JP7081226B2 - Electrodes for chemical reactions, cells for chemical reactions using them, and chemical reaction equipment - Google Patents
Electrodes for chemical reactions, cells for chemical reactions using them, and chemical reaction equipment Download PDFInfo
- Publication number
- JP7081226B2 JP7081226B2 JP2018045082A JP2018045082A JP7081226B2 JP 7081226 B2 JP7081226 B2 JP 7081226B2 JP 2018045082 A JP2018045082 A JP 2018045082A JP 2018045082 A JP2018045082 A JP 2018045082A JP 7081226 B2 JP7081226 B2 JP 7081226B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- reaction
- reduction reaction
- oxidation reaction
- chemical reaction
- 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
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
Description
本発明は、化学反応用電極、それを用いた化学反応用セル及び化学反応装置に関する。 The present invention relates to an electrode for a chemical reaction, a cell for a chemical reaction using the electrode, and a chemical reaction apparatus.
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)。
Using solar energy, water (H 2 O) to hydrogen (H 2 ), water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) to carbon monoxide (CO), formic acid (HCOOH), methanol (CH 3 OH) ) Etc. are disclosed. In order to realize artificial photosynthesis, it is necessary to apply a potential difference of 2 to 3 V between the electrode for oxidation reaction and the electrode for reduction reaction. In order to realize this, optical electrodes in which oxidation / reduction catalysts are supported on both sides of an amorphous silicon-based 3-junction solar cell (a-Si 3J-SC) are used (Non-Patent
ところで、高い変換効率を得るためには酸化反応用電極から還元反応用電極へプロトンがスムーズに流れるように酸化反応用電極-還元反応用電極間の距離を短くすることが望まれる。 By the way, in order to obtain high conversion efficiency, it is desired to shorten the distance between the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode so that protons flow smoothly from the oxidation reaction electrode to the reduction reaction electrode.
しかしながら、太陽電池の一方の面に酸化反応用電極ともう一方の面に還元反応用電極とをそれぞれ設けた一体型の化学反応用セルでは、セルの端部を回り込んで電解液中をプロトンが移動する必要があり、セルを大型化すると反応の効率が低下するという問題があった。また、酸化反応用電極と還元反応用電極を向かい合わせた対向型セルの場合、酸化反応用電極-還元反応用電極間の距離が短くなると、原料の十分な供給と生成物の速やかな排出のために十分な量の電解液を均一に対流させることが難しくなる。 However, in an integrated chemical reaction cell in which an oxidation reaction electrode and a reduction reaction electrode are provided on one surface of the solar cell, the cells wrap around the end of the cell and protonate in the electrolytic solution. There is a problem that the efficiency of the reaction decreases when the cell is enlarged. Further, in the case of a facing cell in which the electrode for oxidation reaction and the electrode for reduction reaction face each other, if the distance between the electrode for oxidation reaction and the electrode for reduction reaction is shortened, sufficient supply of raw materials and rapid discharge of products are performed. Therefore, it becomes difficult to uniformly convection a sufficient amount of the electrolytic solution.
本発明の1つの態様は、基板の同一表面上に酸化反応用電極と還元反応用電極とが交互に配置され、交互配置方向に沿った前記酸化反応用電極の幅と前記還元反応用電極の幅が異なることを特徴とする化学反応用電極である。 In one aspect of the present invention, the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode are alternately arranged on the same surface of the substrate, and the width of the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode along the alternating arrangement direction are provided. It is an electrode for a chemical reaction characterized by having different widths.
ここで、前記酸化反応用電極及び前記還元反応用電極の電流密度-電圧特性に応じて、より高い電流密度-電圧特性を有する方の電極の幅が狭く設定されていることが好適である。 Here, it is preferable that the width of the electrode having the higher current density-voltage characteristic is set narrower according to the current density-voltage characteristic of the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode.
本発明の別の態様は、前記酸化反応用電極と前記還元反応用電極に接続された太陽電池と、を組み合わせたことを特徴とする化学反応用セルである。 Another aspect of the present invention is a chemical reaction cell comprising a combination of the oxidation reaction electrode and a solar cell connected to the reduction reaction electrode.
ここで、前記太陽電池を前記基板の一部とした一体型であることが好適である。 Here, it is preferable that the solar cell is an integrated type as a part of the substrate.
また、前記太陽電池は、3セル以上6セル以下の結晶性シリコン太陽電池を直列に接続したものであることが好適である。 Further, it is preferable that the solar cell is a series of crystalline silicon solar cells having 3 cells or more and 6 cells or less connected in series.
また、上記化学反応用セルが電解液中に浸漬されていることが好適である。 Further, it is preferable that the chemical reaction cell is immersed in the electrolytic solution.
本発明の別の態様は、上記化学反応用セルを複数備え、前記複数の化学反応用セルにおいて前記酸化反応用電極及び前記還元反応用電極が一面又は両面に設けられ、前記酸化反応用電極及び前記還元反応用電極が設けられた面を対向させて配置したことを特徴とする化学反応装置である。 In another aspect of the present invention, a plurality of the chemical reaction cells are provided, and in the plurality of chemical reaction cells, the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode are provided on one side or both sides, and the oxidation reaction electrode and the oxidation reaction electrode are provided. It is a chemical reaction apparatus characterized in that the surfaces provided with the reduction reaction electrodes are arranged so as to face each other.
本発明によれば、プロトンの移動が容易であり、原料の供給と生成物の排出に十分な量の電解液を流通させることができる化学反応用電極、それを用いた化学反応用セル及び化学反応装置を提供できる。 According to the present invention, an electrode for a chemical reaction, an electrode for a chemical reaction using the electrode, a cell for a chemical reaction, and chemistry, in which protons can be easily transferred and a sufficient amount of an electrolytic solution can be circulated for supplying a raw material and discharging a product. A reactor can be provided.
本発明の実施の形態における化学反応装置100は、図1の模式図に示すように、還元反応用電極102、酸化反応用電極104、電解液106、太陽電池セル108、窓材110及び枠材112を含んで構成される。
As shown in the schematic diagram of FIG. 1, the
図2及び図3は、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の構成を示す斜視図及び断面図である。図3は、図2におけるラインA-Aに沿った断面図である。なお、図2及び図3では、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の構造を明確に示すために各部の寸法は実際とは変更して示している。
2 and 3 are perspective views and cross-sectional views showing the configurations of the
本実施の形態では、還元反応用電極102と酸化反応用電極104は、基板114の同一面上に交互に配置される。具体的には、図2及び図3に示すように、y方向に沿って延びる短冊形状の還元反応用電極102と酸化反応用電極104とをx方向に沿って交互に配置するようにすればよい。このとき、図2に示すように、還元反応用電極102と酸化反応用電極104の端部をそれぞれ接続することで、それぞれ櫛形形状とされた還元反応用電極102と酸化反応用電極104を組み合わせた構成となる。
In the present embodiment, the
ここで、還元反応用電極102と酸化反応用電極104とを交互に配置するとは、図2に示すように短冊形状の電極を直線状に並べる構成に限定されない。例えば、基板114の面上に還元反応用電極102を渦巻き形状に配置し、基板114の同一面上において渦巻き形状の還元反応用電極102の間に酸化反応用電極104を渦巻き形状に嵌め込んだような構成としてもよい。また、例えば、還元反応用電極102と酸化反応用電極104とが基板114の同一面上において並べて配置されていれば、それぞの形状は不定形としてもよい。
Here, the arrangement of the
還元反応用電極102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102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102は、導電層10及び導電体層12を含んで構成される。
The
基板114は、還元反応用電極102を構造的に支持する部材である。本実施の形態では、基板114は、酸化反応用電極104と共通とされる。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。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。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102及び酸化反応用電極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。
The
導電層10は、還元反応用電極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。
The
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(CNT)、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。また、カーボン材を含む材料として、カーボンペーパー(CP)を用いてもよい。また、カーボンペーパー(CP)に対して、カーボンナノチューブ(CNT)等を塗布したものを用いてもよい。
The
導電体層は、錯体触媒等、還元機能を有する材料により修飾される。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。 The conductor layer is modified with a material having a reducing function, such as a complex catalyst. The complex catalyst is preferably, for example, a ruthenium complex. The complex catalyst may be, for example, [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrrolipropyl carbononate) -2,2'-bipyridine} (CO) (MeCN) Cl 2 ], [Ru {4,4'. -Di (1-H-1-pyridriplopyl carbononate) -2,2'-bipyridine} (CO) 2 Cl 2 ], [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyridopely carbonate) -2, 2'-bipyridine} (CO) 2 ] n , [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyridopyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) (CH 3 CN) Cl 2 ] And so on.
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。
Modification with a complex catalyst can be made by applying a solution prepared by dissolving the complex in an acetonitrile (MeCN) solution onto the conductor of the
このように形成された導電体層12は、還元反応用電極102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102が形成される。
The
酸化反応用電極104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104は、図3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104は、導電層14及び酸化触媒層16を含んで構成される。
The
導電層14は、酸化反応用電極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
導電層10及び導電層14は、基板114の還元反応用電極102及び酸化反応用電極104が設けられる面の全面に透明導電層を設け、それを還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の形状に併せた櫛形に加工することで形成することができる。具体的には、透明導電膜をレーザースクライブにより、還元反応用電極102と酸化反応用電極104の間に隙間が形成され、還元反応用電極102と酸化反応用電極104とが電気的に絶縁された状態となるように加工することが好適である。
The
なお、導電層10及び導電層14には、導電性を高めるためにフィンガー電極やバス電極のように集電電極を設けてもよい。例えば、基板114上にバス電極を形成し、バス電極からフィンガー電極を延ばして形成することで導電層10及び導電層14における集電機能を向上させることができる。集電電極は、例えば、銀、銅、金等の金属層とすればよい。具体的には、例えば、スクリーン印刷によって基板114上に銀ペーストを所望の形状に塗布し、焼成することによって集電電極を形成することができる。
The
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
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、乾燥炉内において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104を形成することができる。なお、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液の塗布及び乾燥を複数回繰り返してもよい。
For example, iridium oxide (IrOx) nanocolloids are synthesized. Next, a yellow solution adjusted to pH 13 by adding a 10 wt% sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution to 50 ml of a 2 mM potassium (IV) chloride (K 2 IrCl 6 ) aqueous solution was prepared at 90 ° C. using a hot stirrer. Heat for 20 minutes. The resulting blue solution is cooled with ice water for 1 hour. Then, 3M nitric acid (HNO 3 ) is added dropwise to the cooled solution (20 ml) to adjust the pH to 1, and the mixture is stirred for 80 minutes to obtain a nanocolloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx). Further, a 1.5 wt% NaOH aqueous solution (1-2 ml) is added dropwise to this solution to adjust the pH to 12. The nano-colloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx) thus obtained is applied onto the
化学反応装置100は、還元反応用電極102と酸化反応用電極104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102と酸化反応用電極104を囲むように枠材112を配置し、還元反応用電極102と酸化反応用電極104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供給用タンクを設け、ポンプによって当該液を還元反応用電極102と酸化反応用電極104との表面に供給し、還元反応によって生じたギ酸(HCOOH)を外部の回収用タンクに回収する。
The
また、還元反応用電極102と酸化反応用電極104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104に正極が接続され、還元反応用電極102に負極が接続される。
Further, the
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、還元反応用電極102及び酸化反応用電極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102と酸化反応用電極104と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104に接続し、負極を還元反応用電極102に接続している。
In this embodiment, the
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。
When synthesizing formic acid (HCOOH) or the like from carbon dioxide (CO 2 ), water (H 2 O) is oxidized to supply electrons and protons to carbon dioxide (CO 2 ). At around
太陽電池セル108に対しては、受光面側に窓材110を設けることが好適である。窓材110は、太陽電池セル108を保護する部材である。窓材110は、太陽電池セル108において発電に寄与する波長の光を透過する部材とし、例えば、ガラス、プラスチック等とすることができる。還元反応用電極102、酸化反応用電極104、太陽電池セル108及び窓材110は、枠材112によって構造的に支持される。
For the
[電極構造についての検討]
水(H2O)の酸化電位と二酸化炭素(CO2)からギ酸(HCOOH)への還元電位の差は1.43eVである。人工光合成を実現するためには反応の過電圧が必要であるから、還元反応用電極102と酸化反応用電極104との間に約2V以上の電圧を印加することが求められる。
[Examination of electrode structure]
The difference between the oxidation potential of water (H 2 O) and the reduction potential of carbon dioxide (CO 2 ) to formic acid (HCOOH) is 1.43 eV. Since an overvoltage of the reaction is required to realize artificial photosynthesis, it is required to apply a voltage of about 2 V or more between the
SnO2:F(FTO)付ガラス基板にIrOxを担持した1cm2の酸化反応用電極(アノード)と、カーボンペーパーに多層カーボンナノチューブ、次いでRu錯体ポリマーを担持したものをSnO2:F(FTO)付ガラス基板に固定した同サイズの還元反応用電極(カソード)を、内径2.5cmのチューブ状容器に満たされた電解液に浸漬して一定電圧2Vを印加したときの電流値の測定結果を図4に示す。電解液は濃度0.4Mまたは0.8Mのリン酸バッファー水溶液に二酸化炭素(CO2)を飽和溶解させたものである。横軸はチューブ内の酸化反応用電極-還元反応用電極間の距離Lである。 SnO 2 : F (FTO) -equipped glass substrate with IrO x for 1 cm 2 oxidation reaction electrode (anode), carbon paper with multilayer carbon nanotubes, and Ru complex polymer supported with SnO 2 : F (FTO) ) Attached A measurement result of the current value when a reduction reaction electrode (cathode) of the same size fixed on a glass substrate is immersed in an electrolytic solution filled in a tubular container with an inner diameter of 2.5 cm and a constant voltage of 2 V is applied. Is shown in FIG. The electrolytic solution is a saturated solution of carbon dioxide (CO 2 ) in a phosphoric acid buffer aqueous solution having a concentration of 0.4 M or 0.8 M. The horizontal axis is the distance L between the electrode for oxidation reaction and the electrode for reduction reaction in the tube.
なお、図4では、丸印(破線)が0.8Mのリン酸バッファー水溶液を適用した場合の測定値、四角印(破線)が0.4Mのリン酸バッファー水溶液を適用した場合の測定値を示す。実線は、それぞれについて後述するフィッティングの結果を示す。 In FIG. 4, the circle (broken line) shows the measured value when a 0.8 M phosphate buffer aqueous solution is applied, and the square mark (broken line) shows the measured value when a 0.4 M phosphate buffer aqueous solution is applied. show. The solid line shows the result of fitting described later for each.
図4に示すように、酸化反応用電極-還元反応用電極間の距離Lが増大すると電流値は低下した。すなわち、プロトンが電解液中を酸化反応用電極から還元反応用電極へ伝播することに伴う抵抗成分が、酸化反応用電極、還元反応用電極での反応抵抗に比べて無視できないことがわかった。したがって、酸化反応用電極及び還元反応用電極を光電荷分離素子に接続して人工光合成セルを構成し、太陽光エネルギーからギ酸(HCOOH)の化学エネルギーへと高い効率で変換するためには、酸化反応用電極-還元反応用電極距離を短く保たなければならない。そのため、光電荷分離素子の一方の面に酸化反応用電極を形成し、他方に還元反応用電極を形成した一体型のセルを大型化した場合には高い反応効率を得ることが困難である。一方、酸化反応用電極と還元反応用電極を対向させてその間を電解液で満たして対流させるような対向型のセルでは、酸化反応用電極-還元反応用電極距離が限られるため、原料である二酸化炭素(CO2)の十分な供給と生成物であるギ酸(HCOOH)の速やかな排出のために十分な量の電解液を大型化されたセル内に均一に対流させることが難しくなる。 As shown in FIG. 4, the current value decreased as the distance L between the electrode for the oxidation reaction and the electrode for the reduction reaction increased. That is, it was found that the resistance component associated with the propagation of protons in the electrolytic solution from the oxidation reaction electrode to the reduction reaction electrode cannot be ignored as compared with the reaction resistance of the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode. Therefore, in order to connect the electrode for oxidation reaction and the electrode for reduction reaction to the photocharge separation element to form an artificial photosynthetic cell, and to convert solar energy into chemical energy of formic acid (HCOOH) with high efficiency, oxidation is performed. The reaction electrode-reduction reaction electrode distance must be kept short. Therefore, it is difficult to obtain high reaction efficiency when the integrated cell in which the electrode for oxidation reaction is formed on one surface of the photocharge separation element and the electrode for reduction reaction is formed on the other surface is enlarged. On the other hand, in a facing type cell in which the electrode for oxidation reaction and the electrode for reduction reaction are opposed to each other and the space between them is filled with an electrolytic solution to cause convection, the distance between the electrode for oxidation reaction and the electrode for reduction reaction is limited, so that it is a raw material. Due to the sufficient supply of carbon dioxide (CO 2 ) and the rapid discharge of the product, formic acid (HCOOH), it becomes difficult to uniformly convection a sufficient amount of electrolyte into the enlarged cell.
<抵抗成分の定量評価>
プロトンの電解液中の伝播に伴う抵抗成分を定量評価した。図5(a)は、上記の実験に用いられた酸化反応用電極の電流密度(ja)-電位(Va)特性を示す。図5(b)は、上記比較例の実験に用いられた還元反応用電極の電流密度(jc)-電位(Vc)特性を示す。なお、いずれも電解液のリン酸バッファー濃度は0.4Mとした。
<Quantitative evaluation of resistance component>
The resistance component associated with the propagation of protons in the electrolytic solution was quantitatively evaluated. FIG. 5A shows the current density (ja) -potential ( Va ) characteristics of the oxidation reaction electrode used in the above experiment. FIG. 5 (b) shows the current density (j c ) -potential (V c ) characteristics of the reduction reaction electrode used in the experiment of the above comparative example. In each case, the phosphate buffer concentration of the electrolytic solution was 0.4 M.
酸化反応用電極と還元反応用電極を接続したときの酸化反応用電極-還元反応用電極間の電流密度(jac)-電圧(Vac)特性は、プロトン伝播に伴う抵抗成分を比抵抗ρH+のオーミック抵抗と考えると、数式(1)及び数式(2)の連立方程式を解くことにより求められる。
酸化反応用電極-還元反応用電極間の距離Lが小さくなり、チューブの内径に近くなると、チューブと電極の形状の影響が大きくなるので、抵抗成分が距離Lに対する比例関係からずれる。これを補正するためのパラメータがρ0である。リン酸バッファー濃度0.4M、Va=2Vのときのjacが実験値に一致するようにフィッティングにより抵抗rH+を求めたところ、ρH+=28Ω・cm、ρ0=35Ωであった。ただし、先に述べたように距離Lが小さいと数式(2)が成り立たなくなるので、フィッティングは距離L≧10cmの範囲で行った。図4に示したように、フィッティング結果は実験値とよく一致した。 When the distance L between the electrode for oxidation reaction and the electrode for reduction reaction becomes small and approaches the inner diameter of the tube, the influence of the shape of the tube and the electrode becomes large, so that the resistance component deviates from the proportional relationship with respect to the distance L. The parameter for correcting this is ρ 0 . When the resistance r H + was determined by fitting so that the jac at the phosphoric acid buffer concentration of 0.4 M and Va = 2 V matched the experimental value, it was ρ H + = 28 Ω · cm and ρ 0 = 35 Ω. However, as described above, if the distance L is small, the mathematical formula (2) does not hold, so the fitting was performed in the range of the distance L ≧ 10 cm. As shown in FIG. 4, the fitting results were in good agreement with the experimental values.
さらに、電解液のリン酸バッファー濃度を2倍の0.8Mにしたときの計算結果を実験値と比較する。ただし、今度はρH+,ρ0それぞれの値に、0.8Mの実験結果とのフィッティングではなく、0.4Mのときの1/2の値(ρH+=14Ω・cm、ρ0=17.5Ω)を用いて計算した。図4に示すように、0.8Mのときの測定結果とフィッティング結果はよい一致を示した。 Further, the calculation result when the phosphate buffer concentration of the electrolytic solution is doubled to 0.8 M is compared with the experimental value. However, this time, the values of ρ H + and ρ 0 are not fitted with the experimental results of 0.8M, but are halved of the values of 0.4M (ρ H + = 14Ω · cm, ρ 0 = 17. 5Ω) was used for calculation. As shown in FIG. 4, the measurement result and the fitting result at 0.8 M showed a good agreement.
これらのフィッティングの結果から、プロトンの電解液中の伝播に伴う抵抗成分を、抵抗値がリン酸バッファー濃度に比例するオーミック抵抗として扱ってよいといえる。 From the results of these fittings, it can be said that the resistance component associated with the propagation of protons in the electrolytic solution may be treated as an ohmic resistance whose resistance value is proportional to the phosphate buffer concentration.
<本実施の形態における電極構造(実施例)>
以下、本実施の形態における櫛形形状とされた還元反応用電極102と酸化反応用電極104を組み合わせた電極構造(以下、相互貫入型電極という)について検討する。
<Electrode structure in this embodiment (Example)>
Hereinafter, an electrode structure (hereinafter referred to as a mutual penetration type electrode) in which a
当該電極は、複数を並べて配置した場合であってもそれぞれの間隔はプロトンの伝播には直接影響しないので、電解液の対流による影響のみを考慮して設計すればよい。以下、相互貫入型電極の還元反応用電極102-酸化反応用電極104の間の電流密度(jac)-電圧(Vac)特性を求め、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の幅の影響を調べる。
Since the distance between the electrodes does not directly affect the propagation of protons even when a plurality of the electrodes are arranged side by side, it is sufficient to design the electrodes only in consideration of the influence of convection of the electrolytic solution. Hereinafter, the current density (jac) -voltage (Vac ) characteristics between the
簡単化のために、短冊形状の還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の周期2d(x方向)に比べて長さ(y方向)は十分に長い場合を考える。この場合、長さ方向の端の影響を無視することができるため、y方向の電位は一定、電流はゼロとなり、x-z面内の2次元問題とすることができる。
For simplification, consider a case where the length (y direction) of the strip-shaped
まず、短冊形状の還元反応用電極102と酸化反応用電極104の幅が等しい場合について検討する。ここで、還元反応用電極102と酸化反応用電極104との間の隙間をwとし、幅を周期d-隙間w/2とする。先に述べたようにプロトンの電解液(リン酸バッファー濃度0.4M)中の伝播に伴う抵抗成分を、比抵抗ρH+=28Ω・cmのオーミック抵抗として扱うと、数式(3)及び数式(4)のポアッソン方程式と拡散方程式が成り立つ。
ここで、φ(x,z),j(b)H+(x,z)はそれぞれ位置(x,z)における局所電位(相対値)とプロトン流密度ベクトルである。なお、本明細書では、ベクトルは、数式中では太字で示し、本文中では添字(b)を付して示す。 Here, φ (x, z) and j (b) H + (x, z) are the local potential (relative value) and the proton flow density vector at the position (x, z), respectively. In the present specification, the vector is shown in bold in the mathematical formula and is indicated by the subscript (b) in the text.
なお、xの原点は酸化反応用電極104と還元反応用電極102の間の中間点であり、zの原点は還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の表面とする。また、以下では、導電体層12及び酸化触媒層16の厚さが0である仮想的な電極構成を想定し、導電層10と導電体層12との界面及び導電層14と酸化触媒層16との界面をz=0で示し、導電体層12及び酸化触媒層16の表面をz=0+で示す。
The origin of x is an intermediate point between the
酸化反応用電極104での反応に伴う電圧降下は、電流密度ja-電圧Vaの関係を線形近似すると、数式(5)のように表される。
数式(5)は、プロトン流密度ベクトルj(b)H+のy成分を示している。φ(x,0)は、酸化反応用電極104の触媒が坦持されている導電材料(FTO)の電位、φ(x,0+)は触媒表面の電位である。還元反応用電極102についても同様にして扱うことができる。
ここで、Va0-Vc0=1.4969Vは反応が生じる閾値電圧である。 Here, V a0 −V c0 = 1.4969V is the threshold voltage at which the reaction occurs.
酸化反応用電極104から流れ出るプロトン流密度jH+a、還元反応用電極102へ流れ込むプロトン流密度jH+cに電流密度jacは一致する。
図6(a)は、還元反応用電極102-酸化反応用電極104の間の電圧Vac=2Vの一定電圧を印加したときの還元反応用電極102-酸化反応用電極104の間の電流密度jacの値を周期dの関数として計算した結果を示す。このときの還元反応用電極102と酸化反応用電極104の隙間w=0.1cmとし、リン酸バッファー濃度は0.4Mとした。図6(b)は、比較例として、還元反応用電極と酸化反応用電極とを向かい合わせた対向型セルにおいて、電解液の流れが不十分であることによる悪影響がないことを仮定した計算結果を示す。図6(c)は、比較例として、従来の一体型セルにおいて、同様に電解液の流れが不十分であることによる悪影響がないことを仮定した計算結果を示す。ただし、計算負荷を低減するため、円盤形状のセルについて円筒座標を用いて計算した。
FIG. 6A shows the current density between the
周期dが小さいときはその影響は僅かであり、相互貫入型電極としたときの還元反応用電極102-酸化反応用電極104の電流密度jacは、周期d≦1.0cmの範囲では対向型において電極間隔Lを1cmとしたときの値(3.5mA/cm2)以上となった。また、周期d≦3cmであるなら、相互貫入型電極としたときの還元反応用電極102-酸化反応用電極104の間の電流密度jacは、対向型において電極間隔Lを2cmとしたときの値(2.9mA/cm2)以上となった。一方、従来の一体型の大型セルの場合、直径Dが20cmのときには電流密度jacは1.3mA/cm2にまで低下した。これに対して、相互貫入型電極としたときには周期dが10cmであっても当該値を上回った。
When the period d is small, the effect is small, and the current density jac of the reduction reaction electrode 102-
また、周期dが小さいほど還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の単位面積当たりの電流値は大きくなる。ただし、全体に占める隙間wの比率が大きくなるので、周期d=1cmに比べて周期d=0.5cmのときは電流密度jacは小さくなった。
Further, the smaller the period d, the larger the current value per unit area of the
以上の結果から、周期dをおおよそ3cm以下に設定し、隣接する電極あるいは隔壁との間隔を十分に確保して電解液の流れを確保すれば、高い変換効率を得ることができるといえる。実際には、対向型を大きくすると、先に述べたように十分な量の電解液を均一に滞留させることが難しくなるので、本実施の形態のような相互貫入型電極がより優位となると推察される。 From the above results, it can be said that high conversion efficiency can be obtained by setting the period d to about 3 cm or less and ensuring a sufficient distance from the adjacent electrode or partition wall to secure the flow of the electrolytic solution. Actually, if the facing type is made large, it becomes difficult to uniformly retain a sufficient amount of the electrolytic solution as described above, so it is presumed that the mutual penetration type electrode as in the present embodiment becomes more dominant. Will be done.
図7(a)は、電流密度jacが最大となる周期d=1cmのときの電流密度jac-電圧Vac特性を示す。図7では、従来の対向型で電極間距離L=1cmの場合の電流密度jac(L=1)の結果、従来の一体型の場合の電流密度jac(D=20)を併せて示す。相互貫入型電極の電流密度jacは、電極の外形には依存しないので、大型化しても従来の対向型の電流密度jac(L=1)にほぼ一致する高い値が得られる。一方、従来の一体型電極において直径20cmの場合、電流密度jac(D=20)は極端に低い値となった。実用化のために従来の一体型電極において直径をより大きくすると、電流密度jac(D)はさらに小さくなることは図6(c)の結果から明らかである。また、対向型電極を大型化すると、電解液の対流の問題が生ずる。 FIG. 7A shows the current density j ac -voltage V ac characteristic when the period d = 1 cm at which the current density j ac is maximized. FIG. 7 also shows the current density j ac (L = 1) in the case of the conventional opposed type and the distance between electrodes L = 1 cm, and the current density j ac (D = 20) in the case of the conventional integrated type. .. Since the current density jac of the mutual penetration type electrode does not depend on the outer shape of the electrode, a high value that almost matches the conventional opposed type current density jac (L = 1) can be obtained even if the size is increased. On the other hand, when the diameter of the conventional integrated electrode is 20 cm, the current density jac (D = 20) is extremely low. It is clear from the results of FIG. 6 (c) that the current density jac (D) becomes even smaller when the diameter of the conventional integrated electrode is increased for practical use. Further, when the size of the opposed electrode is increased, the problem of convection of the electrolytic solution arises.
図8は、電圧V=3.2584Vを印加したときの還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の局所プロトン流密度jH+(x,0+)と、ρH+に起因するφ(x,z)の変動(相対値)である。局所プロトン流密度jH+(x,0+)は還元反応用電極102と酸化反応用電極104とで大よそ一定であった。局所プロトン流密度jH+(x,0+)が大きくなると反応抵抗が大きくなるため、電圧降下が生じ、局所プロトン流密度jH+(x,0+)の増大が抑制される。φ(x,0+)の変化を見ると、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の端部(x=±0.5cm)付近に比べて中央付近ではφ(x,0+)が0に近づく。この結果は、仮に反応抵抗がゼロの場合には、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104内のφ(x,0+)は一定であり、その結果、局所プロトン流密度jH+(x,0+)は両者の距離が短く、抵抗が小さい中央付近に集中することと対照的である。
FIG. 8 shows the local proton flow densities j H + (x, 0 + ) of the
リン酸バッファー濃度が高くなるとρH+が低くなるので電流密度jac-電圧Vac特性が影響を受ける。濃度が2倍の0.8Mになると、ρH+は1/2の14Ω・cmとなる。ただし、対向型電極及び相互貫入型電極では共にρH+の影響が小さいような電極間距離L及び周期dが用いられているので、図7(b)に示されるように、電流密度jac(L=1)及び電流密度jac(d=1)は僅かに大きくなるのみであった。一方、従来の大型セルへのρH+の影響が小さくなるため電流密度jac(D=20)は増大するが、それでも電流密度jac(L=1),電流密度jac(d=1)の約1/2に留まった。 As the phosphate buffer concentration increases, ρ H + decreases, so that the current density j ac -voltage V ac characteristics are affected. When the concentration is doubled to 0.8 M, ρ H + becomes 1/2 of 14 Ω · cm. However, since the inter-electrode distance L and the period d are used so that the influence of ρ H + is small in both the opposed type electrode and the mutual penetration type electrode, the current density jac (as shown in FIG. 7 (b)). L = 1) and the current density jac (d = 1) were only slightly increased. On the other hand, the current density j ac (D = 20) increases because the influence of ρ H + on the conventional large cell becomes smaller, but the current density j ac (L = 1) and the current density j ac (d = 1) are still present. It stayed at about 1/2 of.
還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の触媒性能の向上、又は、表面に凹凸形状を設けること、または多孔体の基材を用いることによる実効的な表面積の増大に伴い還元反応用電極102及び酸化反応用電極104が2倍になった場合を想定すると、図7(c)に示されるように、電流密度jacは2倍近くにまで大きくなった。ただし、ρH+の影響があるため完全に2倍にはならなかった。一方、電流密度jac(D=20)も大きくなるものの、ρH+の影響がより著しいため、僅かな向上に留まった。その結果、相互貫入型電極の方が優れた特性が得られた。
As the catalytic performance of the
<一体型化学反応装置>
図9に示すように、相互貫入型電極と光電荷分離素子(太陽電池)とを組み合わせて、一体型の化学反応装置100を構成することもできる。このような一体型の化学反応装置100では、光電荷分離素子(太陽電池)の両側にそれぞれ酸化反応用電極と還元反応用電極とを形成した場合に比べて電極面積が1/2になるにもかかわらず、高い動作電流jop、すなわち高い反応収率が得られる。ここで、動作電流jopは、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の幅の影響を受けるが、化学反応装置100の外形には依存しない。したがって、電解液の供給が十分であれば、大型化による効率の低下を防ぐことができる。
<Integrated chemical reaction device>
As shown in FIG. 9, a mutual penetration type electrode and a photocharge separation element (solar cell) can be combined to form an integrated
これまでに述べたように、人工光合成の動作のためには、還元反応用電極102と酸化反応用電極104との間に2V以上の電圧を印加する必要があるので、結晶シリコン太陽電池を複数個直列接続した素子を用いることを想定する。
As described above, in order to operate artificial photosynthesis, it is necessary to apply a voltage of 2 V or more between the
結晶シリコン太陽電池の電流密度(jpv)-電圧(Vpv)は、数式(10)にて表すことができる。ここで、q,kB,Tはそれぞれ電荷素量、ボルツマン定数、温度(300K)、jphは光電流密度、j0,nはそれぞれダイオードの逆飽和電流と理想因子である。
太陽光の標準条件であるAM1.5Gスペクトル、1sun(強度100mW/cm2)の光を照射したときに市販品の典型的な特性が得られるようにこれらの値を求めたところ、jph=40mA/cm2,j0=2×10-8,n=1.1となり、このとき変換効率19.9%、開放端電圧0.61V、形状因子0.82であった。図10(a)は、このときの電流密度jpv-電圧Vpv特性を示す。
When these values were obtained so that the typical characteristics of commercial products could be obtained when irradiated with light of AM1.5G spectrum, which is the standard condition of sunlight, and 1 sun (
一方、現在変換効率が最も高いシリコン系太陽電池はアモルファスシリコン/結晶シリコンヘテロ接合を用いたものであり、変換効率は26%が実現されている。今のところ製造コストが高いものの、将来的には徐々に普及すると予想される。したがって、これを用いた場合についても併せて考える。文献に報告されている電流密度(jpv)-電圧(Vpv)特性に近い値となるように数式(10)のパラメータを定めたところ、jph=42mA/cm2,j0=2×10-10,n=1.1となり、このとき変換効率26.2%、開放端電圧0.74V、形状因子0.84であった。図10(b)は、このときの電流密度jpv-電圧Vpv特性を示す。図10(a)と比べると、こちらの方が開放端電圧が高いことが特徴である。 On the other hand, the silicon-based solar cell having the highest conversion efficiency at present uses an amorphous silicon / crystalline silicon heterojunction, and the conversion efficiency is 26%. Although the manufacturing cost is high so far, it is expected that it will gradually spread in the future. Therefore, the case of using this is also considered. When the parameters of the equation (10) were set so that the values were close to the current density (j pv ) -voltage (V pv ) characteristics reported in the literature, j ph = 42 mA / cm 2 , j 0 = 2 ×. 10-10 , n = 1.1, and at this time, the conversion efficiency was 26.2%, the open end voltage was 0.74 V, and the shape factor was 0.84. FIG. 10B shows the current density j pv -voltage V pv characteristics at this time. Compared with FIG. 10A, this is characterized by a higher open end voltage.
人工光合成反応に必要な電圧を得るため、結晶シリコン太陽電池をm個直列に接続したときの電流密度jpv
(m)-電圧Vpv特性は、数式(11)で表すことができる。
結晶シリコン太陽電池の電流密度jpv-電圧Vpv特性と、図7に示した化学反応装置100の電流密度jac-電圧Vac特性からなる連立方程式を解くことにより、動作点の電流密度が得られる。図9の相互貫入電極を用いた一体型の化学反応装置100の場合も同様に考えればよく、太陽電池の面積に比べて還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の面積はそれぞれ1/2であるから、電流密度jacを電流密度jac/2に置き換えた特性を用いればよい。
By solving a simultaneous equation consisting of the current density j pv -voltage V pv characteristic of the crystalline silicon solar cell and the current density j ac -voltage V ac characteristic of the
図11は、周期d=1cmの場合の電流密度jac-電圧Vac特性から算出された電流密度jac/2を、比較例である従来の対向型で電極間距離L=1cmの場合の電流密度jac(L=1)、比較例である従来の一体型の場合の電流密度jac(D=20)及び太陽電池の電流密度jpv-電圧Vpv特性と併せて示す。図11(a)は、結晶シリコン太陽電池を4個直列に接続したときの特性を示す。同様に、図11(b)~図11(e)は、それぞれ結晶シリコン太陽電池を5個~8個直列に接続したときの特性を示す。また、図12(a)は、図11において化学反応装置100の電流密度jac-電圧Vac特性と太陽電池の電流密度jpv-電圧Vpv特性のグラフの交点である動作点における電流密度(太陽電池の単位面積あたり)を示す。
FIG. 11 shows the current density j ac / 2 calculated from the current density j ac -voltage V ac characteristic when the period d = 1 cm in the case of the conventional opposed type as a comparative example and the distance L = 1 cm between the electrodes. The current density j ac (L = 1), the current density j ac (D = 20) in the case of the conventional integrated type as a comparative example, and the current density j pv -voltage V pv characteristics of the solar cell are shown together. FIG. 11A shows the characteristics when four crystalline silicon solar cells are connected in series. Similarly, FIGS. 11 (b) to 11 (e) show the characteristics when 5 to 8 crystalline silicon solar cells are connected in series, respectively. Further, FIG. 12A shows the current density at the operating point, which is the intersection of the graphs of the current density jac-voltage V ac characteristic of the
結晶シリコン太陽電池の直列接続数(個数)mの最適値は還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の特性及びρH+に依存する。電流密度jacの立ち上がり(閾値)電圧が低く、その後の傾斜が急峻であるほど、結晶シリコン太陽電池の直列接続数mは少なくてよく、そのため大きい動作電流密度が得られる。動作電流密度は、結晶シリコン太陽電池の直列接続数mが少ないときには電流密度jacに依存し、結晶シリコン太陽電池の直列接続数mが多いときには電流密度jpvにより規定される。化学反応装置100の電流密度jac-電圧Vac特性と太陽電池の電流密度jpv-電圧Vpv特性の交点である動作点が太陽電池の最大出力点(jpv´Vpvが最大となる点、大よそはjpvが低下し始める点)に近いときに動作電流が最大となる。動作電流が最大となるのは、従来の小型の対向型電極を用いた化学反応装置の場合は結晶シリコン太陽電池の直列接続数mが5個のときであり、そのときの動作電流は7.7mA/cm2となった。一方、本実施の形態における相互貫入型電極を用いた化学反応装置100の場合、結晶シリコン太陽電池の直列接続数mが5個のときの電流密度は低く、直列接続数mが6個のときに動作電流が最大となり、そのときの動作電流は6.0mA/cm2となった。この動作電流の値は、従来の小型電極を用いた化学反応装置の場合の最大値に近い値となった。一方、従来の一体型電極(直径D=20cm)を用いた化学反応装置の場合、直列接続数mが7個のときに動作電流は5.5mA/cm2であり、相互貫入型電極を用いた一体型の化学反応装置100の場合の値には及ばない値であった。さらに、従来の一体型電極を用いた化学反応装置では、実際には通常太陽電池の光入射面側に形成される酸化反応用電極104の光吸収が無視できないので、動作電流jopはさらに小さくなる。また、直径Dがより大きくなれば動作電流jopはより小さくなるのに対し、本実施の形態における相互貫入型電極を用いた一体型の化学反応装置100の場合は動作電流jopがセルの外形に依存しないことが特長であるので、大型セルを構成するためには相応しい構造である。なお、対向型電極を大きくすると、十分な量の電解液を均一に滞留させることが難しくなるので、動作電流jopが低下するおそれがあることは先に述べた通りである。
The optimum value of the number (number) m of connected series of crystalline silicon solar cells depends on the characteristics of the
照射光強度が弱くなると、太陽電池の短絡電流値が小さくなるので、動作点はより低電流、定電圧側に変化する。そのため、最適な結晶シリコン太陽電池の直列接続数mの値が小さくなる。図12(b)に示されるように、0.5sun照射の場合には結晶シリコン太陽電池の直列接続数mが5個のときが最適(最大値3.7mA/cm2)であった。この場合、従来の対向型電極を用いた化学反応装置と本実施の形態における相互貫入型電極を用いた化学反応装置100との差は殆どなかった。
When the irradiation light intensity becomes weak, the short-circuit current value of the solar cell becomes small, so that the operating point changes to a lower current and a constant voltage side. Therefore, the value of the number of connected series m of the optimum crystalline silicon solar cell becomes small. As shown in FIG. 12 (b), in the case of 0.5 sun irradiation, the optimum value (maximum value 3.7 mA / cm 2 ) was when the number of series connections m of the crystalline silicon solar cells was 5. In this case, there was almost no difference between the conventional chemical reaction device using the opposed electrode and the
このように、各構成のセルの特徴、優位性は照射光強度によって変化する。そこで、1日に生成される電荷量を比較する。1日のうちのスペクトルの変動を無視し、太陽高度の変化のみを考慮して、日射量の変動Isun(t)を数式(12)のような単純な余弦曲線により表す。
図13(a)は、各時刻における日射強度に対応する動作電流jopを求めた結果を示す。ただし、直列接続数mの値はそれぞれの化学反応装置の最適値であり、従来の対向型電極(電極間距離L=1cm)を用いた化学反応装置については直列接続数mを5個、従来の一体型電極(直径D=20cm)を用いた化学反応装置及び相互貫入型電極(周期d=1cm,隙間w=0.1cm)を用いた一体型の化学反応装置100については直列接続数mを6個とした。また、直径D=50cmの従来の一体型電極を用いた化学反応装置についても、同様の計算を行ったところ、直列接続数mが8個のときに最適であった。このようにして求めた動作電流jopを時刻tで積分すれば、図13(b)に示すように1日の電荷量が求められる。相互貫入型電極を用いることにより、従来の一体型電極(直径D=20cm)の値を約1割上回る電荷量が得られた。なお、従来の一体型電極(直径D=50cm)の場合は更に低い値に留まった。
FIG. 13A shows the result of obtaining the operating current hop corresponding to the illuminance intensity at each time. However, the value of the number of series connections m is the optimum value for each chemical reaction device, and for the chemical reaction device using the conventional opposed electrodes (distance between electrodes L = 1 cm), the number of series connections m is five, conventional. For the chemical reaction device using the integrated electrode (diameter D = 20 cm) and the integrated
図14(a)及び図14(b)は、図7(b)及び図7(c)において電流密度jac-電圧Vac特性を示したリン酸バッファー濃度0.8Mであり、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の電流密度2倍のときの動作電流jopの計算結果を示す。相互貫入型電極を用いた一体型の化学反応装置100及び対向型電極を用いた化学反応装置の場合、リン酸バッファー濃度0.4Mに比べて0.8Mになると動作電流jopがそれぞれ0.2mA/cm2程度大きくなったが、直列接続数mへの依存性の傾向は変わらなかった。一方、従来の一体型電極を用いた化学反応装置では、電流密度jacの増大が大きいため、動作電流jopの最大値(6.4mA/cm2,直列接続数m=6)は相互貫入型電極を用いた化学反応装置100における値(6.2mA/cm2,直列接続数m=6)を僅かに上回った。しかしながら、先に述べたように、直径Dに対する依存性及び還元反応用電極102の光吸収の影響を避けられないことが欠点である。
14 (a) and 14 (b) are phosphate buffer concentrations of 0.8 M showing current density j ac -voltage V ac characteristics in FIGS. 7 (b) and 7 (c), and are used for the reduction reaction. The calculation result of the operating current hop when the current densities of the
これとは対照的に、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の電流密度が2倍になると、相互貫入型電極を用いた一体型の化学反応装置100の場合、直列接続数mが5個のときに最適となり、このとき動作電流jopは7.3mA/cm2にまで増大した。一方、従来の一体型電極を用いた化学反応装置の場合は、図7(c)に示されるように、図12(a)の値から僅かに増大するのみであった。すなわち、より活性の高い還元反応用電極102及び酸化反応用電極104が実現されれば、従来の一体型電極に比べて相互貫入型電極を用いた一体型の化学反応装置100の優位性がより顕著となった。
In contrast, when the current densities of the
また、光電荷分離素子の特性によっても特性は変化した。図14(c)は、ヘテロ接合シリコン太陽電池を用いた場合の結果を示す。相互貫入型電極を用いた一体型の化学反応装置100については直列接続数mが6個のときに最適値となるが、図12(a)とは異なり、直列接続数mが5個のときの値とあまり変わらなかった。また、同じ直列接続数mが6個であっても、結晶シリコン素子の場合には、図12(a)に示されるように、動作点では電流密度が太陽電池の短絡電流密度よりもやや低くなったのに対し、ヘテロ接合シリコン素子の場合にはより高電圧まで短絡電流密度に近い値が維持されるので、高い動作電流jop(6.9mA/cm2)が得られた。
In addition, the characteristics also changed depending on the characteristics of the light charge separation element. FIG. 14 (c) shows the results when a heterojunction silicon solar cell is used. For the integrated
このように、相互貫入型電極を用いた化学反応装置100では、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の特性、電解液の濃度及び組み合わせる太陽電池の特性に応じて適切な直列接続数mを選ぶことで、従来の一体型電極を用いた化学反応装置よりも大型化が可能となり、対向型電極を用いた化学反応装置に近い動作電流jopを得ることができる。
As described above, in the
また、本実施の形態における化学反応装置100によれば、酸化反応用電極104から還元反応用電極102へのプロトンのスムーズな流れと、原料(CO2等)の十分な供給と生成物(HCOOH等)の速やかな排出のために十分な量の電解液の対流を両立させることができる。
Further, according to the
[第2の実施の形態]
なお、本実施の形態では、還元反応用電極102の周期dcと酸化反応用電極104の周期daを等しいものとしたが、還元反応用電極102と酸化反応用電極104の化学活性の特性に応じて異なるようにしてもよい。具体的には、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104のうち単位面積当たりの化学活性が低い方の幅をより広くし、活性が高い方の幅をより狭くすることで、両者のバランスがとれるので好ましい。
[Second Embodiment]
In the present embodiment, the period d c of the
先に述べたように、触媒機能は材料、担体、製造プロセスによって大きく異なり得る。図5の示した還元反応用電極と酸化反応用電極の特性と文献(T.Arai, S.Sato, and T.Morikawa, Energy Envision. Sci 8, 1998(2015))に示される特性を比較した。還元反応用電極の特性はおおよそ同じであったが、酸化反応用電極では閾値は変わらないものの、閾値以上の所定印加電圧時の電流密度が文献の方が約3倍であった。そこで、図15に示すように、酸化反応用電極の電流密度のみが図5(a)に示した電流密度の3倍である場合について検討した。
As mentioned earlier, catalytic function can vary widely depending on the material, carrier and manufacturing process. The characteristics of the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode shown in FIG. 5 and the characteristics shown in the literature (T.Arai, S.Sato, and T.Morikawa, Energy Envision.
この場合、酸化反応用電極及び還元反応用電極の各々の反応の微分抵抗は、dVa/dja=14Ω・cm,dVc/djc=73Ω・cm(絶対値)である。すなわち、還元反応用電極の微分抵抗は、酸化反応用電極の微分抵抗より遥かに大きい。そこで、相互貫入型電極のように還元反応用電極及び酸化反応用電極の総面積が限定される場合、還元反応用電極の面積を相対的に大きくすると総面積あたりの電流値を増大させることができる。 In this case, the differential resistance of each reaction of the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode is dV a / dj a = 14 Ω · cm, dV c / dj c = 73 Ω · cm (absolute value). That is, the differential resistance of the electrode for reduction reaction is much larger than the differential resistance of the electrode for oxidation reaction. Therefore, when the total area of the reduction reaction electrode and the oxidation reaction electrode is limited as in the case of the mutual penetration type electrode, the current value per total area can be increased by increasing the area of the reduction reaction electrode relatively. can.
図16に示されるように、酸化反応用電極104の幅をda-w/2、還元反応用電極102の幅をdc-w/2とする。数式(5)~(9)は、数式(13)~(17)に変更される。
図17(a)は、酸化反応用電極104の周期da+還元反応用電極102の周期dc=2cmの制約下で周期da,周期dcを変化させて、電圧Vac=2Vの一定電圧を印加したときの電流密度jacを計算した結果を示す。周期da=周期dc=1cmの場合に比べて、最適値である周期da=0.7cm,周期dc=1.3cmの非対称型を用いると、電流密度jacが約1割増大する。なお、非対称にすることの欠点は特にないと考えられる。 In FIG . 17 (a), the period da a and the period dc are changed under the constraint of the period da a of the oxidation reaction electrode 104 + the period dc of the reduction reaction electrode 102 = 2 cm, and the voltage V ac = 2 V. The result of calculating the current density jac when a constant voltage is applied is shown. Compared to the case where the period da a = period d c = 1 cm, the current density j ac increases by about 10% when the asymmetric type with the optimum period d a = 0.7 cm and the period d c = 1.3 cm is used. do. It is considered that there is no particular drawback in making it asymmetric.
還元反応用電極102及び酸化反応用電極104の過電圧(動作電位と反応が生じる閾値電位の差)が大きくなると、触媒の劣化が進行する場合があり、また反応の選択性が損なわれることがある。還元反応用電極102にて二酸化炭素(CO2)からギ酸(HCOOH)への還元反応を目的とする場合、過電圧が大きくなると一酸化炭素(CO)など他の物質が生じたり、水溶液中の場合は水(H2O)が還元されて水素(H2)が生成したりするおそれがある。
If the overvoltage (difference between the action potential and the threshold potential at which the reaction occurs) of the
酸化反応用電極104及び還元反応用電極102の各々の平均の過電圧Vop-a,Vop-cは、数式(18)及び数式(19)で表すことができる。
図17(b)は、図17(a)に対応する電圧Vac=2Vのときの過電圧Vop-a,Vop-cを示す。反応の微分抵抗が大きい還元反応用電極102の幅を広くすることにより過電圧Vop-cが小さくなる一方、過電圧Vop-aの増大は僅かであるので、上記の劣化や反応選択性低下の問題が低減される。図17(c)は、対称型である周期d=1cm及び非対称型の最適値である周期da=0.7cm,周期dc=1.3cmのときの電流密度jac-電圧Vac特性(それぞれjac(d=1),jac(da=0.7,dc=1.3))を示す。
FIG. 17B shows the overvoltages V op-a and V op-c when the voltage V ac = 2 V corresponding to FIG. 17 (a). By widening the width of the
図18は、対称型(周期d=1cm,隙間w=0.1cm)及び非対称型(周期da=0.7cm,周期dc=1.3cm,隙間w=0.1cm)の相互貫入型電極に電圧Vac=2Vを印加したときの酸化反応用電極104及び還元反応用電極102の局所プロトン流密度jH+
(y)(x,0+)と、ρH+に起因するφ(x,z)の変動(相対値)を比較した結果を示す。局所プロトン流密度jH+
(y)(x,0+)の平均値であるjH+a,jH+cは、対称型の場合はjH+a=jH+c=4.4mA/cm2、非対称型についてはjH+a=7.0mA/cm2,jH+c=3.8mA/cm2であった。いずれの場合も、酸化反応用電極104の方は活性が高い(反応の微分抵抗dVa/djaの絶対値が小さい)ため、相対的にρH+の影響が大きくなるので、還元反応用電極102に近い側(x=0に近い側)の値が大きく、遠い側の値は小さくなる。逆に還元反応用電極102についてはdVa/djaが支配的になるので、局所プロトン流密度jH+(x,0+)は酸化反応用電極104からの距離に殆ど依存しない。
FIG. 18 shows a mutual penetration type of a symmetrical type (period d = 1 cm, gap w = 0.1 cm) and an asymmetric type (period da a = 0.7 cm, period dc = 1.3 cm, gap w = 0.1 cm). Local proton flow densities j H + (y) (x, 0 + ) of the
次に、非対称型の相互貫入型電極を用いた一体型の化学反応装置100の特性を求める。還元反応用電極102及び酸化反応用電極104については、図15に示したような、酸化反応用電極104の方が活性が著しく高いような場合を想定し、図17(c)に示した電流密度jac-電圧Vac特性を用いた。
Next, the characteristics of the integrated
図19は、結晶シリコン太陽電池をm個直列に組み合わせた一体型の化学反応装置の動作点における電流密度jop(太陽電池の単位面積あたり)を示す。照射光強度が1sunのときは直列接続数mが6個のときに電流密度jopが最大となるのに対し、0.5sunの場合には直列接続数mが5個のときに最適値となった。ただし、非対称型の場合は、1sun照射時の直列接続数mが5個のときと6個のときの差が小さくなった。 FIG. 19 shows the current density pop (per unit area of the solar cell) at the operating point of the integrated chemical reaction apparatus in which m crystalline silicon solar cells are combined in series. When the irradiation light intensity is 1 sun, the current density jop becomes maximum when the number of series connections m is 6, whereas when the irradiation light intensity is 0.5 sun, the optimum value is obtained when the number of series connections m is 5. became. However, in the case of the asymmetric type, the difference between the case where the number of series connections m at the time of 1 sun irradiation was 5 and the case where the number m was 6 became small.
これらを反映し、1日に生成される電荷量は両者共に直列接続数mが5個のときに最大となった。図20に示すように、照射光が弱いときの電流密度jopには両者の差は殆どないが、照射光強度が大きくなると非対称型(周期da=0.7cm,周期dc=1.3cm,隙間w=0.1cm)が優位となった。その結果、対称型(周期d=1cm,隙間w=0.1cm)値を約5%上回る電荷量が得られた。これに加えて、劣化や反応選択性低下の問題を低減することができる。 Reflecting these, the amount of electric charge generated in one day was the maximum when the number of series connections m was five. As shown in FIG. 20, there is almost no difference between the two in the current density jop when the irradiation light is weak, but when the irradiation light intensity increases, the asymmetric type (period da a = 0.7 cm, period dc = 1. 3 cm, gap w = 0.1 cm) became dominant. As a result, an amount of charge exceeding the symmetric type (period d = 1 cm, gap w = 0.1 cm) value by about 5% was obtained. In addition to this, problems of deterioration and deterioration of reaction selectivity can be reduced.
[変形例]
図21は、複数の化学反応装置100を並列に接続した構成を示す。この場合、並列接続された複数の化学反応装置100を電解液に浸漬させ、電源(太陽電池等)から電圧を印加することが好適である。なお、複数の化学反応装置100の接続構成はこれに限定されるものではない。例えば、複数の化学反応装置100を直列又は直並列に組み合わせて接続し、直列接続数に応じた電圧を印加してもよい。電源に太陽電池を用いる場合、図22に示すように、接地場所等の条件に応じて複数の太陽電池セル108を直列又は並列に組み合わせて接続した構成としてもよい。
[Modification example]
FIG. 21 shows a configuration in which a plurality of
なお、上記実施の形態及び変形例では、相互貫入型電極を化学反応装置100の片面に形成する構成としたが、両面に形成する構成としてもよい。
In the above-described embodiment and modification, the mutual penetration type electrode is formed on one side of the
10 導電層、12 導電体層、14 導電層、16 酸化触媒層、100 化学反応装置、102 還元反応用電極、104 酸化反応用電極、106 電解液、108 太陽電池セル、110 窓材、112 枠材、114 基板。
10 Conductive layer, 12 Conductor layer, 14 Conductive layer, 16 Oxidation catalyst layer, 100 Chemical reaction device, 102 Reduction reaction electrode, 104 Oxidation reaction electrode, 106 Electrolyte, 108 Solar cell, 110 Window material, 112 frame Material, 114 substrates.
Claims (7)
前記酸化反応用電極及び前記還元反応用電極の電流密度-電圧特性に応じて、より高い電流密度-電圧特性を有する方の電極の幅が狭く設定されていることを特徴とする化学反応用電極。 The electrode for chemical reaction according to claim 1.
A chemical reaction electrode characterized in that the width of the electrode having a higher current density-voltage characteristic is set narrower according to the current density-voltage characteristic of the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode. ..
前記酸化反応用電極と前記還元反応用電極に接続された太陽電池と、
を組み合わせたことを特徴とする化学反応用セル。 The electrode for chemical reaction according to claim 1 or 2,
The solar cell connected to the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode,
A cell for chemical reaction characterized by the combination of.
前記太陽電池を前記基板の一部とした一体型であることを特徴とする化学反応用セル。 The chemical reaction cell according to claim 3.
A cell for a chemical reaction, which is an integral type in which the solar cell is a part of the substrate.
前記太陽電池は、3セル以上6セル以下の結晶性シリコン太陽電池を直列に接続したものであることを特徴とする化学反応用セル。 The chemical reaction cell according to claim 3 or 4.
The solar cell is a chemical reaction cell in which crystalline silicon solar cells of 3 cells or more and 6 cells or less are connected in series.
前記複数の化学反応用セルにおいて前記酸化反応用電極及び前記還元反応用電極が一面又は両面に設けられ、前記酸化反応用電極及び前記還元反応用電極が設けられた面を対向させて配置したことを特徴とする化学反応装置。 A plurality of chemical reaction cells according to claim 6 are provided.
In the plurality of chemical reaction cells, the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode are provided on one side or both sides, and the surfaces provided with the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode are arranged so as to face each other. A chemical reaction device characterized by.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018045082A JP7081226B2 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Electrodes for chemical reactions, cells for chemical reactions using them, and chemical reaction equipment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018045082A JP7081226B2 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Electrodes for chemical reactions, cells for chemical reactions using them, and chemical reaction equipment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019157198A JP2019157198A (en) | 2019-09-19 |
JP7081226B2 true JP7081226B2 (en) | 2022-06-07 |
Family
ID=67993198
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018045082A Active JP7081226B2 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Electrodes for chemical reactions, cells for chemical reactions using them, and chemical reaction equipment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7081226B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7283455B2 (en) * | 2020-08-26 | 2023-05-30 | 株式会社豊田中央研究所 | Reduction reaction electrode |
EP3974560A1 (en) * | 2020-09-25 | 2022-03-30 | Basf Se | Reactor for electrochemical synthesis |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009274891A (en) | 2008-05-13 | 2009-11-26 | Sharp Corp | Semiconductor oxide film, production method thereof, and hydrogen generation apparatus using the semiconductor oxide film |
WO2016052002A1 (en) | 2014-09-29 | 2016-04-07 | 富士フイルム株式会社 | Artificial photosynthesis module |
-
2018
- 2018-03-13 JP JP2018045082A patent/JP7081226B2/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009274891A (en) | 2008-05-13 | 2009-11-26 | Sharp Corp | Semiconductor oxide film, production method thereof, and hydrogen generation apparatus using the semiconductor oxide film |
WO2016052002A1 (en) | 2014-09-29 | 2016-04-07 | 富士フイルム株式会社 | Artificial photosynthesis module |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2019157198A (en) | 2019-09-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6816735B2 (en) | Electrodes for chemical reactions, cells for chemical reactions using them, and chemical reaction equipment | |
Prasad et al. | 3D nanorhombus nickel nitride as stable and cost-effective counter electrodes for dye-sensitized solar cells and supercapacitor applications | |
Khaselev et al. | A monolithic photovoltaic-photoelectrochemical device for hydrogen production via water splitting | |
Mehmood et al. | Effect of graphene contents in polyaniline/graphene composites counter electrode material on the photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells (DSSCSs) | |
Zeng et al. | A low-cost photoelectrochemical tandem cell for highly-stable and efficient solar water splitting | |
CN101719421B (en) | Light anode and flexile solar battery thereof | |
Dong et al. | Cobalt selenide nanorods used as a high efficient counter electrode for dye-sensitized solar cells | |
Pihosh et al. | Nanostructured tantalum nitride for enhanced solar water splitting | |
Huo et al. | A transparent cobalt sulfide/reduced graphene oxide nanostructure counter electrode for high efficient dye-sensitized solar cells | |
Yang et al. | Constructing CsPbBr x I 3− x nanocrystal/carbon nanotube composites with improved charge transfer and light harvesting for enhanced photoelectrochemical activity | |
US20180269003A1 (en) | Solar fuels generator | |
Gopalakrishnan et al. | Facile fabrication of silicon nanowires as photocathode for visible-light induced photoelectrochemical water splitting | |
CN101608316A (en) | A water splitting hydrogen production device | |
Li et al. | Optimizing the atom substitution of Er in WS2 nanosheets for high-performance photoelectrochemical applications | |
Zeng et al. | Graphite powder film-supported Cu 2 S counter electrodes for quantum dot-sensitized solar cells | |
US20160351938A1 (en) | A solar rechargeable redox flow cell | |
Jia et al. | High-performance molybdenum diselenide electrodes used in dye-sensitized solar cells and supercapacitors | |
CN108541275A (en) | Electrode of substrate(SE)Interface irradiation type optoelectronic pole and photoelectrochemical cell | |
Tian et al. | Solar-driven capacity enhancement of aqueous redox batteries with a vertically oriented tin disulfide array as both the photo-cathode and battery-anode | |
Paramasivaganesh et al. | Hydrothermal production of low-cost CeNi2S4-reduced graphene oxide composites as an efficient counter electrode for high performance dye-sensitized solar cells | |
JP7081226B2 (en) | Electrodes for chemical reactions, cells for chemical reactions using them, and chemical reaction equipment | |
CN108546970A (en) | A kind of Bi2Se3/TiO2Nano composite membrane and its preparation and application | |
CN103779102A (en) | Low-temperature in-situ construction of BiOI/Bi2S3 heterojunction thin films and flexible photoelectrochemical solar cell devices | |
Zhang et al. | The solar-driven redox seawater desalination based on the stable and environmentally friendly WO3/BiVO4 photoanode | |
Wu et al. | Advanced electrode decorated with peanut-shell-derived carbon for vanadium redox flow battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210127 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220208 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220302 |
|
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: 20220426 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220509 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7081226 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |