(57)【要約】【課題】還元生成物の生成効率を高めることである。【解決手段】電気化学反応装置は、第１の収容部と、第２の収容部と、を備える電解液槽と、第１の収容部に配置された第１の電極と、第２の収容部に配置された第２の電極と、第１の電極および第２の電極に電気的に接続された電源と、を具備する。第１の電極は、空隙を有する多孔質導電体を備える。空隙は、多孔質導電体を貫通する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含む第１の物質を含有する第１の電解液を収容するための第１の収容部と、第２の物質を含有する第２の電解液を収容するための第２の収容部と、を備える電解液槽と、
前記第１の収容部に配置された、前記第１の物質を還元するための第１の電極と、
前記第２の収容部に配置された、前記第２の物質を酸化するための第２の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極に電気的に接続された電源と、を具備し、
前記第１の電極は、空隙を有する多孔質導電体を備え、
前記空隙は、前記多孔質導電体を貫通する、電気化学反応装置。
【請求項２】
前記多孔質導電体は、複数の導電性部材を有し、
前記空隙は、互いに隣り合う前記導電性部材の間に設けられ、
前記互いに隣り合う導電性部材の間隔の最大値は、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である、請求項１に記載の電気化学反応装置。
【請求項３】
前記導電性部材は、導電性繊維である、請求項２に記載の電気化学反応装置。
【請求項４】
前記導電性繊維は、炭素繊維である、請求項３に記載の電気化学反応装置。
【請求項５】
前記導電性繊維は、金属繊維である、請求項３に記載の電気化学反応装置。
【請求項６】
前記金属繊維は、金、銀、白金、銅、亜鉛、およびニッケルから選ばれる少なくとも一つの元素を含む、請求項５に記載の電気化学反応装置。
【請求項７】
前記第１の電極は、前記導電性部材の表面に接する金属層を有する、請求項２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。
【請求項８】
前記金属層は、金、銀、白金、銅、亜鉛、およびニッケルから選ばれる少なくとも一つの元素を含む、請求項７に記載の電気化学反応装置。
【請求項９】
前記第１の電極は、前記導電性部材の表面または前記金属層の表面に結合された第４級カチオンを含む修飾有機分子を有する、請求項２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。
【請求項１０】
前記第２の電極は、空隙を有する第２の多孔質導電体を備え、
前記第２の多孔質導電体の前記空隙は、前記第２の多孔質導電体を貫通する、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
【請求項１１】
前記電源は、前記第１の電極に電気的に接続された第１の面と前記第２の電極に電気的に接続された第２の面とを有する光電変換体を備える、請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
【請求項１２】
前記第２の物質は、水を含む、請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
【請求項１３】
前記電解液槽の一方向に沿って前記第２の収容部に配置された複数の前記第２の電極と、
前記一方向に沿って前記第１の収容部と前記電解液槽の外部とを接続する流路と、をさらに具備し、
前記多孔質導電体は、前記複数の第２の電極のそれぞれに重畳する、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の電気化学反応装置。
【請求項１４】
前記電解液槽は、前記一方向に沿って長さを有する円筒形状を有し、
前記複数の第２の電極は、それぞれ前記電解液槽の内周面に沿って配置され、
前記多孔質導電体は、前記複数の第２の電極よりも前記電解液槽の中心軸に近い、請求項１３に記載の電気化学反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態の発明は、電気化学反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー問題や環境問題の観点から、植物のように光エネルギーによってＣＯ２を効率よく還元することが求められている。植物は、光エネルギーを２段階で励起するＺスキームと呼ばれるシステムを用いる。このシステムを利用した電気化学反応では、水（Ｈ２Ｏ）が酸化されて電子が得られ、二酸化炭素（ＣＯ２）が還元されてセルロースや糖類等の化合物が合成される。
【０００３】
植物のＺスキームを模倣して開発された電気化学反応装置として、ＣＯ２の還元を行うために必要な電位を可視光から得る人工光合成システムが知られている。上記人工光合成システムは、還元処理と同時に酸素を生成することができるため、例えば宇宙ステーションにおける生命維持システムとして用いることも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１３２０１２号公報
【特許文献２】特開２０１１−０６８６９９号公報
【特許文献３】特開２０１４−７４２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態の発明が解決しようとする課題は、還元生成物の生成効率を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の電気化学反応装置は、二酸化炭素を含む第１の物質を含有する第１の電解液を収容するための第１の収容部と、第２の物質を含有する第２の電解液を収容するための第２の収容部と、を備える電解液槽と、第１の収容部に配置された、第１の物質を還元するための第１の電極と、第２の収容部に配置された、第２の物質を酸化するための第２の電極と、第１の電極および第２の電極に電気的に接続された電源と、を具備する。第１の電極は、空隙を有する多孔質導電体を備える。空隙は、多孔質導電体を貫通する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】電気化学反応装置の構造例を示す模式図である。
【図２】電極の構造例を示す断面模式図である。
【図３】電極の構造例を示す断面模式図である。
【図４】導電性部材の他の構造例を示す断面模式図である。
【図５】電気化学反応装置の動作例を説明するための模式図である。
【図６】電気化学反応装置の他の構造例を示す模式図である。
【図７】電気化学反応装置の他の構造例を示す模式図である。
【図８】電気化学反応装置の他の構造例を示す模式図である。
【図９】電気化学反応装置の他の構造例を示す模式図である。
【図１０】電気化学反応装置の他の構造例を示す模式図である。
【図１１】電気化学反応装置の他の構造例を示す模式図である。
【図１２】電気化学反応装置の他の構造例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的であり、例えば各構成要素の厚さ、幅等の寸法は実際の構成要素の寸法と異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付け、説明を省略する場合がある。
【０００９】
図１は電気化学反応装置の構造例を示す模式図である。図１に示す電気化学反応装置は、電解液槽１１と、電極３１と、電極３２と、光電変換体３３と、イオン交換膜４と、を具備する。
【００１０】
電解液槽１１は、収容部１１１と、収容部１１２と、を有する。電解液槽１１の形状は、収容部となる空洞を有する立体形状であれば特に限定されない。電解液槽１１の材料としては、例えば光を透過する材料が用いられる。電気化学反応装置は、収容部１１１と電解液槽１１の外部とを接続する流路と収容部１１２と電解液槽１１の外部とを接続する流路とを具備してもよい。
【００１１】
収容部１１１は、被還元物質を含む電解液２１を収容する。被還元物質は、還元反応により還元される物質である。被還元物質としては、例えば二酸化炭素、水素イオン等が挙げられる。
【００１２】
収容部１１２は、被酸化物質を含む電解液２２を収容する。被酸化物質は、酸化反応により酸化される物質である。被酸化物質としては、例えば水、またはアルコールもしくはアミン等の有機物、または酸化鉄等の無機酸化物が挙げられる。電解液２２は、電解液２１と同じ物質を含んでいてもよい。この場合、電解液２１および電解液２２が１つの電解液とみなされてもよい。
【００１３】
電極３１は、被還元物質を還元するための還元触媒を含むカソード電極である。電極３１は、収容部１１１に配置され、電解液２１に浸漬される。
【００１４】
還元触媒としては、水素イオンや二酸化炭素を還元するための活性化エネルギーを減少させる材料が挙げられる。言い換えると、水素イオンや二酸化炭素の還元反応により水素や炭素化合物を生成する際の過電圧を低下させる材料が挙げられる。例えば、金属材料または炭素材料を用いることができる。金属材料としては、例えば水素の場合、白金、ニッケル等の金属、または当該金属を含む合金を用いることができる。二酸化炭素の還元反応では金、アルミニウム、銅、銀、白金、パラジウム、もしくはニッケル等の金属、または当該金属を含む合金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、またはケッチェンブラック等を用いることができる。なお、これに限定されず、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。また、複数の材料を混合してもよい。
【００１５】
還元反応により生成される化合物は、還元触媒の種類等によって異なる。還元反応により生成される化合物は、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、メタン（ＣＨ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）、エチレングリコール等の炭素化合物、または水素である。
【００１６】
図２および図３は、電極３１の構造例を示す断面模式図である。図２はＸ軸およびＸ軸に垂直なＺ軸を含むＸ−Ｚ断面図であり、図３はＸ軸に垂直なＹ軸、ならびにＸ軸およびＹ軸に垂直なＺ軸を含むＹ−Ｚ断面図である。Ｘ軸方向は、例えば電気化学反応装置の幅方向または電解液槽１１の幅方向であり、電解液２１および電解液２２の流れ方向である。Ｙ軸方向は、例えば電気化学反応装置または電解液槽１１の奥行き方向である。Ｚ軸方向は、例えば電気化学反応装置または電解液槽１１の高さ方向である。
【００１７】
電極３１は、導電層３１１と、還元触媒を含み導電層３１１に接する触媒層３１２と、を有する。導電層３１１としては、例えば銀、金、アルミニウム、または銅等の金属、またはそれらの少なくとも一つを含む合金等を用いることができる。導電層３１１としては、例えばインジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素を含む酸化錫（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：ＦＴＯ）、アルミニウムを含む酸化亜鉛（Ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｄｏｐｅｄ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ：ＡＺＯ）、アンチモンを含む酸化錫（Ａｎｔｉｍｏｎｙ−ｄｏｐｅｄ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：ＡＴＯ）等の透光性金属酸化物等を用いることができる。導電層３１１は、集電体としての機能を有していてもよい。なお、必ずしも導電層３１１を設けなくてもよい。
【００１８】
触媒層３１２は、導電性部材３１２ａと、電解液２１の流入および流出が可能な空隙３１２ｂと、を有する多孔質導電体を備える。多孔質導電体は、表面に還元触媒を有していてもよい。この場合、多孔質導電体自体は、集電体としての機能を有していてもよい。また多孔質導電体自体が還元触媒で構成されていてもよい。電極３１として例えば空隙を有しない平板電極を用いる場合、電極３１の表面でのみでしか還元反応が生じない。また、限界電流密度が低く、電流密度が、この限界電流密度を超えると電位がシフトし、副生成物の生成割合が増大する。限界電流密度は、還元生成物を主成分として得ることができる電流密度（単位面積当たりの電流値）の限界値である。このため、限界電流密度以下で電流密度を制御する必要がある。また、処理速度は、電流値に比例するため、限界電流密度が低いと処理速度も低い。さらに、構造上、連続処理が困難である。
【００１９】
これに対し、多孔質導電体の場合、空隙３１２ｂを設けることにより、電極３１における還元反応に寄与する領域の面積を例えば平板電極の１０００倍以上に増加させることができる。また、低い電流密度を保ったまま処理速度を従来の１０００倍以上に高めることができる。よって、還元生成物の生成効率を高めることができる。
【００２０】
空隙３１２ｂは、多孔質導電体を貫通する。空隙３１２ｂが多孔質導電体を貫通しない場合、電解液の流れが阻害され還元反応が阻害されるおそれがある。これに対し、空隙３１２ｂが多孔質導電体を貫通する場合、電解液を通過させることができるため連続的に還元反応を行うことができる。
【００２１】
多孔質導電体としては、例えば導電性部材３１２ａとして導電性繊維を含む繊維構造体を用いることができる。繊維構造体としては、例えば１本以上の導電性繊維を用いた不織体を用いることができる。繊維構造体は、大きな表面積を有するため多孔質導電体として好適である。
【００２２】
図２に示す多孔質構造体では、便宜のために複数の導電性部材３１２ａがＸ軸方向（電極３１の厚さ方向に垂直な方向）に沿って延在している。これに限定されず、導電性部材３１２ａの延在方向は、ランダムであってもよい。
【００２３】
導電性部材３１２ａとしては、例えば炭素繊維または金属繊維を用いることができる。炭素繊維は、高い可撓性を有し、空隙３１２ｂの形状を金属繊維よりも容易に制御することができる。金属繊維としては、例えば還元触媒に適用可能な材料を用いてもよく、例えば金、銀、白金、銅、亜鉛、およびニッケルから選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。
【００２４】
多孔質導電体としては、繊維構造体に限定されず、例えば導電性部材３１２ａとして１以上の導電性粒子を含む焼結体または導電性部材３１２ａとして１以上の導電性中空糸を含む中空糸体等を用いてもよい。このとき、導電性部材３１２ａは、Ｘ軸方向に延在していなくてもよい。
【００２５】
空隙３１２ｂは、互いに隣り合う導電性部材３１２ａの間に設けられる。よって、空隙３１２ｂの大きさは、互いに隣り合う導電性部材３１２ａの間隔に応じて制御される。空隙３１２ｂは、複数設けられてもよい。また、空隙３１２ｂは、三次元に枝分かれした構造を有していてもよく、多孔質導電体の表面に露出する、電解液の流入出のための複数の流入出口を有していてもよい。
【００２６】
還元反応を行う領域における互いに隣り合う導電性部材３１２ａの間隔の最大値は、例えば０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、還元反応を行う領域の幅（導電性部材３１２ａ同士の間隔）を導電性部材３１２ａにより形成される拡散層の厚さ以下にすることができ、拡散律速を抑制することができる。このため、例えば電解液２１を攪拌するための攪拌装置を設けなくてもよい。上記間隔は、例えば導電性部材３１２ａの径に応じて制御される。これに限定されず、導電性粒子の粒径や導電性中空糸の中空部の径を制御することにより、隣り合う導電性粒子の間隔の最大値や導電性中空糸の中空部の最大径が０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲に制御されてもよい。
【００２７】
電極３１は、導電性部材３１２ａの表面に接する金属層を有していてもよい。また、電極３１は、導電性部材３１２ａの表面または金属層の表面に結合された修飾有機分子を有していてもよい。
【００２８】
図４は、金属層を介して修飾有機分子に結合された導電性部材３１２ａの構造例を示す模式図である。図４に示す導電性部材３１２ａの表面上に金属層３１２ｃが設けられる。金属層３１２ｃの表面上に有機分子層３１２ｄが設けられる。有機分子層３１２ｄの表面上に金属微粒子を含む金属微粒子部３１２ｅが設けられる。金属微粒子部３１２ｅの表面に修飾有機分子を含む修飾有機分子部３１２ｆが設けられる。導電性部材３１２ａが繊維、粒子、または中空糸の構造体である場合、構造体を形成する前または後で金属層３１２ｃ、有機分子層３１２ｄ、金属微粒子部３１２ｅ、および修飾有機分子部３１２ｆが形成されてもよい。金属層３１２ｃ、有機分子層３１２ｄ、金属微粒子部３１２ｅ、および修飾有機分子部３１２ｆのそれぞれの形成方法としては、従来の形成方法を適宜用いることができる。
【００２９】
金属層３１２ｃとしては、例えば還元触媒に適用可能な材料を用いることができ、例えば金、銀、白金、銅、亜鉛、およびニッケルから選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。また、金属層３１２ｃに酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＩＴＯ、またはＦＴＯ等を含む酸化物を用いてもよい。
【００３０】
有機分子層３１２ｄは、金属層３１２ｃに化学的に結合される。有機分子層３１２ｄは、自己組織化により形成される単層膜である。有機分子層３１２ｄは、金属微粒子部３１２ｅを構成する金属微粒子を固定するとともに電気的に接続する機能を有する。
【００３１】
有機分子層３１２ｄは、例えば長鎖アルキル基と、第１の反応性官能基と、第２の反応性官能基と、を有する。長鎖アルキル基のアルキル鎖長が長くなるほど、導電性部材３１２ａに対して緻密で配向が揃った分子層を得ることができる。このため、長鎖アルキル基のアルキル鎖長を長くすることで、金属微粒子部３１２ｅを構成する金属微粒子の固定性や有機分子層３１２ｄの耐久性が向上する。長鎖アルキル基のアルキル鎖長が長過ぎると、有機分子層３１２ｄにおけるトンネル電流の抵抗が増加し、電極抵抗が増加する。したがって、長鎖アルキル基の炭素数は２〜１６であることが好ましい。
【００３２】
第１の反応性官能基は、長鎖アルキル基の一方の末端に形成される。第１の反応性官能基は、導電性部材３１２ａまたは金属層３１２ｃに対して親和性を有し、導電性部材３１２ａまたは金属層３１２ｃと化学的に反応して結合する。導電性部材３１２ａまたは金属層３１２ｃが金属材料で形成される場合、第１の反応性官能基はチオール基、ジスルフィド基、またはチオシアネート基等の共有結合が可能な官能基であることが好ましい。その中でも結合力が優れていることからチオール基がより好ましい。一方、金属層３１２ｃが酸化物層等で構成される場合、第１の反応性官能基はカルボン酸基、ホスホン酸基、リン酸エステル基、またはアルコキシシリル基等の共有結合が可能な官能基であることが好ましい。その中でも結合力が優れていることからホスホン酸基がより好ましい。
【００３３】
第２の反応性官能基は、長鎖アルキル基の他方の末端に形成される。第２の反応性官能基は、金属微粒子部３１２ｅを構成する金属微粒子に対して親和性を有し、金属微粒子と化学的に反応して結合する。このため、第２の反応性官能基は、有機分子層３１２ｄの表面に金属微粒子を固定する。第２の反応性官能基は、チオール基、ジスルフィド基、またはチオシアネート基等の共有結合が可能な官能基が好ましい。その中でも結合力が優れていることからチオール基がより好ましい。
【００３４】
金属微粒子部３１２ｅを構成する金属微粒子は、有機分子層３１２ｄの表面（第２の反応性官能基）に化学的に結合される。金属微粒子は、その表面の一部に電荷をもった有機分子（反応性官能基）を備えることで帯電する。金属微粒子の表面の電荷は、粒子間に静電的反発を発生させ、ナノ粒子サイズの微粒子同士が凝集して粗大化することを防止することができる。
【００３５】
金属微粒子の表面の電荷と有機分子層３１２ｄにおける第２の反応性官能基の電荷とを用いて、有機分子層３１２ｄの表面に金属微粒子を静電的引力（静電結合）により固定できる。より具体的には、金属微粒子の表面にカルボキシル基の負の電荷が備わっている場合、有機分子層３１２ｄにおける第２の反応性官能基としてアミノ基または４級窒素カチオンを選択することで金属微粒子を固定化することができる。反対に、金属微粒子の表面にアミノ基または４級窒素カチオンの正の電荷が備わっている場合、第２の反応性官能基としてカルボキシル基を選択することで金属微粒子を固定することができる。
【００３６】
金属微粒子の表面の電荷は、金属微粒子の製造方法に起因した有機分子による電荷、または製造後の処理に起因した有機分子による電荷を付与することができる。例えば、液層から金属微粒子を還元して析出する際にクエン酸等の還元剤を使用すると、金属微粒子表面にクエン酸が付与され、金属微粒子表面は負の電荷を帯びる。そして、負の電荷を帯びた金属微粒子の表面にアミノ基を有する分子を静電結合させると、金属微粒子の表面は正の電荷を帯びる。一方、金属微粒子の表面にチオール等の共有結合性の反応基を有するアミン分子を反応させても正の電荷を帯びる。すなわち、チオール等の共有結合性の反応基を有するアミン分子は、金属微粒子の表面の電荷の有無、また電荷の正負によらず用いることができる。
【００３７】
金属微粒子は、還元反応を活性化する還元触媒であり、金、銀、白金、銅、亜鉛、およびニッケルから選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。
【００３８】
金属微粒子は、ナノ微粒子であると高い触媒活性を有する。このため、金属微粒子の平均粒径は、例えば３００ｎｍ以下であることが好ましい。これは、金属微粒子の平均粒径が３００ｎｍを超えると、金属微粒子の活性効率が著しく低下してしまうためである。
【００３９】
金属微粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましい。この上限は、上記活性を考慮したものである。一方、下限は、微粒子製造プロセスの困難性を考慮したものである。すなわち、金属微粒子の平均粒径を０．５ｎｍ未満にすると、微粒子製造プロセスの制御が困難となり、微粒子製造コストが高くなる。
【００４０】
金属微粒子として、平均粒径が５０ｎｍ以下の微粒子を単独で用いてもよいが、この微粒子からなる一次粒子の凝集体（二次粒子）を用いてもよい。
【００４１】
修飾有機分子部３１２ｆを構成する修飾有機分子は、金属微粒子の表面に化学的に結合される。修飾有機分子は、反応性官能基と、長鎖アルキル基と、第４級窒素カチオンとを有する。
【００４２】
修飾有機分子部３１２ｆの反応性官能基は、修飾有機分子部３１２ｆの長鎖アルキル基の一方の末端に形成される。反応性官能基は、金属微粒子に対して親和性を有し、金属微粒子と化学的に反応して結合する。このため、反応性官能基は、金属微粒子の表面に修飾有機分子を固定化させる。反応性官能基は、チオール基、ジスルフィド基、またはチオシアネート基等の共有結合が可能な官能基が好ましい。その中でも結合力が優れていることからチオール基がより好ましい。
【００４３】
第４級窒素カチオンは、修飾有機分子部３１２ｆの長鎖アルキル基の他方の末端に形成される。第４級窒素カチオンは、金属微粒子による還元反応を促進する機能を有する。
【００４４】
ＣＯ２還元反応の素反応では、ＣＯ２は１電子の還元反応によりＣＯ２ラジカルアニオンとなる。この反応には、大きな過電圧が必要である。この過電圧は、エネルギーの損失であり、エネルギー変換効率の低下の原因となる。また、ＣＯ２還元反応とともに水や水素イオンの還元反応が副反応として起こり、水素が発生する。この副反応によって、ＣＯ２還元反応のファラデー効率が低下する。
【００４５】
これに対し、金属微粒子表面の第４級窒素カチオンは、ＣＯ２と反応中間体を形成する。このため、第４級窒素カチオンは、ＣＯ２ラジカルアニオンの生成および安定化に寄与する効果を有し、低いエネルギーでＣＯ２還元反応を起こすことができる。その結果、エネルギー変換効率を高くすることができる。また、第４級窒素カチオンは金属微粒子表面に固定されているため、水や水素イオンが金属微粒子に接近することを阻害する効果を有する。すなわち、第４級窒素カチオンは金属微粒子に反応選択性を付与することができる。このため、副反応による水素の発生を抑制し、ファラデー効率の向上させることができる。
【００４６】
第４級窒素カチオンに結合された金属微粒子では、第４級窒素カチオンおよび金属微粒子とＣＯ２との相互作用によって還元生成物が変化する。具体的には、ＣＯ２は、一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）、およびメタノール（ＣＨ３ＯＨ）に変換される。また、ＣＯ２は、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、アセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）、およびエタノール（ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ）に変換される場合もある。
【００４７】
第４級窒素カチオンは、例えばアンモニウムカチオン、イミダゾールカチオン、ピリジニウムカチオン、ピペリジニウムカチオンまたはピロリジニウムカチオン等であることが好ましい。その中でも、ＣＯ２還元の活性向上に優れていることからイミダゾールカチオンが好ましい。
【００４８】
修飾有機分子の構造において、第４級窒素カチオンと金属微粒子の表面に結合する修飾有機分子部３１２ｆの反応性官能基とは、長鎖アルキル基を介して結合してもよいし、直接結合してもよい。第４級窒素カチオンと反応性官能基とが長鎖アルキル基を介して結合している場合、アルキル鎖長を著しく長くすると、金属微粒子のＣＯ２還元反応に第４級窒素カチオンが関与しにくくなる。したがって、長鎖アルキル基のアルキル鎖長は、炭素数２〜１６が好ましい。
【００４９】
修飾有機分子を構成する有機分子としては、１５−カルボキシ−１−ペンタデカンチオール、１０−カルボキシ−１−デカンチオール、７−カルボキシ−１−ヘプタンチオール、５−カルボキシ−１−ペンタンチオール、３−カルボキシ−１−プロパンチオール、メルカプト酢酸、１０−カルボキシデシル−ジスルフィド、７−カルボキシヘプチル−ジスルフィド、５−カルボキシペンチル−ジスルフィド、４，４´−ジチオジブタン酸、１６−アミノ−１−ヘキサデカンチオール、１６−アミノ−１−ヘキサデカンチオール、１１−アミノ−１−ウンデカンチオール、８−アミノ−１−オクタンチオール、６−アミノ−１−ヘキサンチオール、１１−メルカプトウンデカン−１−トリメチルアンモニウムクロライド、１１−メルカプトウンデカン−１−スルホン酸ナトリウム、１１−メルカプトウンデカン−１−ホスホン酸、１−（２−メルカプトエチル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（２−メルカプトエチル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（３−メルカプトプロピル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（４−メルカプトブチル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（４−メルカプトブチル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（５−メルカプトペンチル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（６−メルカプトへキシル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（８−メルカプトオクチル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（９−メルカプトノニル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（１０−メルカプトデシル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（１１−メルカプトウンデシル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（１２−メルカプトドデシル）−３−メチルイミダゾリウムブロミド、１−（２−メルカプトエチル）−３−エチルイミダゾリウムブロミド、１−（４−メルカプトブチル）−２，３−ジメチルイミダゾリウムブロミド、１−（２−メルカプトエチル）−４−メチルピリジニウムブロミド、１−（３−メルカプトプロピル）−４−メチルピリジニウムブロミド、１−（４−メルカプトブチル）−４−メチルピリジニウムブロミド、１−（５−メルカプトペンチル）−４−メチルピリジニウムブロミド、１−（６−メルカプトへキシル）−４−メチルピリジニウムブロミド、１−（８−メルカプトオクチル）−４−メチルピリジニウムブロミド、１−（９−メルカプトノニル）−４−メチルピリジニウムブロミド、１−（１０−メルカプトデシル）−４−メチルピリジニウムブロミド、１−（１１−メルカプトウンデシル）−４−メチルピリジニウムブロミド、１−（１２−メルカプトドデシル）−４−メチルピリジニウムブロミド、１−（４−メルカプトブチル）ピリジニウムブロミド、１−（２−メルカプトエチル）−１−メチルピロリジニウムブロミド、１−（３−メルカプトプロピル）−１−メチルピロリジニウムブロミド、１−（４−メルカプトブチル）−１−メチルピロリジニウムブロミド、１−（５−メルカプトペンチル）−１−メチルピロリジニウムブロミド、１−（６−メルカプトへキシル）−１−メチルピロリジニウムブロミド、１−（８−メルカプトオクチル）−１−メチルピロリ���ニウムブロミド、１−（９−メルカプトノニル）−１−メチルピロリジニウムブロミド、１−（１０−メルカプトデシル）−１−メチルピロリジニウムブロミド、１−（１１−メルカプトウンデシル）−１−メチルピロリジニウムブロミド、１−（１２−メルカプトドデシル）−１−メチルピロリジニウムブロミド、１−（２−メルカプトエチル）−１−メチルピペリジニウムブロミド、１−（３−メルカプトプロピル）−１−メチルピペリジニウムブロミド、１−（４−メルカプトブチル）−１−メチルピペリジニウムブロミド、１−（５−メルカプトペンチル）−１−メチルピペリジニウムブロミド、１−（６−メルカプトへキシル）−１−メチルピペリジニウムブロミド、１−（８−メルカプトオクチル）−１−メチルピペリジニウムブロミド、１−（９−メルカプトノニル）−１−メチルピペリジニウムブロミド、１−（１０−メルカプトデシル）−１−メチルピペリジニウムブロミド、１−（１１−メルカプトウンデシル）−１−メチルピペリジニウムブロミド、１−（１２−メルカプトドデシル）−１−メチルピペリジニウムブロミド、１，２−エタンジチオール、１，３−プロパンジチオール、１，４−ブタンジチオール、１，５−ペンタンジチオール、１，６−ヘキサンジチオール、１，７−ヘプタンジチオール、１，８−オクタンジチオール、１，９−ノナンジチオール、１，１０−デカンジチオール、１，１１−ウンデカンジチオール、１，１２−ドデカンジチオール、１，１３−トリデカンジチオール、１，１４−テトラデカンジチオール、１，１５−ペンタデカンジチオール、１，１６−ヘキサデカンジチオール等が挙げられる。
【００５０】
アミンはフッ酸、塩酸、臭酸、ヨウ酸、硫酸、硝酸、または燐酸等の塩を形成してもよい。また、アンモニウム塩、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、ピロリジニウム塩、ピペリジニウム塩等の第４級窒素カチオンの対アニオンは、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、ＨＣＯ３−、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＣＯＯ−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＮＯ３−、ＳＣＮ−、Ｎ（ＣＮ）２−、Ｃ（ＣＮ）３−（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ−、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミドアニオン、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミドアニオン、ビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミドアニオン等であってもよい。
【００５１】
電極３２は、被酸化物質を酸化するための酸化触媒を含むアノード電極である。電極３２は、収容部１１２に配置され、電解液２２に浸漬される。電極３２は、例えばＸ軸方向に沿って延在してもよい。酸化反応により生成される化合物は、酸化触媒の種類等によって異なる。酸化反応により生成される化合物は、例えば水素イオンである。
【００５２】
酸化触媒としては、水を酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料が挙げられる。言い換えると、水の酸化反応により酸素と水素イオンを生成する際の過電圧を低下させる材料が挙げられる。例えば、イリジウム、鉄、白金、コバルト、またはマンガン等が挙げられる。また、酸化触媒としては、二元系金属酸化物、三元系金属酸化物、または四元系金属酸化物など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）、または酸化ルテニウム（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−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、これに限定されず、酸化触媒としてＲｕ錯体または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もよい。
【００５３】
光電変換体３３は、電極３１に電気的に接続された第１の面と、電極３２に電気的に接続された第２の面と、を有する。図１において、電極３１と、電極３２と、光電変換体３３と、は積層されている。電極３１は光電変換体３３の第１の面に接し、電極３２は光電変換体３３の第２の面に接している。このとき、電極３１、電極３２、および光電変換体３３を含む積層体を電気化学反応セルともいう。電気化学反応セルは、イオン交換膜４を貫通して電解液２１および電解液２２に浸漬されている。光電変換体３３は、電源としての機能を有する。
【００５４】
光電変換体３３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。電荷分離により発生した電子は導電層側に移動し、正孔は酸化電極層側に移動する。これにより、光電変換体３３は、起電力を発生することができる。光電変換体３３としては、例えばｐｎ接合型またはｐｉｎ接合型の光電変換体を用いることができる。光電変換体３３は例えば電解液槽１１に固定されていてもよい。なお、複数の光電変換体を積層することにより光電変換体３３が形成されてもよい。電極３１、電極３２、および光電変換体３３のサイズは、互いに異なってもよい。
【００５５】
イオン交換膜４は、収容部１１１と収容部１１２とを区切るように設けられている。イオン交換膜４は、特定のイオンを通過させることができる。なお、電気化学反応装置が収容部１１１と収容部１１２との間を接続する流路を有する場合、流路がイオン交換膜４により区切られてもよい。
【００５６】
図５は、図１に示す電気化学反応装置の動作例を説明するための模式図である。図５に示す電極３２は、導電層３２１と、多孔質導電体を備える触媒層３２２と、を有する。導電層３２１としては、例えば導電層３１１に適用可能な材料を用いることができる。なお、必ずしも導電層３２１を設けなくてもよい。
【００５７】
触媒層３２２は、例えば電極３１に適用可能な多孔質導電体を備えていてもよい。多孔質導電体を用いることにより、還元生成物と同様に酸化生成物の生成効率を高めることができる。なお、電極３２により水を酸化させて酸素を生成する場合、拡散律速に縛られないため、電極３２に多孔質導電体を設けなくてもよい。
【００５８】
電極３２において、導電性部材等に金属材料を用いる場合、金属材料としては、還元触媒に適用可能な材料の代わりに酸化触媒として適用可能な材料を含む場合がある。電極３２の他の説明として電極３１の説明を適宜援用することができる。
【００５９】
図５に示す光電変換体３３は、光電変換体３３ｘと、光電変換体３３ｙと、光電変換体３３ｚとを有する積層構造を備える。光電変換体の積層数は、図１に限定されない。
【００６０】
光電変換体３３ｘは、例えばｎ型のアモルファスシリコンを含むｎ型半導体層３３１ｎと、真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）のアモルファスシリコンゲルマニウムを含むｉ型半導体層３３１ｉと、ｐ型の微結晶シリコンを含むｐ型半導体層３３１ｐと、の積層構造を有する。ｉ型半導体層３３１ｉは、例えば４００ｎｍを含む短波長領域の光を吸収する層である。よって、光電変換体３３ｘでは、短波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。
【００６１】
光電変換体３３ｙは、例えばｎ型のアモルファスシリコンを含むｎ型半導体層３３２ｎと、真性のアモルファスシリコンゲルマニウムを含むｉ型半導体層３３２ｉと、ｐ型の微結晶シリコンを含むｐ型半導体層３３２ｐと、の積層構造を有する。ｉ型半導体層３３２ｉは、例えば６００ｎｍを含む中間波長領域の光を吸収する層である。よって、光電変換体３３ｙでは、中間波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。
【００６２】
光電変換体３３ｚは、例えばｎ型のアモルファスシリコンを含むｎ型半導体層３３３ｎと、真性のアモルファスシリコンを含むｉ型半導体層３３３ｉと、ｐ型の微結晶シリコンを含むｐ型半導体層３３３ｐと、の積層構造を有する。ｉ型半導体層３３３ｉは、例えば７００ｎｍを含む長波長領域の光を吸収する層である。よって、光電変換体３３ｚでは、長波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。
【００６３】
ｐ型半導体層またはｎ型半導体層は、例えば半導体材料にドナーまたはアクセプタとなる元素を添加することにより形成することができる。なお、光電変換体３３では、半導体層としてシリコン、ゲルマニウム等を含む半導体層を用いているが、これに限定されず、例えば化合物半導体層等を用いることができる。化合物半導体層としては、例えばＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ等を含む半導体層を用いることができる。また、光電変換が可能であればＴｉＯ２やＷＯ３のような材料を含む層を用いてもよい。さらに、各半導体層は、単結晶、多結晶、またはアモルファスであってもよい。また、光電変換体に酸化亜鉛層を設けてもよい。
【００６４】
電気化学反応装置は、電極３１と光電変換体３３との間に導電性基板３０を有していてもよい。導電性基板３０は、例えば電極３１、電極３２、および光電変換体３３を支持する機能を有する。導電性基板３０の例は、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびＡｇの少なくとも１つまたは複数を含む基板を含む。例えば、ＳＵＳ等のステンレス鋼を含むステンレス基板を用いてもよい。これに限定されず、導電性樹脂を用いて導電性基板３０を構成してもよい。また、ＳｉまたはＧｅ等の半導体基板を用いて導電性基板３０を構成してもよい。さらに、樹脂フィルム等を導電性基板３０として用いてもよい。例えば、イオン交換膜４に適用可能な膜を導電性基板３０として用いてもよい。導電性基板３０は、導電層３１１の代わりに設けられてもよい。また、導電性基板３０は、イオン交換膜４の代わりに収容部１１１と収容部１１２とを区切るように設けられてもよい。
【００６５】
電気化学反応装置は、光電変換体３３と導電性基板３０との間に光反射層を有していてもよい。光反射層としては、例えば金属層または半導体層の積層からなる分布型ブラッグ反射層が挙げられる。光反射層を設けることにより、光電変換体３３で吸収できなかった光を反射させて光電変換体３３ｘないし光電変換体３３ｚのいずれかに入射することができるため、光から化学物質への変換効率を高めることができる。光反射層としては、例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属、それら金属の少なくとも１つを含む合金等の層を用いることができる。
【００６６】
触媒層３１２は、電解液２１に接する。電解液２１としては、例えばＬｉＨＣＯ３、ＮａＨＣＯ３、ＫＨＣＯ３、ＣｓＨＣＯ３、リン酸、ホウ酸等を含む水溶液を用いてもよい。電解液２１は、メタノール、エタノール、アセトン等のアルコール類を含んでもよい。電解液２１は、電解液２２と同じであってもよい。
【００６７】
電解液２１としては、例えばイミダゾリウムイオンやピリジニウムイオン等の陽イオンと、ＢＦ４−や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を用いることができる。さらに、他の電解液としては、エタノールアミン、イミダゾール、ピリジン等のアミン溶液もしくはその水溶液が挙げられる。アミンとしては、一級アミン、二級アミン、三級アミン等が挙げられる。これらの電解液が、イオン伝導性が高く、二酸化炭素を吸収する性質を有し、還元エネルギーを低下させる特性を有していてもよい。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
ピリジニウムイオンとしては、メチルピリジニウム、エチルピリジニウム、プロピルピリジニウム、ブチルピリジニウム、ペンチルピリジニウム、ヘキシルピリジニウム等が挙げられる。イミダゾリウムイオンおよびピリジニウムイオンは共に、アルキル基が置換されてもよく、不飽和結合が存在してもよい。
【００７４】
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−、ＣＦ３ＣＯＯ−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＮＯ３−、ＳＣＮ−、（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ−、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、ビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミド等が挙げられる。イオン液体のカチオンとアニオンとを炭化水素で接続した双生イオンでもよい。なお、リン酸カリウム溶液等の緩衝溶液を収容部１１１、１１２に供給してもよい。
【００７５】
電解液２１としては、例えばトルエン、ベンゼン、オクタン、オクタノール、ジメチルホルムアミド、ヘキサン、キシレン、クロロベンゼン、酢酸エチル、クロロエチレン、ジクロロエチレン、酢酸、ホルマリン、ギ酸、アセトアルデヒド、テトラヒドロフラン、シクロヘキサン、メタノール、エタノール、エチレングリコール、グリオキサール、アセトニトリル、酢酸メチル、エチルメチルケトン、ジメチルエーテル、アセトン、ジエチルエーテル、クロロホルム、塩化メチレン、ジメチルスルホキシド  （Ｄｉｍｅｔｈｙｌ  ｓｕｌｆｏｘｉｄｅ：ＤＭＳＯ）、ジメチルジスルフィド（Ｄｉｍｅｔｈｙｌ  ｄｉｓｕｌｆｉｄｅ：ＤＭＤＳ）、アプロティック溶媒としてヘキサメチルリン酸トリアミド（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  Ｔｒｉａｍｉｄｅ：ＨＭＰＡ）、Ｎ，Ｎ’−ジメチルプロピレン尿素（Ｎ，Ｎ’−ｄｉｍｅｔｈｙｌｐｒｏｐｙｌｅｎｅｕｒｅａ：ＤＭＰＵ）等が挙げられ、これらの単体もしくは混合物を用いることができる。
【００７６】
触媒層３２２は、電解液２２に接する。電解液２２としては、例えば任意の電解質を含む水溶液を用いることができる。電解質を含む水溶液としては、例えばリン酸イオン（ＰＯ４２−）、ホウ酸イオン（ＢＯ３３−）、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（Ｃａ２＋）、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（Ｍｇ２＋）、塩化物イオン（Ｃｌ−）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３−）等を含む水溶液が挙げられる。また、電解液２２が二酸化炭素を含む場合、電解液２１に適用可能な電解液を用いてもよい。
【００７７】
光電変換体３３に光が入射すると、光電変換体３３は、光励起電子（ｅ−）および正孔（ｈ＋）を生成する。このとき、電極３１には光励起電子が集まり、電極３２には正孔が集まる。これにより、光電変換体３３に起電力が発生する。光としては、太陽光が好ましい。太陽光は、例えば電極３２を介して光電変換体３３に入射する。
【００７８】
電解液２１および電解液２２として水および二酸化炭素を含む電解液を用い、一酸化炭素を生成する場合について説明する。電極３２周辺では、下記式（１）のように水の酸化反応が起こり、電子を失い、酸素と水素イオンが生成される。生成された水素イオンの少なくとも一つは、イオン交換膜４を介して収容部１１１に移動する。
２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−  ・・・（１）
【００７９】
電極３１周辺では、下記式（２）のように二酸化炭素の還元反応が起こり、電子を受け取りつつ水素イオンが二酸化炭素と反応し、一酸化炭素と水が生成される。
２ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  →  ２ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
【００８０】
電気化学反応装置の構造例は、図１ないし図５を参照して説明した構造に限定されない。電気化学反応装置の他の構造例について図６ないし図１２を参照して説明する。なお、電気化学反応装置の他の構造例において、図１ないし図５を参照して説明した電気化学反応装置の構造と同じ部分については、図１ないし図５の説明を適宜援用することができる。
【００８１】
図６は電気化学反応装置の他の構造例を示す模式図である。図６に示す電気化学反応装置では、図１に示す電気化学反応装置と比較して光電変換体３３が設けられておらず、電極３１および電極３２が電解液槽１１の外部に設けられた電源６に電気的に接続され、電極３１および電極３２に接する導電性基板３０が設けられている点が少なくとも異なる。
【００８２】
電源６としては、例えば光電変換体、系統電源、蓄電池等の電源装置または風力、水力、地熱などの再生可能エネルギー等が挙げられる。電源６と電極３１との間、および電源６と電極３２との間は例えば配線等の導電部材で接続されている。配線等により電源６と電極３１および電極３２とを接続する場合、機能ごとに構成要素が分離されているため、システム的に有利である。
【００８３】
図７は、電気化学反応装置の他の構造例を示す模式図である。図７に示す電気化学反応装置は、図１または図６に示す電気化学反応装置の構成に加え、流路５１ないし流路５４をさらに具備する。電気化学反応装置の平面サイズは、例えば１ｍ（Ｙ軸）×１１．１ｍ（Ｘ軸）であってもよい。
【００８４】
流路５１および流路５３は、Ｘ軸方向に沿って収容部１１１と電解液槽１１の外部とを接続し、流路５２および流路５４は、Ｘ軸方向に沿って収容部１１２と電解液槽１１の外部とを接続する。流路５１は、例えば収容部１１１に電解液を供給するため流路である。流路５２は、例えば収容部１１２に電解液を供給するため流路である。なお、収容部１１１および収容部１１２に供給される電解液が同じである場合、流路は一つでもよい。流路５３は、例えば電解液２１を流出させるとともに還元反応による生成物を回収するための流路である。流路５４は、例えば電解液２２を流出させるとともに酸化反応による生成物を回収するための流路である。
【００８５】
図８は、図７に示す電気化学反応装置のＸ−Ｚ断面模式図である。図９は、図７に示す電気化学反応装置のＹ−Ｚ断面模式図である。電気化学反応装置は、図１ないし図５を参照して説明した電気化学反応装置の構成に加え、複数の導電性基板３０と、１つの電極３１と、複数の電極３２と、複数の光電変換体３３と、通電部材７と、をさらに具備する。収容部１１１および収容部１１２には、Ｘ軸方向に電解液が供給される。
【００８６】
複数の導電性基板３０は、Ｘ軸方向に沿って収容部１１１に配置される。複数の電極３２は、Ｘ軸方向に沿って対応する導電性基板３０上にそれぞれ配置される。複数の光電変換体３３は、Ｘ軸方向に沿って収容部１１１に配置される。
【００８７】
電極３１の多孔質導電体は、複数の電極３２のそれぞれに重畳する。
【００８８】
通電部材７は、多孔質導電体を固定するとともに多孔質導電体の導電率を高めるために設けられる。通電部材７は、例えば電極３１を形成する前に光電変換体３３上に形成され、通電部材７を貫通するように多孔質導電体を形成することが好ましい。通電部材７としては、多孔質導電体を構成する導電部材よりも高い導電性を有する材料を用いることが好ましい。
【００８９】
図１０は、電気化学反応装置の他の構造例を示す模式図である。図１０に示す電気化学反応装置は、図１ないし図５を参照して説明した電気化学反応装置の構成に加え、電解液槽１１がＸ軸方向に沿って長さを有する円筒形状を有する。図１１は、図１０に示す電気化学反応装置のＸ−Ｚ断面模式図である。図１２は、図１０に示す電気化学反応装置のＹ−Ｚ断面模式図である。電気化学反応装置は、複数の導電性基板３０と、１つの電極３１と、複数の電極３２と、複数の光電変換体３３と、通電部材７と、をさらに具備する。収容部１１１および収容部１１２には、Ｘ軸方向に電解液が供給される。
【００９０】
複数の導電性基板３０は、Ｘ軸方向に沿って収容部１１１に配置される。複数の電極３２は、Ｘ軸方向に沿って対応する導電性基板３０上にそれぞれ配置される。複数の光電変換体３３は、Ｘ軸方向に沿って収容部１１１に配置される。導電性基板３０および電極３２のそれぞれは、円筒形状を有する電解液槽１１の内周面に沿って配置される。なお、導電性基板３０および電極３２のそれぞれは、電解液槽１１の内周面に沿って複数に分割されて配置されていてもよい。
【００９１】
電極３１の多孔質導電体は、複数の電極３２のそれぞれに重畳する。多孔質導電体は、複数の電極３２よりも電解液槽１１のＸ軸方向の中心軸に近い。上記構造により、多孔質導電体は、収容部１１１に充填されて固定されている。
【００９２】
図７ないし図１２を参照して説明した電気化学反応装置では、電解液の流れ方向に沿って延在するように電解液槽１１を形成しているため、電解液を流通させやすくすることができる。
【００９３】
上記実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９４】
４…イオン交換膜、６…電源、７…通電部材、１１…電解液槽、２１…電解液、２２…電解液、３０…導電性基板、３１…電極、３２…電極、３３…光電変換体、３３ｘ…光電変換体、３３ｙ…光電変換体、３３ｚ…光電変換体、５１…流路、５２…流路、５３…流路、５４…流路、１１１…収容部、１１２…収容部、３１１…導電層、３１２…触媒層、３１２ａ…導電性部材、３１２ｂ…空隙、３１２ｃ…金属層、３１２ｄ…有機分子層、３１２ｅ…金属微粒子部、３１２ｆ…修飾有機分子部、３２１…導電層、３２２…触媒層、３３１ｉ…ｉ型半導体層、３３１ｎ…ｎ型半導体層、３３１ｐ…ｐ型半導体層、３３２ｉ…ｉ型半導体層、３３２ｎ…ｎ型半導体層、３３２ｐ…ｐ型半導体層、３３３ｉ…ｉ型半導体層、３３３ｎ…ｎ型半導体層、３３３ｐ…ｐ型半導体層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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