(57)【要約】【課題】再生可能エネルギー等の時間変動するエネルギーを利用して電解合成により化学物質を合成する際に、当該化学物質を生成する目的反応以外の反応の進行を抑制し、高効率且つ低コストで化学物質を合成することが可能な、電解合成装置を提供する。【解決手段】時間変動するエネルギーを利用して酸化還元反応を生じさせることで化学物質を生成する電解合成装置１００において、電解液中の一の成分に対する酸化反応又は還元反応のいずれか一方の反応が起こることで、前記化学物質が生成される第１の電極１２０と、前記電解液中の他の成分に対する酸化反応又は還元反応のいずれか他方の反応が起こる第２の電極１１０と、前記エネルギーの時間変動に応じて、前記第１の電極１２０の電極電位が前記化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御する制御部１４０と、を設けた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間変動するエネルギーを利用して酸化還元反応を生じさせることで化学物質を生成する電解合成装置であって、
電解液中の一の成分に対する酸化反応又は還元反応のいずれか一方の反応が起こることで、前記化学物質が生成される第１の電極と、
前記電解液中の他の成分に対する酸化反応又は還元反応のいずれか他方の反応が起こる第２の電極と、
前記エネルギーの時間変動に応じて、前記第１の電極の電極電位が前記化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする、電解合成装置。
【請求項２】
前記制御部が、前記エネルギーの時間変動に応じて、前記第１の電極の表面での前記一の成分の反応量を変化させることで、前記第１の電極の電極電位が前記化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御する、請求項１に記載の電解合成装置。
【請求項３】
前記制御部が、前記一の成分の反応活性点を有する前記第１の電極の面積を変化させることで、前記一の成分の反応量を変化させる、請求項２に記載の電解合成装置。
【請求項４】
前記制御部が、前記電解液中に浸漬されている前記第１の電極の面積を変化させることで、前記一の成分の反応活性点を有する前記第１の電極の面積を変化させる、請求項３に記載の電解合成装置。
【請求項５】
前記第１の電極が、電気的に接続された複数の電極からなり、
前記制御部が、前記複数の電極のうち通電する電極数を変化させることで、前記一の成分の反応活性点を有する前記第１の電極の面積を変化させる、請求項３又は４に記載の電解合成装置。
【請求項６】
前記第１の電極が、電気的に接続された表面積の異なる複数の電極からなり、
前記制御部が、前記複数の電極のうち通電する電極の種類を変えることで、前記一の成分の反応活性点を有する前記第１の電極の面積を変化させる、請求項３〜５のいずれか一項に記載の電解合成装置。
【請求項７】
前記制御部が、前記第１の電極への前記一の成分の拡散及び／又は生成した前記化学物質の前記第１の電極からの脱離を促進させることで、前記一の成分の反応量を変化させる、請求項２〜６に記載の電解合成装置。
【請求項８】
前記電解液を撹拌する撹拌部材をさらに備え、
前記制御部が、前記撹拌部材に前記電解液を撹拌させることで、前記第１の電極への前記一の成分の拡散及び／又は生成した前記化学物質の前記第１の電極からの脱離を促進させる、請求項７に記載の電解合成装置。
【請求項９】
前記時間変動するエネルギーとは別のエネルギーを供給するエネルギー供給部をさらに備え、
前記制御部が、前記エネルギーの時間変動に応じて決定した量の前記別のエネルギーを前記エネルギー供給部から供給させ、供給された前記別のエネルギーを前記時間変動するエネルギーと共に前記酸化還元反応に利用することで、前記第１の電極の電極電位が前記化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御する、請求項１に記載の電解合成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解合成装置に係り、より詳細には、再生可能エネルギー等の時間変動するエネルギーを利用して酸化還元反応を生じさせることで化学物質を合成する電解合成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境への配慮から、再生可能エネルギー等のクリーンエネルギーを利用する技術の開発が盛んになってきている。このような技術として、太陽光エネルギー等の再生可能エネルギーを利用して酸化還元反応を生じさせることで化学物質を合成する電解合成がある。この電解合成によれば、例えば、光触媒を電極として用いることで、水素や液体燃料等の有益な化学物質を合成することができる。
【０００３】
光触媒は、太陽光等の光エネルギーを利用して、電気ではなく化学反応により直接化学物質を合成する技術に適用することができる。光触媒を用いて化学物質を高効率で合成することができる技術を実現できれば、化石燃料をほとんど使わずに得られる再生可能エネルギーの用途が多様化するというだけでなく、電気を用いた場合には難しい「海外で大規模に製造したエネルギーの日本への輸送」も可能となる。
【０００４】
光触媒を用いた技術として、強い酸化力を利用した除菌や脱臭等の用途での技術は既に実用化されている。一方で、太陽光を用いて水素等の化学物質を製造する技術としては、アイデアの提案から４０年程度が経過した現在でも、変換効率の低さと腐食の問題等から実用化していない。最近、青色ＬＥＤの構成材料である窒化物系半導体が水素を製造する際に用いる光触媒に向いていることがわかり、一部の研究機関で精力的に研究されている（例えば、特許文献１、特許文献２及び非特許文献１を参照）。しかしながら、これらの方法では、これまでの報告においても、水素の製造が十分に高効率でないだけでなく、装置の耐久性も不十分なため、実用化の目途が立っていない。
【０００５】
また、再生可能エネルギーを利用して水素を製造する方法として、太陽光、風力、地熱等を用いて発電した電気を使用し、水電解により水素を発生させる技術が開発されている。しかしながら、この技術においても、水素の製造が十分に高効率でないため、実用化には至っていない。
【０００６】
このように、再生可能エネルギーを用いて水素や液体燃料等の化学物質を電解合成する技術が実現されていない理由としては、エネルギー量やエネルギー密度が時間変動し、これにより電流密度が時間変動することがあると考えられる。電解合成において、電流密度は各種反応の選択率に密接に関係するパラメータの一つであり、電流密度が変化すると反応の選択率が変化する。例えば、水を分解して水素を発生させる場合、電流密度が一定に保たれないと電解液中に溶存している酸素を還元する副次反応が生じる。このような場合、一般に、高効率に水素発生させるために、反応器を脱気し不活性ガスのバブリングを行い、電解液中の溶存酸素を除去する等の処理がされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２４７６４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／０１６２４４号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ９１，  ０９３５１９（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、この方法は、エネルギー消費が大きく、装置も複雑化するため、再生可能エネルギーを利用して、高効率且つ低コストで水素等の化学物質を合成する技術には適切ではない。
【００１０】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、再生可能エネルギー等の時間変動するエネルギーを利用して電解合成により化学物質を合成する際に、当該化学物質を生成する目的反応以外の反応の進行を抑制し、高効率且つ低コストで化学物質を合成することが可能な、電解合成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、電解合成に利用するエネルギーの時間変動に応じて、目的とする化学物質を生成する反応（酸化反応又は還元反応）が起こる電極の電極電位が当該反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御することにより、当該化学物質を生成する目的反応以外の反応の進行を抑制できることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は、時間変動するエネルギーを利用して酸化還元反応を生じさせることで化学物質を生成する電解合成装置であって、電解液中の一の成分に対する酸化反応又は還元反応のいずれか一方の反応が起こることで、前記化学物質が生成される第１の電極と、前記電解液中の他の成分に対する酸化反応又は還元反応が起こる第２の電極と、前記エネルギーの時間変動に応じて、前記第１の電極の電極電位が前記化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御する制御部と、を備えることを特徴とする、電解合成装置である。
前記電解装置において、前記制御部が、前記エネルギーの時間変動に応じて、前記第１の電極の表面での前記一の成分の反応量を変化させることで、前記第１の電極の電極電位が前記化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御してもよい。
この場合に、前記制御部が、前記一の成分の反応活性点を有する前記第１の電極の面積を変化させることで、前記一の成分の反応量を変化させてもよい。
またこの場合に、前記制御部が、前記電解液中に浸漬されている前記第１の電極の面積を変化させることで、前記一の成分の反応活性点を有する前記第１の電極の面積を変化させてもよい。
あるいは、前記第１の電極が、電気的に接続された複数の電極からなり、前記制御部が、前記複数の電極のうち通電する電極数を変化させることで、前記一の成分の反応活性点を有する前記第１の電極の面積を変化させてもよい。
あるいは、前記第１の電極が、電気的に接続された表面積の異なる複数の電極からなり、前記制御部が、前記複数の電極のうち通電する電極の種類を変えることで、前記一の成分の反応活性点を有する前記第１の電極の面積を変化させてもよい。
また、前記第１の電極への前記一の成分の拡散及び／又は生成した前記化学物質の前記第１の電極からの脱離を促進させることで、前記一の成分の反応量を変化させてもよい。
この場合に、前記電解液を撹拌する撹拌部材をさらに備え、前記制御部が、前記撹拌部材に前記電解液を撹拌させることで、前記第１の電極への前記一の成分の拡散及び／又は生成した前記化学物質の前記第１の電極からの脱離を促進させてもよい。
あるいは、前記電解合成装置が、前記時間変動するエネルギーとは別のエネルギーを供給するエネルギー供給部をさらに備え、前記制御部が、前記エネルギーの時間変動に応じて決定した量の前記別のエネルギーを前記エネルギー供給部から供給させ、供給された前記別のエネルギーを前記時間変動するエネルギーと共に前記酸化還元反応に利用することで、前記第１の電極の電極電位が前記化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、再生可能エネルギー等の時間変動するエネルギーを利用して電解合成により化学物質を合成する際に、当該化学物質を生成する目的反応以外の反応の進行を抑制し、高効率且つ低コストで化学物質を合成することが可能な、電解合成装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一般的な電解合成装置の構成の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電解合成装置の構成の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態の変更例に係る電解合成装置の構成の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る電解合成装置の構成の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の第２実施形態の変更例に係る電解合成装置の構成の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る電解合成装置の構成の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の第３実施形態の変更例に係る電解合成装置の構成の一例を示す模式図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る電解合成装置の構成の一例を示す模式図である。
【図９】本発明の実施例における実験装置の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施例１〜４における対極電位と光誘起電流密度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面においては、同一の符号が付された構成要素は、実質的に同一の構造または機能を有するものとする。また、本発明に係る電解合成装置は、後述する第１〜第４の実施形態のうちの少なくとも２以上の実施形態を組み合わせたものであってもよく、更には、各実施形態の変更例を組み合わせたものであってもよい。
【００１６】
なお、本発明に係る電解合成装置については、以下の順序で説明する。
１  一般的な電解合成装置
電解合成装置の構成と動作
本発明の経緯
２  第１実施形態
電解合成装置の構成及び動作
変更例
３  第２実施形態
電解合成装置の構成及び動作
変更例
４  第３実施形態
電解合成装置の構成及び動作
変更例
５  第４実施形態
電解合成装置の構成及び動作
６  電解合成装置の用途
【００１７】
［一般的な電解合成装置］
初めに、本発明の好適な実施形態に係る電解合成装置について説明する前提として、図１を参照しながら、一般的な電解合成装置の構成と動作について簡単に説明する。図１は、一般的な電解合成装置１０の構成の一例を示す模式図である。
【００１８】
（電解合成装置の構成と動作）
図１に示すように、電解合成装置１０は、例えば、水の電気分解により水素及び／又は酸素を生成する装置であって、作用極１１と、対極１２と、電解槽１３と、を主に備える。
【００１９】
作用極１１は、電解合成装置１０の陽極となる電極であって、対極１２と導線１５等により電気的に接続されている。作用極１１では、還元体（例えば、水の分解反応の場合には、水分子や水酸化物イオン）の酸化反応が起こり、化学物質（例えば、酸素）を生成する。作用極１１からは導線１５等を通じて対極１２に電子が流入する。また、作用極１１としては、例えば、ＧａＮ等の光触媒を電極とした半導体電極を用いることができる。
【００２０】
対極１２は、電解合成装置１０の陰極となる電極であって、作用極１１と導線１５等により電気的に接続されている。対極１２では、酸化体（例えば、水の分解反応の場合には、水分子や水素イオン）の還元反応が起こり、化学物質（例えば、水素）が生成される。電解合成装置１０は、例えば、対極１２で生成される化学物質及び／又は作用極１１で生成される化学物質を得るためのものである。
【００２１】
電解槽１３は、電解液１３ａを収容する槽であり、作用極１１及び対極１２の表面又はその近傍において、電解液１３ａ中の成分（例えば、水分子や水酸化物イオン、水素イオン、ＣＯ２）の酸化反応又は還元反応が起こる。電解液１３ａとしては、例えば、水酸化ナトリウム、炭酸水素カリウム、塩化ナトリウム、硫酸等の電解質イオンを加える。
【００２２】
なお、導線１５上には、電解合成装置１０を流れる電流量を測定するために、電流計１６を設けてもよい。
【００２３】
このような構成を有する電解合成装置１０の対極１２では、上述したように、電解液１３ａ中の酸化体（例えば、水分子や水素イオン）の還元反応（例えば、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）が起こるが、この還元反応が起こるのは、対極１２の電極電位が、当該反応の還元電位よりも負の方向に大きい場合である。
【００２４】
また、作用極１１で酸化体（例えば、水分子や水素イオン）の還元反応（例えば、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）が、対極１２で還元体（例えば、水分子や水素イオン）の酸化反応（例えば、２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−）が起こるのは、対極１２の電極電位が、当該反応の酸化電位より正の方向に大きい場合である。
【００２５】
（本発明の経緯）
ここで、上記のような電解合成装置１０において、再生可能エネルギー等のエネルギーを用いた場合、上述したように、エネルギー量やエネルギー密度が時間変動し、これにより電流密度が時間変動すると考えられる。再生可能エネルギーを利用して電解合成装置１０に供給されるエネルギーのエネルギー密度等が変化し、これにより、電解合成装置１０における電流密度が変化すると、反応の選択率が変化する。例えば、水を分解して水素を発生させる場合、電流密度が、対極１２の電極電位が水の還元反応の還元電位に達する（電極電位が還元電位より負の方向に大きい）状態が保たれないと、電解液中に溶存している酸素を還元する副次反応（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ、又は、Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ２）が生じる。
【００２６】
この場合に、例えば、反応器を脱気し不活性ガスのバブリングを行い、電解液中の溶存酸素を除去する等の処理を行うと、エネルギー消費が大きく、装置も複雑化するため、再生可能エネルギーを利用して、高効率且つ低コストで水素等の化学物質を合成する技術には適切ではない。
【００２７】
そこで、本発明においては、電解合成に利用するエネルギーの時間変動に応じて、目的とする化学物質を生成する反応（酸化反応又は還元反応）が起こる電極の電極電位が上記反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御することとしている。以下、本発明の好適な実施の形態としては、第１〜第４実施形態に係る電解合成装置について詳細に説明する。
【００２８】
［第１実施形態］
まず初めに、図２を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る電解合成装置について説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る電解合成装置１００の構成の一例を示す模式図である。以下、本実施形態に係る電解合成装置１００の構成及び動作、電解合成装置１００の変更例について順に説明する。
【００２９】
（電解合成装置の構成及び動作）
本実施形態に係る電解合成装置１００は、時間変動するエネルギーを利用して酸化還元反応を生じさせることで化学物質を生成する装置である。ここで、「時間変動するエネルギー」とは、例えば、再生可能エネルギーのように、エネルギー量やエネルギー密度が時間変動するエネルギーのことを意味する。また、電解合成装置１００においては、再生可能エネルギー等の時間変動するエネルギーを利用して電解合成が行われる。具体的には、電解合成装置１００としては、例えば、太陽光エネルギーを直接化学物質に変換できる光触媒を半導体光電極に用いた光電気化学セルや、太陽光、風力、地熱等の再生可能エネルギーを用いて発電した電気を用いて電解セルと組み合わせて化学物質を電気化学的に合成する装置が挙げられる。なお、本実施形態における再生可能エネルギーとは、「エネルギー供給事業者による非化石エネルギー源の利用及び化石エネルギー原料の有効な利用の促進に関する法律」で定められているように、「エネルギー源として永続的に利用することができると認められるもの」であって、例えば、太陽光、風力、水力、地熱、太陽熱、大気中の熱その他の自然界に存する熱、バイオマス等が挙げられる。再生可能エネルギーは、資源が枯渇せず繰り返し使え、発電時や熱利用時に地球温暖化の原因となる二酸化炭素をほとんど排出しない。
【００３０】
また、電解合成装置１００で生成される化学物質としては、例えば、水を電気分解して得られる水素や酸素、各種有機化合物等が挙げられる。
【００３１】
上記のような電解合成装置１００は、図２に示すように、第２の電極の一例としての作用極１１０と、第１の電極の一例としての対極１２０と、対極移動手段１２１と、電解槽１３０と、制御部１４０と、を主に備える。
【００３２】
＜作用極１１０＞
作用極１１０は、電解合成装置１００の陽極となる電極であって、対極１２０と導線１５０等により電気的に接続されている。作用極１１０では、電解液１３０ａ中の成分である還元体の酸化反応が起こり、化学物質が生成する。例えば、電解合成装置１００が、太陽光、風力、水力、地熱のような再生可能エネルギーを用いて発電した電気を導線１５０等の外部回路を通じ流入する（図示していない）ことにより水の電気分解を行い、これにより水素を生成する装置である場合には、作用極１１０では、例えば、酸性の電解液中では下記式（１）のような反応が起こり、酸素が生成する。作用極１１０からは、導線１５０等を通じて電子が対極１２０に流入する。
２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−        （１）
【００３３】
また、作用極１１０の材質としては、電解液中の還元体の酸化反応が起こるようなものであれば特に制限されるものではなく、一般に陽極として用いられる炭素電極等を用いることができるが、例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（１−ｘ−ｙ−ｚ）、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＩｎＰ、Ｇａ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＢｉＶＯ４、Ｂｉ２ＭｏＯ６、ＧａｘＩｎｙＡｓｚＰ（１−ｘ−ｙ−ｚ）等の光触媒を電極としたｎ型の半導体電極を用いることができる。このような光触媒を作用極１１０として水を電気分解した場合、光触媒にその禁制帯を超えるエネルギーを有する太陽光が吸収されると、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、価電子帯に正孔が残る。すると、光触媒の価電子帯の正孔により水が酸化され、作用極１１０（陽極）側で酸素が発生する。一方、励起電子は、導線１５０等の外部回路を通って対極１２０に流入する。光触媒に光を照射している場合、上記の再生可能エネルギーを用いて発電した電気の流入はなくてもよい。
【００３４】
なお、上記の例では、作用極１１０において、電解液１３０ａ中の還元体の酸化反応が起こっているが、本実施形態に係る電解合成装置１００においては、逆に、電解液１３０ａ中の成分の還元反応が起こるようにしてもよい。この場合には、作用極１１０の材質としては、一般に陰極として用いられる白金等の金属電極等を用いることができるが、例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（１−ｘ−ｙ−ｚ）、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＩｎＰ、Ｇａ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＢｉＶＯ４、Ｂｉ２ＭｏＯ６、ＧａｘＩｎｙＡｓｚＰ（１−ｘ−ｙ−ｚ）等の光触媒を電極としたｐ型の半導体電極を用いることができる。
【００３５】
＜対極１２０＞
対極１２０は、電解合成装置１００の陰極となる電極であって、作用極１１０と導線１５０等により電気的に接続されている。対極１２０では、作用極１１０から導線１５０等の外部回路を通じて流入した電子により、電解液１３０ａ中の成分である酸化体の還元反応が起こり、化学物質が生成される。例えば、電解合成装置１００が、水の電気分解により水素を生成する装置である場合には、対極１２０では、電解液１３０ａが酸性である場合には、電解液１３０ａ中の水素イオンと作用極１１０から流入した電子とにより、下記式（２）のような反応が起こり、水素を生成する。
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２        （２）
【００３６】
また、対極１２０の材質としては、電解液中の酸化体の還元反応が起こるようなものであれば特に制限されるものではなく、一般に陰極として用いられる白金等の金属電極等を用いることができる。例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（１−ｘ−ｙ−ｚ）、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＩｎＰ、Ｇａ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＢｉＶＯ４、Ｂｉ２ＭｏＯ６、ＧａｘＩｎｙＡｓｚＰ（１−ｘ−ｙ−ｚ）等の光触媒を電極としたｐ型の半導体電極を用いることができる。このような光触媒を作用極１１０として水を電気分解した場合、光触媒にその禁制帯を超えるエネルギーを有する太陽光が吸収されると、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、価電子帯に正孔が残る。すると、光触媒の価電子帯の正孔により水が酸化され、作用極１１０（陽極）側で酸素が発生する。一方、励起電子は、導線１５０等の外部回路を通って対極１２０に流入する。光触媒に光を照射している場合、上記の再生可能エネルギーを用いて発電した電気の流入はなくてもよい。
【００３７】
なお、上記の例では、対極１２０において、電解液１３０ａ中の酸化体の還元反応が起こっているが、本実施形態に係る電解合成装置１００においては、逆に、電解液１３０ａ中の成分の酸化反応が起こるようにしてもよい。この場合には、作用極１１０の材質としては、一般に陰極として用いられる白金等の金属電極等を用いることができるが、例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（１−ｘ−ｙ−ｚ）、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＩｎＰ、Ｇａ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＢｉＶＯ４、Ｂｉ２ＭｏＯ６、ＧａｘＩｎｙＡｓｚＰ（１−ｘ−ｙ−ｚ）等の光触媒を電極としたｎ型の半導体電極を用いることができる。
【００３８】
＜対極移動手段１２１＞
また、本実施形態に係る電解合成装置１００においては、電解液１３０ａ中に浸漬されている対極１２０の面積を変化させるために対極１２０が移動可能なように、対極１２０の位置を移動させる対極移動手段１２１が設けられている。この対極移動手段１２１としては、電解液１３０ａ中に浸漬されている対極１２０の面積を変化させるために対極１２０を移動可能であれば特に制限はされず、公知の手段を適宜選択して用いることができる。また、本実施形態では、対極移動手段１２１は、後述する制御部１４０によりその駆動が制御される。
【００３９】
＜電解槽１３０＞
電解槽１３０は、電解液１３０ａを収容する槽であり、作用極１１０及び対極１２０の表面又はその近傍において、電解液１３０ａ中の成分（例えば、水分子や水酸化物イオン、水素イオン、ＣＯ２）の酸化反応又は還元反応が起こる。電解液１３ａとしては、例えば、水酸化ナトリウム、炭酸水素カリウム、塩化ナトリウム、硫酸等の電解質イオンを加える。
【００４０】
＜制御部１４０＞
制御部１４０は、電解合成装置１００の電気分解に用いる再生可能エネルギー等のエネルギーの時間変動に応じて、対極１２０の電極電位が、対極１２０で生成される化学物質（例えば、水素）の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御する。
【００４１】
上述したように、再生可能エネルギー等の時間変動するエネルギーを用いて電解合成を行うと、電解合成装置１００における電流密度が変化し、これにより、電極（対極１２０）の反応の選択率が変化する。より詳細には、例えば、作用極で酸化反応が生じ対極で還元反応が生じている場合に、電解合成装置１００に供給するエネルギー（エネルギー密度）が時間変動により小さくなったとすると、作用極１１０における電子の生成量が少なくなるため、対極１２０における電極電位が低下する（電極電位が正の側にシフトする）。これにより、対極１２０の電極電位が、化学物質（例えば、水素）を生成するための反応（例えば、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）の還元電位に達しない状態となり、電解液中の成分（例えば、電解液中に溶存している酸素）を還元する副次反応（例えば、Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ、又は、Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ２）の還元電位にシフトする。その結果、対極１２０において、目的とする化学物質を生成する反応以外の副次反応が生じてしまう。
【００４２】
そこで、本実施形態では、再生可能エネルギー等の時間変動するエネルギーを用いて電気分解を行う場合に、制御部１４０が、対極１２０で生成される化学物質（例えば、水素）の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御することで、目的とする化学物質の生成反応を優先的に行う。具体的には、再生可能エネルギー等のエネルギーの時間変動に合わせて、対極１２０の表面での電解液１３０ａ中の成分（例えば、水分子や水素イオン）の反応量を変化させることで、対極１２０で生成される化学物質（例えば、水素）の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御し、これにより、目的の化学物質を生成する反応を優先的に行うことが可能となる。このような本実施形態に係る電解合成装置１００によれば、例えば、曇りの日に太陽光発電により発電された弱い電力や、半導体光電極に弱い光エネルギーしか与えられなかった場合でも、対極１２０で生成される化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するようにすることができるため、対極１２０での副次反応を抑制しながら目的とする化学物質の生成を選択的に行うことが可能となる。
【００４３】
再生可能エネルギー等のエネルギーの時間変動は、モニタリング部１４１によりモニタリングされる。具体的には、モニタリング部１４１は、導線１５０上の作用極１１０と対極１２０との間に設けられた電流計１６０、又は、図示しない日射光量計、風力センサ、温度センサ等のエネルギーの時間変動を計測可能な手段から、エネルギーの時間変動に関する情報（例えば、電解合成装置１００を流れる電流の経時変化に関する情報、エネルギー密度の経時変化に関する情報等）を得て、得られた情報を信号として制御部１４０に伝送する。
【００４４】
制御部１４０は、モニタリング部１４１から伝送された信号に基づき、対極１２０の表面での電解液１３０ａ中の成分（例えば、水分子や水素イオン）の反応量を変化させるように制御する。本実施形態では、上記反応量を変化させるために、制御部１４０が、モニタリング部１４１から伝送された信号に基づき、電解液１３０ａ中の成分（例えば、水分子や水素イオン）の反応活性点を有する対極１２０の電極面積を変化させる。また、対極１２０の電極面積を変化させる方法として、本実施形態では、制御部１４０が、対極移動手段１２１の駆動を制御して、電解液１３０ａ中に浸漬されている対極１２０の電極面積を変化させる方法が用いられている。
【００４５】
より具体的には、本実施形態では、再生可能エネルギー等のエネルギーが弱い（エネルギー密度が低い）場合には、対極移動手段１２１が、電解液１３０ａ中に浸漬されている対極１２０の電極面積を減少させるように対極１２０を移動させる（図２の例では、対極１２０を引き上げる）ために、制御部１４０が対極移動手段１２１を制御する。このように、制御部１４０は、エネルギーが強い（エネルギー密度が高い）ときには、図２に実線で示すように、対極１２０の電解液１３０ａ中への浸漬部分１２０ａの表面積（反応活性点を有する電極の面積）が大きくなるように制御し、エネルギーが弱い（エネルギー密度が低い）ときには、図２に破線で示すように、対極１２０の電解液１３０ａ中への浸漬部分１２０ｂの表面積（反応活性点を有する電極の面積）が小さくなるように制御する。これにより、電流密度を一定の範囲の値に保持することができ、対極１２０の電極電位が目的とする化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位のいずれか一方に達している状態を維持することができる。
【００４６】
（変更例）
続いて、図３を参照しながら、第１実施形態の変更例に係る電解合成装置について説明する。図３は、本発明の第１実施形態の変更例に係る電解合成装置１００’の構成の一例を示す模式図である。
【００４７】
電解合成装置１００’は、上述した第１実施形態に係る電解合成装置１００とは、対極１２０の電極面積を変化させる方法が異なる変更例である。対極１２０の電極面積を変化させる方法として、本変更例では、対極１２０の位置が固定され、且つ、電解液１３０ａが電解槽１３０’内を流通する方式において、制御部１４０’が、電解槽１３０’中の電解液１３０ａの流量を変化させる方法が用いられている。以下、上述した第１実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
【００４８】
図３に示すように、電解合成装置１００’は、第２の電極の一例としての作用極１１０と、第１の電極の一例としての対極１２０と、電解槽１３０’と、電解液供給手段１３３と、制御部１４０’と、を主に備える。作用極１１０、対極１２０及びその他の構成については、第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００４９】
＜電解槽１３０’＞
電解槽１３０’は、電解液１３０ａが流通可能となっており、電解液１３０ａが流通しないバッチ式である点で電解槽１３０と異なる。この電解槽１３０’には、電解液１３０ａが電解槽１３０’に流入する流入口１３１と、電解液１３０ａが電解槽１３０’から流出する流出口１３２とが設けられている。また、流入口１３１及び流出口１３２には、それぞれ、バルブ１３１ａ及びバルブ１３２ａが設けられており、これらのバルブ１３１ａ、１３２ａにより、電解槽１３０’に供給される電解液１３０ａの流量を調整することができる。
【００５０】
＜電解液供給手段１３３＞
電解液供給手段１３３は、流入口１３１を通して電解槽１３０’に電解液１３０ａを供給する手段である。電解液供給手段１３３は、電解液１３０ａを貯蓄するためのタンク等（図示せず。）を有し、当該タンクから電解液１３０ａを供給してもよく、電解液供給手段１３３の外部に設けられたタンク等（図示せず。）から電解液１３０ａを供給してもよい。また、上述したバルブ１３１ａ、１３２ａを設ける代わりに、電解液供給手段１３３自身が、電解液１３０ａの流量を調整する手段（図示せず。）を有していてもよい。
【００５１】
＜制御部１４０’＞
制御部１４０’は、モニタリング部１４１から伝送された信号に基づき、バルブ１３１ａ、１３２ａの駆動を制御し、電解液供給手段１３３から供給される電解液１３０ａの流量を変化させることで、電解液１３０ａ中に浸漬されている対極１２０の電極面積を変化させる。この制御部１４０’により、電解液供給手段１３３から供給される電解液１３０ａの流量を増加させることで、電解液１３０ａの液面が上昇し（例えば、電解液１３０ａの液面が図３に示した液面ＦＬ１の位置となる。）、対極１２０の電解液１３０ａ中の浸漬部１２０ｃの表面積が大きくなる。一方、制御部１４０’により、電解液供給手段１３３から供給される電解液１３０ａの流量を減少させることで、電解液１３０ａの液面が下降し（例えば、電解液１３０ａの液面が図３に示した液面ＦＬ２の位置となる。）、対極１２０の電解液１３０ａ中の浸漬部１２０ｄの表面積が小さくなる。
【００５２】
より具体的には、本変更例では、再生可能エネルギー等のエネルギーが弱い（エネルギー密度が低い）場合には、電解液１３０ａ中に浸漬されている対極１２０の電極面積を減少させるように、制御部１４０’がバルブ１３１ａ、１３２ａを調整し、電解液供給手段１３３から供給される電解液１３０ａの流量を減少させる。この場合には、電解液１３０ａの液面が低くなる（例えば、図３のＦＬ２の位置となる）ことから、対極１２０の電解液１３０ａ中への浸漬部分１２０ｄの表面積（反応活性点を有する電極の面積）が小さくなる。逆に、再生可能エネルギー等のエネルギーが強い（エネルギー密度が高い）場合には、電解液１３０ａ中に浸漬されている対極１２０の電極面積を増加させるように、制御部１４０’がバルブ１３１ａ、１３２ａを調整し、電解液供給手段１３３から供給される電解液１３０ａの流量を増加させる。この場合には、電解液１３０ａの液面が高くなる（例えば、図３のＦＬ１の位置となる）ことから、対極１２０の電解液１３０ａ中への浸漬部分１２０ｃの表面積（反応活性点を有する電極の面積）が大きくなる。これにより、電流密度が一定以上の値を保持することができ、対極１２０の電極電位が目的とする化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達している状態を維持することができる。
【００５３】
なお、電解合成装置の電解に利用するエネルギーの時間変動に応じて対極の電極面積を変更できる方法であれば、上述した第１実施形態及びその変更例における方法には限られない。
【００５４】
［第２実施形態］
次に、図４を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る電解合成装置について説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る電解合成装置２００の構成の一例を示す模式図である。以下、本実施形態に係る電解合成装置２００の構成及び動作、電解合成装置２００の変更例について順に説明する。
【００５５】
（電解合成装置の構成及び動作）
本実施形態に係る電解合成装置２００では、対極２２０の電極面積を変化させる方法が、上述した第１実施形態及びその変更例に係る電解合成装置１００、１００’の場合とは異なる。対極２２０の電極面積を変化させる方法として、本実施形態では、対極２２０として、並列又は直列に電気的に接続された複数の電極を設け、電解合成装置２００の電解に用いるエネルギーの時間変動に応じて、複数の電極のうちの通電する（作用極１１０と電気的に接続する）電極の数を変化させる方法が用いられている。以下、上述した第１実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
【００５６】
図４に示すように、電解合成装置２００は、第２の電極の一例としての作用極１１０と、第１の電極の一例としての対極２２０と、電解槽１３０と、制御部２４０と、を主に備える。作用極１１０、電解槽１３０及びその他の構成については、上述した第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００５７】
＜対極２２０＞
対極２２０は、並列又は直列に電気的に接続された複数の電極（図４に示した例では、並列に接続された３つの電極２２１、２２２、２２３）からなる。また、電極２２１、２２２及び２２３には、それぞれ、直列にスイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ３が接続されており、これらのスイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ３をＯＮ／ＯＦＦすることで、通電する（作用極１１０と電気的に接続する）電極の数を変化させることができる。
【００５８】
＜制御部２４０＞
制御部２４０は、モニタリング部１４１から伝送された信号に基づき、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを制御し、複数の電極２２１、２２２、２２３のうちの通電する電極数を変化させることで、目的とする化学物質（例えば、水素）の生成反応に使用される（電解液１３０ａ中の成分（例えば、水素イオン）の反応活性点を有する）対極２２０の電極面積を変化させる。この制御部２４０により、ＯＮにするスイッチの数を増やして通電する電極数を増加させることで、対極２２０の電極面積が大きくなる。一方、制御部２４０により、ＯＦＦにするスイッチの数を増やして通電する電極数を減少させることで、対極２２０の電極面積が小さくなる。
【００５９】
より具体的には、本実施形態では、再生可能エネルギー等のエネルギーが弱い（エネルギー密度が低い）場合には、対極２２０の電極面積を減少させるように、制御部２４０がスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを制御し、複数の電極２２１、２２２、２２３のうちの通電する電極数を減少させる。この場合には、通電する（対極２２０における化学物質の生成反応が起こる）電極数が減少することから、対極２２０の電極面積（反応活性点を有する電極の面積）が小さくなる。逆に、再生可能エネルギー等のエネルギーが強い（エネルギー密度が高い）場合には、対極２２０の電極面積を増加させるように、制御部２４０がスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを制御し、複数の電極２２１、２２２、２２３のうちの通電する電極数を増加させる。この場合には、通電する（対極２２０における化学物質の生成反応が起こる）電極数が増加することから、対極２２０の電極面積（反応活性点を有する電極の面積）が大きくなる。これにより、電流密度が一定以上の値を保持することができ、対極２２０の電極電位が目的とする化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達している状態を維持することができる。
【００６０】
（変更例）
続いて、図５を参照しながら、第２実施形態の変更例に係る電解合成装置について説明する。図５は、本発明の第２実施形態の変更例に係る電解合成装置２００’の構成の一例を示す模式図である。
【００６１】
電解合成装置２００’は、上述した第２実施形態に係る電解合成装置２００とは、対極２２０’の電極面積を変化させる方法が若干異なる変更例である。対極２２０’の電極面積を変化させる方法として、本変更例では、表面積の異なる複数の電極からなる対極２２０’を設け、制御部２４０’が、複数の電極のうちの通電する電極の種類を変える方法が用いられている。以下、上述した第２実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
【００６２】
図５に示すように、電解合成装置２００’は、第２の電極の一例としての作用極１１０と、第１の電極の一例としての対極２２０’と、電解槽１３０と、制御部２４０’と、を主に備える。作用極１１０、電解槽１３０及びその他の構成については、第２実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００６３】
＜対極２２０’＞
対極２２０’は、並列又は直列に電気的に接続された表面積の異なる複数の電極（図５に示した例では、並列に接続された表面積の小さな電極２２４と表面積の大きな電極２２５）からなる。また、電極２２４及び２２５には、それぞれ、直列にスイッチＳＷ４及びＳＷ５が接続されており、これらのスイッチＳＷ４及びＳＷ５をＯＮ／ＯＦＦすることで、通電する（作用極１１０と電気的に接続する）電極の種類を変化させることができる。なお、対極２２０’を構成する複数の電極の表面積の変え方としては、例えば、図５に示す例のように各電極の大きさを変える方法を用いてもよいし、各電極の形状（例えば、線状の電極とメッシュ状の電極等）を変える方法を用いてもよい。
【００６４】
＜制御部２４０’＞
制御部２４０’は、モニタリング部１４１から伝送された信号に基づき、スイッチＳＷ４、ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦを制御し、表面積の異なる複数の電極２２４、２２５のうちの通電する電極の種類を変化させることで、目的とする化学物質（例えば、水素）の生成反応に使用される（電解液１３０ａ中の成分（例えば、水分子や水素イオン）の反応活性点を有する）対極２２０’の電極面積を変化させる。この制御部２４０’により、表面積の大きな電極２２５をＯＮにし、表面積の小さな電極２２４をＯＦＦにすることで、対極２２０’の電極面積が大きくなる。一方、制御部２４０’により、表面積の小さな電極２２４をＯＮにし、表面積の大きな電極２２５をＯＦＦにすることで、対極２２０’の電極面積が小さくなる。
【００６５】
より具体的には、本実施形態では、再生可能エネルギー等のエネルギーが弱い（エネルギー密度が低い）場合には、対極２２０’の電極面積を減少させるように、制御部２４０’がスイッチＳＷ４をＯＮにし、スイッチＳＷ５をＯＦＦにするように制御し、表面積の小さな電極２２４が通電するようにする。この場合には、表面積の小さな電極２２４のみが通電されることから、対極２２０’の電極面積（反応活性点を有する電極の面積）が小さくなる。逆に、再生可能エネルギー等のエネルギーが強い（エネルギー密度が高い）場合には、対極２２０’の電極面積を増加させるように、制御部２４０’がスイッチＳＷ４をＯＦＦにし、スイッチＳＷ５をＯＮにするように制御し、表面積の大きな電極２２５が通電するようにする。この場合には、表面積の大きな電極２２５のみが通電されることから、対極２２０’の電極面積（反応活性点を有する電極の面積）が大きくなる。これにより、電流密度が一定以上の値を保持することができ、対極２２０’の電極電位が目的とする化学物質の生成反応の酸化電位または還元電位に達している状態を維持することができる。
【００６６】
なお、電解合成装置の電解に利用するエネルギーの時間変動に応じて対極の電極面積を変更できる方法であれば、上述した第２実施形態及びその変更例における方法には限られない。
【００６７】
［第３実施形態］
次に、図６を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る電解合成装置について説明する。図６は、本発明の第３実施形態に係る電解合成装置３００の構成の一例を示す模式図である。以下、本実施形態に係る電解合成装置３００の構成及び動作、電解合成装置３００の変更例について順に説明する。
【００６８】
（電解合成装置の構成及び動作）
本実施形態に係る電解合成装置３００では、対極１２０の表面での電解液１３０ａ中の成分（例えば、水分子や水素イオン）の反応量を変化させる方法が、上述した第１実施形態及び第２の実施形態並びにそれらの変更例に係る電解合成装置１００、１００’、２００、２００’の場合とは異なる。対極１２０の表面での電解液１３０ａ中の成分（例えば水分子や、水素イオン）の反応量を変化させる方法として、本実施形態では、電解液１３０ａを撹拌することにより、対極１２０への電解液１３０ａ中の反応物質（例えば、水分子や水素イオン）の拡散や生成物質（例えば、水素の気泡）の脱離のし易さを変化させる方法が用いられている。以下、上述した第１及び第２実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
【００６９】
図６に示すように、電解合成装置３００は、第２の電極の一例としての作用極１１０と、第１の電極の一例としての対極１２０と、電解槽１３０と、制御部３４０と、撹拌部材３７０と、を主に備える。作用極１１０、対極１２０、電解槽１３０及びその他の構成については、上述した第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００７０】
＜撹拌部材３７０＞
撹拌部材３７０は、電解槽１３０中の電解液１３０ａを撹拌する部材であって、例えば、撹拌子３７１と、撹拌子３７１を回転させるための駆動部３７２とを有する。撹拌子３７１の形状は特に制限されず、撹拌子３７１として、例えば、棒状、板状、プロペラ状等の公知の撹拌子を用いることができる。また、駆動部３７２としては、撹拌子３７１を回転させることができるものであれば特に制限はされない。また、駆動部３７２を駆動させるための電力としては、再生可能エネルギー（太陽光、風力、地熱、水力等）を用いて発電した電力を用いてもよく、駆動部３７２を駆動させるための電源として、再生可能エネルギーを利用する太陽電池を用いてもよい。
【００７１】
＜制御部３４０＞
制御部３４０は、モニタリング部１４１から伝送された信号に基づき、撹拌部材３７０の駆動部３７２を制御し、撹拌子３７１の回転の有無や回転数等を調整することで、撹拌部材３７０に電解液１３０ａを撹拌させ、対極１２０への電解液１３０ａ中の成分の拡散及び／又は対極１２０で生成した化学物質（例えば水素の気泡）の脱離を促進させる。
【００７２】
より具体的には、本実施形態では、再生可能エネルギー等のエネルギーが弱い（エネルギー密度が低い）場合には、対極１２０への電解液１３０ａ中の成分の拡散及び／又は生成した前記化学物質の前記第１の電極からの脱離を促進させるように、制御部３４０が駆動部３７２を制御し、撹拌子３７１を回転させる（あるいは、撹拌子３７１の回転数を上げる）。すると、電解液１３０ａの流れＦ１が発生し（あるいは速くなり）、対極１２０側における目的とする化学物質（例えば水素）の生成反応が起こり易くなるとともに、対極１２０からの化学物質（例えば、水素の気泡）の脱離が促進されることで、同じ反応活性点で単位時間に生じる反応数が増加する。そのため、対極１２０の電流密度が本実施形態における撹拌を行わない場合に比べて低いある一定範囲の値に保持した場合でも、対極１２０の電極電位が目的とする化学物質の生成反応の酸化または還元電位に達している状態を維持する事ができる。よって、再生可能エネルギー等のエネルギーが弱く、対極１２０の電流密度が低い場合にも、対極１２０で目的とする酸化反応または還元反応を起こす事ができる。
【００７３】
（変更例）
続いて、図７を参照しながら、第３実施形態の変更例に係る電解合成装置について説明する。図７は、本発明の第３実施形態の変更例に係る電解合成装置３００’の構成の一例を示す模式図である。
【００７４】
電解合成装置３００’は、上述した第３実施形態に係る電解合成装置３００とは、電解槽１３０’内の電解液１３０ａの撹拌方法が異なる変更例である。電解液１３０ａの撹拌方法として、本変更例では、電解液１３０ａが電解槽１３０’内を流通する方式とすることで、電解槽１３０’内に流れを作り、制御部３４０’が、電解槽１３０’内の電解液１３０ａの流量を変化させて流れの速さを変化させる方法が用いられている。以下、上述した第３実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
【００７５】
図７に示すように、電解合成装置３００’は、第２の電極の一例としての作用極１１０と、第１の電極の一例としての対極１２０と、電解槽１３０’と、電解液供給手段１３３と、制御部３４０’と、を主に備える。電解槽１３０’及び電解液供給手段１３３は、第１実施形態の変更例と同様であり、作用極１１０、対極１２０及びその他の構成については、第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００７６】
＜制御部３４０’＞
制御部３４０’は、モニタリング部１４１から伝送された信号に基づき、バルブ１３１ａ、１３２ａの駆動を制御し、電解液供給手段１３３から供給される電解液１３０ａの流量を変化させることで、電解槽１３０’内に電解液１３０ａの流れＦ２を作り、対極１２０への電解液１３０ａ中の成分の拡散及び／又は対極１２０で生成した化学物質の対極１２０からの脱離を促進させる。
【００７７】
より具体的には、本実施形態では、再生可能エネルギー等のエネルギーが弱い（エネルギー密度が低い）場合には、対極１２０への電解液１３０ａ中の成分の拡散及び／又は対極１２０で生成した化学物質（例えば、水素の気泡）の対極１２０からの脱離を促進するように、制御部３４０’がバルブ１３１ａ、１３２ａの駆動を制御し、電解液１３０ａの流れを作る（あるいは、電解液１３０ａの流れを速くする）。すると、電解液１３０ａの流れＦ２が発生し（あるいは速くなり）、対極１２０側における目的とする化学物質（例えば、水素）の生成反応が起こり易くなるとともに、対極１２０からの化学物質（例えば、水素の気泡）の脱離が促進されることで、同じ反応活性点で単位時間に生じる反応数が増加する。そのため、対極１２０の電流密度が本変更例における電解液１３０ａの流量変化を行わない場合に比べて低いある一定範囲の値に保持した場合でも、対極１２０の電極電位が目的とする化学物質の生成反応の酸化電位または還元電位に達している状態を維持する事ができる。よって、再生可能エネルギー等のエネルギーが弱く、対極１２０の電流密度が低い場合にも、対極１２０で目的とする酸化反応または還元反応を起こす事ができる。
【００７８】
［第４実施形態］
次に、図８を参照しながら、本発明の第４実施形態に係る電解合成装置について説明する。図８は、本発明の第４実施形態に係る電解合成装置４００の構成の一例を示す模式図である。以下、本実施形態に係る電解合成装置４００の構成及び動作について説明する。
【００７９】
（電解合成装置の構成及び動作）
本実施形態に係る電解合成装置４００では、対極１２０の電極電位が化学物質（例えば、水素）の生成反応の酸化電位又は還元電位に達するように電流密度を制御する方法が、上述した第１〜第３実施形態並びにそれらの変更例に係る電解合成装置１００、１００’、２００、２００’、３００、３００’の場合とは異なる。電流密度を制御する方法として、本実施形態では、再生可能エネルギー等の時間変動に応じて決定したエネルギーと別のエネルギー（例えば、前記時間変動するエネルギーとは異なる再生可能エネルギーや、系統電源）と共に電解装置４００における酸化還元反応に利用する方法が用いられている。以下、上述した第１〜第３実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
【００８０】
図８に示すように、電解合成装置４００は、第２の電極の一例としての作用極１１０と、第１の電極の一例としての対極１２０と、電解槽１３０と、制御部４４０と、エネルギー供給部４４１と、を主に備える。作用極１１０、対極１２０、電解槽１３０及びその他の構成については、上述した第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００８１】
＜エネルギー供給部４４１＞
エネルギー供給部４４１は、上述した再生可能エネルギー等の時間変動するエネルギーとは別のエネルギーを電解合成装置４００に供給する。ここで、「別のエネルギー」とは、例えば、系統電源から供給されるエネルギーや各種蓄電池（鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム二次電池、レドックスフロー電池、アルミニウム空気電池、ナトリウム硫黄電池等）が挙げられる。また、「別のエネルギー」として、時間変動するエネルギーとして用いた再生可能エネルギー（例えば、太陽光）と異なる再生可能エネルギー（例えば、風力）を用いる等して、複数種の再生可能エネルギーを組み合わせて使用してもよい。
【００８２】
＜制御部４４０＞
制御部４４０は、モニタリング部１４１から伝送された信号に基づき、エネルギー供給部４４１の駆動を制御し、エネルギーの時間変動に応じてエネルギー供給部４４１から供給するエネルギーの量を決定し、決定された量のエネルギーを電解合成装置４００に供給する。これにより、エネルギー供給部４４１から供給された別のエネルギーが、時間変動するエネルギーと共に電解合成装置４００における酸化還元反応に利用できるようになる。
【００８３】
より具体的には、本実施形態では、再生可能エネルギー等のエネルギーが弱い（エネルギー密度が低い）場合には、再生可能エネルギー等のエネルギーが十分な場合と比較して不足している分のエネルギーを補充するように、制御部４４０が、エネルギー供給部４４１の駆動を制御し、不足しているエネルギー量を電解合成装置４００に供給する。例えば、エネルギー供給部４４１が系統電源や蓄電池等の場合には、制御部４４０は、図８に示すように、エネルギー供給部４４１から電流を流し、対極１２０の電流密度が上がるように制御する。これにより、対極１２０の電極電位が目的とする化学物質の生成反応の酸化電位又は還元電位に達している状態を維持することができる。
【００８４】
［電解合成装置の用途］
次に、上述した第１〜第４実施形態を含む本発明に係る電解合成装置の用途について説明する。
本発明に係る電解合成装置は、各種電解反応に用いることができるが、電解反応は、上記で例示した水の分解以外に、副次反応が生じ得る電気化学反応（例えば、水とＣＯ２を原料としたアルコール等を用いた液体燃料や炭化水素ガスの生成反応、有機ハイドライドの電解合成、化成品など有機化合物の電解合成）においても、対極における電解液中の成分の反応量を変化させることで電流密度を制御し、目的の反応を優先的に行うことが可能となる。
【実施例】
【００８５】
次に、本発明を実施例により、更に具体的に説明するが、本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。
【００８６】
本実施例では、ポテンショスタットを用いて、作用極の照射する光のエネルギー密度を変化させた場合に、対極の電極面積の大小及び電解液の撹拌の有無による対極電位の変化を観察した。以下、実験条件、実験結果の順に説明する。
【００８７】
＜実験条件＞
本実施例では、図９に示す電解セルを用いて水の分解を行った場合に、ポテンショスタットにより作用極の電極電位（Ｖ  ｖｓ  Ａｇ／ＡｇＣｌ）を変化させ、作用極と対極との間に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）と、作用極と対極間の電圧（Ｖ）を測定した。そして、作用極の電極電位と、作用極と対極間の電圧値より、対極の電位（Ｖ  ｖｓ  Ａｇ／ＡｇＣｌ）を算出した。図９は、本発明の実施例における実験装置の構成を示す模式図である。測定条件としては、以下の通りである。対極としては、下記の対極１と対極２のいずれか一方を選択して用いた。
測定法：ポテンショスタティック
光源：Ｘｅランプ（エネルギー密度：１００ｍＷ／ｃｍ２）
電解液：Ｈ２ＳＯ４  ０．５Ｍ
作用極：ＧａＮ（半導体電極）
参照電極：Ａｇ／ＡｇＣｌ／ＮａＣｌ
対極１：白金線（電極面積：１．６ｃｍ２）
対極２：白金メッシュ（電極面積：３１．０ｃｍ２）
【００８８】
また、本実験では、下記表１に示す対極の種類と撹拌条件の実施例１〜４について、電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）と対極電位（Ｖ  ｖｓ  Ａｇ／ＡｇＣｌ）との関係について評価した。
【００８９】
【表１】
2015004112.tif 000003
【００９０】
＜実験結果＞
上記実験の評価結果を図１０に示す。図１０は、本発明の実施例１〜４における対極電位と光誘起電流密度との関係を示すグラフであり、縦軸は、対極電位（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）を示し、横軸は、作用極と対極との間に流れる電流の対極表面での電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を示している。なお、ここでいう電流密度は、作用極−対極間に流れる電流を対極の表面積で除した値である。本実験では、光源であるＸｅランプのエネルギー密度を一定としていることから、対極の表面積が小さな（白金線である）実施例１及び３は、電流密度が高く、対極の表面積が大きな（白金メッシュである）実施例２及び４は、電流密度が低くなる。
【００９１】
図１０に示すように、電極面積の大きな実施例２及び４は、電流密度が全体的に低い値となり、それにより対極電位が低くなっており、水素の生成反応の還元電位に達していないため、酸素の還元反応が起こっていることがわかる。一方、電極面積の小さな実施例１及び３は、電流密度が全体的に高い値となっている。また、実施例１及び３において、電流密度が０．０１〜０．１ｍＡ／ｃｍ２と低い範囲では、対極電位が酸素の二電子還元反応の還元電位に達しているものの、水素の生成反応の還元電位に達していないため、酸素の二電子還元反応が生じていることがわかる。これに対して、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ２以上の範囲では、対極電位が水素の生成反応の還元電位に達しており、対極での反応が水素の生成反応にシフトしていることがわかる。この結果から、エネルギー密度の時間変動に応じて対極の電極面積を調整する（電流密度が低下した場合には電極面積を小さくする）ことで、電流密度が低下することを抑制して、対極電位を水素の生成反応の還元電位に達する状態を保持することが可能であることが示唆された。
【００９２】
また、図１０において、実施例１と実施例３を比較すると、実施例３（撹拌有り）の方が実施例１（撹拌無し）よりも低い電流密度で、対極電位が水素の生成反応の還元電位に達していることがわかる。これは、電解槽内の電解液を撹拌することで、電解液中の水素イオンが対極へ拡散し易く（水素イオンの供給量が増加した）、生成した水素の気泡も脱離し易くなった（脱離速度が速くなった）結果、より低い電流密度でも、対極電位が水素の生成反応の還元電位に達することができたものと考えられる。この結果から、上述した第３実施形態のように、電解液を撹拌して電解液中の成分（例えば、水素イオン）の対極への供給量を調整することで、対極電位を水素の生成反応の還元電位に達する状態を保持することが可能であることが示唆された。
【００９３】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述した形態に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で当業者が想到し得る他の形態または各種の変更例についても本発明の技術的範囲に属するものと理解される。
【符号の説明】
【００９４】
１００    電解合成装置
１１０    作用極
１２０    対極
１２１    対極移動手段
１３０    電解槽
１３０ａ    電解液
１３１ａ、１３２ａ    バルブ
１３３    電解液供給手段
１４０    制御部
１４１    モニタリング部
１５０    導線
１６０    電流計
２００    電解合成装置
２２０    対極
２４０    制御部
３００    電解合成装置
３４０    制御部
３７０    撹拌部材
３７１    撹拌子
３７２    駆動部
４００    電解合成装置
４４０    制御部
４４１    エネルギー供給部
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５    スイッチ
【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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