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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-08
(45)【発行日】2022-11-16
(54)【発明の名称】電気化学反応セル及びそれを用いた人工光合成セル
(51)【国際特許分類】
C25B 9/00 20210101AFI20221109BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20221109BHJP
C25B 1/23 20210101ALI20221109BHJP
C25B 3/26 20210101ALI20221109BHJP
C25B 9/60 20210101ALI20221109BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20221109BHJP
【ＦＩ】
C25B9/00 G
C25B1/04
C25B1/23
C25B3/26
C25B9/00 A
C25B9/60
C25B15/08 302
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2018087074
(22)【出願日】2018-04-27
(65)【公開番号】P2019189929
(43)【公開日】2019-10-31
【審査請求日】2021-01-27
(73)【特許権者】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】林 知三夫
(72)【発明者】
【氏名】加藤 直彦
(72)【発明者】
【氏名】水野 真太郎
【審査官】▲辻▼ 弘輔
(56)【参考文献】
【文献】特開２００２－２９２３７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１４５７０７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－２１３２３１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２５Ｂ １／００－１５／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極との間の流路に電解液を流通させることで、前記電解液に含有される化学物質を電気化学反応させる電気化学反応セルであって、前記流路に前記電解液を導入するための導入口と、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極との間から前記電解液と共に電気化学反応によって生成された化学物質を排出するための排出口とを有し、
前記流路における前記排出口に繋がる接続領域は、前記電解液の流れ方向に垂直なラインに対して傾斜角が３°以上で前記排出口側に傾斜して繋がる傾斜部を備え、
前記導入口から前記還元反応用電極及び前記酸化反応用電極までの流路に配置され、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電解液を供給するための複数の導入穴を有するマニホールドを備えることを特徴とする電気化学反応セル。
【請求項2】
請求項１に記載の電気化学反応セルであって、前記導入口から最も遠くに設けられた前記導入穴から流出する前記電解液の流量が前記導入口に最も近く設けられた前記導入穴から流出する前記電解液の流量の９０％以上となるように前記マニホールドの管径と前記導入穴の径と関係が設定されていることを特徴とする電気化学反応セル。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の電気化学反応セルであって、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導入口から前記排出口に向かって前記電解液の流れの方向を制限するフィンを備えることを特徴とする電気化学反応セル。
【請求項4】
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、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極との間の流路に電解液を流通させることで、前記電解液に含有される化学物質を電気化学反応させる電気化学反応セルであって、前記流路に前記電解液を導入するための導入口と、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極との間から前記電解液と共に電気化学反応によって生成された化学物質を排出するための排出口とを有し、
前記流路における前記排出口に繋がる接続領域は、前記電解液の流れ方向に垂直なラインに対して傾斜角が３°以上で前記排出口側に傾斜して繋がる傾斜部を備え、
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導入口から前記排出口に向かって前記電解液の流れの方向を制限するフィンを備えることを特徴とする電気化学反応セル。
【請求項5】
請求項１～４のいずれか１項に記載の電気化学反応セルと、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極とに供給される電力を生成する太陽電池モジュールと、
を備え、
前記太陽電池モジュールにおける光電変換によって生じた電力を用いて水（Ｈ２Ｏ）から水素（Ｈ２）、又は、二酸化炭素（ＣＯ２）から一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）の少なくとも１つを生成することを特徴とする人工光合成セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気化学反応セル及びそれを用いた人工光合成セルに関する。
【背景技術】
【0002】
太陽光エネルギーを用いて水（Ｈ２Ｏ）から水素（Ｈ２）、水（Ｈ２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ２）から一酸化炭素（ＣＯ），ギ酸（ＨＣＯＯＨ），メタノール（ＣＨ３ＯＨ）などを合成する人工光合成の技術が開示されている。人工光合成を実現するために、酸化反応用電極－還元反応用電極間に２～３Ｖの電位差を印加することが必要である。これを実現するために、アモルファスシリコン系３接合太陽電池（ａ－Ｓｉ ３Ｊ－ＳＣ）の両面に酸化／還元触媒が担持された光電極が用いられている（非特許文献１，２）。また、アモルファスシリコン系３接合太陽電池を用い、裏面（光入射面の反対側）に還元触媒を担持して還元反応用電極を形成し、これと対向するように酸化触媒機能を持つ部材を含んだ酸化反応用電極を配置して太陽電池の表面電極と接続した、いわば太陽電池と電気化学セルを一体化した人工光合成セルが用いられている（非特許文献３）。また、より高い効率を狙って、ＩＩＩ－Ｖ族化合物２接合太陽電池（ＩＩＩ－Ｖ ２Ｊ－ＳＣ）を用いて対向型セルを構成した例もある（非特許文献４）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】S.Y.Reece, et al., Science 334, 645 (2011)
【文献】T.Arai, et al., Energy Environ. Sci. 8, 1998 (2015)
【文献】J.-P. Becker, et al., J. Mater. Chem. A5, 4818 (2017)
【文献】G.Peharz, et al., Int. J. Hydrogen Energy 32, 3248 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、電気化学反応セルにおいて、還元反応用電極と酸化反応用電極との間に供給される電解液の流れが滞ると化学反応の効率が低下する。例えば、電気化学反応セルにおいて発生するガスが電解液の流路に溜まると電解液の流れが滞り、化学反応の効率が低下するおそれがある。特に、セルのサイズを大型化した場合、電解液の流れを考慮した構成を採用する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の１つの態様は、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、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極との間に電解液を流通させることで、前記電解液に含有される化学物質を電気化学反応させる電気化学反応セルであって、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極の間に前記電解液を導入するための導入口と、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極の間から前記電解液と共に電気化学反応によって生成された化学物質を排出するための排出口とを有し、前記還元反応用電極及び前記酸化反応用電極の端部から前記排出口に繋がる接続領域において傾斜角度が３°以上の傾斜部を備えることを特徴とする電気化学反応セルである。
【0006】
ここで、前記導入口から前記還元反応用電極及び前記酸化反応用電極までの経路に配置され、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極の間に前記電解液を供給するための複数の導入穴を有するマニホールドを備え、前記導入口から最も遠くに設けられた前記導入穴から流出する前記電解液の流量が前記導入口に最も近く設けられた前記導入穴から流出する前記電解液の流量の９０％以上となるように前記マニホールドの管径と前記導入穴の径と関係が設定されていることが好適である。
【0007】
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導入口から前記排出口に向かって前記電解液の流れの方向を制限するフィンを備えることが好適である。
【0008】
また、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極とに供給される電力を生成する太陽電池モジュールと、を備えることを特徴とする人工光合成セルとすることが好適である。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、大型化した場合であっても電解液の滞留を抑制した電気化学反応セル及びそれを用いた人工光合成セルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】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図である。
【図2】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図である。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】本発明の実施の形態における第１枠材の構成を示す図である。
【図6】本発明の実施の形態における第２枠材の構成を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態における第１枠材に傾斜部を設けることによる電解液の流れを説明する図である。
【図8】本発明の実施の形態における第１枠材の傾斜部の傾斜角度θによる効果を示す図である。
【図9】本発明の実施の形態における流路構成部材の構成を示す図である。
【図10】本発明の実施の形態における流路構成部材の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明の実施の形態における化学反応装置１００は、図１の断面図及び図の平面図に示すように、酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４、電解液１０６、太陽電池セル１０８及び枠材１１０を含んで構成される。図１は、図２におけるラインＡ－Ａに沿った断面図である。
【0012】
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、それぞれＸ方向及びＹ方向に拡がる板状の部材であり、Ｚ方向に互いに対向するように配置される。還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２とを接続することで、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２とが電気的に接続された構成となる。
【0013】
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及び導電体層１２を含んで構成される。
【0014】
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、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（ＴｉＯ２）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、シリコン（Ｓｉ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等とすることが好適である。基板１１４を金属又は半導体を含むものとした場合、還元反応用電極１０４と基板１１４との間には絶縁層を形成する。絶縁層は、特に限定されるものではないが、半導体の酸化物、窒化物や樹脂等とすることができる。金属基板と還元反応用電極１０４とが電気的に直接接続されている構成としてもよい。
【0015】
導電層１０は、還元反応用電極１０４における集電を効果的に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。
【0016】
導電体層１２は、還元触媒機能を有する材料を含む導電体から構成される。導電体は、カーボン材料（Ｃ）を含む材料から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。
【0017】
錯体触媒は、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）Ｃｌ２］、［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）（ＣＨ３ＣＮ）Ｃｌ２］等とすることができる。
【0018】
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体層１２の導電体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。作用極として導電体層１２の導電体の電極、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体層１２の導電体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。
【0019】
このように形成された導電体層１２は、還元反応用電極１０４を構成する導電層１０上に担持、塗布又は貼付される。これにより、導電層１０及び導電体層１２を含む還元反応用電極１０４が形成される。
【0020】
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１１４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。
【0021】
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、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。
【0022】
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。
【0023】
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))。
【0024】
例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）のナノコロイドを合成する。次に、２ｍＭの塩化イリジウム酸（ＩＶ）カリウム（Ｋ２ＩｒＣｌ６）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（ＨＮＯ３）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。
【0025】
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１０６を導入することで機能する。例えば、図１に示すように、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２を囲むように枠材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１０６を供給する。反応物は、炭化化合物とすることができ、例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）とすることができる。また、電解液１０６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（ＣＯ２）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）や酸素（Ｏ２）を外部の燃料タンクに回収する。
【0026】
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。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、化学的電池（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。
【0027】
本実施の形態では、太陽電池セル１０８を採用している。太陽電池セル１０８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。図１の例では、還元反応用電極１０４の背面に太陽電池セル１０８を配置し、太陽電池セル１０８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に接続している。
【0028】
二酸化炭素（ＣＯ２）からギ酸（ＨＣＯＯＨ）等を合成する場合、水（Ｈ２Ｏ）は酸化されて二酸化炭素（ＣＯ２）に電子とプロトンを供給する。ｐＨ７付近では水（Ｈ２Ｏ）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（ＣＯ２）から一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メチルアルコール（ＣＨ３ＯＨ）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。
【0029】
枠材１１０は、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４を支持すると共に、電解液１０６が流れる流路を構成する部材である。枠材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、枠材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。
【0030】
枠材１１０は、第１枠材１１０ａ、第２枠材１１０ｂ及び流路構成部材１１０ｃを組み合わせて構成される。第１枠材１１０ａ及び第２枠材１１０ｂは、それぞれ酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４を嵌め込むための溝が設けられた平板状の部材である。
【0031】
第２枠材１１０ｂは、図５の一部斜視図に示すように、平板状の部材である。第２枠材１１０ｂには、矩形状の第１溝２４が設けられる。第１溝２４は、第２枠材１１０ｂに支持される還元反応用電極１０４と第１枠材１１０ａに支持される酸化反応用電極１０２との間に形成される電解液１０６の流路となる空間を構成する溝である。すなわち、第１溝２４の深さは、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２との距離が電解液１０６の流路として適した距離になるように設定することが好適である。例えば、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２との距離が２０ｍｍ程度になるように第１溝２４の深さとすればよい。また、第１溝２４は、後述する流路構成部材１１０ｃを収納するための空間も構成する。
【0032】
第１溝２４の底面には、矩形状の第２溝２２が設けられる。第２溝２２は、還元反応用電極１０４を嵌め込むための溝であり、酸化反応用電極１０２の外形よりも僅かに大きな形状及び大きさにされる。第２溝２２の深さは、還元反応用電極１０４の厚さと同程度とされる。還元反応用電極１０４は、基板１１４が第２溝２２の奥側に位置するように第２溝２２に嵌め込まれる。
【0033】
第１枠材１１０ａは、図６の一部斜視図に示すように、平板状の部材である。第１枠材１１０ａには、矩形状の第３溝２８が設けられる。第３溝２８は、酸化反応用電極１０２を嵌め込むための溝であり、酸化反応用電極１０２の外形よりも僅かに大きな形状及び大きさにされる。第３溝２８の深さは、酸化反応用電極１０２の厚さと同程度とされる。酸化反応用電極１０２は、基板１１４が第３溝２８の奥側に位置するように第３溝２８に嵌め込まれる。
【0034】
酸化反応用電極１０２を嵌め込んだ第１枠材１１０ａと還元反応用電極１０４を嵌め込んだ第２枠材１１０ｂとを向かい合わせて組み合わせることで、第１溝２４が酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４との間の電解液１０６の流路となる。そこで、図１及び図５に示すように、第１枠材１１０ａの第１溝２４には、電解液１０６及び電気化学反応によって生成された化学物質を流出させるための排出口２０が設けられる。
【0035】
本実施の形態では、図５の斜視図及び図７の平面模式図に示すように、電解液１０６の流路を構成する第１溝２４の辺における排出口２０に繋がる接続領域２６に傾斜角度θが０より大きい傾斜を設けることが好適である。傾斜角度θを０にして、排出口２０に繋がる接続領域２６に傾斜をもたせない場合、電気化学反応によって電解液１０６内に発生したガス（酸素、水素等）の泡が排出口２０付近における接続領域２６に滞留し、電解液１０６の流れが滞る原因となる。これに対して、接続領域２６に傾斜角度θを付けることによって、電解液１０６に混在するガスの泡が接続領域２６の傾斜に沿って流れ易くなり、電解液１０６の滞留を抑制することができる。
【0036】
図８は、接続領域２６の傾斜角度θに対する電解液１０６に混在するガスの泡を十分に排出させるために必要な電解液１０６の流量の関係を示す。図８に示すように、傾斜角度θを大きくすれば必要な流量は小さくなり、より容易に電解液１０６と共にガスの泡を排出させることができる。特に、傾斜角度θを３°以上とすることでその効果は顕著となった。
【0037】
ただし、接続領域２６の傾斜角度θを大きくするほど、第１枠材１１０ａ及び第２枠材１１０ｂを長くする必要があり、化学反応装置１００の小型化の必要性に応じて傾斜角度θを適切に設定することが好ましい。
【0038】
また、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２との間の流路に流路構成部材１１０ｃが配置される。流路構成部材１１０ｃは、図９に示すように、枠板３０、フィン３２及びマニホールド３４を含んで構成される。流路構成部材１１０ｃは、図１０に示すように、第２枠材１１０ｂの第１溝２４からなる凹部に嵌め込まれるように配置される。なお、図９及び図１０において電解液１０６の流れを太矢印で示している。
【0039】
枠板３０は、中空の板状部材であり、例えば、金属や樹脂等の機械的な強度を有する部材から構成される。枠板３０を中空にする貫通穴は第２枠材１１０ｂに嵌め込まれた酸化反応用電極１０２と第２枠材１１０ｂに嵌め込まれた還元反応用電極１０４との間でイオンの移動を可能にするために設けられる。枠板３０は、第２枠材１１０ｂの第１溝２４の凹部に嵌め込むことができるように第１溝２４の凹部の形状に合わせた形状とすることが好適である。
【0040】
フィン３２は、略角柱形状を有する部材であり、枠板３０の一辺からそれに対向する辺に向かう方向（図中、Ｙ方向）に枠板３０の両縁に跨がるように複数並べて配置される。例えば、流路構成部材１１０ｃのフィン３２の間隔Ｗ１は１０ｍｍとする。
【0041】
マニホールド３４は、電解液１０６を噴出させるための噴出孔３６を有する管状部材である。マニホールド３４は、フィン３２を並べた方向（図中、Ｘ方向）に沿って配置される。マニホールド３４に設けられる噴出孔３６は、隣り合うフィン３２の間に少なくとも１つ設けることが好適である。本実施の形態では、隣り合うフィン３２の間に２つずつ噴出孔３６を設けた構成を例示している。
【0042】
上記のように、流路構成部材１１０ｃは、図１０に示すように、第２枠材１１０ｂの第１溝２４からなる凹部に嵌め込まれるように配置される。そのうえで、第１枠材１１０ａと第２枠材１１０ｂとを組み合わせることによって、酸化反応用電極１０２を嵌め込んだ第１枠材１１０ａ、還元反応用電極１０４を嵌め込んだ第２枠材１１０ｂと流路構成部材１１０ｃのフィン３２とによって区切られる空間が電解液１０６の流路になる。すなわち、電解液１０６の流入側となるマニホールド３４から流出側となる排出口２０に向けた方向に沿った電解液１０６の流路が形成される。
【0043】
例えば、マニホールド３４の内径は９ｍｍ、噴出孔３６の径は０．５ｍｍ、ピッチは１０ｍｍ、孔数は４０とする。これにより、マニホールド３４の管内面積は６３．６ｍｍ２となり、噴出孔３６の総面積は７．８５ｍｍ２となり、その比は１／８となる。このとき、電解液１０６の流量を１１０ｍＬ／ｍｉｎとすると、ベルヌーイの定理よりマニホールド３４内の流速は０．０２８８ｍ／ｓｅｃとなり、噴出孔３６内の流速は０．２３３ｍ／ｓｅｃとなる。すなわち、噴出孔３６における流速はマニホールド３４内の流速の約８倍となる。
【0044】
このように、マニホールド３４を設けることによって、マニホールド３４における電解液１０６の流入口側から反対側の端部に亘って電解液１０６を噴出孔３６から略均一に噴出させることができる。また、フィン３２を設けることによって、還元反応用電極１０４の導電体層１２及び酸化反応用電極１０２の酸化触媒層１６に電解液１０６を行き渡らせることができる。また、フィン３２を設けることによって、電解液１０６や反応によって生成された化学物質のガスが化学反応装置１００内において渦を巻くことを抑制することができる。
【0045】
なお、本実施の形態では流路構成部材１１０ｃを設けた構成としたが、流路構成部材１１０ｃを設けない構成としてもよい。また、流路構成部材１１０ｃにおいて、フィン３２を設けず、マニホールド３４のみを設ける構成としてもよい。この場合、フィン３２による効果のみを得ることができる。
【0046】
以上のように、本実施の形態における化学反応装置１００によれば、大型化した場合であっても電解液の滞留を抑制した電気化学反応セル及びそれを用いた人工光合成セルを提供できる。
【符号の説明】
【0047】
１０ 導電層、１２ 導電体層、１４ 導電層、１６ 酸化触媒層、２０ 排出口、２２ 第２溝、２４ 第１溝、２６ 接続領域、２８ 第３溝、３０ 枠板、３２ フィン、３４ マニホールド、３６ 噴出孔、１００ 化学反応装置、１０２ 酸化反応用電極、１０４ 還元反応用電極、１０６ 電解液、１０８ 太陽電池セル、１１０ 枠材、１１０ａ 枠材、１１０ｂ 枠材、１１０ｃ 流路構成部材、１１４ 基板。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】