JP7204620B2 - 電気化学反応装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気化学反応装置に関する。

近年、石油や石炭といった化石燃料の枯渇が懸念され、持続的に利用できる再生可能エネルギーへの期待が高まっている。そのようなエネルギー問題、さらに環境問題の観点等から、太陽光等の再生可能エネルギーを用いて二酸化炭素を電気化学的に還元し、貯蔵可能な化学エネルギー源を作り出す人工光合成技術の開発が進められている。人工光合成技術を実現する電気化学反応装置は、例えば水（Ｈ_２Ｏ）を酸化して酸素（Ｏ_２）を生成するアノードと、二酸化炭素（ＣＯ_２）を還元して炭素化合物を生成するカソードとを備えている。電気化学反応装置のアノードおよびカソードは、一般的に太陽光発電、水力発電、風力発電、地熱発電等の再生可能エネルギーに由来する電源に接続される。

電気化学反応装置のカソードは、例えば二酸化炭素が溶解した水中に浸漬されたり、流路中を流れる二酸化炭素が溶解した水と接したりするように配置される。カソードは、再生可能エネルギーに由来する電源から二酸化炭素の還元電位を得ることにより、二酸化炭素を還元して一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、メタン（ＣＨ_４）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、エチレングリコール（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ_２）等の炭素化合物を生成する。

上記したような再生可能エネルギーを用いて電気化学的に二酸化炭素の還元を大量に行う場合、ジュール熱によって反応部の温度が上昇する。水中に溶解する二酸化炭素の量は温度に依存するために、水中の二酸化炭素の量が変化して利用価値が低下する。さらに、天候や風況等の変化により電力に変動が生じやすく、これに伴ってカソードへの印加電位が変動しやすいという問題がある。これによりジュール熱も変動し、運転中の反応部の温度が変動する問題が生じる。これは、二酸化炭素の還元生成物の利用可能性や利用価値を低下させる要因となる。このような問題を解決する手法として、実験的にはカソードに一定電位を印加できるポテンショスタットのような電源を用いて、電気化学反応装置を運転（三極式）することも行われているが、これでは再生可能エネルギーを利用することによる利点が失われ、コストや効率の点で問題となる。

特開２０１７－４８４４２号公報 特表２０１７－３１４６７号公報

Ｃｏｌｉｎ Ｏｌｏｍａｎ ｅｔ ａｌ．， "Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ" ＣｈｅｍＳｕｓＣｈｅｍ ２００８， １， ３８５－３９１

本発明が解決しようとする課題は、二酸化炭素の還元を大量に行う場合、ジュール熱によって反応部の温度が上昇、変動し、二酸化炭素の還元生成物の生成量や組成が継時的に変動することを抑制することを可能にした電気化学反応装置を提供することにある。

実施形態の電気化学反応装置は、第１の収容部を形成するとともに二酸化炭素を含むガスを流通させるための第１の流路と、第２の収容部を形成するとともに水を含む第２の電解液を流通させるための第２の流路と、第１の流路と第２の流路との間に設けられた隔膜と、を備える第１の反応部と、第１の流路に面し、二酸化炭素を還元して還元生成物を生成するカソードと、第２の流路に面し、水を酸化して酸化生成物を生成するアノードと、第１の流路内の圧力を調整する第１の圧力調整部と、第１の反応部の温度を検知する温度検知部と、温度検知部の検知信号に基づいて圧力調整部を制御する制御部と、を具備する。

電気化学反応装置１Ａを示す図である。 電気化学反応装置１Ｂを示す図である。 電気化学反応装置１Ｃを示す図である。 電気化学反応装置１Ｄを示す図である。 電気化学反応装置１Ｅを示す図である。

以下、実施形態の電気化学反応装置について、図面を参照して説明する。以下に示す各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。

（第１の実施形態）
図１は電気化学反応装置１Ａを示す図である。電気化学反応装置１Ａは、二酸化炭素を含む第１の電解液２を収容する第１の収容部３と、水を含む第２の電解液４を収容する第２の収容部５と、第１の収容部３と第２の収容部５とを区切る隔膜６と、を有する第１の反応部７と、第１の収容部３内に配置され、二酸化炭素を還元して還元生成物を生成するカソード８と、第２の収容部５内に配置され、水を酸化して酸化生成物を生成するアノード９と、を備える電気化学反応セル１０と、カソード８とアノード９に接続された電源１１と、第１の収容部３で生成される還元生成物を第１の電解液２から分離する第１の分離部１２と、第２の収容部５で生成される酸化生成物を第２の電解液４から分離する第２の分離部１３と、第１の収容部３内の圧力を調整する圧力調整部１４と、第１の収容部内の温度を検知する温度検知部１５と、温度検知部１５の検知信号に基づいて圧力調整部１４を制御する制御部１６と、を具備する。

第１の反応部７は、水素イオン（Ｈ^＋）や水酸化物イオン（ＯＨ^－）等のイオンを移動させることが可能な隔膜６により区切られた第１の収容部３と第２の収容部５とを有している。第１の反応部７は、例えば石英白板ガラス、ポリスチロール、ポリメタクリレート等の容器により形成されていてもよい。第１の反応部７の一部に光を透過する材料を用いて、残部に樹脂材料を用いてもよい。樹脂材料の例は、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）（コポリマー）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等を含む。

第１の収容部３内にはカソード８が配置され、さらにカソード８が第１の電解液２に接するように第１の電解液２が収容される。第１の電解液２は、カソード溶液として機能し、還元される物質として二酸化炭素を含む。第１の電解液２は、水素イオンを含んでいてもよく、また水溶液であることが好ましい。

第２の収容部５内にはアノード９が配置され、さらにアノード９が第２の電解液４に接するように第２の電解液４が収容される。第２の電解液４は、アノード溶液として機能し、酸化される物質として水を含む。第２の電解液４は、アルコール水溶液、アミン等の有機物水溶液等の水溶液を含んでいてもよい。

第１の電解液２および第２の電解液４に含まれる水の量や電解液成分を変えることにより、反応性を変化させ、還元される物質の選択性や生成する化学物質の割合を変えることができる。第１の電解液２および第２の電解液４は、必要に応じて酸化還元対を含有していてもよい。酸化還元対としては、例えばＦｅ^３＋／Ｆｅ^２＋やＩＯ^３－／Ｉ^－が挙げられる。

第１の収容部３および第２の収容部５は、反応物や生成物に含まれる気体を収容する空間部を有していてもよい。第１の収容部３には、第１の電解液２を供給する第１の供給流路１７が接続されており、さらにガスまたは液体等の流体を第１の収容部３から排出するための第１の排出流路１９を介して第１の分離部１２が接続されている。第２の収容部５には、第２の電解液４を供給する第２の供給流路１８が接続されており、さらにガスまたは液体等の流体を第２の収容部５から排出するための第２の排出流路２０を介して第２の分離部１３が接続されている。

第１の電解液２と第２の電解液４は、互いに異なる物質を含む電解液であってもよいし、互いに同じ物質を含む電解液であってもよい。第１の電解液２と第２の電解液４とが互いに同じ物質および同じ溶媒を含む場合、第１の電解液２と第２の電解液４は１つの電解液であるとみなされてもよい。また、第２の電解液４のｐＨは、第１の電解液２のｐＨより高いことが好ましい。これにより、水素イオンや水酸化物イオン等が移動しやすくなる。また、ｐＨの差による液間電位差により酸化還元反応を効果的に進行させることができる。

第１の電解液２は、二酸化炭素の吸収率が高い溶液であることが好ましい。第１の電解液２中における二酸化炭素の状態は、必ずしも溶解した状態に限定されず、第１の電解液２中に気泡として混合された状態であってもよい。

二酸化炭素を含む電解液としては、例えば炭酸水素リチウム（ＬｉＨＣＯ_３）、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）、炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ_３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）、炭酸水素セシウム（ＣｓＨＣＯ_３）のような炭酸水素塩や炭酸塩、リン酸、ホウ酸等を含む水溶液が挙げられる。二酸化炭素を含む電解液は、メタノール、エタノール、アセトン等のアルコール類を含んでいてもよく、アルコール溶液であってもよい。第１の電解液２は、二酸化炭素の還元電位を低下させ、イオン伝導性が高く、二酸化炭素を吸収する二酸化炭素吸収剤を含む電解液であってもよい。

第２の電解液４としては、水を含む溶液、例えば任意の電解質を含む水溶液を用いることができる。この溶液は水の酸化反応を促進する水溶液であることが好ましい。電解質を含む水溶液としては、例えばリン酸イオン（ＰＯ_４ ^２－）、ホウ酸イオン（ＢＯ_３ ^３－）、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カリウムイオン（Ｋ^＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、リチウムイオン（Ｌｉ^＋）、セシウムイオン（Ｃｓ^＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、塩化物イオン（Ｃｌ^－）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）、炭酸イオン（ＣＯ_３ ^－）、水酸化物イオン（ＯＨ^－）等を含む水溶液が挙げられる。

第１の電解液２および第２の電解液４は、例えばイミダゾリウムイオンやピリジニウムイオン等の陽イオンと、ＢＦ_４ ^－やＰＦ_６ ^－等の陰イオンとの塩からなり、幅広い温度範囲で液体状態であるイオン液体もしくはその水溶液を含んでいてもよい。さらに、他の電解液としては、エタノールアミン、イミダゾール、ピリジン等のアミン溶液もしくはその水溶液が挙げられる。アミンとしては、一級アミン、二級アミン、三級アミン等が挙げられる。これらの電解液が、イオン伝導性が高く、二酸化炭素を吸収する性質を有し、還元エネルギーを低下させる特性を有していてもよい。

一級アミンとしては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン等が挙げられる。アミンの炭化水素は、アルコールやハロゲン等が置換していてもよい。アミンの炭化水素が置換されたものとしては、メタノールアミン、エタノールアミン、クロロメチルアミン等が挙げられる。また、不飽和結合が存在していてもよい。これら炭化水素は、二級アミン、三級アミンも同様である。

二級アミンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジメタノールアミン、ジエタノールアミン、ジプロパノールアミン等が挙げられる。置換された炭化水素は、異なってもよい。これは三級アミンでも同様である。例えば、炭化水素が異なるものとしては、メチルエチルアミン、メチルプロピルアミン等が挙げられる。

三級アミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリメタノールアミン、トリエタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリブタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリエキサノールアミン、メチルジエチルアミン、メチルジプロピルアミン等が挙げられる。

イオン液体の陽イオンとしては、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムイオン、１－メチル－３－プロピルイミダゾリウムイオン、１－ブチル－３－メチルイミダゾールイオン、１－メチル－３－ペンチルイミダゾリウムイオン、１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。

イミダゾリウムイオンの２位が置換されていてもよい。イミダゾリウムイオンの２位が置換された陽イオンとしては、１－エチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２－ジメチル－３－プロピルイミダゾリウムイオン、１－ブチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２－ジメチル－３－ペンチルイミダゾリウムイオン、１－ヘキシル－２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。

ピリジニウムイオンとしては、メチルピリジニウム、エチルピリジニウム、プロピルピリジニウム、ブチルピリジニウム、ペンチルピリジニウム、ヘキシルピリジニウム等が挙げられる。イミダゾリウムイオンおよびピリジニウムイオンは共に、アルキル基が置換されていてもよく、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（Ｆ^－）、塩化物イオン（Ｃｌ^－）、臭化物イオン（Ｂｒ^－）、ヨウ化物イオン（Ｉ^－）、ＢＦ_４ ^－、ＰＦ_６ ^－、ＣＦ_３ＣＯＯ^－、ＣＦ_３ＳＯ_３ ^－、ＮＯ_３ ^－、ＳＣＮ^－、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３Ｃ^－、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、ビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミド等が挙げられる。イオン液体のカチオンとアニオンとを炭化水素で接続した双生イオンでもよい。なお、リン酸カリウム溶液等の緩衝溶液を第１の収容部３および第２の収容部５に供給してもよい。

隔膜６には、アニオンまたはカチオンを選択的に流通させることができる膜が用いられる。これにより、カソード８およびアノード９にそれぞれ接する第１の電解液２および第２の電解液４を互いに異なる物質を含む電解液とすることができ、さらにイオン強度の違い、ｐＨの違い等によって、還元反応や酸化反応を促進させることができる。隔膜６を用いて、第１の電解液２と第２の電解液４とを分離することができる。隔膜６は、カソード８およびアノード９が浸漬されている第１の電解液２および第２の電解液４に含まれる一部のイオンを透過させる機能、すなわち第１の電解液２および第２の電解液４に含まれる１種以上のイオンを遮蔽する機能を有していてもよい。これにより、例えば第１の電解液２および第２の電解液４の間でｐＨ等を異ならせることができる。

隔膜６としては、例えばアストム社のネオセプタ（登録商標）、旭硝子社のセレミオン（登録商標）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、Ｆｕｍａｔｅｃｈ社のＦｕｍａｓｅｐ（登録商標）、ｆｕｍａｐｅｍ（登録商標）、デュポン社のテトラフルオロエチレンをスルホン化して重合したフッ素樹脂であるナフィオン（登録商標）、ＬＡＮＸＥＳＳ社のｌｅｗａｂｒａｎｅ（登録商標）、ＩＯＮＴＥＣＨ社のＩＯＮＳＥＰ（登録商標）、ＰＡＬＬ社のムスタング（登録商標）、ｍｅｇａ社のｒａｌｅｘ（登録商標）、ゴアテックス社のゴアテックス（登録商標）等のイオン交換膜を用いることができる。また、炭化水素を基本骨格とした膜や、アニオン交換ではアミン基を有する膜を用いてイオン交換膜が構成されていてもよい。第１の電解液２と第２の電解液４との間にｐＨ差がある場合、カチオン交換膜とアニオン交換膜を積層させたバイポーラ膜を用いることにより、それぞれの電解液のｐＨを安定に維持したまま使用することができる。

隔膜６はイオン交換膜以外に、例えばシリコーン樹脂、フッ素系樹脂（パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレン・テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン－クロロトリフロオロエチレンコポリマー（ＥＣＴＦＥ）等）等のポリマー材料、紙、セラミックスの多孔質膜、ガラスフィルタや寒天等を充填した充填物、ゼオライトや酸化物等の絶縁性多孔質体等を用いることができる。特に、親水性の多孔質膜は、気泡による目詰まりを起こすことがないため、隔膜６として好ましい。

カソード８は、二酸化炭素を還元して炭素化合物等の還元生成物を生成する電極である。カソード８は、第１の収容部３の内部に配置され、第１の収容部３に供給される第１の電解液２に浸漬される。カソード８は、例えば二酸化炭素の還元反応により炭素化合物等の還元生成物を生成するための還元触媒を含む。還元触媒としては、二酸化炭素を還元するための活性化エネルギーを減少させる材料が挙げられる。換言すると、二酸化炭素の還元反応により炭素化合物を生成する際の過電圧を低下させる材料が挙げられる。

カソード８は、例えば金属材料や炭素材料を含む。金属材料としては、例えば金、アルミニウム、銅、銀、白金、パラジウム、亜鉛、水銀、インジウム、ニッケル等の金属、当該金属を含む合金等を用いることができる。炭素材料としては、例えばグラフェン、カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ：ＣＮＴ）、フラーレン、ケッチェンブラック等を用いることができる。なお、これらに限定されず、還元触媒として例えばＲｕ錯体またはＲｅ錯体等の金属錯体、イミダゾール骨格やピリジン骨格を有する有機分子を用いてもよい。還元触媒は複数の材料の混合物であってもよい。カソード８は、例えば導電性基材上に薄膜状、格子状、粒子状、ワイヤ状等の還元触媒を設けた構造を有していてもよい。

カソード８での還元反応により生成される還元生成物は、還元触媒の種類等によって異なり、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、メタン（ＣＨ_４）、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）、エチレングリコール（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ_２）等の炭素化合物を含む。また、カソード８においては、二酸化炭素の還元反応と同時に、水の還元反応により水素（Ｈ_２）を発生する副反応が生起される場合がある。

アノード９は、水を酸化して酸素を生成する電極である。アノード９は、第２の収容部５の内部に配置され、第２の収容部５に供給される第２の電解液４に浸漬される。アノード９は、水を酸化して酸素を生成するための酸化触媒を含む。酸化触媒としては、水を酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料、換言すると水の酸化反応により酸素と水素イオンを生成する際の過電圧を低下させる材料が用いられる。

酸化触媒は、例えば例えばルテニウム、イリジウム、白金、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン等の金属を含む。また、二元系金属酸化物、三元系金属酸化物、四元系金属酸化物等を用いることができる。二元系金属酸化物としては、例えば酸化マンガン（Ｍｎ－Ｏ）、酸化イリジウム（Ｉｒ－Ｏ）、酸化ニッケル（Ｎｉ－Ｏ）、酸化コバルト（Ｃｏ－Ｏ）、酸化鉄（Ｆｅ－Ｏ）、酸化スズ（Ｓｎ－Ｏ）、酸化インジウム（Ｉｎ－Ｏ）、酸化ルテニウム（Ｒｕ－Ｏ）等が挙げられる。三元系金属酸化物としては、例えばＮｉ－Ｆｅ－Ｏ、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｏ、Ｌａ－Ｃｏ－Ｏ、Ｎｉ－Ｌａ－Ｏ、Ｓｒ－Ｆｅ－Ｏ等が挙げられる。四元系金属酸化物としては、例えばＰｂ－Ｒｕ－Ｉｒ－Ｏ、Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｏ－Ｏ等が挙げられる。なお、これらに限定されず、酸化触媒としてコバルト、ニッケル、鉄、マンガン等を含む金属水酸化物、Ｒｕ錯体やＦｅ錯体等の金属錯体を用いることもできる。また、複数の材料を混合して用いてもよい。

アノード９は、酸化触媒と導電性材料との両方を含む複合材料であってもよい。導電性材料としては、例えばカーボンブラック、活性炭、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェン、ケッチェンブラック、ダイヤモンド等の炭素材料、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素がドープされた酸化錫（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ－ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＦＴＯ）、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛（Ａｌｕｍｉｎｕｍ－ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＡＺＯ）、アンチモンがドープされた酸化錫（Ａｎｔｉｍｏｎｙ－ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＡＴＯ）等の透明導電性酸化物、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）等の金属、またはそれらの金属を少なくとも１つ含む合金が挙げられる。アノード９は、例えば導電性基材上に薄膜状、格子状、粒子状、ワイヤ状等の酸化触媒を設けた構造を有していてもよい。導電性基材としては、例えばチタン、チタン合金、またはステンレス鋼を含む金属材料が用いられる。

電源１１は、電気化学反応セル１０に酸化還元反応を生起する電力を供給することが可能であり、カソード８およびアノード９に電気的に接続される。電源１１から供給される電気エネルギーを用いて、カソード８による還元反応およびアノード９による酸化反応が行われる。電源１１とカソード８との間、および電源１１とアノード９との間は、例えば配線で接続されている。電気化学反応セル１０と電源１１との間には、必要に応じてインバータ、コンバータ、電池等の電気機器を設置してもよい。電気化学反応セル１０の駆動方式は、定電圧方式でもよいし、定電流方式でもよい。

電源１１は、通常の商用電源や電池等であってもよいし、また再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換して供給する電源であってもよい。このような電源の例としては、風力、水力、地熱、潮汐力等の運動エネルギーや位置エネルギーを電気エネルギーに変換する電源、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子を有する太陽電池のような電源、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池や蓄電池等の電源、音等の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置等が挙げられる。光電変換素子は、照射された太陽光等の光のエネルギーにより電荷分離を行う機能を有する。光電変換素子の例としては、ｐｉｎ接合型太陽電池、ｐｎ接合型太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、多接合型太陽電池、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、色素増感型太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む。また、光電変換素子は、第１の反応部７の内部でカソード８およびアノード９の少なくとも一方と積層されていてもよい。

カソード８で生成された還元生成物は、第１の排出流路１９を介して第１の分離部１２に送られる。第１の分離部１２では、ガス状生成物である一酸化炭素（ＣＯ）、または液状生成物である蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、メタン（ＣＨ_４）、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）、エチレングリコール（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ_２）等が、第１の電解液２から分離される。二酸化炭素の還元反応の副反応である水の還元反応が生じると、それにより発生する水素も第１の電解液２から分離される。また、アノード９で生成された酸化生成物は、第２の排出流路２０を介して第２の分離部１３に送られる。第２の分離部１３においては、主としてガス状生成物である酸素（Ｏ_２）が、第２の電解液４から分離される。

第１の排出流路１９には、第１の収容部３内の圧力を調整する圧力調整部１４が設けられている。圧力調整部１４は、第１の収容部３の背圧側（出口側）に配置される。圧力調整部１４としては、例えば可変絞り弁や流量調節弁等が用いられる。すなわち、第１の排出流路１９に流れる流体（ガスおよび液体を含む流体）の流量を調節することにより、第１の収容部３内の圧力を調整することができる。第１の収容部３内の圧力は、二酸化炭素が液化しない圧力とすることが好ましく、具体的には０．１ＭＰａ以上６．４ＭＰａ以下の範囲内で調整することが好ましい。第１の収容部３内の圧力が０．１ＭＰａ未満であると、二酸化炭素の還元反応効率が低下するおそれがある。第１の収容部３内の圧力が６．４ＭＰａを超えると二酸化炭素が液化し、二酸化炭素の還元反応効率が低下するおそれがある。

第１の収容部３内の圧力を加圧または減圧することにより、カソード８で生成される還元生成物の量や種類を調整することができる。すなわち、第１の収容部３内の圧力を調整し、反応種である二酸化炭素の分圧を変化させることにより、カソード８の近傍の二酸化炭素量を調整することができる。

図２は、電気化学反応装置１Ｂを示す図である。図２に示すように、第１の収容部３の背圧側に第１の圧力調整部１４１を配置することに加えて、第２の収容部５の背圧側に第２の圧力調整部１４２を配置するようにしてもよい。第１の圧力調整部１４１は、図１に示す圧力調整部１４と同じである。第２の圧力調整部１４２としては、例えば可変絞り弁や流量調節弁等が用いられる。すなわち、第２の排出流路２０に流れる流体（ガスおよび液体を含む流体）の流量を調節することにより、第２の収容部５内の圧力を調整することができる。第１の圧力調整部１４１および第２の圧力調整部１４２のその他の説明は、圧力調整部１４の説明を適宜援用することができる。また、電気化学反応装置１Ａと同じ構成要素については、電気化学反応装置１Ａの説明を適宜援用することができる。

第２の圧力調整部１４２は、第２の排出流路２０に設けられる。第２の圧力調整部１４２を設けることにより、第１の収容部３と第２の収容部５との差圧を調整することができる。これにより、第１の収容部３と第２の収容部５との差圧による隔膜６の破損等を抑制することができる。第１の圧力調整部１４１および第２の圧力調整部１４２により第１の収容部３の圧力と第２の収容部５の圧力との差（差圧）は、０．５ＭＰａ以内に調整することが好ましい。

圧力調整部１４または第１の圧力調整部１４１による第１の収容部３内の圧力は、温度検知部１５で検知した第１の反応部７内の温度を示す検知信号を制御部１６に送り、制御部１６で圧力調整部１４の動作を制御することにより調整される。

温度検知部１５は、第１の反応部７の温度、第１の収容部３の温度、および第２の収容部５の温度の少なくとも一つを検知することができる部分に配置されている。温度検知部１５としては、接触式または非接触式の温度測定装置を用いることができる。接触式温度測定装置の場合、第１の反応部７、第１の収容部３、および第２の収容部５の少なくとも一つに接続することができる。非接触式温度測定装置の場合、非接触温度計やサーモグラフィのような非接触装置、事前に実験またはシミュレーションで得たセル動作時の発熱量データを利用した計算で温度を検知してもよい。さらに温度を検知するために第１の反応部７から排出される第１の電解液２および第２の電解液４の少なくとも一つの温度を検知してもよい。温度検知部１５は制御部１６に電気的に接続され、また制御部１６は圧力調整部１４に電気的に接続されている。温度検知部１５は、検知信号を制御部１６に出力する。

制御部１６は、圧力調整部１４と温度検知部１５に電気的に接続されている。制御部１６は、温度検知部１５から検知信号（データ信号）を受け、圧力調整部１４に制御信号を出力する。制御部１６には、生成物の組成や量に関わるデータ信号の要求基準が予め記憶されており、要求基準を満たさない場合に制御部１６から圧力調整部１４に制御信号が出力される。制御部１６は、例えばパーソナルコンピュータやマイクロコンピュータ等のコンピュータで構成され、温度検知部１５のデータ信号を演算処理し、圧力調整部１４の動作を制御して第１の収容部３内の圧力を調整する。

再生可能エネルギーから供給される不安定な電力により電気化学反応装置の還元生成物の部分電流密度も大きく変化する。電流密度が上がれば第１の反応部７で発生するジュール熱の熱量も大きくなり、第１の反応部７の温度が上昇する。温度が上昇した場合、電解液への二酸化炭素の溶解度が低下し、反応選択性であるファラデー効率が低下し、還元生成物の生成効率を示す電解効率が低下する場合がある。このような場合、制御部１６に事前に計測した温度上昇に伴うファラデー効率の低下や電解効率の低下の関係を入力しておき、制御を行ってもよい。通常、温度が上昇した場合、圧力を上げる制御を行う。電源１１から供給される電力が下がり、電流密度が下がった場合は圧力を低下させる制御を行ってもよい。圧力を低下させても圧力を維持したままでもファラデー効率や電解効率が変化しない場合は、圧力を変化させなくてもよい。

第１の反応部７の温度は、室温（例えば２５℃）から１５０℃までの範囲で電解液が気化しない温度で制御することが好ましい。さらに好ましくは６０℃から１５０℃までの範囲で制御することが好ましい。さらに好ましくは８０℃以上１５０℃以下で制御することが好ましい。室温未満に制御する場合はチラーなどの冷却装置が必要となり総合的なシステムのエネルギー効率が低下する可能性がある。また、１５０℃を超える温度の場合、電解液の水が蒸気となり抵抗が上昇し、電解効率が低下する可能性がある。カソード８の電流密度は特に限定されないが単位面積当たりの還元生成物の生成量を上げるためには電流密度は高いほうが好ましい。電流密度は１００ｍＡ／ｃｍ^２以上１．５Ａ／ｃｍ^２以下が好ましく。さらに好ましくは３００ｍＡ／ｃｍ^２以上７００ｍＡ／ｃｍ^２以下である。１００ｍＡ／ｃｍ^２未満では単位面積当たりの還元生成物の生成量が低く大きな面積を必要としてしまう。１．５Ａ／ｃｍ^２を超えると水素発生の副反応が増加して還元生成物濃度が低下する。電流密度を上げることによりジュール熱も増加する場合、適切な温度以上に上昇してしまうため、第１の反応部７またはその付近に冷却機構を設けてもよい。冷却機構は水冷でも空冷でもよい。

第１の反応部７の温度が室温よりも高い場合であっても１５０℃以下の温度であればそのままの温度で制御してもよい。仮に、温度を室温まで下げて電解効率等を調整する場合、エネルギー損失が大きい。

第１の反応部７は、単位面積当たりの還元触媒の反応量および還元生成物の生成量を増やすために、複数配置された一体構造で形成されてもよい。複数配置された一体構造とすると電極のジュール熱の放熱の問題が生じて第１の反応部７の温度が上昇するおそれがある。これに対し本実施形態ではファラデー効率および電解効率の少なくとも一つを低下させずに反応を進めることができる。

第１の分離部１２は還元生成物と二酸化炭素、水素などの副生成物を分離するために配置される。分離法は特に限定されないが膜分離方式、アミンなどによる化学吸着方式、圧力スイング吸着方式、温度スイング吸着方式などが使用できる。分離部１２を配置せず、還元性生物を含む気体と電解液を分離する気液分離部を配置することもできる。

第２の分離部１３は気液分離槽を有し、発生した酸素と電解液を分離するために配置される。

次に、電気化学反応装置１Ａの動作について説明する。ここでは、第１の電解液２および第２の電解液４として水および二酸化炭素を含む水溶液を用い、二酸化炭素を還元して主として一酸化炭素を生成する場合について述べる。カソード８とアノード９との間に電解電圧以上の電圧を印加すると、第２の電解液４と接するアノード９付近で水の酸化反応が生じる。下記の（１）式に示すように、第２の電解液４中に含まれる水の酸化反応が生じ、電子が失われ、酸素（Ｏ_２）と水素イオン（Ｈ^＋）とが生成される。生成された水素イオン（Ｈ^＋）の一部は、隔膜６を介して第１の電解液２中に移動する。
２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ^－ …（１）

アノード９側で生成された水素イオン（Ｈ^＋）がカソード８付近に到達すると共に、電源１１からカソード８に電子（ｅ^－）が供給されると、二酸化炭素の還元反応が生じる。下記の（２）式に示すように、カソード８付近に移動した水素イオン（Ｈ^＋）と電源１１から供給された電子（ｅ^－）とによって、第１の電解液２中に含まれる二酸化炭素が還元されて、一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。
２ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－ → ２ＣＯ＋２Ｈ_２Ｏ …（２）

二酸化炭素の還元反応による生成物は、一酸化炭素に限定されず、例えばエタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、メタン（ＣＨ_４）、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）、プロパノール（Ｃ_３Ｈ_７ＯＨ）等の生成反応であってもよい。

カソード８による還元反応は、カソード８、第１の収容部３の温度により変動する。例えば、上記した一酸化炭素ガスの生成反応に加えて、水の還元反応により水素ガスが生成される場合がある。一酸化炭素ガスと水素ガスの生成量の比は、カソード８、第１の収容部３の温度により変動し、主目的の生成物である一酸化炭素ガス中の水素ガスの混入量が増大する場合がある。また、カソード８を構成する還元触媒の種類等を選定することにより、一酸化炭素ガスに代えてエタノール、エチレン、エタン等の有機化合物を主目的生成物とすることがある。このような場合に、カソード８、第１の収容部３の温度によっては、一酸化炭素の生成量が増加して有機化合物の生成量が低下する場合がある。上記したようなカソード８、第１の収容部３の温度の変動に伴う還元生成物の組成や生成量の変動は、温度検知部１５により検知される。そして、温度検知部１５での検知結果に基づいて圧力調整部１４が制御され、前述したように第１の収容部３内の圧力が調整される。これにより、還元生成物の生成量が調整され、還元生成物の組成や生成量が所期の状態に調整される。従って、カソード８、第１の収容部３の温度変化による二酸化炭素の還元生成物の生成量や組成の継時的な変動を抑制し、還元生成物の利用可能性や利用価値を高めることが可能になる。

（第２の実施形態）
図３は、電気化学反応装置１Ｃを示す図である。図３に示す電気化学反応装置１Ｃは、二酸化炭素を含むガス（単に、ＣＯ_２ガスと記す場合もある）または二酸化炭素を含む第１の電解液２（カソード溶液）のカソード８との接触方式、および水を含む第２の電解液４（アノード溶液）のアノード９との接触方式、カソード８およびアノード９と電源１１との接続方式が、第１の実施形態の電気化学反応装置１Ｂとは異なっている。それら以外の各部の構成、例えばカソード８、アノード９、隔膜６、第１の電解液２、第２の電解液４、電源１１等の具体的な構成、生成物の分離、温度の検知、温度の検知結果に基づく圧力調整等は、第１の実施形態と同様とされている。なお、第２の実施形態においては、二酸化炭素を含む第１の電解液２に代えて二酸化炭素を含むガスを用いることができる。本実施形態は他の実施形態と適宜組み合わせることができる。

図３に示す電気化学反応装置１Ｃは、カソード８と、アノード９と、隔膜６と、二酸化炭素を含むガス（単に、ＣＯ_２ガスと記す場合もある）または二酸化炭素を含む第１の電解液２（カソード溶液）を流通させる第１の流路３１と、水を含む第２の電解液４（アノード溶液）を流通させる第２の流路３２と、カソード８と電気的に接続された第１の集電板３３と、アノード９に電気的に接続された第２の集電板３４とを有する電気化学反応セル１０を備えている。電気化学反応セル１０の第１および第２の集電板３３、３４は、電源１１に接続されている。第１の収容部３には温度検知部１５が接続されている。

第１の流路３１は、カソード８と面するように配置され、第１の収容部３を構成する。第１の流路３１には、図示を省略したガスまたは溶液タンク、ポンプ等が接続されており、ＣＯ_２ガスやカソード溶液が第１の流路３１内を流れ、カソード８に供給されるように構成されている。カソード８を通過したＣＯ_２ガスまたはカソード溶液中の二酸化炭素は、カソード８により還元される。二酸化炭素の還元生成物を含むガスまたは溶液は、第１の分離部１２に送られる。第１の流路３１と第１の分離部１２との間には、第１の圧力調整部１４１が設けられている。

第２の流路３２は、アノード９と面するように配置され、第２の収容部５を構成する。第２の流路３２と第２の分離部１３との間には、圧力調整部１４２が設けられている。第２の流路３２には、図示を省略した溶液タンク、ポンプ等が接続されており、アノード溶液が第２の流路３２内を流れ、アノード９に供給されるように構成されている。アノード９を通過したアノード溶液中の水は、アノード９により酸化される。水の酸化生成物を含む溶液は、第２の分離部１３に送られる。

電気化学反応装置１Ｃにおいては、第１の流路３１、第２の流路３２、隔膜６、カソード８、およびアノード９を含む第１の反応部７において、温度検知部１５の検知信号に基づいて第１の圧力調整部１４１および第２の圧力調整部１４２が制御され、第１の流路３１内の圧力が調整される。これにより、カソード８の電位が所望の電位となるように調整され、還元生成物の組成や生成量が所期の状態に調整される。従って、第１の収容部３、第２の収容部５の温度の変化による二酸化炭素の還元生成物の生成量や組成の継時的な変動を抑制し、還元生成物の利用可能性や利用価値を高めることが可能になる。

第１の収容部３に導入される二酸化炭素の濃度は高いほうが好ましいが、体積百分率で５％以上２０％以下の濃度でも動作させることができる。二酸化炭素の濃度が体積百分率で５％以上２０％以下の場合、圧力を上げ、二酸化炭素の分圧を上げることによりファラデー効率、電解効率を上げることができる。二酸化炭素の圧力は３気圧以上６．４ＭＰａ以下が好ましい。第１の収容部３には、例えば二酸化炭素を排出する排出源から二酸化炭素を含むガスまたは電解液等の流体が導入される。

第１の収容部３に導入される二酸化炭素の温度と第１の反応部７の温度との差は、２０℃以内であることが好ましい。導入される二酸化炭素の温度が第１の反応部７の温度よりも低い場合は、導入部付近の第１の反応部７の温度が低下してしまい第１の反応部７の温度が不均一となり、電極の二酸化炭素還元の電流密度も均一ではなくなる。これにより電解効率が低下する場合がある。導入される二酸化炭素の温度が第１の反応部７の温度より高い場合は第１の反応部７の温度が上昇し、冷却することが必要となる。このために温度差が１０℃以内であればさらに好ましい。このような条件において導入される二酸化炭素の温度は８０℃以上１４０℃以下が好ましい。さらに好ましい温度は８０℃以上１２０℃以下である。８０℃以上１２０℃以下であればさらにエネルギー効率が向上する。導入される二酸化炭素が高温であり、第１の反応部７の温度と導入される二酸化炭素の温度との差が大きい場合は導入される二酸化炭素の熱を利用し第１の反応部７を加熱することもできる。これにより全体のエネルギー効率が向上する。

図４は、電気化学反応装置１Ｄの例を示す図である。図４に示す電気化学反応装置１Ｄにおいては第１の反応部７が複数配置され一体構造で形成されている。第１の反応部７を複数配置することにより単位面積当たりの還元生成物の生成量を増加させることができる。第１の反応部７の配置数は特に限定されないが、単位面積当たりの反応量を増加させるためには１つのユニット当たり３個以上４０個以下、さらに好ましくは３個以上２０個以下の第１の反応部７により構成することが好ましい。３個より少ない場合は単位面積当たりの反応量が少なく生成物量を大きく増やすことができない。４０個を超える場合は温度制御が難しくなる。電気化学反応装置１Ｄのその他の説明は、電気化学反応装置１Ｃ等の他の電気化学反応装置の説明を適宜援用することができる。

（第３の実施形態）
図５は、電気化学反応装置１Ｅを示す図である。本実施形態は他の実施形態と適宜組み合わせることができ、電気化学反応装置１Ａないし電気化学反応装置１Ｄと同じ構成要素については、それぞれの説明を適宜援用することができる。

電気化学反応セル１０は、例えば図１ないし図４に示す電気化学反応セル１０のいずれかである。電気化学反応セル１０の第１の反応部７には第２の反応部２１を接続することができる。第２の反応部２１は、第１の反応部７で二酸化炭素を還元して得られた生成物をさらに反応するために接続される。第２の反応部２１は第１の反応部７で生成した還元生成物を他の物質に反応させることができれば特に限定されず、還元生成物の反応は、化学反応、電気化学反応、藻類、酵素、酵母、細菌（バクテリア）などによる生物的変換反応などの反応を含む。化学反応、電気化学反応、細菌などの生物的変換反応は室温よりも温度が高い場合、反応効率および反応速度の少なくとも一つのパラメータが向上する。第２の反応部２１に導入する還元生成物を６０℃以上１５０℃以下の温度で導入する場合、電気化学反応装置１Ｅのエネルギー変換効率を向上させることができる。細菌などの生物的変換反応は８０℃付近で最も効率的に反応が進行するために６０℃以上１００℃以下の温度で第２の反応部２１に導入するとさらに効率が向上する。第２の反応部２１は反応効率を向上させるために外部からエネルギーを加え、昇温させても、加圧してもよい。

還元生成物は、二酸化炭素と、一酸化炭素と、水の電気分解による水素と、を含んでもよい。水素濃度は使用により任意に調整できる。第２の反応部２１で水素を使用する場合は還元生成物と水素を混合物のまま二酸化炭素などを第１の分離部２１により分離する。水素を使用しない場合は還元生成物のみを分離する。メタノールなどを生成する場合は、一酸化炭素のモル数に対して２倍程度に調整することにより第２の反応部２１で副反応である水素を有価物として使用することができる。一方、第１の反応部７では水素の副反応を抑制して、還元生成物の水素の濃度を体積百分率で０．１％以上５％以下の範囲で調整することができる。これにより高濃度な一酸化炭素を提供する一酸化炭素製造装置として使用することができる。

（実施例１）
図３に示す電気化学反応装置１Ｃを製造した。まず、この電気化学反応装置１Ｃを用いて、第１の反応部７の温度昇温時に第１の収容部３、第２の収容部５の圧力を制御することにより、ファラデー効率および電解効率の変化を測定した。

第１の反応部７には、ステンレス製の反応容器を用いた。反応容器の中央にＰＴＦＥの多孔質膜を配置し、第１の収容部３と第２の収容部５とを隔てた。カソード８としては、カーボンペーパ上にカーボン粒子に金触媒を担持したものを使用した。アノード９としては、チタンメッシュにイリジウム触媒を付着したものを使用した。第２の電解液には、０．１Ｍ ＫＨＣＯ_３水溶液を用いて第２の収容部５へ供給した。また、第１の収容部３には二酸化炭素を含むガスを供給した。電源１１には検証実験用として直流安定化電源を使用し、これをカソード８とアノード９に接続した。温度検知部１５には、温度計測熱電対を用いた。圧力調整部１４には、リリーフバルブを用いた。

事前にポテンショスタットを用いた測定で、二酸化炭素の還元反応で生じる還元生成物の電解効率、圧力の電位依存性を評価した。カソード８側から排出されるガス成分をガスクロマトグラフ装置で分析した。ガスクロマトグラフ装置で観測されたガス成分は、一酸化炭素、水素、および二酸化炭素であった。その後、カソード８により生成される一酸化炭素の経時的な電解効率を算出した。一酸化炭素のファラデー効率（ＣＯファラデー効率）は下記の式から算出した。なお、一酸化炭素の生成速度（ＣＯ生成速度）はガスクロマトグラフ分析結果から、電流値は電流計で観測された値を用いた。また、反応電子数は２とした。

その結果、ＣＯファラデー効率には温度依存性が存在することが分かった。二酸化炭素還元の電流密度が３００ｍＡ／ｃｍ^２のとき、室温、大気圧では電解効率２７％、ＣＯファラデー効率８５％であったが、８０℃、大気圧では電解効率２５％、ＣＯファラデー効率５６％に低下した。第１の圧力調整部１４１および第２の圧力調整部１４２により８０℃、２気圧に調整したところ電解効率３２％、ＣＯファラデー効率８４％まで向上した。

（比較例１）
実施例１と同様の電気化学反応装置１Ｃにおいて、室温時の圧力変化でのＣＯファラデー効率、電解効率の変化を確認した。室温で１気圧と２気圧にそれぞれ調整したところ電解効率とＣＯファラデー効率を測定した結果、ほとんど変化がないことが分かった。

上記結果から、第１の反応部７の温度に基づいて第１の収容部３内の圧力および第２の収容部５内の圧力の少なくとも一つの圧力を制御することにより、温度上昇による電解効率およびファラデー効率の低下を防ぎ、さらに高効率化が可能であることをわかる。

以上の結果に基づいて、再生可能エネルギーを利用した電源１１を使用し、二酸化炭素の還元試験を実施した。この際、カソード８における生成物の量および組成は、温度検知部１５として温度モニタを作動させて監視し、その検知信号を制御部１６に送り圧力調整部１４を制御した。その結果、温度が変動したが、カソード８における生成物の量および組成は第１の収容部３の圧力調整に基づいて変動が抑制されることが確認された。

なお、上述した各実施形態の構成は、それぞれ組合せて適用することができ、また一部置き換えることも可能である。ここでは、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するものではない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の省略、置き換え、変更等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同時に、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ものである。

１Ａ～１Ｅ…電気化学反応装置、２…第１の電解液、３…第１の収容部、４…第２の電解液、５…第２の収容部、６…隔膜、７…第１の反応部、８…カソード、９…アノード、１０…電気化学反応セル、１１…電源、１２…第１の分離部、１３…第２の分離部、１４…圧力調整部、１５…温度検知部、１６…制御部、１７…第１の供給流路、１８…第２の供給流路、１９…第１の排出流路、２０…第２の排出流路、２１…第２の反応部、３１…第１の流路、３２…第２の流路、３３…第１の集電板、３４…第２の集電板、１４１…第１の圧力調整部、１４２…第２の圧力調整部。

Claims (20)

1. 第１の収容部を形成するとともに二酸化炭素を含むガスを流通させるための第１の流路と、第２の収容部を形成するとともに水を含む第２の電解液を流通させるための第２の流路と、前記第１の流路と前記第２の流路との間に設けられた隔膜と、を備える第１の反応部と、
   前記第１の流路に面し、前記二酸化炭素を還元して還元生成物を生成するカソードと、
   前記第２の流路に面し、前記水を酸化して酸化生成物を生成するアノードと、
   前記第１の流路内の圧力を調整する第１の圧力調整部と、
   前記第１の反応部の温度を検知する温度検知部と、
   前記温度検知部の検知信号に基づいて前記圧力調整部を制御する制御部と、
   を具備する、電気化学反応装置。
2. 前記隔膜は、多孔質膜を含む、請求項１に記載の電気化学反応装置。
3. 前記温度検知部は、前記第１の反応部と接触して前記第１の反応部の温度を検知するように配置される、請求項１または請求項２に記載の電気化学反応装置。
4. 複数の前記第１の反応部を具備する、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
5. 前記第１の反応部の温度は、６０℃以上１５０℃以下である、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
6. 前記第１の収容部に導入される前記二酸化炭素の濃度は体積百分率で５％以上２０％以下であり、前記第１の収容部に導入される前記二酸化炭素の圧力は３気圧以上である、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
7. 前記温度検知部により検知される前記第１の反応部の温度と前記第１の収容部に導入される前記二酸化炭素の温度との差は２０℃以内である、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
8. 前記第１の収容部に導入される前記二酸化炭素の温度は８０℃以上１４０℃以下である、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
9. 前記還元生成物を反応させる第２の反応部をさらに具備する、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
10. 前記還元生成物を前記第２の反応部へ６０℃以上１５０℃以下の温度で供給する、請求項９に記載の電気化学反応装置。
11. 前記還元生成物の反応は生物的変換反応である、請求項９または請求項１０に記載の電気化学反応装置。
12. 前記生物的変換反応は、酵素による反応、酵母による反応、細菌による反応、または藻類による反応を含む、請求項１１に記載の電気化学反応装置。
13. 前記還元生成物の反応は化学反応である、請求項９または請求項１０に記載の電気化学反応装置。
14. 前記還元生成物は、二酸化炭素と、一酸化炭素と、水素と、を含み、
    前記還元生成物の前記水素の濃度は、体積百分率で０．１％以上５％未満である、請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
15. 前記圧力調整部は、前記第１の収容部内の圧力を０．１ＭＰａ以上６．４ＭＰａ以下に調整する、請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
16. 前記第２の収容部内の圧力を調整する第２の圧力調整部をさらに具備する、請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
17. 前記第１の圧力調整部および前記第２の圧力調整部は、前記第１の収容部内の圧力と第２の収容部内の圧力との差を０．５ＭＰａ以内に調整する、請求項１６に記載の電気化学反応装置。
18. 前記カソードおよび前記アノードに接続された電源をさらに具備する、請求項１ないし請求項１７のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
19. 前記カソードの電流密度は、１００ｍＡ／ｃｍ ^２ 以上１．５Ａ／ｃｍ ^２ 以下である、請求項１ないし請求項１８のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
20. 前記第１の収容部に導入される前記二酸化炭素の濃度は体積百分率で５％以上２０％以下である、請求項１ないし請求項５、および請求項７ないし請求項１９のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。

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