(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を酸化して酸素を生成する第１電極と、
二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する第２および第３電極と、
前記第１電極と前記第２および第３電極との間に電流を流す電源とを具備し、
前記第２電極の構成材料は、前記第３電極の構成材料より大きいイオン化傾向を有し、
前記第３電極は主として前記二酸化炭素を還元して第１の炭素化合物を生成し、前記第２電極は主として前記第１の炭素化合物を還元して第２の炭素化合物を生成し、
前記第１の炭素化合物は一酸化炭素を含み、前記第２の炭素化合物はエタノールおよびエチレンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、電解装置。
【請求項２】
水を酸化して酸素を生成する第１電極と、
二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する第２および第３電極と、
前記第１電極と前記第２および第３電極との間に電流を流す電源とを具備し、
前記第２電極の構成材料は、前記第３電極の構成材料より大きいイオン化傾向を有し、
前記第２電極の構成材料は銅を含み、前記第３電極の構成材料は金および銀からなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、
前記第３電極は主として前記二酸化炭素を還元して第１の炭素化合物を生成し、前記第２電極は主として前記第１の炭素化合物を還元して第２の炭素化合物を生成する、電解装置。
【請求項３】
水を酸化して酸素を生成する第１電極と、
二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する第２および第３電極と、
前記第１電極と前記第２および第３電極との間に電流を流す電源とを具備し、
前記第２電極の構成材料は、前記第３電極の構成材料より大きいイオン化傾向を有し、
前記電源は、前記第１電極と前記第２電極との間に電流を流す第１電源と、前記第１電極と前記第３電極との間に電流を流す第２電源とを備え、
前記第３電極は主として前記二酸化炭素を還元して第１の炭素化合物を生成し、前記第２電極は主として前記第１の炭素化合物を還元して第２の炭素化合物を生成する、電解装置。
【請求項４】
水を酸化して酸素を生成する第１電極と、
二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する第２および第３電極と、
前記第１電極と前記第２および第３電極との間に電流を流す電源とを具備し、
前記第２電極の構成材料は、前記第３電極の構成材料より大きいイオン化傾向を有し、
前記電源は、前記第１電極と前記第２電極との間に電流を流す第１電源を備え、かつ前記第３電極は前記第２電極と導電性部材により電気的に接続されており、
前記第３電極は主として前記二酸化炭素を還元して第１の炭素化合物を生成し、前記第２電極は主として前記第１の炭素化合物を還元して第２の炭素化合物を生成する、電解装置。
【請求項５】
水を酸化して酸素を生成する第１電極と、
二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する第２および第３電極と、
水を酸化して酸素を生成する第４電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電流を流す第１電源と、
前記第４電極と前記第３電極との間に電流を流す第２電源とを具備し、
前記第２電極の構成材料は、前記第３電極の構成材料より大きいイオン化傾向を有し、
前記第３電極は主として前記二酸化炭素を還元して第１の炭素化合物を生成し、前記第２電極は主として前記第１の炭素化合物を還元して第２の炭素化合物を生成する、電解装置。
【請求項６】
水を酸化して酸素を生成する第１電極と、
二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する第２および第３電極と、
前記第１電極と前記第２および第３電極との間に電流を流す電源と、
前記水を含む溶液および前記二酸化炭素を含む溶液を収容する電解槽を具備し、
前記第１ないし第３電極は前記電解槽内に収容された前記溶液中に浸漬されており、
前記第２電極の構成材料は、前記第３電極の構成材料より大きいイオン化傾向を有し、
前記第３電極は主として前記二酸化炭素を還元して第１の炭素化合物を生成し、前記第２電極は主として前記第１の炭素化合物を還元して第２の炭素化合物を生成する、電解装置。
【請求項７】
水を酸化して酸素を生成する第１電極と、
二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する第２および第３電極と、
前記第１電極と前記第２および第３電極との間に電流を流す電源と、
前記水を含む溶液を収容する第１収容部と、前記二酸化炭素を含む溶液を収容する第２収容部と、前記第１収容部と前記第２収容部とを分離するイオン移動層とを備える電解槽とを具備し、
前記第１電極は前記第１収容部内に収容された前記水を含む溶液中に浸漬されており、前記第２および第３電極は前記第２収容部内に収容された前記二酸化炭素を含む溶液中に浸漬されており、
前記第２電極の構成材料は、前記第３電極の構成材料より大きいイオン化傾向を有し、
前記第３電極は主として前記二酸化炭素を還元して第１の炭素化合物を生成し、前記第２電極は主として前記第１の炭素化合物を還元して第２の炭素化合物を生成する、電解装置。
【請求項８】
前記第２電極は前記溶液中で前記第３電極の上方に配置されている、請求項７に記載の電解装置。
【請求項９】
水を酸化して酸素を生成する第１電極と、
二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する第２および第３電極と、
前記第１電極と前記第２および第３電極との間に電流を流す電源と、
前記水を含む溶液またはガスを前記第１電極に供給する第１流路と、
前記二酸化炭素を含む溶液またはガスを前記第２および第３電極に供給する第２流路とを具備し、
前記第２電極の構成材料は、前記第３電極の構成材料より大きいイオン化傾向を有し、
前記第３電極は主として前記二酸化炭素を還元して第１の炭素化合物を生成し、前記第２電極は主として前記第１の炭素化合物を還元して第２の炭素化合物を生成する、電解装置。
【請求項１０】
さらに、前記第３電極で生成された前記第１の炭素化合物を前記第２電極に供給する供給路を具備する、請求項９に記載の電解装置。
【請求項１１】
前記二酸化炭素から前記第１の炭素化合物を生成する還元反応に用いられる電子数は、前記二酸化炭素から前記第２の炭素化合物を生成する還元反応に用いられる電子数より小さい、請求項２ないし請求項１０のいずれ１項に記載の電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。再生可能エネルギーとしては、太陽電池や風力発電等が挙げられる。これらは発電量が天候や自然状況に依存するため、電力の安定供給が難しいという課題を有している。そのため、再生可能エネルギーで発生させた電力を蓄電池に貯蔵し、電力を安定化させることが試みられている。しかし、電力を貯蔵する場合、蓄電池にコストを要したり、また蓄電時にロスが発生するといった問題がある。
【０００３】
このような点に対して、再生可能エネルギーで発生させた電力を用いて水電解を行い、水から水素（Ｈ２）を製造したり、あるいは二酸化炭素（ＣＯ２）を電気化学的に還元し、一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、メタン（ＣＨ４）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）等の化学物質（化学エネルギー）に変換する技術が注目されている。これらの化学物質をボンベやタンクに貯蔵する場合、電力（電気エネルギー）を蓄電池に貯蔵する場合に比べて、エネルギーの貯蔵コストを低減することができ、また貯蔵ロスも少ないという利点がある。
【０００４】
二酸化炭素の電解装置としては、水（Ｈ２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ２）とを含む電解液を収容する電解槽と、電解液に浸漬されたアノード（酸化電極）およびカソード（還元電極）とを備える装置が一般的である。カソードには、炭化水素等を生成する場合、銅や銅合金等の金属電極が用いられている。従来の電解装置を用いた場合、一酸化炭素やギ酸のように二酸化炭素の還元反応に用いられる電子数が少ない物質については、良好な生成量が得られている。一方、エタノール、エタン、エチレン、メタノール、メタンのように二酸化炭素の還元反応に用いられる電子数が多い物質については、生成量が少ないのが現状である。エタノール、エチレン、エタン、メタノール、メタン等の物質は、一酸化炭素等に比べて有用性が高いため、これらの物質の二酸化炭素の還元生成物としての生成量を高めることが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２５５０１８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｙ．Ｈｏｒｉ  Ｍｏｄｅｒｎ  Ａｓｐｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，  Ｎｕｍｂｅｒ  ４２  （２００８）
【非特許文献２】Ｃｈｒｉｓｔｉｎａ  Ｗ．  Ｌｉ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｎａｔｕｒｅ，  ５０８，  ｐ．５０４−５０７  （２０１４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、二酸化炭素の還元反応に用いられる電子数が多い物質の生成量を向上させた電解装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の電解装置は、水を酸化して酸素を生成する第１電極と、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する第２および第３電極と、第１電極と第２および第３電極との間に電流を流す電源とを具備する。第２電極の構成材料は、前記第３電極の構成材料より大きいイオン化傾向を有し、第３電極は主として二酸化炭素を還元して第１の炭素化合物を生成し、第２電極は主として第１の炭素化合物を還元して第２の炭素化合物を生成する。第１の炭素化合物は一酸化炭素を含み、第２の炭素化合物はエタノールおよびエチレンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態による電解装置を示す図である。
【図２】第１の実施形態による電解装置の第１の変形例を示す図である。
【図３】第１の実施形態による電解装置の第２の変形例を示す図である。
【図４】第１の実施形態による電解装置の第３の変形例を示す図である。
【図５】第１の実施形態の電解装置を用いた第１の反応過程を示す図である。
【図６】第１の実施形態の電解装置を用いた第２の反応過程を示す図である。
【図７】第２の実施形態による電解装置を示す図である。
【図８】第２の実施形態による電解装置の第１の変形例を示す図である。
【図９】第２の実施形態による電解装置の第２の変形例を示す図である。
【図１０】第２の実施形態による電解装置の第３の変形例を示す図である。
【図１１】第３の実施形態による電解装置を示す図である。
【図１２】第３の実施形態による電解装置の変形例を示す図である。
【図１３】実施例１で電極に流した電流の時間依存性を示す図である。
【図１４】比較例１で電極に流した電流の時間依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態の電解装置について、図面を参照して説明する。なお、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、各部の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。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による電解装置１を示す図である。図１に示す電解装置１は、水（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）を含む電解液２を収容する電解槽３、第１電極４、第２電極５、第３電極６、第１電源７、および第２電源８を具備している。第１ないし第３電極４〜６は、電解槽３内に配置され、電解液２に浸漬されている。第１および第２電源７、８は、電解槽３の外側に配置されている。第１電源７は第１電極４および第２電極５に接続され、第２電源８は第１電極４および第３電極６に接続されている。
【００１２】
電解槽３は、イオンを移動させることが可能なイオン移動層（分離壁を兼ねるイオン移動層）９により２室に分離されている。２室に分離された電解槽３は、第１電極４が浸漬される第１電解液２Ａを収容する第１収容部３Ａと、第２および第３電極５、６が浸漬される第２電解液２Ｂを収容する第２収容部３Ｂとを備えている。第１電極４は第１収容部３Ａ内に配置され、第２および第３電極５、６は第２収容部３Ｂ内に配置される。第２収容部３Ｂには、第１電極４と第２電極５との間に流れる電流や第２電極５の電位、もしくは第１電極４と第３電極６との間に流れる電流や第３電極６の電位を制御する参照電極１０が配置されている。参照電極１０は、必要に応じて配置される。
【００１３】
イオン移動層９は、第１電極４と第２および第３電極５、６との間でイオンを移動させることができ、かつ第１電解液２Ａと第２電解液２Ｂとを分離することが可能なイオン交換膜等で構成される。イオン交換膜としては、例えばナフィオンやフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタやセレミオンのようなアニオン交換膜を使用することができる。これら以外にも第１電極４と第２および第３電極５、６との間でイオンを移動させることが可能な材料であれば、イオン移動層９として用いることができる。電解槽３には、ガスの導入管１１および排出管１２と溶液の導入管１３および排出管１４が接続されている。これらは第１収容部３Ａおよび第２収容部３Ｂのそれぞれに設けられている。ガスの排出管１２は、酸化還元反応により生成される生成物の収集部１５に接続されている。
【００１４】
第１電極４は、電解液２中の水（Ｈ２Ｏ）の酸化反応を生起し、酸素（Ｏ２）や水素イオン（Ｈ＋）を生成する電極である。第２および第３電極５、６は、電解液２中の二酸化炭素（ＣＯ２）の還元反応やそれにより得られる炭素化合物の還元反応を生起し、炭素化合物（ＣＯ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ３ＯＨ、ＣＨ４等）を生成する電極である。第２および第３電極５、６において、二酸化炭素の還元と同時に水の還元反応を生起し、水素（Ｈ２）を生成することもできる。
【００１５】
第１電極４で酸化反応を生起するために、第１電極４は第１電源７および第２電源８の正極（＋）に接続されている。第２および第３電極５、６で還元反応を生起するために、第２および第３電極５、６は第１電源７および第２電源８の負極（−）に接続されている。第１および第２電源７、８から供給される電流は個々に制御され、同一電流量であってもよいし、異なる電流量であってもよい。第２電極５で生成される物質量をモニターし、第１および第２電源７、８を制御する機構を設けてもよい。電源７、８は、太陽電池や風力発電等の再生可能エネルギーで発生させた電力を供給するものであってもよい。
【００１６】
第１の実施形態の電解装置１は、図２に示すように、１つの電源７を備えていてもよい。図２に示す電解装置１は、第１電極４および第２電極５に接続された第１電源７を備えている。第３電極６は、第２電極５と導電性部材を介して電気的に接続されている。第１電極４は第１電源７の正極（＋）に接続され、第２および第３電極５、６で第１電源７の負極（−）に接続されている。第２および第３電極５、６には、第１電源７から電流が供給される。第２および第３電極５、６に流れる電流は、電力材料、電極面積、電極形状等により制御される。このように、電解装置１の電源７を１つにすることによって、電源７による電力ロスを低減することが可能になる。
【００１７】
第１電極４は、水を酸化して酸素や水素イオンを生成することが可能で、そのような反応の過電圧を減少させることが可能な材料で構成することが好ましい。そのような材料としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属、それらの金属を含む合金や金属間化合物、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、Ｒｕ錯体やＦｅ錯体等の金属錯体が挙げられる。第１電極４には、板状、メッシュ状、ワイヤ状、粒子状、多孔質状、薄膜状、島状等の各種形状を適用することができる。第１電極４には、これらの材料を基材上に積層した複合電極を用いてもよい。
【００１８】
第２および第３電極５、６は、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成することが可能で、そのような反応の過電圧を減少させることが可能な材料で構成することが好ましい。そのような材料としては、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）等の金属、それらの金属を含む合金や金属間化合物、炭素（Ｃ）、グラフェン、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、フラーレン、ケッチェンブラック等の炭素材料、Ｒｕ錯体やＲｅ錯体等の金属錯体が挙げられる。第２および第３電極５、６には、板状、メッシュ状、ワイヤ状、粒子状、多孔質状、薄膜状、島状等の各種形状を適用することができる。第２および第３電極５、６には、これらの材料を基材上に積層した複合電極を用いてもよい。
【００１９】
第２および第３電極５、６のうち、第３電極６は主として二酸化炭素（ＣＯ２）の還元反応を生起し、二酸化炭素の還元反応に用いられる電子数（反応電子数）が少ない第１の炭素化合物を生成する電極である。第２電極５は、主として第３電極６で生成された第１の炭素化合物の還元反応を生起し、二酸化炭素の還元反応に用いられる電子数（反応電子数）が多い第２の炭素化合物を生成する電極である。なお、第２および第３電極５、６では二酸化炭素から第２の炭素化合物への還元反応も生起される。二酸化炭素から第１の炭素化合物を生成する還元反応に用いられる電子数は、二酸化炭素から第２の炭素化合物を生成する還元反応に用いられる電子数より小さい。このような２段階での二酸化炭素の還元反応を適用することによって、二酸化炭素の還元反応電子数が多い第２の炭素化合物（多電子還元反応による炭素化合物）の生成量を高めることが可能になる。
【００２０】
第１の炭素化合物としては、二酸化炭素の還元反応電子数が２である一酸化炭素（ＣＯ）やギ酸（ＨＣＯＯＨ）等が挙げられる。第１の炭素化合物は、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）やアセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）であってもよい。第２の炭素化合物としては、二酸化炭素の還元反応電子数が１２であるエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、還元反応電子数が１２であるエチレン（Ｃ２Ｈ４）、還元反応電子数が１４であるエタン（Ｃ２Ｈ６）、還元反応電子数が６であるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）、還元反応電子数が８であるメタン（ＣＨ４）、還元反応電子数が８である酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、還元反応電子数が１８であるプロパノール（Ｃ３Ｈ７ＯＨ）、還元反応電子数が１０であるエチレングリコール（Ｃ２Ｈ４（ＯＨ）２）等が挙げられる。第２の炭素化合物の生成量を増大させることで、二酸化炭素の電解装置１の有用性を高めることができる。表１に二酸化炭素（ＣＯ２）および一酸化炭素（ＣＯ）の還元反応電子数をまとめて示す。
【００２１】
【表１】
0006542079.tif 000002
【００２２】
上述したように、第３電極６で主として二酸化炭素の還元反応を生起し、第２電極５で主として第１の炭素化合物の還元反応を生起するために、第３電極６は二酸化炭素の還元反応電子数が少ない第１の炭素化合物を生成しやすい材料で構成し、第２電極５は二酸化炭素の還元反応電子数が多い第２の炭素化合物を生成しやすい材料で構成する。具体的には、第２電極５は第３電極６の構成材料より大きいイオン化傾向を有する材料で構成されている。言い換えると、第２電極５の構成材料よりイオン化傾向が小さい材料からなる第３電極６を、第２電極５と共に電解槽３内に配置することによって、二酸化炭素の還元反応を第３電極６で主として生起すると共に、第３電極６で生成された第１の炭素化合物の還元反応を第２電極５で主として生起して第２の炭素化合物を生成することができる。
【００２３】
第３電極６の構成材料としては、イオン化傾向が小さい材料、例えば金、銀、白金、およびパラジウムから選ばれる少なくとも１つ含む材料、具体的にはそれら金属、それらの少なくとも１つを含む合金や金属間化合物を用いることが好ましい。第３電極６の構成材料には、上述した金属材料に代えて炭素材料を用いてもよい。さらに、第３電極６には二酸化炭素の還元反応電子数が２である一酸化炭素やギ酸、特に一酸化炭素を効率よく生成することが可能な金および銀から選ばれる少なくとも１つ含む材料、具体的にはそれら金属、それらの少なくとも１つを含む合金や金属間化合物を用いることが好ましい。
【００２４】
第２電極５の構成材料としては、イオン化傾向が比較的大きい材料、例えば銅、ニッケル、亜鉛、インジウム、および錫から選ばれる少なくとも１つ含む材料、具体的にはそれら金属やそれらの少なくとも１つを含む合金や金属間化合物を用いることが好ましい。さらに、第２電極５には二酸化炭素や一酸化炭素の多電子還元反応が生じやすい材料として銅を含む材料、具体的には銅、銅を含む合金や金属間化合物を用いることが好ましい。上述したような材料を第２および第３電極５、６の構成材料として用いることによって、二酸化炭素から第１の炭素化合物を生成し、さらに第１の炭素化合物から第２の炭素化合物を生成する二酸化炭素の２段階還元反応が進行しやすくなる。
【００２５】
第３電極６で生成した第１の炭素化合物を第２電極５に効率よく到達させるために、第２電極５は第３電極６の近傍に配置することが好ましい。第２電極５と第３電極６との距離は２０ｍｍ以下が好ましく、さらに１０ｍｍ以下がより好ましい。第３電極６で生成した第１の炭素化合物を第２電極５に効率よく移動させるために、第３電極６はメッシュ状や多孔質状等のように電解液の移動経路を有することが好ましい。第２の炭素化合物の生成効率を高めるために、第２電極５は第３電極６より大きい面積を有することが好ましい。第３電極６で生成する第１の炭素化合物が一酸化炭素のようにガス状物質である場合、第２電極５は第３電極６からガス状物質が移動する方向に設けることが好ましい。図３は第２電極５を第３電極６の上方に配置した例を示している。このような電極５、６の配置構造を適用することによって、第３電極６で生成した一酸化炭素のようなガス状物質を第２電極５に効率よく到達させることができる。
【００２６】
第１の実施形態の電解装置１は、図４に示すように第４電極１６を備えていてもよい。図４に示す電解装置１は、第１電源７に接続された第１電極４および第２電極５と、第２電源７に接続された第４電極１６および第３電極６とを備えている。すなわち、電解槽３の第１収容部３Ａに収容された第１電解液２Ａには、第１電極４に加えて第４電極１６が浸漬されている。第４電極１６は、第１電極４と同様に、水の酸化反応を生起して酸素や水素イオンを生成する電極である。第４電極１６は、第１電極４と同様な材料で構成することが好ましい。このように、電源７、８毎に電極対（第１電極４と第２電極５、第４電極１６と第３電極６）を分けることによって、各電源７、８による電流の制御範囲を拡大することが可能になる。
【００２７】
第１電解液２Ａは少なくとも水（Ｈ２Ｏ）を含む溶液であり、第２電解液２Ｂは少なくとも二酸化炭素（ＣＯ２）を含む溶液である。第１電解液２Ａと第２電解液２Ｂには、同一の溶液を適用してもよいし、異なる溶液を適用してもよい。第１電解液２Ａと第２電解液２Ｂに同一の溶液を適用する場合、一液型の電解槽３を適用してもよい。
【００２８】
Ｈ２Ｏを含む溶液としては、例えば任意の電解質を含む水溶液が用いられる。この溶液はＨ２Ｏ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（ＰＯ４２−）、ホウ酸イオン（ＢＯ３３−）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３−）、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、セシウムイオン（Ｃｓ＋）、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）、塩化物イオン（Ｃｌ−）、臭化物イオン（Ｂｒ−）、ヨウ化物イオン（Ｉ−）、水酸化物イオン（ＯＨ−）、水素イオン（Ｈ＋）等を含む水溶液が挙げられる。
【００２９】
ＣＯ２を含む溶液は、ＣＯ２の吸収率が高い溶液であることが好ましく、ＬｉＨＣＯ３、ＮａＨＣＯ３、ＫＨＣＯ３、ＣｓＨＣＯ３等の水溶液が挙げられる。ＣＯ２を含む溶液は、電気伝導度を調整するために、電解質としてリン酸イオン（ＰＯ４２−）、ホウ酸イオン（ＢＯ３３−）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３−）、炭酸イオン（ＣＯ３２−）、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、セシウムイオン（Ｃｓ＋）、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）、塩化物イオン（Ｃｌ−）、臭化物イオン（Ｂｒ−）、ヨウ化物イオン（Ｉ−）、水酸化物イオン（ＯＨ−）、水素イオン（Ｈ＋）等を含んでいてもよい。ＣＯ２を含む溶液には、メタノール、エタノール、アセトン等のアルコール類を用いてもよい。Ｈ２Ｏを含む溶液とＣＯ２を含む溶液とは、同じ溶液であってもよいが、ＣＯ２を含む溶液はＣＯ２の吸収量が高いことが好ましいため、Ｈ２Ｏを含む溶液と別の溶液を用いてもよい。ＣＯ２を含む溶液は、ＣＯ２の還元電位を低下させ、イオン伝導性が高く、ＣＯ２を吸収するＣＯ２吸収剤を含む電解液であることが望ましい。
【００３０】
上述した電解液としては、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が挙げられる。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。アミンは、一級アミン、二級アミン、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、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、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、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位が置換されたものとしては、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−、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連結した双生イオンでもよい。
【００３１】
次に、電解装置１の動作について、図５および図６を参照して説明する。ここでは、第１の炭素化合物として一酸化炭素（ＣＯ）を生成し、第２の炭素化合物としてエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）を生成する場合について主に説明する。図５は主に水素イオン（Ｈ＋）を生成する場合の反応過程を示しており、図６は主に水酸化物イオン（ＯＨ−）を生成する場合の反応過程を示している。
【００３２】
まず、図５を参照して主に水（Ｈ２Ｏ）を酸化して水素イオン（Ｈ＋）を生成する場合の反応過程について述べる。第１および第２電源７、８（もしくは第１電源７）から第１電極４に電流を供給すると、第１電解液２Ａと接する第１電極４付近で水（Ｈ２Ｏ）の酸化反応が生じる。具体的には、下記の（１Ａ）式に示すように、第１電解液２Ａ中に含まれるＨ２Ｏが酸化されて、酸素（Ｏ２）と水素イオン（Ｈ＋）とが生成される。
２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−  …（１Ａ）
第１電極４側で生成されたＨ＋は電解液２Ａ、２Ｂ中を移動し、第２および第３電極５、６付近に到達する。第１および第２電源７、８（もしくは第１電源７）から第２および第３電極５、６に供給される電流（電子（ｅ−））と第２および第３電極５、６付近に移動したＨ＋とによって、二酸化炭素（ＣＯ２）の還元反応が生じる。
【００３３】
ＣＯ２の還元反応過程においては、まず第２電極５の構成材料よりイオン化傾向が小さく、ＣＯ２の還元反応電子数が小さいＣＯの生成効率が高い材料からなる第３電極６付近で、下記の（２Ａ）式に示すように、第２電解液２Ｂ中に含まれるＣＯ２が還元されてＣＯが生成される。この際の反応電子数は２である。
２ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  →  ２ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ  …（２Ａ）
【００３４】
第３電極６付近で生成されたＣＯは電解液２Ｂ中を移動し、第２電極５付近に到達する。第２電極５はＣＯ２の還元反応電子数が大きいエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等の物質の生成効率が高い材料で構成されているため、第２電極５付近で下記の（３Ａ）式に示すように、ＣＯが還元されてＣ２Ｈ５ＯＨ等が生成される。この際の反応電子数は８である。
２ＣＯ＋８Ｈ＋＋８ｅ−  →  Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  …（３Ａ）
また、第２電極５付近では下記の（４Ａ）式に示すように、第２電解液２Ｂ中のＣＯ２の還元反応も同時に生じる。この際の反応電子数は１２である。
２ＣＯ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−  →  Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋３Ｈ２Ｏ  …（４Ａ）
【００３５】
上述したように、ＣＯ２からＣ２Ｈ５ＯＨを生成する場合に比べて、ＣＯからＣ２Ｈ５ＯＨを生成することによって、還元反応に必要な電子数を１２から８に低減することができる。さらに、ＣＯ２からＣ２Ｈ５ＯＨへの反応電位に比べて、ＣＯからＣ２Ｈ５ＯＨへの反応電位が小さいため、ＣＯを還元してＣ２Ｈ５ＯＨを生成することによって、Ｃ２Ｈ５ＯＨの生成効率を高めることができる。これらによって、ＣＯ２を還元して一旦ＣＯを生成し、生成したＣＯを還元してＣ２Ｈ５ＯＨを生成することによって、ＣＯ２の還元生成物としてのＣ２Ｈ５ＯＨの生成効率や生成量を増大させることが可能になる。
【００３６】
第２電極５付近においては、下記の（５Ａ）式ないし（１０Ａ）式に示すように、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、メタン（ＣＨ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、プロパノール（Ｃ３Ｈ７ＯＨ）等を生成することもできる。
２ＣＯ＋８Ｈ＋＋８ｅ−  →  Ｃ２Ｈ４＋２Ｈ２Ｏ  …（５Ａ）
２ＣＯ＋１０Ｈ＋＋１０ｅ−  →  Ｃ２Ｈ６＋２Ｈ２Ｏ  …（６Ａ）
ＣＯ＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  …（７Ａ）
ＣＯ＋４Ｈ＋＋４ｅ−  →  ＣＨ３ＯＨ  …（８Ａ）
２ＣＯ＋４Ｈ＋＋４ｅ−  →  ＣＨ３ＣＯＯＨ  …（９Ａ）
３ＣＯ＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−  →  Ｃ３Ｈ７ＯＨ＋２Ｈ２Ｏ  …（１０Ａ）
【００３７】
次に、図６を参照して主に二酸化炭素（ＣＯ２）を還元して水酸化物イオン（ＯＨ−）を生成する場合の反応過程について述べる。第２電源８（もしくは第１電源７）から第３電極６に電流を供給すると、第２電解液２Ｂと接する第３電極６付近において、下記の（２Ｂ）式に示すように、水（Ｈ２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ２）が還元されて、一酸化炭素（ＣＯ）と水酸化物イオン（ＯＨ−）とが生成される。この際の反応電子数は２である。水酸化物イオン（ＯＨ−）は第１電極４付近に拡散し、下記の（１Ｂ）式に示すように、酸素（Ｏ２）が生成される。
２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  →  ２ＣＯ＋４ＯＨ−  …（２Ｂ）
４ＯＨ−  →  ２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２＋４ｅ−  …（１Ｂ）
【００３８】
第３電極６付近で生成されたＣＯは電解液２Ｂ中を移動し、第２電極５付近に到達する。第２電極５付近では、下記の（３Ｂ）式に示すように、ＣＯおよびＨ２ＯからＣ２Ｈ５ＯＨ等が生成される。この際の反応電子数は８である。
２ＣＯ＋７Ｈ２Ｏ＋８ｅ−  →  Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋８ＯＨ−  …（３Ｂ）
また、第２電極５付近では下記の（４Ｂ）式に示すように、第２電解液２Ｂ中のＣＯ２の還元反応も同時に生じる。この際の反応電子数は１２である。
２ＣＯ＋９Ｈ２Ｏ＋１２ｅ−  →  Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋１２ＯＨ−  …（４Ｂ）
【００３９】
上述したように、主に水酸化物イオン（ＯＨ−）を生成する場合においても、ＣＯ２からＣ２Ｈ５ＯＨを生成する場合に比べて、ＣＯからＣ２Ｈ５ＯＨを生成することによって、還元反応に必要な電子数を１２から８に低減することができる。従って、ＣＯ２の還元生成物としてのＣ２Ｈ５ＯＨ等の生成効率や生成量を増大させることが可能になる。第２電極５付近においては、下記の（５Ｂ）式ないし（１０Ｂ）式に示すような反応式に基づく生成物（有機化合物）を生成することもできる。
【００４０】
２ＣＯ＋６Ｈ２Ｏ＋８ｅ−  →  Ｃ２Ｈ４＋８ＯＨ−  …（５Ｂ）
２ＣＯ＋８Ｈ２Ｏ＋１０ｅ−  →  Ｃ２Ｈ６＋１０ＯＨ−  …（６Ｂ）
ＣＯ＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−  →  ＣＨ４＋６ＯＨ−  …（７Ｂ）
ＣＯ＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  →  ＣＨ３ＯＨ＋４ＯＨ−  …（８Ｂ）
２ＣＯ＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  →  ＣＨ３ＣＯＯＨ＋４ＯＨ−  …（９Ｂ）
３ＣＯ＋１０Ｈ２Ｏ＋１２ｅ−  →  Ｃ３Ｈ７ＯＨ＋１２ＯＨ−  …（１０Ｂ）
【００４１】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の電解装置について、図７ないし図１２を参照して説明する。図７は第２の実施形態による電解装置２１を示す図である。なお、第２の実施形態の電解装置２１は、第１の実施形態の電解装置１の構成部材やその形状等が異なっているが、電極材料、電解液、電源等は第１の実施形態と同様である。
【００４２】
図７に示す電解装置２１は、第１電解部２２と第２電解部２３とを具備している。第１電解部２２は、第１支持板２４、第１集電板２５、第１流路２６、第１拡散層２７、第１電極２８、第１イオン交換膜２９、第２流路３０、第３電極３１、第３拡散層３２、第３流路３３、第３集電板３４、および第２支持板３５を備えている。各流路２６、３０、３３には、それぞれ図示しないガスもしくは溶液の入出力ポートを設けることができる。
【００４３】
第１支持板２４と第２支持板３５は、上記の構成部材を両側から挟み込み、各構成部材の積み重ね構造を支持するために用いられる。第１集電板２５は、第１流路２６と第１拡散層２７を経由して第１電極２８に電流を流すために用いられる。第１流路２６には、Ｈ２Ｏを含む溶液またはガスが導入される。Ｈ２Ｏを含む溶液またはガスは、第１拡散層２７を経由して第１電極２８に供給される。
【００４４】
第３集電板３４は、第３流路３３と第３拡散層３２を経由して第３電極３１に電流を流すために用いられる。第３流路３３には、ＣＯ２を含む溶液またはガスが導入される。ＣＯ２を含む溶液またはガスは、第３拡散層３２を経由して第３電極３１に供給される。第２流路３０には、Ｈ２Ｏを含む溶液が導入される。第２流路３０に導入される溶液は、ＣＯ２を含んでいてもよい。第３拡散層３２を経由してＣＯ２が供給されるため、第２流路３０に導入される溶液はＣＯ２を含まなくてもよい。ＣＯ２を含まない溶液としては、Ｈ２Ｏや、リン酸イオン、ホウ酸イオン、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、セシウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、水酸化物イオン、水素イオン等を含む水溶液が用いられる。第２流路３０は必要に応じて設けられ、その配置を省いてもよい。第１集電板２５と第３集電板３４は、第２電源３６に接続されている。また、電流を制御するために、図示しない参照電極を第１流路２６や第２流路３０に設けてもよい。
【００４５】
第２電解部２３は、第３支持板３７、第２集電板３８、第４流路３９、第２拡散層４０、第２電極４１、第５流路４２、第２イオン交換膜４３、第４電極４４、第４拡散層４５、第６流路４６、第４集電板４７、および第４支持板４８を備えている。各流路３９、４２、４６には、図示しないガスもしくは溶液の入出力ポートを設けることができる。
【００４６】
第３支持板３７と第４支持板４８は、上記の構成部材を両側から挟み込み、各構成部材の積み重ね構造を支持するために用いられる。第２集電板３８は、第４流路３９と第２拡散層４０を経由して第２電極４１に電流を流すために用いられる。第４流路３９は、第１電解部２２の第３流路３３と配管４９を介して接続されている。第４流路３９には、第１電解部２２でＣＯ２を還元することにより生成された物質、例えばＣＯと、ＣＯ２とを含むガスが導入される。ＣＯとＣＯ２とを含むガスは、第２拡散層４０を経由して第２電極４１に供給される。
【００４７】
第４集電板４７は、第６流路４６と第４拡散層４５を経由して第４電極４４に電流を流すために用いられる。第６流路には、Ｈ２Ｏを含む溶液またはガス導入される。Ｈ２Ｏを含む溶液またはガスは、第４拡散層４５を経由して第４電極４４に供給される。第５流路４２には、Ｈ２Ｏを含む溶液が導入される。第５流路４２に導入される溶液は、ＣＯ２を含んでいてもよい。第２拡散層４０を経由してＣＯとＣＯ２を含むガスが供給されるため、第５流路４２に導入される溶液はＣＯ２を含まなくてもよい。第５流路４２は必要に応じて設けられ、その配置を省いてもよい。第２集電板３８と第４集電板４７は、第１電源５０に接続されている。また、電流を制御するために、図示しない参照電極を第５流路４２や第６流路４６に設けてもよい。
【００４８】
次に、第２の実施形態による電解装置２１の動作原理について説明する。ここでは、第１電解部２２で主としてＣＯが生成する場合をについて説明する。第１電極２８付近では、第１拡散層２７を介して第１流路２６から導入されたＨ２Ｏを用いて、Ｈ２Ｏの酸化反応が行われる。すなわち、（１Ａ）式に示したようにＯ２ガスとＨ＋が生成される。Ｏ２ガスは第１流路２６に排出される。Ｈ＋は第１イオン交換膜２９を移動して第２流路３０に到達する。第１電解部２２の第３電極３１付近では、第２流路３０のＨ＋と第３拡散層３２を介して第３流路３３より導入されたＣＯ２とを用いて、ＣＯ２の還元反応が行われる。すなわち、（２Ａ）式に示したようにＣＯが生成される。生成されたＣＯとＣＯ２は、配管４９を移動して第４流路３９に到達する。
【００４９】
第２電解部２３の第４電極４７付近では、第４拡散層４５を介して第６流路４６から導入されたＨ２Ｏを用いて、Ｈ２Ｏの酸化反応が行われる。すなわち、（１Ａ）式に示したようにＯ２ガスとＨ＋が生成される。Ｏ２ガスは第６流路４６に排出される。Ｈ＋は第２イオン交換膜４３を移動して第５流路４２に到達する。第２電解部２３の第２電極４１付近では、第５流路４２のＨ＋と第２拡散層４０を介して第４流路３９から導入されたＣＯおよびフローガスであるＣＯ２を用いて、ＣＯおよびＣＯ２の還元反応が行われる。一例としてエタノールやエチレンが生成される。このように、第２電極４１付近にＣＯ２に加えてＣＯを供給することで、エタノールやエチレンの生成量を増大させることができる。
【００５０】
第２の実施形態の電解装置２１においては、図８に示すように、第３集電板３４と第２集電板３８との間を第７流路５１で接続してもよい。この場合、図７における第２支持板３５、第３支持板３７、および配管４９の設置が省かれる。第１支持板２４と第４支持板４８は、各構成部材を両側から挟み込み、各構成部材の積み重ね構造を支持するために用いられる。第３集電板３４と第２集電板３８には、物質の移動が可能な多孔質状、メッシュ状、細孔状等の移動経路が設けられる。
【００５１】
第３集電板３４および第２集電板３８に設けられた移動経路と第７流路５１によって、第３電極３１付近でのＣＯ２の還元反応で生じた物質、例えばＣＯとフローガスであるＣＯ２を第３流路３３から第３集電板３４、第７流路５１、第２集電板３８、第４流路３９、第２拡散層４０を経由して第２電極４１付近に供給することができる。この場合、図７に示した電解装置２１に比べて、配管４９を省くことで物質の移動距離が短くなるため、物質の移動効率を向上させることができる。また、第７流路５１にＣＯ２を吸収する溶液、例えばＮａＯＨやＫＯＨのような水酸化物の溶液やアミン等を充填することによって、第４流路３９には主としてＣＯを移動させることもできる。
【００５２】
第２の実施形態の電解装置２１においては、図９に示すように、第３集電板３４および第７流路５１の設置を省き、第２集電板３８を共通集電板として用いてもよい。第３電極３１および第２電極４１には、第２集電板３８から電流が供給される。第２集電板３８には、物質の移動が可能な多孔質状、メッシュ状、細孔状等の移動経路が設けられる。この第２集電板３８の移動経路によって、第３電極３１付近でのＣＯ２の還元反応で生じた物質、例えばＣＯとフローガスであるＣＯ２を第３流路３３から第２集電板３８、第４流路３９、第２拡散層４０を経由して第２電極４１付近に供給することができる。この場合、図８に示した電解装置２１に比べて、物質の移動距離がさらに短くなるため、物質の移動効率をさらに向上させることができる。また、図１０に示すように、第１電源５０と第１集電板２５とを接続することで、第２電源３６の設置を省略することができる。これによって、電源によるロスを減らすことも可能である。
【００５３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の電解装置について、図１１および図１２を参照して説明する。図１１は第３の実施形態による電解装置６１を示す図である。図１１に示す電解装置６１は、第１支持板６２、第１集電板６３、第１流路６４、第１拡散層６５、第１電極６６、イオン交換膜６７、第２流路６８、第２電極６９、第２拡散層７０、第３電極７１、第３拡散層７２、第３流路７３、第２集電板７４、第３集電板７５、および第２支持板７６を備えている。各流路６４、６８、７３には、図示しないガスもしくは溶液の入出力ポートを設けることができる。なお、各構成要素は第１もしくは第２実施形態と同様である。
【００５４】
第１支持板６２と第２支持板７６は、上記の構成部材を両側から挟み込み、各構成部材の積み重ね構造を支持するために用いられる。第１集電板６３は、第１流路６４と第１拡散層６５を経由して第１電極６６に電流を流すために用いられる。第１流路６４には、Ｈ２Ｏを含む溶液またはガスが導入される。Ｈ２Ｏを含む溶液またはガスは、第１拡散層６５を経由して第１電極６６に供給される。第３集電板７５は、第３流路７３と第３拡散層７２を経由して第３電極７１に電流を流すために用いられる。第３流路７３には、ＣＯ２を含む溶液またはガスが導入される。ＣＯ２を含む溶液またはガスは、第３拡散層７２を経由して第３電極７１に供給される。第１集電板６３と第３集電板７５は、第２電源７７に接続されている。ＣＯ２を含むガスの入力ポートは、第３電極７５に近い位置に設けるほうが好ましい。
【００５５】
第２集電板７４は、第３流路７３と第２拡散層７０を経由して第２電極６９に電流を流すために用いられる。第１集電板６３と第２集電板７４は、第１電源７８に接続されている。第２電極６９には、第３流路７３に導入されたＣＯ２ガスと、第３電極７１で生成されたＣＯ等のガス状物質が第２拡散層７０を経由して供給される。第３電極７１で液体状の物質が生成された場合には、第２流路６８を経由して第２電極６９に供給される。また、電流を制御するために、図示しない参照電極を第１流路６４や第２流路６８に設けてもよい。また、第２流路６８にはＨ２Ｏを含む溶液が導入される。第２流路６８に導入される溶液は、ＣＯ２を含んでいてもよい。第３拡散層７２を経由してＣＯ２が供給されるため、第２流路６８に導入される溶液はＣＯ２を含まなくてもよい。第２流路６８は、必要に応じて設けられ、その配置を省いてもよい。
【００５６】
上述したように、第３電極７１を設けると共に、第３電極７１付近で生成されたＣＯ等とフローガスであるＣＯ２を第２電極６９付近に供給することによって、エタノールやエチレン等の生成量を増加することができる。
【００５７】
第３の実施形態の電解装置６１においては、図１２に示すように、第３拡散層７２および第３集電板７５を省き、第２拡散層７０を第２電極６９および第３電極７１に対する共通拡散層とし、かつ第２集電板７４を第２電極６９および第３電極７１に対する共通集電板としてもよい。第２集電板７４は、第３流路７３と第２拡散層７０を経由して第３電極７１および第２電極６９に電流を流すために用いられる。第３流路７３にはＣＯ２を含むガスが導入される。ＣＯ２を含むガスは、第２拡散層７０を経由して第３電極７１に供給される。第１集電板６３と第２集電板７４は、第１電源７８に接続される。
【００５８】
このように、第２拡散層７０に第２電極６９と第３電極７１を設けると共に、第１集電板６３と第２集電板７４との間に第１電源７８を接続することによって、電源の数を減らして電源でのロスを低減することができる。また、第２電極６９付近に第３電極７１付近で生成されたＣＯ等とフローガスであるＣＯ２を供給することによって、エタノールやエチレン等の生成量を増加することができる。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明の実施例とその評価結果について述べる。
【００６０】
（実施例１）
まず、図４に示した電解装置１を以下のようにして構成した。第１電極および第４電極としては、白金線を用いた。第２電極としては、Ｃｕ電極を使用した。第３電極としては、Ａｕ電極を使用した。電解槽の構造等は、図４に示した通りである。
【００６１】
第２電極は、以下のようにして作製した。まず、Ｃｕ（純度６Ｎ）を１０ｍｍ幅×２０ｍｍ長さ×１ｍｍ厚に切り出して基材とした。電気炉中でＣｕ基材の表面にＣｕＯｘを形成した。このＣｕ基材を濃度０．５ＭのＫＨＣＯ３水溶液に浸漬し、電気化学的にＣｕＯｘをＣｕへ還元することによって、Ｃｕ基材の表面にＣｕナノワイヤ構造を形成した。Ｃｕナノワイヤ構造を有するＣｕ基材を、露出領域が片面１０ｍｍ×１０ｍｍの電極状となるように、エポキシ樹脂を用いて加工した。
【００６２】
第３電極は、以下のように作製した。まず、１０ｍｍ幅×２０ｍｍ長さ×１００μｍ厚さのＡｕ膜を用意し、露出領域が片面１０ｍｍ×１０ｍｍの電極状となるように、エポキシ樹脂を用いて加工した。次に、濃度０．５Ｍの硫酸電解液に浸漬し、１０００Ｈｚの最低電位が金の還元電位以下であり、最高電位が金の酸化電位以上である高周波（０−２Ｖ（ｖｓ．Ｈｇ／ＨｇＳＯ４）の高周波）を印加して多孔質構造を形成した。
【００６３】
上述した第２電極と第３電極を洗浄した後、図４に示した電解槽の第２収容部に設置した。第２電極と第３電極との距離は１０ｍｍ以下とした。電解槽の第１収容部および第２収容部には、電解液として濃度０．５ＭのＫＨＣＯ３水溶液を充填した。イオン交換膜にはセレミオン（商標）を用いた。第１電源に第１電極と第２電極を接続し、さらに電位制御のための参照電極を接続した。第２電源に第４電極と第３電極と参照電極を接続した。参照電極としては、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極を用いた。第１電源および第２電源としては、ポテンショスタットを用いた。また、第２収容部内の電解液には、ＣＯ２ガスポートからＣＯ２ガスを導入した。
【００６４】
図１３に第２電極と第３電極に流した電流の時間依存性を示す。第３電極には０〜２４００秒の間において、約７．５ｍＡ／ｃｍ２の電流を流した。第３電極付近において、ＣＯ２から主としてＣＯを生成した。一方、第２電極には６００〜２４００秒（１８００秒間）の間において、約９．４ｍＡ／ｃｍ２の電流を流した。第３電極付近において、ＣＯからＣ２Ｈ５ＯＨを生成した。このように、予め第３電極のみに電流を流すことによって、電解液中のＣＯ量の増加が見込める。従って、第３電極付近におけるＣＯからＣ２Ｈ５ＯＨへの還元反応をより効率よく進行させることができる。
【００６５】
（比較例１）
第３電極には電流を流さずに、第２電極のみに電流を流す以外は、実施例１と同様にしてＣＯ２の還元反応を行った。図１４に第２電極に流した電流の時間依存性を示す。比較例１においては、第２電極は０〜１８００秒（１８００秒間）の間において、約１１ｍＡ／ｃｍ２の電流を流した。
【００６６】
表２に実施例１と比較例１のエタノール生成量を示す。表２に示すように、実施例１によるエタノールの生成量は、比較例１に比べて明らかに多いことが分かる。従って、第３電極に電流を流すことによって、エタノール生成量が増加することが確認された。
【表２】
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【００６７】
なお、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。これらの実施形態は、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。これらの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。
【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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【図１３】
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【図１４】
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