JP7707777B2 - 化学反応装置 - Google Patents

Description

本発明は、化学反応装置に関する。

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）。

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）。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_２］、［Ｒｕ｛４，４’－ｄｉ（１－Ｈ－１－ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）－２，２’－ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）_２Ｃｌ_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）（ＣＨ_３ＣＮ）Ｃｌ_２］等とすることができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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))。

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。

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。

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。

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。

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_２）を排気口１１０ｃから排出する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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_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）が発生することを特徴とする化学反応装置。
6. 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。