JP7327073B2

JP7327073B2 - chemical reactor

Info

Publication number: JP7327073B2
Application number: JP2019188707A
Authority: JP
Inventors: 菜摘佐藤; 真太郎水野; 康彦竹田; 直彦加藤; 功一藏薗
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2023-08-16
Anticipated expiration: 2039-10-15
Also published as: JP2021063267A

Description

本発明は、化学反応装置に関する。 The present invention relates to chemical reactors.

容器内に還元反応用電極と酸化反応用電極とを離間させて対向させ、還元反応用電極と酸化反応用電極との間に電解液を流通させることで、電解液に含有される物質（反応基質）を化学反応させる化学反応装置が開示されている。また、電気化学反応装置内に電解液の流れの一部を遮って縮流部を形成するために遮流板又は流れ方向に平行に整流板を設ける構成が開示されている。また、複数の光電気化学反応セルのユニットを直列及び並列に接続した構成が開示されている（特許文献１）。 A reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode are spaced apart and opposed to each other in a container, and an electrolytic solution is circulated between the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode. A chemical reactor is disclosed for chemically reacting substrates). In addition, a configuration is disclosed in which a current blocking plate or a rectifying plate is provided in parallel with the flow direction in order to block a part of the flow of the electrolytic solution in the electrochemical reaction device to form a contracted portion. Further, a configuration in which a plurality of photoelectrochemical reaction cell units are connected in series and in parallel is disclosed (Patent Document 1).

特開２０１７－０４８４４２号公報JP 2017-048442 A

ところで、先行技術では、遮流板や整流板によって電解液の流れを制御しているが、反応装置内の電解液の流れを十分に均一にできていない。特に、還元反応用電極及び酸化反応用電極を複数個配置したスタック型構造の反応装置では、電解液の流れを均一化することができていない。 By the way, in the prior art, the flow of the electrolytic solution is controlled by the flow shielding plate and the rectifying plate, but the flow of the electrolytic solution in the reactor cannot be made sufficiently uniform. In particular, in a reaction apparatus having a stacked structure in which a plurality of electrodes for reduction reaction and electrodes for oxidation reaction are arranged, the flow of the electrolytic solution cannot be made uniform.

本発明の１つの態様は、容器内に液体を供給し、液体に含まれる物質を反応させる化学反応装置であって、前記液体が流れる流路における前記液体の流れ方向に垂直な断面の面積に対する前記流路に前記液体を供給するために設けられたオリフィス孔の総面積の割合が０．３％以上９％以下であることを特徴とする化学反応装置である。 One aspect of the present invention is a chemical reaction device that supplies a liquid into a container and causes a substance contained in the liquid to react, wherein The chemical reaction device is characterized in that the ratio of the total area of the orifice holes provided for supplying the liquid to the channel is 0.3% or more and 9% or less.

ここで、前記流路における前記液体の流れ方向に垂直な断面の面積に対する前記流路に前記液体を供給するために設けられたオリフィス孔の総面積の割合が１．４％以上３．６％以下であることが好適である。 Here, the ratio of the total area of the orifice holes provided for supplying the liquid to the flow path to the area of the cross section of the flow path perpendicular to the flow direction of the liquid is 1.4% or more and 3.6%. It is preferable that:

本発明の別の態様は、容器内に液体を供給し、液体に含まれる物質を反応させる化学反応装置であって、前記液体を供給するための液体入口の総面積に対する前記流路に前記液体を供給するために設けられたオリフィス孔の総面積の割合が２０％以上１２６％以下であることを特徴とする化学反応装置である。 Another aspect of the present invention is a chemical reaction apparatus for supplying a liquid in a container and reacting substances contained in the liquid, wherein The chemical reaction device is characterized in that the ratio of the total area of the orifice holes provided for supplying the is 20% or more and 126% or less.

ここで、前記液体を供給するための液体入口の総面積に対する前記流路に前記液体を供給するために設けられたオリフィス孔の総面積の割合が２０％以上５０％以下であることが好適である。 Here, it is preferable that the ratio of the total area of the orifice holes provided for supplying the liquid to the channel to the total area of the liquid inlets for supplying the liquid is 20% or more and 50% or less. be.

また、前記オリフィス孔の孔径は、前記液体を供給するための液体入口からの距離が大きくなるにつれて大きくされていることが好適である。 Moreover, it is preferable that the diameter of the orifice hole increases as the distance from the liquid inlet for supplying the liquid increases.

また、前記オリフィス孔の間隔は、前記液体を供給するための液体入口からの距離が大きくなるにつれて小さくされていることが好適である。 Also, it is preferable that the distance between the orifice holes is made smaller as the distance from the liquid inlet for supplying the liquid increases.

また、前記容器内に、還元反応用電極と酸化反応用電極が離間して対向する位置に配置されており、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極とに挟まれた空間によって前記流路の少なくとも一部が構成されており、前記液体として前記物質を含む電解液が流されることが好適である。 Further, in the container, a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode are arranged at positions facing each other with a space therebetween. and an electrolytic solution containing the substance is preferably flowed as the liquid.

また、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極との間に前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極に対向するように多孔体からなるセパレータが配置されており、前記オリフィス孔は、前記還元反応用電極と前記セパレータとの間に前記電解液を供給するための第１オリフィス孔と、前記酸化反応用電極と前記セパレータとの間に前記電解液を供給するための第２オリフィス孔と、を含むことが好適である。 Further, a separator made of a porous body is arranged between the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode so as to face the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode, and the orifice hole corresponds to the a first orifice hole for supplying the electrolytic solution between the electrode for reduction reaction and the separator; and a second orifice hole for supplying the electrolytic solution between the electrode for oxidation reaction and the separator. , is preferably included.

また、前記第１オリフィス孔の総面積は、前記第２オリフィス孔の総面積よりも大きいことが好適である。 Also, it is preferable that the total area of the first orifice holes is larger than the total area of the second orifice holes.

また、前記第１オリフィス孔の総面積は、前記第２オリフィス孔の総面積の２倍以上９倍以下であることが好適である。 Moreover, it is preferable that the total area of the first orifice holes is two to nine times the total area of the second orifice holes.

また、前記第１オリフィス孔の総面積は、前記第２オリフィス孔の総面積の４倍以上９倍以下であることが好適である。 Further, it is preferable that the total area of the first orifice holes is four to nine times the total area of the second orifice holes.

また、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極との間に前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極の面方向の流れを制御する整流板が配置されていることが好適である。 Further, it is preferable that a straightening plate is arranged between the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode for controlling the flow in the surface direction of the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode.

また、前記物質は、二酸化炭素（ＣＯ_２）であり、前記還元反応用電極において二酸化炭素（ＣＯ_２）が還元され、前記酸化反応用電極において酸素（Ｏ_２）が発生することが好適である。 Further, it is preferable that the substance is carbon dioxide (CO ₂ ), the carbon dioxide (CO ₂ ) is reduced at the electrode for reduction reaction, and oxygen (O ₂ ) is generated at the electrode for oxidation reaction. .

また、１つの前記容器に前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極とがそれぞれ複数スタックされていることが好適である。 Further, it is preferable that a plurality of the electrodes for reduction reaction and a plurality of electrodes for oxidation reaction are stacked in one container.

本発明によれば、反応に使用される液体をより均一に供給することができる化学反応装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the chemical reaction apparatus which can supply the liquid used for reaction more uniformly can be provided.

本発明の実施の形態における化学反応装置の構成を示す斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a perspective view which shows the structure of the chemical reaction apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における化学反応装置の構成を示す断面模式図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the chemical reaction apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における化学反応装置の構成を示す断面模式図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the chemical reaction apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における還元反応用電極の構成を示す図である。1 is a diagram showing the configuration of a reduction reaction electrode according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施の形態における酸化反応用電極の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrode for oxidation reaction in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における酸化反応用電極と還元反応用電極のスタック構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a stack configuration of an oxidation reaction electrode and a reduction reaction electrode according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態におけるバイアス電源の接続方法を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of connecting a bias power supply according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態におけるバイアス電源の作用を説明する図である。4A and 4B are diagrams for explaining the action of the bias power supply in the embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施の形態における越流口の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the overflow port in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における越流口の設け方を示す図である。It is a figure which shows how to provide the overflow port in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるオリフィス板の構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing the configuration of an orifice plate in an embodiment of the invention; FIG. 本発明の実施の形態におけるオリフィス板の構成を示す拡大模式図である。3 is an enlarged schematic diagram showing the configuration of an orifice plate in the embodiment of the invention; FIG. 実施例１における化学反応装置の構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing the configuration of a chemical reaction apparatus in Example 1. FIG. 実施例１において二酸化炭素の還元反応を繰り返したときの電流密度の経時変化を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing changes over time in current density when the reduction reaction of carbon dioxide is repeated in Example 1. FIG. 実施例２における電解液の流量分布のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a simulation result of the flow rate distribution of the electrolytic solution in Example 2; 実施例２において太陽電池に対して光を照射した状態と照射しない状態とを繰り返したときの電解液の圧力と流量の時間変化を示す図である。FIG. 10 is a graph showing temporal changes in the pressure and flow rate of the electrolytic solution when the state in which the solar cell is irradiated with light and the state in which it is not irradiated are repeated in Example 2. FIG. 比較例１における電解液の流量分布のシミュレーション結果を示す図である。5 is a diagram showing a simulation result of the flow rate distribution of the electrolytic solution in Comparative Example 1. FIG. 太陽電池に対して光を照射した状態と照射しない状態とを繰り返したときの電解液の圧力と流量の時間変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing temporal changes in the pressure and flow rate of an electrolytic solution when a state in which a solar cell is irradiated with light and a state in which it is not irradiated are repeated. 比較例２における電解液の流量分布のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a simulation result of the flow rate distribution of the electrolytic solution in Comparative Example 2; 実施例７における電解液の流量分布のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a simulation result of the flow rate distribution of the electrolytic solution in Example 7; 実施例９における電解液の流量分布のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a simulation result of the flow rate distribution of the electrolytic solution in Example 9; 実施例７及び実施例９における各流路における電解液の流量を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the flow rate of an electrolytic solution in each channel in Examples 7 and 9; 比較例３及び実施例３～実施例９における各流路を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining each flow path in Comparative Example 3 and Examples 3 to 9; 比較例３及び実施例３～実施例９における面内流量分布を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing in-plane flow rate distributions in Comparative Example 3 and Examples 3 to 9;

本発明の実施の形態における化学反応装置１００は、図１の斜視模式図及び図２，３の断面模式図に示すように、酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４、セパレータ１０６、電解液１０８、容器１１０及びオリフィス板１１２を含んで構成される。 As shown in the schematic perspective view of FIG. 1 and the schematic cross-sectional views of FIGS. 108 , vessel 110 and orifice plate 112 .

図２は、電解液１０８が供給されていない状態における化学反応装置１００をＹ－Ｚ平面で切断した断面図を示す。図３は、電解液１０８が供給されている状態における化学反応装置１００をＹ－Ｚ平面で切断した断面図を示す。 FIG. 2 shows a cross-sectional view taken along the YZ plane of the chemical reaction device 100 in a state in which the electrolytic solution 108 is not supplied. FIG. 3 shows a cross-sectional view taken along the YZ plane of the chemical reactor 100 in a state in which the electrolytic solution 108 is supplied.

酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４は、それぞれＸ方向及びＺ方向に拡がる板状の部材であり、Ｙ方向に沿って互いに対向するように配置される。本実施の形態では、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４は、セパレータ１０６を挟んで互いの触媒が担持されたＸ－Ｚ面方向に広がった反応面が対向するように配置されている。 The oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are plate-shaped members extending in the X direction and the Z direction, respectively, and are arranged so as to face each other along the Y direction. In the present embodiment, the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are arranged so that the reaction surfaces extending in the XZ plane direction on which the catalyst is supported face each other with the separator 106 interposed therebetween. .

また、本実施の形態では、図２，３の左側から酸化反応用電極１０２、セパレータ１０６及び還元反応用電極１０４がＹ方向に沿って配置され、次に還元反応用電極１０４、セパレータ１０６及び酸化反応用電極１０２がＹ方向に沿って配置され、次に酸化反応用電極１０２、セパレータ１０６及び還元反応用電極１０４がＹ方向に沿って配置され、次に還元反応用電極１０４、セパレータ１０６及び酸化反応用電極１０２がＹ方向に沿って配置され、次に酸化反応用電極１０２、セパレータ１０６及び還元反応用電極１０４がＹ方向に沿って配置されている。すなわち、酸化反応用電極１０２、セパレータ１０６及び還元反応用電極１０４からなる電極の組がＹ方向に沿って複数スタックされている。 In this embodiment, the oxidation reaction electrode 102, the separator 106, and the reduction reaction electrode 104 are arranged along the Y direction from the left side of FIGS. The reaction electrode 102 is arranged along the Y direction, then the oxidation reaction electrode 102, the separator 106 and the reduction reaction electrode 104 are arranged along the Y direction. A reaction electrode 102 is arranged along the Y direction, and then an oxidation reaction electrode 102, a separator 106 and a reduction reaction electrode 104 are arranged along the Y direction. That is, a plurality of sets of electrodes each composed of an oxidation reaction electrode 102, a separator 106 and a reduction reaction electrode 104 are stacked along the Y direction.

還元反応用電極１０４は、還元反応によって物質を還元するために利用される電極である。還元反応用電極１０４は、図４の断面図に示すように、基板１１４上に形成される。還元反応用電極１０４は、導電層１０及び還元触媒層１２を含んで構成される。 The reduction reaction electrode 104 is an electrode used for reducing a substance by a reduction reaction. The reduction reaction electrode 104 is formed on the substrate 114 as shown in the cross-sectional view of FIG. The reduction reaction electrode 104 includes the conductive layer 10 and the reduction catalyst layer 12 .

基板１１４は、還元反応用電極１０４を構造的に支持する部材である。基板１１４は、特に材料が限定されるものではないが、例えば、ガラス基板等とされる。また、基板１１４は、例えば、金属又は半導体を含んでもよい。基板１１４として用いられる金属は、特に限定されるものではないが、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、スズ（Ｓｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、鉛（Ｐｂ）を含むことが好適である。基板１１４として用いられる半導体は、特に限定されるものではないが、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、シリコン（Ｓｉ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等とすることが好適である。 The substrate 114 is a member that structurally supports the reduction reaction electrode 104 . Although the material of the substrate 114 is not particularly limited, for example, a glass substrate or the like is used. Substrate 114 may also include, for example, metals or semiconductors. The metal used as the substrate 114 is not particularly limited, but titanium (Ti), silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), zinc (Zn), indium (In), cadmium (Cd ), tin (Sn), palladium (Pd), and lead (Pb). The semiconductor used as the substrate 114 is not particularly limited, but may be titanium oxide (TiO ₂ ), tin oxide (SnO ₂ ), silicon (Si), strontium titanate (SrTiO ₃ ), zinc oxide (ZnO), Tantalum oxide (Ta ₂ O ₅ ) or the like is suitable.

基板１１４を絶縁体とした場合、基板１１４と還元触媒層１２との間に導電層１０が設けられる。導電層１０は、還元反応用電極１０４の還元触媒層１２に対して電圧を印加するために設けられる。導電層１０は、特に限定されるものではないが、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の透明導電層とすることが好適である。特に、熱的及び化学的な安定性を考慮するとフッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）を用いることが好適である。 When the substrate 114 is an insulator, the conductive layer 10 is provided between the substrate 114 and the reduction catalyst layer 12 . The conductive layer 10 is provided to apply a voltage to the reduction catalyst layer 12 of the reduction reaction electrode 104 . The conductive layer 10 is not particularly limited, but is preferably a transparent conductive layer of indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), zinc oxide (ZnO), or the like. In particular, it is preferable to use fluorine-doped tin oxide (FTO) in consideration of thermal and chemical stability.

還元触媒層１２は、還元触媒機能を有する材料から構成される。還元触媒層１２は、錯体触媒を含むことが好適である。還元触媒層１２は、例えば、ルテニウム錯体とすることが好適である。錯体触媒は、例えば、［Ｒｕ｛４，４’－ｄｉ（１－Ｈ－１－ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌｃａｒｂｏｎａｔｅ）－２，２’－ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）（ＭｅＣＮ）Ｃｌ_２］、［Ｒｕ｛４，４’－ｄｉ（１－Ｈ－１－ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌｃａｒｂｏｎａｔｅ）－２，２’－ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）_２Ｃｌ_２］、［Ｒｕ｛４，４’－ｄｉ（１－Ｈ－１－ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌｃａｒｂｏｎａｔｅ）－２，２’－ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）_２］_ｎ、［Ｒｕ｛４，４’－ｄｉ（１－Ｈ－１－ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌｃａｒｂｏｎａｔｅ）－２，２’－ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）（ＣＨ_３ＣＮ）Ｃｌ_２］等とすることができる。 The reduction catalyst layer 12 is made of a material having a reduction catalyst function. The reduction catalyst layer 12 preferably contains a complex catalyst. The reduction catalyst layer 12 is preferably made of, for example, a ruthenium complex. Complex catalysts include, for example, [Ru{4,4′-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2′-bipyridine}(CO)(MeCN)Cl ₂ ], [Ru{4,4′ -di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2'-bipyridine}(CO) _2Cl2 ], [Ru{ _4,4' -di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2, 2′-bipyridine}(CO) ₂ ] _n , [Ru{4,4′-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2′-bipyridine}(CO)(CH ₃ CN)Cl ₂ ] etc.

錯体触媒による修飾は、錯体をアセトニトリル（ＭｅＣＮ）溶液に溶解した液を導電層１０の上に塗布することで作ることができる。また、錯体触媒による修飾は、電解重合法により行うこともできる。作用極として導電層１０の電極、対極にフッ素含有酸化スズ（ＦＴＯ）で被覆したガラス基板、参照電極にＡｇ／Ａｇ^＋電極を用い、錯体触媒を含む電解液中においてＡｇ／Ａｇ^＋電極に対して負電圧となるようにカソード電流を流した後、Ａｇ／Ａｇ^＋電極に対して正電位となるようにアノード電流を流すことにより導電層１０の表面上を錯体触媒で修飾することができる。電解質の溶液には、アセトニトリル（ＭｅＣＮ）、電解質には、Ｔｅｔｒａｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅ（ＴＢＡＰ）を用いることができる。 Modification with a complex catalyst can be made by coating the conductive layer 10 with a solution in which the complex is dissolved in acetonitrile (MeCN). Modification with a complex catalyst can also be performed by an electropolymerization method. The electrode of the conductive layer 10 is used as the working electrode, the glass substrate coated with fluorine-containing tin oxide (FTO) is used as the counter electrode, and the Ag/ ^{Ag +} ^electrode is used as the reference electrode. The surface of the conductive layer 10 can be modified with a complex catalyst by applying a cathodic current so as to give a negative voltage to the Ag/Ag ⁺ electrode and then applying an anodic current to give a positive potential to the Ag/Ag + electrode. Acetonitrile (MeCN) can be used as the electrolyte solution, and Tetrabutylammonium perchlorate (TBAP) can be used as the electrolyte.

また、還元触媒層１２は、カーボン材料（Ｃ）を含む導電体を含んで構成することができる。カーボン材料の構造体の単体のサイズが１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好適である。カーボン材料は、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン及びグラファイトの少なくとも１つを含むことが好適である。グラフェン及びグラファイトであればサイズが１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好適である。カーボンナノチューブであれば直径が１ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが好適である。導電体は、エタノール等の液体に混ぜ合わせたカーボン材料をスプレーで塗布し、加熱することによって形成することができる。スプレーの代わりに、スピンコートによって塗布してもよい。また、スピンコートを用いず、直接溶液を滴下して乾かして塗布してもよい。 Moreover, the reduction catalyst layer 12 can be configured to include a conductor containing a carbon material (C). It is preferable that the size of a single carbon material structure is 1 nm or more and 1 μm or less. The carbon material preferably includes at least one of carbon nanotubes, graphene and graphite, for example. Graphene and graphite preferably have a size of 1 nm or more and 1 μm or less. Carbon nanotubes preferably have a diameter of 1 nm or more and 40 nm or less. The conductor can be formed by spraying and heating a carbon material mixed with a liquid such as ethanol. It may be applied by spin coating instead of spraying. Alternatively, the solution may be directly dropped and dried without using spin coating.

還元触媒層１２における還元触媒の担持方法は、例えば、金属錯体（触媒）をアセトニトリル（ＭｅＣＮ）溶液に溶解した液（例えば、Ｒｕ錯体ポリマー溶液）をカーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン系材料の上に塗布、乾燥することで作製することができる。また、還元触媒の担持は、電解重合法により行うこともできる。例えば、作用極としてカーボン系材料の電極、対極にフッ素含有酸化スズ（ＦＴＯ）で被覆したガラス基板、参照電極にＡｇ／Ａｇ^＋電極を用い、還元触媒を含む電解液中においてＡｇ／Ａｇ^＋電極に対して負電圧となるようにカソード電流を流した後、Ａｇ／Ａｇ^＋電極に対して正電位となるようにアノード電流を流すことによりカーボン系材料に還元触媒で担持することができる。電解質の溶液には、例えば、アセトニトリル（ＭｅＣＮ）、電解質には、例えば、Ｔｅｔｒａｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅ（ＴＢＡＰ）を用いることができる。 The method of supporting the reduction catalyst in the reduction catalyst layer 12 is, for example, a solution (for example, a Ru complex polymer solution) in which a metal complex (catalyst) is dissolved in an acetonitrile (MeCN) solution is placed on a carbon-based material such as carbon paper or carbon cloth. It can be produced by coating and drying on Moreover, the supporting of the reduction catalyst can also be performed by an electropolymerization method. For example, using a carbon-based material electrode as the working electrode, a glass substrate coated with fluorine-containing tin oxide (FTO) as the counter electrode, and an Ag/Ag ⁺ electrode as the reference electrode, the Ag/Ag ⁺ electrode After applying a cathodic current so as to have a negative voltage with respect to the Ag/Ag ⁺ electrode, an anodic current is applied so as to have a positive potential with respect to the Ag/Ag + electrode, whereby the reduction catalyst can be supported on the carbon-based material. For example, acetonitrile (MeCN) can be used as the electrolyte solution, and Tetrabutylammonium perchlorate (TBAP) can be used as the electrolyte.

なお、図４では、基板１１４の片方の面のみに導電層１０及び還元触媒層１２を形成した例を示したが、基板１１４の両方の面に導電層１０及び還元触媒層１２を形成してもよい。 Note that FIG. 4 shows an example in which the conductive layer 10 and the reduction catalyst layer 12 are formed only on one surface of the substrate 114, but the conductive layer 10 and the reduction catalyst layer 12 are formed on both surfaces of the substrate 114. good too.

酸化反応用電極１０２は、酸化反応によって物質を酸化するために利用される電極である。酸化反応用電極１０２は、図５の断面図に示すように、基板１１６上に形成される。酸化反応用電極１０２は、導電層１４及び酸化触媒層１６を含んで構成される。 The oxidation reaction electrode 102 is an electrode used to oxidize a substance by an oxidation reaction. The oxidation reaction electrode 102 is formed on a substrate 116 as shown in the cross-sectional view of FIG. The oxidation reaction electrode 102 includes a conductive layer 14 and an oxidation catalyst layer 16 .

基板１１６は、酸化反応用電極１０２を構造的に支持する部材である。基板１１６は、還元反応用電極１０４に用いられる基板１１４と同様の材料とすることができる。 The substrate 116 is a member that structurally supports the oxidation reaction electrode 102 . The substrate 116 can be made of the same material as the substrate 114 used for the reduction reaction electrode 104 .

導電層１４は、酸化反応用電極１０２における集電を効果的にするために設けられる。導電層１４は、特に限定されるものではないが、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等とすることが好適である。特に、熱的及び化学的な安定性を考慮するとフッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）を用いることが好適である。 The conductive layer 14 is provided to effectively collect current in the oxidation reaction electrode 102 . The conductive layer 14 is not particularly limited, but is preferably made of indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), zinc oxide (ZnO), or the like. In particular, it is preferable to use fluorine-doped tin oxide (FTO) in consideration of thermal and chemical stability.

酸化触媒層１６は、酸化触媒機能を有する材料を含んで構成される。酸化触媒機能を有する材料は、例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）を含む材料とすることができる。酸化イリジウムは、ナノコロイド溶液として導電層１４の表面上に担持することができる(T.Arai et.al, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015))。 The oxidation catalyst layer 16 contains a material having an oxidation catalyst function. A material having an oxidation catalytic function can be, for example, a material containing iridium oxide (IrOx). Iridium oxide can be supported on the surface of the conductive layer 14 as a nanocolloid solution (T.Arai et.al, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015)).

例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）のナノコロイドを合成する。先ず、２ｍＭの塩化イリジウム酸（ＩＶ）カリウム（Ｋ_２ＩｒＣｌ_６）水溶液５０ｍｌに１０ｗｔ％の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液を加えてｐＨ１３に調整した黄色溶液を、ホットスターラーを用いて９０℃で２０分加熱する。これによって得られた青色溶液を氷水で１時間冷却する。そして、冷やした溶液（２０ｍｌ）に３Ｍ硝酸（ＨＮＯ_３）を滴下してｐＨ１に調整し、８０分攪拌し、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）のナノコロイド水溶液を得る。さらに、この溶液に１．５ｗｔ％ＮａＯＨ水溶液（１－２ｍｌ）を滴下してｐＨ１２に調整する。このようにして得られた酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）のナノコロイド水溶液を、導電層１４上にｐＨ１２に塗布し、乾燥炉内にて６０℃で４０分間保持して乾燥させる。乾燥後、析出した塩を超純水で洗浄し、酸化反応用電極１０２を形成することができる。なお、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）のナノコロイド水溶液の塗布及び乾燥を複数回繰り返してもよい。 For example, iridium oxide (IrOx) nanocolloids are synthesized. First, a yellow solution adjusted to pH 13 by adding 10 wt% sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution to 50 ml of 2 mM potassium iridate (IV) chloride (K ₂ IrCl ₆ ) aqueous solution was stirred at 90° C. for 20 minutes using a hot stirrer. heat for 1 minute. The resulting blue solution is cooled with ice water for 1 hour. Then, 3M nitric acid (HNO ₃ ) is added dropwise to the cooled solution (20 ml) to adjust the pH to 1, and the mixture is stirred for 80 minutes to obtain a nanocolloid aqueous solution of iridium oxide (IrOx). Further, a 1.5 wt % NaOH aqueous solution (1-2 ml) is added dropwise to this solution to adjust the pH to 12. The iridium oxide (IrOx) nanocolloid aqueous solution thus obtained is applied to the conductive layer 14 at a pH of 12, and dried in a drying oven at 60° C. for 40 minutes. After drying, the precipitated salt is washed with ultrapure water, and the oxidation reaction electrode 102 can be formed. Note that the application and drying of the iridium oxide (IrOx) nanocolloid aqueous solution may be repeated multiple times.

なお、図５では、基板１１６の片方の面のみに導電層１４及び酸化触媒層１６を形成した例を示したが、基板１１６の両方の面に導電層１４及び酸化触媒層１６を形成してもよい。 Although FIG. 5 shows an example in which the conductive layer 14 and the oxidation catalyst layer 16 are formed only on one side of the substrate 116, the conductive layer 14 and the oxidation catalyst layer 16 are formed on both sides of the substrate 116. good too.

セパレータ１０６は、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４の間を仕切る部材である。セパレータ１０６は、電解液１０８内においてプロトンを伝達することができる多孔体であるプロトン伝導フィルムによって構成することができる。あるいは、多孔性の親水性高分子材料又は表面に親水化処理が施された多孔性の高分子材料、例えば、レーヨン不織布、ビニロン不織布、親水化超高分子量ポリエチレン多孔体フィルム、親水化ポリプロピレンメッシュ、親水化超高分子量ポリエチレン多孔質フィルムで構成することができる。 The separator 106 is a member that partitions between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 . Separator 106 can be composed of a proton-conducting film, which is a porous body capable of transmitting protons in electrolytic solution 108 . Alternatively, a porous hydrophilic polymeric material or a porous polymeric material whose surface has been subjected to a hydrophilic treatment, such as a rayon nonwoven fabric, a vinylon nonwoven fabric, a hydrophilized ultra-high molecular weight polyethylene porous film, a hydrophilized polypropylene mesh, It can be composed of a hydrophilized ultra-high molecular weight polyethylene porous film.

化学反応装置１００は、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２の間に電解液１０８を導入することで機能する。すなわち、図１及び図３に示すように、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２を囲むように容器１１０を配置し、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２の表面に反応物が溶解された電解液１０８を供給する。 The chemical reaction device 100 functions by introducing an electrolytic solution 108 between the reduction reaction electrode 104 and the oxidation reaction electrode 102 . That is, as shown in FIGS. 1 and 3, the container 110 is arranged so as to surround the reduction reaction electrode 104 and the oxidation reaction electrode 102, and the reactants are placed on the surfaces of the reduction reaction electrode 104 and the oxidation reaction electrode 102. Dissolved electrolyte 108 is supplied.

反応基質は、炭素化合物とすることができ、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）とすることができる。また、電解液１０８は、リン酸緩衝水溶液やホウ酸緩衝水溶液とすることが好適である。具体的な構成例では、二酸化炭素（ＣＯ_２）飽和リン酸緩衝液のタンクを設け、ポンプによって当該液を電解液供給口から還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２との表面に供給し、還元反応によって生じたギ酸（ＨＣＯＯＨ）を越流口１１０ｅを経由して電解液排出口１１０ｂから外部の燃料タンクに回収すると同時に、酸化反応により生じた酸素（Ｏ_２）を排気口１１０ｃから排出する。 The reaction substrate can be a carbon compound, for example carbon dioxide (CO ₂ ). Further, the electrolytic solution 108 is preferably an aqueous phosphate buffer solution or an aqueous borate buffer solution. In a specific configuration example, a tank of carbon dioxide (CO ₂ )-saturated phosphate buffer solution is provided, and the solution is supplied from the electrolytic solution supply port to the surfaces of the reduction reaction electrode 104 and the oxidation reaction electrode 102 by a pump. , the formic acid (HCOOH) generated by the reduction reaction is recovered from the electrolytic solution discharge port 110b via the overflow port 110e into the external fuel tank, and at the same time, the oxygen (O ₂ ) generated by the oxidation reaction is discharged from the exhaust port 110c. do.

本実施の形態では、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４は、触媒が担持された反応面が鉛直方向（Ｘ－Ｚ面内方向）となるように容器１１０内に配置される。また、本実施の形態では、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の組１２０がＹ方向に沿って複数スタックされた構成としている。 In the present embodiment, the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are arranged in the container 110 so that the reaction surface on which the catalyst is supported is in the vertical direction (inside the XZ plane). Further, in this embodiment, a plurality of sets 120 of the oxidation reaction electrodes 102 and the reduction reaction electrodes 104 are stacked along the Y direction.

図６（ａ）～図６（ｄ）は、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の組１２０を複数スタックした構成例を示す。図６（ａ）～図６（ｄ）では、煩雑になることを避けるためにセパレータ１０６を省略して酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４及び容器１１０のみをＸ－Ｙ平面で切断した断面図を模式的に示している。 6(a) to 6(d) show configuration examples in which a plurality of sets 120 of oxidation reaction electrodes 102 and reduction reaction electrodes 104 are stacked. 6(a) to 6(d), the separator 106 is omitted to avoid complication, and only the oxidation reaction electrode 102, the reduction reaction electrode 104 and the container 110 are cut along the XY plane. 4 schematically shows a cross-sectional view; FIG.

図６（ａ）に示すように、各組１２０がそれぞれ収納された容器１１０をスタックした構成とすることができる。また、図６（ｂ）に示すように、隣り合う組１２０の酸化反応用電極１０２の裏面同士を貼り合わせ、還元反応用電極１０４の裏面同士を貼り合わせて、酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４、還元反応用電極１０４、酸化反応用電極１０２・・・とスタックして１つの容器１１０に収納した構成とすることもできる。また、図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示すように、隣り合う組１２０の酸化反応用電極１０２の基板１１６の両面に酸化触媒層１６を形成し、還元反応用電極１０４の基板１１４の両面に還元触媒層１２を形成し、酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４、還元反応用電極１０４、酸化反応用電極１０２・・・とスタックして１つの容器１１０に収納した構成とすることもできる。なお、図６（ｃ）は、基板１１４，１１６をガラス基板として両面に導電層１０を形成した上で還元触媒層１２，酸化触媒層１６を担持させた構成である。ガラス基板は、例えば、機械的な強度等の観点から数ｍｍ程度の厚さとされる。また、図６（ｄ）は、基板１１４，１１６を金属基板（例えば、チタン）として両面に還元触媒層１２，酸化触媒層１６を担持させた構成である。金属基板は、例えば、１ｍｍ程度の厚さとすることができる。 As shown in FIG. 6(a), it is possible to configure a stack of containers 110 in which each set 120 is accommodated. Further, as shown in FIG. 6(b), the back surfaces of the oxidation reaction electrodes 102 of the adjacent sets 120 are bonded together, and the back surfaces of the reduction reaction electrodes 104 are bonded together, so that the oxidation reaction electrodes 102 and the reduction reaction electrodes 102 are bonded together. The electrode 104 for the reduction reaction, the electrode 104 for the reduction reaction, the electrode 102 for the oxidation reaction, . 6(c) and 6(d), the oxidation catalyst layers 16 are formed on both surfaces of the substrates 116 of the oxidation reaction electrodes 102 of the adjacent sets 120, and the substrates 114 of the reduction reaction electrodes 104 are formed. and the oxidation reaction electrode 102, the reduction reaction electrode 104, the reduction reaction electrode 104, the oxidation reaction electrode 102, . You can also FIG. 6(c) shows a configuration in which the substrates 114 and 116 are glass substrates, the conductive layers 10 are formed on both surfaces, and the reduction catalyst layer 12 and the oxidation catalyst layer 16 are supported. For example, the glass substrate has a thickness of about several millimeters from the viewpoint of mechanical strength and the like. FIG. 6D shows a configuration in which the substrates 114 and 116 are metal substrates (for example, titanium) and the reduction catalyst layer 12 and the oxidation catalyst layer 16 are supported on both sides. The metal substrate can be, for example, about 1 mm thick.

このように、図６（ｂ）～（ｄ）のように酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４をスタックして１つの容器に収納した構成にすることによって、図６（ａ）のように個々の酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４を収納した容器をスタックした場合に比べて化学反応装置１００の体積当たりの酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の反応領域の面積を大きくすることができる。 In this way, by stacking the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 as shown in FIGS. The area of the reaction region of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 per volume of the chemical reaction device 100 is reduced as compared to the case where the containers containing the individual oxidation reaction electrodes 102 and the reduction reaction electrodes 104 are stacked. You can make it bigger.

また、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２との間を電気的に接続し、適切なバイアス電圧を印加した状態とすることが好適である。バイアス電圧を印加する手段は、特に限定されるものではなく、化学電池（一次電池、二次電池等を含む）、定電圧源、太陽電池等が挙げられる。このとき、酸化反応用電極１０２に正極が接続され、還元反応用電極１０４に負極が接続される。 Moreover, it is preferable that the reduction reaction electrode 104 and the oxidation reaction electrode 102 are electrically connected and an appropriate bias voltage is applied. Means for applying a bias voltage are not particularly limited, and examples thereof include chemical batteries (including primary batteries, secondary batteries, etc.), constant voltage sources, solar batteries, and the like. At this time, the positive electrode is connected to the electrode 102 for oxidation reaction, and the negative electrode is connected to the electrode 104 for reduction reaction.

バイアス電源として太陽電池を採用した場合、太陽電池は、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４に隣接して配置することができる。例えば、還元反応用電極１０４の背面に太陽電池セルを配置し、太陽電池セルの正極を酸化反応用電極１０２に接続し、負極を還元反応用電極１０４に接続すればよい。 When a solar cell is employed as the bias power source, the solar cell can be arranged adjacent to the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 . For example, a solar cell may be placed behind the reduction reaction electrode 104 , the positive electrode of the solar cell may be connected to the oxidation reaction electrode 102 , and the negative electrode may be connected to the reduction reaction electrode 104 .

二酸化炭素（ＣＯ_２）からギ酸（ＨＣＯＯＨ）等を合成する場合、水（Ｈ_２Ｏ）は酸化されて二酸化炭素（ＣＯ_２）に電子とプロトンを供給する。ｐＨ７付近では水（Ｈ_２Ｏ）の酸化電位は０．８２Ｖ、還元電位は－０．４１Ｖ（何れもＮＨＥ）である。また、二酸化炭素（ＣＯ_２）から一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メチルアルコール（ＣＨ_３ＯＨ）への還元電位はそれぞれ－０．５３Ｖ，－０．６１Ｖ，－０．３８Ｖである。したがって、酸化電位と還元電位の電位差は１．２０～１．４３Ｖである。 When synthesizing formic acid (HCOOH) or the like from carbon dioxide (CO ₂ ), water (H ₂ O) is oxidized to supply electrons and protons to carbon dioxide (CO ₂ ). Around pH 7, water (H ₂ O) has an oxidation potential of 0.82 V and a reduction potential of −0.41 V (both are NHE). Further, the reduction potentials from carbon dioxide (CO ₂ ) to carbon monoxide (CO), formic acid (HCOOH), and methyl alcohol (CH ₃ OH) are −0.53 V, −0.61 V, and −0.38 V, respectively. . Therefore, the potential difference between the oxidation potential and the reduction potential is 1.20-1.43V.

図７（ａ）～図７（ｃ）は、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の組をスタックした場合のバイアス電源の接続方法の一例を示す。図７（ａ）は、還元反応用電極１０４の裏面同士及び酸化反応用電極１０２の裏面同士を貼り合わせてスタックした構成においてバイアス電源を並列接続した例を示す。また、導電性のない基板１１４，１１６の表面に還元触媒層１２，酸化触媒層１６を形成してスタックした構成においても同様の構成とすることができる。図７（ｂ）は、導電性を有する基板１１４，１１６の表面に還元触媒層１２，酸化触媒層１６を形成してスタックした構成においてバイアス電源を並列接続した例を示す。図７（ｃ）は、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４を交互にスタックした構成が直列接続となるようにバイアス電源を接続した例を示す。 FIGS. 7(a) to 7(c) show an example of a bias power supply connection method when a set of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are stacked. FIG. 7(a) shows an example in which bias power sources are connected in parallel in a structure in which the back surfaces of the electrode 104 for reduction reaction and the back surfaces of the electrode 102 for oxidation reaction are stuck together and stacked. A similar structure can also be employed in a structure in which the reduction catalyst layer 12 and the oxidation catalyst layer 16 are formed on the surfaces of the non-conductive substrates 114 and 116 and stacked. FIG. 7(b) shows an example in which a bias power supply is connected in parallel in a structure in which the reduction catalyst layer 12 and the oxidation catalyst layer 16 are formed on the surfaces of conductive substrates 114 and 116 and stacked. FIG. 7(c) shows an example in which a bias power supply is connected so that the structure in which the oxidation reaction electrodes 102 and the reduction reaction electrodes 104 are alternately stacked is connected in series.

バイアス電源を太陽電池とした場合、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の組を単独で使用すると、図８に示すように太陽電池の効率が悪い動作点で使用されることになる。一方、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の複数の組を並列となるように接続した場合、図８に示すように太陽電池の効率が良い動作点で使用することが可能になる。 When a solar cell is used as the bias power source, if the combination of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 is used alone, it will be used at the operating point where the efficiency of the solar cell is low as shown in FIG. On the other hand, when a plurality of pairs of oxidation reaction electrodes 102 and reduction reaction electrodes 104 are connected in parallel, the solar cell can be used at an efficient operating point as shown in FIG.

なお、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４に対するバイアス電源の接続構成はこれらの例に限定されるものではない。例えば、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の一部を直列、並列又は直並列に接続するようにしてもよい。さらに、接続を切り換えるスイッチを設けて酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４のバイアス電源への接続構成を変更できるようにしてもよい。 The connection configuration of the bias power supply for the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 is not limited to these examples. For example, part of the oxidation reaction electrode 102 and reduction reaction electrode 104 may be connected in series, in parallel, or in series-parallel. Furthermore, a switch for switching connection may be provided to change the connection configuration of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 to the bias power supply.

また、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の特性や反応領域面積は太陽電池の特性や受光面積との関係から設定することが好適である。太陽電池に照射される光（例えば太陽光）の強度が１ｋＷ／ｍ^２のときの太陽電池の最大出力動作点Ｐ_ｍａｘと、太陽電池と接続したときに定まる化学反応装置１００の出力動作点Ｐ_ｗｏｒｋの関係がＰ_ｗｏｒｋ／Ｐ_ｍａｘ≧０．８となるように設定することが好適である。さらに、太陽電池の受光面積Ａ_ｓｃに対して酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の各々の反応領域面積Ａ_Ｅが０．８≦Ａ_Ｅ／Ａ_ｓｃ≦１．２となるように酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の組のスタック数を設定することが好適である。 Moreover, it is preferable to set the characteristics and reaction area of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 in relation to the characteristics of the solar cell and the light receiving area. The maximum output operating point _Pmax of the solar cell when the intensity of light (e.g., sunlight) irradiated to the solar cell is 1 kW/m ² and the output operating point P of the chemical reaction device 100 determined when connected to the solar cell. It is preferable to set the _work relationship P _work /P _max ≧0.8. Furthermore, oxidation is performed so that the reaction area area _AE of each of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 is 0.8≦ _AE / _Asc ≦1.2 with respect to the light receiving area _Asc of the solar cell. It is preferable to set the number of stacks of the set of the reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 .

Ａ_Ｅ／Ａ_ｓｃ＞１．２の関係となる場合には太陽電池に対する酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の各々の反応領域面積が過大となり、太陽電池の動作能力不足となって化学反応装置１００の能力を十分に発揮できない。また、この場合、化学反応装置１００のサイズが不必要に大きくなってしまう。一方、０．８＞Ａ_Ｅ／Ａ_ｓｃの関係となる場合には太陽電池に対する酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の各々の反応領域面積が過小となり、太陽電池の能力が有効に活用されない。 When the relationship of A _E /A _sc >1.2 is satisfied, the reaction region area of each of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 with respect to the solar cell becomes excessively large, resulting in insufficient operating performance of the solar cell. The ability of the reaction device 100 cannot be fully exhibited. Moreover, in this case, the size of the chemical reaction device 100 becomes unnecessarily large. On the other hand, when the relationship 0.8>A _E /A _sc is satisfied, the reaction area area of each of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 with respect to the solar cell becomes too small, and the capacity of the solar cell is effectively utilized. not.

容器１１０は、酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４及びセパレータ１０６を支持すると共に、電解液１０８が流れる流路を構成する部材である。容器１１０は、化学反応装置１００をセルとして構成するために必要な機械的な強度を備える材料で構成される。例えば、容器１１０は、金属、プラスチック等によって構成することができる。 The container 110 is a member that supports the oxidation reaction electrode 102, the reduction reaction electrode 104, and the separator 106, and constitutes a channel through which the electrolytic solution 108 flows. The container 110 is made of a material that has the mechanical strength required to configure the chemical reactor 100 as a cell. For example, container 110 can be constructed of metal, plastic, or the like.

容器１１０には、容器１１０内に電解液１０８を供給するための電解液供給口１１０ａが設けられる。また、容器１１０内から電解液１０８を排出するための電解液排出口１１０ｂが設けられる。すなわち、電解液供給口１１０ａから反応させるための物質を含んだ電解液１０８を容器１１０内に供給し、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４の間の反応領域に電解液１０８を流通させた後、電解液排出口１１０ｂから電解液１０８を容器１１０の外へ排出する。 The container 110 is provided with an electrolytic solution supply port 110 a for supplying the electrolytic solution 108 into the container 110 . Also, an electrolytic solution outlet 110b for discharging the electrolytic solution 108 from the container 110 is provided. That is, an electrolytic solution 108 containing a substance for reaction is supplied into the container 110 from the electrolytic solution supply port 110a, and the electrolytic solution 108 is circulated in the reaction region between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104. After that, the electrolytic solution 108 is discharged out of the container 110 from the electrolytic solution outlet 110b.

また、容器１１０には、化学反応装置１００における反応によって生じた気体を容器１１０から排出させる排気口１１０ｃが設けられる。容器１１０において、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４が配置された反応領域よりも鉛直方向に沿って上方に排気口１１０ｃを配置することが好適である。 Further, the container 110 is provided with an exhaust port 110c for discharging the gas generated by the reaction in the chemical reaction device 100 from the container 110 . In the container 110, it is preferable to arrange the exhaust port 110c vertically above the reaction area where the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are arranged.

さらに、容器１１０には、電解液１０８を電解液排出口１１０ｂへ導くための越流口１１０ｅが設けられる。越流口１１０ｅは、容器１１０内に供給された電解液１０８が一定の量を超えると電解液１０８を溢れ出させるための構造をいう。容器１１０内において酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４が配置された領域と電解液排出口１１０ｂとを仕切る越流壁１１０ｄを設け、越流壁１１０ｄの鉛直方向（Ｚ方向）の上端部が電解液１０８を電解液排出口１１０ｂへ越流させる開口を形成することで越流口１１０ｅを構成することができる。越流口１１０ｅは、鉛直方向（Ｚ方向）に沿って排気口１１０ｃよりも低い位置に設ける。 Furthermore, the container 110 is provided with an overflow port 110e for guiding the electrolytic solution 108 to the electrolytic solution outlet 110b. The overflow port 110e is a structure for causing the electrolytic solution 108 to overflow when the electrolytic solution 108 supplied into the container 110 exceeds a certain amount. An overflow wall 110d is provided to separate the region where the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are arranged in the container 110 from the electrolytic solution outlet 110b. The overflow port 110e can be formed by forming an opening for overflowing the electrolytic solution 108 to the electrolytic solution outlet 110b. The overflow port 110e is provided at a position lower than the exhaust port 110c along the vertical direction (Z direction).

このとき、越流壁１１０ｄの鉛直方向（Ｚ方向）の上端部は、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の鉛直方向（Ｚ方向）の上端部よりも高い位置とすることが好適である。これにより、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の全体が電解液１０８に浸された状態で越流口１１０ｅから電解液１０８を越流させることができる。 At this time, the vertical (Z-direction) upper end of the overflow wall 110d is preferably positioned higher than the vertical (Z-direction) upper ends of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104. be. As a result, the electrolytic solution 108 can be caused to overflow from the overflow port 110 e in a state in which the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are entirely immersed in the electrolytic solution 108 .

本実施の形態では、排気口１１０ｃとは別に電解液１０８を容器１１０から排出させる越流口１１０ｅを設けることによって、反応によって電解液１０８中で生じた気体を電解液１０８から分離して、当該気体は排気口１１０ｃから排出させ、電解液１０８は越流口１１０ｅを介して電解液排出口１１０ｂから排出させることができる。 In the present embodiment, an overflow port 110e for discharging the electrolytic solution 108 from the container 110 is provided separately from the exhaust port 110c, thereby separating the gas generated in the electrolytic solution 108 by the reaction from the electrolytic solution 108 and The gas can be discharged from the exhaust port 110c, and the electrolyte solution 108 can be discharged from the electrolyte solution exhaust port 110b via the overflow port 110e.

越流口１１０ｅは、図９（ａ）に示すように、単一の矩形の長穴とすることができる。また、越流口１１０ｅは、図９（ｂ）に示すように、複数の矩形の長穴を並べた構成としてもよい。また、越流口１１０ｅは、図９（ｃ）に示すように、複数の円形穴を並べた構成としてもよい。ただし、越流口１１０ｅは、これらの構成例に限定されるものではない。 The overflow port 110e can be a single rectangular slot as shown in FIG. 9(a). Moreover, as shown in FIG. 9B, the overflow port 110e may be configured by arranging a plurality of rectangular long holes. Moreover, as shown in FIG. 9C, the overflow port 110e may be configured by arranging a plurality of circular holes. However, the overflow port 110e is not limited to these configuration examples.

越流口１１０ｅは、図１０のＸ－Ｚ面部分拡大図に示すように、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４において気体を発生させる反応を生じさせる反応面Ｘと最短距離で結んだラインＹと鉛直方向（Ｚ方向）のラインＺとのなす角θが３０°以下となるように設けることが好適である。 As shown in the XZ plane partial enlarged view of FIG. 10, the overflow port 110e is connected at the shortest distance to the reaction surface X that causes the reaction to generate gas in the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104. It is preferable to set the angle θ between the line Y and the line Z in the vertical direction (Z direction) to be 30° or less.

このように越流口１１０ｅを配置することによって、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の反応面の全体に対して略均一に電解液１０８が供給されるようにすることができる。 By arranging the overflow port 110 e in this way, the electrolytic solution 108 can be substantially uniformly supplied to the entire reaction surfaces of the electrode 102 for oxidation reaction and the electrode 104 for reduction reaction.

さらに、化学反応装置１００には、オリフィス板１１２が設けられる。オリフィス板１１２は、電解液供給口１１０ａから容器１１０内へ導入される電解液１０８の流れを制限する貫通孔であるオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂが設けられた板状部材である。オリフィス板１１２は、容器１１０において電解液供給口１１０ａから酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４が設けられた領域に至る流路上に配置される。オリフィス板１１２は、必要な機械的な強度を備える材料で構成される。例えば、オリフィス板１１２は、金属、プラスチック等によって構成することができる。 Furthermore, the chemical reactor 100 is provided with an orifice plate 112 . The orifice plate 112 is a plate-like member provided with orifice holes 112a and 112b, which are through holes for restricting the flow of the electrolyte 108 introduced into the container 110 from the electrolyte supply port 110a. The orifice plate 112 is arranged on the flow channel extending from the electrolyte supply port 110a in the container 110 to the region where the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are provided. Orifice plate 112 is constructed of a material that provides the necessary mechanical strength. For example, orifice plate 112 may be constructed of metal, plastic, or the like.

図１１は、オリフィス板１１２の構成を示す模式図である。図１１は、化学反応装置１００のＸ－Ｙ面の主要部の断面をＺ方向の上方から下方に向けてみた図である。図１２は、図１１の破線で囲んだ領域の部分拡大図である。 FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of the orifice plate 112. As shown in FIG. FIG. 11 is a view of the cross section of the main part of the XY plane of the chemical reaction device 100 viewed from above in the Z direction. FIG. 12 is a partially enlarged view of the area enclosed by the dashed line in FIG. 11. FIG.

酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４及びセパレータ１０６はＸ－Ｚ面内に拡がり、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４との間にセパレータ１０６が配置されている。図１１の例では、酸化反応用電極１０２、セパレータ１０６及び還元反応用電極１０４の組がＹ方向に沿って５組スタックされている。 The oxidation reaction electrode 102, the reduction reaction electrode 104, and the separator 106 extend in the XZ plane, and the separator 106 is arranged between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104. FIG. In the example of FIG. 11, five sets of oxidation reaction electrodes 102, separators 106, and reduction reaction electrodes 104 are stacked along the Y direction.

化学反応装置１００では、酸化反応用電極１０２とセパレータ１０６とによって形成される空間及び還元反応用電極１０４とセパレータ１０６とによって形成される空間が電解液１０８を流すための流路となる。オリフィス板１１２は、電解液供給口１１０ａからこれらの流路との間に配置される。オリフィス板１１２には、酸化反応用電極１０２とセパレータ１０６とによって形成される流路と電解液供給口１１０ａとの間を繋ぐオリフィス孔１１２ａと、還元反応用電極１０４とセパレータ１０６とによって形成される流路と電解液供給口１１０ａとの間を繋ぐオリフィス孔１１２ｂが設けられる。オリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの径は例えば０．５ｍｍとし、間隔は例えば１０ｍｍとすればよい。 In the chemical reaction device 100, the space formed by the oxidation reaction electrode 102 and the separator 106 and the space formed by the reduction reaction electrode 104 and the separator 106 serve as channels for the electrolytic solution 108 to flow. An orifice plate 112 is arranged between the electrolyte supply port 110a and these channels. The orifice plate 112 is formed by an orifice hole 112a connecting between the flow path formed by the oxidation reaction electrode 102 and the separator 106 and the electrolytic solution supply port 110a, and by the reduction reaction electrode 104 and the separator 106. An orifice hole 112b is provided to connect between the flow path and the electrolytic solution supply port 110a. The orifice holes 112a and 112b may have a diameter of, for example, 0.5 mm and an interval of, for example, 10 mm.

したがって、電解液供給口１１０ａから供給された電解液１０８は、電解液供給口１１０ａからオリフィス板１１２までの空間に溜められた後、オリフィス孔１１２ａ，１１２ｂを介して酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４との間の流路に噴出される。酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４との間の流路に電解液１０８が流れ込むと当該流路が電解液１０８によって満たされる。さらに、電解液１０８が越流口１１０ｅの縁を超える量に達すると、電解液１０８は越流口１１０ｅから電解液排出口１１０ｂへ流れ込んで容器１１０から排出される。 Therefore, the electrolytic solution 108 supplied from the electrolytic solution supply port 110a is stored in the space from the electrolytic solution supply port 110a to the orifice plate 112, and then passes through the orifice holes 112a and 112b to the oxidation reaction electrode 102 for reduction reaction. It is ejected into the flow path between the electrode 104 and the nozzle. When the electrolyte 108 flows into the channel between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 , the channel is filled with the electrolyte 108 . Furthermore, when the amount of electrolyte 108 exceeds the edge of overflow port 110 e , electrolyte 108 flows from overflow port 110 e into electrolyte outlet 110 b and is discharged from container 110 .

ここで、電解液１０８が流れる流路における電解液１０８の流れ方向（ここではＺ方向）に垂直な断面の面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を０．３％以上９％以下とすることが好適である。さらに、電解液１０８が流れる流路における電解液１０８の流れ方向（ここではＺ方向）に垂直な断面の面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を１．４％以上３．６％以下とすることがより好適である。このように、オリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの面積を流路面積に対して適切に絞ることによって、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４との間に形成された流路における電解液１０８の流れを均一にすることができる。 Here, the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the area of the cross section perpendicular to the flow direction of the electrolyte 108 (here, the Z direction) in the flow path through which the electrolyte 108 flows is set to 0.3% or more and 9% or less. It is preferable to Furthermore, the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the area of the cross section perpendicular to the flow direction of the electrolyte 108 (here, the Z direction) in the flow path through which the electrolyte 108 flows is 1.4% or more and 3.6% or less. It is more preferable to set In this way, by appropriately reducing the areas of the orifice holes 112a and 112b with respect to the channel area, the electrolyte 108 flows in the channel formed between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104. can be made uniform.

また、電解液１０８を供給するための電解液供給口１１０ａの総面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を２０％以上１２６％以下とすることが好適である。さらに、電解液１０８を供給するための電解液供給口１１０ａの総面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を２０％以上５０％以下とすることがより好適である。これによって、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４との間に形成された流路における電解液１０８の流れをさらに均一にすることができる。 Also, it is preferable that the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the total area of the electrolyte supply port 110a for supplying the electrolyte 108 is 20% or more and 126% or less. Furthermore, it is more preferable to set the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the total area of the electrolyte supply port 110a for supplying the electrolyte 108 to 20% or more and 50% or less. Thereby, the flow of the electrolytic solution 108 in the channel formed between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 can be made more uniform.

なお、電解液１０８が流れる流路における電解液１０８の流れ方向に垂直な面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合及び電解液供給口１１０ａの総面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合の条件はいずれか一方を満たすことによって電解液１０８の流れをさらに均一にすることができる。ただし、両方の条件を同時に満たすことによって電解液１０８の流れをより均一にすることができる。 The ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the area perpendicular to the flow direction of the electrolyte 108 in the flow path through which the electrolyte 108 flows and the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the total area of the electrolyte supply port 110a The flow of the electrolytic solution 108 can be made more uniform by satisfying either one of the ratio conditions. However, by satisfying both conditions at the same time, the flow of electrolyte 108 can be made more uniform.

また、オリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの孔径は、電解液供給口１１０ａからの距離が大きくなるにつれて大きくすることが好適である。すなわち、オリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの孔径を均一にした場合には電解液供給口１１０ａから遠くなるにつれて電解液１０８の流量が少なくなる傾向があるので、電解液供給口１１０ａからの距離が大きくなるにつれてオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの孔径を大きくすることで電解液１０８の流量の分布をより均一にすることができる。 Moreover, it is preferable that the diameters of the orifice holes 112a and 112b increase as the distance from the electrolytic solution supply port 110a increases. That is, when the diameters of the orifice holes 112a and 112b are made uniform, the flow rate of the electrolytic solution 108 tends to decrease as the distance from the electrolytic solution supply port 110a increases. By increasing the hole diameters of the orifice holes 112a and 112b, the distribution of the flow rate of the electrolytic solution 108 can be made more uniform.

例えば、電解液供給口１１０ａからの距離に比例させてオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの孔径を大きくすることが好適である。また、例えば、電解液供給口１１０ａからの距離の２乗に比例させてオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの孔径を大きくすることが好適である。 For example, it is preferable to increase the hole diameters of the orifice holes 112a and 112b in proportion to the distance from the electrolyte supply port 110a. Also, for example, it is preferable to increase the hole diameters of the orifice holes 112a and 112b in proportion to the square of the distance from the electrolytic solution supply port 110a.

また、オリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの間隔は、電解液供給口１１０ａからの距離が大きくなるにつれて小さくすることが好適である。すなわち、オリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの間隔を均一にした場合には電解液供給口１１０ａから遠くなるにつれて電解液１０８の流量が少なくなる傾向があるので、電解液供給口１１０ａからの距離が大きくなるにつれてオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの間隔を小さくすることで電解液１０８の流量の分布をより均一にすることができる。 Moreover, it is preferable that the distance between the orifice holes 112a and 112b be decreased as the distance from the electrolytic solution supply port 110a is increased. That is, when the orifice holes 112a and 112b are spaced uniformly, the flow rate of the electrolytic solution 108 tends to decrease as the distance from the electrolytic solution supply port 110a increases. By reducing the distance between the orifice holes 112a and 112b, the distribution of the flow rate of the electrolytic solution 108 can be made more uniform.

例えば、電解液供給口１１０ａからの距離に比例させてオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの間隔を小さくすることが好適である。また、例えば、電解液供給口１１０ａからの距離の２乗に比例させてオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの間隔を小さくすることが好適である。 For example, it is preferable to reduce the distance between the orifice holes 112a and 112b in proportion to the distance from the electrolyte supply port 110a. Also, for example, it is preferable to reduce the distance between the orifice holes 112a and 112b in proportion to the square of the distance from the electrolytic solution supply port 110a.

酸化反応用電極１０２の反応面では電解液１０８の水の酸化が行われるのに対して、還元反応用電極１０４の反応面では電解液１０８に含まれる物質の還元が行われる。そして、イオンがセパレータ１０６を介して交換される。したがって、酸化反応用電極１０２において行われる酸化反応に要する水は十分供給される。さらに、還元反応用電極１０４において行われる還元反応に要する物質も十分供給されることが好ましい。そこで、還元反応用電極１０４とセパレータ１０６とによって形成される流路に対して設けられたオリフィス孔１１２ｂの総面積は、酸化反応用電極１０２とセパレータ１０６とによって形成される流路に対して設けられたオリフィス孔１１２ａの総面積より大きくすることが好適である。 Water in the electrolytic solution 108 is oxidized on the reaction surface of the oxidation reaction electrode 102 , whereas substances contained in the electrolytic solution 108 are reduced on the reaction surface of the reduction reaction electrode 104 . Ions are then exchanged through the separator 106 . Therefore, sufficient water is supplied for the oxidation reaction that takes place in the oxidation reaction electrode 102 . Furthermore, it is preferable that the substances necessary for the reduction reaction that takes place at the reduction reaction electrode 104 are also sufficiently supplied. Therefore, the total area of the orifice holes 112b provided for the flow path formed by the reduction reaction electrode 104 and the separator 106 is the total area provided for the flow path formed by the oxidation reaction electrode 102 and the separator 106. is preferably larger than the total area of the orifice holes 112a.

例えば、電解液１０８に含有させる反応基質が二酸化炭素（ＣＯ_２）である場合、還元反応用電極１０４の反応面に供給される二酸化炭素（ＣＯ_２）の量を増加させることで還元の反応の効率を向上させることができる。 For example, when the reaction substrate to be contained in the electrolytic solution 108 is carbon dioxide (CO ₂ ), the amount of carbon dioxide (CO ₂ ) supplied to the reaction surface of the reduction reaction electrode 104 is increased to promote the reduction reaction. Efficiency can be improved.

具体的には、オリフィス孔１１２ｂの総面積は、オリフィス孔１１２ａの総面積の４倍以上９倍以下であることが好適である。オリフィス孔１１２ａとオリフィス孔１１２ｂの総面積の比を当該範囲に設定することによって、還元の反応の効率をより向上させることができる。 Specifically, the total area of the orifice holes 112b is preferably four to nine times the total area of the orifice holes 112a. By setting the ratio of the total area of the orifice holes 112a and the orifice holes 112b within this range, the efficiency of the reduction reaction can be further improved.

なお、本実施の形態では、セパレータ１０６にはＹ方向に向けて突出させた整流板１０６ａが設けられている。整流板１０６ａは、電解液供給口１１０ａから越流口１１０ｅへ向かう方向（ここではＺ方向）に沿って延設されており、当該方向と交差する方向（ここではＸ方向）に沿った電解液１０８の流れを制限する。これによって、電解液供給口１１０ａから越流口１１０ｅへ向かう方向（ここではＺ方向）に電解液１０８の流れを整えることができる。 In this embodiment, the separator 106 is provided with a rectifying plate 106a protruding in the Y direction. The current plate 106a extends along a direction (here, the Z direction) from the electrolyte supply port 110a toward the overflow port 110e, and flows the electrolyte along a direction (here, the X direction) intersecting with the direction. 108 flow restriction. As a result, the flow of the electrolytic solution 108 can be adjusted in the direction from the electrolytic solution supply port 110a to the overflow port 110e (here, the Z direction).

図１１の例では、酸化反応用電極１０２、セパレータ１０６及び還元反応用電極１０４の組毎に整流板１０６ａが６個ずつ設けられた例を示している。したがって、整流板１０６ａによって、酸化反応用電極１０２とセパレータ１０６とによって形成される流路及び還元反応用電極１０４とセパレータ１０６とによって形成される流路が７つの領域に区画される。 The example of FIG. 11 shows an example in which six rectifying plates 106a are provided for each set of the electrode 102 for oxidation reaction, the separator 106 and the electrode 104 for reduction reaction. Therefore, the flow path formed by the oxidation reaction electrode 102 and the separator 106 and the flow path formed by the reduction reaction electrode 104 and the separator 106 are partitioned into seven regions by the current plate 106a.

このように、整流板１０６ａを設けることによって電解液１０８の流れをより均一に保つことができる。特に、オリフィス孔１１２ａ，１１２ｂと整流板１０６ａとを組み合わせることによって、電解液１０８の流れに交差する方向（ここではＸ方向）に沿った電解液１０８の流量の分布をより均一にすることができる。 Thus, the flow of the electrolytic solution 108 can be kept more uniform by providing the current plate 106a. In particular, by combining the orifice holes 112a, 112b and the rectifying plate 106a, the distribution of the flow rate of the electrolytic solution 108 along the direction intersecting the flow of the electrolytic solution 108 (here, the X direction) can be made more uniform. .

＜実施例１＞
図１３は、実施例１における化学反応装置１００の構成例を示す模式図である。実施例１では、オリフィス板１１２の代わりに管状のマニホールド１３０を設けた。越流口１１０ｅは、１つの長方形状とし、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の反応面と最短距離で結んだラインと鉛直方向（Ｚ方向）のラインとのなす角θは１７．０°であった。 <Example 1>
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration example of the chemical reaction apparatus 100 in Example 1. As shown in FIG. In Example 1, a tubular manifold 130 was provided instead of the orifice plate 112 . The overflow port 110e has a rectangular shape, and the angle θ between the line connecting the reaction surfaces of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 at the shortest distance and the line in the vertical direction (Z direction) is 17.5 mm. was 0°.

酸化反応用電極１０２にはＩｒＯｘ（日進化成：アノデック１００）を用いた。還元反応用電極１０４にはカーボンペーパー／マルチウォールカーボンナノチューブにＲｕ錯体ポリマーを担持させてチタン基板にカーボン系接着剤を用いて貼り付けたものを用いた。酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４は、触媒を担持させた反応面を対向させて容器１１０内に一組配置した。酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４には直流電源を用いて電圧１．８Ｖを印加した。セパレータ１０６や整流板は設けなかった。電解液１０８は、別の容器にてバブリングによりＣＯ_２を飽和溶解させた０．４Ｍリン酸緩衝液とし、ポンプを用いて円筒管状のマニホールド１３０から供給した。 IrOx (Nisshin Seisaku: Anodek 100) was used for the oxidation reaction electrode 102 . As the reduction reaction electrode 104, carbon paper/multi-walled carbon nanotube supporting a Ru complex polymer was attached to a titanium substrate using a carbon-based adhesive. A set of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 was arranged in the container 110 so that the reaction surfaces carrying the catalyst faced each other. A voltage of 1.8 V was applied to the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 using a DC power supply. No separator 106 or current plate was provided. The electrolytic solution 108 was a 0.4 M phosphate buffer solution in which CO ₂ was saturated and dissolved by bubbling in another container, and supplied from a cylindrical manifold 130 using a pump.

本実施例では、電解液１０８の流れを制御するための整流板を設けなかったにもかかわらず、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の間の流路全体において生成された気体の気泡がマニホールド１３０から越流口１１０ｅに向かってＸ方向に沿って何れの箇所でも同じ速さで移動することが確認できた。すなわち、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の間の流路全体において電解液１０８の流速は一定であった。 In this example, gas bubbles generated in the entire flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 were not provided for controlling the flow of the electrolytic solution 108. moved from the manifold 130 toward the overflow port 110e along the X direction at the same speed at any point. That is, the flow velocity of the electrolytic solution 108 was constant in the entire channel between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 .

図１４は、実施例１において二酸化炭素の還元反応を繰り返したときの電流密度の経時変化を示す。ここでは、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４との間へ電圧（１．８Ｖ）を３０分継続して印加し、３０分毎に電圧印加を停止する処理を４回（＃１～＃４）繰り返した時の電流密度の経時的な変化を示した。図１４において、４回の電流密度の経時的な変化が完全に重なっていることから、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の劣化がなかったことが理解される。 14 shows changes over time in current density when the reduction reaction of carbon dioxide was repeated in Example 1. FIG. Here, a process of continuously applying a voltage (1.8 V) between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 for 30 minutes and stopping the voltage application every 30 minutes was performed four times (#1 to #4) Shows the change in current density over time when repeated. In FIG. 14, four changes in current density over time are completely overlapped, so it can be understood that the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 did not deteriorate.

＜実施例２＞
図１～図３に示した化学反応装置１００の構成例を実施例２とした。実施例２では、越流口１１０ｅは、１つの長方形状とし、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の反応面と最短距離で結んだラインと鉛直方向（Ｚ方向）のラインとのなす角θは０とした。すなわち、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の反応面のＸ方向全体に越流口１１０ｅを形成した。 <Example 2>
A structural example of the chemical reaction apparatus 100 shown in FIGS. 1 to 3 is referred to as a second embodiment. In Example 2, the overflow port 110e is a single rectangular shape formed by a line connecting the reaction surfaces of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 at the shortest distance and a line in the vertical direction (Z direction). The angle θ was set to 0. That is, the overflow port 110e was formed over the entire reaction surfaces of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 in the X direction.

酸化反応用電極１０２にはＳｎＯ_２：Ｆ（ＦＴＯ）が表面に形成されたガラス基板上にＩｒＯｘコロイドを担持したものを用いた。還元反応用電極１０４にはカーボンペーパー／マルチウォールカーボンナノチューブにＲｕ錯体ポリマーを担持させたものを用いた。酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４のサイズは３６０ｍｍ角であった。電解液１０８は、別の容器にてバブリングによりＣＯ_２を飽和溶解させた０．４Ｍリン酸緩衝液とし、電解液供給口１１０ａからオリフィス板１１２を介して供給した。酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４は、図１１の例に示したように触媒を担持させた反応面を対向させて容器１１０内に５組スタックして配置した。 As the electrode 102 for oxidation reaction, a glass substrate having SnO ₂ :F (FTO) formed on its surface and carrying an IrOx colloid was used. Carbon paper/multi-walled carbon nanotube supporting Ru complex polymer was used as the reduction reaction electrode 104 . The size of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 was 360 mm square. The electrolytic solution 108 was a 0.4 M phosphate buffer solution in which CO ₂ was saturated and dissolved by bubbling in another container, and was supplied from the electrolytic solution supply port 110 a through the orifice plate 112 . The oxidation reaction electrodes 102 and the reduction reaction electrodes 104 were arranged in a stack of five sets in the vessel 110 so that the reaction surfaces carrying the catalyst faced each other as shown in the example of FIG. 11 .

セパレータ１０６や整流板１０６ａも配置した。酸化反応用電極１０２とセパレータ１０６とによって形成される空間及び還元反応用電極１０４とセパレータ１０６とによって形成される空間を電解液１０８が流れるための流路とした。オリフィス板１１２は、酸化反応用電極１０２側のオリフィス孔１１２ａを孔径φ＝１ｍｍ、還元反応用電極１０４側のオリフィス孔１１２ｂを孔径φ＝１．５ｍｍとした。また、図１１及び図１３に示したように、整流板１０６ａで区切られた各流路において酸化反応用電極１０２側のオリフィス孔１１２ａを１つに対して還元反応用電極１０４側のオリフィス孔１１２ｂを４つ配置した。 A separator 106 and a straightening plate 106a are also arranged. A space formed by the oxidation reaction electrode 102 and the separator 106 and a space formed by the reduction reaction electrode 104 and the separator 106 were used as channels for the electrolytic solution 108 to flow. In the orifice plate 112, the orifice hole 112a on the oxidation reaction electrode 102 side has a hole diameter of φ=1 mm, and the orifice hole 112b on the reduction reaction electrode 104 side has a hole diameter of φ=1.5 mm. Further, as shown in FIGS. 11 and 13, in each flow path partitioned by the rectifying plate 106a, one orifice hole 112a on the oxidation reaction electrode 102 side and one orifice hole 112b on the reduction reaction electrode 104 side are arranged. were placed.

酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４には直流電源として結晶系シリコン太陽電池を６つ直列接続して電圧を印加した。 Voltage was applied to the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 by connecting six crystalline silicon solar cells in series as DC power sources.

図１５は、流体解析ソフト（Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ）を用いて実施例２における電解液１０８の流量分布をシミュレーションした結果を示す。電解液１０８の流量は、容器１１０内の流路の何れの方向に対してもほぼ均一であり、その分布［（流量の最大値－流量の平均値）／（流量の平均値）］は６．１４％であった。 FIG. 15 shows the result of simulating the flow rate distribution of the electrolytic solution 108 in Example 2 using fluid analysis software (Solidworks). The flow rate of the electrolytic solution 108 is substantially uniform in any direction of the flow path in the container 110, and its distribution [(maximum flow rate−average flow rate)/(average flow rate)] is 6. .14%.

図１６は、実施例２における容器１１０の圧力及び電解液流量の変化を示す図である。すなわち、太陽電池に対して光を照射した状態（ＯＮ状態）と照射しない状態（ＯＦＦ状態）とにしたときの容器１１０内の電解液１０８の圧力と流量の時間変化を示す。光を照射したときには、酸化反応用電極１０２にて水（Ｈ_２Ｏ）の酸化反応及び還元反応用電極１０４にて二酸化炭素（ＣＯ_２）の還元反応が生じるので、酸素（Ｏ_２）の気泡が発生する。しかし、実施例２では、発生した酸素（Ｏ_２）は排気口１１０ｃから、電解液１０８は越流口１１０ｅを経由して電解液排出口１１０ｂからそれぞれ排出されるので、容器１１０内の圧力は光を照射した状態と照射しない状態において変化はなかった。また、容器１１０内における電解液１０８の流量の変動もみられなかった。 FIG. 16 is a diagram showing changes in the pressure of the container 110 and the flow rate of the electrolytic solution in Example 2. FIG. That is, it shows temporal changes in the pressure and flow rate of the electrolytic solution 108 in the container 110 when the solar cell is irradiated with light (ON state) and not irradiated with light (OFF state). When light is irradiated, an oxidation reaction of water (H ₂ O) occurs at the oxidation reaction electrode 102 and a reduction reaction of carbon dioxide (CO ₂ ) occurs at the reduction reaction electrode 104, resulting in oxygen (O ₂ ) bubbles. occurs. However, in Example 2, the generated oxygen (O ₂ ) is discharged from the exhaust port 110c, and the electrolytic solution 108 is discharged from the electrolytic solution discharge port 110b via the overflow port 110e. There was no change between the light irradiation state and the non-irradiation state. Moreover, no change in the flow rate of the electrolytic solution 108 in the container 110 was observed.

＜比較例１＞
酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４は、触媒を担持させた反応面を対向させて容器１１０内に一組配置した。越流口１１０ｅを設ける代わりに容器１１０の上面に電解液及びガスに対する共通の排出口を２つ設けた構成を比較例１とした。すなわち、電解液１０８及び反応によって生じた気体はいずれも排出口から容器１１０外に排出される構成とした。なお、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の反応面と排出口とを最短距離で結んだラインと鉛直方向（Ｚ方向）のラインとのなす角θは３３．０°であった。 <Comparative Example 1>
A set of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 was arranged in the container 110 so that the reaction surfaces carrying the catalyst faced each other. A comparative example 1 has a configuration in which two common discharge ports for the electrolytic solution and the gas are provided on the upper surface of the container 110 instead of providing the overflow port 110e. That is, both the electrolytic solution 108 and the gas generated by the reaction are discharged out of the container 110 through the discharge port. The angle θ between the line connecting the reaction surfaces of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 and the outlet at the shortest distance and the line in the vertical direction (Z direction) was 33.0°.

また、比較例１では、オリフィス板１１２の代わりに実施例１と同様に円筒管状のマニホールド１３０を設けた。整流板１０６ａは設けなかった。 Further, in Comparative Example 1, instead of the orifice plate 112, a cylindrical tubular manifold 130 was provided in the same manner as in Example 1. FIG. No straightening plate 106a was provided.

図１７は、流体解析ソフト（Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ）を用いて比較例１における電解液１０８の流量分布のシミュレーションした結果を示す。電解液１０８は、容器１１０内の各所において渦を巻いて流れた。図中に示した評価位置における電解液１０８の（流量の最大値）／（流量の最小値）はほぼ５倍であった。 FIG. 17 shows the results of simulating the flow rate distribution of the electrolytic solution 108 in Comparative Example 1 using fluid analysis software (Solidworks). Electrolyte 108 swirled and flowed at various locations within container 110 . The ratio of (maximum value of flow rate)/(minimum value of flow rate) of the electrolytic solution 108 at the evaluation position shown in the figure was approximately five times.

＜比較例２＞
比較例１における構成に対して、整流板１０６ａを設けた以外は同様の構成とした。酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４には直流電源として結晶系シリコン太陽電池を４つ直列接続して電圧を印加した。 <Comparative Example 2>
The configuration was the same as that of Comparative Example 1, except that a rectifying plate 106a was provided. A voltage was applied to the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 by connecting four crystalline silicon solar cells in series as DC power sources.

図１８は、太陽電池に対して光を照射した状態（ＯＮ状態）と照射しない状態（ＯＦＦ状態）とを繰り返したときの容器１１０内の電解液１０８の圧力と流量の時間変化を示す。光を照射したときには、酸化反応用電極１０２にて水（Ｈ_２Ｏ）の酸化反応及び還元反応用電極１０４にて二酸化炭素（ＣＯ_２）の還元反応が生じる。これよって、酸化反応用電極１０２にて酸素（Ｏ_２）が発生するため、容器１１０内の電解液１０８の平均圧力が上昇し、電解液１０８の流量が変動した。このとき、容器１１０の上部左右の隅部では、気泡が上から下へ移動する様子が目視で観察された。すなわち、電解液１０８が通常の下から上への流れに逆らって上から下へと流れる領域が存在することが確認された。光の照射を停止すると電解液１０８の平均圧力は低下した。 FIG. 18 shows temporal changes in the pressure and flow rate of the electrolytic solution 108 in the container 110 when the solar cell is repeatedly illuminated (ON state) and not illuminated (OFF state). When irradiated with light, an oxidation reaction of water (H ₂ O) occurs at the oxidation reaction electrode 102 and a reduction reaction of carbon dioxide (CO ₂ ) occurs at the reduction reaction electrode 104 . As a result, oxygen (O ₂ ) was generated at the oxidation reaction electrode 102, so that the average pressure of the electrolytic solution 108 in the container 110 increased and the flow rate of the electrolytic solution 108 fluctuated. At this time, at the left and right corners of the upper portion of the container 110, it was visually observed that the air bubbles moved from top to bottom. That is, it was confirmed that there was a region where the electrolytic solution 108 flowed from top to bottom against the normal flow from bottom to top. When the light irradiation was stopped, the average pressure of the electrolytic solution 108 decreased.

光を照射した状態では、電解液１０８の圧力と流量の変動は一定ではなく、上下動を繰り返した。したがって、電解液１０８の供給量を一定にするようにポンプの出力をフィードバック制御しても十分に機能しなかった。 While the light was irradiated, the pressure and flow rate of the electrolytic solution 108 were not constant, but repeatedly moved up and down. Therefore, even if the output of the pump is feedback-controlled so as to keep the supply amount of the electrolytic solution 108 constant, it does not function sufficiently.

図１９は、比較例２における電解液１０８の流量分布のシミュレーション結果を示す。比較例１に対して、整流板１０６ａを設けたことによって、電解液１０８は容器１１０においておおよそ対称の分布を示した。しかしながら、図中に示した評価位置における電解液１０８の流量は排出口から遠ざかるにしたがって約１／３まで減少した。 FIG. 19 shows simulation results of the flow rate distribution of the electrolytic solution 108 in Comparative Example 2. FIG. Compared to Comparative Example 1, the distribution of the electrolytic solution 108 in the container 110 was approximately symmetrical due to the provision of the rectifying plate 106a. However, the flow rate of the electrolytic solution 108 at the evaluation position shown in the figure decreased to about 1/3 as the distance from the outlet increased.

＜実施例３～９＞
図１～図３に示した化学反応装置１００の構成例において、電解液１０８が流れる流路における電解液１０８の流れ方向（ここではＺ方向）に垂直な断面の面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合及び電解液１０８を供給するための電解液供給口１１０ａの総面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を変化させて実施例３～実施例９とした。なお、セパレータ１０６や整流板１０６ａも配置した。 <Examples 3 to 9>
In the configuration example of the chemical reaction device 100 shown in FIGS. 1 to 3, the number of orifice holes 112a and 112b relative to the area of the cross section perpendicular to the flow direction of the electrolyte 108 (here, the Z direction) in the flow path through which the electrolyte 108 flows. Examples 3 to 9 were obtained by changing the ratio of the total area and the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the total area of the electrolytic solution supply port 110a for supplying the electrolytic solution . A separator 106 and a current plate 106a are also arranged.

具体的には、表１に示すように、電解液１０８が流れる流路における電解液１０８の流れ方向（ここではＺ方向）に垂直な断面の面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を０．３５％から８．９８％まで変更し、電解液１０８を供給するための電解液供給口１１０ａの総面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を４．９５％から１２５．２８％まで変更してそれぞれ実施例３～実施例９とした。

Specifically, as shown in Table 1, the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the area of the cross section perpendicular to the flow direction of the electrolyte 108 (here, the Z direction) in the flow path through which the electrolyte 108 flows is 0.35% to 8.98%, and the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the total area of the electrolyte supply port 110a for supplying the electrolyte 108 is changed from 4.95% to 125.28%. to Examples 3 to 9, respectively.

実施例３～実施例９について、流体解析ソフト（Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ）を用いて化学反応装置１００内の電解液１０８の流れをシミュレーションした。電解液供給口１１０ａにおける流量は２リットル／ｍｉｎに設定した。 For Examples 3 to 9, the flow of the electrolytic solution 108 in the chemical reaction device 100 was simulated using fluid analysis software (Solidworks). The flow rate at the electrolytic solution supply port 110a was set to 2 liters/min.

＜比較例３＞
図１～図３に示した化学反応装置１００の構成例において、電解液１０８が流れる流路における電解液１０８の流れ方向（ここではＺ方向）に垂直な断面の面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を０．０９％及び電解液１０８を供給するための電解液供給口１１０ａの総面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を１２．３５％にした構成を比較例３とした。なお、セパレータ１０６や整流板１０６ａも配置した。 <Comparative Example 3>
In the configuration example of the chemical reaction device 100 shown in FIGS. 1 to 3, the number of orifice holes 112a and 112b relative to the area of the cross section perpendicular to the flow direction of the electrolyte 108 (here, the Z direction) in the flow path through which the electrolyte 108 flows. Comparative Example 3 has a configuration in which the ratio of the total area is 0.09% and the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the total area of the electrolyte supply port 110a for supplying the electrolyte 108 is 12.35%. did. A separator 106 and a current plate 106a are also arranged.

＜シミュレーション結果＞
図２０は、実施例７においてシミュレーションを行った結果を示す。また、図２１は、実施例９においてシミュレーションを行った結果を示す。 <Simulation result>
FIG. 20 shows the results of simulation in Example 7. FIG. Moreover, FIG. 21 shows the result of having performed the simulation in Example 9. FIG.

図２２は、実施例７及び実施例９における化学反応装置１００の各流路における電解液１０８の流量を示す図である。図２２は、図２３に示すように、Ｘ方向に沿って整流板１０６ａで区切られた１～７の列とＹ方向に沿ってセパレータ１０６と還元反応用電極１０４とで区切られた１～５（図中では、便宜上○をつけた数値で示す）の行の組み合わせで特定される還元反応用電極１０４における各流路での電解液１０８の流量をシミュレーションで算出した結果を示す。図２２では、横軸はＸ方向に沿って整流板１０６ａで区切られた流路の列番号（１～７）を示し、各ラインは実施例７（図中、０５２０と示す）及び実施例９（図中、０５１７と示す）におけるＹ方向に沿ってセパレータ１０６と還元反応用電極１０４とで区切られた流路の行番号（１～５）毎の流量を示す。 FIG. 22 is a diagram showing the flow rate of the electrolytic solution 108 in each channel of the chemical reaction device 100 in Examples 7 and 9. FIG. FIG. 22 shows, as shown in FIG. 23, rows 1 to 7 separated by rectifying plates 106a along the X direction and rows 1 to 5 separated by separators 106 and reduction reaction electrodes 104 along the Y direction. FIG. 10 shows the result of simulation calculation of the flow rate of the electrolytic solution 108 in each flow path in the reduction reaction electrode 104 specified by the combination of rows (indicated by numbers with circles for convenience). In FIG. 22, the horizontal axis indicates the row numbers (1 to 7) of the flow paths separated by the current plate 106a along the X direction, and each line represents Example 7 (indicated as 0520 in the figure) and Example 9. 5 shows the flow rate for each row number (1 to 5) of the flow path partitioned by the separator 106 and the reduction reaction electrode 104 along the Y direction (shown as 0517 in the figure).

実施例７（図中、０５２０と示す）では、Ｘ方向に沿った行番号４の流路において最も流量の分布が大きくなり、面内流量分布の値は７．１５％になった。実施例９（図中、０５１７と示す）では、Ｘ方向に沿った行番号３の流路において最も流量の分布が大きくなり、面内流量分布の値は１２．６２％になった。同様に比較例３及び実施例３～実施例９の各々についてシミュレーションにて算出した面内流量分布の値を表１に示す。 In Example 7 (shown as 0520 in the figure), the flow rate distribution was the largest in the flow path of row number 4 along the X direction, and the in-plane flow rate distribution value was 7.15%. In Example 9 (shown as 0517 in the figure), the flow rate distribution was the largest in the flow path of row number 3 along the X direction, and the in-plane flow rate distribution value was 12.62%. Similarly, Table 1 shows the values of the in-plane flow rate distribution calculated by simulation for each of Comparative Example 3 and Examples 3 to 9.

図２４のグラフに示すように、流路面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの面積の割合が小さすぎる構成及び大きすぎる構成のいずれにおいても面内流量分布が大きくなった。 As shown in the graph of FIG. 24, the in-plane flow rate distribution increased in both the configuration in which the ratio of the area of the orifice holes 112a and 112b to the flow channel area was too small and the configuration in which the ratio was too large.

すなわち、電解液１０８が流れる流路の面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を０．３％以上９％以下とすることで電解液１０８の面内流量分布をより均一にすることができた。特に、１．４％以上３．６％以下とすることがより好適であることが分かった。また、電解液供給口１１０ａの総面積に対するオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの総面積の割合を２０％以上１２６％以下とすることで電解液１０８の面内流量分布をより均一にすることができた。特に、２０％以上５０％以下とすることがより好適であることが分かった。 That is, the in-plane flow distribution of the electrolyte 108 can be made more uniform by setting the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the area of the passage through which the electrolyte 108 flows to be 0.3% or more and 9% or less. did it. In particular, it was found that it is more preferable to set the content to 1.4% or more and 3.6% or less. Further, by setting the ratio of the total area of the orifice holes 112a and 112b to the total area of the electrolyte supply port 110a to 20% or more and 126% or less, the in-plane flow distribution of the electrolyte 108 can be made more uniform. In particular, it was found that it is more preferable to set the ratio to 20% or more and 50% or less.

以上のように、オリフィス孔１１２ａ，１１２ｂの面積を適正に設定することによって、化学反応装置１００における電解液１０８の流量の分布をより均一にすることができる。これによって、化学反応装置１００における酸化反応及び還元反応を酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の全面においてより均等に進行させることができ、化学反応装置１００の反応効率を向上させることができる。 As described above, by appropriately setting the areas of the orifice holes 112a and 112b, the distribution of the flow rate of the electrolytic solution 108 in the chemical reaction device 100 can be made more uniform. As a result, the oxidation reaction and the reduction reaction in the chemical reaction device 100 can proceed more evenly over the entire surface of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104, and the reaction efficiency of the chemical reaction device 100 can be improved. .

１０導電層、１２還元触媒層、１４導電層、１６酸化触媒層、１００化学反応装置、１０２酸化反応用電極、１０４還元反応用電極、１０６セパレータ、１０６ａ整流板、１０８電解液、１１０容器、１１０ａ電解液供給口、１１０ｂ電解液排出口、１１０ｃ排気口、１１０ｄ越流壁、１１０ｅ越流口、１１２（１１２ａ，１１２ｂ）オリフィス板、１１４，１１６基板、１３０マニホールド。 REFERENCE SIGNS LIST 10 Conductive layer 12 Reduction catalyst layer 14 Conductive layer 16 Oxidation catalyst layer 100 Chemical reaction device 102 Oxidation reaction electrode 104 Reduction reaction electrode 106 Separator 106a Current plate 108 Electrolyte solution 110 Container 110a Electrolyte supply port 110b Electrolyte outlet 110c Exhaust port 110d Overflow wall 110e Overflow port 112 (112a, 112b) Orifice plate 114, 116 Substrate 130 Manifold.

Claims

A chemical reaction device that supplies a liquid into a container and causes a substance contained in the liquid to react,
A reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode are arranged in the container at positions facing each other with a space therebetween, and are sandwiched between the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode to control the flow of the liquid. The flow path is configured by the space separated by the rectifying plate,
The ratio of the total area of the orifice holes provided for supplying the liquid to the flow path to the area of the cross section of the flow path perpendicular to the flow direction of the liquid is 0.3% or more and 9% or less. A chemical reactor characterized by:

The chemical reactor according to claim 1,
The ratio of the total area of the orifice holes provided for supplying the liquid to the flow path to the area of the cross section of the flow path perpendicular to the flow direction of the liquid is 1.4% or more and 3.6% or less. A chemical reactor characterized by:

The chemical reaction device according to claim 1 or 2,
A ratio of a total area of orifice holes provided for supplying the liquid to the channel to a total area of a liquid inlet for supplying the liquid into the container is 20% or more and 126% or less. and chemical reactor.

A chemical reaction apparatus according to claim 3,
A chemical reaction characterized in that the ratio of the total area of orifice holes provided for supplying the liquid to the flow channel to the total area of the liquid inlets for supplying the liquid is 20% or more and 50% or less. Device.

The chemical reaction device according to any one of claims 1 to 4,
A chemical reaction device, wherein the diameter of the orifice hole is increased as the distance from the liquid inlet for supplying the liquid to the orifice hole increases.

The chemical reaction device according to any one of claims 1 to 5,
A chemical reaction device, wherein the interval between the orifice holes is made smaller as the distance from the liquid inlet for supplying the liquid to the orifice hole increases.

A chemical reaction apparatus according to claim 6 ,
a separator made of a porous material is arranged between the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode so as to face the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode,
The orifice holes include a first orifice hole for supplying the liquid between the electrode for reduction reaction and the separator, and a second orifice hole for supplying the liquid between the electrode for oxidation reaction and the separator. 2 orifice holes.

A chemical reaction apparatus according to claim 7 ,
The chemical reaction device, wherein the total area of the first orifice holes is larger than the total area of the second orifice holes.

The chemical reactor according to claim 8 ,
The chemical reaction device, wherein the total area of the first orifice holes is two to nine times the total area of the second orifice holes.

The chemical reactor according to claim 8 ,
The chemical reaction device, wherein the total area of the first orifice holes is four to nine times the total area of the second orifice holes.

The chemical reaction device according to any one of claims 6 to 10 ,
the substance is carbon dioxide (CO ₂ ),
A chemical reaction device, wherein carbon dioxide (CO ₂ ) is reduced at the electrode for reduction reaction and oxygen (O ₂ ) is generated at the electrode for oxidation reaction.

The chemical reaction device according to any one of claims 6 to 11 ,
A chemical reaction apparatus, wherein a plurality of the electrodes for reduction reaction and a plurality of electrodes for oxidation reaction are stacked in one container.