還元して炭素化合物を生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、Au、Ag、Cu、Pt、C、Ni、Zn、C、グラフェン、CNT(carbon nanotube)、フラーレン、ケッチェンブラック、またはPd等の金属、もしくは、それらを少なくとも1つ含む合金、あるいは、Ru錯体またはRe錯体等の金属錯体が挙げられる。また、電解液23としてCOを含まない水溶液、すなわち、COを含まないHOを用いた場合、HOを還元してHを生成する。このため、第2触媒18は、HOを還元するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、HOを還元してHを生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、Ni、Fe、Pt、Ti、Au、Ag、Zn、Pd、Ga、Mn、Cd、C、グラフェンといった金属もしくはそれらを少なくとも一つ含む合金が挙げられる。また、第2触媒18の形状としては、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、ワイヤー状であってもよい。 The second catalyst 18 is formed on the lower surface of the second electrode 11. The second catalyst 18 is provided to enhance the chemical reactivity (reduction reactivity) in the vicinity of the back surface of the second electrode 11. When a solution containing CO 2 is used as the electrolytic solution 23, CO 2 is reduced to produce carbon compounds (for example, CO, HCOOH, CH 4 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, C 2 H 4 ) and the like. To do. Therefore, the second catalyst 18 is composed of a material that reduces the activation energy for reducing CO 2 . In other words, it is composed of a material that reduces the overvoltage when reducing CO 2 to produce a carbon compound. Such materials include metals such as Au, Ag, Cu, Pt, C, Ni, Zn, C, graphene, CNT (carbon nanotube), fullerenes, Ketjen black, or Pd, or at least one of them. Examples thereof include alloys and metal complexes such as Ru complex and Re complex. Further, when an aqueous solution containing no CO 2 is used as the electrolytic solution 23, that is, H 2 O containing no CO 2 is used, H 2 O is reduced to generate H 2 . Therefore, the second catalyst 18 constructed of a material that reduces the activation energy for the reduction of H 2 O. In other words, it is composed of a material that reduces the overvoltage when reducing H 2 O to produce H 2 . Examples of such a material include metals such as Ni, Fe, Pt, Ti, Au, Ag, Zn, Pd, Ga, Mn, Cd, C, and graphene, or alloys containing at least one of them. Further, the shape of the second catalyst 18 is not limited to the thin film shape, but may be a lattice shape, a particle shape, or a wire shape.

なお、光起電力層15の積層構造を反対にし、第1触媒17および第2触媒18による第1電極16および第2電極11の過電圧の低下作用を逆転させてもよい。 The laminated structure of the photovoltaic layer 15 may be reversed to reverse the overvoltage lowering action of the first electrode 16 and the second electrode 11 by the first catalyst 17 and the second catalyst 18.

外部電源32は、第1電極16と第2電極11との間に、第1スイッチング素子31を介して電気的に接続される。言い換えると、外部電源32と第1電極16または第2電極11との間に、第1スイッチング素子31が形成される。そして、第1スイッチング素子31をオンにすることで、第1電極16と第2電極11とは外部電源32を介して電気的に接続される。一方、第1スイッチング素子31をオフにすることで、第1電極16と第2電極11とは外部電源32を介して電気的に遮断される。また、外部電源32の陽極側に第1電極16が接続され、陰極側に第2電極11が接続される。詳細は後述するが、余剰電力がある場合において、外部電源32は、第1電極16および第2電極11に電力を供給する。 The external power supply 32 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via the first switching element 31. In other words, the first switching element 31 is formed between the external power supply 32 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the first switching element 31, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the external power supply 32. On the other hand, by turning off the first switching element 31, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the external power supply 32. Further, the first electrode 16 is connected to the anode side of the external power supply 32, and the second electrode 11 is connected to the cathode side. Although the details will be described later, when there is surplus power, the external power supply 32 supplies power to the first electrode 16 and the second electrode 11.

電力需要部34は、第1電極16と第2電極11との間に、第2スイッチング素子33を介して電気的に接続される。また、電力需要部34は、外部電源32とは並列に接続される。言い換えると、電力需要部34と第1電極16または第2電極11との間に、第2スイッチング素子33が形成される。そして、第2スイッチング素子33をオンにすることで、第1電極16と第2電極11とは電力需要部34を介して電気的に接続される。一方、第1スイッチング素子31をオフにすることで、第1電極16と第2電極11とは電力需要部34を介して電気的に遮断される。詳細は後述するが、余剰電力がない場合において、電力需要部34に光起電力層15から電力が供給される。電力需要部34は、例えば電力を溜める蓄電池、または電力を消費する領域である。 The power demand unit 34 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via the second switching element 33. Further, the power demand unit 34 is connected in parallel with the external power supply 32. In other words, the second switching element 33 is formed between the power demand unit 34 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the second switching element 33, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the power demand unit 34. On the other hand, by turning off the first switching element 31, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the power demand unit 34. Although the details will be described later, power is supplied from the photovoltaic layer 15 to the power demand unit 34 when there is no surplus power. The electric power demand unit 34 is, for example, a storage battery for storing electric power or an area for consuming electric power.

スイッチング素子制御部41は、電力需要部34の需要を越える余剰電力の有無および太陽光エネルギーの有無等の条件に応じて、第1スイッチング素子31および第2スイッチング素子33のオン/オフを制御する。 The switching element control unit 41 controls on / off of the first switching element 31 and the second switching element 33 according to conditions such as the presence / absence of surplus power exceeding the demand of the power demand unit 34 and the presence / absence of solar energy. ..

より具体的には、スイッチング素子制御部41は、余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがある場合、第1スイッチング素子31および第2スイッチング素子33をオフにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが光起電力層15のみを介して電気的に接続される。その結果、光起電力層15による起電力によって第1電極16および第2電極11において電解が行われて化学エネルギーが生成される。すなわち、化学反応装置は、人工光合成システムとして機能する。 More specifically, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33 when there is surplus power and there is solar energy. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected only via the photovoltaic layer 15. As a result, electrolysis is performed in the first electrode 16 and the second electrode 11 by the electromotive force of the photovoltaic layer 15, and chemical energy is generated. That is, the chemical reaction apparatus functions as an artificial photosynthesis system.

一方、スイッチング素子制御部41は、余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがない場合、第2スイッチング素子33をオフにし、第1スイッチング素子31をオンにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが外部電源32を介して電気的に接続される。その結果、外部電源32による起電力によって第1電極16および第2電極11において電解が行われて化学エネルギーが生成される。すなわち、化学反応装置は、電解システムとして機能する。 On the other hand, the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33 and turns on the first switching element 31 when there is surplus power and there is no solar energy. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the external power supply 32. As a result, electrolysis is performed in the first electrode 16 and the second electrode 11 by the electromotive force of the external power source 32 to generate chemical energy. That is, the chemical reactor functions as an electrolytic system.

また、スイッチング素子制御部41は、余剰電力がない場合、第1スイッチング素子31をオフにし、第2スイッチング素子32をオンにする。これにより、光起電力層15と電力需要部34とが電気的に接続される。その結果、光起電力層15による起電力によって電力需要部34に電力が供給される。すなわち、化学反応装置は、太陽電池として機能する。 Further, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and turns on the second switching element 32 when there is no surplus power. As a result, the photovoltaic layer 15 and the power demand unit 34 are electrically connected. As a result, electric power is supplied to the electric power demand unit 34 by the electromotive force generated by the photovoltaic layer 15. That is, the chemical reaction device functions as a solar cell.

1−2.第1の実施形態の動作
図2は、第1の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図である。人工光合成システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがある場合に用いられる。
1-2. Operation of the first embodiment FIG. 2 is a diagram showing the operation of the artificial photosynthesis system of the chemical reaction apparatus according to the first embodiment. Artificial photosynthesis systems are mainly used when there is surplus power and when there is solar energy.

図2に示すように、人工光合成システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31および第2スイッチング素子33をオフにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが外部電源32を介して電気的に遮断される。また、第1電極16と第2電極11とが電力需要部34を介して電気的に遮断される。 As shown in FIG. 2, when used as an artificial photosynthesis system, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the external power supply 32. Further, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the power demand unit 34.

また、電解液制御部61は、第1電極16および第2電極11が電解液23に浸漬されるように、電解槽21内の電解液23の量を制御する。これにより、電解槽21内に配管22を介して電解液23が注入され、電解槽21内は電解液23で充填される。なお、電解槽21内が電解液23で充填されなくてもよく、少なくとも第1電極16および第2電極11の一部が電解液23に浸漬されていればよい。 Further, the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the first electrode 16 and the second electrode 11 are immersed in the electrolytic solution 23. As a result, the electrolytic cell 23 is injected into the electrolytic cell 21 via the pipe 22, and the electrolytic cell 21 is filled with the electrolytic cell 23. The inside of the electrolytic cell 21 does not have to be filled with the electrolytic solution 23, and at least a part of the first electrode 16 and the second electrode 11 may be immersed in the electrolytic solution 23.

この状態で上方から光が照射されると、照射光は第1電極16を通過し、光起電力層15に到達する。光起電力層15は、光を吸収すると、電子およびそれと対になる正孔を生成し、それらを分離する。すなわち、各光起電力層(第1光起電力層12、第2光起電力層13、および第3光起電力層14)において、n型の半導体層側(第2電極11側)に電子が移動し、p型の半導体層側(第1電極16側)に電子の対として発生した正孔が移動し、電荷分離が生じる。これにより、光起電力層15に起電力が発生する。 When light is irradiated from above in this state, the irradiated light passes through the first electrode 16 and reaches the photovoltaic layer 15. When the photovoltaic layer 15 absorbs light, it generates electrons and holes paired with them, and separates them. That is, in each photovoltaic layer (first photovoltaic layer 12, second photovoltaic layer 13, and third photovoltaic layer 14), electrons are placed on the n-type semiconductor layer side (second electrode 11 side). Moves, and holes generated as a pair of electrons move to the p-type semiconductor layer side (first electrode 16 side), and charge separation occurs. As a result, an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15.

光起電力層15内で発生し、陰極側の電極である第2電極11に移動した電子は、第2電極11の裏面付近(第2触媒18付近)における還元反応に使用される。一方、光起電力層15内で発生し、陽極側の電極である第1電極16に移動した正孔は、第1電極16の表面付近(第1触媒17付近)における酸化反応に使用される。より具体的には、電解液23に接する第1電極16の表面付近では(1)式、第2電極11の裏面付近では(2)式の反応が生じる。 The electrons generated in the photovoltaic layer 15 and transferred to the second electrode 11 which is the electrode on the cathode side are used for the reduction reaction in the vicinity of the back surface of the second electrode 11 (near the second catalyst 18). On the other hand, the holes generated in the photovoltaic layer 15 and moved to the first electrode 16 which is the electrode on the anode side are used for the oxidation reaction near the surface of the first electrode 16 (near the first catalyst 17). .. More specifically, the reaction of Eq. (1) occurs near the front surface of the first electrode 16 in contact with the electrolytic solution 23, and the reaction of Eq. (2) occurs near the back surface of the second electrode 11.

2HO → 4H+O+4e ・・・(1)
2CO+4H+4e → 2CO+2HO ・・・(2)
(1)式に示すように、第1電極16の表面付近において、HOが酸化されて(電子を失い)酸素(O)と水素イオン(H)が生成される。そして、第1電極16側で生成されたHは、第2電極11側に移動する。
2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e - ··· (1)
2CO 2 + 4H + + 4e - → 2CO + 2H 2 O ··· (2)
As shown in the equation (1), H 2 O is oxidized (loses electrons) near the surface of the first electrode 16 to generate oxygen (O 2 ) and hydrogen ions (H + ). Then, the H + generated on the first electrode 16 side moves to the second electrode 11 side.

(2)式に示すように、第2電極11の裏面付近において、COと移動したHとが反応し、一酸化炭素(CO)とHOが生成される。すなわち、COが還元される(電子を得る)。 As shown in the equation (2), near the back surface of the second electrode 11, CO 2 reacts with the transferred H + to generate carbon monoxide (CO) and H 2 O. That is, CO 2 is reduced (obtaining electrons).

このとき、光起電力層15は、第1電極16で生じる酸化反応の標準酸化還元電位と第2電極11で生じる還元反応の標準酸化還元電位との電位差以上の開放電圧を有する必要がある。例えば、(1)式における酸化反応の標準酸化還元電位は1.23[V]であり、(2)式における還元反応の標準酸化還元電位は−0.1[V]である。このため、光起電力層15の開放電圧は、1.33[V]以上の必要がある。なお、より好ましくは、開放電圧は過電圧を含めた電位差以上の必要がある。より具体的には、例えば(1)式における酸化反応および(2)式における還元反応の過電圧がそれぞれ0.2[V]である場合、開放電圧は1.73[V]以上であることが望ましい。 At this time, the photovoltaic layer 15 needs to have an open circuit voltage equal to or larger than the potential difference between the standard redox potential of the oxidation reaction generated at the first electrode 16 and the standard redox potential of the reduction reaction generated at the second electrode 11. For example, the standard redox potential of the oxidation reaction in the formula (1) is 1.23 [V], and the standard redox potential of the reduction reaction in the formula (2) is −0.1 [V]. Therefore, the open circuit voltage of the photovoltaic layer 15 needs to be 1.33 [V] or more. More preferably, the open circuit voltage needs to be equal to or larger than the potential difference including the overvoltage. More specifically, for example, when the overvoltages of the oxidation reaction in the equation (1) and the reduction reaction in the equation (2) are 0.2 [V], the open circuit voltage is 1.73 [V] or more. desirable.

なお、(2)式に示すCOからCOへの還元反応だけでなく、COからHCOOH、CH、C、CHOH、COH等への還元反応も生じさせることが可能である。また、第2溶液82に用いたHOの還元反応も生じさせることが可能であり、Hの発生も可能である。また、溶液中の水分(HO)量を変えることによって、生成されるCOの還元物質を変えることができる。例えば、HCOOH、CH、CHOH、COH、またはH等の生成割合を変えることができる。 It should be noted that not only the reduction reaction from CO 2 to CO shown in the formula (2) but also the reduction reaction from CO 2 to HCOOH, CH 4 , C 2 H 4 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH and the like occur. It is possible. It is also possible to cause a reduction reaction of H 2 O used in the second solution 82, and it is also possible to generate H 2 . Moreover, the reducing substance of CO 2 produced can be changed by changing the amount of water (H 2 O) in the solution. For example, the production ratio of HCOOH, CH 4 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, H 2 or the like can be changed.

このように、人工光合成システムでは、太陽光エネルギーによって光起電力層15に起電力が生じ、この起電力によって酸化還元反応(電解反応)が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。 As described above, in the artificial photosynthesis system, solar energy generates an electromotive force in the photovoltaic layer 15, and this electromotive force causes a redox reaction (electrolytic reaction) to generate chemical energy. That is, solar energy can be converted into chemical energy.

図3は、第1の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図である。電解システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがない場合に用いられる。例えば、電解システムは、夜間に用いられ得る。 FIG. 3 is a diagram showing the operation of the electrolytic system of the chemical reaction apparatus according to the first embodiment. Electrolytic systems are mainly used when there is surplus power and there is no solar energy. For example, an electrolytic system can be used at night.

図3に示すように、電解システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31をオンにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが外部電源32を介して電気的に接続される。一方、スイッチング素子制御部41は、第2スイッチング素子33をオフにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが電力需要部34を介して電気的に遮断される。 As shown in FIG. 3, when used as an electrolytic system, the switching element control unit 41 turns on the first switching element 31. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the power demand unit 34.

また、電解液制御部61は、第1電極16および第2電極11が電解液23に浸漬されるように、電解槽21内の電解液23の量を制御する。これにより、電解槽21内に配管22を介して電解液23が注入され、電解槽21内は電解液23で充填される。なお、電解槽21内が電解液23で充填されなくてもよく、少なくとも第1電極16および第2電極11の一部が電解液23に浸漬されていればよい。 Further, the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the first electrode 16 and the second electrode 11 are immersed in the electrolytic solution 23. As a result, the electrolytic cell 23 is injected into the electrolytic cell 21 via the pipe 22, and the electrolytic cell 21 is filled with the electrolytic cell 23. The inside of the electrolytic cell 21 does not have to be filled with the electrolytic solution 23, and at least a part of the first electrode 16 and the second electrode 11 may be immersed in the electrolytic solution 23.

この状態で外部電源32に起電力が発生すると、外部電源32の陽極側に接続された第1電極16側に正孔が移動する。一方、外部電極32の陰極側に接続された第2電極11側に電子が移動する。陰極側の電極である第2電極11に移動した電子は、第2電極11の裏面付近における還元反応に使用される。一方、光起電力層15内で発生し、陽極側の電極である第1電極16に移動した正孔は、第1電極16の表面付近における酸化反応に使用される。より具体的には、電解液23に接する第1電極16の表面付近では(1)式、第2電極11の裏面付近では(2)式の反応が生じる。 When an electromotive force is generated in the external power supply 32 in this state, holes move to the first electrode 16 side connected to the anode side of the external power supply 32. On the other hand, electrons move to the second electrode 11 side connected to the cathode side of the external electrode 32. The electrons transferred to the second electrode 11 which is the electrode on the cathode side are used for the reduction reaction in the vicinity of the back surface of the second electrode 11. On the other hand, the holes generated in the photovoltaic layer 15 and moved to the first electrode 16 which is the electrode on the anode side are used for the oxidation reaction near the surface of the first electrode 16. More specifically, the reaction of Eq. (1) occurs near the front surface of the first electrode 16 in contact with the electrolytic solution 23, and the reaction of Eq. (2) occurs near the back surface of the second electrode 11.

(1)式に示すように、第1電極16の表面付近において、HOが酸化されて(電子を失い)Oと水素イオン(H)が生成される。そして、第1電極16側で生成されたHは、第2電極11側に移動する。 As shown in the equation (1), H 2 O is oxidized (lost electrons) near the surface of the first electrode 16 to generate O 2 and hydrogen ions (H + ). Then, the H + generated on the first electrode 16 side moves to the second electrode 11 side.

(2)式に示すように、第2電極11の裏面付近において、COと移動したHとが反応し、COとHOが生成される。すなわち、COが還元される(電子を得る)。 As shown in the equation (2), CO 2 reacts with the moved H + in the vicinity of the back surface of the second electrode 11, and CO and H 2 O are generated. That is, CO 2 is reduced (obtaining electrons).

このとき、光起電力層15は、第1電極16で生じる酸化反応の標準酸化還元電位と第2電極11で生じる還元反応の標準酸化還元電位との電位差以上の開放電圧を有する必要がある。例えば、(1)式における酸化反応の標準酸化還元電位は1.23[V]であり、(2)式における還元反応の標準酸化還元電位は−0.1[V]である。このため、光起電力層15の開放電圧は、1.33[V]以上の必要がある。なお、より好ましくは、開放電圧は過電圧を含めた電位差以上の必要がある。より具体的には、例えば(1)式における酸化反応および(2)式における還元反応の過電圧がそれぞれ0.2[V]である場合、開放電圧は1.73[V]以上であることが望ましい。 At this time, the photovoltaic layer 15 needs to have an open circuit voltage equal to or larger than the potential difference between the standard redox potential of the oxidation reaction generated at the first electrode 16 and the standard redox potential of the reduction reaction generated at the second electrode 11. For example, the standard redox potential of the oxidation reaction in the formula (1) is 1.23 [V], and the standard redox potential of the reduction reaction in the formula (2) is −0.1 [V]. Therefore, the open circuit voltage of the photovoltaic layer 15 needs to be 1.33 [V] or more. More preferably, the open circuit voltage needs to be equal to or larger than the potential difference including the overvoltage. More specifically, for example, when the overvoltages of the oxidation reaction in the equation (1) and the reduction reaction in the equation (2) are 0.2 [V], the open circuit voltage is 1.73 [V] or more. desirable.

なお、(2)式に示すCOからCOへの還元反応だけでなく、COからHCOOH、CH、C、CHOH、COH等への還元反応も生じさせることが可能である。また、電解液23に用いたHOの還元反応も生じさせることが可能であり、Hの発生も可能である。また、溶液中の水分(HO)量を変えることによって、生成されるCOの還元物質を変えることができる。例えば、HCOOH、CH、CHOH、COH、またはH等の生成割合を変えることができる。 It should be noted that not only the reduction reaction from CO 2 to CO shown in the formula (2) but also the reduction reaction from CO 2 to HCOOH, CH 4 , C 2 H 4 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH and the like occur. It is possible. In addition, it is possible to cause a reduction reaction of H 2 O used in the electrolytic solution 23, and it is also possible to generate H 2 . Moreover, the reducing substance of CO 2 produced can be changed by changing the amount of water (H 2 O) in the solution. For example, the production ratio of HCOOH, CH 4 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, H 2 or the like can be changed.

また、光起電力層15を構成する半導体層が有するダイオード特性により、半導体層の構成の向きに応じて流れる電流が少なくてもよい。 Further, due to the diode characteristics of the semiconductor layer constituting the photovoltaic layer 15, the current flowing may be small depending on the orientation of the configuration of the semiconductor layer.

このように、電解システムでは、余剰電力の電気エネルギーによって外部電源32に起電力が生じ、この起電力によって酸化還元反応(電解反応)が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、電気エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。 As described above, in the electrolytic system, an electromotive force is generated in the external power source 32 by the electric energy of the surplus electric power, and the oxidation-reduction reaction (electrolytic reaction) is caused by this electromotive force to generate chemical energy. That is, electrical energy can be converted into chemical energy.

図4は、第1の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図である。図5は、第1の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図である。太陽電池は、主に余剰電力がない場合に用いられる。 FIG. 4 is a diagram showing the solar cell operation of the chemical reaction apparatus according to the first embodiment. FIG. 5 is a diagram showing a modified example of the solar cell operation of the chemical reaction apparatus according to the first embodiment. Solar cells are mainly used when there is no surplus power.

図4に示すように、太陽電池として用いる場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31をオフにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが外部電源32を介して電気的に遮断される。一方、スイッチング素子制御部41は、第2スイッチング素子33をオンにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが電力需要部34を介して電気的に接続される。 As shown in FIG. 4, when used as a solar cell, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns on the second switching element 33. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the power demand unit 34.

このとき、第1電極16と第2電極11との間において、電解液23を介してイオンの移動は起こらないほうがよい。すなわち、電解液23を介して電流が流れないほうがよい。これは、光起電力層15による発電と同時に電力需要部34に放電するためである。このため、電解液制御部61は、第1電極16および第2電極11が電解液23に浸漬されないように、電解槽21内の電解液23の量を制御する。これにより、電解槽21内から配管22を介して電解液23が排出され、電解槽21内は空気で充填される。 At this time, it is preferable that the movement of ions between the first electrode 16 and the second electrode 11 does not occur through the electrolytic solution 23. That is, it is better that no current flows through the electrolytic solution 23. This is because the photovoltaic power layer 15 discharges power to the power demand unit 34 at the same time as power generation. Therefore, the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the first electrode 16 and the second electrode 11 are not immersed in the electrolytic solution 23. As a result, the electrolytic solution 23 is discharged from the electrolytic cell 21 via the pipe 22, and the electrolytic cell 21 is filled with air.

なお、電解槽21内が空気で充填されなくてもよく、少なくとも第1電極16および第2電極11の一部が電解液23に浸漬されていなければよい。このとき、図5に示すように、上述した人工光合成システムまたは電解システムによって生成された気体(例えばO等)で電解槽21内の一部を充填させてもよい。この場合、配管22を介して、電解槽21内から電解液23を排出する必要はない。すなわち、配管22に備えられるポンプ等を用いる必要がなく、エネルギーロスを少なくすることができる。また、この場合、第1電極16を重力とは反対側に配置することが必要である。 The inside of the electrolytic cell 21 does not have to be filled with air, and at least a part of the first electrode 16 and the second electrode 11 may not be immersed in the electrolytic solution 23. At this time, as shown in FIG. 5, a part of the electrolytic cell 21 may be filled with the gas (for example, O 2 or the like) generated by the artificial photosynthesis system or the electrolysis system described above. In this case, it is not necessary to discharge the electrolytic solution 23 from the electrolytic cell 21 via the pipe 22. That is, it is not necessary to use a pump or the like provided in the pipe 22, and energy loss can be reduced. Further, in this case, it is necessary to arrange the first electrode 16 on the side opposite to gravity.

また、配管22を介して、配管22に接続される電解液貯蓄タンクに排出された電解液23を貯蓄してもよい。また、電解槽21内は空気でなく、非導電性の液体で充填されてもよい。 Further, the electrolytic solution 23 discharged to the electrolytic solution storage tank connected to the pipe 22 may be stored via the pipe 22. Further, the inside of the electrolytic cell 21 may be filled with a non-conductive liquid instead of air.

この状態で上方から光が照射されると、照射光は第1電極16を通過し、光起電力層15に到達する。光起電力層15は、光を吸収すると、電子およびそれと対になる正孔を生成し、それらを分離する。すなわち、各光起電力層(第1光起電力層12、第2光起電力層13、および第3光起電力層14)において、n型の半導体層側(第2電極11側)に電子が移動し、p型の半導体層側(第1電極16側)に電子の対として発生した正孔が移動し、電荷分離が生じる。これにより、光起電力層15に起電力が発生する。この光起電力層15によって発生した起電力によって、電力需要部34に電力を供給することができる。 When light is irradiated from above in this state, the irradiated light passes through the first electrode 16 and reaches the photovoltaic layer 15. When the photovoltaic layer 15 absorbs light, it generates electrons and holes paired with them, and separates them. That is, in each photovoltaic layer (first photovoltaic layer 12, second photovoltaic layer 13, and third photovoltaic layer 14), electrons are placed on the n-type semiconductor layer side (second electrode 11 side). Moves, and holes generated as a pair of electrons move to the p-type semiconductor layer side (first electrode 16 side), and charge separation occurs. As a result, an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15. The electromotive force generated by the photovoltaic layer 15 can supply electric power to the electric power demand unit 34.

このように、太陽電池では、太陽光エネルギーによって光起電力層15に起電力が生じ、この起電力によって電気エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。 As described above, in the solar cell, solar energy generates an electromotive force in the photovoltaic layer 15, and this electromotive force generates electric energy. That is, solar energy can be converted into electrical energy.

図6は、第1の実施形態に係る化学反応装置における動作を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the chemical reaction apparatus according to the first embodiment.

図6に示すように、まず、ステップS1において、化学反応装置は、電力需要部34の需要を越える余剰電力があるか否かを確認する。 As shown in FIG. 6, first, in step S1, the chemical reaction apparatus confirms whether or not there is surplus power exceeding the demand of the power demand unit 34.

ステップS1において余剰電力がない場合、ステップS2において化学反応装置は太陽電池として機能する。より具体的には、余剰電力がない場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31をオフにし、第2スイッチング素子32をオンにする。これにより、光起電力層15と電力需要部34とが電気的に接続され、光起電力層15による起電力によって電力需要部34に電力が供給される。 If there is no surplus power in step S1, the chemical reactor functions as a solar cell in step S2. More specifically, when there is no surplus power, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and turns on the second switching element 32. As a result, the photovoltaic layer 15 and the power demand unit 34 are electrically connected, and power is supplied to the power demand unit 34 by the electromotive force generated by the photovoltaic layer 15.

ステップS1において余剰電力がある場合、ステップS3において化学反応装置は太陽光エネルギーがあるか否かを確認する。 If there is surplus power in step S1, the chemical reactor checks in step S3 whether or not there is solar energy.

ステップS3において太陽光エネルギーがない場合、ステップS4において化学反応装置は電解システムとして機能する。より具体的には、太陽光エネルギーがない場合、スイッチング素子制御部41は、第2スイッチング素子33をオフにし、第1スイッチング素子31をオンにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが外部電源32を介して電気的に接続され、外部電源32による起電力によって第1電極16および第2電極11において電解が行われて化学エネルギーが生成される。 In the absence of solar energy in step S3, the chemical reactor functions as an electrolytic system in step S4. More specifically, when there is no solar energy, the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33 and turns on the first switching element 31. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the external power source 32, and electrolysis is performed in the first electrode 16 and the second electrode 11 by the electromotive force of the external power source 32 to carry out chemical energy. Is generated.

ステップS3において太陽光エネルギーがある場合、ステップS5において化学反応装置は人工光合成システムとして機能する。より具体的には、太陽光エネルギーがある場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31および第2スイッチング素子33をオフにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが光起電力層15のみを介して電気的に接続され、光起電力層15による起電力によって第1電極16および第2電極11において電解が行われて化学エネルギーが生成される。 When there is solar energy in step S3, the chemical reactor functions as an artificial photosynthesis system in step S5. More specifically, when there is solar energy, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected only via the photoelectromotive force layer 15, and the electromotive force generated by the photoelectromotive force layer 15 causes electrolysis in the first electrode 16 and the second electrode 11. It is done and chemical energy is generated.

このように、化学反応装置は、諸条件に応じて人口光合成システム、太陽電池、および電解システムとして適宜動作する。 As described above, the chemical reaction apparatus appropriately operates as an artificial photosynthesis system, a solar cell, and an electrolysis system according to various conditions.

1−3.第1の実施形態の効果
上記第1の実施形態によれば、化学反応装置は、第1電極16、光起電力層15、および第2電極11を含む積層体10と、積層体10を収容する電解槽21と、積層体10に電気的に接続または遮断可能な外部電源32および電力需要部34と、で構成される。すなわち、積層体10と外部電源32との接続、および積層体10と電力需要部34との接続は切り替え可能である。また、外部電源32および電力需要部34のいずれにも積層体10を電気的に接続しない(遮断する)ことも可能である。
1-3. Effect of 1st Embodiment According to the 1st embodiment, the chemical reaction apparatus accommodates a laminate 10 including a first electrode 16, a photovoltaic layer 15, and a second electrode 11, and a laminate 10. The electrolytic cell 21 is composed of an external power supply 32 and a power demand unit 34 that can be electrically connected or cut off from the laminated body 10. That is, the connection between the laminate 10 and the external power supply 32 and the connection between the laminate 10 and the power demand unit 34 can be switched. It is also possible that the laminate 10 is not electrically connected (cut off) to either the external power supply 32 or the power demand unit 34.

これにより、積層体10と外部電源32とを電気的に接続することで、化学反応装置を電解システムとして機能させることができる。また、積層体10と電力需要部34とを電気的に接続することで、化学反応装置を太陽電池として機能させることができる。さらに、積層体10と、外部電源32および電力需要部34と、を電気的に遮断することで、化学反応装置を人工光合成システムとして機能させることができる。これらの接続は、余剰電力の有無および太陽光エネルギーの有無によって決定される。 As a result, the chemical reaction apparatus can function as an electrolytic system by electrically connecting the laminate 10 and the external power supply 32. Further, by electrically connecting the laminated body 10 and the electric power demand unit 34, the chemical reaction device can function as a solar cell. Further, by electrically shutting off the laminated body 10, the external power source 32, and the power demand unit 34, the chemical reaction apparatus can function as an artificial photosynthesis system. These connections are determined by the presence or absence of surplus power and the presence or absence of solar energy.

すなわち、第1の実施形態によれば、余剰電力の有無および太陽光エネルギーの有無等の諸条件に応じて、エネルギー変換効率が高くなるように、人工光合成システム、太陽電池、または電解システムとして適宜動作する一体型の化学反応装置を提供することができる。 That is, according to the first embodiment, the artificial photosynthesis system, the solar cell, or the electrolytic system is appropriately used so that the energy conversion efficiency becomes high according to various conditions such as the presence / absence of surplus power and the presence / absence of solar energy. An integrated chemical reactor that works can be provided.

1−4.第1の実施形態の変形例
図7は、第1の実施形態に係る化学反応装置の第1の変形例の構成を示す概略構成図である。
1-4. Modification Example of the First Embodiment FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a first modification of the chemical reaction apparatus according to the first embodiment.

図7に示すように、第1の実施形態に係る化学反応装置の第1の変形例では、第2電極11が電解槽21を第1電解槽25と第2電解槽26とに物理的に分離する。 As shown in FIG. 7, in the first modification of the chemical reaction apparatus according to the first embodiment, the second electrode 11 physically divides the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26. To separate.

第1電解槽25は、第1電極16の表面(第1触媒17)を浸漬するように、その内部に第1電解液23aを収容する。第1電解液23aは、例えばHOを含む溶液である。このような溶液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、HOの酸化反応を促進するものであることが望ましい。第1電解槽25の上面は、光透過率の高い例えばガラスまたはアクリルからなる窓部が設けられる。照射光は、第1電解槽25の上方から照射される。 The first electrolytic cell 25 accommodates the first electrolytic solution 23a so as to immerse the surface (first catalyst 17) of the first electrode 16. The first electrolyte solution 23a is a solution containing, for example, H 2 O. Such solutions include but are intended to include any electrolyte, it is desirable is to promote the oxidation reaction of H 2 O. The upper surface of the first electrolytic cell 25 is provided with a window portion made of, for example, glass or acrylic, which has high light transmittance. The irradiation light is emitted from above the first electrolytic cell 25.

また、第1電解槽25には、配管22aが接続される。配管22aは、第1電解槽25内に第1電解液23aを注入する、または、第1電解槽25内から第1電解液23aを排出する。 Further, a pipe 22a is connected to the first electrolytic cell 25. The pipe 22a injects the first electrolytic cell 23a into the first electrolytic cell 25, or discharges the first electrolytic cell 23a from the first electrolytic cell 25.

第2電解槽26は、第2電極11の裏面(第2触媒18)を浸漬するように、その内部に第2電解液23bを収容する。第2電解液23bは、例えばCOを含む溶液である。第2電解液23bは、COの吸収率が高いことが望ましく、HOを含む溶液として、NaHCO、KHCOの水溶液が挙げられる。また、第1電解液23aと第2電解液23bとは同じ溶液でもよいが、第2電解液23bはCOの吸収量が高いほうが好ましいため、第1電解液23aと第2電解液23bとは別の溶液を用いてもよい。また、第2電解液23bは、COの還元電位を低下させ、イオン伝導性が高く、COを吸収するCO吸収剤を有することが望ましい。このような電解液として、イミダゾリウムイオンまたはピリジニウムイオン等の陽イオンと、BF4−または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が挙げられる。または、電解液として、エタノールアミン、イミダゾール、または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。アミンは、一級アミン、二級アミン、または三級アミンのいずれでもかまわない。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、または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かまわない。アミンの炭化水素が置換されたものとしては、例えば、メタノールアミン、エタノールアミン、または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。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、または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、異なってもかまわない。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、または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、または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、または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。また、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位が置換されたものとしては、例えば、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、または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、または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、ピリジニウムイオンはともに、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、BF4−、PF6−、CFCOO、CFSO3−、NO3−、SCN、(CFSO、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、またはビス(パーフルオロエチルスルホニル)イミド等が挙げられる。また、イオン液体のカチオンとアニオンとを炭化水素で連結した双生イオンでもよい。 The second electrolytic cell 26 accommodates the second electrolytic solution 23b so as to immerse the back surface (second catalyst 18) of the second electrode 11. The second electrolytic solution 23b is, for example, a solution containing CO 2 . It is desirable that the second electrolytic solution 23b has a high absorption rate of CO 2 , and examples of the solution containing H 2 O include aqueous solutions of NaHCO 3 and KHCO 3 . Further, the first electrolytic solution 23a and the second electrolytic solution 23b may be the same solution, but since it is preferable that the second electrolytic solution 23b has a high CO 2 absorption amount, the first electrolytic solution 23a and the second electrolytic solution 23b May use another solution. The second electrolyte solution 23b reduces the reduction potential of the CO 2, high ion conductivity, it is desirable to have CO 2 absorbent that absorbs CO 2. Such electrolytic solution, and a cation such as an imidazolium ion or a pyridinium ion, consists salts with BF 4-or PF 6- such anions, ionic liquids or aqueous solutions thereof in a liquid state in a wide temperature range Can be mentioned. Alternatively, examples of the electrolytic solution include an amine solution such as ethanolamine, imidazole, or pyridine, or an aqueous solution thereof. The amine may be a primary amine, a secondary amine, or a tertiary amine. Examples of the primary amine include methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine and the like. The hydrocarbon of amine may be substituted with alcohol, halogen or the like. Examples of those in which the hydrocarbon of the amine is substituted include methanolamine, ethanolamine, chloromethylamine and the like. Further, an unsaturated bond may be present. The same applies to these hydrocarbons as secondary amines and tertiary amines. Examples of the secondary amine include dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dipentylamine, dihexylamine, dimethanolamine, diethanolamine, dipropanolamine and the like. The substituted hydrocarbons may be different. This also applies to tertiary amines. For example, examples of different hydrocarbons include methyl ethylamine, methyl propylamine, and the like. Tertiary amines include trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine, trihexylamine, trimethanolamine, triethanolamine, tripropanolamine, tributanolamine, tripropanolamine, triexanolamine, methyldiethylamine, or Examples thereof include methyldipropylamine. The cations of the ionic liquid include 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1-methyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl-3-methylimidazolium ion, and 1-methyl-3-pentylimidazolium ion. , Or 1-hexyl-3-methylimidazolium ion and the like. Further, the 2-position of the imidazolium ion may be substituted. Examples of the imidazolium ion substituted at the 2-position include 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium ion, and 1-butyl 2,3-dimethyl. Examples thereof include imidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-pentylimidazolium ion, 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium ion and the like. Examples of the pyridinium ion include methylpyridinium, ethylpyridinium, propylpyridinium, butylpyridinium, pentylpyridinium, hexylpyridinium and the like. Both the imidazolium ion and the pyridinium ion may be substituted with an alkyl group or may have an unsaturated bond. Examples of the anion, fluoride ion, chloride ion, bromide ion, iodide ion, 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 can be mentioned. Further, zwitterion may be obtained by connecting a cation and an anion of an ionic liquid with a hydrocarbon.

また、第2電解槽26には、配管22bが接続される。配管22bは、第2電解槽26内に第2電解液23bを注入する、または、第2電解槽26内から第2電解液23bを排出する。 Further, a pipe 22b is connected to the second electrolytic cell 26. The pipe 22b injects the second electrolytic cell 23b into the second electrolytic cell 26, or discharges the second electrolytic cell 23b from the second electrolytic cell 26.

電解液制御部61は、第1電解槽25内の第1電解液23aおよび第2電解槽26内の第2電解液23bを制御する。より具体的には、電解液制御部61は、第1電解槽25内の第1電解液23aおよび第2電解槽26内の第2電解液23bの量を測定し、配管22aによる第1電解液23aおよび配管22bによる第2電解液23bの注入および排出を制御する。これにより、電解液制御部61は、人工光合成システムおよび電解システムとして用いる場合に、十分な電解反応が起こるように第1電解槽25内を第1電解液23aで充填させ、第2電解槽26内を第2電解液23bで充填させる。また、電解液制御部61は、太陽電池として用いる場合に、第1電解液23aまたは第2電解液23b中に電気が流れないように、第1電解槽25内から第1電解液23aまたは第2電解槽26内から第2電解液23bを排出して第1電解槽25内または第2電解槽26内を空気で充填させる。 The electrolytic cell control unit 61 controls the first electrolytic cell 23a in the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 23b in the second electrolytic cell 26. More specifically, the electrolytic cell control unit 61 measures the amounts of the first electrolytic cell 23a in the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 23b in the second electrolytic cell 26, and the first electrolysis by the pipe 22a. The injection and discharge of the second electrolytic solution 23b by the liquid 23a and the pipe 22b are controlled. As a result, the electrolytic cell control unit 61 fills the inside of the first electrolytic cell 25 with the first electrolytic cell 23a so that a sufficient electrolytic reaction occurs when used as an artificial photosynthesis system and an electrolytic system, and the second electrolytic cell 26 The inside is filled with the second electrolytic solution 23b. Further, when the electrolytic solution control unit 61 is used as a solar cell, the first electrolytic cell 23a or the first electrolytic cell 23a or the first electrolytic cell is prevented from flowing into the first electrolytic cell 23a or the second electrolytic cell 23b. 2 The second electrolytic cell 23b is discharged from the electrolytic cell 26, and the inside of the first electrolytic cell 25 or the second electrolytic cell 26 is filled with air.

第2電極11は、電解槽21を第1電解槽25と第2電解槽26とに物理的に分離する。第2電極11の裏面は、第2電解槽26側に配置され、第2電解槽26に収容される。このとき、第2電極11の表面は第1電解槽25側に配置されるが、第2電極11の表面に図示せぬ絶縁層を形成することで第2電極11と第1電解液22aとを電気的に絶縁させてこれらの反応を抑制することができる。また、第1電解液22aを非導電性の液体または気体に置き換えることで反応を抑制させてもよい。 The second electrode 11 physically separates the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26. The back surface of the second electrode 11 is arranged on the side of the second electrolytic cell 26 and is housed in the second electrolytic cell 26. At this time, the surface of the second electrode 11 is arranged on the side of the first electrolytic cell 25, but the second electrode 11 and the first electrolytic solution 22a are formed by forming an insulating layer (not shown) on the surface of the second electrode 11. Can be electrically insulated to suppress these reactions. Further, the reaction may be suppressed by replacing the first electrolytic solution 22a with a non-conductive liquid or gas.

また、第2電極11は、その露出部分にイオン移動経路を有する。イオン移動経路は、例えばその表面から裏面まで貫通する複数の細孔である。細孔は、第1電解槽25における第1電極16の酸化反応により生成されたイオン(例えばHイオン(H))のみを選択的に第2電解槽26に通過させる。細孔を通過したイオンは、第2電解槽26の第2電極11で還元反応によりO、H、または有機化合物等に変換される。 Further, the second electrode 11 has an ion transfer path in the exposed portion thereof. The ion transfer path is, for example, a plurality of pores penetrating from the front surface to the back surface thereof. The pores selectively allow only ions (for example, H ions (H + )) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to pass through the second electrolytic cell 26. Ions that have passed through the pores, is converted by the reduction reaction at the second electrode 11 of the second electrolytic cell 26 to the O 2, H 2 or an organic compound, and the like.

また、細孔は、イオンが通過する大きさであればよい。例えば、細孔の直径(円相当径)の下限は、0.3nm以上であることが好ましい。また、複数の細孔の総面積S1とイオン透過部材21aの面積S2との面積比S1/S2は、機械強度を損なわないように、0.9以下、好ましくは0.6以下である。また、細孔の形状は円形状に限らず、楕円形状、三角形状、または四角形状であってもよい。細孔の配置構成は四角格子状に限らず、三角格子状、ランダムであってもよい。また、細孔にイオン交換膜19を充填してもよい。イオン交換膜としては、例えばナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。また、細孔にガラスフィルタや寒天を充填してもよい。 Further, the pores may have a size that allows ions to pass through. For example, the lower limit of the diameter of the pores (diameter equivalent to a circle) is preferably 0.3 nm or more. Further, the area ratio S1 / S2 of the total area S1 of the plurality of pores and the area S2 of the ion permeable member 21a is 0.9 or less, preferably 0.6 or less so as not to impair the mechanical strength. Further, the shape of the pores is not limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, a triangular shape, or a square shape. The arrangement of the pores is not limited to a square lattice, and may be a triangular lattice or random. Further, the pores may be filled with the ion exchange membrane 19. Examples of the ion exchange membrane include a cation exchange membrane such as Nafion or Flemion, and an anion exchange membrane such as Neosepta or Selemion. Further, the pores may be filled with a glass filter or agar.

なお、第2電極11は、細孔の代わりに、その表面から裏面まで貫通し、かつイオン交換膜19が充填された複数のスリットを有してもよい。スリットは、第1電解槽25における第1電極16の酸化反応により生成されたイオン(例えばHイオン(H))のみを選択的に第2電解槽26に通過させる。 The second electrode 11 may have a plurality of slits that penetrate from the front surface to the back surface and are filled with the ion exchange membrane 19 instead of the pores. The slit selectively allows only ions (for example, H ions (H + )) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to pass through the second electrolytic cell 26.

また、イオン移動経路にポンプを設けることで、イオンの移動を促進させてもよい。 Further, the movement of ions may be promoted by providing a pump in the ion movement path.

また、イオン移動流路に弁を設けることで、電解槽(第1電解槽25および第2電解槽26)毎に電解液が充填される状態と、電解液で充填されない(空気で充填される)状態とを構成することができる。 Further, by providing a valve in the ion transfer flow path, the electrolytic cell is filled in each electrolytic cell (first electrolytic cell 25 and second electrolytic cell 26) and is not filled with the electrolytic cell (filled with air). ) State and can be configured.

第1の変形例では、電解槽21を第1電解槽25と第2電解槽26とに分離することにより、各電解槽において反応しやすい異なる電解液(第1電解液23aおよび第2電解液23b)を充填することができる。また、電解槽21を第1電解槽25と第2電解槽26とに分離することにより、第1電解槽25側で酸化反応が行われ、第2電解槽26側で還元反応が行われる。その結果、酸化反応による生成物(例えばO)を第1電解槽25で回収し、還元反応による生成物(例えばCO)を第2電解槽26で回収することができる。すなわち、酸化反応よる生成物と還元反応による生成物を分離して回収することができる。 In the first modification, by separating the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26, different electrolytic cells (first electrolytic cell 23a and second electrolytic cell) that easily react in each electrolytic cell are easily reacted. 23b) can be filled. Further, by separating the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26, an oxidation reaction is carried out on the first electrolytic cell 25 side and a reduction reaction is carried out on the second electrolytic cell 26 side. As a result, the product of the oxidation reaction (for example, O 2 ) can be recovered in the first electrolytic cell 25, and the product of the reduction reaction (for example, CO) can be recovered in the second electrolytic cell 26. That is, the product produced by the oxidation reaction and the product produced by the reduction reaction can be separated and recovered.

さらに、電解システムとして使用する際と人工光合成システムとして使用する際とで、第1電解槽25および第2電解槽26内の電解液を変えて異なる反応を起こすことができる。これにより、光強度や余剰電力量などによって異なる反応電流密度に対して、最適な反応を起こすことができる。 Further, different reactions can be caused by changing the electrolytic solutions in the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26 depending on whether the system is used as an electrolytic system or an artificial photosynthesis system. As a result, an optimum reaction can be caused for a reaction current density that differs depending on the light intensity, the amount of surplus power, and the like.

図8は、第1の実施形態に係る化学反応装置の第2の変形例の構成を示す概略構成図である。 FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a second modification of the chemical reaction apparatus according to the first embodiment.

図8に示すように、第1の実施形態に係る化学反応装置の第2の変形例では、第1電極16と第2電極11との間に、センサ部42,43が電気的に接続される。 As shown in FIG. 8, in the second modification of the chemical reaction apparatus according to the first embodiment, the sensor units 42 and 43 are electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11. To.

センサ部42は、第1電極16と第2電極11との間に、スイッチング素子31および外部電源32を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部42と第1電極16または第2電極11との間に、第1スイッチング素子31が形成される。そして、第1スイッチング素子31をオンにすることで、第1電極16と第2電極11とは外部電源32およびセンサ部42を介して電気的に接続される。一方、第1スイッチング素子31をオフにすることで、第1電極16と第2電極11とは外部電源32およびセンサ部42を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に電解システムとして用いられる場合に、センサ部42が機能する。 The sensor unit 42 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via a switching element 31 and an external power supply 32. In other words, the first switching element 31 is formed between the sensor unit 42 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the first switching element 31, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the external power supply 32 and the sensor unit 42. On the other hand, by turning off the first switching element 31, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the external power supply 32 and the sensor unit 42. That is, the sensor unit 42 functions when the chemical reaction apparatus is mainly used as an electrolytic system.

センサ部43は、第1電極16と第2電極11との間に、第3スイッチング素子35を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部43と第1電極16または第2電極11との間に、第3スイッチング素子35が形成される。そして、第3スイッチング素子35をオンにすることで、第1電極16と第2電極11とはセンサ部43を介して電気的に接続される。一方、第3スイッチング素子35をオフにすることで、第1電極16と第2電極11とはセンサ部43を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に人工光合成システムとして用いられる場合に、センサ部43が機能する。 The sensor unit 43 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via a third switching element 35. In other words, the third switching element 35 is formed between the sensor unit 43 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the third switching element 35, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the sensor unit 43. On the other hand, by turning off the third switching element 35, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the sensor unit 43. That is, the sensor unit 43 functions when the chemical reaction apparatus is mainly used as an artificial photosynthesis system.

センサ部42は、例えば電解システムの場合に外部電源32の起電力を利用し、電解液23と第1電極16および第2電極11との反応によって得られる電気信号を捉える。これにより、センサ部42は、電解システムの場合において、電解液23のpH、電解液23の濃度、電解液23の組成、電解槽21内の圧力、電解槽21内の温度、および光の強度等を測定する。 For example, in the case of an electrolytic system, the sensor unit 42 uses the electromotive force of the external power source 32 to capture an electric signal obtained by the reaction of the electrolytic solution 23 with the first electrode 16 and the second electrode 11. As a result, in the case of the electrolytic system, the sensor unit 42 has the pH of the electrolytic solution 23, the concentration of the electrolytic solution 23, the composition of the electrolytic solution 23, the pressure in the electrolytic cell 21, the temperature in the electrolytic cell 21, and the light intensity. Etc. are measured.

センサ部43は、例えば人工光合成システムの場合に光起電力層15の起電力を利用し、電解液23と第1電極16および第2電極11との反応によって得られる電気信号を捉える。これにより、センサ部43は、人工光合成システムの場合において、電解液23のpH、電解液23の濃度、電解液23の組成、電解槽21内の圧力、電解槽21内の温度、および光の強度等を測定する。センサ部43は、光起電力層15の起電力を利用するものであるため、電源レスで動作することができる。 The sensor unit 43 utilizes the electromotive force of the photovoltaic layer 15 in the case of an artificial photosynthesis system, for example, and captures an electric signal obtained by the reaction of the electrolytic solution 23 with the first electrode 16 and the second electrode 11. As a result, in the case of the artificial photosynthesis system, the sensor unit 43 determines the pH of the electrolytic cell 23, the concentration of the electrolytic cell 23, the composition of the electrolytic cell 23, the pressure in the electrolytic cell 21, the temperature in the electrolytic cell 21, and the light. Measure strength, etc. Since the sensor unit 43 utilizes the electromotive force of the photovoltaic layer 15, it can operate without a power source.

なお、人工光合成システムとして用いる場合に、光強度が弱くて光起電力層15の起電力によってセンサ43が機能しないことが考えらえる。この場合、一時的に外部電源32によってセンサ部42を機能させて、種々の要件を測定してもよい。一方、電解システムとして用いる場合も同様である。すなわち、電解システムとして用いる場合に、一時的に光起電力層15の起電力によってセンサ部43を機能させて、種々の要件を測定してもよい。 When used as an artificial photosynthesis system, it is conceivable that the sensor 43 does not function due to the electromotive force of the photovoltaic layer 15 due to its weak light intensity. In this case, the sensor unit 42 may be temporarily operated by the external power supply 32 to measure various requirements. On the other hand, the same applies when used as an electrolytic system. That is, when used as an electrolytic system, the sensor unit 43 may temporarily function by the electromotive force of the photovoltaic layer 15 to measure various requirements.

特に、センサ部42,43は、反応によって光を発生するもの、光によって反応が起こるもの、および光によって反応が変化するようなものに適している。なお、光は可視光に限らず、光起電力層15に作用する電磁波、または放射線であってもよい。センサ部42,43は、電気信号を捉えることにより、反応による光の吸収の変化または反応により発生する光および放射線等に応じた電解液23の状況(pH、濃度、および組成)および反応の進行具合を検知することも可能である。 In particular, the sensor units 42 and 43 are suitable for those that generate light by a reaction, those that generate a reaction by light, and those that change the reaction by light. The light is not limited to visible light, but may be electromagnetic waves or radiation acting on the photovoltaic layer 15. By capturing the electric signal, the sensor units 42 and 43 change the absorption of light due to the reaction or the state (pH, concentration, and composition) of the electrolytic solution 23 and the progress of the reaction according to the light and radiation generated by the reaction. It is also possible to detect the condition.

第2の変形例では、センサ部42,43により、電解液23のpH、電解液23の濃度、電解液23の組成、電解槽21内の圧力、電解槽21内の温度、および光の強度等を測定する。これにより、電解反応を促進させるための電解液23および電解槽21の状況を適宜調整することができる。 In the second modification, the pH of the electrolytic cell 23, the concentration of the electrolytic cell 23, the composition of the electrolytic cell 23, the pressure in the electrolytic cell 21, the temperature in the electrolytic cell 21, and the light intensity are determined by the sensor units 42 and 43. Etc. are measured. Thereby, the conditions of the electrolytic solution 23 and the electrolytic cell 21 for promoting the electrolytic reaction can be appropriately adjusted.

なお、その他の変形例として、以下の構成を適用してもよい。 The following configuration may be applied as another modification.

人工光合成システムにおける光起電力層15による起電力によって、光エネルギーを物質の還元体として蓄えてもよい。言い換えると、光エネルギーによって、物質を還元し、その還元された物質を還元エネルギーとして蓄えてもよい。ここで、還元体とは、還元力を有するものを示す。言い換えると、還元体とは、自身が酸化されて電子を失い、その電子を他の物質に与えて他の物質を還元するものを示す。光エネルギーを還元エネルギーに変換する例としては、光エネルギーによる鉄の3価イオン(Fe3+)から2価イオン(Fe2+)への変換、光エネルギーによるヨウ素の1価イオン(I)から3価イオン(I3−)への変換等が挙げられる。また、還元体としてHを蓄えてもよい。 Light energy may be stored as a reducer of a substance by the electromotive force generated by the photovoltaic layer 15 in the artificial photosynthesis system. In other words, a substance may be reduced by light energy, and the reduced substance may be stored as reducing energy. Here, the reducing body means a substance having a reducing power. In other words, a reducing substance is one that oxidizes itself to lose an electron and gives the electron to another substance to reduce the other substance. Examples of converting light energy into reduction energy include conversion of iron trivalent ions (Fe 3+ ) to divalent ions (Fe 2+ ) by light energy, and conversion of iodine monovalent ions (I ) by light energy to 3 Conversion to valent ions (I 3- ) and the like can be mentioned. Moreover, H + may be stored as a reducing body.

このように、人工光合成システムで得られた還元体を電解システムにおける外部電源32による起電力によって、さらに還元してもよい。これにより、よりエネルギー密度の高い還元体に変換させることができる。 As described above, the reduced product obtained in the artificial photosynthesis system may be further reduced by the electromotive force generated by the external power source 32 in the electrolytic system. As a result, it can be converted into a reduced product having a higher energy density.

また、人工光合成システムで得られた還元体を酸化させて元に戻す反応を行うことによって、還元エネルギーから電気エネルギーを得てもよい。すなわち、蓄電機能を有する人工光合成システムとなる。また、通常の電池のように、電解質にリチウムのような化合物を用いて、電極間との相互作用によって蓄電機能を備えることもできる。 Further, electric energy may be obtained from the reducing energy by performing a reaction of oxidizing the reducing body obtained by the artificial photosynthesis system and returning it to its original state. That is, it becomes an artificial photosynthesis system having a power storage function. Further, like a normal battery, a compound such as lithium may be used as an electrolyte to provide a storage function by interacting with the electrodes.

また、燃料電池として用いることも可能である。より具体的には、光エネルギーによって、水を分解して水素と酸素を生成する。この得られた酸素と水素によって少なくとも1つの電極を共有することで、水素と酸素とで水を生成する。これにより、電力を得ることができる。すなわち、人工光合成システムに燃料電池を一体化させることができる。なお、通常の燃料電池のように電解槽21内に流路を設けることで、反応の効率を向上させることができる。また、固体高分子形燃料電池に用いられる固体高分子膜が、第1電極16と第2電極11の間に形成されてもよい。さらに、このときの発電に伴う熱、または太陽光によって暖められた電解質の熱を利用媒体としてもよい。熱の利用媒体としては、電解質に限らず、他の熱媒体を第2電極11上または電解液23中の図示せぬ銅配管上に設けることで用いてもよい。 It can also be used as a fuel cell. More specifically, light energy decomposes water to produce hydrogen and oxygen. By sharing at least one electrode with the obtained oxygen and hydrogen, water is generated by hydrogen and oxygen. As a result, electric power can be obtained. That is, the fuel cell can be integrated into the artificial photosynthesis system. The reaction efficiency can be improved by providing a flow path in the electrolytic cell 21 like a normal fuel cell. Further, the polymer electrolyte membrane used for the polymer electrolyte fuel cell may be formed between the first electrode 16 and the second electrode 11. Further, the heat associated with the power generation at this time or the heat of the electrolyte heated by sunlight may be used as the utilization medium. The heat utilization medium is not limited to the electrolyte, and may be used by providing another heat medium on the second electrode 11 or on a copper pipe (not shown) in the electrolytic solution 23.

2.第2の実施形態
以下に図9乃至図15を用いて、第2の実施形態に係る化学反応装置について説明する。
2. 2. Second Embodiment The chemical reaction apparatus according to the second embodiment will be described below with reference to FIGS. 9 to 15.

第2の実施形態に係る化学反応装置では、電解槽21内に、第1電極16、光起電力層15、および第2電極11を含む積層体10だけでなく、第2電極11に離間して対向する第3電極51が配置される。そして、第2電極11と第3電極51との間に外部電源32を電気的に接続し、第2電極11、第3電極51、および外部電源32によって電解システムとして機能することができる。以下に、第2の実施形態について詳説する。 In the chemical reaction apparatus according to the second embodiment, the electrolytic cell 21 is separated not only from the laminate 10 including the first electrode 16, the photovoltaic layer 15, and the second electrode 11, but also from the second electrode 11. Third electrodes 51 facing each other are arranged. Then, an external power source 32 is electrically connected between the second electrode 11 and the third electrode 51, and the second electrode 11, the third electrode 51, and the external power source 32 can function as an electrolytic system. The second embodiment will be described in detail below.

なお、第2の実施形態において、上記第1の実施形態と同様の点については適宜説明を省略し、主に異なる点について説明する。 In the second embodiment, the same points as those in the first embodiment will be omitted as appropriate, and the differences will be mainly described.

2−1.第2の実施形態の構成
図9は、第2の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図である。なお、図9において、積層体10、第3電極51、および電解槽21は、その断面構成を示している。
2-1. Configuration of the Second Embodiment FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of the chemical reaction apparatus according to the second embodiment. In addition, in FIG. 9, the laminated body 10, the third electrode 51, and the electrolytic cell 21 show the cross-sectional structure thereof.

図9に示すように、第2の実施形態に係る化学反応装置において、第1の実施形態と異なる点は、第1電極16および第2電極11だけではなく、第3電極51が設けられる点である。 As shown in FIG. 9, in the chemical reaction apparatus according to the second embodiment, the difference from the first embodiment is that not only the first electrode 16 and the second electrode 11 but also the third electrode 51 is provided. Is.

第3電極51は、電解槽21内に収容され、第2電極11に対して光照射側とは反対側に離間し、かつ対向して配置される。第3電極51は、例えばCu、Al、Ti、Ni、Fe、またはAg等の金属板、もしくはそれらを少なくとも1つ含む例えばSUSのような合金板で構成される。また、第3電極51は、導電性の樹脂等で構成されてもよい。また、第3電極51は、SiまたはGe等の半導体基板で構成されてもよい。 The third electrode 51 is housed in the electrolytic cell 21, and is arranged so as to be separated from the second electrode 11 on the side opposite to the light irradiation side and facing the second electrode 11. The third electrode 51 is composed of, for example, a metal plate such as Cu, Al, Ti, Ni, Fe, or Ag, or an alloy plate containing at least one of them, such as SUS. Further, the third electrode 51 may be made of a conductive resin or the like. Further, the third electrode 51 may be made of a semiconductor substrate such as Si or Ge.

第3電極51は、光照射側とは反対側に配置されるため、光透過性および形状等において特に制限はない。 Since the third electrode 51 is arranged on the side opposite to the light irradiation side, there is no particular limitation on the light transmission and the shape.

また、第3電極51の表面上に、図示せぬ第3触媒が形成されてもよい。第3触媒は、第3電極51の表面付近における化学反応性(酸化反応性)を高めるために設けられる。電解液23として水溶液、すなわち、HOを含む溶液を用いた場合、第3電極51はHOを酸化してOとHを生成する。このため、第3触媒は、HOを酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、HOを酸化してOとHを生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、Mn−O、Ir−O、Ni−O、Co−O、Fe−O、Sn−O、In−O、またはRu−O等の二元系金属酸化物、Ni−Co−O、Ni−Fe−O、La−Co−O、Ni−La−O、Sr−Fe−O等の三元系金属酸化物、Pb−Ru−Ir−O、La−Sr−Co−O等の四元系金属酸化物、もしくは、Ru錯体またはFe錯体等の金属錯体が挙げられる。また、第3触媒の形状としては、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、またはワイヤー状であってもよい。 Further, a third catalyst (not shown) may be formed on the surface of the third electrode 51. The third catalyst is provided to enhance the chemical reactivity (oxidation reactivity) near the surface of the third electrode 51. When an aqueous solution, that is, a solution containing H 2 O is used as the electrolytic solution 23, the third electrode 51 oxidizes H 2 O to produce O 2 and H + . Therefore, the third catalyst is composed of a material that reduces the activation energy for the oxidation of H 2 O. In other words, it is composed of a material that reduces the overvoltage in oxidizing H 2 O to produce O 2 and H + . Such materials include dual metal oxides such as Mn-O, Ir-O, Ni-O, Co-O, Fe-O, Sn-O, In-O, or Ru-O, Ni-Co. Three-way metal oxides such as -O, Ni-Fe-O, La-Co-O, Ni-La-O, Sr-Fe-O, Pb-Ru-Ir-O, La-Sr-Co-O Such as quaternary metal oxides, or metal complexes such as Ru complex or Fe complex. The shape of the third catalyst is not limited to the thin film shape, but may be a lattice shape, a particle shape, or a wire shape.

外部電源32は、第2電極11と第3電極51との間に、第1スイッチング素子31を介して電気的に接続される。言い換えると、外部電源32と第2電極11または第3電極51との間に、第1スイッチング素子31が形成される。そして、第1スイッチング素子31をオンにすることで、第2電極11と第3電極51とは外部電源32を介して電気的に接続される。一方、第1スイッチング素子31をオフにすることで、第2電極11と第3電極51とは外部電源32を介して電気的に遮断される。また、外部電源32の陽極側に第3電極51が接続され、陰極側に第2電極11が接続される。詳細は後述するが、余剰電力がある場合において、外部電源32は、第2電極11および第3電極51に電力を供給する。 The external power supply 32 is electrically connected between the second electrode 11 and the third electrode 51 via the first switching element 31. In other words, the first switching element 31 is formed between the external power supply 32 and the second electrode 11 or the third electrode 51. Then, by turning on the first switching element 31, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected via the external power supply 32. On the other hand, by turning off the first switching element 31, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically cut off via the external power supply 32. Further, the third electrode 51 is connected to the anode side of the external power supply 32, and the second electrode 11 is connected to the cathode side. Although the details will be described later, when there is surplus power, the external power supply 32 supplies power to the second electrode 11 and the third electrode 51.

スイッチング素子制御部41は、電力需要部34の需要を越える余剰電力の有無および太陽光エネルギーの有無等の条件に応じて、第1スイッチング素子31および第2スイッチング素子33のオン/オフを制御する。 The switching element control unit 41 controls on / off of the first switching element 31 and the second switching element 33 according to conditions such as the presence / absence of surplus power exceeding the demand of the power demand unit 34 and the presence / absence of solar energy. ..

より具体的には、スイッチング素子制御部41は、余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがある場合、第1スイッチング素子31および第2スイッチング素子33をオフにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが光起電力層15のみを介して電気的に接続される。その結果、光起電力層15による起電力によって第1電極16および第2電極11において電解が行われて化学エネルギーが生成される。すなわち、化学反応装置は、人工光合成システムとして機能する。 More specifically, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33 when there is surplus power and there is solar energy. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected only via the photovoltaic layer 15. As a result, electrolysis is performed in the first electrode 16 and the second electrode 11 by the electromotive force of the photovoltaic layer 15, and chemical energy is generated. That is, the chemical reaction apparatus functions as an artificial photosynthesis system.

一方、スイッチング素子制御部41は、余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがない場合、第2スイッチング素子33をオフにし、第1スイッチング素子31をオンにする。これにより、第2電極11と第3電極51とが外部電源32を介して電気的に接続される。その結果、外部電源32による起電力によって第2電極11および第3電極51において電解が行われて化学エネルギーが生成される。すなわち、化学反応装置は、電解システムとして機能する。 On the other hand, the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33 and turns on the first switching element 31 when there is surplus power and there is no solar energy. As a result, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected via the external power supply 32. As a result, electrolysis is performed at the second electrode 11 and the third electrode 51 by the electromotive force of the external power source 32 to generate chemical energy. That is, the chemical reactor functions as an electrolytic system.

また、スイッチング素子制御部41は、余剰電力がない場合、第1スイッチング素子31をオフにし、第2スイッチング素子32をオンにする。これにより、光起電力層15と電力需要部34とが電気的に接続される。その結果、光起電力層15による起電力によって電力需要部34に電力が供給される。すなわち、化学反応装置は、太陽電池として機能する。 Further, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and turns on the second switching element 32 when there is no surplus power. As a result, the photovoltaic layer 15 and the power demand unit 34 are electrically connected. As a result, electric power is supplied to the electric power demand unit 34 by the electromotive force generated by the photovoltaic layer 15. That is, the chemical reaction device functions as a solar cell.

2−2.第2の実施形態の動作
図10は、第2の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図である。人工光合成システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがある場合に用いられる。
2-2. Operation of the second embodiment FIG. 10 is a diagram showing the operation of the artificial photosynthesis system of the chemical reaction apparatus according to the second embodiment. Artificial photosynthesis systems are mainly used when there is surplus power and when there is solar energy.

図10に示すように、人工光合成システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31および第2スイッチング素子33をオフにする。これにより、第2電極11と第3電極51とが外部電源32を介して電気的に遮断される。また、第1電極16と第2電極11とが電力需要部34を介して電気的に遮断される。 As shown in FIG. 10, when used as an artificial photosynthesis system, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33. As a result, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically cut off via the external power supply 32. Further, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the power demand unit 34.

また、電解液制御部61は、第1電極16および第2電極11が電解液23に浸漬されるように、電解槽21内の電解液23の量を制御する。これにより、電解槽21内に配管22を介して電解液23が注入され、電解槽21内は電解液23で充填される。なお、電解槽21内が電解液23で充填されなくてもよく、少なくとも第1電極16および第2電極11の一部が電解液23に浸漬されていればよい。 Further, the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the first electrode 16 and the second electrode 11 are immersed in the electrolytic solution 23. As a result, the electrolytic cell 23 is injected into the electrolytic cell 21 via the pipe 22, and the electrolytic cell 21 is filled with the electrolytic cell 23. The inside of the electrolytic cell 21 does not have to be filled with the electrolytic solution 23, and at least a part of the first electrode 16 and the second electrode 11 may be immersed in the electrolytic solution 23.

この状態で上方から光が照射されると、上記第1の実施形態と同様の反応が生じる。すなわち、電解液23に接する第1電極16の表面付近では(1)式、第2電極11の裏面付近では(2)式の反応が生じる。 When light is irradiated from above in this state, the same reaction as in the first embodiment occurs. That is, the reaction of the formula (1) occurs near the front surface of the first electrode 16 in contact with the electrolytic solution 23, and the reaction of the formula (2) occurs near the back surface of the second electrode 11.

(1)式に示すように、第1電極16の表面付近において、HOが酸化されて(電子を失い)OとHが生成される。そして、第1電極16側で生成されたHは、第2電極11側に移動する。 As shown in the equation (1), H 2 O is oxidized (loses electrons) near the surface of the first electrode 16 to generate O 2 and H + . Then, the H + generated on the first electrode 16 side moves to the second electrode 11 side.

(2)式に示すように、第2電極11の裏面付近において、COと移動したHとが反応し、COとHOが生成される。すなわち、COが還元される(電子を得る)。 As shown in the equation (2), CO 2 reacts with the moved H + in the vicinity of the back surface of the second electrode 11, and CO and H 2 O are generated. That is, CO 2 is reduced (obtaining electrons).

このように、人工光合成システムでは、太陽光エネルギーによって光起電力層15に起電力が生じ、この起電力によって第1電極16の表面および第2電極11の裏面において酸化還元反応(電解反応)が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。 As described above, in the artificial photosynthesis system, an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15 by solar energy, and the electromotive force causes a redox reaction (electrolytic reaction) on the front surface of the first electrode 16 and the back surface of the second electrode 11. It happens and chemical energy is generated. That is, solar energy can be converted into chemical energy.

図11は、第2の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図である。電解システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがない場合に用いられる。例えば、電解システムは、夜間に用いられ得る。 FIG. 11 is a diagram showing the operation of the electrolytic system of the chemical reaction apparatus according to the second embodiment. Electrolytic systems are mainly used when there is surplus power and there is no solar energy. For example, an electrolytic system can be used at night.

図11に示すように、電解システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31をオンにする。これにより、第2電極11と第3電極51とが外部電源32を介して電気的に接続される。一方、スイッチング素子制御部41は、第2スイッチング素子33をオフにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが電力需要部34を介して電気的に遮断される。 As shown in FIG. 11, when used as an electrolytic system, the switching element control unit 41 turns on the first switching element 31. As a result, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the power demand unit 34.

また、電解液制御部61は、第2電極11および第3電極51が電解液23に浸漬されるように、電解槽21内の電解液23の量を制御する。これにより、電解槽21内に配管22を介して電解液23が注入され、電解槽21内は電解液23で充填される。なお、電解槽21内が電解液23で充填されなくてもよく、少なくとも第2電極11および第3電極51の一部が電解液23に浸漬されていればよい。 Further, the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the second electrode 11 and the third electrode 51 are immersed in the electrolytic solution 23. As a result, the electrolytic cell 23 is injected into the electrolytic cell 21 via the pipe 22, and the electrolytic cell 21 is filled with the electrolytic cell 23. The inside of the electrolytic cell 21 does not have to be filled with the electrolytic solution 23, and at least a part of the second electrode 11 and the third electrode 51 may be immersed in the electrolytic solution 23.

この状態で外部電源32に起電力が発生すると、外部電源32の陽極側に接続された第3電極51側に正孔が移動する。一方、外部電極32の陰極側に接続された第2電極11側に電子が移動する。陰極側の電極である第2電極11に移動した電子は、第2電極11の裏面付近における還元反応に使用される。一方、光起電力層15内で発生し、陽極側の電極である第3電極51に移動した正孔は、第3電極51の表面付近における酸化反応に使用される。より具体的には、電解液23に接する第3電極51の表面付近では(1)式、第2電極11の裏面付近では(2)式の反応が生じる。 When an electromotive force is generated in the external power supply 32 in this state, holes move to the third electrode 51 side connected to the anode side of the external power supply 32. On the other hand, electrons move to the second electrode 11 side connected to the cathode side of the external electrode 32. The electrons transferred to the second electrode 11 which is the electrode on the cathode side are used for the reduction reaction in the vicinity of the back surface of the second electrode 11. On the other hand, the holes generated in the photovoltaic layer 15 and moved to the third electrode 51, which is the electrode on the anode side, are used for the oxidation reaction near the surface of the third electrode 51. More specifically, the reaction of Eq. (1) occurs near the front surface of the third electrode 51 in contact with the electrolytic solution 23, and the reaction of Eq. (2) occurs near the back surface of the second electrode 11.

(1)式に示すように、第3電極51の表面付近において、HOが酸化されて(電子を失い)O)とHが生成される。そして、第3電極51側で生成されたHは、第2電極11側に移動する。 (1) As shown in equation in the vicinity of the surface of the third electrode 51, and H 2 O is oxidized (loses electrons) O 2) and is H + is generated. Then, the H + generated on the third electrode 51 side moves to the second electrode 11 side.

このとき、第3電極51と第2電極11とは、互いに対向して形成されるため、その距離は比較的小さい。このため、第3電極51から第2電極11へとHが移動する距離は小さい。したがって、効率的にHを第3電極51から第2電極11へと拡散させることができる。 At this time, since the third electrode 51 and the second electrode 11 are formed so as to face each other, the distance between them is relatively small. Therefore, the distance that H + moves from the third electrode 51 to the second electrode 11 is small. Therefore, H + can be efficiently diffused from the third electrode 51 to the second electrode 11.

(2)式に示すように、第2電極11の裏面付近において、COと移動したHとが反応し、COとHOが生成される。すなわち、COが還元される(電子を得る)。 As shown in the equation (2), in the vicinity of the back surface of the second electrode 11, CO 2 reacts with the moved H + to generate CO and H 2 O. That is, CO 2 is reduced (obtaining electrons).

このとき、光起電力層15は、第3電極51で生じる酸化反応の標準酸化還元電位と第2電極11で生じる還元反応の標準酸化還元電位との電位差以上の開放電圧を有する必要がある。例えば、(1)式における酸化反応の標準酸化還元電位は1.23[V]であり、(2)式における還元反応の標準酸化還元電位は−0.1[V]である。このため、光起電力層15の開放電圧は、1.33[V]以上の必要がある。なお、より好ましくは、開放電圧は過電圧を含めた電位差以上の必要がある。より具体的には、例えば(1)式における酸化反応および(2)式における還元反応の過電圧がそれぞれ0.2[V]である場合、開放電圧は1.73[V]以上であることが望ましい。 At this time, the photovoltaic layer 15 needs to have an open circuit voltage equal to or larger than the potential difference between the standard redox potential of the oxidation reaction generated at the third electrode 51 and the standard redox potential of the reduction reaction generated at the second electrode 11. For example, the standard redox potential of the oxidation reaction in the formula (1) is 1.23 [V], and the standard redox potential of the reduction reaction in the formula (2) is −0.1 [V]. Therefore, the open circuit voltage of the photovoltaic layer 15 needs to be 1.33 [V] or more. More preferably, the open circuit voltage needs to be equal to or larger than the potential difference including the overvoltage. More specifically, for example, when the overvoltages of the oxidation reaction in the equation (1) and the reduction reaction in the equation (2) are 0.2 [V], the open circuit voltage is 1.73 [V] or more. desirable.

このように、電解システムでは、余剰電力の電気エネルギーによって外部電源32に起電力が生じ、この起電力によって酸化還元反応(電解反応)が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、電気エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。 As described above, in the electrolytic system, an electromotive force is generated in the external power source 32 by the electric energy of the surplus electric power, and the oxidation-reduction reaction (electrolytic reaction) is caused by this electromotive force to generate chemical energy. That is, electrical energy can be converted into chemical energy.

図12は、第2の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図である。図13は、第2の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図である。太陽電池は、主に余剰電力がない場合に用いられる。 FIG. 12 is a diagram showing the solar cell operation of the chemical reaction apparatus according to the second embodiment. FIG. 13 is a diagram showing a modified example of the solar cell operation of the chemical reaction apparatus according to the second embodiment. Solar cells are mainly used when there is no surplus power.

図12に示すように、太陽電池として用いる場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31をオフにする。これにより、第2電極11と第3電極51とが外部電源32を介して電気的に遮断される。一方、スイッチング素子制御部41は、第2スイッチング素子33をオンにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが電力需要部34を介して電気的に接続される。 As shown in FIG. 12, when used as a solar cell, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31. As a result, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically cut off via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns on the second switching element 33. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the power demand unit 34.

このとき、第1電極16と第2電極11との間において、電解液23を介してイオンの移動は起こらないほうがよい。すなわち、電解液23を介して電流が流れないほうがよい。これは、光起電力層15による発電と同時に電力需要部34に放電するためである。このため、電解液制御部61は、第1電極16および第2電極11が電解液23に浸漬されないように、電解槽21内の電解液23の量を制御する。これにより、電解槽21内から配管22を介して電解液23が排出され、電解槽21内は空気で充填される。 At this time, it is preferable that the movement of ions between the first electrode 16 and the second electrode 11 does not occur through the electrolytic solution 23. That is, it is better that no current flows through the electrolytic solution 23. This is because the photovoltaic power layer 15 discharges power to the power demand unit 34 at the same time as power generation. Therefore, the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the first electrode 16 and the second electrode 11 are not immersed in the electrolytic solution 23. As a result, the electrolytic solution 23 is discharged from the electrolytic cell 21 via the pipe 22, and the electrolytic cell 21 is filled with air.

なお、電解槽21内が空気で充填されなくてもよく、少なくとも第1電極16および第2電極11の一部が電解液23に浸漬されていなければよい。このとき、図13に示すように、上述した人工光合成システムまたは電解システムによって生成された気体(例えばO等)で電解槽21内の一部を充填させてもよい。この場合、配管22を介して、電解槽21内から電解液23を排出する必要はない。すなわち、配管22に備えられるポンプ等を用いる必要がなく、エネルギーロスを少なくすることができる。また、この場合、第1電極16を重力とは反対側に配置することが必要である。 The inside of the electrolytic cell 21 does not have to be filled with air, and at least a part of the first electrode 16 and the second electrode 11 may not be immersed in the electrolytic solution 23. At this time, as shown in FIG. 13, a part of the electrolytic cell 21 may be filled with the gas (for example, O 2 or the like) generated by the artificial photosynthesis system or the electrolysis system described above. In this case, it is not necessary to discharge the electrolytic solution 23 from the electrolytic cell 21 via the pipe 22. That is, it is not necessary to use a pump or the like provided in the pipe 22, and energy loss can be reduced. Further, in this case, it is necessary to arrange the first electrode 16 on the side opposite to gravity.

この状態で上方から光が照射されると、照射光は第1電極16を通過し、光起電力層15に到達する。光起電力層15は、光を吸収すると、電子およびそれと対になる正孔を生成し、それらを分離する。すなわち、各光起電力層(第1光起電力層12、第2光起電力層13、および第3光起電力層14)において、n型の半導体層側(第2電極11側)に電子が移動し、p型の半導体層側(第1電極16側)に電子の対として発生した正孔が移動し、電荷分離が生じる。これにより、光起電力層15に起電力が発生する。この光起電力層15によって発生した起電力によって、電力需要部34に電力を供給することができる。 When light is irradiated from above in this state, the irradiated light passes through the first electrode 16 and reaches the photovoltaic layer 15. When the photovoltaic layer 15 absorbs light, it generates electrons and holes paired with them, and separates them. That is, in each photovoltaic layer (first photovoltaic layer 12, second photovoltaic layer 13, and third photovoltaic layer 14), electrons are placed on the n-type semiconductor layer side (second electrode 11 side). Moves, and holes generated as a pair of electrons move to the p-type semiconductor layer side (first electrode 16 side), and charge separation occurs. As a result, an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15. The electromotive force generated by the photovoltaic layer 15 can supply electric power to the electric power demand unit 34.

このように、太陽電池では、太陽光エネルギーによって光起電力層15に起電力が生じ、この起電力によって電気エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。 As described above, in the solar cell, solar energy generates an electromotive force in the photovoltaic layer 15, and this electromotive force generates electric energy. That is, solar energy can be converted into electrical energy.

2−3.第2の実施形態の効果
上記第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
2-3. Effect of Second Embodiment According to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

さらに、第2の実施形態によれば、電解槽21内に、第1電極16、光起電力層15、および第2電極11を含む積層体10だけでなく、第2電極11に離間して対向する第3電極51が収容される。そして、第2電極11と第3電極51との間に外部電源32を電気的に接続することで、電解システムとして機能することができる。 Further, according to the second embodiment, not only the laminate 10 including the first electrode 16, the photovoltaic layer 15, and the second electrode 11 but also the second electrode 11 is separated from the electrolytic cell 21. The facing third electrode 51 is accommodated. Then, by electrically connecting the external power supply 32 between the second electrode 11 and the third electrode 51, the system can function as an electrolytic system.

このとき、第3電極51と第2電極11とは、互いに対向して形成されるため、その距離は比較的小さい。このため、第3電極51で生成されたHが第2電極11へと移動する距離は小さい。したがって、第2電極11の反応に用いられるHを効率的に第3電極51から第2電極11へと拡散させることができる。 At this time, since the third electrode 51 and the second electrode 11 are formed so as to face each other, the distance between them is relatively small. Therefore, the distance that the H + generated by the third electrode 51 moves to the second electrode 11 is small. Therefore, H + used for the reaction of the second electrode 11 can be efficiently diffused from the third electrode 51 to the second electrode 11.

また、第3電極51は、光起電力層15に対して光照射側とは反対側に配置される。このため、第3電極51の材料として透過性を考慮する必要はなく、また、その形状も特に限定されない。すなわち、第3電極51の材料および形状は、反応効率のみを考慮して設定することができる。 Further, the third electrode 51 is arranged on the side opposite to the light irradiation side with respect to the photovoltaic layer 15. Therefore, it is not necessary to consider the permeability as the material of the third electrode 51, and the shape thereof is not particularly limited. That is, the material and shape of the third electrode 51 can be set in consideration of only the reaction efficiency.

また、人工光合成システムとして機能する場合と電解システムとして機能する場合とで異なる反応電流密度などに応じて、第2触媒18および第1触媒17とは異なる第3電極51表面の図示せぬ第3触媒を用いることができる。 Further, the surface of the third electrode 51, which is different from the second catalyst 18 and the first catalyst 17, is not shown. A catalyst can be used.

なお、第3電極51は、第2電極11に離間して対向することに限らない。第3電極51は、構造上の問題などに応じて、第2電極11に対して垂直に配置されてもよい。 The third electrode 51 is not limited to facing the second electrode 11 at a distance. The third electrode 51 may be arranged perpendicular to the second electrode 11 depending on structural problems and the like.

また、外部電源32の余剰電力に応じて、外部電源32を第2電極11と第3電極51との間に接続するだけではなく、第2電極11と第1電極16との間にも接続してもよい。すなわち、外部電源32と種々のスイッチング素子との接続の組み合わせは本例に限らない。 Further, according to the surplus power of the external power supply 32, the external power supply 32 is not only connected between the second electrode 11 and the third electrode 51, but also connected between the second electrode 11 and the first electrode 16. You may. That is, the combination of connections between the external power supply 32 and various switching elements is not limited to this example.

2−4.第2の実施形態の変形例
図14は、第2の実施形態に係る化学反応装置の第1の変形例の構成を示す概略構成図である。
2-4. Modification Example of the Second Embodiment FIG. 14 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a first modification of the chemical reaction apparatus according to the second embodiment.

図14に示すように、第2の実施形態に係る化学反応装置の第1の変形例では、電解槽21は、第2電極11によって第1電解槽25と第2電解槽26とに物理的に分離され、イオン交換膜19aによって第2電解槽26と第3電解槽27とに物理的に分離される。 As shown in FIG. 14, in the first modification of the chemical reaction apparatus according to the second embodiment, the electrolytic cell 21 is physically divided into the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26 by the second electrode 11. Is physically separated into the second electrolytic cell 26 and the third electrolytic cell 27 by the ion exchange film 19a.

第1電解槽25は、第1電極16の表面(第1触媒17)を浸漬するように、その内部に第1電解液23aを収容する。第1電解液23aは、例えばHOを含む溶液である。このような溶液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、HOの酸化反応を促進するものであることが望ましい。第1電解槽25の上面は、光透過率の高い例えばガラスまたはアクリルからなる窓部が設けられる。照射光は、第1電解槽25の上方から照射される。 The first electrolytic cell 25 accommodates the first electrolytic solution 23a so as to immerse the surface (first catalyst 17) of the first electrode 16. The first electrolyte solution 23a is a solution containing, for example, H 2 O. Such solutions include but are intended to include any electrolyte, it is desirable is to promote the oxidation reaction of H 2 O. The upper surface of the first electrolytic cell 25 is provided with a window portion made of, for example, glass or acrylic, which has high light transmittance. The irradiation light is emitted from above the first electrolytic cell 25.

また、第1電解槽25には、配管22aが接続される。配管22aは、第1電解槽25内に第1電解液23aを注入する、または、第1電解槽25内から第1電解液23aを排出する。 Further, a pipe 22a is connected to the first electrolytic cell 25. The pipe 22a injects the first electrolytic cell 23a into the first electrolytic cell 25, or discharges the first electrolytic cell 23a from the first electrolytic cell 25.

第2電解槽26は、第2電極11の裏面(第2触媒18)を浸漬するように、その内部に第2電解液23bを収容する。第2電解液23bは、例えばCOを含む溶液である。第2電解液23bは、COの吸収率が高いことが望ましく、HOを含む溶液として、NaHCO、KHCOの水溶液が挙げられる。また、第1電解液23aと第2電解液23bとは同じ溶液でもよいが、第2電解液23bはCOの吸収量が高いほうが好ましいため、第1電解液23aと第2電解液23bとは別の溶液を用いてもよい。また、第2電解液23bは、COの還元電位を低下させ、イオン伝導性が高く、COを吸収するCO吸収剤を有することが望ましい。このような電解液として、イミダゾリウムイオンまたはピリジニウムイオン等の陽イオンと、BF4−または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が挙げられる。または、電解液として、エタノールアミン、イミダゾール、または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。アミンは、一級アミン、二級アミン、または三級アミンのいずれでもかまわない。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、または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かまわない。アミンの炭化水素が置換されたものとしては、例えば、メタノールアミン、エタノールアミン、または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。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、または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、異なってもかまわない。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、または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、または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、または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。また、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位が置換されたものとしては、例えば、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、または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、または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、ピリジニウムイオンはともに、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、BF4−、PF6−、CFCOO、CFSO3−、NO3−、SCN、(CFSO、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、またはビス(パーフルオロエチルスルホニル)イミド等が挙げられる。また、イオン液体のカチオンとアニオンとを炭化水素で連結した双生イオンでもよい。 The second electrolytic cell 26 accommodates the second electrolytic solution 23b so as to immerse the back surface (second catalyst 18) of the second electrode 11. The second electrolytic solution 23b is, for example, a solution containing CO 2 . It is desirable that the second electrolytic solution 23b has a high absorption rate of CO 2 , and examples of the solution containing H 2 O include aqueous solutions of NaHCO 3 and KHCO 3 . Further, the first electrolytic solution 23a and the second electrolytic solution 23b may be the same solution, but since it is preferable that the second electrolytic solution 23b has a high CO 2 absorption amount, the first electrolytic solution 23a and the second electrolytic solution 23b May use another solution. The second electrolyte solution 23b reduces the reduction potential of the CO 2, high ion conductivity, it is desirable to have CO 2 absorbent that absorbs CO 2. Such electrolytic solution, and a cation such as an imidazolium ion or a pyridinium ion, consists salts with BF 4-or PF 6- such anions, ionic liquids or aqueous solutions thereof in a liquid state in a wide temperature range Can be mentioned. Alternatively, examples of the electrolytic solution include an amine solution such as ethanolamine, imidazole, or pyridine, or an aqueous solution thereof. The amine may be a primary amine, a secondary amine, or a tertiary amine. Examples of the primary amine include methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine and the like. The hydrocarbon of amine may be substituted with alcohol, halogen or the like. Examples of those in which the hydrocarbon of the amine is substituted include methanolamine, ethanolamine, chloromethylamine and the like. Further, an unsaturated bond may be present. The same applies to these hydrocarbons as secondary amines and tertiary amines. Examples of the secondary amine include dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dipentylamine, dihexylamine, dimethanolamine, diethanolamine, dipropanolamine and the like. The substituted hydrocarbons may be different. This also applies to tertiary amines. For example, examples of different hydrocarbons include methyl ethylamine, methyl propylamine, and the like. Tertiary amines include trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine, trihexylamine, trimethanolamine, triethanolamine, tripropanolamine, tributanolamine, tripropanolamine, triexanolamine, methyldiethylamine, or Examples thereof include methyldipropylamine. The cations of the ionic liquid include 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1-methyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl-3-methylimidazolium ion, and 1-methyl-3-pentylimidazolium ion. , Or 1-hexyl-3-methylimidazolium ion and the like. Further, the 2-position of the imidazolium ion may be substituted. Examples of the imidazolium ion substituted at the 2-position include 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium ion, and 1-butyl 2,3-dimethyl. Examples thereof include imidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-pentylimidazolium ion, 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium ion and the like. Examples of the pyridinium ion include methylpyridinium, ethylpyridinium, propylpyridinium, butylpyridinium, pentylpyridinium, hexylpyridinium and the like. Both the imidazolium ion and the pyridinium ion may be substituted with an alkyl group or may have an unsaturated bond. Examples of the anion, fluoride ion, chloride ion, bromide ion, iodide ion, 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 can be mentioned. Further, zwitterion may be obtained by connecting a cation and an anion of an ionic liquid with a hydrocarbon.

また、第2電解槽26には、配管22bが接続される。配管22bは、第2電解槽26内に第2電解液23bを注入する、または、第2電解槽26内から第2電解液23bを排出する。 Further, a pipe 22b is connected to the second electrolytic cell 26. The pipe 22b injects the second electrolytic cell 23b into the second electrolytic cell 26, or discharges the second electrolytic cell 23b from the second electrolytic cell 26.

第3電解槽27は、第3電極51を浸漬するように、その内部に第3電解液23cを収容する。第3電解液23cは、第1電解液23aと同じ液体であり、例えばHOを含む溶液である。このような溶液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、HOの酸化反応を促進するものであることが望ましい。 The third electrolytic cell 27 accommodates the third electrolytic solution 23c so as to immerse the third electrode 51. The third electrolyte solution 23c is the same liquid as the first electrolyte solution 23a, a solution containing for example H 2 O. Such solutions include but are intended to include any electrolyte, it is desirable is to promote the oxidation reaction of H 2 O.

また、第3電解槽27には、配管22cが接続される。配管22cは、第3電解槽27内に第3電解液23cを注入する、または、第3電解槽27内から第3電解液23cを排出する。 Further, a pipe 22c is connected to the third electrolytic cell 27. The pipe 22c injects the third electrolytic cell 23c into the third electrolytic cell 27, or discharges the third electrolytic cell 23c from the third electrolytic cell 27.

電解液制御部61は、第1電解槽25内の第1電解液23a、第2電解槽26内の第2電解液23b、および第3電解槽27内の第3電解液23cを制御する。より具体的には、電解液制御部61は、第1電解槽25内の第1電解液23a、第2電解槽26内の第2電解液23b、および第3電解槽27内の第3電解液23cの量を測定し、配管22aによる第1電解液23a、配管22bによる第2電解液23b、および配管22cによる第3電解液23cの注入および排出を制御する。 The electrolytic cell control unit 61 controls the first electrolytic cell 23a in the first electrolytic cell 25, the second electrolytic cell 23b in the second electrolytic cell 26, and the third electrolytic cell 23c in the third electrolytic cell 27. More specifically, the electrolytic solution control unit 61 includes a first electrolytic cell 23a in the first electrolytic cell 25, a second electrolytic cell 23b in the second electrolytic cell 26, and a third electrolysis in the third electrolytic cell 27. The amount of the liquid 23c is measured, and the injection and discharge of the first electrolytic solution 23a by the pipe 22a, the second electrolytic liquid 23b by the pipe 22b, and the third electrolytic liquid 23c by the pipe 22c are controlled.

これにより、電解液制御部61は、人工光合成システムとして用いる場合に、十分な電解反応が起こるように第1電解槽25内を第1電解液23aで充填させ、第2電解槽26内を第2電解液23bで充填させる。また、電解液制御部61は、電解システムとして用いる場合に、十分な電解反応が起こるように第2電解槽26内を第2電解液23bで充填させ、第3電解槽27内を第3電解液23cで充填させる。また、電解液制御部61は、太陽電池として用いる場合に、第1電解液23aまたは第2電解液23b中に電気が流れないように、第1電解槽25内または第2電解槽26内から第1電解液23aまたは第2電解液23bを排出して第1電解槽25内または第2電解槽26内を空気で充填させる。 As a result, when the electrolytic solution control unit 61 is used as an artificial photosynthesis system, the first electrolytic cell 25 is filled with the first electrolytic cell 23a so that a sufficient electrolytic reaction occurs, and the second electrolytic cell 26 is filled with the second electrolytic cell 26. 2 Fill with the electrolytic solution 23b. Further, when the electrolytic solution control unit 61 is used as an electrolytic system, the second electrolytic cell 26 is filled with the second electrolytic cell 23b so that a sufficient electrolytic reaction occurs, and the third electrolytic cell 27 is filled with the third electrolysis. It is filled with the liquid 23c. Further, when the electrolytic solution control unit 61 is used as a solar cell, the electrolytic cell from inside the first electrolytic cell 25 or the second electrolytic cell 26 is prevented from flowing electricity into the first electrolytic cell 23a or the second electrolytic cell 23b. The first electrolytic cell 23a or the second electrolytic cell 23b is discharged, and the inside of the first electrolytic cell 25 or the second electrolytic cell 26 is filled with air.

第2電極11は、電解槽21を第1電解槽25と第2電解槽26とに物理的に分離する。第2電極11の裏面は、第2電解槽26側に配置され、第2電解槽26に収容される。このとき、第2電極11の表面は第1電解槽25側に配置されるが、第2電極11の表面に図示せぬ絶縁層を形成することで第2電極11と第1電解液22aとを電気的に絶縁させてこれらの反応を抑制することができる。また、第1電解液22aを非導電性の液体または気体に置き換えることで反応を抑制させてもよい。 The second electrode 11 physically separates the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26. The back surface of the second electrode 11 is arranged on the side of the second electrolytic cell 26 and is housed in the second electrolytic cell 26. At this time, the surface of the second electrode 11 is arranged on the side of the first electrolytic cell 25, but the second electrode 11 and the first electrolytic solution 22a are formed by forming an insulating layer (not shown) on the surface of the second electrode 11. Can be electrically insulated to suppress these reactions. Further, the reaction may be suppressed by replacing the first electrolytic solution 22a with a non-conductive liquid or gas.

また、第2電極11は、その露出部分にイオン移動経路を有する。イオン移動経路は、例えばその表面から裏面まで貫通する複数の細孔である。細孔は、第1電解槽25における第1電極16の酸化反応により生成されたイオン(例えばHイオン(H))のみを選択的に第2電解槽26に通過させる。細孔を通過したイオンは、第2電解槽26の第2電極11で還元反応によりO、H、または有機化合物等に変換される。 Further, the second electrode 11 has an ion transfer path in the exposed portion thereof. The ion transfer path is, for example, a plurality of pores penetrating from the front surface to the back surface thereof. The pores selectively allow only ions (for example, H ions (H + )) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to pass through the second electrolytic cell 26. Ions that have passed through the pores, is converted by the reduction reaction at the second electrode 11 of the second electrolytic cell 26 to the O 2, H 2 or an organic compound, and the like.

また、細孔は、イオンが通過する大きさであればよい。例えば、細孔の直径(円相当径)の下限は、0.3nm以上であることが好ましい。また、複数の細孔の総面積S1とイオン透過部材21aの面積S2との面積比S1/S2は、機械強度を損なわないように、0.9以下、好ましくは0.6以下である。また、細孔の形状は円形状に限らず、楕円形状、三角形状、または四角形状であってもよい。細孔の配置構成は四角格子状に限らず、三角格子状、ランダムであってもよい。また、細孔にイオン交換膜19を充填してもよい。イオン交換膜としては、例えばナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。また、細孔にガラスフィルタや寒天を充填してもよい。 Further, the pores may have a size that allows ions to pass through. For example, the lower limit of the diameter of the pores (diameter equivalent to a circle) is preferably 0.3 nm or more. Further, the area ratio S1 / S2 of the total area S1 of the plurality of pores and the area S2 of the ion permeable member 21a is 0.9 or less, preferably 0.6 or less so as not to impair the mechanical strength. Further, the shape of the pores is not limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, a triangular shape, or a square shape. The arrangement of the pores is not limited to a square lattice, and may be a triangular lattice or random. Further, the pores may be filled with the ion exchange membrane 19. Examples of the ion exchange membrane include a cation exchange membrane such as Nafion or Flemion, and an anion exchange membrane such as Neosepta or Selemion. Further, the pores may be filled with a glass filter or agar.

なお、第2電極11は、細孔の代わりに、その表面から裏面まで貫通し、かつイオン交換膜19が充填された複数のスリットを有してもよい。スリットは、第1電解槽25における第1電極16の酸化反応により生成されたイオン(例えばHイオン(H))のみを選択的に第2電解槽26に通過させる。 The second electrode 11 may have a plurality of slits that penetrate from the front surface to the back surface and are filled with the ion exchange membrane 19 instead of the pores. The slit selectively allows only ions (for example, H ions (H + )) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to pass through the second electrolytic cell 26.

また、イオン移動経路にポンプを設けることで、イオンの移動を促進させてもよい。 Further, the movement of ions may be promoted by providing a pump in the ion movement path.

イオン交換膜19aは、電解槽21を第2電解槽26と第3電解槽27とに物理的に分離する。イオン交換膜19aの表面は第2電解槽26側に配置され、イオン交換膜19aの裏面は第3電解槽27側に配置される。イオン交換膜19aは、第3電解槽27における第3電極51の酸化反応により生成されたイオン(例えばHイオン(H))のみを選択的に第2電解槽26に通過させる。イオン交換膜19aを通過したイオンは、第2電解槽26の第2電極11で還元反応によりO、H、または有機化合物等に変換される。イオン交換膜19aとしては、例えばナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。 The ion exchange membrane 19a physically separates the electrolytic cell 21 into the second electrolytic cell 26 and the third electrolytic cell 27. The front surface of the ion exchange membrane 19a is arranged on the second electrolytic cell 26 side, and the back surface of the ion exchange membrane 19a is arranged on the third electrolytic cell 27 side. The ion exchange membrane 19a selectively allows only ions (for example, H ions (H + )) generated by the oxidation reaction of the third electrode 51 in the third electrolytic cell 27 to pass through the second electrolytic cell 26. Ions passed through the ion exchange membrane 19a is converted by the reduction reaction at the second electrode 11 of the second electrolytic cell 26 to the O 2, H 2 or an organic compound, and the like. Examples of the ion exchange membrane 19a include a cation exchange membrane such as Nafion or Flemion, and an anion exchange membrane such as Neocepta or Selemion.

第1の変形例では、電解槽21を第1電解槽25と第2電解槽26と第3電解槽27に分離することにより、各電解槽において反応しやすい異なる電解液(第1電解液23a、第2電解液23b、および第3電解槽23c)を充填することができる。また、電解槽21を第1電解槽25と第2電解槽26と第3電解槽27とに分離することにより、第1電解槽25および第3電解槽27で酸化反応が行われ、第2電解槽26で還元反応が行われる。その結果、酸化反応による生成物(例えばO)を第1電解槽25および第3電解槽27で回収し、還元反応による生成物(例えばCO)を第2電解槽26で回収することができる。すなわち、酸化反応よる生成物と還元反応による生成物を分離して回収することができる。 In the first modification, by separating the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25, the second electrolytic cell 26, and the third electrolytic cell 27, different electrolytic cells (first electrolytic cell 23a) that easily react in each electrolytic cell are generated. , The second electrolytic cell 23b, and the third electrolytic cell 23c) can be filled. Further, by separating the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25, the second electrolytic cell 26, and the third electrolytic cell 27, an oxidation reaction is carried out in the first electrolytic cell 25 and the third electrolytic cell 27, and the second electrolytic cell is carried out. The reduction reaction is carried out in the electrolytic cell 26. As a result, the product of the oxidation reaction (for example, O 2 ) can be recovered in the first electrolytic cell 25 and the third electrolytic cell 27, and the product of the reduction reaction (for example, CO) can be recovered in the second electrolytic cell 26. .. That is, the product produced by the oxidation reaction and the product produced by the reduction reaction can be separated and recovered.

また、例えば反応電流密度、電極、または反応によって電解液を変化させてもよい。例えば、第1電解液23aおよび第3電解液23cはHOの酸化反応を行うが、第3電解液23cは外部電源32による反応である。このため、第3電解液23cにおける反応電流密度は、任意に変化させることができる。したがって、その反応電流密度に応じて、最適な電解液を選択することが可能である。例えば、第1電解液23aは半導体層(光起電力層15)を浸漬するため、半導体層を侵食しないものがよい。一方、第3電解液23cではその制限はないため、第3電解液23cとして異なる電解液を用いてもよい。 Further, the electrolytic solution may be changed depending on, for example, the reaction current density, the electrode, or the reaction. For example, the first electrolyte solution 23a and the third electrolyte solution 23c is an oxidation reaction of H 2 O, the third electrolyte solution 23c is the reaction by external power supply 32. Therefore, the reaction current density in the third electrolytic solution 23c can be arbitrarily changed. Therefore, it is possible to select the optimum electrolytic solution according to the reaction current density. For example, since the first electrolytic solution 23a immerses the semiconductor layer (photovoltaic power layer 15), it is preferable that the first electrolytic solution 23a does not erode the semiconductor layer. On the other hand, since the third electrolytic solution 23c is not limited, a different electrolytic solution may be used as the third electrolytic solution 23c.

図15は、第2の実施形態に係る化学反応装置の第2の変形例の構成を示す概略構成図である。 FIG. 15 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a second modification of the chemical reaction apparatus according to the second embodiment.

図15に示すように、第2の実施形態に係る化学反応装置の第2の変形例では、第1電極16と第2電極11との間にセンサ部42が電気的に接続され、第2電極11と第3電極51との間にセンサ部43が電気的に接続される。 As shown in FIG. 15, in the second modification of the chemical reaction apparatus according to the second embodiment, the sensor unit 42 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11, and the second electrode is second. The sensor unit 43 is electrically connected between the electrode 11 and the third electrode 51.

センサ部42は、第2電極11と第3電極51との間に、スイッチング素子31および外部電源32を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部42と第2電極11または第3電極51との間に、第1スイッチング素子31が形成される。そして、第1スイッチング素子31をオンにすることで、第2電極11と第3電極51とは外部電源32およびセンサ部42を介して電気的に接続される。一方、第1スイッチング素子31をオフにすることで、第2電極11と第3電極51とは外部電源32およびセンサ部42を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に電解システムとして用いられる場合に、センサ部42が機能する。 The sensor unit 42 is electrically connected between the second electrode 11 and the third electrode 51 via a switching element 31 and an external power supply 32. In other words, the first switching element 31 is formed between the sensor unit 42 and the second electrode 11 or the third electrode 51. Then, by turning on the first switching element 31, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected to each other via the external power supply 32 and the sensor unit 42. On the other hand, by turning off the first switching element 31, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically cut off via the external power supply 32 and the sensor unit 42. That is, the sensor unit 42 functions when the chemical reaction apparatus is mainly used as an electrolytic system.

センサ部43は、第1電極16と第2電極11との間に、第3スイッチング素子35を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部43と第1電極16または第2電極11との間に、第3スイッチング素子35が形成される。そして、第3スイッチング素子35をオンにすることで、第1電極16と第2電極11とはセンサ部43を介して電気的に接続される。一方、第3スイッチング素子35をオフにすることで、第1電極16と第2電極11とはセンサ部43を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に人工光合成システムとして用いられる場合に、センサ部43が機能する。 The sensor unit 43 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via a third switching element 35. In other words, the third switching element 35 is formed between the sensor unit 43 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the third switching element 35, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the sensor unit 43. On the other hand, by turning off the third switching element 35, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the sensor unit 43. That is, the sensor unit 43 functions when the chemical reaction apparatus is mainly used as an artificial photosynthesis system.

センサ部42は、例えば電解システムの場合に外部電源32の起電力を利用し、電解液23と第2電極11および第3電極51との反応によって得られる電気信号を捕らえる。これにより、センサ部42は、電解システムの場合において、電解液23のpH、電解液23の濃度、電解液23の組成、電解槽21内の圧力、電解槽21内の温度、および光の強度等を測定する。 For example, in the case of an electrolytic system, the sensor unit 42 uses the electromotive force of the external power supply 32 to capture an electric signal obtained by the reaction between the electrolytic solution 23 and the second electrode 11 and the third electrode 51. As a result, in the case of the electrolytic system, the sensor unit 42 has the pH of the electrolytic solution 23, the concentration of the electrolytic solution 23, the composition of the electrolytic solution 23, the pressure in the electrolytic cell 21, the temperature in the electrolytic cell 21, and the light intensity. Etc. are measured.

センサ部43は、例えば人工光合成システムの場合に光起電力層15の起電力を利用し、電解液23と第1電極16および第2電極11との反応によって得られる電気信号を捕らえる。これにより、センサ部43は、人工光合成システムの場合において、電解液23のpH、電解液23の濃度、電解液23の組成、電解槽21内の圧力、電解槽21内の温度、および光の強度等を測定する。センサ部43は、光起電力層15の起電力を利用するものであるため、電源レスで動作することができる。 The sensor unit 43 utilizes the electromotive force of the photovoltaic layer 15 in the case of an artificial photosynthesis system, for example, and captures an electric signal obtained by the reaction between the electrolytic solution 23 and the first electrode 16 and the second electrode 11. As a result, in the case of the artificial photosynthesis system, the sensor unit 43 determines the pH of the electrolytic cell 23, the concentration of the electrolytic cell 23, the composition of the electrolytic cell 23, the pressure in the electrolytic cell 21, the temperature in the electrolytic cell 21, and the light. Measure strength, etc. Since the sensor unit 43 utilizes the electromotive force of the photovoltaic layer 15, it can operate without a power source.

なお、人工光合成システムとして用いる場合に、光強度が弱くて光起電力層15の起電力によってセンサ43が機能しないことが考えらえる。この場合、一時的に外部電源32によってセンサ部42を機能させて、種々の要件を測定してもよい。一方、電解システムとして用いる場合も同様である。すなわち、電解システムとして用いる場合に、一時的に光起電力層15の起電力によってセンサ部43を機能させて、種々の要件を測定してもよい。 When used as an artificial photosynthesis system, it is conceivable that the sensor 43 does not function due to the electromotive force of the photovoltaic layer 15 due to its weak light intensity. In this case, the sensor unit 42 may be temporarily operated by the external power supply 32 to measure various requirements. On the other hand, the same applies when used as an electrolytic system. That is, when used as an electrolytic system, the sensor unit 43 may temporarily function by the electromotive force of the photovoltaic layer 15 to measure various requirements.

第2の変形例では、センサ部42,43により、電解液23のpH、電解液23の濃度、電解液23の組成、電解槽21内の圧力、電解槽21内の温度、および光の強度等を測定する。これにより、電解反応を促進させるための電解液23および電解槽21の状況を適宜調整することができる。 In the second modification, the pH of the electrolytic cell 23, the concentration of the electrolytic cell 23, the composition of the electrolytic cell 23, the pressure in the electrolytic cell 21, the temperature in the electrolytic cell 21, and the light intensity are determined by the sensor units 42 and 43. Etc. are measured. Thereby, the conditions of the electrolytic solution 23 and the electrolytic cell 21 for promoting the electrolytic reaction can be appropriately adjusted.

3.第3の実施形態
以下に図16乃至図21を用いて、第3の実施形態に係る化学反応装置について説明する。
3. 3. Third Embodiment The chemical reaction apparatus according to the third embodiment will be described below with reference to FIGS. 16 to 21.

第3の実施形態は、上記第2の実施形態の変形例である。第3の実施形態に係る化学反応装置では、積層体10(第2触媒18)の裏面上に、イオン交換膜19bを介して第3触媒52および第3電極51が形成される。そして、第2電極11の内部に第2電解槽流路26aが形成され、第3電極51の内部に第3電解槽流路27aが形成される。これにより、第2電解槽流路26aにおいて還元反応を行い、第3電解槽流路27aにおいて酸化反応を行うことができる。以下に、第3の実施形態について詳説する。 The third embodiment is a modification of the second embodiment. In the chemical reaction apparatus according to the third embodiment, the third catalyst 52 and the third electrode 51 are formed on the back surface of the laminated body 10 (second catalyst 18) via the ion exchange membrane 19b. Then, the second electrolytic cell flow path 26a is formed inside the second electrode 11, and the third electrolytic cell flow path 27a is formed inside the third electrode 51. As a result, the reduction reaction can be carried out in the second electrolytic cell flow path 26a, and the oxidation reaction can be carried out in the third electrolytic cell flow path 27a. The third embodiment will be described in detail below.

なお、第3の実施形態において、上記各実施形態と同様の点については適宜説明を省略し、主に異なる点について説明する。 In the third embodiment, the same points as those in the above embodiments will be omitted as appropriate, and the differences will be mainly described.

3−1.第3の実施形態の構成
図16は、第3の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図である。なお、図16において、積層体10、第3電極51、第3触媒52、イオン交換膜19b、および容器90は、その断面構成を示している。
3-1. Configuration of the Third Embodiment FIG. 16 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of a chemical reaction apparatus according to the third embodiment. In FIG. 16, the laminate 10, the third electrode 51, the third catalyst 52, the ion exchange membrane 19b, and the container 90 show their cross-sectional configurations.

図16に示すように、第3の実施形態に係る化学反応装置において、第1の実施形態と異なる点は、積層体10の裏面上(第2触媒18の裏面上)に、イオン交換膜19b、第3触媒52、および第3電極51が形成され、第2電極11内に第2電解槽流路26aが形成され、第3電極51内に第3電解槽流路27aが形成される点である。 As shown in FIG. 16, in the chemical reaction apparatus according to the third embodiment, the difference from the first embodiment is that the ion exchange membrane 19b is placed on the back surface of the laminate 10 (on the back surface of the second catalyst 18). , The third catalyst 52, and the third electrode 51 are formed, the second electrolytic cell flow path 26a is formed in the second electrode 11, and the third electrolytic cell flow path 27a is formed in the third electrode 51. Is.

第2電極11は、容器90を第1電解槽25と槽28とに物理的に分離する。 The second electrode 11 physically separates the container 90 into the first electrolytic cell 25 and the tank 28.

第1電解槽25は、容器90の第2電極11の表面側であり、第1電極16の表面(第1触媒17)を浸漬するように、その内部に第1電解液23aを収容する。第1電解液23aは、例えばHOを含む溶液である。このような溶液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、HOの酸化反応を促進するものであることが望ましい。第1電解槽25の上面は、光透過率の高い例えばガラスまたはアクリルからなる窓部が設けられる。照射光は、第1電解槽25の上方から照射される。 The first electrolytic cell 25 is on the surface side of the second electrode 11 of the container 90, and houses the first electrolytic solution 23a so as to immerse the surface of the first electrode 16 (first catalyst 17). The first electrolyte solution 23a is a solution containing, for example, H 2 O. Such solutions include but are intended to include any electrolyte, it is desirable is to promote the oxidation reaction of H 2 O. The upper surface of the first electrolytic cell 25 is provided with a window portion made of, for example, glass or acrylic, which has high light transmittance. The irradiation light is emitted from above the first electrolytic cell 25.

また、第1電解槽25には、配管22aが接続される。配管22aは、第1電解槽25内に第1電解液23aを注入する、または、第1電解槽25内から第1電解液23aを排出する。 Further, a pipe 22a is connected to the first electrolytic cell 25. The pipe 22a injects the first electrolytic cell 23a into the first electrolytic cell 25, or discharges the first electrolytic cell 23a from the first electrolytic cell 25.

槽28は、第2電極11の裏面側であり、第2触媒18、イオン交換膜19b、第3触媒52、および第3電極51を収容する。槽28は、その内部に電解液を収容せず、例えば空気で充填される。 The tank 28 is on the back surface side of the second electrode 11, and houses the second catalyst 18, the ion exchange membrane 19b, the third catalyst 52, and the third electrode 51. The tank 28 does not contain the electrolytic solution inside, and is filled with, for example, air.

第2電極11は、容器90を第1電解槽25と槽28とに物理的に分離する。第2電極11の裏面は、槽28側に配置され、槽28に収容される。このとき、第2電極11の表面は第1電解槽25側に配置されるが、第2電極11の表面に図示せぬ絶縁層を形成することで第2電極11と第1電解液22aとを電気的に絶縁させてこれらの反応を抑制することができる。 The second electrode 11 physically separates the container 90 into the first electrolytic cell 25 and the tank 28. The back surface of the second electrode 11 is arranged on the tank 28 side and is housed in the tank 28. At this time, the surface of the second electrode 11 is arranged on the side of the first electrolytic cell 25, but the second electrode 11 and the first electrolytic solution 22a are formed by forming an insulating layer (not shown) on the surface of the second electrode 11. Can be electrically insulated to suppress these reactions.

また、第2電極11は、その露出部分にイオン移動経路を有する。イオン移動経路は、例えばその表面から裏面まで貫通する複数の細孔である。細孔は、第1電解槽25における第1電極16の酸化反応により生成されたイオン(例えばH)のみを選択的に第2電解槽流路26aに通過させる。細孔を通過したイオンは、第2電解槽流路26aの第2電極11で還元反応によりO、H、または有機化合物等に変換される。 Further, the second electrode 11 has an ion transfer path in the exposed portion thereof. The ion transfer path is, for example, a plurality of pores penetrating from the front surface to the back surface thereof. The pores selectively allow only ions (for example, H + ) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to pass through the second electrolytic cell flow path 26a. Ions that have passed through the pores, is converted by the reduction reaction at the second electrode 11 of the second electrolytic bath passage 26a to the O 2, H 2 or an organic compound, and the like.

また、細孔は、イオンが通過する大きさであればよい。例えば、細孔の直径(円相当径)の下限は、0.3nm以上であることが好ましい。また、複数の細孔の総面積S1とイオン透過部材21aの面積S2との面積比S1/S2は、機械強度を損なわないように、0.9以下、好ましくは0.6以下である。また、細孔の形状は円形状に限らず、楕円形状、三角形状、または四角形状であってもよい。細孔の配置構成は四角格子状に限らず、三角格子状、ランダムであってもよい。また、細孔にイオン交換膜19を充填してもよい。イオン交換膜としては、例えばナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。また、細孔にガラスフィルタや寒天を充填してもよい。 Further, the pores may have a size that allows ions to pass through. For example, the lower limit of the diameter of the pores (diameter equivalent to a circle) is preferably 0.3 nm or more. Further, the area ratio S1 / S2 of the total area S1 of the plurality of pores and the area S2 of the ion permeable member 21a is 0.9 or less, preferably 0.6 or less so as not to impair the mechanical strength. Further, the shape of the pores is not limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, a triangular shape, or a square shape. The arrangement of the pores is not limited to a square lattice, and may be a triangular lattice or random. Further, the pores may be filled with the ion exchange membrane 19. Examples of the ion exchange membrane include a cation exchange membrane such as Nafion or Flemion, and an anion exchange membrane such as Neosepta or Selemion. Further, the pores may be filled with a glass filter or agar.

なお、第2電極11は、細孔の代わりに、その表面から裏面まで貫通し、かつイオン交換膜19が充填された複数のスリットを有してもよい。スリットは、第1電解槽25における第1電極16の酸化反応により生成されたイオン(例えばH)のみを選択的に第2電解槽流路26aに通過させる。 The second electrode 11 may have a plurality of slits that penetrate from the front surface to the back surface and are filled with the ion exchange membrane 19 instead of the pores. The slit selectively allows only ions (for example, H + ) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to pass through the second electrolytic cell flow path 26a.

第2電極11の裏面上に、第2触媒18が形成される。第2触媒18は、イオン移動経路に接するように形成される。第2触媒18は、多孔質であり、電解液の原料、水(HO)、CO、およびイオン(例えばH)を通過させる。また、第2電極11と第2電解槽流路26aとの間に図示せぬガス拡散層が形成されてもよい。ガス拡散層は、多孔質であり、撥水性を有する。これにより、物質拡散速度を高めることができ、水(HO)およびCOを蒸気(気体)として第2触媒18に供給することができる。これにより、第2触媒18における反応効率を上昇させることができる。 The second catalyst 18 is formed on the back surface of the second electrode 11. The second catalyst 18 is formed so as to be in contact with the ion transfer path. The second catalyst 18 is porous and allows the feedstock of the electrolyte, water (H 2 O), CO 2 and ions (eg H + ) to pass through. Further, a gas diffusion layer (not shown) may be formed between the second electrode 11 and the second electrolytic cell flow path 26a. The gas diffusion layer is porous and has water repellency. This increases the mass diffusion rate, water (H 2 O) and CO 2 can be supplied to the second catalyst 18 as a vapor (gas). As a result, the reaction efficiency of the second catalyst 18 can be increased.

イオン交換膜19bは、第2触媒18の裏面上に形成される。イオン交換膜19bは、第3電解槽流路27aにおける第3電極51の酸化反応により生成されたイオン(例えばH)のみを選択的に第2触媒18を介して第2電解槽流路26aに通過させる。イオン交換膜19aを通過したイオンは、第2電解槽26の第2電極11で還元反応によりO、H、または有機化合物等に変換される。イオン交換膜19bとしては、例えばナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。 The ion exchange membrane 19b is formed on the back surface of the second catalyst 18. The ion exchange membrane 19b selectively selects only ions (for example, H + ) generated by the oxidation reaction of the third electrode 51 in the third electrolytic cell flow path 27a via the second catalyst 18 in the second electrolytic cell flow path 26a. Let it pass through. Ions passed through the ion exchange membrane 19a is converted by the reduction reaction at the second electrode 11 of the second electrolytic cell 26 to the O 2, H 2 or an organic compound, and the like. Examples of the ion exchange membrane 19b include a cation exchange membrane such as Nafion or Flemion, and an anion exchange membrane such as Neosepta or Selemion.

第3触媒52は、イオン交換膜19bの裏面上に形成される。第3触媒52は、多孔質であり、電解液の原料、水(HO)、CO、およびイオン(例えばH)を通過させる。また、第3電極51と第3電解槽流路27aとの間に図示せぬガス拡散層が形成されてもよい。ガス拡散層は、多孔質であり、撥水性を有する。これにより、物質拡散速度を高めることができ、水(HO)およびCOを蒸気(気体)として第3触媒52に供給することができる。これにより、第3触媒52における反応効率を上昇させることができる。 The third catalyst 52 is formed on the back surface of the ion exchange membrane 19b. The third catalyst 52 is porous and allows the feedstock of the electrolyte, water (H 2 O), CO 2 and ions (eg H + ) to pass through. Further, a gas diffusion layer (not shown) may be formed between the third electrode 51 and the third electrolytic cell flow path 27a. The gas diffusion layer is porous and has water repellency. This increases the mass diffusion rate, water (H 2 O) and CO 2 can be supplied to the third catalyst 52 as a vapor (gas). As a result, the reaction efficiency of the third catalyst 52 can be increased.

第3触媒52は、第3電極51の表面付近における化学反応性(酸化反応性)を高めるために設けられる。第3電解液23cとして水溶液、すなわち、HOを含む溶液を用いた場合、第3電極51はHOを酸化してOとHを生成する。このため、第3触媒52は、HOを酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、HOを酸化してOとHを生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、Mn−O、Ir−O、Ni−O、Co−O、Fe−O、Sn−O、In−O、またはRu−O等の二元系金属酸化物、Ni−Co−O、Ni−Fe−O、La−Co−O、Ni−La−O、Sr−Fe−O等の三元系金属酸化物、Pb−Ru−Ir−O、La−Sr−Co−O等の四元系金属酸化物、もしくは、Ru錯体またはFe錯体等の金属錯体が挙げられる。また、第3触媒の形状としては、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、またはワイヤー状であってもよい。 The third catalyst 52 is provided to enhance the chemical reactivity (oxidation reactivity) near the surface of the third electrode 51. When an aqueous solution, that is, a solution containing H 2 O is used as the third electrolytic solution 23c, the third electrode 51 oxidizes H 2 O to generate O 2 and H + . Therefore, the third catalyst 52 is comprised of a material that reduces the activation energy for the oxidation of H 2 O. In other words, it is composed of a material that reduces the overvoltage in oxidizing H 2 O to produce O 2 and H + . Such materials include dual metal oxides such as Mn-O, Ir-O, Ni-O, Co-O, Fe-O, Sn-O, In-O, or Ru-O, Ni-Co. Three-way metal oxides such as -O, Ni-Fe-O, La-Co-O, Ni-La-O, Sr-Fe-O, Pb-Ru-Ir-O, La-Sr-Co-O Such as quaternary metal oxides, or metal complexes such as Ru complex or Fe complex. The shape of the third catalyst is not limited to the thin film shape, but may be a lattice shape, a particle shape, or a wire shape.

第3電極51は、第3触媒52の裏面上に形成される。第3電極51は、例えばCu、Al、Ti、Ni、Fe、またはAg等の金属板、もしくはそれらを少なくとも1つ含む例えばSUSのような合金板で構成される。また、第3電極51は、導電性の樹脂等で構成されてもよい。また、第3電極51は、SiまたはGe等の半導体基板で構成されてもよい。また、第3電極51は、カーボンまたは多孔体カーボンで構成されてもよい。 The third electrode 51 is formed on the back surface of the third catalyst 52. The third electrode 51 is composed of, for example, a metal plate such as Cu, Al, Ti, Ni, Fe, or Ag, or an alloy plate containing at least one of them, such as SUS. Further, the third electrode 51 may be made of a conductive resin or the like. Further, the third electrode 51 may be made of a semiconductor substrate such as Si or Ge. Further, the third electrode 51 may be made of carbon or porous carbon.

第2電解槽流路26aは、第2電極11内に形成される。より具体的には、第2電解槽流路26aは、第2電極11の裏面に形成された溝部として形成される。言い換えると、第2電解槽流路26aは、第2電極11と第2触媒18との界面における空洞部分に形成される。このため、第2電解槽流路26aは、第2電極11および第2触媒18に接して形成される。すなわち、第2電解槽流路26a内に第2電解液23bが充填されることで、第2電解液23bは第2電極11および第2触媒18に接する。 The second electrolytic cell flow path 26a is formed in the second electrode 11. More specifically, the second electrolytic cell flow path 26a is formed as a groove formed on the back surface of the second electrode 11. In other words, the second electrolytic cell flow path 26a is formed in the hollow portion at the interface between the second electrode 11 and the second catalyst 18. Therefore, the second electrolytic cell flow path 26a is formed in contact with the second electrode 11 and the second catalyst 18. That is, when the second electrolytic cell 23b is filled in the second electrolytic cell flow path 26a, the second electrolytic cell 23b comes into contact with the second electrode 11 and the second catalyst 18.

第3電解槽流路27aは、第3電極51内に形成される。より具体的には、第3電解槽流路27aは、第3電極51の表面に形成された溝部として形成される。言い換えると、第3電解槽流路27aは、第3電極51と第3触媒52との界面における空洞部分に形成される。このため、第3電解槽流路27aは、第3電極51および第3触媒52に接して形成される。すなわち、第3電解槽流路27a内に第3電解液23cが充填されることで、第3電解液23cは第3電極51および第3触媒52に接する。 The third electrolytic cell flow path 27a is formed in the third electrode 51. More specifically, the third electrolytic cell flow path 27a is formed as a groove formed on the surface of the third electrode 51. In other words, the third electrolytic cell flow path 27a is formed in the hollow portion at the interface between the third electrode 51 and the third catalyst 52. Therefore, the third electrolytic cell flow path 27a is formed in contact with the third electrode 51 and the third catalyst 52. That is, by filling the third electrolytic cell flow path 27a with the third electrolytic cell 23c, the third electrolytic cell 23c comes into contact with the third electrode 51 and the third catalyst 52.

電解液制御部61は、第1電解槽25内の第1電解液23a、第2電解槽流路26a内の第2電解液23b、および第3電解槽流路27a内の第3電解液23cを制御する。より具体的には、電解液制御部61は、第1電解槽25内の第1電解液23a、第2電解槽流路26a内の第2電解液23b、および第3電解槽流路27a内の第3電解液23cの量を測定し、配管22aによる第1電解液23a、第2電解槽流路26aに接続される図示せぬ配管による第2電解液23b、および第3電解槽流路27aに接続される図示せぬ配管による第3電解液23cの注入および排出を制御する。 The electrolytic cell control unit 61 includes a first electrolytic cell 23a in the first electrolytic cell 25, a second electrolytic cell 23b in the second electrolytic cell flow path 26a, and a third electrolytic cell 23c in the third electrolytic cell flow path 27a. To control. More specifically, the electrolytic cell control unit 61 includes the first electrolytic cell 23a in the first electrolytic cell 25, the second electrolytic cell 23b in the second electrolytic cell flow path 26a, and the third electrolytic cell flow path 27a. The amount of the third electrolytic cell 23c was measured, and the first electrolytic cell 23a by the pipe 22a, the second electrolytic cell 23b by the pipe not shown connected to the second electrolytic cell flow path 26a, and the third electrolytic cell flow path. The injection and discharge of the third electrolytic solution 23c are controlled by a pipe (not shown) connected to 27a.

3−2.第3の実施形態の動作
図17は、第3の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図である。人工光合成システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがある場合に用いられる。
3-2. Operation of the third embodiment FIG. 17 is a diagram showing the operation of the artificial photosynthesis system of the chemical reaction apparatus according to the third embodiment. Artificial photosynthesis systems are mainly used when there is surplus power and when there is solar energy.

図17に示すように、人工光合成システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31および第2スイッチング素子33をオフにする。これにより、第2電極11と第3電極51とが外部電源32を介して電気的に遮断される。また、第1電極16と第2電極11とが電力需要部34を介して電気的に遮断される。 As shown in FIG. 17, when used as an artificial photosynthesis system, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33. As a result, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically cut off via the external power supply 32. Further, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the power demand unit 34.

また、電解液制御部61は、第1電極16が第1電解液23aに浸漬されるように、第1電解槽25内の第1電解液23aの量を制御する。これにより、第1電解槽25内に配管22aを介して第1電解液23aが注入され、第1電解槽25内は第1電解液23aで充填される。なお、第1電解槽25内が第1電解液23aで充填されなくてもよく、少なくとも第1電極16の一部が第1電解液23aに浸漬されていればよい。 Further, the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the first electrolytic solution 23a in the first electrolytic cell 25 so that the first electrode 16 is immersed in the first electrolytic cell 23a. As a result, the first electrolytic cell 23a is injected into the first electrolytic cell 25 via the pipe 22a, and the inside of the first electrolytic cell 25 is filled with the first electrolytic cell 23a. The inside of the first electrolytic cell 25 does not have to be filled with the first electrolytic cell 23a, and at least a part of the first electrode 16 may be immersed in the first electrolytic cell 23a.

一方、電解液制御部61は、第2電極11が第2電解液23bに浸漬されるように、第2電解槽流路26a内の第2電解液23bの量を制御する。これにより、第2電解槽流路26a内に図示せぬ配管を介して第2電解液23bが注入され、第2電解槽流路26a内は第2電解液23bで充填される。なお、第2電解槽流路26a内が第2電解液23bで充填されなくてもよく、少なくとも第2電極11の一部が第2電解液23bに浸漬されていればよい。 On the other hand, the electrolytic cell control unit 61 controls the amount of the second electrolytic cell 23b in the second electrolytic cell flow path 26a so that the second electrode 11 is immersed in the second electrolytic cell 23b. As a result, the second electrolytic cell 23b is injected into the second electrolytic cell flow path 26a via a pipe (not shown), and the inside of the second electrolytic cell flow path 26a is filled with the second electrolytic cell 23b. The inside of the second electrolytic cell flow path 26a does not have to be filled with the second electrolytic cell 23b, and at least a part of the second electrode 11 may be immersed in the second electrolytic cell 23b.

なお、第3電解槽流路27a内には、第3電解液23cが充填されていても、充填されていなくてもよい。 The third electrolytic cell flow path 27a may or may not be filled with the third electrolytic cell 23c.

この状態で上方から光が照射されると、第1電解液23aに接する第1電極16の表面付近では(1)式、第2電解液23bに接する第2電極11の裏面付近では(2)式の反応が生じる。 When light is irradiated from above in this state, equation (1) is formed near the front surface of the first electrode 16 in contact with the first electrolytic solution 23a, and (2) is provided near the back surface of the second electrode 11 in contact with the second electrolytic solution 23b. The reaction of the formula occurs.

(1)式に示すように、第1電極16の表面付近において、HOが酸化されて(電子を失い)OとHが生成される。そして、第1電極16側で生成されたHは、第2電極11側に移動する。より具体的には、第1電極16側で生成されたHは、イオン交換膜19および多孔質の第2触媒18を通過して、第2電解槽流路26a内に移動する。 As shown in the equation (1), H 2 O is oxidized (loses electrons) near the surface of the first electrode 16 to generate O 2 and H + . Then, the H + generated on the first electrode 16 side moves to the second electrode 11 side. More specifically, the H + generated on the first electrode 16 side passes through the ion exchange membrane 19 and the porous second catalyst 18 and moves into the second electrolytic cell flow path 26a.

(2)式に示すように、第2電極11の裏面付近(第2電解槽流路26a)において、COと移動したHとが反応し、COとHOが生成される。すなわち、COが還元される(電子を得る)。 As shown in the equation (2), in the vicinity of the back surface of the second electrode 11 (second electrolytic cell flow path 26a), CO 2 reacts with the moved H + to generate CO and H 2 O. That is, CO 2 is reduced (obtaining electrons).

このように、人工光合成システムでは、太陽光エネルギーによって光起電力層15に起電力が生じ、この起電力によって第1電極16の表面および第2電極11の裏面において酸化還元反応(電解反応)が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。 As described above, in the artificial photosynthesis system, an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15 by solar energy, and the electromotive force causes a redox reaction (electrolytic reaction) on the front surface of the first electrode 16 and the back surface of the second electrode 11. It happens and chemical energy is generated. That is, solar energy can be converted into chemical energy.

図18は、第3の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図である。電解システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがない場合に用いられる。例えば、電解システムは、夜間に用いられ得る。 FIG. 18 is a diagram showing the operation of the electrolytic system of the chemical reaction apparatus according to the third embodiment. Electrolytic systems are mainly used when there is surplus power and there is no solar energy. For example, an electrolytic system can be used at night.

図18に示すように、電解システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31をオンにする。これにより、第2電極11と第3電極51とが外部電源32を介して電気的に接続される。一方、スイッチング素子制御部41は、第2スイッチング素子33をオフにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが電力需要部34を介して電気的に遮断される。 As shown in FIG. 18, when used as an electrolytic system, the switching element control unit 41 turns on the first switching element 31. As a result, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the power demand unit 34.

また、電解液制御部61は、第2電極11が第2電解液23bに浸漬されるように、第2電解槽流路26a内の第2電解液23bの量を制御する。これにより、第2電解槽流路26a内に図示せぬ配管を介して第2電解液23bが注入され、第2電解槽流路26a内は第2電解液23bで充填される。なお、第2電解槽流路26a内が第2電解液23bで充填されなくてもよく、少なくとも第2電極11の一部が第2電解液23bに浸漬されていればよい。 Further, the electrolytic cell control unit 61 controls the amount of the second electrolytic cell 23b in the second electrolytic cell flow path 26a so that the second electrode 11 is immersed in the second electrolytic cell 23b. As a result, the second electrolytic cell 23b is injected into the second electrolytic cell flow path 26a via a pipe (not shown), and the inside of the second electrolytic cell flow path 26a is filled with the second electrolytic cell 23b. The inside of the second electrolytic cell flow path 26a does not have to be filled with the second electrolytic cell 23b, and at least a part of the second electrode 11 may be immersed in the second electrolytic cell 23b.

一方、電解液制御部61は、第3電極51が第3電解液23cに浸漬されるように、第3電解槽流路27a内の第3電解液23cの量を制御する。これにより、第3電解槽流路27a内に図示せぬ配管を介して第3電解液23cが注入され、第3電解槽流路27a内は第3電解液23cで充填される。なお、第3電解槽流路27a内が第3電解液23cで充填されなくてもよく、少なくとも第2電極11の一部が第2電解液23bに浸漬されていればよい。 On the other hand, the electrolytic cell control unit 61 controls the amount of the third electrolytic cell 23c in the third electrolytic cell flow path 27a so that the third electrode 51 is immersed in the third electrolytic cell 23c. As a result, the third electrolytic cell 23c is injected into the third electrolytic cell flow path 27a via a pipe (not shown), and the inside of the third electrolytic cell flow path 27a is filled with the third electrolytic cell 23c. The inside of the third electrolytic cell flow path 27a does not have to be filled with the third electrolytic cell 23c, and at least a part of the second electrode 11 may be immersed in the second electrolytic cell 23b.

なお、第1電解槽25内には、第1電解液23aが充填されていても、充填されていなくてもよい。 The first electrolytic cell 25 may or may not be filled with the first electrolytic cell 23a.

この状態で外部電源32に起電力が発生すると、第3電解液23cに接する第3電極51の表面付近では(1)式、第2電解液23bに接する第2電極11の裏面付近では(2)式の反応が生じる。 When an electromotive force is generated in the external power supply 32 in this state, the equation (1) is in the vicinity of the front surface of the third electrode 51 in contact with the third electrolytic solution 23c, and (2) is in the vicinity of the back surface of the second electrode 11 in contact with the second electrolytic solution 23b. ) Equation reaction occurs.

(1)式に示すように、第3電極51の表面付近(第3電解槽流路27a)において、HOが酸化されて(電子を失い)OとHが生成される。そして、第3電極51側で生成されたHは、第2電極11側に移動する。より具体的には、第3電極51側で生成されたHは、多孔質の第3触媒52、イオン交換膜19、および多孔質の第2触媒18を通過して、第2電解槽流路26a内に移動する。 As shown in the equation (1), H 2 O is oxidized (loses electrons) near the surface of the third electrode 51 (third electrolytic cell flow path 27a) to generate O 2 and H + . Then, the H + generated on the third electrode 51 side moves to the second electrode 11 side. More specifically, the H + generated on the third electrode 51 side passes through the porous third catalyst 52, the ion exchange membrane 19, and the porous second catalyst 18, and flows through the second electrolytic cell. Move into the road 26a.

このとき、第3電極51と第2電極11とは、互いに対向して形成されるため、その距離は比較的小さい。このため、第3電極51から第2電極11へとHが移動する距離は小さい。したがって、効率的にHを第3電極51から第2電極11へと拡散させることができる。 At this time, since the third electrode 51 and the second electrode 11 are formed so as to face each other, the distance between them is relatively small. Therefore, the distance that H + moves from the third electrode 51 to the second electrode 11 is small. Therefore, H + can be efficiently diffused from the third electrode 51 to the second electrode 11.

(2)式に示すように、第2電極11の裏面付近(第2電解槽流路26a)において、COと移動したHとが反応し、COとHOが生成される。すなわち、COが還元される(電子を得る)。 As shown in the equation (2), in the vicinity of the back surface of the second electrode 11 (second electrolytic cell flow path 26a), CO 2 reacts with the moved H + to generate CO and H 2 O. That is, CO 2 is reduced (obtaining electrons).

このように、電解システムでは、余剰電力の電気エネルギーによって外部電源32に起電力が生じ、この起電力によって酸化還元反応(電解反応)が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、電気エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。 As described above, in the electrolytic system, an electromotive force is generated in the external power source 32 by the electric energy of the surplus electric power, and the oxidation-reduction reaction (electrolytic reaction) is caused by this electromotive force to generate chemical energy. That is, electrical energy can be converted into chemical energy.

なお、人工光合成システムと電解システムとを同時に反応させてもよい。すなわち、第1電解槽25内に第1電解液23a、第2電解槽流路26a内に第2電解液23b、第3電解槽流路27a内に第3電解液23cを充填させる。そして、光を照射させるとともに、スイッチング素子31をオンにする。これにより、第1電極16と第3電極51とを第2電極11に対して並列に接続させた状態で、第1電解槽25、第2電解槽流路26a、および第3電解槽流路27aのそれぞれで各反応を生じさせることができる。 The artificial photosynthesis system and the electrolysis system may be reacted at the same time. That is, the first electrolytic cell 25 is filled with the first electrolytic cell 23a, the second electrolytic cell flow path 26a is filled with the second electrolytic cell 23b, and the third electrolytic cell flow path 27a is filled with the third electrolytic cell 23c. Then, the switching element 31 is turned on while irradiating with light. As a result, the first electrolytic cell 25, the second electrolytic cell flow path 26a, and the third electrolytic cell flow path are connected in parallel to the second electrode 11 with the first electrode 16 and the third electrode 51. Each reaction can occur in each of 27a.

図19は、第3の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図である。図20は、第2の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図である。太陽電池は、主に余剰電力がない場合に用いられる。 FIG. 19 is a diagram showing the solar cell operation of the chemical reaction apparatus according to the third embodiment. FIG. 20 is a diagram showing a modified example of the solar cell operation of the chemical reaction apparatus according to the second embodiment. Solar cells are mainly used when there is no surplus power.

図19に示すように、太陽電池として用いる場合、スイッチング素子制御部41は、第1スイッチング素子31をオフにする。これにより、第2電極11と第3電極51とが外部電源32を介して電気的に遮断される。一方、スイッチング素子制御部41は、第2スイッチング素子33をオンにする。これにより、第1電極16と第2電極11とが電力需要部34を介して電気的に接続される。 As shown in FIG. 19, when used as a solar cell, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31. As a result, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically cut off via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns on the second switching element 33. As a result, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the power demand unit 34.

このとき、第1電極16と第2電極11との間において、第1電解液23aまたは第2電解液23bを介してイオンの移動は起こらないほうがよい。すなわち、第1電解液23aまたは第2電解液23bを介して電流が流れないほうがよい。これは、光起電力層15による発電と同時に電力需要部34に放電するためである。このため、電解液制御部61は、第1電極16が第1電解液23aに浸漬されないように、第1電解槽25内の第1電解液23aの量を制御する。または、第2電極11が第2電解液23bに浸漬されないように、第2電解槽26a内の第2電解液23bの量を制御する。これにより、第1電解槽25内から配管22aを介して第1電解液23aが排出され、第1電解槽25内は空気で充填される、または、第2電解槽26a内から図示せぬ配管を介して第2電解液23bが排出され、第2電解槽26a内は空気で充填される。 At this time, it is preferable that the movement of ions between the first electrode 16 and the second electrode 11 does not occur via the first electrolytic solution 23a or the second electrolytic solution 23b. That is, it is preferable that no current flows through the first electrolytic solution 23a or the second electrolytic solution 23b. This is because the photovoltaic power layer 15 discharges power to the power demand unit 34 at the same time as power generation. Therefore, the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the first electrolytic solution 23a in the first electrolytic cell 25 so that the first electrode 16 is not immersed in the first electrolytic cell 23a. Alternatively, the amount of the second electrolytic cell 23b in the second electrolytic cell 26a is controlled so that the second electrode 11 is not immersed in the second electrolytic cell 23b. As a result, the first electrolytic cell 23a is discharged from the first electrolytic cell 25 via the pipe 22a, and the inside of the first electrolytic cell 25 is filled with air, or a pipe (not shown) from the second electrolytic cell 26a. The second electrolytic cell 23b is discharged, and the inside of the second electrolytic cell 26a is filled with air.

なお、第1電解槽25内が空気で充填されなくてもよく、少なくとも第1電極16が第1電解液23aに浸漬されていなければよい。このとき、図20に示すように、上述した人工光合成システムまたは電解システムによって生成された気体(例えばO等)で第1電解槽25内の一部を充填させてもよい。この場合、配管22aを介して、第1電解槽25内から第1電解液23aを排出する必要はない。すなわち、配管22aに備えられるポンプ等を用いる必要がなく、エネルギーロスを少なくすることができる。また、この場合、第1電極16を重力とは反対側に配置することが必要である。 The inside of the first electrolytic cell 25 does not have to be filled with air, and at least the first electrode 16 may not be immersed in the first electrolytic solution 23a. At this time, as shown in FIG. 20, a part of the first electrolytic cell 25 may be filled with the gas (for example, O 2 or the like) generated by the artificial photosynthesis system or the electrolysis system described above. In this case, it is not necessary to discharge the first electrolytic solution 23a from the inside of the first electrolytic cell 25 via the pipe 22a. That is, it is not necessary to use a pump or the like provided in the pipe 22a, and energy loss can be reduced. Further, in this case, it is necessary to arrange the first electrode 16 on the side opposite to gravity.

また、第2電極11が導電性材料で構成される場合、第2電極11と第2触媒18との間(接触点)に図示せぬ絶縁層を設けてもよい。そして、第2電解槽流路26a内の第2電解液23bを排出して、第2電解槽流路26a内を絶縁性の液体または気体で満たす。これにより、第1電解槽25内の第1電解液23aを排出する必要がなくなる。したがって、第1電解液23aの出し入れに伴う煩雑さがなく、エネルギー効率を向上させることができる。 Further, when the second electrode 11 is made of a conductive material, an insulating layer (not shown) may be provided between the second electrode 11 and the second catalyst 18 (contact point). Then, the second electrolytic cell 23b in the second electrolytic cell flow path 26a is discharged, and the inside of the second electrolytic cell flow path 26a is filled with an insulating liquid or gas. This eliminates the need to discharge the first electrolytic solution 23a in the first electrolytic cell 25. Therefore, the energy efficiency can be improved without the complexity associated with taking in and out the first electrolytic solution 23a.

この状態で上方から光が照射されると、照射光は第1電極16を通過し、光起電力層15に到達する。光起電力層15は、光を吸収すると、電子およびそれと対になる正孔を生成し、それらを分離する。すなわち、各光起電力層(第1光起電力層12、第2光起電力層13、および第3光起電力層14)において、n型の半導体層側(第2電極11側)に電子が移動し、p型の半導体層側(第1電極16側)に電子の対として発生した正孔が移動し、電荷分離が生じる。これにより、光起電力層15に起電力が発生する。この光起電力層15によって発生した起電力によって、電力需要部34に電力を供給することができる。 When light is irradiated from above in this state, the irradiated light passes through the first electrode 16 and reaches the photovoltaic layer 15. When the photovoltaic layer 15 absorbs light, it generates electrons and holes paired with them, and separates them. That is, in each photovoltaic layer (first photovoltaic layer 12, second photovoltaic layer 13, and third photovoltaic layer 14), electrons are placed on the n-type semiconductor layer side (second electrode 11 side). Moves, and holes generated as a pair of electrons move to the p-type semiconductor layer side (first electrode 16 side), and charge separation occurs. As a result, an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15. The electromotive force generated by the photovoltaic layer 15 can supply electric power to the electric power demand unit 34.

このように、太陽電池では、太陽光エネルギーによって光起電力層15に起電力が生じ、この起電力によって電気エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。 As described above, in the solar cell, solar energy generates an electromotive force in the photovoltaic layer 15, and this electromotive force generates electric energy. That is, solar energy can be converted into electrical energy.

3−3.第3の実施形態の効果
上記第3の実施形態によれば、第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。
3-3. Effect of Third Embodiment According to the third embodiment, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.

さらに、第3の実施形態によれば、積層体10(第2触媒18)の裏面上に、イオン交換膜19bを介して第3触媒53および第3電極51が形成される。そして、第2電極11の内部に第2電解槽流路26aが形成され、第3電極51の内部に第3電解槽流路27aが形成される。第3の実施形態における第2電解槽流路26aおよび第3電解槽流路27aは、第2の実施形態における第2電解槽26および第3電解槽27よりも容量が小さく形成される。これにより、第2電解槽流路26a内および第3電解槽流路27a内で生成された生成物を、第2の実施形態よりも容易に回収することができる。 Further, according to the third embodiment, the third catalyst 53 and the third electrode 51 are formed on the back surface of the laminated body 10 (second catalyst 18) via the ion exchange membrane 19b. Then, the second electrolytic cell flow path 26a is formed inside the second electrode 11, and the third electrolytic cell flow path 27a is formed inside the third electrode 51. The second electrolytic cell flow path 26a and the third electrolytic cell flow path 27a in the third embodiment are formed to have smaller capacities than the second electrolytic cell 26 and the third electrolytic cell 27 in the second embodiment. As a result, the products produced in the second electrolytic cell flow path 26a and the third electrolytic cell flow path 27a can be recovered more easily than in the second embodiment.

3−4.第3の実施形態の変形例
図21は、第3の実施形態に係る化学反応装置の第1の変形例の構成を示す概略構成図である。
3-4. Modification Example of Third Embodiment FIG. 21 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a first modification of the chemical reaction apparatus according to the third embodiment.

図21に示すように、第3の実施形態に係る化学反応装置の第1の変形例では、第1電極16と第2電極11との間にセンサ部42が電気的に接続され、第2電極11と第3電極51との間にセンサ部43が電気的に接続される。 As shown in FIG. 21, in the first modification of the chemical reaction apparatus according to the third embodiment, the sensor unit 42 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11, and the second electrode is second. The sensor unit 43 is electrically connected between the electrode 11 and the third electrode 51.

センサ部42は、第2電極11と第3電極51との間に、スイッチング素子31および外部電源32を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部42と第2電極11または第3電極51との間に、第1スイッチング素子31が形成される。そして、第1スイッチング素子31をオンにすることで、第2電極11と第3電極51とは外部電源32およびセンサ部42を介して電気的に接続される。一方、第1スイッチング素子31をオフにすることで、第2電極11と第3電極51とは外部電源32およびセンサ部42を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に電解システムとして用いられる場合に、センサ部42が機能する。 The sensor unit 42 is electrically connected between the second electrode 11 and the third electrode 51 via a switching element 31 and an external power supply 32. In other words, the first switching element 31 is formed between the sensor unit 42 and the second electrode 11 or the third electrode 51. Then, by turning on the first switching element 31, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected to each other via the external power supply 32 and the sensor unit 42. On the other hand, by turning off the first switching element 31, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically cut off via the external power supply 32 and the sensor unit 42. That is, the sensor unit 42 functions when the chemical reaction apparatus is mainly used as an electrolytic system.

センサ部43は、第1電極16と第2電極11との間に、第3スイッチング素子35を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部43と第1電極16または第2電極11との間に、第3スイッチング素子35が形成される。そして、第3スイッチング素子35をオンにすることで、第1電極16と第2電極11とはセンサ部43を介して電気的に接続される。一方、第3スイッチング素子35をオフにすることで、第1電極16と第2電極11とはセンサ部43を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に人工光合成システムとして用いられる場合に、センサ部43が機能する。 The sensor unit 43 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via a third switching element 35. In other words, the third switching element 35 is formed between the sensor unit 43 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the third switching element 35, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the sensor unit 43. On the other hand, by turning off the third switching element 35, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically cut off via the sensor unit 43. That is, the sensor unit 43 functions when the chemical reaction apparatus is mainly used as an artificial photosynthesis system.

センサ部42は、例えば電解システムの場合に外部電源32の起電力を利用し、第2電解液23bと第2電極11との反応、および第3電解液23cと第3電極51との反応によって得られる電気信号を捕らえる。これにより、センサ部42は、電解システムの場合において、第2電解液23bおよび第3電解液23cのpH、第2電解液23bおよび第3電解液23cの濃度、第2電解液23bおよび第3電解液23cの組成、第2電解槽流路26a内および第3電解槽流路27a内の圧力、第2電解槽流路26a内および第3電解槽流路27a内の温度、および光の強度等を測定する。 For example, in the case of an electrolytic system, the sensor unit 42 utilizes the electromotive force of the external power source 32, and by the reaction between the second electrolytic solution 23b and the second electrode 11 and the reaction between the third electrolytic solution 23c and the third electrode 51. Capture the resulting electrical signal. As a result, in the case of the electrolytic system, the sensor unit 42 has the pH of the second electrolytic solution 23b and the third electrolytic solution 23c, the concentrations of the second electrolytic solution 23b and the third electrolytic solution 23c, the second electrolytic solution 23b and the third electrolytic solution 23c. The composition of the electrolytic cell 23c, the pressure in the second electrolytic cell flow path 26a and the third electrolytic cell flow path 27a, the temperature in the second electrolytic cell flow path 26a and the third electrolytic cell flow path 27a, and the light intensity. Etc. are measured.

センサ部43は、例えば人工光合成システムの場合に光起電力層15の起電力を利用し、第1電解液23aと第1電極16との反応および第2電解液23bと第2電極11との反応によって得られる電気信号を捕らえる。これにより、センサ部43は、人工光合成システムの場合において、第1電解液23aおよび第2電解液23bのpH、第1電解液23aおよび第2電解液23bの濃度、第1電解液23aおよび第2電解液23bの組成、第1電解槽25内および第2電解槽流路26a内の圧力、第1電解槽25内および第2電解槽流路26a内の温度、および光の強度等を測定する。センサ部43は、光起電力層15の起電力を利用するものであるため、電源レスで動作することができる。 For example, in the case of an artificial photosynthesis system, the sensor unit 43 utilizes the electromotive force of the photovoltaic layer 15 to react between the first electrolytic solution 23a and the first electrode 16 and the second electrolytic solution 23b and the second electrode 11. It captures the electrical signal obtained by the reaction. As a result, in the case of the artificial photosynthesis system, the sensor unit 43 determines the pH of the first electrolytic solution 23a and the second electrolytic solution 23b, the concentrations of the first electrolytic solution 23a and the second electrolytic solution 23b, and the first electrolytic solution 23a and the second electrolytic solution 23b. 2 Measure the composition of the electrolytic cell 23b, the pressure in the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell flow path 26a, the temperature in the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell flow path 26a, the light intensity, and the like. To do. Since the sensor unit 43 utilizes the electromotive force of the photovoltaic layer 15, it can operate without a power source.

なお、人工光合成システムとして用いる場合に、光強度が弱くて光起電力層15の起電力によってセンサ43が機能しないことが考えらえる。この場合、一時的に外部電源32によってセンサ部42を機能させて、種々の要件を測定してもよい。一方、電解システムとして用いる場合も同様である。すなわち、電解システムとして用いる場合に、一時的に光起電力層15の起電力によってセンサ部43を機能させて、種々の要件を測定してもよい。 When used as an artificial photosynthesis system, it is conceivable that the sensor 43 does not function due to the electromotive force of the photovoltaic layer 15 due to its weak light intensity. In this case, the sensor unit 42 may be temporarily operated by the external power supply 32 to measure various requirements. On the other hand, the same applies when used as an electrolytic system. That is, when used as an electrolytic system, the sensor unit 43 may temporarily function by the electromotive force of the photovoltaic layer 15 to measure various requirements.

第1の変形例では、センサ部42,43により、第1電解液23a、第2電解液23b、および第3電解液23cのpH、第1電解液23a、第2電解液23b、および第3電解液23cの濃度、第1電解液23a、第2電解液23b、および第3電解液23cの組成、第1電解槽25内、第2電解槽流路26a内、および第3電解槽流路27a内の圧力、第1電解槽25内、第2電解槽流路26a内、および第3電解槽流路27a内の温度、および光の強度等を測定する。これにより、電解反応を促進させるための電解液および電解槽の状況を適宜調整することができる。 In the first modification, the sensors 42 and 43 determine the pH of the first electrolytic solution 23a, the second electrolytic solution 23b, and the third electrolytic solution 23c, the first electrolytic solution 23a, the second electrolytic solution 23b, and the third electrolytic solution 23b. Concentration of electrolytic cell 23c, composition of first electrolytic cell 23a, second electrolytic cell 23b, and third electrolytic cell 23c, in the first electrolytic cell 25, in the second electrolytic cell flow path 26a, and in the third electrolytic cell flow path. The pressure in 27a, the temperature in the first electrolytic cell 25, the second electrolytic cell flow path 26a, the temperature in the third electrolytic cell flow path 27a, the intensity of light, and the like are measured. As a result, the conditions of the electrolytic solution and the electrolytic cell for promoting the electrolytic reaction can be appropriately adjusted.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

10…積層体、11…第2電極、15…光起電力層、16…第1電極、21…電解槽、23…電解液、31…第1スイッチング素子、32…外部電源、33…第2スイッチング素子、34…電力需要部、41…スイッチング素子制御部、51…第3電極、61…電解液制御部。 10 ... Laminate, 11 ... 2nd electrode, 15 ... Photovoltaic layer, 16 ... 1st electrode, 21 ... Electrolytic cell, 23 ... Electrolyte, 31 ... 1st switching element, 32 ... External power supply, 33 ... Second Switching element, 34 ... Power demand unit, 41 ... Switching element control unit, 51 ... Third electrode, 61 ... Electrolyte solution control unit.

Claims (9)

電力を溜めるまたは電力を消費する電力需要部と、前記電力需要部に電力を供給する外部電源とに電気的に接続された化学反応装置の動作方法において、
前記外部電源から前記電力需要部に供給される電力のうち、前記電力需要部の需要を越える余剰電力の有無を確認する第1ステップと、
太陽光エネルギーの有無を確認する第2ステップと、
を具備し、
前記第1ステップにおいて、前記余剰電力がない場合、電解槽内の電解液の量を制御することにより、前記電解槽内の少なくとも1つの電極が電解液に浸漬されないようにして、光起電力層における起電力によって前記電極を介して前記電力需要部に電力を供給する第1システムとして機能させ、
前記第1ステップにおいて、前記余剰電力がある場合、前記第2ステップに進み、
前記第2ステップにおいて、前記太陽光エネルギーがない場合、前記電解槽内の電解液の量を制御することにより、前記電解槽内の前記電極が電解液に浸漬されるようにして、前記余剰電力によって前記電極に接する前記電解液に酸化還元反応を生じさせる第2システムとして機能させ、
前記第2ステップにおいて、前記太陽光エネルギーがある場合、前記電解槽内の電解液の量を制御することにより、前記電解槽内の前記電極が電解液に浸漬されるようにして、前記光起電力層の起電力によって前記電極に接する前記電解液に酸化還元反応を生じさせる第3システムとして機能させる
化学反応装置の動作方法。
In the operation method of the chemical reaction apparatus electrically connected to the electric power demand unit that stores or consumes electric power and the external power source that supplies electric power to the electric power demand unit.
Among the electric power supplied from the external power source to the electric power demand unit, the first step of confirming the presence or absence of surplus electric power exceeding the demand of the electric power demand unit, and
The second step to check for the presence of solar energy,
Equipped with
In the first step, when there is no surplus power, the amount of the electrolytic solution in the electrolytic cell is controlled so that at least one electrode in the electrolytic cell is not immersed in the electrolytic cell, and the photovoltaic layer. It functions as a first system that supplies electric power to the electric power demand unit through the electrode by the electromotive force in the above .
If there is surplus power in the first step, the process proceeds to the second step.
In the second step, when there is no solar energy, the amount of the electrolytic cell in the electrolytic cell is controlled so that the electrode in the electrolytic cell is immersed in the electrolytic cell, so that the surplus power is generated. To function as a second system that causes an oxidation-reduction reaction in the electrolytic solution in contact with the electrode .
In the second step, when the solar energy is present, the amount of the electrolytic solution in the electrolytic cell is controlled so that the electrode in the electrolytic cell is immersed in the electrolytic cell , and the light is generated. A method of operating a chemical reaction apparatus that functions as a third system that causes an oxidation-reduction reaction in the electrolytic solution in contact with the electrode by the electromotive force of the power layer.
前記第1システムとして機能させるとき、前記電解槽は空気、または非導電性の液体で充填される請求項1に記載の化学反応装置の動作方法。 The method of operating a chemical reaction apparatus according to claim 1, wherein the electrolytic cell is filled with air or a non-conductive liquid when functioning as the first system. 前記第1システムとして機能させるとき、前記電解槽は前記第2システムまたは前記第3システムによって生成された気体で充填される請求項1に記載の化学反応装置の動作方法。 The method of operating a chemical reaction apparatus according to claim 1, wherein when the electrolytic cell functions as the first system, the electrolytic cell is filled with the gas generated by the second system or the third system. 前記電極は、光照射側に配置された第1電極および光照射側とは反対側に配置された第2電極を備え、
前記光起電力層は、前記第1電極と前記第2電極に電気的に接続され、
前記外部電源は、前記第1電極と前記第2電極との間に、第1スイッチング素子を介して電気的に接続され、
前記電力需要部は、前記第1電極と前記第2電極との間に、前記外部電源と並列に、第2スイッチング素子を介して電気的に接続され、
前記化学反応装置は
前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子のオン/オフを制御するスイッチング素子制御部を備え、
前記スイッチング素子制御部による前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子のオン/オフの制御により、前記第1システム、前記第2システム、および前記第3システムのいずれかとして機能させる
請求項1に記載の化学反応装置の動作方法。
The electrode includes a first electrode arranged on the light irradiation side and a second electrode arranged on the side opposite to the light irradiation side.
The photovoltaic layer is electrically connected to the first electrode and the second electrode.
The external power supply is electrically connected between the first electrode and the second electrode via a first switching element.
The power demand unit is electrically connected between the first electrode and the second electrode in parallel with the external power supply via a second switching element.
The chemical reaction apparatus,
A switching element control unit for controlling on / off of the first switching element and the second switching element is provided.
By controlling the ON / OFF the first switching element and the second switching element by the switching element control unit, wherein the first system, the second system, and to claim 1 to function as either of the third system The method of operation of the chemical reactor described.
前記第1ステップにおいて、前記余剰電力がない場合、前記スイッチング素子制御部によって、前記第1スイッチング素子がオフし、前記第2スイッチング素子がオンすることで、前記第1システムとして機能する請求項4に記載の化学反応装置の動作方法。 4. In the first step, when there is no surplus power, the switching element control unit turns off the first switching element and turns on the second switching element, thereby functioning as the first system. The operation method of the chemical reaction apparatus described in 1. 前記第2ステップにおいて、前記太陽光エネルギーがない場合、前記スイッチング素子制御部によって、前記第2スイッチング素子がオフし、前記第1スイッチング素子がオンすることで、前記第2システムとして機能する請求項4に記載の化学反応装置の動作方法。 The claim that when there is no solar energy in the second step, the switching element control unit turns off the second switching element and turns on the first switching element to function as the second system. The operation method of the chemical reaction apparatus according to 4. 前記第2ステップにおいて、前記太陽光エネルギーがある場合、前記スイッチング素子制御部によって、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子がオフすることで、前記第3システムとして機能する請求項4に記載の化学反応装置の動作方法。 The fourth aspect of claim 4, wherein in the second step, when the solar energy is present, the switching element control unit turns off the first switching element and the second switching element, thereby functioning as the third system. How to operate the chemical reactor. 前記外部電源の起電力または前記光起電力層の起電力によりセンサ部を動作する請求項4に記載の化学反応装置の動作方法。 The method of operating the chemical reaction apparatus according to claim 4, wherein the sensor unit is operated by the electromotive force of the external power source or the electromotive force of the photovoltaic layer. 前記センサ部は、電解液のpH、電解液の濃度、電解液の組成、前記電解槽内の圧力、前記電解槽内の温度、および光の強度の少なくとも1つを測定する請求項8に記載の化学反応装置の動作方法。 The eighth aspect of claim 8, wherein the sensor unit measures at least one of the pH of the electrolytic solution, the concentration of the electrolytic solution, the composition of the electrolytic solution, the pressure in the electrolytic cell, the temperature in the electrolytic cell, and the intensity of light. How to operate the chemical reactor.
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