(57)【要約】  実施形態の光電気化学反応システムは、ＣＯ２発生部と、ＣＯ２還元部と、ＣＯ２発生部により発生したＣＯ２を含むガスをＣＯ２還元部に供給するＣＯ２供給部とを具備する。ＣＯ２還元部は、Ｈ２Ｏを酸化する酸化電極層１１と、ＣＯ２を還元する還元電極層２１と、これら電極層１１、２１間に設けられた光起電力層３１とを有する積層体３と、酸化電極層１１が浸漬される第１電解液４と還元電極層２１が浸漬される第２電解液５とを収容する電解液槽２と、第１電解液４と第２電解液５との間でイオンを移動させるイオン移動経路６とを備える。ＣＯ２発生部で発生したＣＯ２を含むガスは、ＣＯ２供給部のガス供給配管５１により第２電解液５中に供給される。
2015146014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含むガスを発生するＣＯ２発生部と、
水を酸化する酸化電極層と、二酸化炭素を還元する還元電極層と、前記酸化電極層と前記還元電極層との間に設けられ、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力層とを有する積層体と、前記酸化電極層が浸漬される第１電解液と前記還元電極層が浸漬される第２電解液とを収容する電解液槽と、前記第１電解液と前記第２電解液との間でイオンを移動させるイオン移動経路とを備えるＣＯ２還元部と、
前記ＣＯ２発生部により発生した前記二酸化炭素を含むガスを前記第２電解液中に供給するガス供給配管を有するＣＯ２供給部と
を具備する光電気化学反応システム。
【請求項２】
前記ガス供給配管は、前記第２電解液中に浸漬されていると共に、前記ＣＯ２発生部から導入された前記二酸化炭素を含むガスを前記第２電解液中に放出するガス供給孔を有する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項３】
前記ＣＯ２供給部は、前記ＣＯ２発生部から排出される前記二酸化炭素を含むガスの排出圧により前記第２電解液中に前記ガスを供給する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項４】
前記積層体は、前記酸化電極層上に設けられた酸化触媒層と、前記還元電極層上に設けられた還元触媒層とを備える、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項５】
前記ＣＯ２還元部は、前記二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成し、かつ前記水を酸化して酸素および水素イオンを生成する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項６】
さらに、前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物を収集する生成物収集部を具備する、請求項５に記載の光電気化学反応システム。
【請求項７】
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物は、前記ガス供給配管から放出される前記二酸化炭素を含むガスの圧力により前記ＣＯ２還元部から前記生成物収集部に送られる、請求項６に記載の光電気化学反応システム。
【請求項８】
さらに、前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物から二酸化炭素を分離するＣＯ２分離部を具備する、請求項６に記載の光電気化学反応システム。
【請求項９】
さらに、前記ＣＯ２発生部から排出される前記二酸化炭素を含むガスから不純物を除去する不純物除去部を具備し、
前記ＣＯ２供給部は、前記不純物除去部で前記不純物が除去されたガスを前記第２電解液中に供給する、請求項８に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１０】
さらに、前記不純物除去部で前記不純物が除去された前記ガス、および前記ＣＯ２分離部で前記炭素化合物から分離された前記二酸化炭素の少なくとも一方を吸収するＣＯ２吸収部を具備する、請求項９に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１１】
前記ＣＯ２還元部は、前記二酸化炭素と共に水を還元して炭素化合物と水素の混合物を生成し、かつ前記水を酸化して酸素および水素イオンを生成する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１２】
さらに、前記ＣＯ２発生部から排出される前記二酸化炭素を含むガスから不純物を除去する不純物除去部と、
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物と水素の混合物から二酸化炭素を分離するＣＯ２分離部と、
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物と水素の混合物を収集する生成物収集部と、
前記不純物除去部で前記不純物が除去されたガス、および前記ＣＯ２分離部で前記炭素化合物から分離された二酸化炭素の少なくとも一方を吸収するＣＯ２吸収部を具備する、請求項１１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１３】
前記光起電力層は、ｐｉｎ接合型半導体およびｐｎ接合型半導体の少なくとも一方を有する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１４】
前記ＣＯ２還元部は、前記ガス供給配管の周囲に配置された管状の前記積層体と、前記管状の積層体の周囲に配置された管状の前記電解液槽とを備える、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光電気化学反応システムに関する。
【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りＣＯ２を効率よく還元する技術が求められている。植物は、Ｚスキームと呼ばれる光エネルギーにより２段階で励起されるシステムを用いている。すなわち、植物は光エネルギーにより水（Ｈ２Ｏ）から電子を得ると共に、この電子を利用して二酸化炭素（ＣＯ２）を還元することによりセルロースや糖類を合成している。人工的な光電気化学反応において、犠牲試薬を用いずにＣＯ２を分解する技術では、非常に低い分解効率しか得られていない。【０００３】
例えば、人工的な光化学電気反応装置として、二酸化炭素（ＣＯ２）を還元する還元電極と、水（Ｈ２Ｏ）を酸化する酸化電極とを備え、これら電極をＣＯ２が溶解した水中に浸漬させる二電極方式の装置が知られている。酸化電極では、光エネルギーによりＨ２Ｏを酸化して酸素（１／２Ｏ２）と電位を得る。還元電極では、酸化電極から電位を得ることによって、ＣＯ２を還元してギ酸（ＨＣＯＯＨ）等の化学物質（化学エネルギー）を得る。二電極方式の装置は、植物のＺスキームと同様にＣＯ２の還元電位を２段励起により得ているため、太陽光から化学エネルギーへの変換効率が０．０４％程度と非常に低い。【０００４】
光エネルギーにより水（Ｈ２Ｏ）を分解して酸素（Ｏ２）や水素（Ｈ２）を得る光電気化学反応装置として、一対の電極で光起電力層を挟持した積層体（シリコン太陽電池等）を用いることが検討されている。例えば、光照射側の電極では光エネルギーにより水（２Ｈ２Ｏ）を酸化して酸素（Ｏ２）と水素イオン（４Ｈ＋）を得る。反対側の電極においては、光照射側の電極で生成した水素イオン（４Ｈ＋）と光起電力層に生じた電位（ｅ−）とを用いて、化学物質として水素（２Ｈ２）を得る。この場合の太陽光から化学エネルギー（Ｏ２やＨ２）への変換効率は２．５％程度と高い。【０００５】
しかしながら、従来の光電気化学反応装置において、光エネルギーによるＣＯ２の効率のよい分解は実現されていない。ＣＯ２の還元反応の効率を高めるためには、Ｈ２Ｏの酸化反応で生じた水素イオン等の対極への移動を促進する必要があるが、従来の装置では考慮されていない。ＣＯ２を分解する光電気化学反応装置の実用性を高めるためには、ＣＯ２を排出する装置から光電気化学反応装置までのＣＯ２を含むガスの移送効率を考慮する必要があるが、従来の装置では考慮されていない。ＣＯ２を含むガスの移送にエネルギーを要すると、光電気化学反応システムとしてのエネルギー効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−０９４１９４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓ．Ｙ．Ｒｅｅｃｅ  ｅｔ  ａｌ．，  ＳＣＩＥＮＣＥ  ｖｏｌ．３３４，  ｐｐ．６４５−６４８  （２０１１）
【発明の概要】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、光エネルギーにより二酸化炭素を効率よく分解することを可能にすると共に、システム全体としてのエネルギー効率を高めた光電気化学反応システムを提供することにある。
【０００９】
実施形態の光電気化学反応システムは、二酸化炭素を含むガスを発生するＣＯ２発生部と、ＣＯ２還元部と、ＣＯ２供給部とを具備する。ＣＯ２還元部は、水を酸化する酸化電極層と、二酸化炭素を還元する還元電極層と、酸化電極層と還元電極層との間に設けられ、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力層とを有する積層体と、酸化電極層が浸漬される第１電解液と還元電極層が浸漬される第２電解液とを収容する電解液槽と、第１電解液と第２電解液との間でイオンを移動させるイオン移動経路とを備える。ＣＯ２供給部は、ＣＯ２発生部により発生した二酸化炭素を含むガスを第２電解液中に供給するガス供給配管を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態による光電気化学反応システムの構成図である。
【図２】図１に示す光電気化学反応システムに用いられる光電気化学モジュールの第１の例を示す断面図である。
【図３Ａ】図１に示す光電気化学反応システムに用いられる光電気化学モジュールの第２の例を示す断面図である。
【図３Ｂ】第２の例の光電気化学モジュールに用いられる光起電力セルを示す平面図である。
【図４】図１に示す光電気化学反応システムに用いられる光電気化学モジュールの第３の例を示す断面図である。
【図５】図２ないし図４に示す光電気化学モジュールに用いられる光起電力セルの第１の例を示す断面図である。
【図６】図２ないし図４に示す光電気化学モジュールに用いられる光起電力セルの第２の例を示す断面図である。
【図７】図５に示す光起電力セルの動作を説明するための図である。
【図８】第２の実施形態による光電気化学反応システムの構成図である。
【図９】第３の実施形態による光電気化学反応システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態の光電気化学反応システムについて、図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による光電気化学反応システムの構成図である。第１の実施形態の光電気化学反応システム１００は、ＣＯ２発生部１０１、不純物除去部１０２、ＣＯ２供給部１０３、ＣＯ２還元部１０４、および生成物収集部１０５を具備する。ＣＯ２発生部１０１の代表例としては、発電所が挙げられる。ただし、ＣＯ２発生部１０１はこれに限られるものではなく、鉄工所、化学工場、ごみ処理場等であってもよい。
【００１３】
ＣＯ２発生部１０１で発生したＣＯ２を含むガス、例えば発電所、鉄工所、化学工場、ごみ処理場等から排出される排ガスは、不純物除去部１０２に送られる。不純物除去部１０２においては、例えばＣＯ２を含むガス（排ガス）から硫黄酸化物等の不純物が除去されることによって、ＣＯ２ガスが分離される。不純物除去部１０２としては、各種の乾式または湿式のガス処理装置（硫黄酸化物吸収装置等）が適用される。ＣＯ２発生部１０１の種類や条件等によっては、不純物除去部１０２を介することなく、発生したＣＯ２を含むガスを直接ＣＯ２供給部１０３に送る場合もある。
【００１４】
不純物除去部１０２で不純物が除去されたＣＯ２ガスは、ＣＯ２供給部１０３によりＣＯ２還元部１０４に送られる。ＣＯ２供給部１０３は後述するように、ＣＯ２ガスをＣＯ２還元部１０４の電解液中に供給するガス供給配管を有している。ＣＯ２還元部１０４は、例えば図２ないし図４に示す光電気化学モジュール１を備えている。図２は光電気化学モジュール１の第１の例を示す断面図である。図３Ａは光電気化学モジュール１の第２の例を示す断面図、図３Ｂは第２の例の光電気化学モジュール１に用いられる光起電力セルを示す平面図である。図４は光電気化学モジュール１の第３の例を示す断面図である。
【００１５】
図２に示す光電気化学モジュール１は、電解液槽２内に配置された積層体３を備えている。積層体３は、第１電極層１１と、第２電極層２１と、これら電極層１１、２１間に設けられた光起電力層３１と、第１電極層１１上に設けられた第１触媒層１２と、第２電極層２１上に設けられた第２触媒層２２とを有する。積層体３の構成層については、後に詳述する。電解液槽２は、積層体３により二室に分離されている。電解液槽２は、第１電極層１１および第１触媒層１２が配置される第１液室２Ａと、第２電極層２１および第２触媒層２２が配置される第２液室２Ｂとに分離されている。第１液室２Ａには第１電解液４が充填され、第２液室２Ｂには第２電解液５が充填されている。電解液槽２には外部からの光を積層体３に照射するために、図示しない光透過性を有する窓材が設けられている。
【００１６】
第１液室２Ａと第２液室２Ｂとは、イオン移動経路として電解液槽２の側方に設けられた電解液流路６により接続されている。電解液流路６内の一部には、イオン交換膜７が充填されている。イオン交換膜７を備える電解液流路６によって、第１液室２Ａ内に充填された第１電解液４と第２液室２Ｂ内に充填された第２電解液５とを分離しつつ、第１電解液４と第２電解液５との間で特定のイオン（例えばＨ＋）を移動させることができる。イオン交換膜７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や、ネオセプタやセレミオンのようなアニオン交換膜が用いられる。電解液流路６内には、ガラスフィルタや寒天等を充填してもよい。第１電解液４と第２電解液５とが同一の溶液の場合には、イオン交換膜７を設けなくてもよい。イオンを効率よく移動させるために、電解液槽２には複数（２本以上）の電解液流路６を設けてもよい。図２に示した光電気化学モジュールの各部材の寸法は、実際の大きさを示すものではない。イオンの移動を容易にするために、電解液流路６の断面積は積層体３より大きくてもよい。
【００１７】
イオン移動経路は、電解液槽２の側方に設けられた電解液流路６に限られるものではない。第１電解液４と第２電解液５との間のイオン移動経路は、図３に示すように、積層体３に設けられた複数の細孔（貫通孔）８により構成してもよい。細孔８はイオンが移動できる大きさを有していればよい。例えば、細孔８の直径（円相当径）の下限値は０．３ｎｍ以上であることが好ましい。円相当径とは、（（４×面積）／π）１／２で定義されるものである。細孔８の形状は円形に限らず、楕円形、三角形、四角形等であってもよい。細孔８の配置は四角格子状に限らず、三角格子状、ランダム等であってもよい。イオン移動経路は細孔８に限らず、長穴、スリット等であってもよい。
【００１８】
図３に示した光電気化学モジュールにおいては、第１液室２Ａ内に充填された第１電解液４と第２液室２Ｂ内に充填された第２電解液５とを分離するために、細孔８内には図示を省略したイオン交換膜が充填されている。イオン交換膜７の具体例は、上述した通りである。細孔８内には、イオン交換膜７に代えてガラスフィルタや寒天等を充填してもよい。第１電解液４と第２電解液５とが同一の溶液の場合には、イオン交換膜を設けなくてもよい。イオン移動経路としての細孔８の形状や形成ピッチは、イオンの移動性と細孔８を設けることで減少する電極層（および触媒層）の面積とを考慮して設定することが好ましい。具体的には、電極層の面積に対する細孔８の面積率は４０％以下であることが好ましく、より好ましくは１０％以下である。
【００１９】
電解液槽２内に配置された積層体３は、第１方向およびそれと直交する第２方向に広がる平板形状を有する。積層体３は、例えば第２電極層２１を基材とし、その上に光起電力層３１や第１電極層１１等を順に形成することにより構成される。ここでは、光照射側を表面（上面）とし、光照射側の反対側を裏面（下面）として説明する。積層体３の具体的な構成例について、図５および図６を参照して説明する。図５は光起電力層３１Ａとしてシリコン系太陽電池を用いた光起電力セル３Ａを示している。図６は光起電力層３１Ｂとして化合物半導体系太陽電池を用いた光起電力セル３Ｂを示している。図５および図６に示す光起電力セル３Ａ、３Ｂでは、いずれも第１電極層１１側が光照射側である。
【００２０】
図５に示す積層体（シリコン系太陽電池を用いた光起電力セル）３Ａについて説明する。図５に示す光起電力セル３Ａは、第１触媒層１２、第１電極層１１、光起電力層３１Ａ、第２電極層２１、および第２触媒層２２で構成されている。第２電極層２１は導電性を有する。第２電極層２１の形成材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ等の金属、それら金属を少なくとも１つ含む合金、導電性樹脂、ＳｉやＧｅのような半導体等が用いられる。第２電極層２１は支持基材としての機能を兼ね備えており、これにより光起電力セル３Ａの機械的強度が保たれている。第２電極層２１は、上記した材料からなる金属板、合金板、樹脂板、半導体基板等で構成されている。第２電極層２１はイオン交換膜で構成してもよい。
【００２１】
光起電力層３１Ａは、第２電極層２１の表面（上面）上に形成されている。光起電力層３１Ａは、反射層３２、第１光起電力層３３、第２光起電力層３４、および第３光起電力層３５で構成されている。反射層３２は、第２電極層２１上に形成されており、下部側から順に形成された第１反射層３２ａおよび第２反射層３２ｂを有している。第１反射層３２ａには、光反射性と導電性とをする、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属、それら金属を少なくとも１つ含む合金等が用いられる。第２反射層３２ｂは、光学的距離を調整して光反射性を高めるために設けられる。第２反射層３２ｂは、後述する光起電力層３１のｎ型半導体層と接合されるため、光透過性を有し、ｎ型半導体層とオーミック接触が可能な材料で形成することが好ましい。第２反射層３２ｂには、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ)、ＡＺＯ（アルミニウムドープ酸化亜鉛）、ＡＴＯ（アンチモンドープ酸化スズ）等の透明導電性酸化物が用いられる。
【００２２】
第１光起電力層３３、第２光起電力層３４、および第３光起電力層３５は、それぞれｐｉｎ接合半導体を使用した太陽電池であり、光の吸収波長が異なる。これらを平面状に積層することによって、光起電力層３１Ａで太陽光の幅広い波長の光を吸収することができ、太陽光のエネルギーを効率よく利用することが可能となる。光起電力層３３、３４、３５は直列に接続されているため、高い開放電圧を得ることができる。
【００２３】
第１光起電力層３３は、反射層３２上に形成されており、下部側から順に形成されたｎ型のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層３３ａ、真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）のアモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ）層３３ｂ、およびｐ型の微結晶シリコン（ｍｃ−Ｓｉ）層３３ｃを有している。ａ−ＳｉＧｅ層３３ｂは、７００ｎｍ程度の長波長領域の光を吸収する層である。第１光起電力層３３においては、長波長領域の光エネルギーにより電荷分離が生じる。
【００２４】
第２光起電力層３４は、第１光起電力層３３上に形成されており、下部側から順に形成されたｎ型のａ−Ｓｉ層３４ａ、真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）のａ−ＳｉＧｅ層３４ｂ、およびｐ型のｍｃ−Ｓｉ層３４ｃを有している。ａ−ＳｉＧｅ層３４ｂは、６００ｎｍ程度の中間波長領域の光を吸収する層である。第２光起電力層３４においては、中間波長領域の光エネルギーにより電荷分離が生じる。
【００２５】
第３光起電力層３５は、第２光起電力層３４上に形成されており、下部側から順に形成されたｎ型のａ−Ｓｉ層３５ａ、真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）のａ−Ｓｉ層３５ｂ、およびｐ型のｍｃ−Ｓｉ層３５ｃを有している。ａ−Ｓｉ層３５ｂは、４００ｎｍ程度の短波長領域の光を吸収する層である。第３光起電力層３５においては、短波長領域の光エネルギーにより電荷分離が生じる。
【００２６】
第１電極層１１は、光起電力層３１のｐ型半導体層（ｐ型のｍｃ−Ｓｉ層３５ｃ）上に形成されている。第１電極層１１はｐ型半導体層とオーミック接触が可能な材料で形成することが好ましい。第１電極層１１には、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属、それら金属を少なくとも１つ含む合金、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＦＴＯ、ＡＺＯ、ＡＴＯ等の透明導電性酸化物等が用いられる。第１電極層１１は、例えば金属と透明導電性酸化物とが積層された構造、金属とその他の導電性材料とが複合された構造、透明導電性酸化物とその他の導電性材料とが複合された構造等を有していてもよい。
【００２７】
図５に示す光起電力セル３Ａにおいて、照射光は第１電極層１１を通過して光起電力層３１Ａに到達する。光照射側（図５では上側）に配置される第１電極層１１は、照射光に対して光透過性を有している。光照射側の第１電極層１１の光透過性は、照射光の照射量の１０％以上であることが好ましく、より好ましくは３０％以上である。第１電極層１１は、光が透過する開口を有していてもよい。その場合の開口率は１０％以上であることが好ましく、より好ましくは３０％以上である。さらに、光透過性を保ちつつ導電性を高めるために、光照射側の第１電極層１１の少なくとも一部の上に、線状、格子状、ハニカム状等の集電電極を設けてもよい。
【００２８】
図５に示す光起電力セル３Ａの光起電力層３１Ａにおいては、照射光（太陽光等）の各波長領域の光のエネルギーにより電荷分離が生じる。光起電力層３１Ａとしてシリコン系太陽電池を用いた光起電力セル３Ａでは、正孔が第１電極層（陽極）１１側（表面側）に、電子が第２電極層（陰極）２１側（裏面側）に分離することによって、光起電力層３１Ａに起電力が発生する。後に詳述するように、正孔が移動してくる第１電極層１１付近で水（Ｈ２Ｏ）の酸化反応が生起され、電子が移動してくる第２電極層２１付近で二酸化炭素（ＣＯ２）の還元反応が生起される。シリコン系太陽電池を用いた光起電力セル３Ａにおいては、第１電極層１１が酸化電極、第２電極層２１が還元電極である。
【００２９】
第１電極層１１上に形成された第１触媒層１２は、第１電極層１１付近での化学反応性（図５では酸化反応性）を高めるために設けられる。第２電極層２１上に形成された第２触媒層２２は、第２電極層２１付近における化学反応性（図５では還元反応性）を高めるために設けられる。このような触媒層１２、２２による酸化還元反応の促進効果を利用することによって、酸化還元反応の過電圧を低減することができる。従って、光起電力層３１で発生した起電力をより有効に利用することができる。
【００３０】
シリコン半導体系太陽電池を用いた光起電力セル３Ａにおいては、第１触媒層１２として酸化反応を促進する触媒が用いられる。第１電極層１１付近では、Ｈ２Ｏを酸化してＯ２とＨ＋が生成される。このため、第１触媒層１２はＨ２Ｏを酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、Ｈ２Ｏを酸化してＯ２とＨ＋を生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料としては、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、もしくはＲｕ錯体やＦｅ錯体等の金属錯体が挙げられる。第１触媒層１２の形状は薄膜状に限らず、島状、格子状、粒子状、ワイヤ状であってもよい。
【００３１】
第２触媒層２２には、還元反応を促進する材料が用いられる。第２電極層２１付近では、ＣＯ２を還元して炭素化合物（例えば、ＣＯ、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ４、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、Ｃ２Ｈ４等）が生成される。第２触媒層２２はＣＯ２を還元するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、ＣＯ２を還元して炭素化合物を生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｚｎ等の金属、それら金属を少なくとも１つ含む合金、Ｃ、グラフェン、ＣＮＴ（ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ）、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触媒層２２の形状は薄膜状に限らず、島状、格子状、粒子状、ワイヤ状であってもよい。
【００３２】
第１触媒層１２および第２触媒層２２の作製方法としては、スパッタ法や蒸着法等の薄膜形成法、触媒材料を分散させた溶液を用いた塗布法、電着法、第１電極層１１もしくは第２電極層２１自体の熱処理や電気化学処理による触媒形成法等を用いることができる。第１触媒層１２および第２触媒層２２の形成は任意であり、それらは必要に応じて形成される。光起電力セル３Ａは、第１触媒層１２および第２触媒層２２の双方を有していてもよいし、いずれか一方のみを有していてもよい。
【００３３】
図５では３つの光起電力層の積層構造を有する光起電力層３１Ａを例に説明したが、光起電力層３１はこれに限らない。光起電力層３１は、２つまたは４つ以上の光起電力層の積層構造を有していてもよい。積層構造の光起電力層３１に代えて、１つの光起電力層３１を用いてもよい。光起電力層３１は、ｐｉｎ接合型半導体を使用した太陽電池に限らず、ｐｎ接合型半導体を使用した太陽電池であってもよい。半導体層はＳｉやＧｅに限らず、例えばＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＧａＰ、ＧａＮ等の化合物半導体で構成してもよい。半導体層には、単結晶、多結晶、アモルファス等の種々の形態を適用することができる。第１電極層１１および第２電極層２１は、光起電力層３１の全面に設けられていてもよいし、部分的に設けられていてもよい。
【００３４】
図６に示す積層体（化合物半導体系太陽電池を用いた光起電力セル）３Ｂについて説明する。図６に示す光起電力セル３Ｂは、第１触媒層１２、第１電極層１１、光起電力層３１Ｂ、第２電極層２１、および第２触媒層２２で構成されている。光起電力セル３Ｂにおける光起電力層３１Ｂは、第１光起電力層３６、バッファ層３７、トンネル層３８、第２光起電力層３９、トンネル層４０、および第３光起電力層４１で構成されている。
【００３５】
第１光起電力層３６は、第２電極層２１上に形成されており、下部側から順に形成されたｐ型のＧｅ層３６ａおよびｎ型のＧｅ層３６ｂを有している。第１光起電力層３６上には、第２光起電力層３９に用いられるＧａＩｎＡｓとの格子整合および電気的接合のために、ＧａＩｎＡｓを含むバッファ層３７およびトンネル層３８が形成されている。第２光起電力層３９は、トンネル層３８上に形成されており、下部側から順に形成されたｐ型のＧａＩｎＡｓ層３９ａおよびｎ型のＧａＩｎＡｓ層３９ｂを有している。第２光起電力層３９上には、第３光起電力層４１に用いられるＧａＩｎＰとの格子整合および電気的接合のために、ＧａＩｎＰを含むトンネル層４０が形成されている。第３光起電力層４１は、トンネル層４０上に形成されており、下部側から順に形成されたｐ型のＧａＩｎＰ層４１ａおよびｎ型のＧａＩｎＰ層４１ｂを有している。
【００３６】
図６に示す光起電力セル３Ｂにおける光起電力層３１Ｂは、図５に示す光起電力セル３Ａの光起電力層３１Ａとはｐ型とｎ型の積層方向が逆であるため、起電力の極性が異なる。照射光により光起電力層３１Ｂで電荷分離が生じると、電子が第１電極層（陰極）１１側（表面側）に、正孔が第２電極層（陽極）２１側（裏面側）に分離する。電子が移動してくる第１電極層１１付近では、ＣＯ２の還元反応が生起される。正孔が移動してくる第２電極層２１付近では、Ｈ２Ｏ酸化反応が生起される。従って、化合物半導体系太陽電池を用いた光起電力セル３Ｂにおいては、第１電極層１１が還元電極、第２電極層２１が酸化電極である。
【００３７】
図６に示す光起電力セル３Ｂは、図５に示す光起電力セル３Ａと起電力の極性および酸化還元反応が反対となる。このため、第１触媒層１２は還元反応を促進させる材料で構成され、第２触媒層２２は酸化反応を促進させる材料で構成される。図５に示す光起電力セル３Ａを用いた場合に対して、光起電力セル３Ｂでは第１触媒層１２の材料と第２触媒層２２の材料とを入れ替える。光起電力層３１の極性と第１触媒層１２および第２触媒層２２の材料は任意である。光起電力層３１の極性により第１触媒層１２および第２触媒層２２の酸化還元反応が決まるため、その酸化還元反応に応じて材料を選択する。
【００３８】
第１および第２電解液４、５のうち、一方はＨ２Ｏを含む溶液であり、他方はＣＯ２を含む溶液である。図５に示す光起電力セル３Ａを適用した場合には、第１電解液４としてＨ２Ｏを含む溶液が用いられ、第２電解液５としてＣＯ２を含む溶液が用いられる。図６に示す光起電力セル３Ｂを適用した場合には、第１電解液４としてＣＯ２を含む溶液が用いられ、第２電解液５としてＨ２Ｏを含む溶液が用いられる。
【００３９】
Ｈ２Ｏを含む溶液としては、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、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。
【００４０】
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、Ｈ２Ｏを含む溶液として、ＬｉＨＣＯ３、ＮａＨＣＯ３、ＫＨＣＯ３、ＣｓＨＣＯ３等の水溶液が挙げられる。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。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。
【００４１】
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。
【００４２】
図２に示すように、第２電解液５が収容された電解液槽２の第２液室２Ｂには、ＣＯ２供給部１０３を構成するガス供給配管５１が設けられている。ガス供給配管５１は、第２電解液５内に浸漬されるように配置されている。図２は図５に示す光起電力セル３Ａの起電力の極性に基づいた光電気化学モジュール１の構成を示している。ガス供給配管５１は、還元電極である第２電極層２１が浸漬される第２電解液５中に配置されている。図６に示す光起電力セル３Ｂの起電力の極性に基づいて構成される光電気化学モジュール１では、還元電極である第１電極層１１が浸漬される第１電解液４中にガス供給配管５１が配置される。以下では特に断らない限り、光起電力セル３Ａの起電力の極性に基づく光電気化学モジュール１の構成について主として説明する。
【００４３】
不純物除去部１０２で硫黄酸化物等の不純物を除去することにより分離されたＣＯ２ガスは、ＣＯ２供給部１０３のガス供給配管５１に導入される。ガス供給配管５１は、複数のガス供給孔（貫通孔）５２を有している。ガス供給配管５１に導入されたＣＯ２ガスは、ガス供給孔５２から第２電解液５中に放出される。上述したように、第２電解液５はＣＯ２の吸収量が高い溶液で構成されているため、ガス供給孔５２から第２電解液５中に放出されたＣＯ２ガスは第２電解液５に吸収される。第２電解液５に吸収されたＣＯ２は、以下に詳述する酸化還元反応により還元される。
【００４４】
光電気化学モジュール１の動作原理について、図７を参照して説明する。ここでは、図５に示す積層体、すなわち光起電力層３１Ａとしてシリコン半導体系太陽電池を用いた光起電力セル３Ａを用いた場合の極性を例として動作を説明する。第２電極層２１および第２触媒層２２が浸漬される第２電解液５として、ＣＯ２を吸収する吸収液を用いた場合について説明する。図６に示す積層体、すなわち光起電力層３１Ｂとして化合物半導体系太陽電池を用いた光起電力セル３Ｂを使用した場合には、極性が逆となるため、第１電解液４としてＣＯ２を吸収する吸収液が用いられる。
【００４５】
図７に示すように、光電気化学モジュール１の上方（第１電極層１１側）から照射された光は、第１触媒層１２および第１電極層１１を通過して光起電力層３１に到達する。光起電力層３１は、光を吸収すると電子およびそれと対になる正孔を生成し、それらを分離する。光起電力層３１においては、内蔵電位によりｎ型の半導体層側（第２電極層２１側）に電子が移動し、ｐ型の半導体層側（第１電極層１１側）に電子の対として発生する正孔が移動する。この電荷分離によって、光起電力層３１に起電力が発生する。
【００４６】
光起電力層３１内で発生した正孔は第１電極層１１に移動し、第１電極層１１および第１触媒層１２付近で生起される酸化反応により生じた電子と結合する。光起電力層３１内で発生した電子は第２電極層２１に移動し、第２電極層２１および第２触媒層２２付近で生起される還元反応に使用される。具体的には、第１電解液４に接する第１電極層１１および第１触媒層１２付近では、下記の（１）式の反応が生じる。第２電解液５に接する第２電極層２１および第２触媒層２２付近では、下記の（２）式の反応が生じる。
２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−  …（１）
２ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  →  ２ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００４７】
第１電極層１１および第１触媒層１２付近においては、（１）式に示すように、第１電解液４に含まれるＨ２Ｏが酸化されて（電子を失い）Ｏ２とＨ＋が生成される。第１電極層１１側で生成されたＨ＋は、イオン移動経路として電解液槽２に設けられた電解液流路６（図２）や積層体３に設けられた細孔８（図３）を介して、第２電極層２１側に移動する。第２電極層２１および第２触媒層２２付近においては、（２）式に示すように、ガス供給配管５１から第２電解液５中に供給されたＣＯ２が還元される（電子を得る）。具体的には、第２電解液５中のＣＯ２とイオン移動経路を介して第２電極層２１側に移動したＨ＋と第２電極層２１に移動した電子とが反応し、例えばＣＯとＨ２Ｏとが生成される。
【００４８】
光起電力層３１は、第１電極層１１付近で生じる酸化反応の標準酸化還元電位と第２電極層２１付近で生じる還元反応の標準酸化還元電位との電位差以上の開放電圧を有する必要がある。例えば、（１）式における酸化反応の標準酸化還元電位は１．２３Ｖであり、（２）式における還元反応の標準酸化還元電位は−０．１Ｖである。このため、光起電力層３１の開放電圧は１．３３Ｖ以上が必要である。光起電力層３１の開放電圧は、過電圧を含めた電位差以上であることが好ましい。具体的には、（１）式における酸化反応および（２）式における還元反応の過電圧がそれぞれ０．２Ｖである場合、開放電圧は１．７３Ｖ以上であることが望ましい。
【００４９】
第２電極層２１付近においては、（２）式に示すＣＯ２からＣＯへの還元反応だけでなく、ＣＯ２からギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等への還元反応を生じさせることができる。第２電解液５に用いたＨ２Ｏの還元反応をさらに生じさせ、Ｈ２を発生させることもできる。第２電解液５中の水分（Ｈ２Ｏ）量を変えることによって、生成されるＣＯ２の還元物質を変えることができる。例えば、ＣＯ、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、Ｈ２等の生成割合を変えることができる。
【００５０】
実施形態の光電気化学反応システム１００における光電気化学モジュール１は、第１電解液４と第２電解液５との間でイオンを移動させるイオン移動経路を備えている。第１電極層１１側で生成された水素イオン（Ｈ＋）は、イオン移動経路としての電解液流路６や細孔８を介して第２電極層２１側に送られる。第１電極層１１側で生成された水素イオン（Ｈ＋）を第２電極層２１側に効率よく送ることによって、第２電極層２１および第２触媒層２２付近でのＣＯ２の還元反応が促進される。従って、光によるＣＯ２の還元効率を高めることができる。すなわち、実施形態の光電気化学反応システム１００によれば、光エネルギーによりＣＯ２を効率よく分解することができるため、例えば太陽光から化学エネルギーへの変換効率を向上させることが可能になる。
【００５１】
実施形態の光電気化学反応システム１００におけるＣＯ２供給部１０３は、ＣＯ２発生部１０１から排出されるＣＯ２を含むガス（排ガス等）の圧力（排出圧）を利用することによって、ガス供給配管５１のガス供給孔５２を介してＣＯ２ガスを第２電解液５中に供給される。例えば、ＣＯ２をＣＯ２吸収剤に吸収させた後に電解液槽に送る場合、ＣＯ２吸収剤（吸収液）を電解液槽に送るためのエネルギーが必要とされる。ＣＯ２を吸収したＣＯ２吸収剤をポンプで送ることを考えると、ポンプを動作させるためのエネルギーが必要になる。これは光電気化学反応システム全体としてのエネルギー効率を低下させる。これに対して、ＣＯ２発生部１０１のガスの排出圧を利用することで、移送のためのエネルギーを消費することなく、ＣＯ２ガスを第２電解液５中に供給することができる。
【００５２】
さらに、ＣＯ２やＨ２Ｏを還元することにより生成される炭素化合物（例えば、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４等）やＨ２等のガス状生成物は、ガス供給配管５１から第２電解液５中に放出されるＣＯ２ガスの圧力（排出圧）を利用することによって、ＣＯ２還元部１０４の電解液槽２から生成物収集部１０５に送られる。このため、ガス状生成物の移送手段、すなわちガス状生成物の移送に必要な気体流等を別途生成することなく、ガス状生成物を生成物収集部１０５に蓄積できる。ガス状生成物の移送のために別途エネルギーを消費することもない。これらによって、光電気化学反応システム１００としてのエネルギー効率を高めることができる。すなわち、ＣＯ２の分解効率が高く、かつシステム全体としてのエネルギー効率に優れる光電気化学反応システム１００を提供することが可能になる。
【００５３】
実施形態の光電気化学反応システム１００において、第１電解液４と第２電解液５との間でイオンを移動させるイオン移動経路は、電解液槽２に設けられた電解液流路６や光起電力セル（積層体）３に設けられた細孔８に限らない。例えば、電解液槽２を実質的に二室に分離する基板（第２電極層２１）にイオン移動経路を設けたり、光起電力セル３を複数に分割し、それらの間にイオン移動経路を設けてもよい。光電気化学モジュール１の構造は、図２および図３に示した構造に限られるものではない。例えば、図４に示すように、ガス供給配管５１の周囲に、管状に形成した光起電力セル３と管状の電解液槽２とを順に配置した構造を有する光電気化学モジュール１Ａを適用してもよい。
【００５４】
図４に示す光電気化学モジュール１Ａは、ガス供給配管５１と管状に形成された光起電力セル３と管状の電解液槽２とを、例えば同心円状に配置した構造を有している。管状の電解液槽２は、その内部に配置される光起電力セル３に光が到達するように、光透過性を有する材料で構成されている。管状の光起電力セル３は、光照射側となる第１電極層１１が外側となるように、各層を断面円形状に積層した構造を有している。電解液流路６は複数設けられており、その形状は円形に限らず、楕円形、三角形、四角形、スリット形状等であってもよい。管状の光起電力セル３と管状の電解液槽２との間には、第１電解液４が充填される第１液室２Ａが形成されている。ガス供給配管５１と管状の光起電力セル３との間には、第２電解液５が充填される第２液室２Ｂが形成されている。第１液室２Ａと第２液室２Ｂとが形成されるように、ガス供給配管５１と管状の光起電力セル３と管状の電解液槽２の外径および内径が調整されている。
【００５５】
図４に示す光電気化学モジュール１Ａにおいては、ガス供給配管５１の周囲に第２電解液５を介して管状の光起電力セル３を配置している。このため、ガス供給配管５１内にＣＯ２ガスを流すことで、ガス供給孔５２から第２電解液５中にＣＯ２ガスを効率よく放出することができる。さらに、ＣＯ２やＨ２Ｏを還元することにより生成される炭素化合物（例えば、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４等）やＨ２等のガス状生成物を、ＣＯ２ガスの排出圧を利用して管状の光起電力セル３の管軸方向に沿って流すことができる。従って、ガス状生成物の運搬が容易になる。第１液室２Ａ内の酸化反応により生成されるＯ２も、管状の電解液槽２の管軸方向に沿って流すことができるため、Ｏ２の輸送も容易になる。
【００５６】
図１に示す光電気化学反応システム１００において、ＣＯ２還元部１０４の還元反応により生成される炭素化合物は、生成物収集部１０５としてのタンク等に収集される。ＣＯ２還元部１０４で生成された炭素化合物は、例えば発電所、鉄工所、化学工場、ごみ処理場等のＣＯ２発生部１０１の燃焼炉に炭素燃料として供給してもよい。ＣＯ２還元部１０４の酸化反応により生成されるＯ２も同様であり、タンク等に収集してもよいし、燃焼炉に助燃剤として供給してもよい。Ｏ２はこれ以外に、例えば養殖場に生物の成長促進のために供給する、下水処理場にバクテリアによる処理効率の向上のために供給する、空気浄化システムや水浄化システムに供給する等、各種用途に利用することができる。
【００５７】
（第２の実施形態）
図８は第２の実施形態による光電気化学反応システムの構成図である。第２の実施形態の光電気化学反応システム１１０は、ＣＯ２発生部１０１、不純物除去部１０２、ＣＯ２供給部１０３、ＣＯ２還元部１０４、ＣＯ２分離部１０６、および生成物収集部１０５を具備している。ＣＯ２分離部１０６の以外の構成部１０１、１０２、１０３、１０４、１０５は、第１の実施形態の光電気化学反応システム１００と同一構成を備えている。
【００５８】
ＣＯ２還元部１０４を構成する光電気化学モジュール１において、ＣＯ２やＨ２Ｏの還元反応により生成される炭素化合物や水素は、生成物収集部１０５としてのタンク等に収集される。生成される炭素化合物や水素には、分解されていないＣＯ２が混在するおそれがある。第２の実施形態の光電気化学反応システム１１０では、ＣＯ２還元部１０４と生成物収集部１０５との間にＣＯ２分離部１０６が設けられている。ＣＯ２分離部１０６には、例えば高分子膜、ゼオライトや炭素膜を用いた分子ふるい、アミンやＫＯＨ、ＮａＯＨ等の溶液を用いたＣＯ２吸収剤等を適用することができる。生成される炭素化合物からＣＯ２を分離することによって、生成物の利用価値を高めることができる。生成物から分離されたＣＯ２ガスは、ＣＯ２還元部１０４に戻してもよいし、また第３の実施形態に示すようにＣＯ２吸収部に送ってもよい。
【００５９】
（第３の実施形態）
図９は第３の実施形態による光電気化学反応システムの構成図である。第３の実施形態の光電気化学反応システム１２０は、ＣＯ２発生部１０１、不純物除去部１０２、ＣＯ２供給部１０３、ＣＯ２還元部１０４、ＣＯ２分離部１０６、生成物収集部１０５、およびＣＯ２吸収部１０７を具備している。ＣＯ２吸収部１０７の以外の構成部１０１、１０２、１０３、１０４、１０６、１０５は、第１および第２の実施形態の光電気化学反応システム１００、１１０と同一構成を備えている。
【００６０】
ＣＯ２吸収部１０７は、例えばＣＣＳ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｃａｐｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｓｔｏｒａｇｅ）である。ＣＯ２吸収部１０７において、不純物除去部１０２で分離されたＣＯ２の一部、および／またはＣＯ２分離部１０６で生成物から分離されたＣＯ２は、ＣＯ２吸収剤に吸収される。ＣＯ２吸収剤の具体例は、前述した通りである。ＣＯ２を吸収したＣＯ２吸収剤を加熱することによって、ＣＯ２が分離される。分離されたＣＯ２は地中等に貯留される。ＣＯ２還元部１０４（ＣＣＵ：Ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｃａｐｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）とＣＯ２吸収部１０７（ＣＣＳ：Ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｃａｐｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｓｔｏｒａｇｅ）とを併用することによって、ＣＯ２発生部１０１で発生したＣＯ２ガスを、大気中に放出することなく、分解処理もしくは貯留処理することができる。
【００６１】
なお、第１ないし第３の実施形態の構成は、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で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、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。
【図１】
2015146014.tif 000003
【図２】
2015146014.tif 000004
【図３Ａ】
2015146014.tif 000005
【図３Ｂ】
2015146014.tif 000006
【図４】
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【図５】
2015146014.tif 000008
【図６】
2015146014.tif 000009
【図７】
2015146014.tif 000010
【図８】
2015146014.tif 000011
【図９】
2015146014.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月3日(2015.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含むガスを発生するＣＯ２発生部と、
水を酸化する酸化電極層と、二酸化炭素を還元する還元電極層と、前記酸化電極層と前記還元電極層との間に設けられ、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力層とを有する積層体と、前記酸化電極層が浸漬される第１電解液と前記還元電極層が浸漬される第２電解液とを収容する電解液槽と、前記第１電解液と前記第２電解液との間でイオンを移動させるイオン移動経路とを備えるＣＯ２還元部と、
前記ＣＯ２発生部により発生した前記二酸化炭素を含むガスを前記第２電解液中に供給するガス供給配管を有するＣＯ２供給部と
を具備する光電気化学反応システム。
【請求項２】
前記ガス供給配管は、前記第２電解液中に浸漬されていると共に、前記ＣＯ２発生部から導入された前記二酸化炭素を含むガスを前記第２電解液中に放出するガス供給孔を有する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項３】
前記ＣＯ２供給部は、前記ＣＯ２発生部から排出される前記二酸化炭素を含むガスの排出圧により前記第２電解液中に前記ガスを供給する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項４】
前記積層体は、前記酸化電極層上に設けられた酸化触媒層と、前記還元電極層上に設けられた還元触媒層とを備える、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項５】
前記ＣＯ２還元部は、前記二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成し、かつ前記水を酸化して酸素および水素イオンを生成する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項６】
さらに、前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物を収集する生成物収集部を具備する、請求項５に記載の光電気化学反応システム。
【請求項７】
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物は、前記ガス供給配管から放出される前記二酸化炭素を含むガスの圧力により前記ＣＯ２還元部から前記生成物収集部に送られる、請求項６に記載の光電気化学反応システム。
【請求項８】
さらに、前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物から二酸化炭素を分離するＣＯ２分離部を具備する、請求項６に記載の光電気化学反応システム。
【請求項９】
さらに、前記ＣＯ２発生部から排出される前記二酸化炭素を含むガスから不純物を除去する不純物除去部を具備し、
前記ＣＯ２供給部は、前記不純物除去部で前記不純物が除去されたガスを前記第２電解液中に供給する、請求項８に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１０】
さらに、前記不純物除去部で前記不純物が除去された前記ガス、および前記ＣＯ２分離部で前記炭素化合物から分離された前記二酸化炭素の少なくとも一方を吸収するＣＯ２吸収部を具備する、請求項９に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１１】
前記ＣＯ２還元部は、前記二酸化炭素と共に水を還元して炭素化合物と水素の混合物を生成し、かつ前記水を酸化して酸素および水素イオンを生成する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１２】
さらに、前記ＣＯ２発生部から排出される前記二酸化炭素を含むガスから不純物を除去する不純物除去部と、
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物と水素の混合物から二酸化炭素を分離するＣＯ２分離部と、
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物と水素の混合物を収集する生成物収集部と、
前記不純物除去部で前記不純物が除去されたガス、および前記ＣＯ２分離部で前記炭素化合物から分離された二酸化炭素の少なくとも一方を吸収するＣＯ２吸収部を具備する、請求項１１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１３】
前記光起電力層は、ｐｉｎ接合型半導体およびｐｎ接合型半導体の少なくとも一方を有する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１４】
前記ＣＯ２還元部は、前記ガス供給配管の周囲に配置された管状の前記積層体と、前記管状の積層体の周囲に配置された管状の前記電解液槽とを備える、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１５】
二酸化炭素を含むガスを発生するＣＯ２発生部と、
水を酸化する酸化電極層と、二酸化炭素を還元する還元電極層と、前記酸化電極層と前記還元電極層との間に設けられ、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力層とを有する積層体と、前記酸化電極層が浸漬される第１電解液と前記還元電極層が浸漬される第２電解液とを収容する電解液槽と、前記第１電解液と前記第２電解液との間でイオンを移動させるイオン移動経路とを備え、前記二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成し、かつ前記水を酸化して酸素および水素イオンを生成するＣＯ２還元部と、
前記ＣＯ２発生部により発生した前記二酸化炭素を含むガスを前記第２電解液中に供給するガス供給配管を有するＣＯ２供給部と、
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物を収集する生成物収集部とを具備し、
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物は、前記ガス供給配管から放出される前記二酸化炭素を含むガスの圧力により前記ＣＯ２還元部から前記生成物収集部に送られる、光電気化学反応システム。
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月18日(2016.8.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含むガスを発生するＣＯ２発生部と、
水を酸化する酸化電極層と、二酸化炭素を還元する還元電極層と、前記酸化電極層と前記還元電極層との間に設けられ、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力層とを有する積層体と、前記酸化電極層が浸漬される第１電解液と前記還元電極層が浸漬される第２電解液とを収容する電解液槽と、前記第１電解液と前記第２電解液との間でイオンを移動させるイオン移動経路とを備えるＣＯ２還元部と、
前記ＣＯ２発生部により発生した前記二酸化炭素を含むガスを前記第２電解液中に供給するガス供給配管を有するＣＯ２供給部と
を具備する光電気化学反応システム。
【請求項２】
前記ガス供給配管は、前記第２電解液中に浸漬されていると共に、前記ＣＯ２発生部から導入された前記二酸化炭素を含むガスを前記第２電解液中に放出するガス供給孔を有する、請求項１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項３】
前記ＣＯ２供給部は、前記ＣＯ２発生部から排出される前記二酸化炭素を含むガスの排出圧により前記第２電解液中に前記ガスを供給する、請求項１または請求項２に記載の光電気化学反応システム。
【請求項４】
前記積層体は、前記酸化電極層上に設けられた酸化触媒層と、前記還元電極層上に設けられた還元触媒層とを備える、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光電気化学反応システム。
【請求項５】
前記ＣＯ２還元部は、前記二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成し、かつ前記水を酸化して酸素および水素イオンを生成する、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光電気化学反応システム。
【請求項６】
さらに、前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物を収集する生成物収集部を具備する、請求項５に記載の光電気化学反応システム。
【請求項７】
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物は、前記ガス供給配管から放出される前記二酸化炭素を含むガスの圧力により前記ＣＯ２還元部から前記生成物収集部に送られる、請求項６に記載の光電気化学反応システム。
【請求項８】
さらに、前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物から二酸化炭素を分離するＣＯ２分離部を具備する、請求項６に記載の光電気化学反応システム。
【請求項９】
さらに、前記ＣＯ２発生部から排出される前記二酸化炭素を含むガスから不純物を除去する不純物除去部を具備し、
前記ＣＯ２供給部は、前記不純物除去部で前記不純物が除去されたガスを前記第２電解液中に供給する、請求項８に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１０】
さらに、前記不純物除去部で前記不純物が除去された前記ガス、および前記ＣＯ２分離部で前記炭素化合物から分離された前記二酸化炭素の少なくとも一方を吸収するＣＯ２吸収部を具備する、請求項９に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１１】
前記ＣＯ２還元部は、前記二酸化炭素と共に水を還元して炭素化合物と水素の混合物を生成し、かつ前記水を酸化して酸素および水素イオンを生成する、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１２】
さらに、前記ＣＯ２発生部から排出される前記二酸化炭素を含むガスから不純物を除去する不純物除去部と、
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物と水素の混合物から二酸化炭素を分離するＣＯ２分離部と、
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物と水素の混合物を収集する生成物収集部と、
前記不純物除去部で前記不純物が除去されたガス、および前記ＣＯ２分離部で前記炭素化合物から分離された二酸化炭素の少なくとも一方を吸収するＣＯ２吸収部を具備する、請求項１１に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１３】
前記光起電力層は、ｐｉｎ接合型半導体およびｐｎ接合型半導体の少なくとも一方を有する、請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１４】
前記ＣＯ２還元部は、前記ガス供給配管の周囲に配置された管状の前記積層体と、前記管状の積層体の周囲に配置された管状の前記電解液槽とを備える、請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の光電気化学反応システム。
【請求項１５】
二酸化炭素を含むガスを発生するＣＯ２発生部と、
水を酸化する酸化電極層と、二酸化炭素を還元する還元電極層と、前記酸化電極層と前記還元電極層との間に設けられ、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力層とを有する積層体と、前記酸化電極層が浸漬される第１電解液と前記還元電極層が浸漬される第２電解液とを収容する電解液槽と、前記第１電解液と前記第２電解液との間でイオンを移動させるイオン移動経路とを備え、前記二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成し、かつ前記水を酸化して酸素および水素イオンを生成するＣＯ２還元部と、
前記ＣＯ２発生部により発生した前記二酸化炭素を含むガスを前記第２電解液中に供給するガス供給配管を有するＣＯ２供給部と、
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物を収集する生成物収集部とを具備し、
前記ＣＯ２還元部で生成された前記炭素化合物は、前記ガス供給配管から放出される前記二酸化炭素を含むガスの圧力により前記ＣＯ２還元部から前記生成物収集部に送られる、光電気化学反応システム。
【国際調査報告】
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