特許 7459477 反応装置

(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】2024-03-25

(45)【発行日】2024-04-02

(54)【発明の名称】反応装置

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/08 20060101AFI20240326BHJP

   C25B 1/02 20060101ALI20240326BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

B01J19/08 A

C25B1/02

C25B9/00 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019188693

(22)【出願日】2019-10-15

(65)【公開番号】P2021062339

(43)【公開日】2021-04-22

【審査請求日】2022-07-04

(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】竹田 康彦

(72)【発明者】

【氏名】水野 真太郎

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 菜摘

(72)【発明者】

【氏名】加藤 直彦

(72)【発明者】

【氏名】藏薗 功一

【審査官】横山 敏志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－２５３２７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１６０３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２９４７８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０８－１８８６９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｊ １０／００－１２／０２

Ｂ０１Ｊ １４／００－１９／３２

Ｃ２５Ｂ １／００－９／７７

Ｃ２５Ｂ １３／００－１５／０８

Ｊａｐｉｏ－ＧＰＧ／ＦＸ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

容器内に液体を供給し、前記液体に含まれる物質の反応によって気体を発生させる反応装置であって、
前記容器は、前記気体を前記容器から排出させる排気口と、前記排気口とは別に前記液体を前記容器から排出させる越流口と、を備え、
前記越流口は、鉛直方向に沿って前記排気口よりも低い位置に配置されており、
前記気体を発生させる反応を生じさせる反応面と前記越流口とを最短距離で結んだラインと、前記反応面側からみて鉛直方向のラインとのなす角が３０°以下であることを特徴とする反応装置。

【請求項2】

請求項１に記載の反応装置であって、
前記越流口は、単一の矩形の長穴、複数の矩形の長穴、複数の円形穴のいずれか１つであることを特徴とする反応装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の反応装置であって、
前記容器内に、還元反応用電極と酸化反応用電極が配置されており、
前記液体として電解液を供給することによって、前記電解液に含まれる物質を化学反応させて前記気体を発生させることを特徴とする反応装置。

【請求項4】

請求項３に記載の反応装置であって、
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反応装置。

【請求項5】

請求項３又は４に記載の反応装置であって、
１つの前記容器内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を特徴とする反応装置。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載の反応装置であって、
前記容器内に前記液体を供給するためのオリフィスが設けられていることを特徴とする反応装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、反応装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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１，２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－０５２３４７号公報

【文献】特開２０１９－０５６１４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、電解液の排液口及びその先に接続されている配管に反応によって生じた気体の気泡が詰まることがある。その結果、気体が発生しないときに比べて容器内の電解液の平均圧力が増大することがある。また、気泡が詰まる程度が変動するので容器内の電解液の圧力も変動する。したがって、一定出力のポンプで電解液を送液すると、送液量が変化し、反応基質の供給や反応生成物の排出が滞り、反応効率の低下や反応特性の劣化を招くおそれがある。さらに、容器内の圧力が高くなると容器が破壊する可能性がある。一方、容器内の電解液の圧力の変動は不安定であるので、フィードバック回路を用いてポンプの出力を制御して流量を一定にすることも困難である。

【0005】

また、排液口が容器の一部のみに設けられているので、排液口に近い箇所は電解液の流速が大きく、遠い箇所は流速が小さくなる。具体的には、従来の化学反応装置において気泡の流れが均一ではなく、特に流路の角部では電解液が逆流する状態が目視観察されることがある。したがって、流速が小さい箇所では反応基質の供給や反応生成物の排出が滞り、反応効率の低下や反応特性の劣化にもつながるおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の１つの態様は、容器内に液体を供給し、前記液体に含まれる物質の反応によって気体を発生させる反応装置であって、前記容器は、前記気体を前記容器から排出させる排気口と、前記排気口とは別に前記液体を前記容器から排出させる越流口と、を備え、前記越流口は、鉛直方向に沿って前記排気口よりも低い位置に配置されていることを特徴とする反応装置である。

【0007】

ここで、前記気体を発生させる反応を生じさせる反応面と前記越流口とを最短距離で結んだラインと鉛直方向のラインとのなす角が３０°以下であることが好適である。

【0008】

また、前記容器内に、還元反応用電極と酸化反応用電極が配置されており、前記液体として電解液を供給することによって、前記電解液に含まれる物質を化学反応させて前記気体を発生させることが好適である。

【0009】

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。

【0010】

また、１つの前記容器内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。

【0011】

また、前記容器内に前記液体を供給するためのオリフィスが設けられていることが好適である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、反応に使用される液体を適切に供給及び排出することができる反応装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【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斜視図である。

【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断面模式図である。

【図3】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。

【図4】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5】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6】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。

【図7】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。

【図8】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。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】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。

【図12】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。

【図13】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。

【図14】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。

【図15】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。

【図16】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。

【図17】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。

【図18】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。

【図19】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。

【図20】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。

【図21】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。

【図22】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。

【図23】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。

【図24】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。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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))。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

＜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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

＜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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

＜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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

＜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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

＜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。

【0092】

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。

【表1】

【0093】

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。

【0094】

＜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。

【0095】

＜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。

【0096】

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。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

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。

【0100】

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。

【符号の説明】

【0101】

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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】