Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7707777B2 - Chemical Reactors - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7707777B2 - Chemical Reactors - Google Patents

Chemical Reactors

Info

Publication number
JP7707777B2
JP7707777B2 JP2021146054A JP2021146054A JP7707777B2 JP 7707777 B2 JP7707777 B2 JP 7707777B2 JP 2021146054 A JP2021146054 A JP 2021146054A JP 2021146054 A JP2021146054 A JP 2021146054A JP 7707777 B2 JP7707777 B2 JP 7707777B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
reaction
liquid
reaction electrode
reduction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021146054A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2023039080A (en
Inventor
菜摘 佐藤
康彦 竹田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2021146054A priority Critical patent/JP7707777B2/en
Publication of JP2023039080A publication Critical patent/JP2023039080A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7707777B2 publication Critical patent/JP7707777B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency
    • Y02P20/133Renewable energy sources, e.g. sunlight

Landscapes

  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

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

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(特許文献1)。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2)。 A chemical reaction device is disclosed in which a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode are placed facing each other at a distance in a container, and an electrolyte is passed between the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode, thereby causing a chemical reaction of a substance (reaction substrate) contained in the electrolyte (Patent Document 1). Also disclosed is a configuration in which multiple photoelectrochemical reaction cell units are connected in series and in parallel (Patent Document 2).

ところで、化学反応装置における反応効率を向上させるためには、対向配置された還元反応用電極と酸化反応用電極との間において電解液の逆流を防ぎ、電解液の流れをできるだけ均一化することが要求される。そこで、このような化学反応装置において、電解液の流れを均一化するために、反応によって生ずる気体を容器から排出させる排気口と、排気口とは別に液体を容器から排出させる越流口とを備え、越流口は鉛直方向に沿って排気口よりも低い位置に配置されている構成が開示されている(特許文献3)。 In order to improve the reaction efficiency in a chemical reaction device, it is necessary to prevent the electrolyte from flowing back between the opposing electrodes for the reduction reaction and the oxidation reaction, and to make the electrolyte flow as uniform as possible. In order to make the electrolyte flow uniform in such a chemical reaction device, a configuration has been disclosed in which an exhaust port is provided for discharging gas generated by the reaction from the container, and an overflow port is provided separately from the exhaust port for discharging liquid from the container, and the overflow port is disposed at a lower position than the exhaust port in the vertical direction (Patent Document 3).

特開2018-087074号公報JP 2018-087074 A 特開2017-048442号公報JP 2017-048442 A 特開2021-062339号公報JP 2021-062339 A

ところで、従来技術では電解液の流れに対する電解液の排出口の数や配置の影響について充分に考慮した構成は示されていなかった。そこで、複数の排出口を適切な位置に設けることによって流れを均一化させることが求められている。 However, the prior art did not provide a configuration that fully considered the effect of the number and arrangement of electrolyte outlets on the electrolyte flow. Therefore, there is a need to make the flow uniform by providing multiple outlets in appropriate positions.

また、電解液の排出口の数が増加すると、各排出口に接続される配管等の周辺部品の点数も多くなり、化学反応装置の製造コストが増大するため、排出口の数はできるだけ少なくすることが好ましい。 In addition, as the number of electrolyte outlets increases, the number of peripheral parts such as pipes connected to each outlet also increases, increasing the manufacturing cost of the chemical reaction device, so it is preferable to keep the number of outlets as small as possible.

さらに、還元反応用電極と酸化反応用電極における反応面積を大きくするためには化学反応装置の高さを充分に確保することが必要であるが、高さを必要以上に高くすると装置の大型化につながる。化学反応装置の大型化を避けるためには、電解液の排出口を還元反応用電極及び酸化反応用電極の上端に近づけることが好ましい。しかしながら、従来技術では電解液の流れに対する電解液の排出口の数や配置の影響について充分に考慮されておらず、電解液の排出口を還元反応用電極及び酸化反応用電極の上端にどの程度まで近づけることができるかについて最適化されていなかった。 Furthermore, in order to increase the reaction area of the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode, it is necessary to ensure a sufficient height for the chemical reaction device, but making the height greater than necessary leads to an increase in the size of the device. In order to avoid an increase in the size of the chemical reaction device, it is preferable to place the electrolyte outlet close to the upper ends of the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode. However, in conventional technology, the effect of the number and arrangement of electrolyte outlets on the flow of electrolyte was not fully considered, and the extent to which the electrolyte outlet could be brought close to the upper ends of the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode was not optimized.

本発明の1つの態様は、容器内に配置された電極間に液体を供給し、前記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、前記容器には、前記反応によって生ずる気体を排出させる排気口とは別に前記液体を排出するための排出口が1つ以上設けられており、前記排出口は鉛直方向において前記排気口より低い位置に設けられ、前記液体の液面は前記排気口より低い位置にあり、前記電極の反応面において前記液体の流れを整える整流板を備え、鉛直方向における前記反応面の上端の各箇所と、当該各箇所から最短距離にある前記排出口の縁を結んだ線と、鉛直方向の沿った線とがなす角度の最大値が30°以上84°以下であり、前記反応面の上端から前記排出口の縁までの高さが前記排出口の直径以上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 between electrodes arranged in a container and reacts substances contained in the liquid, the container is provided with one or more outlets for discharging the liquid in addition to an exhaust port for discharging gas generated by the reaction, the outlets are provided at a position lower than the exhaust port in the vertical direction, the liquid level of the liquid is at a position lower than the exhaust port, a straightening plate is provided to straighten the flow of the liquid on the reaction surface of the electrode, the maximum value of the angle formed by a line connecting each point on the upper end of the reaction surface in the vertical direction to the edge of the outlet at the shortest distance from each point and a line along the vertical direction is 30° to 84°, and the height from the upper end of the reaction surface to the edge of the outlet is equal to or greater than the diameter of the outlet.

本発明の別の態様は、容器内に配置された電極間に液体を供給し、前記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、前記容器には、前記反応によって生ずる気体を排出させる排気口とは別に前記液体を排出するための排出口が1つ以上設けられており、前記排出口は鉛直方向において前記排気口より低い位置に設けられ、前記液体の液面は前記排気口より低い位置にあり、前記電極の反応面において前記液体の流れを整える整流板を備え、鉛直方向における前記反応面の上端の各箇所と、当該各箇所から最短距離にある前記排出口の縁を結んだ線と、鉛直方向の沿った線とがなす角度の最大値が30°以上70°以下であり、前記反応面の上端から前記排出口の縁までの高さが前記排出口の直径の1.6倍以上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 device that supplies a liquid between electrodes arranged in a container and reacts a substance contained in the liquid, the container is provided with one or more outlets for discharging the liquid in addition to an exhaust port for discharging gas generated by the reaction, the outlets are provided at a position lower than the exhaust port in the vertical direction, the liquid level of the liquid is at a position lower than the exhaust port, a straightening plate is provided to straighten the flow of the liquid on the reaction surface of the electrode, the maximum value of the angle between each point on the upper end of the reaction surface in the vertical direction and the edge of the outlet at the shortest distance from each point and a line along the vertical direction is 30° to 70°, and the height from the upper end of the reaction surface to the edge of the outlet is 1.6 times or more the diameter of the outlet.

ここで、前記電極は、還元反応用電極と酸化反応用電極であり、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極とが離間して対向する位置に配置されていることが好適である。 Here, the electrodes are a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode, and it is preferable that the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode are arranged in opposing positions with a distance between them.

また、前記液体は電解液であり、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極の少なくとも一方における反応に伴って前記気体が発生することが好適である。また、前記物質は、二酸化炭素(CO)であり、前記還元反応用電極において二酸化炭素(CO)が還元され、前記酸化反応用電極において酸素(O)が発生することが好適である。 It is also preferable that the liquid is an electrolyte, and that the gas is generated in association with a reaction at at least one of the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode, and that the substance is carbon dioxide (CO 2 ), and that the carbon dioxide (CO 2 ) is reduced at the reduction reaction electrode and oxygen (O 2 ) is generated at the oxidation reaction electrode.

また、複数の前記還元反応用電極と複数の前記酸化反応用電極が交互に積層されていることが好適である。 It is also preferable that a plurality of the electrodes for the reduction reaction and a plurality of the electrodes for the oxidation reaction are stacked alternately.

本発明によれば、電解液の流れを均一にした化学反応装置を提供できる。 The present invention provides a chemical reaction device that ensures uniform flow of electrolyte.

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。1 is a perspective view showing a configuration of a chemical reaction device according to an embodiment of the present 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。1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a chemical reaction device according to an embodiment of the present 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。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an electrode for a reduction reaction in an embodiment of the present invention. 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。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an electrode for an oxidation reaction in an embodiment of the present invention. 本発明の実施例における排出口の配置を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the arrangement of exhaust ports in an embodiment of the present invention. 本発明の実施例及び比較例の構成及び解析結果を示す図である。1A and 1B are diagrams illustrating configurations and analysis results of an example and a comparative example of the present invention. 本発明の実施例1における電解液の流速分布の解析結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an analysis result of a flow velocity distribution of an electrolytic solution in Example 1 of the present invention. 本発明の実施例及び比較例における流速の標準偏差の平均/流量の解析結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the analysis results of the average standard deviation of the flow velocity/flow rate in the examples of the present invention and the comparative examples.

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、整流板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 perspective view of FIG. 1 and the cross-sectional view of FIG. 2, the chemical reaction device 100 according to the embodiment of the present invention includes an oxidation reaction electrode 102, a reduction reaction electrode 104, a current plate 106, an electrolyte 108, a container 110, and an orifice plate 112.

化学反応装置100は、図中のZ方向が鉛直方向となるように配置して使用される。なお、図2は、電解液108が供給された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。 The chemical reaction device 100 is used by being positioned so that the Z direction in the figure is the vertical direction. Note that FIG. 2 shows a cross-sectional view of the chemical reaction device 100 cut along the Y-Z plane when the electrolyte 108 is supplied.

容器110は、酸化反応用電極102、還元反応用電極104及び整流板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 current plate 106, and also constitutes a flow path through which the electrolyte 108 flows. The container 110 is made of a material that has the mechanical strength required to configure the chemical reaction device 100 as a cell. For example, the container 110 can be made of metal, plastic, etc.

容器110には、容器110内に電解液108を供給するための供給口110aが設けられる。また、容器110内から電解液108を排出するための排出口110bが設けられる。すなわち、供給口110aから反応基質を含んだ電解液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、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 a supply port 110a for supplying the electrolyte 108 into the container 110. Also, a discharge port 110b for discharging the electrolyte 108 from the container 110 is provided. That is, the electrolyte 108 containing the reaction substrate is supplied into the container 110 from the supply port 110a, and the electrolyte 108 is caused to flow through the reaction region between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104, and then the electrolyte 108 is discharged from the container 110 through the discharge port 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。供給口110aは、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下方に配置することが好適である。また、排気口110cは、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配置することが好適である。 The container 110 is also provided with an exhaust port 110c for discharging gas generated by the reaction in the chemical reaction device 100 from the container 110. The supply port 110a is preferably arranged vertically below the reaction region in the container 110 in which the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are arranged. The exhaust port 110c is preferably arranged vertically above the reaction region in the container 110 in which the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are arranged.

電解液108の排出口110bは、容器110内に供給された電解液108に対して酸化反応用電極102及び還元反応用電極104が十分に反応に寄与するように、鉛直方向(Z方向)において酸化反応用電極102及び還元反応用電極104の上端よりも上方に配置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に浸された状態で排出口110bから電解液108を排出させることができる。なお、排気口110cは、鉛直方向(Z方向)に沿って排出口110bよりも高い位置に設けることが好適である。 It is preferable that the outlet 110b for the electrolyte 108 is disposed above the upper ends of the electrodes 102 for oxidation reactions and 104 for reduction reactions in the vertical direction (Z direction) so that the electrodes 102 for oxidation reactions and 104 for reduction reactions sufficiently contribute to the reaction of the electrolyte 108 supplied into the container 110. This allows the electrolyte 108 to be discharged from the outlet 110b with the electrodes 102 for oxidation reactions and 104 for reduction reactions entirely immersed in the electrolyte 108. It is preferable that the exhaust port 110c is disposed at a position higher than the outlet 110b in the vertical direction (Z direction).

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並べて配置される。本実施の形態では、触媒を片面に担持させた酸化反応用電極102を2枚、触媒を両面に担持させた酸化反応用電極102を3枚、触媒を両面に担持させた還元反応用電極104を4枚、酸化触媒と還元触媒とが担持されたX-Z面方向に広がった反応面が互いに対向するように配置される。すなわち、図2のY方向に沿って左側から、片面に触媒を担持させた酸化反応用電極102、整流板106及び両面に触媒を担持させた還元反応用電極104、整流板106及び両面に触媒を担持させた酸化反応用電極102、整流板106及び両面に触媒を担持させた還元反応用電極104、整流板106及び両面に触媒を担持させた酸化反応用電極102・・・片面に触媒を担持させた酸化反応用電極102が配置される。このように、複数の酸化反応用電極102、複数の整流板106及び複数の還元反応用電極104がY方向に沿って積層されている。 The oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are plate-shaped members extending in the X and Z directions, respectively, and are arranged side by side facing each other along the Y direction. In this embodiment, two oxidation reaction electrodes 102 with a catalyst supported on one side, three oxidation reaction electrodes 102 with a catalyst supported on both sides, and four reduction reaction electrodes 104 with a catalyst supported on both sides are arranged so that the reaction surfaces extending in the X-Z plane direction on which the oxidation catalyst and reduction catalyst are supported face each other. That is, from the left along the Y direction in FIG. 2, an oxidation reaction electrode 102 with a catalyst supported on one side, a current plate 106 and a reduction reaction electrode 104 with a catalyst supported on both sides, a current plate 106 and an oxidation reaction electrode 102 with a catalyst supported on both sides, a current plate 106 and a reduction reaction electrode 104 with a catalyst supported on both sides, a current plate 106 and an oxidation reaction electrode 102 with a catalyst supported on both sides, an oxidation reaction electrode 102 with a catalyst supported on one side, and so on are arranged. In this way, a plurality of oxidation reaction electrodes 102, a plurality of current plates 106, and a plurality of reduction reaction electrodes 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3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 to reduce a substance by a reduction reaction. As shown in the cross-sectional view of FIG. 3, the reduction reaction electrode 104 is formed on a substrate 114. The reduction reaction electrode 104 includes a conductive layer 10 and a 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)、酸化スズ(SnO)、シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タンタル(Ta)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. The substrate 114 is not particularly limited in material, but may be, for example, a glass substrate. The substrate 114 may also include, for example, a metal or a semiconductor. The metal used as the substrate 114 is not particularly limited, but preferably includes 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 preferably includes 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.

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, a 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 such as indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), zinc oxide (ZnO), etc. 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-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)Cl]、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)(CHCN)Cl]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. For example, the reduction catalyst layer 12 is preferably a ruthenium complex. Examples of the complex catalyst include [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) 2 Cl 2 ], [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) 2 ] carbonate)-2,2'-bipyridine}(CO)(CH 3 CN)Cl 2 ] and the like.

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。 The modification with the complex catalyst can be made by applying a solution in which the complex is dissolved in an acetonitrile (MeCN) solution onto the conductive layer 10. The modification with the complex catalyst can also be performed by electrolytic polymerization. The electrode of the conductive layer 10 is used as the working electrode, a glass substrate coated with fluorine-containing tin oxide (FTO) is used as the counter electrode, and an Ag/Ag + electrode is used as the reference electrode. In an electrolyte solution containing the complex catalyst, a cathode current is passed so that the potential is negative relative to the Ag/Ag + electrode, and then an anode current is passed so that the potential is positive relative to the Ag/Ag + electrode, thereby modifying the surface of the conductive layer 10 with the complex catalyst. 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。 The reduction catalyst layer 12 can also be configured to include a conductor containing a carbon material (C). It is preferable that the size of the single unit of the 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. In the case of graphene and graphite, it is preferable that the size is 1 nm or more and 1 μm or less. In the case of carbon nanotubes, it is preferable that the diameter is 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. Instead of spraying, it may be applied by spin coating. It is also possible to apply the solution by directly dripping it and drying it 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 reduction catalyst can be supported in the reduction catalyst layer 12 by, for example, applying a solution (e.g., Ru complex polymer solution) in which a metal complex (catalyst) is dissolved in an acetonitrile (MeCN) solution onto a carbon-based material such as carbon paper or carbon cloth, and drying the solution. The reduction catalyst can also be supported by electrolytic polymerization. For example, a carbon-based material electrode is used as the working electrode, a glass substrate coated with fluorine-containing tin oxide (FTO) is used as the counter electrode, and an Ag/Ag + electrode is used as the reference electrode. In an electrolyte solution containing the reduction catalyst, a cathode current is passed so that the potential is negative relative to the Ag/Ag + electrode, and then an anode current is passed so that the potential is positive relative to the Ag/Ag + electrode, thereby supporting the reduction catalyst 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3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, although FIG. 3 shows an example in which the conductive layer 10 and the reduction catalyst layer 12 are formed on only one side of the substrate 114, the conductive layer 10 and the reduction catalyst layer 12 may be formed on both sides of the substrate 114.

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4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. As shown in the cross-sectional view of FIG. 4, the oxidation reaction electrode 102 is formed on a substrate 116. 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 in 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 electricity at 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 is composed of a material having an oxidation catalyst function. The material having an oxidation catalyst function can be, for example, a material containing iridium oxide (IrOx). The 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(KIrCl)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)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、乾燥炉内にいて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, a nanocolloid of iridium oxide (IrOx) is 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 chloride iridate (IV) (K 2 IrCl 6 ) aqueous solution is heated at 90° C. for 20 minutes using a hot stirrer. The blue solution obtained is cooled in ice water for 1 hour. Then, 3M nitric acid (HNO 3 ) is dropped into the cooled solution (20 ml) to adjust the pH to 1, and the solution is stirred for 80 minutes to obtain a nanocolloid aqueous solution of iridium oxide (IrOx). Furthermore, a 1.5 wt% NaOH aqueous solution (1-2 ml) is dropped into this solution to adjust the pH to 12. The nanocolloid aqueous solution of iridium oxide (IrOx) obtained in this way is applied to the conductive layer 14 at pH 12, and is dried by keeping it in a drying oven at 60° C. for 40 minutes. After drying, the precipitated salt is washed with ultrapure water to form the oxidation reaction electrode 102. Note that the application and drying of the nano-colloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx) may be repeated multiple times.

なお、図4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。 Note that, although FIG. 4 shows an example in which the conductive layer 14 and the oxidation catalyst layer 16 are formed on only one side of the substrate 116, the conductive layer 14 and the oxidation catalyst layer 16 may be formed on both sides of the substrate 116.

整流板106は、酸化反応用電極102と還元反応用電極104の間の空間を仕切って電解液108の流れを整える部材である。整流板106は、電解液の供給口110aから排出口110bへ向かう方向(Z方向)に沿って延設された板状の部材である。整流板106は、板面がY方向に沿うように、X方向に沿って複数枚配置される。これによって、Y方向と交差する方向(X方向)に沿った電解液108の流れが制限され、供給口110aから排出口110bへ向かう方向(Z方向)に電解液108の流れを整えることができる。 The straightening plate 106 is a member that divides the space between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 to straighten the flow of the electrolyte 108. The straightening plate 106 is a plate-shaped member that extends along the direction (Z direction) from the electrolyte supply port 110a to the discharge port 110b. A plurality of straightening plates 106 are arranged along the X direction so that the plate surface is along the Y direction. This restricts the flow of the electrolyte 108 along the direction (X direction) that intersects with the Y direction, and can straighten the flow of the electrolyte 108 in the direction (Z direction) from the supply port 110a to the discharge port 110b.

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、容器110の中に還元反応用電極104と酸化反応用電極102を収納し、還元反応用電極104と酸化反応用電極102の表面に反応基質が溶解された電解液108を供給する。 The chemical reaction device 100 functions by introducing an electrolyte 108 between the reduction reaction electrode 104 and the oxidation reaction electrode 102. That is, the reduction reaction electrode 104 and the oxidation reaction electrode 102 are stored in a container 110, and the electrolyte 108 in which the reaction substrate is dissolved is supplied to the surfaces of the reduction reaction electrode 104 and the oxidation reaction electrode 102.

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)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)飽和リン酸緩衝液のタンクを設け、ポンプによって供給口110aから還元反応用電極104と酸化反応用電極102との表面に電解液108を供給し、還元反応によって生じたギ酸(HCOOH)を電解液108と共に排出口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)を排気口110cから排出する。 The reaction substrate may be a carbon compound, for example, carbon dioxide (CO 2 ). The electrolyte 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 electrolyte 108 is supplied to the surfaces of the reduction reaction electrode 104 and the oxidation reaction electrode 102 from the supply port 110a by a pump. Formic acid (HCOOH) generated by the reduction reaction is collected together with the electrolyte 108 from the exhaust port 110b into an external fuel tank, and oxygen (O 2 ) generated by the oxidation reaction is exhausted from the exhaust port 110c.

なお、酸化反応用電極102と還元反応用電極104との間にバイアス電源を設けて、酸化反応用電極102と還元反応用電極104との間に電位差を与えてもよい。バイアス電源は、例えば、太陽電池とすることができる。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、容器110に隣接して配置することができる。例えば、容器110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。 A bias power supply may be provided between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 to provide a potential difference between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104. The bias power supply may be, for example, a solar cell. When a solar cell is used as the bias power supply, the solar cell may be disposed adjacent to the container 110. For example, a solar cell may be disposed on the back surface of the container 110, and 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)からギ酸(HCOOH)等を合成する場合、水(HO)は酸化されて二酸化炭素(CO)に電子とプロトンを供給する。pH7付近では水(HO)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)から一酸化炭素(CO)、ギ酸(HCOOH)、メチルアルコール(CHOH)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) from carbon dioxide (CO 2 ), water (H 2 O) is oxidized to supply electrons and protons to carbon dioxide (CO 2 ). At around pH 7, the oxidation potential of water (H 2 O) is 0.82 V and the reduction potential is -0.41 V (both NHE). In addition, the reduction potentials of 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 to 1.43 V.

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、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。 The chemical reaction device 100 is further provided with an orifice plate 112. The orifice plate 112 is a plate-shaped member provided with orifice holes, which are through holes that limit the flow of the electrolyte 108 introduced into the container 110 from the supply port 110a. The orifice plate 112 is disposed on a flow path in the container 110 that extends from the supply port 110a to the area where the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 are provided. The orifice plate 112 is made of a material that has the necessary mechanical strength. For example, the orifice plate 112 can be made of metal, plastic, etc.

化学反応装置100では、酸化反応用電極102、還元反応用電極104及び整流板106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、供給口110aと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、還元反応用電極104及び整流板106によって形成される流路と供給口110aとの間を繋ぐオリフィス孔が設けられる。オリフィス孔の径は例えば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, the reduction reaction electrode 104, and the rectifying plate 106 becomes a flow path for the electrolyte 108 to flow. The orifice plate 112 is disposed between the supply port 110a and these flow paths. The orifice plate 112 is provided with orifice holes that connect the flow paths formed by the oxidation reaction electrode 102, the reduction reaction electrode 104, and the rectifying plate 106 to the supply port 110a. The diameter of the orifice holes may be, for example, 0.5 mm, and the interval may be, for example, 10 mm.

したがって、供給口110aから供給された電解液108は、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、オリフィス板112のオリフィス孔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が排出口110bから容器110から排出される。 Therefore, the electrolyte 108 supplied from the supply port 110a is stored in the space from the supply port 110a to the orifice plate 112, and then is sprayed into the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 through the orifice hole of the orifice plate 112. When the electrolyte 108 flows into the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104, the flow path is filled with the electrolyte 108. Furthermore, the electrolyte 108 is discharged from the container 110 through the discharge port 110b.

本実施の形態では、さらにセパレータを設けてもよい。セパレータは、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。セパレータは、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。また、セパレータは、整流板106と一体化してもよい。 In this embodiment, a separator may further be provided. The separator is a member that separates the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104. The separator may be made of a proton conductive film that is a porous body that can transmit protons in the electrolyte 108. The separator may be made of, for example, a rayon nonwoven fabric, a vinylon nonwoven fabric, a hydrophilized ultra-high molecular weight polyethylene porous film, a hydrophilized polypropylene mesh, or a hydrophilized ultra-high molecular weight polyethylene porous film. The separator may also be integrated with the current plate 106.

<実施例>
本発明の実施の形態における化学反応装置100の実施例について以下に説明する。実施例では、酸化反応用電極102と還元反応用電極104を設け、それぞれの酸化反応用電極102と還元反応用電極104との間には9枚の整流板106を配置した。また、化学反応装置100内において、電解液108の供給口110aと酸化反応用電極102及び還元反応用電極104の間にオリフィス板112を設けた。
<Example>
An example of the chemical reaction device 100 according to the embodiment of the present invention will be described below. In the example, an oxidation reaction electrode 102 and a reduction reaction electrode 104 are provided, and nine rectifying plates 106 are arranged between each of the oxidation reaction electrodes 102 and the reduction reaction electrodes 104. In addition, in the chemical reaction device 100, an orifice plate 112 is provided between the supply port 110a of the electrolytic solution 108 and the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104.

酸化反応用電極102及び還元反応用電極104のサイズは1m角とした。なお、容器110の横幅方向(X方向)の内寸Wは1078mmとし、厚さ方向(Y方向)の内寸T2は166mmとし、最大14対の酸化反応用電極102及び還元反応用電極104を設置可能なサイズとした。 The size of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 was 1 m square. The inside dimension W of the container 110 in the width direction (X direction) was 1078 mm, and the inside dimension T2 in the thickness direction (Y direction) was 166 mm, making it possible to install up to 14 pairs of oxidation reaction electrodes 102 and reduction reaction electrodes 104.

酸化反応用電極102にはTi板にIrOxコロイドを塗布し、乾燥させたものを用いた。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。 The electrode 102 for the oxidation reaction was a Ti plate coated with IrOx colloid and then dried. The electrode 104 for the reduction reaction was a carbon paper/multi-walled carbon nanotube carrying a Ru complex polymer, which was then attached to a titanium substrate using a carbon-based adhesive.

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内に配置した。電解液108は、別の容器にてバブリングによりCOを飽和溶解させた0.4Mリン酸緩衝液とした。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接続して光を照射して電圧を印加した。 The oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 were placed in a container 110 with their catalyst-supported reaction surfaces facing each other. The electrolyte 108 was a 0.4 M phosphate buffer solution in which CO2 was saturated and dissolved by bubbling in a separate container. A crystalline silicon solar cell was connected as a direct current power source to the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104, and a voltage was applied by irradiating light thereto.

図5は、実施例における排出口110bの配置を説明するための図である。実施例及び比較例において、排出口110bは円形とした。 Figure 5 is a diagram for explaining the arrangement of the exhaust outlet 110b in the examples. In the examples and comparative examples, the exhaust outlet 110b is circular.

図6は、実施例1~13及び比較例1における化学反応装置100の構成及び試験結果を示す。ここで、酸化反応用電極102及び還元反応用電極104の反応面の上端において排出口110bから最も離れた点Pと排出口110bの縁とを結んだ線Qと鉛直方向(Z方向)とのなす角度θ(酸化反応用電極102及び還元反応用電極104の反応面の上端の各箇所とそこから最短距離にある排出口110bの縁とを結んだ線と鉛直方向(Z方向)とのなす角の最大の角度θ)、排出口110bの直径D、及び、酸化反応用電極102及び還元反応用電極104の反応面の上端と排出口110bの縁までの距離Lとする。また、排出口110bは、酸化反応用電極102及び還元反応用電極104の反応面の横幅に対して均等に配置した。 Figure 6 shows the configuration and test results of the chemical reaction device 100 in Examples 1 to 13 and Comparative Example 1. Here, the angle θ between the line Q connecting the point P farthest from the exhaust port 110b at the upper end of the reaction surface of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 and the edge of the exhaust port 110b and the vertical direction (Z direction) (the maximum angle θ between the line connecting each point at the upper end of the reaction surface of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 and the edge of the exhaust port 110b at the shortest distance therefrom and the vertical direction (Z direction)), the diameter D of the exhaust port 110b, and the distance L from the upper end of the reaction surface of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 to the edge of the exhaust port 110b. In addition, the exhaust ports 110b were arranged evenly with respect to the width of the reaction surface of the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104.

例えば、実施例1では、容器110内に8対の酸化反応用電極102及び還元反応用電極104を配置した。酸化反応用電極102及び還元反応用電極104の全体の厚さ(図2中の厚さT1)は94mmであった。また、排出口110bの数は10個とし、角度θは29°、距離Lと直径Dの比L/Dは9.29とした。 For example, in Example 1, eight pairs of the oxidation reaction electrodes 102 and the reduction reaction electrodes 104 were arranged in the container 110. The total thickness (thickness T1 in FIG. 2) of the oxidation reaction electrodes 102 and the reduction reaction electrodes 104 was 94 mm. The number of outlets 110b was 10, the angle θ was 29°, and the ratio L/D of the distance L to the diameter D was 9.29.

図7は、実施例1について電解液108の流速分布の流体解析を実施した結果を示す。なお、図1に示した化学反応装置100は1m角であり、排出口110bが2箇所に設けられているが、左右対称の構造をしているため、実施例1~13及び比較例1では4分割した左上側の50cm角のサイズで排出口110bが1箇所に設けられた構成を用い、50cm角サイズの下端で流速分布が均一であることを仮定して解析を行った。 Figure 7 shows the results of a fluid analysis of the flow velocity distribution of the electrolyte 108 for Example 1. Note that the chemical reaction device 100 shown in Figure 1 is 1 m square, and has two outlets 110b, but because it has a symmetrical structure, in Examples 1 to 13 and Comparative Example 1, a configuration was used in which one outlet 110b is provided in the upper left corner of the 50 cm square, which is divided into four, and the analysis was performed under the assumption that the flow velocity distribution is uniform at the bottom end of the 50 cm square size.

積層された酸化反応用電極102及び還元反応用電極104の間の流路において反応面の上端から10mm下の位置(図7中の破線の位置)の流速の標準偏差は2.30×10-3L/min~2.91×10-3L/minであった。また、電解液108の流速の標準偏差の平均を流量で除算した値は7.14×10-5であった。すなわち、実施例1において電解液108の流速は容器110内において略均一であった。また、排出口110bに最も近い酸化反応用電極102及び還元反応用電極104の間の流路に電解液108が逆流する現象もみられなかった。 In the flow path between the stacked oxidation reaction electrode 102 and reduction reaction electrode 104, the standard deviation of the flow rate at a position 10 mm below the upper end of the reaction surface (the position of the dashed line in FIG. 7) was 2.30×10 −3 L/min to 2.91×10 −3 L/min. In addition, the value obtained by dividing the average of the standard deviation of the flow rate of the electrolyte 108 by the flow rate was 7.14×10 −5 . That is, in Example 1, the flow rate of the electrolyte 108 was approximately uniform within the container 110. In addition, the phenomenon of the electrolyte 108 flowing back into the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 closest to the outlet 110b was not observed.

同様に、図8に示すように、実施例2~13においても電解液108の流速の標準偏差の平均を流量で除算した値は10-5のオーダーとなった。すなわち、実施例2~13において電解液108の流速は容器110内において略均一であった。また、排出口110bに最も近い酸化反応用電極102及び還元反応用電極104の間の流路に電解液108が逆流する現象もみられなかった。 8, the value obtained by dividing the average standard deviation of the flow rate of the electrolyte 108 by the flow rate was on the order of 10-5 in Examples 2 to 13. That is, the flow rate of the electrolyte 108 was approximately uniform in the container 110 in Examples 2 to 13. In addition, there was no phenomenon observed in which the electrolyte 108 flowed back into the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104, which were closest to the outlet 110b.

実施例1~13の解析結果から、角度θが30°以上70°以下であり、かつ、距離Lが直径Dの1.6倍以上であれば酸化反応用電極102と還元反応用電極104との間の流路内において電解液108の流速の標準偏差の平均を流量で除算した値を7.73×10-5以下に保つことができる。また、この場合、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の逆流は生じない。 From the analysis results of Examples 1 to 13, if the angle θ is 30° or more and 70° or less and the distance L is 1.6 times or more the diameter D, the value obtained by dividing the average standard deviation of the flow rate of the electrolyte 108 in the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 by the flow rate can be kept at 7.73×10 −5 or less. Furthermore, in this case, no backflow of the electrolyte 108 occurs in the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104.

さらに、実施例1~8の解析結果から、角度θが30°以上84°以下であり、かつ、距離Lが直径Dの1.0倍以上であれば酸化反応用電極102と還元反応用電極104との間の流路内において電解液108の流速の標準偏差の平均を流量で除算した値を1.03×10-4以下に保つことができる。また、この場合、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の逆流は生じない。 Furthermore, from the analysis results of Examples 1 to 8, if the angle θ is 30° or more and 84° or less and the distance L is 1.0 times or more the diameter D, the value obtained by dividing the average standard deviation of the flow rate of the electrolyte 108 in the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 by the flow rate can be kept at 1.03×10 −4 or less. In this case, no backflow of the electrolyte 108 occurs in the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104.

これに対して、比較例1のように角度θが88°であり、かつ、距離Lが直径Dの0.03倍とした場合、酸化反応用電極102と還元反応用電極104との間の流路内において電解液108の流速の標準偏差の平均を流量で除算した値は2.72×10-4となり1.03×10-4以上となった。すなわち、比較例1では、実施例1~13に対して酸化反応用電極102と還元反応用電極104との間の流路内の電解液108の流速は不均一になった。また、この場合、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の逆流がみられた。 In contrast, when the angle θ was 88° and the distance L was 0.03 times the diameter D as in Comparative Example 1, the value obtained by dividing the average of the standard deviations of the flow rate of the electrolyte 108 in the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 by the flow rate was 2.72×10 −4 , which was greater than or equal to 1.03×10 −4 . That is, in Comparative Example 1, the flow rate of the electrolyte 108 in the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 was non-uniform compared to Examples 1 to 13. Furthermore, in this case, a backflow of the electrolyte 108 was observed in the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104.

前述のとおり、1m角のサイズの化学反応装置100に対して50cm角のサイズで解析を行ったため、1m角のサイズの場合には図7に示した解析結果を横に並べて排出口110bを2箇所にしても同様の結果を得ることができる。さらに、1.5m角のサイズとした場合、図7に示した解析結果をさらに並べて排出口110bを3箇所にしてもよい。すなわち、角度θと距離Lとが所定の条件を満たせば流体の流速を均一にできるので、排出口110bの数は容器110又は酸化反応用電極102、還元反応用電極104の横幅と化学反応装置100のサイズによって規定される距離Lの許容範囲に合わせて選択することができる。例えば、横幅が狭く、距離Lの許容値が大きければ排出口110bを1つにし、横幅が広く、距離Lの許容範囲が小さくなれば排出口110bの数を増やせばよい。 As mentioned above, the analysis was performed on a 50 cm square size chemical reaction device 100 with a size of 1 m square, so in the case of a size of 1 m square, the analysis results shown in FIG. 7 can be arranged side by side and two outlets 110b can be used to obtain similar results. Furthermore, in the case of a size of 1.5 m square, the analysis results shown in FIG. 7 can be arranged further to provide three outlets 110b. In other words, if the angle θ and the distance L satisfy a predetermined condition, the flow rate of the fluid can be made uniform, so the number of outlets 110b can be selected according to the allowable range of the distance L defined by the width of the container 110 or the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 and the size of the chemical reaction device 100. For example, if the width is narrow and the allowable value of the distance L is large, one outlet 110b can be used, and if the width is wide and the allowable range of the distance L is small, the number of outlets 110b can be increased.

以上のように、本実施の形態によれば、化学反応装置100において容器110の高さを抑えつつ、酸化反応用電極102と還元反応用電極104との間の流路において流体の流速を均一にすることができる。 As described above, according to this embodiment, the height of the container 110 in the chemical reaction device 100 can be reduced while the flow rate of the fluid in the flow path between the oxidation reaction electrode 102 and the reduction reaction electrode 104 can be made uniform.

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 整流板、108 電解液、110 容器、110a 供給口、110b 排出口、110c 排気口、112 オリフィス板、114 基板、116 基板。
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 Rectifier plate, 108 Electrolyte, 110 Container, 110a Supply port, 110b Discharge port, 110c Exhaust port, 112 Orifice plate, 114 Substrate, 116 Substrate.

Claims (6)

容器内に配置された電極間に液体を供給し、前記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、
前記容器には、前記反応によって生ずる気体を排出させる排気口とは別に前記液体を排出するための円形の排出口が1つ以上設けられており、
前記排出口は鉛直方向において前記排気口より低い位置に設けられ、前記液体の液面は前記排気口より低い位置にあり、
前記電極の反応面において前記液体の流れを整える整流板を備え、
鉛直方向における前記反応面の上端の各箇所と、当該各箇所から最短距離にある前記排出口の縁を結んだ線と、鉛直方向の沿った線とがなす角度の最大値が30°以上84°以下であり、
前記反応面の上端から前記排出口の縁までの高さが前記排出口の直径以上であることを特徴とする化学反応装置。
A chemical reaction device that supplies a liquid between electrodes disposed in a container and reacts a substance contained in the liquid,
the container is provided with one or more circular exhaust ports for discharging the liquid in addition to an exhaust port for discharging gas generated by the reaction;
the exhaust port is provided at a position lower than the exhaust port in a vertical direction, and a liquid level of the liquid is at a position lower than the exhaust port,
a flow straightening plate for straightening the flow of the liquid on the reaction surface of the electrode;
the maximum angle formed by a line connecting each point on the upper end of the reaction surface in the vertical direction to the edge of the outlet that is closest to each point on the upper end of the reaction surface and a line along the vertical direction is 30° or more and 84° or less;
A chemical reaction device characterized in that the height from the upper end of said reaction surface to the edge of said outlet is equal to or greater than the diameter of said outlet.
容器内に配置された電極間に液体を供給し、前記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、
前記容器には、前記反応によって生ずる気体を排出させる排気口とは別に前記液体を排出するための円形の排出口が1つ以上設けられており、
前記排出口は鉛直方向において前記排気口より低い位置に設けられ、前記液体の液面は前記排気口より低い位置にあり、
前記電極の反応面において前記液体の流れを整える整流板を備え、
鉛直方向における前記反応面の上端の各箇所と、当該各箇所から最短距離にある前記排出口の縁を結んだ線と、鉛直方向の沿った線とがなす角度の最大値が30°以上70°以下であり、
前記反応面の上端から前記排出口の縁までの高さが前記排出口の直径の1.6倍以上であることを特徴とする化学反応装置。
A chemical reaction device that supplies a liquid between electrodes disposed in a container and reacts a substance contained in the liquid,
the container is provided with one or more circular exhaust ports for discharging the liquid in addition to an exhaust port for discharging gas generated by the reaction;
the exhaust port is provided at a position lower than the exhaust port in a vertical direction, and a liquid level of the liquid is at a position lower than the exhaust port,
a flow straightening plate for straightening the flow of the liquid on the reaction surface of the electrode;
the maximum angle formed by a line connecting each point on the upper end of the reaction surface in the vertical direction to the edge of the outlet that is closest to each point on the upper end of the reaction surface and a line along the vertical direction is 30° or more and 70° or less;
A chemical reaction device characterized in that the height from the upper end of said reaction surface to the edge of said outlet is 1.6 times or more the diameter of said outlet.
請求項1又は2に記載の化学反応装置であって、
前記電極は、還元反応用電極と酸化反応用電極であり、
前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極とが離間して対向する位置に配置されていることを特徴とする化学反応装置。
The chemical reaction device according to claim 1 or 2,
The electrodes are a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode,
a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode disposed at opposite positions and spaced apart from each other;
請求項3に記載の化学反応装置であって、
前記液体は電解液であり、
前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極の少なくとも一方における反応に伴って前記気体が発生することを特徴とする化学反応装置。
The chemical reaction device according to claim 3,
the liquid is an electrolyte;
A chemical reaction device, characterized in that the gas is generated in association with a reaction in at least one of the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode.
請求項4に記載の化学反応装置であって、
前記物質は、二酸化炭素(CO)であり、
前記還元反応用電極において二酸化炭素(CO)が還元され、前記酸化反応用電極において酸素(O)が発生することを特徴とする化学反応装置。
The chemical reaction device according to claim 4,
the substance is carbon dioxide (CO 2 );
A chemical reaction device, characterized in that carbon dioxide (CO 2 ) is reduced at the reduction reaction electrode, and oxygen (O 2 ) is generated at the oxidation reaction electrode.
請求項3~5のいずれか1項に記載の化学反応装置であって、
複数の前記還元反応用電極と複数の前記酸化反応用電極が交互に積層されていることを特徴とする化学反応装置。
The chemical reaction device according to any one of claims 3 to 5,
A chemical reaction device, characterized in that a plurality of the electrodes for reduction reaction and a plurality of the electrodes for oxidation reaction are alternately stacked.
JP2021146054A 2021-09-08 2021-09-08 Chemical Reactors Active JP7707777B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021146054A JP7707777B2 (en) 2021-09-08 2021-09-08 Chemical Reactors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021146054A JP7707777B2 (en) 2021-09-08 2021-09-08 Chemical Reactors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023039080A JP2023039080A (en) 2023-03-20
JP7707777B2 true JP7707777B2 (en) 2025-07-15

Family

ID=85600482

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021146054A Active JP7707777B2 (en) 2021-09-08 2021-09-08 Chemical Reactors

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7707777B2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140262759A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 Tennant Company Electrolytic cell having a transition duct outlet
JP2016174982A (en) 2015-03-18 2016-10-06 株式会社東芝 Electrolytic apparatus
JP2017089010A (en) 2016-12-20 2017-05-25 株式会社東芝 Electrolyzer
JP2019189929A (en) 2018-04-27 2019-10-31 株式会社豊田中央研究所 Electrochemical reaction cell and artificial photosynthesis cell using the same
JP2021063267A (en) 2019-10-15 2021-04-22 株式会社豊田中央研究所 Chemical reaction apparatus
JP2021063268A (en) 2019-10-15 2021-04-22 株式会社豊田中央研究所 Chemical reaction apparatus

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4933701Y1 (en) * 1970-09-08 1974-09-11
JPS552030Y2 (en) * 1976-12-11 1980-01-19

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140262759A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 Tennant Company Electrolytic cell having a transition duct outlet
JP2016174982A (en) 2015-03-18 2016-10-06 株式会社東芝 Electrolytic apparatus
JP2017089010A (en) 2016-12-20 2017-05-25 株式会社東芝 Electrolyzer
JP2019189929A (en) 2018-04-27 2019-10-31 株式会社豊田中央研究所 Electrochemical reaction cell and artificial photosynthesis cell using the same
JP2021063267A (en) 2019-10-15 2021-04-22 株式会社豊田中央研究所 Chemical reaction apparatus
JP2021063268A (en) 2019-10-15 2021-04-22 株式会社豊田中央研究所 Chemical reaction apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023039080A (en) 2023-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ta et al. A macroporous-structured WO3/Mo-doped BiVO4 photoanode for vapor-fed water splitting under visible light irradiation
JP6816735B2 (en) Electrodes for chemical reactions, cells for chemical reactions using them, and chemical reaction equipment
CN103165908B (en) A kind of preparation method of ordering electrode
CN102369312B (en) hydrogen generator
JP2012188683A (en) Gas generation apparatus, and gas generation method
DK3105811T3 (en) SOL-RECHARGEABLE REDOX FLOW CELL
JP7200905B2 (en) chemical reactor
JP7172121B2 (en) Electrochemical reaction cell and artificial photosynthesis cell using it
JP7327341B2 (en) Separator for reaction cell and reaction cell using it
JP2017224486A (en) Redox flow battery
JP7327073B2 (en) chemical reactor
JP7707777B2 (en) Chemical Reactors
Xie Photoelectrochemical performance of tubewall‐separated titanium dioxide nanotube array photoelectrode
JP7104500B2 (en) Electrodes for chemical reactions and electrochemical cells using them
JP6950384B2 (en) Electrode for reduction reaction
JP7293709B2 (en) Electrochemical reactor and artificial photosynthesis device
JP2014128756A (en) Reaction apparatus and method for manufacturing chemical reaction product
JP7761998B2 (en) Electrochemical Reaction Cell
JP7459477B2 (en) reactor
JP2019218579A (en) Chemical reaction device, and solar energy utilization system using the same
Ikezoi et al. Photocatalytic and photoelectrochemical production of hydrogen peroxide under acidic conditions in organic pn bilayer/bismuth vanadate system
JP2019052347A (en) Electrode for oxidation reaction and electrode for reduction reaction, and electrochemical cell and artificial photosynthesis apparatus using the same
JP2019157198A (en) Electrode for chemical reaction, and cell for chemical reaction and chemical reactor using the same
JP7342474B2 (en) Carbon dioxide reduction reaction electrode and carbon dioxide reduction device using the same
JPWO2005122322A1 (en) Dye-sensitized solar cell and method for producing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240321

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20241212

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20250121

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250310

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250603

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250616

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7707777

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150