WO2015040988A1 - 化学反応装置 - Google Patents

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御子柴　智
由紀 工藤
良太 北川
田村　淳
静君 黄
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to chemical reactors.
  • Artificial photosynthesis is a technology that produces chemical fuel (chemical energy) by light energy like plants. Plants use a system called Z scheme, which excites light energy in two steps. Thus, the plant oxidizes water to obtain electrons by using solar energy, and reduces carbon dioxide to synthesize cellulose and saccharides. In artificial photosynthesis, artificial photochemical reaction enables the photosynthetic reaction of this plant.
  • Patent Document 1 a carbon dioxide (CO 2 ) reduction catalyst is provided on the surface of the photocatalyst. Then, the CO 2 reduction catalyst are connected via another photocatalyst and electric wire. Another photocatalyst obtains an electric potential by light energy. The CO 2 reduction catalyst reduces CO 2 to form formic acid by obtaining a reduction potential from another photocatalyst via a wire.
  • Patent Document 1 in order to obtain the necessary potential to make the reduction of CO 2 in the photocatalyst with visible light, using a two-stage excitation. However, the conversion efficiency from sunlight to chemical energy is very low at 0.04%. This is due to the low energy efficiency of the photocatalyst excited by visible light.
  • Patent Document 2 in order to obtain the electric potential of reaction, the structure which provides a catalyst and is made to raise
  • an electrolytic reaction of water (H 2 O) is performed by providing a catalyst on both sides using a configuration in which silicon solar cells are stacked in order to obtain a reaction potential.
  • the conversion efficiency from solar energy to chemical energy in these is very high at 4.7%.
  • the artificial photosynthesis system As described above, there is no integrated device in which the artificial photosynthesis system, the solar cell, and the electrolysis system appropriately operate such that the energy conversion efficiency is increased according to the conditions such as the presence or absence of surplus power and the presence or absence of solar energy. .
  • an integrated chemical reaction device appropriately operated as an artificial photosynthesis system, a solar cell, or an electrolysis system so as to increase energy conversion efficiency according to various conditions.
  • the chemical reaction device includes an electrolytic cell containing an electrolytic solution, a first electrode contained in the electrolytic cell and disposed on the light irradiation side, and a first electrode disposed on the opposite side to the light irradiation side.
  • a laminate comprising: two electrodes; a photovoltaic layer formed between the first electrode and the second electrode and performing charge separation by light energy; and a first electrode and a second electrode And an external power supply electrically connected via a first switching element, and electrically connected via a second switching element between the first electrode and the second electrode, And a power demand unit connected in parallel, and a switching element control unit that controls on / off of the first switching element and the second switching element.
  • FIG. 5 is a view showing an artificial photosynthesis system operation of the chemical reaction device according to the first embodiment.
  • the flowchart which shows the operation
  • the laminate 10 including the first electrode 16, the photovoltaic layer 15, and the second electrode 11, the electrolytic cell 21 accommodating the laminate 10, and the laminate 10 It comprises an external power supply 32 and a power demand unit 34 which can be electrically connected or disconnected.
  • the chemical reaction device functions as an electrolysis system by electrically connecting the laminate 10 and the external power supply 32, and as a solar cell by electrically connecting the laminate 10 and the power demand unit 34. It functions as an artificial photosynthesis system by electrically interrupting the laminate 10, the external power supply 32, and the power demand unit 34. Therefore, it is possible to provide an integrated chemical reaction device that operates properly in accordance with various conditions.
  • the first embodiment will be described in detail below.
  • FIG. 1 is a schematic configuration view showing a configuration example of a chemical reaction device according to a first embodiment.
  • the laminated body 10 and the electrolytic cell 21 have shown the cross-sectional structure.
  • the chemical reaction device includes a laminate 10, an electrolytic cell 21, an external power supply 32, a power demand unit 34, a switching element control unit 41, and an electrolyte solution control unit 61. .
  • the electrolytic cell 21 accommodates the laminate 10 therein. Moreover, the electrolytic cell 21 accommodates the electrolyte solution 23 in the inside so that the laminated body 10 may be immersed.
  • the electrolytic solution 23 is, for example, a solution containing H 2 O. As such a solution, one containing an optional electrolyte can be mentioned, but it is desirable that it accelerates the oxidation reaction of H 2 O.
  • the electrolytic solution 23 is, for example, a solution containing CO 2 .
  • the upper surface of the electrolytic cell 21 is provided with a window made of, for example, glass or acrylic having high light transmittance. The irradiation light is irradiated from above the electrolytic cell 21.
  • the laminated body 10 performs an oxidation-reduction reaction by the irradiation light.
  • a pipe 22 is connected to the electrolytic cell 21.
  • the pipe 22 injects the electrolytic solution 23 into the electrolytic cell 21, or discharges the electrolytic solution 23 from the electrolytic cell 21.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21. More specifically, the electrolytic solution control unit 61 measures the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21, and controls the injection and discharge of the electrolytic solution 23 by the pipe 22. Thereby, the electrolytic solution control unit 61 fills the inside of the electrolytic cell 21 with the electrolytic solution 23 so that a sufficient electrolytic reaction occurs when it is used as an artificial photosynthesis system and an electrolysis system. In addition, when used as a solar cell, the electrolytic solution control unit 61 discharges the electrolytic solution 23 from the inside of the electrolytic cell 21 so that the electricity does not flow in the electrolytic solution 23, and the electrolytic cell 21 is filled with air. In addition to air, any substance having low conductivity may be gas or liquid.
  • the stacked body 10 includes a first electrode 16, a photovoltaic layer 15, a second electrode 11, a first catalyst 17, and a second catalyst 18.
  • the laminated body 10 is a flat plate shape which spreads in a plane, and is sequentially formed by using the second electrode 11 as a base material (substrate).
  • the light irradiation side is referred to as the front surface (upper surface), and the opposite side to the light irradiation side is referred to as the back surface (lower surface).
  • the second electrode 11 has conductivity.
  • the second electrode 11 is provided to support the stacked body 41 and to increase its mechanical strength.
  • the second electrode 11 is made of, for example, a metal plate such as Cu, Al, Ti, Ni, Fe, or Ag, or an alloy plate such as SUS including at least one of them.
  • the second electrode 11 may be made of conductive resin or the like.
  • the second electrode 11 may be formed of a semiconductor substrate such as Si or Ge, or an ion exchange membrane.
  • the photovoltaic layer 15 is formed on the second electrode 11 (on the surface (on the upper surface)).
  • the photovoltaic layer 15 is composed of a first photovoltaic layer 12, a second photovoltaic layer 13, and a third photovoltaic layer 14.
  • Each of the first photovoltaic layer 12, the second photovoltaic layer 13, and the third photovoltaic layer 14 is a solar cell using a pin junction semiconductor, and the absorption wavelengths of light are different. By laminating these layers in a planar manner, the photovoltaic layer 15 can absorb light of a wide wavelength of sunlight, and it becomes possible to use sunlight energy more efficiently. Moreover, since each photovoltaic layer is connected in series, a high open circuit voltage can be obtained.
  • the first photovoltaic layer 12 is formed on the second electrode 11, and for example, an n-type amorphous silicon (a-Si) layer formed in order from the lower side, an intrinsic amorphous silicon. It is composed of a silicon germanium (a-SiGe) layer and a p-type microcrystalline silicon ( ⁇ c-Si) layer.
  • a-SiGe layer is a layer that absorbs light in a long wavelength region of about 700 nm. That is, charge separation occurs in the first photovoltaic layer 12 by the light energy in the long wavelength region.
  • the second photovoltaic layer 13 is formed on the first photovoltaic layer 12 and, for example, an n-type a-Si layer, an intrinsic a-SiGe layer, and an in-situ a-SiGe layer, which are sequentially formed from the lower side. It is composed of a p-type ⁇ c-Si layer.
  • the a-SiGe layer is a layer that absorbs light in an intermediate wavelength region of about 600 nm. That is, charge separation occurs in the second photovoltaic layer 13 by the light energy in the intermediate wavelength region.
  • the third photovoltaic layer 14 is formed on the second photovoltaic layer 13 and, for example, an n-type a-Si layer, an intrinsic a-Si layer, and an intrinsic a-Si layer sequentially formed from the lower side, and It is composed of a p-type ⁇ c-Si layer.
  • the a-Si layer is a layer that absorbs light in a short wavelength region of about 400 nm. That is, charge separation occurs in the third photovoltaic layer 14 by the light energy in the short wavelength region.
  • the photovoltaic layer 15 charge separation occurs by light in each wavelength region. That is, holes are separated on the anode side (front side) and electrons are separated on the cathode side (back side). Thereby, the photovoltaic layer 15 generates an electromotive force.
  • the first electrode 16 is formed on the p-type semiconductor layer (p-type ⁇ c-Si layer) of the photovoltaic layer 15. Therefore, it is desirable that the first electrode 16 be made of a material that can make ohmic contact with the p-type semiconductor layer.
  • the first electrode is made of, for example, a metal such as Ag, Au, Al, or Cu, or an alloy containing at least one of them.
  • the first electrode 16 may be made of a transparent conductive oxide such as ITO, ZnO, FTO, AZO, or ATO.
  • the first electrode 16 may have, for example, a structure in which a metal and a transparent conductive oxide are laminated, a structure in which a metal and another conductive material are composited, or a transparent conductive oxide and another conductive material are composited. It may be configured in the following structure.
  • the irradiation light passes through the first electrode 16 and reaches the photovoltaic layer 15. Therefore, the first electrode 16 disposed on the light irradiation side (upper side in the drawing) has light transparency to the irradiation light. More specifically, the light transmittance of the first electrode 16 on the light irradiation side is preferably at least 10% or more, more preferably 30% or more of the irradiation amount of the irradiation light. Alternatively, the first electrode 16 has an opening portion capable of transmitting light. That is, the shape of the first electrode 16 is not limited to a thin film, and may be a lattice, a particle, or a wire. The aperture ratio is at least 10% or more, more preferably 30% or more.
  • the photovoltaic layer 15 configured by the laminated structure of the three photovoltaic layers (the first photovoltaic layer 12, the second photovoltaic layer 13, and the third photovoltaic layer 14) is obtained.
  • the photovoltaic layer 15 may be composed of a laminated structure of two or four or more photovoltaic layers.
  • one photovoltaic layer may be used instead of the laminated structure of photovoltaic layers.
  • the solar cell using a pin junction semiconductor was demonstrated above, the solar cell using a pn junction type semiconductor may be sufficient.
  • the semiconductor layer is made of Si and Ge
  • the semiconductor layer is not limited thereto, and may be made of a compound semiconductor such as GaAs, GaInP, AlGaInP, CdTe, or CuInGaSe.
  • various forms of single crystal, polycrystal and amorphous can be applied.
  • the first electrode 16 and the second electrode 11 may be provided on the entire surface of the photovoltaic layer 15, or may be provided partially.
  • the first catalyst 17 is formed on the upper surface of the first electrode 16.
  • the first catalyst 17 is provided to enhance the chemical reactivity (oxidation reactivity) near the surface of the first electrode 16.
  • an aqueous solution ie, a solution containing H 2 O
  • the first electrode 16 oxidizes H 2 O to generate O 2 and H + .
  • the first catalyst 17 is made of a material that reduces the activation energy for oxidizing H 2 O. In other words, it is made of a material that reduces the overvoltage in oxidizing H 2 O to generate O 2 and H + .
  • the shape of the first catalyst 17 is not limited to a thin film, and may be a lattice, a particle, or a wire.
  • the catalyst performance may be provided to the metal portion in the structure in which the metal and the transparent conductive oxide in the first electrode 16 are stacked, or in the structure in which the metal and the other conductive material are combined.
  • the electrode metal itself may have catalytic performance. This can simplify the structure.
  • the second catalyst 18 is formed on the lower surface of the second electrode 11.
  • the second catalyst 18 is provided to enhance the chemical reactivity (reduction reactivity) in the vicinity of the back surface of the second electrode 11.
  • the CO 2 is reduced to form carbon compounds (eg, CO, HCOOH, CH 4 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, C 2 H 4 ) and the like Do.
  • the second catalyst 18 is made of a material that reduces the activation energy for reducing CO 2 . In other words, it is made of a material that reduces the overpotential in reducing CO 2 to form a carbon compound.
  • Such materials include Au, Ag, Cu, Pt, C, Ni, Zn, C, graphene, carbon nanotubes (CNTs), fullerenes, ketjen black or metals such as Pd, or at least one of them. Alloys or metal complexes such as Ru complexes or Re complexes may be mentioned.
  • an aqueous solution containing no CO 2 ie, H 2 O containing no CO 2
  • H 2 O is reduced to generate H 2 .
  • the second catalyst 18 is made of a material that reduces the activation energy for reducing H 2 O. In other words, it is made of a material that reduces the overvoltage in reducing H 2 O to generate H 2 .
  • a metal such as Ni, Fe, Pt, Ti, Au, Ag, Zn, Pd, Ga, Mn, Cd, C, graphene, or an alloy containing at least one of them can be mentioned.
  • the shape of the second catalyst 18 is not limited to a thin film, and may be a lattice, a particle, or a wire.
  • the layered structure of the photovoltaic layer 15 may be reversed, and the action of reducing the overvoltage of the first electrode 16 and the second electrode 11 by the first catalyst 17 and the second catalyst 18 may be reversed.
  • the external power supply 32 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via the first switching element 31.
  • the first switching element 31 is formed between the external power supply 32 and the first electrode 16 or the second electrode 11.
  • the first switching element 31 is turned on, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected to each other through the external power supply 32.
  • the first switching element 31 is turned off, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the external power supply 32.
  • the first electrode 16 is connected to the anode side of the external power supply 32, and the second electrode 11 is connected to the cathode side.
  • the external power supply 32 supplies power to the first electrode 16 and the second electrode 11 when there is surplus power.
  • the power demand unit 34 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via the second switching element 33. Further, the power demand unit 34 is connected in parallel with the external power supply 32. In other words, the second switching element 33 is formed between the power demand portion 34 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the second switching element 33, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the power demand unit 34. On the other hand, when the first switching element 31 is turned off, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the power demand unit 34. Although details will be described later, power is supplied from the photovoltaic layer 15 to the power demand unit 34 when there is no surplus power.
  • the power demand unit 34 is, for example, a storage battery that stores power or a region that consumes power.
  • the switching element control unit 41 controls the on / off of the first switching element 31 and the second switching element 33 according to conditions such as the presence or absence of surplus power exceeding the demand of the power demand unit 34 and the presence or absence of solar energy. .
  • the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33 when there is surplus power and there is solar energy.
  • the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected only through the photovoltaic layer 15.
  • electrolysis is performed in the first electrode 16 and the second electrode 11 by the electromotive force of the photovoltaic layer 15 to generate chemical energy. That is, the chemical reaction device functions as an artificial photosynthesis system.
  • the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33 and turns on the first switching element 31.
  • the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the external power supply 32.
  • electrolysis is performed at the first electrode 16 and the second electrode 11 by the electromotive force from the external power supply 32 to generate chemical energy. That is, the chemical reaction device functions as an electrolysis system.
  • the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and turns on the second switching element 33.
  • the photovoltaic layer 15 and the power demand part 34 are electrically connected.
  • power is supplied to the power demand unit 34 by the electromotive force of the photovoltaic layer 15. That is, the chemical reaction device functions as a solar cell.
  • the artificial photosynthesis system can operate the hybrid by compensating the current through the externally adjusted electric device.
  • the artificial photosynthesis system may change the product by adjusting the voltage and current through an externally adjusted electrical device according to the demand for the product.
  • FIG. 2 is a diagram showing the artificial photosynthesis system operation of the chemical reaction device according to the first embodiment.
  • the artificial light synthesis system is mainly used when there is surplus power and there is solar energy.
  • the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33. Thereby, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the external power supply 32. In addition, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the power demand unit 34.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the first electrode 16 and the second electrode 11 are immersed in the electrolytic solution 23.
  • the electrolytic solution 23 is injected into the electrolytic cell 21 through the pipe 22, and the electrolytic cell 21 is filled with the electrolytic solution 23.
  • the inside of the electrolytic cell 21 may not be filled with the electrolytic solution 23, and at least a part of the first electrode 16 and the second electrode 11 may be immersed in the electrolytic solution 23.
  • the photovoltaic layer 15 When light is irradiated from above in this state, the irradiation light passes through the first electrode 16 and reaches the photovoltaic layer 15.
  • the photovoltaic layer 15 absorbs light, it generates electrons and holes paired therewith and separates them. That is, in each of the photovoltaic layers (the first photovoltaic layer 12, the second photovoltaic layer 13, and the third photovoltaic layer 14), electrons are formed on the n-type semiconductor layer side (the second electrode 11 side) Moves, and the holes generated as electron pairs move to the p-type semiconductor layer side (the first electrode 16 side) to cause charge separation. Thereby, an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15.
  • the electrons generated in the photovoltaic layer 15 and transferred to the second electrode 11 that is the electrode on the cathode side are used for the reduction reaction in the vicinity of the back surface of the second electrode 11 (near the second catalyst 18).
  • holes generated in the photovoltaic layer 15 and transferred to the first electrode 16 as the anode side electrode are used for oxidation reaction near the surface of the first electrode 16 (near the first catalyst 17) .
  • a reaction of formula (1) occurs near the surface of the first electrode 16 in contact with the electrolytic solution 23, and a reaction of formula (2) occurs near the back surface of the second electrode 11.
  • the photovoltaic layer 15 needs to have an open circuit voltage equal to or greater than the potential difference between the standard redox potential of the oxidation reaction generated at the first electrode 16 and the standard redox potential of the reduction reaction generated at the second electrode 11.
  • the standard redox potential of the oxidation reaction in the formula (1) is 1.23 [V]
  • the standard redox potential of the reduction reaction in the formula (2) is -0.1 [V].
  • the open circuit voltage of the photovoltaic layer 15 needs to be 1.33 [V] or more. More preferably, the open circuit voltage needs to be equal to or higher than the potential difference including the overvoltage. More specifically, for example, when the overvoltage of the oxidation reaction in the formula (1) and the reduction reaction in the formula (2) are each 0.2 [V], the open circuit voltage is 1.73 [V] or more desirable.
  • the solar energy generates an electromotive force in the photovoltaic layer 15, and the electromotive force causes an oxidation-reduction reaction (electrolytic reaction) to generate chemical energy. That is, solar energy can be converted to chemical energy.
  • FIG. 3 is a view showing the electrolytic system operation of the chemical reaction device according to the first embodiment.
  • the electrolysis system is mainly used when there is surplus power and there is no solar energy.
  • the electrolysis system may be used at night.
  • the switching element control unit 41 turns on the first switching element 31. Thereby, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33. Thus, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the power demand unit 34.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the first electrode 16 and the second electrode 11 are immersed in the electrolytic solution 23.
  • the electrolytic solution 23 is injected into the electrolytic cell 21 through the pipe 22, and the electrolytic cell 21 is filled with the electrolytic solution 23.
  • the inside of the electrolytic cell 21 may not be filled with the electrolytic solution 23, and at least a part of the first electrode 16 and the second electrode 11 may be immersed in the electrolytic solution 23.
  • H 2 O is oxidized (los electrons) to generate O 2 and hydrogen ions (H + ). Then, H + generated at the first electrode 16 side moves to the second electrode 11 side.
  • the photovoltaic layer 15 needs to have an open circuit voltage equal to or greater than the potential difference between the standard redox potential of the oxidation reaction generated at the first electrode 16 and the standard redox potential of the reduction reaction generated at the second electrode 11.
  • the standard redox potential of the oxidation reaction in the formula (1) is 1.23 [V]
  • the standard redox potential of the reduction reaction in the formula (2) is -0.1 [V].
  • the open circuit voltage of the photovoltaic layer 15 needs to be 1.33 [V] or more. More preferably, the open circuit voltage needs to be equal to or higher than the potential difference including the overvoltage. More specifically, for example, when the overvoltage of the oxidation reaction in the formula (1) and the reduction reaction in the formula (2) are each 0.2 [V], the open circuit voltage is 1.73 [V] or more desirable.
  • the amount of current flowing may be small depending on the direction of the configuration of the semiconductor layer.
  • an electromotive force is generated in the external power supply 32 by the electrical energy of the surplus power, and the electromotive force causes an oxidation-reduction reaction (electrolytic reaction) to generate chemical energy. That is, electrical energy can be converted to chemical energy.
  • FIG. 4 is a view showing the solar cell operation of the chemical reaction device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a view showing a modified example of the solar cell operation of the chemical reaction device according to the first embodiment. Solar cells are mainly used when there is no surplus power.
  • the switching element control unit 41 when used as a solar cell, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31. Thereby, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns on the second switching element 33. Thus, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the power demand unit 34.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the first electrode 16 and the second electrode 11 are not immersed in the electrolytic solution 23. Thereby, the electrolytic solution 23 is discharged from the inside of the electrolytic cell 21 through the pipe 22, and the inside of the electrolytic cell 21 is filled with air.
  • the inside of the electrolytic cell 21 may not be filled with air, and at least a part of the first electrode 16 or a part of the second electrode 11 may not be immersed in the electrolytic solution 23.
  • a part of the inside of the electrolytic cell 21 may be filled with a gas (for example, O 2 or the like) generated by the above-described artificial photosynthesis system or the electrolysis system.
  • a gas for example, O 2 or the like
  • the oxidation electrode (first electrode 16) and the reduction electrode (second electrode 11) may be separated by a partition wall where ion migration is not performed.
  • the electrolytic solution 23 discharged to the electrolytic solution storage tank connected to the pipe 22 may be stored via the pipe 22.
  • the inside of the electrolytic cell 21 may be filled with a non-conductive liquid instead of a gas.
  • the photovoltaic layer 15 When light is irradiated from above in this state, the irradiation light passes through the first electrode 16 and reaches the photovoltaic layer 15.
  • the photovoltaic layer 15 absorbs light, it generates electrons and holes paired therewith and separates them. That is, in each of the photovoltaic layers (the first photovoltaic layer 12, the second photovoltaic layer 13, and the third photovoltaic layer 14), electrons are formed on the n-type semiconductor layer side (the second electrode 11 side) Moves, and the holes generated as electron pairs move to the p-type semiconductor layer side (the first electrode 16 side) to cause charge separation. Thereby, an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15. Power can be supplied to the power demand unit 34 by the electromotive force generated by the photovoltaic layer 15.
  • the solar energy generates an electromotive force in the photovoltaic layer 15, and the electromotive force generates electrical energy. That is, solar energy can be converted to electrical energy.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the chemical reaction device according to the first embodiment.
  • step S1 the chemical reaction device checks whether there is surplus power exceeding the demand of the power demand unit 34.
  • step S1 If there is no surplus power in step S1, the chemical reaction device functions as a solar cell in step S2. More specifically, when there is no surplus power, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and turns on the second switching element 32. Thereby, the photovoltaic layer 15 and the power demand unit 34 are electrically connected, and power is supplied to the power demand unit 34 by the electromotive force of the photovoltaic layer 15.
  • step S1 If there is surplus power in step S1, the chemical reaction device checks in step S3 whether there is solar energy or not.
  • the chemical reaction device functions as an electrolysis system in step S4. More specifically, when there is no sunlight energy, the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33 and turns on the first switching element 31. Thereby, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the external power supply 32, and electrolysis is performed in the first electrode 16 and the second electrode 11 by the electromotive force by the external power supply 32, and chemical energy is generated. Is generated.
  • step S3 If there is sunlight energy in step S3, the chemical reaction device functions as an artificial photosynthesis system in step S5. More specifically, when there is sunlight energy, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33. Thereby, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected only through the photovoltaic layer 15, and the electromotive force of the photovoltaic layer 15 causes electrolysis in the first electrode 16 and the second electrode 11. The chemical energy is generated to take place.
  • the chemical reaction device appropriately operates as an artificial photosynthesis system, a solar cell, and an electrolysis system according to various conditions.
  • the operation of the chemical reaction device is not limited to the above.
  • the electrolytic operation can be performed without the surplus power, and the chemical substance may be produced instead of the power.
  • various reactions may be performed with an appropriate balance depending on the state of charge such as an external battery or stored water of pumped storage power generation.
  • the chemical reaction device accommodates the stacked body 10 including the first electrode 16, the photovoltaic layer 15, and the second electrode 11, and the stacked body 10. And an external power source 32 and a power demand unit 34 that can be electrically connected to or disconnected from the laminate 10. That is, the connection between the stacked body 10 and the external power supply 32 and the connection between the stacked body 10 and the power demand unit 34 can be switched. Moreover, it is also possible not to electrically connect (cut off) the stacked body 10 to any of the external power supply 32 and the power demand unit 34.
  • the chemical reaction device can function as an electrolysis system. Further, by electrically connecting the stacked body 10 and the power demand unit 34, the chemical reaction device can function as a solar cell. Furthermore, by electrically interrupting the laminate 10, the external power supply 32, and the power demand unit 34, the chemical reaction device can function as an artificial photosynthesis system. These connections are determined by the presence or absence of surplus power and the presence or absence of solar energy.
  • the energy conversion efficiency is increased according to various conditions such as the presence or absence of surplus power and the presence or absence of sunlight energy.
  • An integrated chemical reactor can be provided that operates.
  • FIG. 7 is a schematic configuration view showing a configuration of a first modification of the chemical reaction device according to the first embodiment.
  • the second electrode 11 physically separates the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26. To separate.
  • the first electrolytic cell 25 accommodates the first electrolytic solution 23 a therein so as to immerse the surface (the first catalyst 17) of the first electrode 16.
  • the first electrolytic solution 23 a is, for example, a solution containing H 2 O.
  • a solution one containing an optional electrolyte can be mentioned, but it is desirable that it accelerates the oxidation reaction of H 2 O.
  • the upper surface of the first electrolytic cell 25 is provided with a window made of, for example, glass or acrylic having high light transmittance. The irradiation light is irradiated from above the first electrolytic cell 25.
  • a pipe 22 a is connected to the first electrolytic cell 25.
  • the pipe 22 a injects the first electrolytic solution 23 a into the first electrolytic cell 25 or discharges the first electrolytic solution 23 a from the inside of the first electrolytic cell 25.
  • the second electrolytic cell 26 accommodates the second electrolytic solution 23 b therein so as to immerse the back surface (the second catalyst 18) of the second electrode 11.
  • the second electrolytic solution 23 b is, for example, a solution containing CO 2 .
  • the second electrolyte solution 23 b desirably has a high CO 2 absorption rate, and examples of the solution containing H 2 O include aqueous solutions of NaHCO 3 and KHCO 3 .
  • the first electrolyte 23a and the second electrolyte 23b may be the same solution, but the second electrolyte 23b preferably has a high CO 2 absorption amount, so the first electrolyte 23a, the second electrolyte 23b, and the second electrolyte 23b may be used.
  • the second electrolyte solution 23b reduces the reduction potential of the CO 2, high ion conductivity, it is desirable to have CO 2 absorbent that absorbs CO 2.
  • an electrolytic solution an ionic liquid or an aqueous solution comprising a salt of a cation such as imidazolium ion or pyridinium ion and an anion such as BF 4- or PF 6- and in a liquid state in a wide temperature range can be used. It can be mentioned.
  • an amine solution such as ethanolamine, imidazole or pyridine or an aqueous solution thereof can be mentioned.
  • the amine may be either a primary amine, a secondary amine or a tertiary amine.
  • primary amines include methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine and the like.
  • the hydrocarbon of amine may be substituted by alcohol, halogen or the like. Examples of those in which the amine hydrocarbon is substituted include methanolamine, ethanolamine, and chloromethylamine. In addition, unsaturated bonds may be present. These hydrocarbons are also similar to secondary amines and tertiary amines.
  • secondary amines include dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dipentylamine, dihexylamine, dimethanolamine, diethanolamine, and dipropanolamine.
  • the substituted hydrocarbons may be different. This is also true for tertiary amines.
  • different hydrocarbons include methyl ethylamine, methyl propyl amine and the like.
  • trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine, trihexylamine, trimethanolamine, triethanolamine, triethanolamine, tripropanolamine, tributanolamine, tripropanolamine, triexanolamine, methyl diethylamine, or Methyl dipropyl amine etc. are mentioned.
  • 2-position of the imidazolium ion may be substituted.
  • imidazolium ion substituted at the 2-position examples include 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl 2,3-dimethyl ion Examples thereof include imidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-pentylimidazolium ion, and 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium ion.
  • pyridinium ions include methyl pyridinium, ethyl pyridinium, propyl pyridinium, butyl pyridinium, pentyl pyridinium, and hexyl pyridinium. Both the imidazolium ion and the pyridinium ion may be substituted with an alkyl group, or an unsaturated bond may be present.
  • anion fluoride ion, chloride ion, bromide ion, iodide ion, BF 4 ⁇ , PF 6 ⁇ , CF 3 COO ⁇ , CF 3 SO 3 ⁇ , NO 3 ⁇ , SCN ⁇ , (CF 3 SO 2 3 C ⁇ , bis (trifluoromethoxysulfonyl) imide, bis (trifluoromethoxysulfonyl) imide, or bis (perfluoroethylsulfonyl) imide and the like.
  • it may be a zwitterion in which the cation and the anion of the ionic liquid are linked by a hydrocarbon.
  • a pipe 22 b is connected to the second electrolytic cell 26.
  • the pipe 22 b injects the second electrolytic solution 23 b into the second electrolytic cell 26 or discharges the second electrolytic solution 23 b from the inside of the second electrolytic cell 26.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the first electrolytic solution 23 a in the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic solution 23 b in the second electrolytic cell 26. More specifically, the electrolytic solution control unit 61 measures the amounts of the first electrolytic solution 23 a in the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic solution 23 b in the second electrolytic cell 26, and The injection and discharge of the second electrolytic solution 23 b by the solution 23 a and the pipe 22 b are controlled.
  • the electrolytic solution control unit 61 fills the inside of the first electrolytic cell 25 with the first electrolytic solution 23 a so that a sufficient electrolytic reaction occurs when it is used as an artificial photosynthesis system and an electrolytic system, and the second electrolytic cell 26 The inside is filled with the second electrolytic solution 23 b.
  • the first electrolyte 23a or the first electrolyte 23a may be removed from the first electrolytic cell 25 so that electricity does not flow in the first electrolyte 23a or the second electrolyte 23b.
  • the second electrolytic solution 23b is discharged from the inside of the electrolytic cell 26, and the inside of the first electrolytic cell 25 or the second electrolytic cell 26 is filled with air.
  • the second electrode 11 physically separates the electrolytic cell 21 into a first electrolytic cell 25 and a second electrolytic cell 26.
  • the back surface of the second electrode 11 is disposed on the side of the second electrolytic cell 26, and is accommodated in the second electrolytic cell 26.
  • the surface of the second electrode 11 is disposed on the side of the first electrolytic cell 25, but an insulating layer (not shown) is formed on the surface of the second electrode 11 to form the second electrode 11 and the first electrolyte 23 a.
  • the reaction may be suppressed by replacing the first electrolytic solution 23a with a nonconductive liquid or gas.
  • the reaction potential of the catalyst may be set to a potential at which the reaction does not occur between the second electrode 11 and the first electrolytic solution 23a.
  • the above can be realized by adjusting the reaction potential of the catalyst.
  • the second electrode 11 has an ion migration path at its exposed portion.
  • the ion migration path is, for example, a plurality of pores penetrating from the front surface to the back surface.
  • the pores selectively allow only ions (for example, H ions (H + )) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to pass through the second electrolytic cell 26.
  • the ions that have passed through the pores are converted to O 2 , H 2 , or an organic compound by a reduction reaction at the second electrode 11 of the second electrolytic cell 26.
  • the pore may have a size through which ions pass.
  • the lower limit of the diameter (equivalent circle diameter) of the pores is preferably 0.3 nm or more.
  • the area ratio S1 / S2 of the total area S1 of the plurality of pores and the area S2 of the ion permeable member 21a is 0.9 or less, preferably 0.6 or less so as not to impair the mechanical strength.
  • the shape of the pores is not limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, a triangular shape, or a rectangular shape.
  • the arrangement configuration of the pores is not limited to the square lattice shape, and may be a triangular lattice shape or random.
  • the pores may be filled with the ion exchange membrane 19.
  • Ion exchange membranes include, for example, cation exchange membranes, such as Nafion or Flemion, anion exchange membranes, such as Neosepter or cermion.
  • the pores may be filled with a glass filter or agar.
  • the second electrode 11 may have a plurality of slits penetrating from the front surface to the back surface and filled with the ion exchange membrane 19 instead of the pores.
  • the slits allow only ions (for example, H ions (H + )) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to selectively pass through the second electrolytic cell 26.
  • the transfer of ions may be promoted by providing a pump in the ion transfer path.
  • the electrolytic solution is filled in each of the electrolytic cells (the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26), and the electrolytic cell is not filled (filled with air) ) State can be configured.
  • the electrolytic cell 21 by separating the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26, different electrolytic solutions (the first electrolytic solution 23a and the second electrolytic solution) which are easily reacted in each electrolytic cell 23b) can be filled. Further, by separating the electrolytic cell 21 into a first electrolytic cell 25 and a second electrolytic cell 26, an oxidation reaction is performed on the first electrolytic cell 25 side, and a reduction reaction is performed on the second electrolytic cell 26 side. As a result, the product (for example, O 2 ) by the oxidation reaction can be recovered by the first electrolytic cell 25, and the product (for example, CO) by the reduction reaction can be recovered by the second electrolytic cell 26. That is, the product of the oxidation reaction and the product of the reduction reaction can be separated and recovered.
  • the electrolytic solutions in the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26 can be changed to cause different reactions when used as an electrolysis system and when used as an artificial photosynthesis system. As a result, it is possible to cause an optimal reaction with respect to the reaction current density which varies depending on the light intensity, the surplus power amount and the like.
  • FIG. 8 is a schematic configuration view showing a configuration of a second modified example of the chemical reaction device according to the first embodiment.
  • the sensor portions 42 and 43 are electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11. Ru.
  • the sensor unit 42 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via the switching element 31 and the external power supply 32.
  • the first switching element 31 is formed between the sensor unit 42 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the first switching element 31, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the external power supply 32 and the sensor unit 42. On the other hand, when the first switching element 31 is turned off, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the external power supply 32 and the sensor unit 42. That is, when the chemical reaction device is mainly used as an electrolysis system, the sensor unit 42 functions.
  • the sensor unit 43 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via the third switching element 35.
  • the third switching element 35 is formed between the sensor unit 43 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the third switching element 35, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected to each other through the sensor unit 43. On the other hand, when the third switching element 35 is turned off, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the sensor unit 43. That is, when the chemical reaction device is mainly used as an artificial photosynthesis system, the sensor unit 43 functions.
  • the sensor unit 42 uses, for example, the electromotive force of the external power supply 32 in the case of an electrolysis system, and captures an electrical signal obtained by the reaction between the electrolyte solution 23 and the first electrode 16 and the second electrode 11.
  • the sensor unit 42 has the pH of the electrolyte solution 23, the concentration of the electrolyte solution 23, the composition of the electrolyte solution 23, the pressure in the electrolysis tank 21, the temperature in the electrolysis tank 21, and the light intensity. Measure etc.
  • the sensor unit 43 uses an electromotive force of the photovoltaic layer 15 to capture an electrical signal obtained by the reaction of the electrolytic solution 23 with the first electrode 16 and the second electrode 11.
  • the sensor unit 43 has the pH of the electrolytic solution 23, the concentration of the electrolytic solution 23, the composition of the electrolytic solution 23, the pressure in the electrolytic cell 21, the temperature in the electrolytic cell 21, and Measure the strength etc.
  • the sensor unit 43 utilizes the electromotive force of the photovoltaic layer 15, and thus can operate without a power supply.
  • the sensor part 43 may use the inter-liquid potential.
  • the sensor unit 43 can obtain information such as the pH and the concentration of the electrolytic solution from the inter-liquid potential. Further, the sensor unit 43 can use the inter-liquid potential as a power supply.
  • the sensor unit 42 may be temporarily operated by the external power supply 32 to measure various requirements.
  • the sensor parts 42 and 43 are suitable for the one that generates light by reaction, the one that causes a reaction by light, and the one that changes the reaction by light.
  • the light is not limited to visible light, but may be electromagnetic waves or radiation acting on the photovoltaic layer 15.
  • the sensor units 42 and 43 detect the electric signal, and the state (pH, concentration, and composition) of the electrolytic solution 23 according to the light and radiation generated by the change or absorption of light due to the reaction or the progress of the reaction It is also possible to detect the condition.
  • the sensor portions 42 and 43 detect the pH of the electrolytic solution 23, the concentration of the electrolytic solution 23, the composition of the electrolytic solution 23, the pressure in the electrolytic cell 21, the temperature in the electrolytic cell 21, and the light intensity. Measure etc. Thereby, the condition of the electrolytic solution 23 and the electrolytic cell 21 for promoting the electrolytic reaction can be appropriately adjusted.
  • Light energy may be stored as a reductant of matter by the electromotive force of the photovoltaic layer 15 in the artificial photosynthesis system.
  • light energy may reduce a substance and store the reduced substance as reduction energy.
  • the reductant indicates one having a reducing power.
  • a reductant is one that is oxidized by itself to lose an electron and gives the electron to another substance to reduce the other substance.
  • 1-valent ions of iodine by light energy (I -) 3 Conversion to a valence ion (I 3 ⁇ ) may, for example, be mentioned.
  • H + may be stored as a reductant.
  • the reductant obtained by the artificial photosynthesis system may be further reduced by the electromotive force of the external power supply 32 in the electrolysis system. Thereby, it can be converted to a reductant with higher energy density.
  • electrical energy may be obtained from reduction energy by performing a reaction of oxidizing the reductant obtained by the artificial photosynthesis system and returning it to the original state. That is, it becomes an artificial-light-synthesis system which has an electrical storage function.
  • a compound such as lithium can be used as the electrolyte, and a storage function can be provided by interaction with the electrodes.
  • a fuel cell More specifically, light energy decomposes water to produce hydrogen and oxygen. The obtained oxygen and hydrogen share at least one electrode to generate water with hydrogen and oxygen. Thereby, power can be obtained. That is, the fuel cell can be integrated into the artificial light synthesis system. The reaction efficiency can be improved by providing a flow passage in the electrolytic cell 21 as in a normal fuel cell.
  • a solid polymer membrane used in a polymer electrolyte fuel cell may be formed between the first electrode 16 and the second electrode 11.
  • the heat accompanying the power generation at this time, or the heat of the electrolyte warmed by sunlight may be used as the utilization medium.
  • the heat utilization medium is not limited to the electrolyte, and another heat medium may be provided on the second electrode 11 or on a copper pipe (not shown) in the electrolytic solution 23.
  • the chemical reaction device not only the laminate 10 including the first electrode 16, the photovoltaic layer 15, and the second electrode 11 but also the second electrode 11 are separated in the electrolytic cell 21.
  • the opposing third electrode 51 is disposed.
  • an external power supply 32 can be electrically connected between the second electrode 11 and the third electrode 51, and the second electrode 11, the third electrode 51, and the external power supply 32 can function as an electrolysis system.
  • FIG. 9 is a schematic configuration view showing a configuration example of a chemical reaction device according to a second embodiment.
  • the laminated body 10, the 3rd electrode 51, and the electrolytic cell 21 have shown the cross-sectional structure.
  • the chemical reaction device according to the second embodiment differs from the first embodiment in that not only the first electrode 16 and the second electrode 11 but also the third electrode 51 is provided. It is.
  • the third electrode 51 is accommodated in the electrolytic cell 21 and is disposed on the side opposite to the light irradiation side of the second electrode 11 so as to be separated from and opposite to the light irradiation side.
  • the third electrode 51 is formed of, for example, a metal plate such as Cu, Al, Ti, Ni, Fe, or Ag, or an alloy plate such as SUS including at least one of them.
  • the third electrode 51 may be made of conductive resin or the like.
  • the third electrode 51 may be formed of a semiconductor substrate such as Si or Ge.
  • the third electrode 51 is disposed on the opposite side to the light irradiation side, there is no particular limitation on the light transmittance and the shape.
  • a third catalyst may be formed on the surface of the third electrode 51.
  • the third catalyst is provided to enhance the chemical reactivity (oxidation reactivity) in the vicinity of the surface of the third electrode 51.
  • an aqueous solution ie, a solution containing H 2 O
  • the third electrode 51 oxidizes H 2 O to generate O 2 and H + .
  • the third catalyst is made of a material that reduces the activation energy for oxidizing H 2 O. In other words, it is made of a material that reduces the overvoltage in oxidizing H 2 O to generate O 2 and H + .
  • binary metal oxides such as Mn-O, Ir-O, Ni-O, Co-O, Fe-O, Sn-O, In-O, or Ru-O, Ni-Co Ternary metal oxides such as -O, Ni-Fe-O, La-Co-O, Ni-La-O, Sr-Fe-O, Pb-Ru-Ir-O, La-Sr-Co-O And quaternary metal oxides, or metal complexes such as Ru complex or Fe complex.
  • the shape of the third catalyst is not limited to a thin film, and may be a lattice, a particle, or a wire.
  • the external power supply 32 is electrically connected between the second electrode 11 and the third electrode 51 via the first switching element 31.
  • the first switching element 31 is formed between the external power supply 32 and the second electrode 11 or the third electrode 51.
  • the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected via the external power supply 32.
  • the first switching element 31 is turned off, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically disconnected via the external power supply 32.
  • the third electrode 51 is connected to the anode side of the external power supply 32, and the second electrode 11 is connected to the cathode side.
  • the switching element control unit 41 controls the on / off of the first switching element 31 and the second switching element 33 according to conditions such as the presence or absence of surplus power exceeding the demand of the power demand unit 34 and the presence or absence of solar energy. .
  • the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33 when there is surplus power and there is solar energy.
  • the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected only through the photovoltaic layer 15.
  • electrolysis is performed in the first electrode 16 and the second electrode 11 by the electromotive force of the photovoltaic layer 15 to generate chemical energy. That is, the chemical reaction device functions as an artificial photosynthesis system.
  • the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33 and turns on the first switching element 31.
  • the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected via the external power supply 32.
  • electrolysis is performed in the second electrode 11 and the third electrode 51 by the electromotive force of the external power supply 32 to generate chemical energy. That is, the chemical reaction device functions as an electrolysis system.
  • the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and turns on the second switching element 33.
  • the photovoltaic layer 15 and the power demand part 34 are electrically connected.
  • power is supplied to the power demand unit 34 by the electromotive force of the photovoltaic layer 15. That is, the chemical reaction device functions as a solar cell.
  • the artificial photosynthesis system, the electrolysis system, and the solar cell are not limited to operating independently.
  • Each of the artificial light synthesis system, the electrolysis system, and the solar cell can operate in balance and simultaneously (hybrid operation). These can operate in any combination, such as obtaining electricity while performing artificial photosynthesis, or hybridizing the artificial photosynthesis system and the electrolysis system with an external power source and sunlight.
  • a device that operates while electrically adjusting these voltages and currents.
  • they can be further combined if multiple oxidation electrodes and multiple reduction electrodes are present. It is also possible to have two reactions occur simultaneously.
  • formic acid can be produced by an artificial photosynthesis system, and formic acid produced by an artificial photosynthesis system can be converted to methanol by supplying an external power source between the same electrolyte and another electrode, and a combination of such production reactions is also possible. It is optional.
  • FIG. 10 is a view showing the artificial photosynthesis system operation of the chemical reaction device according to the second embodiment.
  • the artificial light synthesis system is mainly used when there is surplus power and there is solar energy.
  • the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33.
  • the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically disconnected via the external power supply 32.
  • the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the power demand unit 34.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the first electrode 16 and the second electrode 11 are immersed in the electrolytic solution 23.
  • the electrolytic solution 23 is injected into the electrolytic cell 21 through the pipe 22, and the electrolytic cell 21 is filled with the electrolytic solution 23.
  • the inside of the electrolytic cell 21 may not be filled with the electrolytic solution 23, and at least a part of the first electrode 16 and the second electrode 11 may be immersed in the electrolytic solution 23.
  • H 2 O is oxidized (los electrons) to generate O 2 and H + .
  • H + generated at the first electrode 16 side moves to the second electrode 11 side.
  • an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15 by sunlight energy, and the redox reaction (electrolytic reaction) occurs on the surface of the first electrode 16 and the back surface of the second electrode 11 by this electromotive force. It happens and chemical energy is generated. That is, solar energy can be converted to chemical energy.
  • FIG. 11 is a view showing the electrolytic system operation of the chemical reaction device according to the second embodiment.
  • the electrolysis system is mainly used when there is surplus power and there is no solar energy.
  • the electrolysis system may be used at night.
  • the switching element control unit 41 when used as an electrolysis system, the switching element control unit 41 turns on the first switching element 31. Thus, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33. Thus, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the power demand unit 34.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the second electrode 11 and the third electrode 51 are immersed in the electrolytic solution 23.
  • the electrolytic solution 23 is injected into the electrolytic cell 21 through the pipe 22, and the electrolytic cell 21 is filled with the electrolytic solution 23.
  • the inside of the electrolytic cell 21 may not be filled with the electrolyte solution 23, and at least a part of the second electrode 11 and the third electrode 51 may be immersed in the electrolyte solution 23.
  • H 2 O is oxidized (los electrons) to generate O 2 ) and H + .
  • H + generated on the third electrode 51 side moves to the second electrode 11 side.
  • the third electrode 51 and the second electrode 11 are mainly formed to face each other, the distance between them is relatively small. Therefore, the distance by which H + moves from the third electrode 51 to the second electrode 11 is small. Therefore, H + can be efficiently diffused from the third electrode 51 to the second electrode 11.
  • the photovoltaic layer 15 needs to have an open circuit voltage equal to or higher than the potential difference between the standard oxidation reduction potential of the oxidation reaction generated at the third electrode 51 and the standard oxidation reduction potential of the reduction reaction generated at the second electrode 11.
  • the standard redox potential of the oxidation reaction in the formula (1) is 1.23 [V]
  • the standard redox potential of the reduction reaction in the formula (2) is -0.1 [V].
  • the open circuit voltage of the photovoltaic layer 15 needs to be 1.33 [V] or more. More preferably, the open circuit voltage needs to be equal to or higher than the potential difference including the overvoltage. More specifically, for example, when the overvoltage of the oxidation reaction in the formula (1) and the reduction reaction in the formula (2) are each 0.2 [V], the open circuit voltage is 1.73 [V] or more desirable.
  • an electromotive force is generated in the external power supply 32 by the electrical energy of the surplus power, and the electromotive force causes an oxidation-reduction reaction (electrolytic reaction) to generate chemical energy. That is, electrical energy can be converted to chemical energy.
  • FIG. 12 is a diagram showing the solar cell operation of the chemical reaction device according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a view showing a modified example of the solar cell operation of the chemical reaction device according to the second embodiment. Solar cells are mainly used when there is no surplus power.
  • the switching element control unit 41 when used as a solar cell, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31. Thereby, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically disconnected via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns on the second switching element 33. Thus, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the power demand unit 34.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the electrolytic solution 23 in the electrolytic cell 21 so that the first electrode 16 and the second electrode 11 are not immersed in the electrolytic solution 23. Thereby, the electrolytic solution 23 is discharged from the inside of the electrolytic cell 21 through the pipe 22, and the inside of the electrolytic cell 21 is filled with air.
  • the inside of the electrolytic cell 21 may not be filled with air, and at least a part of the first electrode 16 and the second electrode 11 may not be immersed in the electrolytic solution 23.
  • a part of the inside of the electrolytic cell 21 may be filled with a gas (for example, O 2 or the like) generated by the above-described artificial photosynthesis system or the electrolysis system.
  • a gas for example, O 2 or the like
  • separation may be performed by a partition wall so that movement of ions does not occur through the electrolytic solution 23.
  • a pipe capable of moving ions may be provided between the first electrode 16 and the second electrode 11, the electrodes themselves may be separated, and a valve-like pipe may be provided in the pipe.
  • the photovoltaic layer 15 When light is irradiated from above in this state, the irradiation light passes through the first electrode 16 and reaches the photovoltaic layer 15.
  • the photovoltaic layer 15 absorbs light, it generates electrons and holes paired therewith and separates them. That is, in each of the photovoltaic layers (the first photovoltaic layer 12, the second photovoltaic layer 13, and the third photovoltaic layer 14), electrons are formed on the n-type semiconductor layer side (the second electrode 11 side) Moves, and the holes generated as electron pairs move to the p-type semiconductor layer side (the first electrode 16 side) to cause charge separation. Thereby, an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15. Power can be supplied to the power demand unit 34 by the electromotive force generated by the photovoltaic layer 15.
  • the solar energy generates an electromotive force in the photovoltaic layer 15, and the electromotive force generates electrical energy. That is, solar energy can be converted to electrical energy.
  • the laminate 10 including the first electrode 16, the photovoltaic layer 15, and the second electrode 11 but also the second electrode 11 are separated in the electrolytic cell 21.
  • the opposing third electrode 51 is accommodated. And, by electrically connecting the external power source 32 between the second electrode 11 and the third electrode 51, it can function as an electrolysis system.
  • the third electrode 51 is disposed on the opposite side of the photovoltaic layer 15 to the light irradiation side. For this reason, it is not necessary to consider permeability as a material of the third electrode 51, and the shape thereof is not particularly limited. That is, the material and shape of the third electrode 51 can be set in consideration of only the reaction efficiency.
  • a catalyst can be used.
  • the third electrode 51 is not limited to being separated from and facing the second electrode 11.
  • the third electrode 51 may be disposed perpendicular to the second electrode 11 depending on the structural problem and the like.
  • the external power supply 32 is connected between the second electrode 11 and the third electrode 51 but also between the second electrode 11 and the first electrode 16 in accordance with the surplus power of the external power supply 32. You may That is, the combination of the connection between the external power supply 32 and various switching elements is not limited to this example.
  • FIG. 14 is a schematic configuration view showing a configuration of a first modification of the chemical reaction device according to the second embodiment.
  • the electrolytic cell 21 is physically connected to the first electrolytic cell 25 and the second electrolytic cell 26 by the second electrode 11. And physically separated into the second electrolytic cell 26 and the third electrolytic cell 27 by the ion exchange membrane 19a.
  • the first electrolytic cell 25 accommodates the first electrolytic solution 23 a therein so as to immerse the surface (the first catalyst 17) of the first electrode 16.
  • the first electrolytic solution 23 a is, for example, a solution containing H 2 O.
  • a solution one containing an optional electrolyte can be mentioned, but it is desirable that it accelerates the oxidation reaction of H 2 O.
  • the upper surface of the first electrolytic cell 25 is provided with a window made of, for example, glass or acrylic having high light transmittance. The irradiation light is irradiated from above the first electrolytic cell 25.
  • a pipe 22 a is connected to the first electrolytic cell 25.
  • the pipe 22 a injects the first electrolytic solution 23 a into the first electrolytic cell 25 or discharges the first electrolytic solution 23 a from the inside of the first electrolytic cell 25.
  • the second electrolytic cell 26 accommodates the second electrolytic solution 23 b therein so as to immerse the back surface (the second catalyst 18) of the second electrode 11.
  • the second electrolytic solution 23 b is, for example, a solution containing CO 2 .
  • the second electrolyte solution 23 b desirably has a high CO 2 absorption rate, and examples of the solution containing H 2 O include aqueous solutions of NaHCO 3 and KHCO 3 .
  • the first electrolyte 23a and the second electrolyte 23b may be the same solution, but the second electrolyte 23b preferably has a high CO 2 absorption amount, so the first electrolyte 23a, the second electrolyte 23b, and the second electrolyte 23b may be used.
  • the second electrolyte solution 23b reduces the reduction potential of the CO 2, high ion conductivity, it is desirable to have CO 2 absorbent that absorbs CO 2.
  • an electrolytic solution an ionic liquid or an aqueous solution comprising a salt of a cation such as imidazolium ion or pyridinium ion and an anion such as BF 4- or PF 6- and in a liquid state in a wide temperature range can be used. It can be mentioned.
  • an amine solution such as ethanolamine, imidazole or pyridine or an aqueous solution thereof can be mentioned.
  • the amine may be either a primary amine, a secondary amine or a tertiary amine.
  • primary amines include methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine and the like.
  • the hydrocarbon of amine may be substituted by alcohol, halogen or the like. Examples of those in which the amine hydrocarbon is substituted include methanolamine, ethanolamine, and chloromethylamine. In addition, unsaturated bonds may be present. These hydrocarbons are also similar to secondary amines and tertiary amines.
  • secondary amines include dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dipentylamine, dihexylamine, dimethanolamine, diethanolamine, and dipropanolamine.
  • the substituted hydrocarbons may be different. This is also true for tertiary amines.
  • different hydrocarbons include methyl ethylamine, methyl propyl amine and the like.
  • trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine, trihexylamine, trimethanolamine, triethanolamine, triethanolamine, tripropanolamine, tributanolamine, tripropanolamine, triexanolamine, methyl diethylamine, or Methyl dipropyl amine etc. are mentioned.
  • 2-position of the imidazolium ion may be substituted.
  • imidazolium ion substituted at the 2-position examples include 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl 2,3-dimethyl ion Examples thereof include imidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-pentylimidazolium ion, and 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium ion.
  • pyridinium ions include methyl pyridinium, ethyl pyridinium, propyl pyridinium, butyl pyridinium, pentyl pyridinium, and hexyl pyridinium. Both the imidazolium ion and the pyridinium ion may be substituted with an alkyl group, or an unsaturated bond may be present.
  • anion fluoride ion, chloride ion, bromide ion, iodide ion, BF 4 ⁇ , PF 6 ⁇ , CF 3 COO ⁇ , CF 3 SO 3 ⁇ , NO 3 ⁇ , SCN ⁇ , (CF 3 SO 2 3 C ⁇ , bis (trifluoromethoxysulfonyl) imide, bis (trifluoromethoxysulfonyl) imide, or bis (perfluoroethylsulfonyl) imide and the like.
  • it may be a zwitterion in which the cation and the anion of the ionic liquid are linked by a hydrocarbon.
  • a pipe 22 b is connected to the second electrolytic cell 26.
  • the pipe 22 b injects the second electrolytic solution 23 b into the second electrolytic cell 26 or discharges the second electrolytic solution 23 b from the inside of the second electrolytic cell 26.
  • the third electrolytic cell 27 accommodates the third electrolytic solution 23 c therein so as to immerse the third electrode 51.
  • the third electrolytic solution 23c is the same liquid as the first electrolytic solution 23a, and is, for example, a solution containing H 2 O.
  • a solution one containing an optional electrolyte can be mentioned, but it is desirable that it accelerates the oxidation reaction of H 2 O.
  • a pipe 22 c is connected to the third electrolytic cell 27.
  • the pipe 22 c injects the third electrolytic solution 23 c into the third electrolytic cell 27 or discharges the third electrolytic solution 23 c from the third electrolytic cell 27.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the first electrolytic solution 23 a in the first electrolytic cell 25, the second electrolytic solution 23 b in the second electrolytic cell 26, and the third electrolytic solution 23 c in the third electrolytic cell 27. More specifically, the electrolyte solution control unit 61 controls the first electrolyte solution 23 a in the first electrolytic cell 25, the second electrolyte solution 23 b in the second electrolytic cell 26, and the third electrolyte in the third electrolytic cell 27. The amount of the liquid 23c is measured, and the injection and discharge of the first electrolyte 23a through the pipe 22a, the second electrolyte 23b through the pipe 22b, and the third electrolyte 23c through the pipe 22c are controlled.
  • the electrolytic solution control unit 61 fills the inside of the first electrolytic cell 25 with the first electrolytic solution 23a so that a sufficient electrolytic reaction occurs, and the second electrolytic cell 26 2 Fill with the electrolyte 23 b.
  • the electrolyte solution control unit 61 fills the inside of the second electrolytic cell 26 with the second electrolytic solution 23 b so that a sufficient electrolytic reaction occurs, and the third electrolytic cell 27 in the third electrolysis cell. Fill with solution 23c.
  • the electrolyte solution control unit 61 when used as a solar cell, the electrolyte solution control unit 61 from the inside of the first electrolytic cell 25 or the second electrolytic cell 26 so that electricity does not flow in the first electrolytic solution 23 a or the second electrolytic solution 23 b.
  • the first electrolytic solution 23a or the second electrolytic solution 23b is discharged, and the inside of the first electrolytic cell 25 or the second electrolytic cell 26 is filled with air.
  • the second electrode 11 physically separates the electrolytic cell 21 into a first electrolytic cell 25 and a second electrolytic cell 26.
  • the back surface of the second electrode 11 is disposed on the side of the second electrolytic cell 26, and is accommodated in the second electrolytic cell 26.
  • the surface of the second electrode 11 is disposed on the side of the first electrolytic cell 25, but an insulating layer (not shown) is formed on the surface of the second electrode 11 to form the second electrode 11 and the first electrolyte 23 a.
  • the reaction may be suppressed by replacing the first electrolytic solution 23a with a nonconductive liquid or gas.
  • the reaction potential of the catalyst may be set to a potential at which the reaction does not occur between the second electrode 11 and the first electrolytic solution 23a.
  • the above can be realized by adjusting the reaction potential of the catalyst.
  • the second electrode 11 has an ion migration path at its exposed portion.
  • the ion migration path is, for example, a plurality of pores penetrating from the front surface to the back surface.
  • the pores selectively allow only ions (for example, H ions (H + )) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to pass through the second electrolytic cell 26.
  • the ions that have passed through the pores are converted to O 2 , H 2 , or an organic compound by a reduction reaction at the second electrode 11 of the second electrolytic cell 26.
  • the pore may have a size through which ions pass.
  • the lower limit of the diameter (equivalent circle diameter) of the pores is preferably 0.3 nm or more.
  • the area ratio S1 / S2 of the total area S1 of the plurality of pores and the area S2 of the ion permeable member 21a is 0.9 or less, preferably 0.6 or less so as not to impair the mechanical strength.
  • the shape of the pores is not limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, a triangular shape, or a rectangular shape.
  • the arrangement configuration of the pores is not limited to the square lattice shape, and may be a triangular lattice shape or random.
  • the pores may be filled with the ion exchange membrane 19.
  • Ion exchange membranes include, for example, cation exchange membranes, such as Nafion or Flemion, anion exchange membranes, such as Neosepter or cermion.
  • the pores may be filled with a glass filter or agar.
  • the second electrode 11 may have a plurality of slits penetrating from the front surface to the back surface and filled with the ion exchange membrane 19 instead of the pores.
  • the slits allow only ions (for example, H ions (H + )) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to selectively pass through the second electrolytic cell 26.
  • the transfer of ions may be promoted by providing a pump in the ion transfer path.
  • the ion exchange membrane 19 a physically separates the electrolytic cell 21 into a second electrolytic cell 26 and a third electrolytic cell 27.
  • the surface of the ion exchange membrane 19a is disposed on the second electrolytic cell 26 side, and the back surface of the ion exchange membrane 19a is disposed on the third electrolytic cell 27 side.
  • the ion exchange membrane 19a selectively allows only the ions (for example, H ions (H + )) generated by the oxidation reaction of the third electrode 51 in the third electrolytic cell 27 to pass through the second electrolytic cell 26.
  • the ions having passed through the ion exchange membrane 19a are converted to O 2 , H 2 or an organic compound or the like by a reduction reaction at the second electrode 11 of the second electrolytic cell 26.
  • a cation exchange membrane such as Nafion or Flemion
  • an anion exchange membrane such as Neoseptor or a cermion can be mentioned.
  • the electrolytic cell 21 by separating the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25, the second electrolytic cell 26, and the third electrolytic cell 27, different electrolytic solutions (first electrolytic solution 23 a) that easily react in each electrolytic cell , And the third electrolytic cell 23c) can be filled. Further, by separating the electrolytic cell 21 into the first electrolytic cell 25, the second electrolytic cell 26 and the third electrolytic cell 27, an oxidation reaction is performed in the first electrolytic cell 25 and the third electrolytic cell 27, The reduction reaction is performed in the electrolytic cell 26.
  • the product (for example, O 2 ) by the oxidation reaction can be recovered by the first electrolytic cell 25 and the third electrolytic cell 27, and the product (for example CO) by the reduction reaction can be recovered by the second electrolytic cell 26. . That is, the product of the oxidation reaction and the product of the reduction reaction can be separated and recovered.
  • the electrolyte may be changed by, for example, reaction current density, electrodes, or reaction.
  • the first electrolytic solution 23 a and the third electrolytic solution 23 c perform an oxidation reaction of H 2 O, but the third electrolytic solution 23 c is a reaction by the external power supply 32.
  • the reaction current density in the third electrolytic solution 23c can be arbitrarily changed. Therefore, it is possible to select an optimal electrolyte according to the reaction current density.
  • the first electrolytic solution 23a immerses the semiconductor layer (photovoltaic layer 15), it is preferable not to attack the semiconductor layer.
  • limiting in the 3rd electrolyte solution 23c you may use different electrolyte solution as the 3rd electrolyte solution 23c.
  • FIG. 15 is a schematic configuration view showing a configuration of a second modified example of the chemical reaction device according to the second embodiment.
  • the sensor unit 42 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11, and the second The sensor unit 43 is electrically connected between the electrode 11 and the third electrode 51.
  • the sensor unit 42 is electrically connected between the second electrode 11 and the third electrode 51 via the switching element 31 and the external power supply 32.
  • the first switching element 31 is formed between the sensor unit 42 and the second electrode 11 or the third electrode 51. Then, by turning on the first switching element 31, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected via the external power supply 32 and the sensor unit 42. On the other hand, when the first switching element 31 is turned off, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically disconnected via the external power supply 32 and the sensor unit 42. That is, when the chemical reaction device is mainly used as an electrolysis system, the sensor unit 42 functions.
  • the sensor unit 43 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via the third switching element 35.
  • the third switching element 35 is formed between the sensor unit 43 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the third switching element 35, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected to each other through the sensor unit 43. On the other hand, when the third switching element 35 is turned off, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the sensor unit 43. That is, when the chemical reaction device is mainly used as an artificial photosynthesis system, the sensor unit 43 functions.
  • the sensor unit 42 uses, for example, the electromotive force of the external power supply 32 in the case of an electrolysis system, and captures an electrical signal obtained by the reaction of the electrolytic solution 23 with the second electrode 11 and the third electrode 51.
  • the sensor unit 42 has the pH of the electrolyte solution 23, the concentration of the electrolyte solution 23, the composition of the electrolyte solution 23, the pressure in the electrolysis tank 21, the temperature in the electrolysis tank 21, and the light intensity. Measure etc.
  • the sensor unit 43 uses an electromotive force of the photovoltaic layer 15 in the case of an artificial photosynthesis system, for example, and captures an electrical signal obtained by the reaction of the electrolytic solution 23 with the first electrode 16 and the second electrode 11.
  • the sensor unit 43 has the pH of the electrolytic solution 23, the concentration of the electrolytic solution 23, the composition of the electrolytic solution 23, the pressure in the electrolytic cell 21, the temperature in the electrolytic cell 21, and Measure the strength etc.
  • the sensor unit 43 utilizes the electromotive force of the photovoltaic layer 15, and thus can operate without a power supply.
  • the sensor unit 42 may be temporarily operated by the external power supply 32 to measure various requirements.
  • the sensor portions 42 and 43 detect the pH of the electrolytic solution 23, the concentration of the electrolytic solution 23, the composition of the electrolytic solution 23, the pressure in the electrolytic cell 21, the temperature in the electrolytic cell 21, and the light intensity. Measure etc. Thereby, the condition of the electrolytic solution 23 and the electrolytic cell 21 for promoting the electrolytic reaction can be appropriately adjusted.
  • the third embodiment is a modification of the second embodiment.
  • the third catalyst 52 and the third electrode 51 are formed on the back surface of the laminate 10 (second catalyst 18) via the ion exchange membrane 19b.
  • the second electrolytic cell channel 26 a is formed inside the second electrode 11
  • the third electrolytic cell channel 27 a is formed inside the third electrode 51.
  • FIG. 16 is a schematic configuration view showing a configuration example of a chemical reaction device according to a third embodiment.
  • the laminate 10, the third electrode 51, the third catalyst 52, the ion exchange membrane 19b, and the container 90 show the cross-sectional configurations.
  • the chemical reaction device according to the third embodiment differs from the first embodiment in the ion exchange membrane 19 b on the back surface of the laminate 10 (on the back surface of the second catalyst 18).
  • the third catalyst 52 and the third electrode 51 are formed, the second electrolytic cell channel 26 a is formed in the second electrode 11, and the third electrolytic cell channel 27 a is formed in the third electrode 51. It is.
  • the second electrode 11 physically separates the container 90 into the first electrolytic bath 25 and the bath 28.
  • the first electrolytic cell 25 is the surface side of the second electrode 11 of the container 90, and accommodates the first electrolytic solution 23a therein so as to immerse the surface (first catalyst 17) of the first electrode 16.
  • the first electrolytic solution 23 a is, for example, a solution containing H 2 O.
  • a solution one containing an optional electrolyte can be mentioned, but it is desirable that it accelerates the oxidation reaction of H 2 O.
  • the upper surface of the first electrolytic cell 25 is provided with a window made of, for example, glass or acrylic having high light transmittance. The irradiation light is irradiated from above the first electrolytic cell 25.
  • a pipe 22 a is connected to the first electrolytic cell 25.
  • the pipe 22 a injects the first electrolytic solution 23 a into the first electrolytic cell 25 or discharges the first electrolytic solution 23 a from the inside of the first electrolytic cell 25.
  • the tank 28 is the back surface side of the second electrode 11, and accommodates the second catalyst 18, the ion exchange membrane 19 b, the third catalyst 52, and the third electrode 51.
  • the tank 28 does not contain the electrolytic solution therein, and is filled with, for example, air.
  • the second electrode 11 physically separates the container 90 into the first electrolytic bath 25 and the bath 28.
  • the back surface of the second electrode 11 is disposed on the tank 28 side, and is accommodated in the tank 28. At this time, the surface of the second electrode 11 is disposed on the side of the first electrolytic cell 25, but an insulating layer (not shown) is formed on the surface of the second electrode 11 to form the second electrode 11 and the first electrolyte solution 22 a. Can be electrically isolated to suppress these reactions.
  • the second electrode 11 has an ion migration path at its exposed portion.
  • the ion migration path is, for example, a plurality of pores penetrating from the front surface to the back surface.
  • the pores selectively allow only ions (for example, H + ) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to pass through the second electrolytic cell channel 26 a.
  • the ions that have passed through the pores are converted to O 2 , H 2 , or an organic compound by a reduction reaction at the second electrode 11 of the second electrolytic cell channel 26 a.
  • the pore may have a size through which ions pass.
  • the lower limit of the diameter (equivalent circle diameter) of the pores is preferably 0.3 nm or more.
  • the area ratio S1 / S2 of the total area S1 of the plurality of pores and the area S2 of the ion permeable member 21a is 0.9 or less, preferably 0.6 or less so as not to impair the mechanical strength.
  • the shape of the pores is not limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, a triangular shape, or a rectangular shape.
  • the arrangement configuration of the pores is not limited to the square lattice shape, and may be a triangular lattice shape or random.
  • the pores may be filled with the ion exchange membrane 19.
  • Ion exchange membranes include, for example, cation exchange membranes, such as Nafion or Flemion, anion exchange membranes, such as Neosepter or cermion.
  • the pores may be filled with a glass filter or agar.
  • the second electrode 11 may have a plurality of slits penetrating from the front surface to the back surface and filled with the ion exchange membrane 19 instead of the pores.
  • the slits selectively allow only ions (for example, H + ) generated by the oxidation reaction of the first electrode 16 in the first electrolytic cell 25 to pass through the second electrolytic cell channel 26 a.
  • a pipe instead of the pores, a pipe may be connected to the outside of the container 90, and a part of the pipe may be filled with an ion exchange membrane.
  • an operation of stopping ion movement by the valve may be performed when utilizing as a solar cell.
  • the second catalyst 18 is formed on the back surface of the second electrode 11.
  • the second catalyst 18 is formed in contact with the ion transfer path.
  • the second catalyst 18 is porous and passes the raw material of the electrolyte, water (H 2 O), CO 2 , and ions (eg, H + ).
  • a gas diffusion layer (not shown) may be formed between the second electrode 11 and the second electrolytic cell channel 26a.
  • the gas diffusion layer is porous and has water repellency. Thereby, the mass diffusion rate can be increased, and water (H 2 O) and CO 2 can be supplied to the second catalyst 18 as a vapor (gas). Thus, the reaction efficiency of the second catalyst 18 can be increased.
  • the ion exchange membrane 19 b is formed on the back surface of the second catalyst 18.
  • the ion exchange membrane 19 b selectively transmits only ions (for example, H + ) generated by the oxidation reaction of the third electrode 51 in the third electrolytic cell channel 27 a via the second catalyst 18 to the second electrolytic cell channel 26 a. Let pass.
  • the ions having passed through the ion exchange membrane 19a are converted to O 2 , H 2 or an organic compound or the like by a reduction reaction at the second electrode 11 of the second electrolytic cell 26.
  • a cation exchange membrane such as Nafion or Flemion
  • an anion exchange membrane such as Neoseptor or a cermion can be mentioned.
  • the third catalyst 52 is formed on the back surface of the ion exchange membrane 19b.
  • the third catalyst 52 is porous and allows the raw material of the electrolyte solution, water (H 2 O), CO 2 , and ions (eg, H + ) to pass through.
  • a gas diffusion layer (not shown) may be formed between the third electrode 51 and the third electrolytic cell channel 27a.
  • the gas diffusion layer is porous and has water repellency. Thereby, the mass diffusion rate can be increased, and water (H 2 O) and CO 2 can be supplied to the third catalyst 52 as a vapor (gas). Thus, the reaction efficiency of the third catalyst 52 can be increased.
  • the third catalyst 52 is provided to enhance the chemical reactivity (oxidation reactivity) in the vicinity of the surface of the third electrode 51.
  • an aqueous solution ie, a solution containing H 2 O
  • the third electrode 51 oxidizes H 2 O to generate O 2 and H + . Therefore, the third catalyst 52 is made of a material that reduces the activation energy for oxidizing H 2 O. In other words, it is made of a material that reduces the overvoltage in oxidizing H 2 O to generate O 2 and H + .
  • binary metal oxides such as Mn-O, Ir-O, Ni-O, Co-O, Fe-O, Sn-O, In-O, or Ru-O, Ni-Co Ternary metal oxides such as -O, Ni-Fe-O, La-Co-O, Ni-La-O, Sr-Fe-O, Pb-Ru-Ir-O, La-Sr-Co-O And quaternary metal oxides, or metal complexes such as Ru complex or Fe complex.
  • the shape of the third catalyst is not limited to a thin film, and may be a lattice, a particle, or a wire.
  • a third catalyst may be provided in the gas diffusion layer (not shown), and the gas diffusion layer may be conductive to cause a chemical reaction in the gas diffusion layer.
  • the third electrode 51 is formed on the back surface of the third catalyst 52.
  • the third electrode 51 is formed of, for example, a metal plate such as Cu, Al, Ti, Ni, Fe, or Ag, or an alloy plate such as SUS including at least one of them.
  • the third electrode 51 may be made of conductive resin or the like.
  • the third electrode 51 may be formed of a semiconductor substrate such as Si or Ge.
  • the third electrode 51 may be made of carbon or porous carbon.
  • the second electrolytic cell channel 26 a is formed in the second electrode 11. More specifically, the second electrolytic cell channel 26 a is formed as a groove formed on the back surface of the second electrode 11. In other words, the second electrolytic cell channel 26 a is formed in a hollow portion at the interface between the second electrode 11 and the second catalyst 18. For this reason, the second electrolytic cell channel 26 a is formed in contact with the second electrode 11 and the second catalyst 18. That is, the second electrolytic solution 23 b is in contact with the second electrode 11 and the second catalyst 18 by filling the second electrolytic solution 23 b in the second electrolytic cell channel 26 a.
  • the third electrolytic cell channel 27 a is formed in the third electrode 51. More specifically, the third electrolytic cell channel 27 a is formed as a groove formed on the surface of the third electrode 51. In other words, the third electrolytic cell channel 27 a is formed in a hollow portion at the interface between the third electrode 51 and the third catalyst 52. Therefore, the third electrolytic cell channel 27 a is formed in contact with the third electrode 51 and the third catalyst 52. That is, the third electrolytic solution 23 c is in contact with the third electrode 51 and the third catalyst 52 by filling the third electrolytic solution 23 c in the third electrolytic cell channel 27 a.
  • the electrolytic solution control unit 61 includes a first electrolytic solution 23a in the first electrolytic cell 25, a second electrolytic solution 23b in the second electrolytic cell channel 26a, and a third electrolytic solution 23c in the third electrolytic cell channel 27a. Control. More specifically, the electrolyte solution control unit 61 includes the first electrolyte solution 23a in the first electrolytic cell 25, the second electrolyte solution 23b in the second electrolytic cell channel 26a, and the third electrolytic cell channel 27a.
  • the amount of the third electrolytic solution 23c is measured, and the first electrolytic solution 23a by the piping 22a, the second electrolytic solution 23b by the piping (not shown) connected to the second electrolytic bath channel 26a, and the third electrolytic bath channel Control of injection and discharge of the third electrolyte solution 23c by a pipe (not shown) connected to 27a.
  • FIG. 17 is a diagram showing the artificial photosynthesis system operation of the chemical reaction device according to the third embodiment.
  • the artificial light synthesis system is mainly used when there is surplus power and there is solar energy.
  • the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31 and the second switching element 33.
  • the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically disconnected via the external power supply 32.
  • the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the power demand unit 34.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the first electrolytic solution 23 a in the first electrolytic tank 25 so that the first electrode 16 is immersed in the first electrolytic solution 23 a.
  • the first electrolytic solution 23a is injected into the first electrolytic cell 25 through the pipe 22a, and the inside of the first electrolytic cell 25 is filled with the first electrolytic solution 23a.
  • the inside of the first electrolytic cell 25 may not be filled with the first electrolytic solution 23a, and at least a part of the first electrode 16 may be immersed in the first electrolytic solution 23a.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the second electrolytic solution 23 b in the second electrolytic cell channel 26 a so that the second electrode 11 is immersed in the second electrolytic solution 23 b.
  • the second electrolytic solution 23b is injected into the second electrolytic cell channel 26a through a pipe (not shown), and the second electrolytic cell channel 26a is filled with the second electrolytic solution 23b.
  • the inside of the second electrolytic cell channel 26a may not be filled with the second electrolyte solution 23b, and at least a part of the second electrode 11 may be immersed in the second electrolyte solution 23b.
  • the third electrolytic solution channel 27a may or may not be filled with the third electrolytic solution 23c.
  • H 2 O is oxidized (los electrons) to generate O 2 and H + .
  • H + generated at the first electrode 16 side moves to the second electrode 11 side. More specifically, H + generated at the first electrode 16 side passes through the ion exchange membrane 19 and the porous second catalyst 18 and moves into the second electrolytic cell channel 26 a.
  • an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15 by sunlight energy, and the redox reaction (electrolytic reaction) occurs on the surface of the first electrode 16 and the back surface of the second electrode 11 by this electromotive force. It happens and chemical energy is generated. That is, solar energy can be converted to chemical energy.
  • FIG. 18 is a view showing the electrolytic system operation of the chemical reaction device according to the third embodiment.
  • the electrolysis system is mainly used when there is surplus power and there is no solar energy.
  • the electrolysis system may be used at night.
  • the switching element control unit 41 when used as an electrolysis system, the switching element control unit 41 turns on the first switching element 31. Thus, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns off the second switching element 33. Thus, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the power demand unit 34.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the second electrolytic solution 23 b in the second electrolytic cell channel 26 a so that the second electrode 11 is immersed in the second electrolytic solution 23 b.
  • the second electrolytic solution 23b is injected into the second electrolytic cell channel 26a through a pipe (not shown), and the second electrolytic cell channel 26a is filled with the second electrolytic solution 23b.
  • the inside of the second electrolytic cell channel 26a may not be filled with the second electrolyte solution 23b, and at least a part of the second electrode 11 may be immersed in the second electrolyte solution 23b.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the third electrolytic solution 23c in the third electrolytic cell channel 27a so that the third electrode 51 is immersed in the third electrolytic solution 23c.
  • the third electrolytic solution 23c is injected into the third electrolytic cell channel 27a via a pipe (not shown), and the third electrolytic cell channel 27a is filled with the third electrolytic solution 23c.
  • the inside of the third electrolytic cell channel 27a may not be filled with the third electrolytic solution 23c, and at least a part of the second electrode 11 may be immersed in the second electrolytic solution 23b.
  • the first electrolytic cell 25 may or may not be filled with the first electrolytic solution 23a.
  • H 2 O is oxidized (los electrons) to generate O 2 and H + .
  • H + generated on the third electrode 51 side moves to the second electrode 11 side. More specifically, H + generated on the third electrode 51 side passes through the porous third catalyst 52, the ion exchange membrane 19, and the porous second catalyst 18 to flow the second electrolytic cell flow. Move into path 26a.
  • an electromotive force is generated in the external power supply 32 by the electrical energy of the surplus power, and the electromotive force causes an oxidation-reduction reaction (electrolytic reaction) to generate chemical energy. That is, electrical energy can be converted to chemical energy.
  • the artificial photosynthesis system and the electrolysis system may be reacted simultaneously. That is, the first electrolytic solution 25a is filled in the first electrolytic cell 25, the second electrolytic solution 23b in the second electrolytic cell channel 26a, and the third electrolytic solution 23c in the third electrolytic cell channel 27a. Then, light is emitted and the switching element 31 is turned on. Thereby, in a state in which the first electrode 16 and the third electrode 51 are connected in parallel to the second electrode 11, the first electrolytic cell 25, the second electrolytic cell channel 26a, and the third electrolytic cell channel Each reaction can occur at each of 27a.
  • FIG. 19 is a diagram showing the solar cell operation of the chemical reaction device according to the third embodiment.
  • FIG. 20 is a view showing a modified example of the solar cell operation of the chemical reaction device according to the second embodiment. Solar cells are mainly used when there is no surplus power.
  • the switching element control unit 41 when used as a solar cell, the switching element control unit 41 turns off the first switching element 31. Thereby, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically disconnected via the external power supply 32. On the other hand, the switching element control unit 41 turns on the second switching element 33. Thus, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected via the power demand unit 34.
  • the electrolytic solution control unit 61 controls the amount of the first electrolytic solution 23a in the first electrolytic tank 25 so that the first electrode 16 is not immersed in the first electrolytic solution 23a.
  • the amount of the second electrolyte solution 23 b in the second electrolytic cell 26 a is controlled so that the second electrode 11 is not immersed in the second electrolyte solution 23 b.
  • the first electrolytic solution 23a is discharged from the inside of the first electrolytic cell 25 through the pipe 22a, and the inside of the first electrolytic cell 25 is filled with air, or a pipe not shown from the inside of the second electrolytic cell 26a.
  • the second electrolytic solution 23 b is discharged through the through-hole, and the inside of the second electrolytic cell 26 a is filled with air.
  • the inside of the first electrolytic cell 25 may not be filled with air, and it is sufficient that at least the first electrode 16 is not immersed in the first electrolytic solution 23a.
  • a part of the first electrolytic cell 25 may be filled with a gas (for example, O 2 or the like) generated by the above-described artificial photosynthesis system or the electrolytic system.
  • a gas for example, O 2 or the like
  • the inside of the electrolytic layer 25 may be filled with a substance having low conductivity.
  • the inside of the electrolytic layer 25 may be separated by the photovoltaic layer 15, the first electrode 16, the catalyst layer 17 or the like, and the outside of the electrolytic layer 25 may be connected by piping or the like (not shown).
  • the piping may be shut off by a valve or the like.
  • an insulating layer (not shown) may be provided between the second electrode 11 and the second catalyst 18 (contact point). Then, the second electrolytic solution 23 b in the second electrolytic cell channel 26 a is discharged, and the inside of the second electrolytic cell channel 26 a is filled with the insulating liquid or gas. This eliminates the need to discharge the first electrolytic solution 23a in the first electrolytic cell 25. Therefore, the energy efficiency can be improved without the complication associated with taking in and out of the first electrolytic solution 23a.
  • the photovoltaic layer 15 When light is irradiated from above in this state, the irradiation light passes through the first electrode 16 and reaches the photovoltaic layer 15.
  • the photovoltaic layer 15 absorbs light, it generates electrons and holes paired therewith and separates them. That is, in each of the photovoltaic layers (the first photovoltaic layer 12, the second photovoltaic layer 13, and the third photovoltaic layer 14), electrons are formed on the n-type semiconductor layer side (the second electrode 11 side) Moves, and the holes generated as electron pairs move to the p-type semiconductor layer side (the first electrode 16 side) to cause charge separation. Thereby, an electromotive force is generated in the photovoltaic layer 15. Power can be supplied to the power demand unit 34 by the electromotive force generated by the photovoltaic layer 15.
  • the solar energy generates an electromotive force in the photovoltaic layer 15, and the electromotive force generates electrical energy. That is, solar energy can be converted to electrical energy.
  • the third catalyst 52 and the third electrode 51 are formed on the back surface of the stack 10 (second catalyst 18) via the ion exchange membrane 19b. Then, the second electrolytic cell channel 26 a is formed inside the second electrode 11, and the third electrolytic cell channel 27 a is formed inside the third electrode 51.
  • the second electrolytic cell channel 26 a and the third electrolytic cell channel 27 a in the third embodiment are formed to have smaller capacities than the second electrolytic cell 26 and the third electrolytic cell 27 in the second embodiment. Thereby, the products generated in the second electrolytic cell channel 26a and the third electrolytic cell channel 27a can be recovered more easily than in the second embodiment.
  • FIG. 21 is a schematic configuration view showing a configuration of a first modification of the chemical reaction device according to the third embodiment.
  • the sensor unit 42 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11, and the second The sensor unit 43 is electrically connected between the electrode 11 and the third electrode 51.
  • the sensor unit 42 is electrically connected between the second electrode 11 and the third electrode 51 via the switching element 31 and the external power supply 32.
  • the first switching element 31 is formed between the sensor unit 42 and the second electrode 11 or the third electrode 51. Then, by turning on the first switching element 31, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically connected via the external power supply 32 and the sensor unit 42. On the other hand, when the first switching element 31 is turned off, the second electrode 11 and the third electrode 51 are electrically disconnected via the external power supply 32 and the sensor unit 42. That is, when the chemical reaction device is mainly used as an electrolysis system, the sensor unit 42 functions.
  • the sensor unit 43 is electrically connected between the first electrode 16 and the second electrode 11 via the third switching element 35.
  • the third switching element 35 is formed between the sensor unit 43 and the first electrode 16 or the second electrode 11. Then, by turning on the third switching element 35, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically connected to each other through the sensor unit 43. On the other hand, when the third switching element 35 is turned off, the first electrode 16 and the second electrode 11 are electrically disconnected via the sensor unit 43. That is, when the chemical reaction device is mainly used as an artificial photosynthesis system, the sensor unit 43 functions.
  • the sensor unit 42 uses, for example, the electromotive force of the external power supply 32 in the case of an electrolysis system, and the reaction of the second electrolyte solution 23 b with the second electrode 11 and the reaction of the third electrolyte solution 23 c with the third electrode 51. Capture the resulting electrical signal.
  • the sensor unit 42 has the pH values of the second electrolyte solution 23 b and the third electrolyte solution 23 c, the concentrations of the second electrolyte solution 23 b and the third electrolyte solution 23 c, the second electrolyte solution 23 b and the third electrolyte solution. Composition of the electrolyte 23c, pressure in the second electrolytic cell channel 26a and in the third electrolytic cell channel 27a, temperature in the second electrolytic cell channel 26a and in the third electrolytic cell channel 27a, and light intensity Measure etc.
  • the sensor unit 43 uses the electromotive force of the photovoltaic layer 15 to react the first electrolyte 23 a with the first electrode 16 and the second electrolyte 23 b with the second electrode 11. Capture the electrical signal obtained by the reaction.
  • the sensor unit 43 has the pH values of the first electrolyte 23a and the second electrolyte 23b, the concentrations of the first electrolyte 23a and the second electrolyte 23b, the first electrolyte 23a and the first electrolyte 23b.
  • the sensor unit 43 utilizes the electromotive force of the photovoltaic layer 15, and thus can operate without a power supply.
  • the sensor unit 42 may be temporarily operated by the external power supply 32 to measure various requirements.
  • the sensor portions 42 and 43 detect the pHs of the first electrolyte solution 23a, the second electrolyte solution 23b, and the third electrolyte solution 23c, and the first electrolyte solution 23a, the second electrolyte solution 23b, and the third solution.
  • the pressure in 27a, the temperature in the first electrolytic cell 25, the temperature in the second electrolytic cell channel 26a, and the temperature in the third electrolytic cell channel 27a, and the intensity of light are measured.
  • the conditions of the electrolytic solution and the electrolytic cell for promoting the electrolytic reaction can be appropriately adjusted.

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Abstract

　本実施形態の化学反応装置によれば、電解液２３を収容する電解槽２１と、電解槽内に収容され、光照射側に配置された第１電極１６と、光照射側とは反対側に配置された第２電極１１と、第１電極と第２電極との間に形成され、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力層１５と、を備える積層体１０と、第１電極と第２電極との間に、第１スイッチング素子３１を介して電気的に接続される外部電源３２と、第１電極と第２電極との間に、第２スイッチング素子３３を介して電気的に接続され、外部電源とは並列に接続される電力需要部３４と、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のオン／オフを制御するスイッチング素子制御部４１と、を具備する。

Description

化学反応装置
　本発明の実施形態は、化学反応装置に関する。
　エネルギー問題や環境問題の観点から、再生エネルギーが急速に増加している。特に、
ＥＵでは、スウェーデンのようにエネルギーの５０％を再生エネルギー（自然エネルギー）が占める国が存在する。
　ところで、消費電力（電気エネルギー）は人間の生活行動によって常に変動しているため、需要と供給とのバランスは悪くなる。消費電力を補うために出力調整が困難な原子力エネルギーと不規則な自然エネルギーとを組み合わせる場合、消費電力量に合わせられず余剰電力の発生が増加することが懸念される。今後、再生エネルギーが増加すると、出力調整を火力エネルギーで行うには限界がある。
　この余剰電力を電力不足の地域に送電することが考えられるが、送電によるエネルギーロスやコスト等の問題が生じる。このような問題に対して、現在行われている対策として、揚水発電による水のくみ上げや蓄電池による蓄電が挙げられる。しかし、揚水発電可能なダムの設置に適した土地は限られ、蓄電池はコストが高いといった問題がある。
　このように、電気エネルギーには蓄電および送電に関する問題が存在する。一方、貯蔵および輸送可能な再生エネルギーとして、人工光合成システムが提案されている。
　人工光合成は、植物のように光エネルギーによって化学燃料（化学エネルギー）を生成する技術である。植物は、Ｚスキームと呼ばれる光エネルギーを２段階で励起するシステムを用いる。これにより、植物は、太陽エネルギーを利用することで、水を酸化して電子を得て、二酸化炭素を還元してセルロースや糖類を合成する。人工光合成では、人工的な光化学反応によって、この植物の光合成反応を可能にする。
　特許文献１では、光触媒の表面に二酸化炭素（ＣＯ２）還元触媒が設けられる。そして、このＣＯ２還元触媒は別の光触媒と電線を介して接続される。別の光触媒は、光エネルギーによって電位を得る。ＣＯ２還元触媒は、電線を介して別の光触媒から還元電位を得ることで、ＣＯ２を還元してギ酸を生成する。このように、特許文献１では、可視光を用いて光触媒でＣＯ２の還元を行うのに必要な電位を得るために、２段励起を用いている。しかしながら、その太陽光から化学エネルギーへの変換効率は、０．０４％と非常に低い。これは、可視光で励起する光触媒のエネルギー効率が低いことに原因がある。
　特許文献２では、反応の電位を得るためにシリコン太陽電池を用いて、その両面に触媒を設けて反応を起こす構成が考えられている。非特許文献１では、反応の電位を得るためにシリコン太陽電池を重ねた構成を用いて、その両面に触媒を設けることで水（Ｈ２Ｏ）の電解反応を行っている。これらにおける太陽光エネルギーから化学エネルギーへの変換効率は、４．７％と非常に高いものである。
　しかし、この人工光合成システムであっても、太陽電池の太陽光エネルギー変換効率を超えるには至らない。言い換えると、太陽電池による電荷分離によって起電力を得るため、太陽電池の太陽光エネルギー変換効率を超えることは不可能である。
　このため、これらの人工光合成システムは、余剰電力がある場合においては有効に機能するが、電力不足の場合においては有効に機能しない。すなわち、電力不足の場合、これらの人工光合成システムによって太陽光エネルギーを化学エネルギーへと変換させ、この化学エネルギーを電気エネルギーへと変換させるよりも、太陽電池を用いて直接太陽光エネルギーを電気エネルギーへと変換させたほうが効率がよい。このため、電力不足時においては、人工光合成システムを用いて化学エネルギーを生成するよりも、太陽電池を用いて電気エネルギーを生成したほうが効率的である。
　余剰電力がある場合および電力不足の場合の両方の問題を解決するために、人工光合成システムおよび太陽電池をいずれも設置することが考えられる。しかし、人工光合成システムおよび太陽電池を設置することで、設置面積が少なくとも２倍以上必要になってしまう。
　また、余剰電力がある場合であって太陽光エネルギーが小さい場合、人工光合成システム以外に、電源を用いた通常の電解システムによって、電気エネルギーを化学エネルギーに変換する方法がある。しかしながら、太陽電池と電解システムとの接続や、不安定な自然エネルギーに追従するように装置を運用しなければならないといった問題がある。
　このように、余剰電力の有無および太陽光エネルギーの有無等の条件に応じてエネルギー変換効率が高くなるように、人工光合成システム、太陽電池、および電解システムが適宜動作する一体型のデバイスは存在しない。
特開２０１１－０９４１９４号公報 特開平１０－２９００１７号公報
S. Y. Reece, et al., Science. vol.334. pp.645 (2011)
　諸条件に応じてエネルギー変換効率が高くなるように、人工光合成システム、太陽電池、または電解システムとして適宜動作する一体型の化学反応装置を提供する。
　本実施形態による化学反応装置は、電解液を収容する電解槽と、前記電解槽内に収容され、光照射側に配置された第１電極と、光照射側とは反対側に配置された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成され、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力層と、を備える積層体と、前記第１電極と前記第２電極との間に、第１スイッチング素子を介して電気的に接続される外部電源と、前記第１電極と前記第２電極との間に、第２スイッチング素子を介して電気的に接続され、前記外部電源とは並列に接続される電力需要部と、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のオン／オフを制御するスイッチング素子制御部と、を具備する。
第１の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図。 第１の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図。 第１の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図。 第１の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図。 第１の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図。 第１の実施形態に係る化学反応装置における動作を示すフローチャート。 第１の実施形態に係る化学反応装置の第１の変形例の構成を示す概略構成図。 第１の実施形態に係る化学反応装置の第２の変形例の構成を示す概略構成図。 第２の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図。 第２の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図。 第２の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図。 第２の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図。 第２の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図。 第２の実施形態に係る化学反応装置の第１の変形例の構成を示す概略構成図。 第２の実施形態に係る化学反応装置の第２の変形例の構成を示す概略構成図。 第３の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図。 第３の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図。 第３の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図。 第３の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図。 第３の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図。 第３の実施形態に係る化学反応装置の第１の変形例の構成を示す概略構成図。
　本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。また、重複した説明は、必要に応じて行う。
　１．第１の実施形態
　以下に図１乃至図８を用いて、第１の実施形態に係る化学反応装置について説明する。
　第１の実施形態に係る化学反応装置では、第１電極１６、光起電力層１５、および第２電極１１を含む積層体１０と、積層体１０を収容する電解槽２１と、積層体１０に電気的に接続または遮断可能な外部電源３２および電力需要部３４と、で構成される。これにより、化学反応装置は、積層体１０と外部電源３２とを電気的に接続することで電解システムとして機能し、積層体１０と電力需要部３４とを電気的に接続することで太陽電池として機能し、積層体１０と外部電源３２および電力需要部３４とを電気的に遮断することで人工光合成システムとして機能することができる。したがって、諸条件に応じて適宜動作する一体型の化学反応装置を提供することができる。以下に、第１の実施形態について詳説する。
　１－１．第１の実施形態の構成
　図１は、第１の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図である。なお、図１において、積層体１０および電解槽２１は、その断面構成を示している。
　図１に示すように、第１の実施形態に係る化学反応装置は、積層体１０、電解槽２１、外部電源３２、電力需要部３４、スイッチング素子制御部４１、および電解液制御部６１を備える。
　電解槽２１は、その内部に積層体１０を収容する。また、電解槽２１は、積層体１０を浸漬するように、その内部に電解液２３を収容する。電解液２３は、例えばＨ２Ｏを含む溶液である。このような溶液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、Ｈ２Ｏの酸化反応を促進するものであることが望ましい。また、電解液２３は、例えばＣＯ２を含む溶液である。電解槽２１の上面は、光透過率の高い例えばガラスまたはアクリルからなる窓部が設けられる。照射光は、電解槽２１の上方から照射される。この照射光によって、積層体１０は、酸化還元反応を行う。
　また、電解槽２１には、配管２２が接続される。配管２２は、電解槽２１内に電解液２３を注入する、または、電解槽２１内から電解液２３を排出する。
　電解液制御部６１は、電解槽２１内の電解液２３を制御する。より具体的には、電解液制御部６１は、電解槽２１内の電解液２３の量を測定し、配管２２による電解液２３の注入および排出を制御する。これにより、電解液制御部６１は、人工光合成システムおよび電解システムとして用いる場合に、十分な電解反応が起こるように電解槽２１内を電解液２３で充填させる。また、電解液制御部６１は、太陽電池として用いる場合に、電解液２３中に電気が流れないように電解槽２１内から電解液２３を排出して電解槽２１内を空気で充填させる。また、空気に限らず、導電率の低い物質であれば、ガス、液体であってもよい。
　積層体１０は、第１電極１６、光起電力層１５、第２電極１１、第１触媒１７、および第２触媒１８を有する。積層体１０は、平面に拡がる平板状であり、第２電極１１を基材（基板）として順次形成される。なお、ここでは、光照射側を表面（上面）とし、光照射側の反対側を裏面（下面）として説明する。
　第２電極１１は、導電性を有する。また、第２電極１１は、積層体４１を支持し、その機械的強度を増すために設けられる。第２電極１１は、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、またはＡｇ等の金属板、もしくはそれらを少なくとも１つ含む例えばＳＵＳのような合金板で構成される。また、第２電極１１は、導電性の樹脂等で構成されてもよい。また、第２電極１１は、ＳｉまたはＧｅ等の半導体基板、イオン交換膜で構成されてもよい。
　光起電力層１５は、第２電極１１上（表面上（上面上））に形成される。光起電力層１５は、第１光起電力層１２、第２光起電力層１３、および第３光起電力層１４で構成される。
　第１光起電力層１２、第２光起電力層１３、および第３光起電力層１４はそれぞれ、ｐｉｎ接合半導体を使用した太陽電池であり、光の吸収波長が異なる。これらを平面状に積層することで、光起電力層１５は、太陽光の幅広い波長の光を吸収することができ、太陽光エネルギーをより効率良く利用することが可能となる。また、各光起電力層は、直列に接続されているため、高い開放電圧を得ることができる。
　より具体的には、第１光起電力層１２は、第２電極１１上に形成され、例えば下部側から順に形成されたｎ型のアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）層、真性（intrinsic）のアモルファスシリコンゲルマニウム（ａ－ＳｉＧｅ）層、およびｐ型の微結晶シリコン（μｃ－Ｓｉ）層で構成される。ここで、ａ－ＳｉＧｅ層は、７００ｎｍ程度の長波長領域の光を吸収する層である。すなわち、第１光起電力層１２は、長波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。
　また、第２光起電力層１３は、第１光起電力層１２上に形成され、例えば下部側から順に形成されたｎ型のａ－Ｓｉ層、真性（intrinsic）のａ－ＳｉＧｅ層、およびｐ型のμｃ－Ｓｉ層で構成される。ここで、ａ－ＳｉＧｅ層は、６００ｎｍ程度の中間波長領域の光を吸収する層である。すなわち、第２光起電力層１３は、中間波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。
　また、第３光起電力層１４は、第２光起電力層１３上に形成され、例えば下部側から順に形成されたｎ型のａ－Ｓｉ層、真性（intrinsic）のａ－Ｓｉ層、およびｐ型のμｃ－Ｓｉ層で構成される。ここで、ａ－Ｓｉ層は、４００ｎｍ程度の短波長領域の光を吸収する層である。すなわち、第３光起電力層１４は、短波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。
　このように、光起電力層１５は、各波長領域の光によって電荷分離が生じる。すなわち、正孔が陽極側（表面側）に、電子が陰極側（裏面側）に分離する。これにより、光起電力層１５は、起電力を発生させる。
　第１電極１６は、光起電力層１５のｐ型半導体層（ｐ型のμｃ－Ｓｉ層）上に形成される。このため、第１電極１６は、ｐ型半導体層とオーミック接触が可能な材料で構成されることが望ましい。第１電極は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、またはＣｕ等の金属、もしくはそれらを少なくとも１つ含む合金で構成される。また、第１電極１６は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＦＴＯ、ＡＺＯ、またはＡＴＯ等の透明導電性酸化物で構成されてもよい。また、第１電極１６は、例えば金属と透明導電性酸化物とが積層された構造、金属とその他導電性材料とが複合された構造、または透明導電性酸化物とその他導電性材料とが複合された構造で構成されてもよい。
　また、本例において、照射光は、第１電極１６を通過して光起電力層１５に到達する。このため、光照射側（図面において上部側）に配置される第１電極１６は、照射光に対して光透過性を有する。より具体的には、光照射側の第１電極１６の光透過性は、照射光の照射量の少なくとも１０％以上、より好ましくは３０％以上であることが好ましい。または、第１電極１６は、光を透過することができる開口部分を有する。すなわち、第１電極１６の形状は、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、またはワイヤー状であってもよい。開口率は、少なくとも１０％以上、より好ましくは３０％以上である。
　なお、上記において、３つの光起電力層（第１光起電力層１２、第２光起電力層１３、および第３光起電力層１４）の積層構造で構成される光起電力層１５を例に説明したが、これに限らない。光起電力層１５は、２つまたは４つ以上の光起電力層の積層構造から構成されてもよい。または、光起電力層の積層構造の代わりに、１つの光起電力層を用いてもよい。また、前述ではｐｉｎ接合半導体を使用した太陽電池について説明したが、ｐｎ接合型半導体を使用した太陽電池であってもよい。また、半導体層として、ＳｉおよびＧｅで構成される例を示したが、これに限らず、化合物半導体系、例えばＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅで構成されてもよい。さらに、単結晶、多結晶、アモルファス状の種々の形態を適用することができる。また、第１電極１６および第２電極１１は、光起電力層１５の全面に設けられてもよいし、部分的に設けられてもよい。
　第１触媒１７は、第１電極１６の上面上に形成される。第１触媒１７は、第１電極１６の表面付近における化学反応性（酸化反応性）を高めるために設けられる。電解液２３として水溶液、すなわち、Ｈ２Ｏを含む溶液を用いた場合、第１電極１６はＨ２Ｏを酸化してＯ２とＨ＋を生成する。このため、第１触媒１７は、Ｈ２Ｏを酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、Ｈ２Ｏを酸化してＯ２とＨ＋を生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、酸化マンガン（Ｍｎ－Ｏ）、酸化イリジウム（Ｉｒ－Ｏ）、酸化ニッケル（Ｎｉ－Ｏ）、酸化コバルト（Ｃｏ－Ｏ）、酸化鉄（Ｆｅ－Ｏ）、酸化スズ（Ｓｎ－Ｏ）、酸化インジウム（Ｉｎ－Ｏ）、または酸化ルテニウム（Ｒｕ－Ｏ）等の二元系金属酸化物、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｏ、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｏ、Ｌａ－Ｃｏ－Ｏ、Ｎｉ－Ｌａ－Ｏ、Ｓｒ－Ｆｅ－Ｏ等の三元系金属酸化物、Ｐｂ－Ｒｕ－Ｉｒ－Ｏ、Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｏ－Ｏ等の四元系金属酸化物、もしくは、Ｒｕ錯体またはＦｅ錯体等の金属錯体が挙げられる。また、第１触媒１７の形状としては、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、またはワイヤー状であってもよい。また、第１電極１６にある金属と透明導電性酸化物とが積層された構造における金属部、または金属とその他導電性材料とが複合された構造における金属部に触媒性能を設けてもよい。また、電極金属自体が触媒性能を有してもよい。これにより、構造を簡略化することができる。
　第２触媒１８は、第２電極１１の下面上に形成される。第２触媒１８は、第２電極１１の裏面付近における化学反応性（還元反応性）を高めるために設けられる。電解液２３としてＣＯ２を含む溶液を用いた場合、ＣＯ２を還元して炭素化合物（例えば、ＣＯ、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ４、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、Ｃ２Ｈ４）等を生成する。このため、第２触媒１８は、ＣＯ２を還元するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、ＣＯ２を還元して炭素化合物を生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｃ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃ、グラフェン、ＣＮＴ（carbon nanotube）、フラーレン、ケッチェンブラック、またはＰｄ等の金属、もしくは、それらを少なくとも１つ含む合金、あるいは、Ｒｕ錯体またはＲｅ錯体等の金属錯体が挙げられる。また、電解液２３としてＣＯ２を含まない水溶液、すなわち、ＣＯ２を含まないＨ２Ｏを用いた場合、Ｈ２Ｏを還元してＨ２を生成する。このため、第２触媒１８は、Ｈ２Ｏを還元するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、Ｈ２Ｏを還元してＨ２を生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｇａ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ｃ、グラフェンといった金属もしくはそれらを少なくとも一つ含む合金が挙げられる。また、第２触媒１８の形状としては、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、ワイヤー状であってもよい。
　なお、光起電力層１５の積層構造を反対にし、第１触媒１７および第２触媒１８による第１電極１６および第２電極１１の過電圧の低下作用を逆転させてもよい。
　外部電源３２は、第１電極１６と第２電極１１との間に、第１スイッチング素子３１を介して電気的に接続される。言い換えると、外部電源３２と第１電極１６または第２電極１１との間に、第１スイッチング素子３１が形成される。そして、第１スイッチング素子３１をオンにすることで、第１電極１６と第２電極１１とは外部電源３２を介して電気的に接続される。一方、第１スイッチング素子３１をオフにすることで、第１電極１６と第２電極１１とは外部電源３２を介して電気的に遮断される。また、外部電源３２の陽極側に第１電極１６が接続され、陰極側に第２電極１１が接続される。詳細は後述するが、余剰電力がある場合において、外部電源３２は、第１電極１６および第２電極１１に電力を供給する。
　電力需要部３４は、第１電極１６と第２電極１１との間に、第２スイッチング素子３３を介して電気的に接続される。また、電力需要部３４は、外部電源３２とは並列に接続される。言い換えると、電力需要部３４と第１電極１６または第２電極１１との間に、第２スイッチング素子３３が形成される。そして、第２スイッチング素子３３をオンにすることで、第１電極１６と第２電極１１とは電力需要部３４を介して電気的に接続される。一方、第１スイッチング素子３１をオフにすることで、第１電極１６と第２電極１１とは電力需要部３４を介して電気的に遮断される。詳細は後述するが、余剰電力がない場合において、電力需要部３４に光起電力層１５から電力が供給される。電力需要部３４は、例えば電力を溜める蓄電池、または電力を消費する領域である。
　スイッチング素子制御部４１は、電力需要部３４の需要を越える余剰電力の有無および太陽光エネルギーの有無等の条件に応じて、第１スイッチング素子３１および第２スイッチング素子３３のオン／オフを制御する。
　より具体的には、スイッチング素子制御部４１は、余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがある場合、第１スイッチング素子３１および第２スイッチング素子３３をオフにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが光起電力層１５のみを介して電気的に接続される。その結果、光起電力層１５による起電力によって第１電極１６および第２電極１１において電解が行われて化学エネルギーが生成される。すなわち、化学反応装置は、人工光合成システムとして機能する。
　一方、スイッチング素子制御部４１は、余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがない場合、第２スイッチング素子３３をオフにし、第１スイッチング素子３１をオンにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが外部電源３２を介して電気的に接続される。その結果、外部電源３２による起電力によって第１電極１６および第２電極１１において電解が行われて化学エネルギーが生成される。すなわち、化学反応装置は、電解システムとして機能する。
　また、スイッチング素子制御部４１は、余剰電力がない場合、第１スイッチング素子３１をオフにし、第２スイッチング素子３３をオンにする。これにより、光起電力層１５と電力需要部３４とが電気的に接続される。その結果、光起電力層１５による起電力によって電力需要部３４に電力が供給される。すなわち、化学反応装置は、太陽電池として機能する。
　また、太陽光の不足時において、人工光合成システムは、外部から調整された電気的装置を介して電流を補うことで、ハイブリッドの動作をすることが可能である。また、人工光合成システムは、生成物の需要などに応じて、外部から調整された電気的装置を介して電圧および電流を調整することで生成物を変化させても良い。
　１－２．第１の実施形態の動作
　図２は、第１の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図である。人工光合成システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがある場合に用いられる。
　図２に示すように、人工光合成システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１および第２スイッチング素子３３をオフにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが外部電源３２を介して電気的に遮断される。また、第１電極１６と第２電極１１とが電力需要部３４を介して電気的に遮断される。
　また、電解液制御部６１は、第１電極１６および第２電極１１が電解液２３に浸漬されるように、電解槽２１内の電解液２３の量を制御する。これにより、電解槽２１内に配管２２を介して電解液２３が注入され、電解槽２１内は電解液２３で充填される。なお、電解槽２１内が電解液２３で充填されなくてもよく、少なくとも第１電極１６および第２電極１１の一部が電解液２３に浸漬されていればよい。
　この状態で上方から光が照射されると、照射光は第１電極１６を通過し、光起電力層１５に到達する。光起電力層１５は、光を吸収すると、電子およびそれと対になる正孔を生成し、それらを分離する。すなわち、各光起電力層（第１光起電力層１２、第２光起電力層１３、および第３光起電力層１４）において、ｎ型の半導体層側（第２電極１１側）に電子が移動し、ｐ型の半導体層側（第１電極１６側）に電子の対として発生した正孔が移動し、電荷分離が生じる。これにより、光起電力層１５に起電力が発生する。
　光起電力層１５内で発生し、陰極側の電極である第２電極１１に移動した電子は、第２電極１１の裏面付近（第２触媒１８付近）における還元反応に使用される。一方、光起電力層１５内で発生し、陽極側の電極である第１電極１６に移動した正孔は、第１電極１６の表面付近（第１触媒１７付近）における酸化反応に使用される。より具体的には、電解液２３に接する第１電極１６の表面付近では（１）式、第２電極１１の裏面付近では（２）式の反応が生じる。
　　　　　　２Ｈ２Ｏ　→　４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ－　　・・・（１）
　　　　　　２ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ－　→　２ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ　　・・・（２）
　（１）式に示すように、第１電極１６の表面付近において、Ｈ２Ｏが酸化されて（電子を失い）酸素（Ｏ２）と水素イオン（Ｈ＋）が生成される。そして、第１電極１６側で生成されたＨ＋は、第２電極１１側に移動する。
　（２）式に示すように、第２電極１１の裏面付近において、ＣＯ２と移動したＨ＋とが反応し、一酸化炭素（ＣＯ）とＨ２Ｏが生成される。すなわち、ＣＯ２が還元される（電子を得る）。
　このとき、光起電力層１５は、第１電極１６で生じる酸化反応の標準酸化還元電位と第２電極１１で生じる還元反応の標準酸化還元電位との電位差以上の開放電圧を有する必要がある。例えば、（１）式における酸化反応の標準酸化還元電位は１．２３［Ｖ］であり、（２）式における還元反応の標準酸化還元電位は－０．１［Ｖ］である。このため、光起電力層１５の開放電圧は、１．３３［Ｖ］以上の必要がある。なお、より好ましくは、開放電圧は過電圧を含めた電位差以上の必要がある。より具体的には、例えば（１）式における酸化反応および（２）式における還元反応の過電圧がそれぞれ０．２［Ｖ］である場合、開放電圧は１．７３［Ｖ］以上であることが望ましい。
　なお、（２）式に示すＣＯ２からＣＯへの還元反応だけでなく、ＣＯ２からＨＣＯＯＨ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ等への還元反応も生じさせることが可能である。また、第２溶液８２に用いたＨ２Ｏの還元反応も生じさせることが可能であり、Ｈ２の発生も可能である。また、溶液中の水分（Ｈ２Ｏ）量を変えることによって、生成されるＣＯ２の還元物質を変えることができる。例えば、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ４、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、またはＨ２等の生成割合を変えることができる。
　このように、人工光合成システムでは、太陽光エネルギーによって光起電力層１５に起電力が生じ、この起電力によって酸化還元反応（電解反応）が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。
　図３は、第１の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図である。電解システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがない場合に用いられる。例えば、電解システムは、夜間に用いられ得る。
　図３に示すように、電解システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１をオンにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが外部電源３２を介して電気的に接続される。一方、スイッチング素子制御部４１は、第２スイッチング素子３３をオフにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが電力需要部３４を介して電気的に遮断される。
　また、電解液制御部６１は、第１電極１６および第２電極１１が電解液２３に浸漬されるように、電解槽２１内の電解液２３の量を制御する。これにより、電解槽２１内に配管２２を介して電解液２３が注入され、電解槽２１内は電解液２３で充填される。なお、電解槽２１内が電解液２３で充填されなくてもよく、少なくとも第１電極１６および第２電極１１の一部が電解液２３に浸漬されていればよい。
　この状態で外部電源３２に起電力が発生すると、外部電源３２の陽極側に接続された第１電極１６側に正孔が移動する。一方、外部電極３２の陰極側に接続された第２電極１１側に電子が移動する。陰極側の電極である第２電極１１に移動した電子は、第２電極１１の裏面付近における還元反応に使用される。一方、光起電力層１５内で発生し、陽極側の電極である第１電極１６に移動した正孔は、第１電極１６の表面付近における酸化反応に使用される。より具体的には、電解液２３に接する第１電極１６の表面付近では（１）式、第２電極１１の裏面付近では（２）式の反応が生じる。
　（１）式に示すように、第１電極１６の表面付近において、Ｈ２Ｏが酸化されて（電子を失い）Ｏ２と水素イオン（Ｈ＋）が生成される。そして、第１電極１６側で生成されたＨ＋は、第２電極１１側に移動する。
　（２）式に示すように、第２電極１１の裏面付近において、ＣＯ２と移動したＨ＋とが反応し、ＣＯとＨ２Ｏが生成される。すなわち、ＣＯ２が還元される（電子を得る）。
　このとき、光起電力層１５は、第１電極１６で生じる酸化反応の標準酸化還元電位と第２電極１１で生じる還元反応の標準酸化還元電位との電位差以上の開放電圧を有する必要がある。例えば、（１）式における酸化反応の標準酸化還元電位は１．２３［Ｖ］であり、（２）式における還元反応の標準酸化還元電位は－０．１［Ｖ］である。このため、光起電力層１５の開放電圧は、１．３３［Ｖ］以上の必要がある。なお、より好ましくは、開放電圧は過電圧を含めた電位差以上の必要がある。より具体的には、例えば（１）式における酸化反応および（２）式における還元反応の過電圧がそれぞれ０．２［Ｖ］である場合、開放電圧は１．７３［Ｖ］以上であることが望ましい。
　なお、（２）式に示すＣＯ２からＣＯへの還元反応だけでなく、ＣＯ２からＨＣＯＯＨ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ等への還元反応も生じさせることが可能である。また、電解液２３に用いたＨ２Ｏの還元反応も生じさせることが可能であり、Ｈ２の発生も可能である。また、溶液中の水分（Ｈ２Ｏ）量を変えることによって、生成されるＣＯ２の還元物質を変えることができる。例えば、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ４、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、またはＨ２等の生成割合を変えることができる。
　また、光起電力層１５を構成する半導体層が有するダイオード特性により、半導体層の構成の向きに応じて流れる電流が少なくてもよい。
　このように、電解システムでは、余剰電力の電気エネルギーによって外部電源３２に起電力が生じ、この起電力によって酸化還元反応（電解反応）が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、電気エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。
　図４は、第１の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図である。図５は、第１の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図である。太陽電池は、主に余剰電力がない場合に用いられる。
　図４に示すように、太陽電池として用いる場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１をオフにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが外部電源３２を介して電気的に遮断される。一方、スイッチング素子制御部４１は、第２スイッチング素子３３をオンにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが電力需要部３４を介して電気的に接続される。
　このとき、第１電極１６と第２電極１１との間において、電解液２３を介してイオンの移動は起こらないほうがよい。すなわち、電解液２３を介して電流が流れないほうがよい。これは、光起電力層１５による発電と同時に電力需要部３４に放電するためである。このため、電解液制御部６１は、第１電極１６および第２電極１１が電解液２３に浸漬されないように、電解槽２１内の電解液２３の量を制御する。これにより、電解槽２１内から配管２２を介して電解液２３が排出され、電解槽２１内は空気で充填される。
　なお、電解槽２１内が空気で充填されなくてもよく、少なくとも第１電極１６の一部または第２電極１１の一部が電解液２３に浸漬されていなければよい。このとき、図５に示すように、上述した人工光合成システムまたは電解システムによって生成された気体（例えばＯ２等）で電解槽２１内の一部を充填させてもよい。この場合、配管２２を介して、電解槽２１内から電解液２３を排出する必要はない。すなわち、配管２２に備えられるポンプ等を用いる必要がなく、エネルギーロスを少なくすることができる。また、この場合、第１電極１６を重力とは反対側に配置することが好ましい。また、イオン移動が行われない隔壁によって酸化電極（第１電極１６）と還元電極（第２電極１１）とを隔てても良い。
　また、配管２２を介して、配管２２に接続される電解液貯蓄タンクに排出された電解液２３を貯蓄してもよい。また、電解槽２１内はガスでなく、非導電性の液体で充填されてもよい。
　この状態で上方から光が照射されると、照射光は第１電極１６を通過し、光起電力層１５に到達する。光起電力層１５は、光を吸収すると、電子およびそれと対になる正孔を生成し、それらを分離する。すなわち、各光起電力層（第１光起電力層１２、第２光起電力層１３、および第３光起電力層１４）において、ｎ型の半導体層側（第２電極１１側）に電子が移動し、ｐ型の半導体層側（第１電極１６側）に電子の対として発生した正孔が移動し、電荷分離が生じる。これにより、光起電力層１５に起電力が発生する。この光起電力層１５によって発生した起電力によって、電力需要部３４に電力を供給することができる。
　このように、太陽電池では、太陽光エネルギーによって光起電力層１５に起電力が生じ、この起電力によって電気エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
　図６は、第１の実施形態に係る化学反応装置における動作を示すフローチャートである。
　図６に示すように、まず、ステップＳ１において、化学反応装置は、電力需要部３４の需要を越える余剰電力があるか否かを確認する。
　ステップＳ１において余剰電力がない場合、ステップＳ２において化学反応装置は太陽電池として機能する。より具体的には、余剰電力がない場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１をオフにし、第２スイッチング素子３２をオンにする。これにより、光起電力層１５と電力需要部３４とが電気的に接続され、光起電力層１５による起電力によって電力需要部３４に電力が供給される。
　ステップＳ１において余剰電力がある場合、ステップＳ３において化学反応装置は太陽光エネルギーがあるか否かを確認する。
　ステップＳ３において太陽光エネルギーがない場合、ステップＳ４において化学反応装置は電解システムとして機能する。より具体的には、太陽光エネルギーがない場合、スイッチング素子制御部４１は、第２スイッチング素子３３をオフにし、第１スイッチング素子３１をオンにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが外部電源３２を介して電気的に接続され、外部電源３２による起電力によって第１電極１６および第２電極１１において電解が行われて化学エネルギーが生成される。
　ステップＳ３において太陽光エネルギーがある場合、ステップＳ５において化学反応装置は人工光合成システムとして機能する。より具体的には、太陽光エネルギーがある場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１および第２スイッチング素子３３をオフにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが光起電力層１５のみを介して電気的に接続され、光起電力層１５による起電力によって第１電極１６および第２電極１１において電解が行われて化学エネルギーが生成される。
　このように、化学反応装置は、諸条件に応じて人口光合成システム、太陽電池、および電解システムとして適宜動作する。
　なお、化学反応装置の動作は、上記に限らない。例えば、製造する化学物質の需要が高い時は、余剰電力がなくても電解運転することができ、電力ではなく化学物質を製造してもよい。さらに、外部のバッテリーなどの充電具合または揚水発電の貯留水などの状況に応じて、適宜なバランスで種々の反応を行ってもよい。
　１－３．第１の実施形態の効果
　上記第１の実施形態によれば、化学反応装置は、第１電極１６、光起電力層１５、および第２電極１１を含む積層体１０と、積層体１０を収容する電解槽２１と、積層体１０に電気的に接続または遮断可能な外部電源３２および電力需要部３４と、で構成される。すなわち、積層体１０と外部電源３２との接続、および積層体１０と電力需要部３４との接続は切り替え可能である。また、外部電源３２および電力需要部３４のいずれにも積層体１０を電気的に接続しない（遮断する）ことも可能である。
　これにより、積層体１０と外部電源３２とを電気的に接続することで、化学反応装置を電解システムとして機能させることができる。また、積層体１０と電力需要部３４とを電気的に接続することで、化学反応装置を太陽電池として機能させることができる。さらに、積層体１０と、外部電源３２および電力需要部３４と、を電気的に遮断することで、化学反応装置を人工光合成システムとして機能させることができる。これらの接続は、余剰電力の有無および太陽光エネルギーの有無によって決定される。
　すなわち、第１の実施形態によれば、余剰電力の有無および太陽光エネルギーの有無等の諸条件に応じて、エネルギー変換効率が高くなるように、人工光合成システム、太陽電池、または電解システムとして適宜動作する一体型の化学反応装置を提供することができる。
　１－４．第１の実施形態の変形例
　図７は、第１の実施形態に係る化学反応装置の第１の変形例の構成を示す概略構成図である。
　図７に示すように、第１の実施形態に係る化学反応装置の第１の変形例では、第２電極１１が電解槽２１を第１電解槽２５と第２電解槽２６とに物理的に分離する。
　第１電解槽２５は、第１電極１６の表面（第１触媒１７）を浸漬するように、その内部に第１電解液２３ａを収容する。第１電解液２３ａは、例えばＨ２Ｏを含む溶液である。このような溶液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、Ｈ２Ｏの酸化反応を促進するものであることが望ましい。第１電解槽２５の上面は、光透過率の高い例えばガラスまたはアクリルからなる窓部が設けられる。照射光は、第１電解槽２５の上方から照射される。
　また、第１電解槽２５には、配管２２ａが接続される。配管２２ａは、第１電解槽２５内に第１電解液２３ａを注入する、または、第１電解槽２５内から第１電解液２３ａを排出する。なお、２つの配管２２ａがあってもよい。その場合、一方の配管２２ａを注入用とし、他方を排出用としてもよい。
　第２電解槽２６は、第２電極１１の裏面（第２触媒１８）を浸漬するように、その内部に第２電解液２３ｂを収容する。第２電解液２３ｂは、例えばＣＯ２を含む溶液である。第２電解液２３ｂは、ＣＯ２の吸収率が高いことが望ましく、Ｈ２Ｏを含む溶液として、ＮａＨＣＯ３、ＫＨＣＯ３の水溶液が挙げられる。また、第１電解液２３ａと第２電解液２３ｂとは同じ溶液でもよいが、第２電解液２３ｂはＣＯ２の吸収量が高いほうが好ましいため、第１電解液２３ａと第２電解液２３ｂとは別の溶液を用いてもよい。また、第２電解液２３ｂは、ＣＯ２の還元電位を低下させ、イオン伝導性が高く、ＣＯ２を吸収するＣＯ２吸収剤を有することが望ましい。このような電解液として、イミダゾリウムイオンまたはピリジニウムイオン等の陽イオンと、ＢＦ４－またはＰＦ６－等の陰イオンとの塩からなり、幅広い温度範囲で液体状態であるイオン液体もしくはその水溶液が挙げられる。または、電解液として、エタノールアミン、イミダゾール、またはピリジン等のアミン溶液もしくはその水溶液が挙げられる。アミンは、一級アミン、二級アミン、または三級アミンのいずれでもかまわない。一級アミンとしては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、またはヘキシルアミン等が挙げられる。アミンの炭化水素は、アルコールやハロゲン等が置換していてもかまわない。アミンの炭化水素が置換されたものとしては、例えば、メタノールアミン、エタノールアミン、またはクロロメチルアミン等が挙げられる。また、不飽和結合が存在していてもかまわない。これら炭化水素は、二級アミン、三級アミンも同様である。二級アミンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジメタノールアミン、ジエタノールアミン、またはジプロパノールアミン等が挙げられる。置換した炭化水素は、異なってもかまわない。これは、三級アミンでも同様である。例えば、炭化水素が異なるものとしては、メチルエチルアミン、またはメチルプロピルアミン等が挙げられる。三級アミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリメタノールアミン、トリエタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリブタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリエキサノールアミン、メチルジエチルアミン、またはメチルジプロピルアミン等が挙げられる。イオン液体の陽イオンとしては、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムイオン、１－メチル－３－プロピルイミダゾリウムイオン、１－ブチル－３－メチルイミダゾールイオン、１－メチル－３－ペンチルイミダゾリウムイオン、または１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。また、イミダゾリウムイオンの２位が置換されていてもよい。イミダゾリウムイオンの２位が置換されたものとしては、例えば、１－エチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２－ジメチル－３－プロピルイミダゾリウムイオン、1－ブチル２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２－ジメチル－３－ペンチルイミダゾリウムイオン、または１－ヘキシル－２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。ピリジニウムイオンとしては、メチルピリジニウム、エチルピリジニウム、プロピルピリジニウム、ブチルピリジニウム、ペンチルピリジニウム、またはヘキシルピリジニウム等が挙げられる。イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオンはともに、アルキル基が置換されてもよく、不飽和結合が存在してもよい。アニオンとしては、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、ＢＦ４－、ＰＦ６－、ＣＦ３ＣＯＯ－、ＣＦ３ＳＯ３－、ＮＯ３－、ＳＣＮ－、（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ－、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、またはビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミド等が挙げられる。また、イオン液体のカチオンとアニオンとを炭化水素で連結した双生イオンでもよい。
　また、第２電解槽２６には、配管２２ｂが接続される。配管２２ｂは、第２電解槽２６内に第２電解液２３ｂを注入する、または、第２電解槽２６内から第２電解液２３ｂを排出する。なお、２つの配管２２ｂがあってもよい。その場合、一方の配管２２ｂを注入用とし、他方を排出用としてもよい。
　電解液制御部６１は、第１電解槽２５内の第１電解液２３ａおよび第２電解槽２６内の第２電解液２３ｂを制御する。より具体的には、電解液制御部６１は、第１電解槽２５内の第１電解液２３ａおよび第２電解槽２６内の第２電解液２３ｂの量を測定し、配管２２ａによる第１電解液２３ａおよび配管２２ｂによる第２電解液２３ｂの注入および排出を制御する。これにより、電解液制御部６１は、人工光合成システムおよび電解システムとして用いる場合に、十分な電解反応が起こるように第１電解槽２５内を第１電解液２３ａで充填させ、第２電解槽２６内を第２電解液２３ｂで充填させる。また、電解液制御部６１は、太陽電池として用いる場合に、第１電解液２３ａまたは第２電解液２３ｂ中に電気が流れないように、第１電解槽２５内から第１電解液２３ａまたは第２電解槽２６内から第２電解液２３ｂを排出して第１電解槽２５内または第２電解槽２６内を空気で充填させる。
　第２電極１１は、電解槽２１を第１電解槽２５と第２電解槽２６とに物理的に分離する。第２電極１１の裏面は、第２電解槽２６側に配置され、第２電解槽２６に収容される。このとき、第２電極１１の表面は第１電解槽２５側に配置されるが、第２電極１１の表面に図示せぬ絶縁層を形成することで第２電極１１と第１電解液２３ａとを電気的に絶縁させてこれらの反応を抑制することができる。また、第１電解液２３ａを非導電性の液体または気体に置き換えることで反応を抑制させてもよい。また、第２電極１１と第１電解液２３ａとを絶縁していなくても、触媒の反応電位を調整することで反応を抑制することができる。すなわち、触媒の反応電位を第２電極１１と第１電解液２３ａとで反応の起こらない電位とすればよい。特に、後述する複数の酸化電極および還元電極などを設ける場合、触媒の反応電位をそれぞれ調整することで上記を実現することができる。
　また、第２電極１１は、その露出部分にイオン移動経路を有する。イオン移動経路は、例えばその表面から裏面まで貫通する複数の細孔である。細孔は、第１電解槽２５における第１電極１６の酸化反応により生成されたイオン（例えばＨイオン（Ｈ＋））のみを選択的に第２電解槽２６に通過させる。細孔を通過したイオンは、第２電解槽２６の第２電極１１で還元反応によりＯ２、Ｈ２、または有機化合物等に変換される。
　また、細孔は、イオンが通過する大きさであればよい。例えば、細孔の直径（円相当径）の下限は、０．３ｎｍ以上であることが好ましい。また、複数の細孔の総面積Ｓ１とイオン透過部材２１ａの面積Ｓ２との面積比Ｓ１／Ｓ２は、機械強度を損なわないように、０．９以下、好ましくは０．６以下である。また、細孔の形状は円形状に限らず、楕円形状、三角形状、または四角形状であってもよい。細孔の配置構成は四角格子状に限らず、三角格子状、ランダムであってもよい。また、細孔にイオン交換膜１９を充填してもよい。イオン交換膜としては、例えばナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。また、細孔にガラスフィルタや寒天を充填してもよい。
　なお、第２電極１１は、細孔の代わりに、その表面から裏面まで貫通し、かつイオン交換膜１９が充填された複数のスリットを有してもよい。スリットは、第１電解槽２５における第１電極１６の酸化反応により生成されたイオン（例えばＨイオン（Ｈ＋））のみを選択的に第２電解槽２６に通過させる。
　また、イオン移動経路にポンプを設けることで、イオンの移動を促進させてもよい。
　また、イオン移動流路に弁を設けることで、電解槽（第１電解槽２５および第２電解槽２６）毎に電解液が充填される状態と、電解液で充填されない（空気で充填される）状態とを構成することができる。
　第１の変形例では、電解槽２１を第１電解槽２５と第２電解槽２６とに分離することにより、各電解槽において反応しやすい異なる電解液（第１電解液２３ａおよび第２電解液２３ｂ）を充填することができる。また、電解槽２１を第１電解槽２５と第２電解槽２６とに分離することにより、第１電解槽２５側で酸化反応が行われ、第２電解槽２６側で還元反応が行われる。その結果、酸化反応による生成物（例えばＯ２）を第１電解槽２５で回収し、還元反応による生成物（例えばＣＯ）を第２電解槽２６で回収することができる。すなわち、酸化反応よる生成物と還元反応による生成物を分離して回収することができる。
　さらに、電解システムとして使用する際と人工光合成システムとして使用する際とで、第１電解槽２５および第２電解槽２６内の電解液を変えて異なる反応を起こすことができる。これにより、光強度や余剰電力量などによって異なる反応電流密度に対して、最適な反応を起こすことができる。
　図８は、第１の実施形態に係る化学反応装置の第２の変形例の構成を示す概略構成図である。
　図８に示すように、第１の実施形態に係る化学反応装置の第２の変形例では、第１電極１６と第２電極１１との間に、センサ部４２，４３が電気的に接続される。
　センサ部４２は、第１電極１６と第２電極１１との間に、スイッチング素子３１および外部電源３２を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部４２と第１電極１６または第２電極１１との間に、第１スイッチング素子３１が形成される。そして、第１スイッチング素子３１をオンにすることで、第１電極１６と第２電極１１とは外部電源３２およびセンサ部４２を介して電気的に接続される。一方、第１スイッチング素子３１をオフにすることで、第１電極１６と第２電極１１とは外部電源３２およびセンサ部４２を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に電解システムとして用いられる場合に、センサ部４２が機能する。
　センサ部４３は、第１電極１６と第２電極１１との間に、第３スイッチング素子３５を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部４３と第１電極１６または第２電極１１との間に、第３スイッチング素子３５が形成される。そして、第３スイッチング素子３５をオンにすることで、第１電極１６と第２電極１１とはセンサ部４３を介して電気的に接続される。一方、第３スイッチング素子３５をオフにすることで、第１電極１６と第２電極１１とはセンサ部４３を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に人工光合成システムとして用いられる場合に、センサ部４３が機能する。
　センサ部４２は、例えば電解システムの場合に外部電源３２の起電力を利用し、電解液２３と第１電極１６および第２電極１１との反応によって得られる電気信号を捉える。これにより、センサ部４２は、電解システムの場合において、電解液２３のｐＨ、電解液２３の濃度、電解液２３の組成、電解槽２１内の圧力、電解槽２１内の温度、および光の強度等を測定する。
　センサ部４３は、例えば人工光合成システムの場合に光起電力層１５の起電力を利用し、電解液２３と第１電極１６および第２電極１１との反応によって得られる電気信号を捉える。これにより、センサ部４３は、人工光合成システムの場合において、電解液２３のｐＨ、電解液２３の濃度、電解液２３の組成、電解槽２１内の圧力、電解槽２１内の温度、および光の強度等を測定する。センサ部４３は、光起電力層１５の起電力を利用するものであるため、電源レスで動作することができる。さらに、図７に示すように２種の電解液で反応させる場合、センサ部４３はその液間電位を用いてもよい。また、センサ部４３は、液間電位からｐＨ、および電解液の濃度などの情報を得ることができる。また、センサ部４３は、液間電位を電源として用いることができる。
　なお、人工光合成システムとして用いる場合に、光強度が弱くて光起電力層１５の起電力によってセンサ４３が機能しないことが考えらえる。この場合、一時的に外部電源３２によってセンサ部４２を機能させて、種々の要件を測定してもよい。一方、電解システムとして用いる場合も同様である。すなわち、電解システムとして用いる場合に、一時的に光起電力層１５の起電力によってセンサ部４３を機能させて、種々の要件を測定してもよい。
　特に、センサ部４２，４３は、反応によって光を発生するもの、光によって反応が起こるもの、および光によって反応が変化するようなものに適している。なお、光は可視光に限らず、光起電力層１５に作用する電磁波、または放射線であってもよい。センサ部４２，４３は、電気信号を捉えることにより、反応による光の吸収の変化または反応により発生する光および放射線等に応じた電解液２３の状況（ｐＨ、濃度、および組成）および反応の進行具合を検知することも可能である。
　第２の変形例では、センサ部４２，４３により、電解液２３のｐＨ、電解液２３の濃度、電解液２３の組成、電解槽２１内の圧力、電解槽２１内の温度、および光の強度等を測定する。これにより、電解反応を促進させるための電解液２３および電解槽２１の状況を適宜調整することができる。
　なお、その他の変形例として、以下の構成を適用してもよい。
　人工光合成システムにおける光起電力層１５による起電力によって、光エネルギーを物質の還元体として蓄えてもよい。言い換えると、光エネルギーによって、物質を還元し、その還元された物質を還元エネルギーとして蓄えてもよい。ここで、還元体とは、還元力を有するものを示す。言い換えると、還元体とは、自身が酸化されて電子を失い、その電子を他の物質に与えて他の物質を還元するものを示す。光エネルギーを還元エネルギーに変換する例としては、光エネルギーによる鉄の３価イオン（Ｆｅ３＋）から２価イオン（Ｆｅ２＋）への変換、光エネルギーによるヨウ素の１価イオン（Ｉ－）から３価イオン（Ｉ３－）への変換等が挙げられる。また、還元体としてＨ＋を蓄えてもよい。
　このように、人工光合成システムで得られた還元体を電解システムにおける外部電源３２による起電力によって、さらに還元してもよい。これにより、よりエネルギー密度の高い還元体に変換させることができる。
　また、人工光合成システムで得られた還元体を酸化させて元に戻す反応を行うことによって、還元エネルギーから電気エネルギーを得てもよい。すなわち、蓄電機能を有する人工光合成システムとなる。また、通常の電池のように、電解質にリチウムのような化合物を用いて、電極間との相互作用によって蓄電機能を備えることもできる。
　また、燃料電池として用いることも可能である。より具体的には、光エネルギーによって、水を分解して水素と酸素を生成する。この得られた酸素と水素によって少なくとも１つの電極を共有することで、水素と酸素とで水を生成する。これにより、電力を得ることができる。すなわち、人工光合成システムに燃料電池を一体化させることができる。なお、通常の燃料電池のように電解槽２１内に流路を設けることで、反応の効率を向上させることができる。また、固体高分子形燃料電池に用いられる固体高分子膜が、第１電極１６と第２電極１１の間に形成されてもよい。さらに、このときの発電に伴う熱、または太陽光によって暖められた電解質の熱を利用媒体としてもよい。熱の利用媒体としては、電解質に限らず、他の熱媒体を第２電極１１上または電解液２３中の図示せぬ銅配管上に設けることで用いてもよい。
　２．第２の実施形態
　以下に図９乃至図１５を用いて、第２の実施形態に係る化学反応装置について説明する。
　第２の実施形態に係る化学反応装置では、電解槽２１内に、第１電極１６、光起電力層１５、および第２電極１１を含む積層体１０だけでなく、第２電極１１に離間して対向する第３電極５１が配置される。そして、第２電極１１と第３電極５１との間に外部電源３２を電気的に接続し、第２電極１１、第３電極５１、および外部電源３２によって電解システムとして機能することができる。以下に、第２の実施形態について詳説する。
　なお、第２の実施形態において、上記第１の実施形態と同様の点については適宜説明を省略し、主に異なる点について説明する。
　２－１．第２の実施形態の構成
　図９は、第２の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図である。なお、図９において、積層体１０、第３電極５１、および電解槽２１は、その断面構成を示している。
　図９に示すように、第２の実施形態に係る化学反応装置において、第１の実施形態と異なる点は、第１電極１６および第２電極１１だけではなく、第３電極５１が設けられる点である。
　第３電極５１は、電解槽２１内に収容され、第２電極１１に対して光照射側とは反対側に離間し、かつ対向して配置される。第３電極５１は、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、またはＡｇ等の金属板、もしくはそれらを少なくとも１つ含む例えばＳＵＳのような合金板で構成される。また、第３電極５１は、導電性の樹脂等で構成されてもよい。また、第３電極５１は、ＳｉまたはＧｅ等の半導体基板で構成されてもよい。
　第３電極５１は、光照射側とは反対側に配置されるため、光透過性および形状等において特に制限はない。
　また、第３電極５１の表面上に、図示せぬ第３触媒が形成されてもよい。第３触媒は、第３電極５１の表面付近における化学反応性（酸化反応性）を高めるために設けられる。電解液２３として水溶液、すなわち、Ｈ２Ｏを含む溶液を用いた場合、第３電極５１はＨ２Ｏを酸化してＯ２とＨ＋を生成する。このため、第３触媒は、Ｈ２Ｏを酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、Ｈ２Ｏを酸化してＯ２とＨ＋を生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、Ｍｎ－Ｏ、Ｉｒ－Ｏ、Ｎｉ－Ｏ、Ｃｏ－Ｏ、Ｆｅ－Ｏ、Ｓｎ－Ｏ、Ｉｎ－Ｏ、またはＲｕ－Ｏ等の二元系金属酸化物、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｏ、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｏ、Ｌａ－Ｃｏ－Ｏ、Ｎｉ－Ｌａ－Ｏ、Ｓｒ－Ｆｅ－Ｏ等の三元系金属酸化物、Ｐｂ－Ｒｕ－Ｉｒ－Ｏ、Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｏ－Ｏ等の四元系金属酸化物、もしくは、Ｒｕ錯体またはＦｅ錯体等の金属錯体が挙げられる。また、第３触媒の形状としては、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、またはワイヤー状であってもよい。
　外部電源３２は、第２電極１１と第３電極５１との間に、第１スイッチング素子３１を介して電気的に接続される。言い換えると、外部電源３２と第２電極１１または第３電極５１との間に、第１スイッチング素子３１が形成される。そして、第１スイッチング素子３１をオンにすることで、第２電極１１と第３電極５１とは外部電源３２を介して電気的に接続される。一方、第１スイッチング素子３１をオフにすることで、第２電極１１と第３電極５１とは外部電源３２を介して電気的に遮断される。また、外部電源３２の陽極側に第３電極５１が接続され、陰極側に第２電極１１が接続される。詳細は後述するが、余剰電力がある場合において、外部電源３２は、第２電極１１および第３電極５１に電力を供給する。
　スイッチング素子制御部４１は、電力需要部３４の需要を越える余剰電力の有無および太陽光エネルギーの有無等の条件に応じて、第１スイッチング素子３１および第２スイッチング素子３３のオン／オフを制御する。
　より具体的には、スイッチング素子制御部４１は、余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがある場合、第１スイッチング素子３１および第２スイッチング素子３３をオフにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが光起電力層１５のみを介して電気的に接続される。その結果、光起電力層１５による起電力によって第１電極１６および第２電極１１において電解が行われて化学エネルギーが生成される。すなわち、化学反応装置は、人工光合成システムとして機能する。
　一方、スイッチング素子制御部４１は、余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがない場合、第２スイッチング素子３３をオフにし、第１スイッチング素子３１をオンにする。これにより、第２電極１１と第３電極５１とが外部電源３２を介して電気的に接続される。その結果、外部電源３２による起電力によって第２電極１１および第３電極５１において電解が行われて化学エネルギーが生成される。すなわち、化学反応装置は、電解システムとして機能する。
　また、スイッチング素子制御部４１は、余剰電力がない場合、第１スイッチング素子３１をオフにし、第２スイッチング素子３３をオンにする。これにより、光起電力層１５と電力需要部３４とが電気的に接続される。その結果、光起電力層１５による起電力によって電力需要部３４に電力が供給される。すなわち、化学反応装置は、太陽電池として機能する。
　なお、人工光合成システム、電解システム、および太陽電池のそれぞれが単独で動作することに限らない。人工光合成システム、電解システム、および太陽電池のそれぞれは、バランスを持って同時に動作（ハイブリッド動作）することが可能である。これらは、例えば、人工光合成反応をしながら電気を得ること、または外部電源および太陽光によって人工光合成システムと電解システムとをハイブリッド動作させることなど、任意の組み合わせで動作することができる。このとき、これらの電圧および電流を電気的に調整しながら動作させる装置が必要である。また、これらは、複数の酸化電極および複数の還元電極が存在する場合、さらなる組み合わせが可能である。また、同時に２つの反応をさせることも可能である。例えば、人工光合成システムでギ酸を生成し、同一電解質かつ別の電極間において外部電源からの供給によって人工光合成システムで生成されたギ酸をメタノールに変換することができ、このような生成反応の組み合わせも任意である。
　２－２．第２の実施形態の動作
　図１０は、第２の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図である。人工光合成システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがある場合に用いられる。
　図１０に示すように、人工光合成システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１および第２スイッチング素子３３をオフにする。これにより、第２電極１１と第３電極５１とが外部電源３２を介して電気的に遮断される。また、第１電極１６と第２電極１１とが電力需要部３４を介して電気的に遮断される。
　また、電解液制御部６１は、第１電極１６および第２電極１１が電解液２３に浸漬されるように、電解槽２１内の電解液２３の量を制御する。これにより、電解槽２１内に配管２２を介して電解液２３が注入され、電解槽２１内は電解液２３で充填される。なお、電解槽２１内が電解液２３で充填されなくてもよく、少なくとも第１電極１６および第２電極１１の一部が電解液２３に浸漬されていればよい。
　この状態で上方から光が照射されると、上記第１の実施形態と同様の反応が生じる。すなわち、電解液２３に接する第１電極１６の表面付近では（１）式、第２電極１１の裏面付近では（２）式の反応が生じる。
　（１）式に示すように、第１電極１６の表面付近において、Ｈ２Ｏが酸化されて（電子を失い）Ｏ２とＨ＋が生成される。そして、第１電極１６側で生成されたＨ＋は、第２電極１１側に移動する。
　（２）式に示すように、第２電極１１の裏面付近において、ＣＯ２と移動したＨ＋とが反応し、ＣＯとＨ２Ｏが生成される。すなわち、ＣＯ２が還元される（電子を得る）。
　このように、人工光合成システムでは、太陽光エネルギーによって光起電力層１５に起電力が生じ、この起電力によって第１電極１６の表面および第２電極１１の裏面において酸化還元反応（電解反応）が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。
　図１１は、第２の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図である。電解システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがない場合に用いられる。例えば、電解システムは、夜間に用いられ得る。
　図１１に示すように、電解システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１をオンにする。これにより、第２電極１１と第３電極５１とが外部電源３２を介して電気的に接続される。一方、スイッチング素子制御部４１は、第２スイッチング素子３３をオフにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが電力需要部３４を介して電気的に遮断される。
　また、電解液制御部６１は、第２電極１１および第３電極５１が電解液２３に浸漬されるように、電解槽２１内の電解液２３の量を制御する。これにより、電解槽２１内に配管２２を介して電解液２３が注入され、電解槽２１内は電解液２３で充填される。なお、電解槽２１内が電解液２３で充填されなくてもよく、少なくとも第２電極１１および第３電極５１の一部が電解液２３に浸漬されていればよい。
　この状態で外部電源３２に起電力が発生すると、外部電源３２の陽極側に接続された第３電極５１側に正孔が移動する。一方、外部電極３２の陰極側に接続された第２電極１１側に電子が移動する。陰極側の電極である第２電極１１に移動した電子は、第２電極１１の裏面付近における還元反応に使用される。一方、光起電力層１５内で発生し、陽極側の電極である第３電極５１に移動した正孔は、第３電極５１の表面付近における酸化反応に使用される。より具体的には、電解液２３に接する第３電極５１の表面付近では（１）式、第２電極１１の裏面付近では（２）式の反応が生じる。
　（１）式に示すように、第３電極５１の表面付近において、Ｈ２Ｏが酸化されて（電子を失い）Ｏ２）とＨ＋が生成される。そして、第３電極５１側で生成されたＨ＋は、第２電極１１側に移動する。
　このとき、第３電極５１と第２電極１１とは、主に互いに対向して形成されるため、その距離は比較的小さい。このため、第３電極５１から第２電極１１へとＨ＋が移動する距離は小さい。したがって、効率的にＨ＋を第３電極５１から第２電極１１へと拡散させることができる。
　（２）式に示すように、第２電極１１の裏面付近において、ＣＯ２と移動したＨ＋とが反応し、ＣＯとＨ２Ｏが生成される。すなわち、ＣＯ２が還元される（電子を得る）。
　このとき、光起電力層１５は、第３電極５１で生じる酸化反応の標準酸化還元電位と第２電極１１で生じる還元反応の標準酸化還元電位との電位差以上の開放電圧を有する必要がある。例えば、（１）式における酸化反応の標準酸化還元電位は１．２３［Ｖ］であり、（２）式における還元反応の標準酸化還元電位は－０．１［Ｖ］である。このため、光起電力層１５の開放電圧は、１．３３［Ｖ］以上の必要がある。なお、より好ましくは、開放電圧は過電圧を含めた電位差以上の必要がある。より具体的には、例えば（１）式における酸化反応および（２）式における還元反応の過電圧がそれぞれ０．２［Ｖ］である場合、開放電圧は１．７３［Ｖ］以上であることが望ましい。
　このように、電解システムでは、余剰電力の電気エネルギーによって外部電源３２に起電力が生じ、この起電力によって酸化還元反応（電解反応）が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、電気エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。
　図１２は、第２の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図である。図１３は、第２の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図である。太陽電池は、主に余剰電力がない場合に用いられる。
　図１２に示すように、太陽電池として用いる場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１をオフにする。これにより、第２電極１１と第３電極５１とが外部電源３２を介して電気的に遮断される。一方、スイッチング素子制御部４１は、第２スイッチング素子３３をオンにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが電力需要部３４を介して電気的に接続される。
　このとき、第１電極１６と第２電極１１との間において、電解液２３を介してイオンの移動は起こらないほうがよい。すなわち、電解液２３を介して電流が流れないほうがよい。これは、光起電力層１５による発電と同時に電力需要部３４に放電するためである。このため、電解液制御部６１は、第１電極１６および第２電極１１が電解液２３に浸漬されないように、電解槽２１内の電解液２３の量を制御する。これにより、電解槽２１内から配管２２を介して電解液２３が排出され、電解槽２１内は空気で充填される。
　なお、電解槽２１内が空気で充填されなくてもよく、少なくとも第１電極１６および第２電極１１の一部が電解液２３に浸漬されていなければよい。このとき、図１３に示すように、上述した人工光合成システムまたは電解システムによって生成された気体（例えばＯ２等）で電解槽２１内の一部を充填させてもよい。この場合、配管２２を介して、電解槽２１内から電解液２３を排出する必要はない。すなわち、配管２２に備えられるポンプ等を用いる必要がなく、エネルギーロスを少なくすることができる。また、この場合、第１電極１６を重力とは反対側に配置することが必要である。また、第１電極１６と第２電極１１との間において、電解液２３を介してイオンの移動が起こらないように隔壁で隔てても良い。一方、第１電極１６と第２電極１１との間にイオン移動が可能な配管を設けて電極自体を隔て、配管中にバルブ状のものを設けてもよい。
　この状態で上方から光が照射されると、照射光は第１電極１６を通過し、光起電力層１５に到達する。光起電力層１５は、光を吸収すると、電子およびそれと対になる正孔を生成し、それらを分離する。すなわち、各光起電力層（第１光起電力層１２、第２光起電力層１３、および第３光起電力層１４）において、ｎ型の半導体層側（第２電極１１側）に電子が移動し、ｐ型の半導体層側（第１電極１６側）に電子の対として発生した正孔が移動し、電荷分離が生じる。これにより、光起電力層１５に起電力が発生する。この光起電力層１５によって発生した起電力によって、電力需要部３４に電力を供給することができる。
　このように、太陽電池では、太陽光エネルギーによって光起電力層１５に起電力が生じ、この起電力によって電気エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
　２－３．第２の実施形態の効果
　上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
　さらに、第２の実施形態によれば、電解槽２１内に、第１電極１６、光起電力層１５、および第２電極１１を含む積層体１０だけでなく、第２電極１１に離間して対向する第３電極５１が収容される。そして、第２電極１１と第３電極５１との間に外部電源３２を電気的に接続することで、電解システムとして機能することができる。
　このとき、第３電極５１と第２電極１１とは、互いに対向して形成されるため、その距離は比較的小さい。このため、第３電極５１で生成されたＨ＋が第２電極１１へと移動する距離は小さい。したがって、第２電極１１の反応に用いられるＨ＋を効率的に第３電極５１から第２電極１１へと拡散させることができる。
　また、第３電極５１は、光起電力層１５に対して光照射側とは反対側に配置される。このため、第３電極５１の材料として透過性を考慮する必要はなく、また、その形状も特に限定されない。すなわち、第３電極５１の材料および形状は、反応効率のみを考慮して設定することができる。
　また、人工光合成システムとして機能する場合と電解システムとして機能する場合とで異なる反応電流密度などに応じて、第２触媒１８および第１触媒１７とは異なる第３電極５１表面の図示せぬ第３触媒を用いることができる。
　なお、第３電極５１は、第２電極１１に離間して対向することに限らない。第３電極５１は、構造上の問題などに応じて、第２電極１１に対して垂直に配置されてもよい。
　また、外部電源３２の余剰電力に応じて、外部電源３２を第２電極１１と第３電極５１との間に接続するだけではなく、第２電極１１と第１電極１６との間にも接続してもよい。すなわち、外部電源３２と種々のスイッチング素子との接続の組み合わせは本例に限らない。
　２－４．第２の実施形態の変形例
　図１４は、第２の実施形態に係る化学反応装置の第１の変形例の構成を示す概略構成図である。
　図１４に示すように、第２の実施形態に係る化学反応装置の第１の変形例では、電解槽２１は、第２電極１１によって第１電解槽２５と第２電解槽２６とに物理的に分離され、イオン交換膜１９ａによって第２電解槽２６と第３電解槽２７とに物理的に分離される。
　第１電解槽２５は、第１電極１６の表面（第１触媒１７）を浸漬するように、その内部に第１電解液２３ａを収容する。第１電解液２３ａは、例えばＨ２Ｏを含む溶液である。このような溶液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、Ｈ２Ｏの酸化反応を促進するものであることが望ましい。第１電解槽２５の上面は、光透過率の高い例えばガラスまたはアクリルからなる窓部が設けられる。照射光は、第１電解槽２５の上方から照射される。
　また、第１電解槽２５には、配管２２ａが接続される。配管２２ａは、第１電解槽２５内に第１電解液２３ａを注入する、または、第１電解槽２５内から第１電解液２３ａを排出する。
　第２電解槽２６は、第２電極１１の裏面（第２触媒１８）を浸漬するように、その内部に第２電解液２３ｂを収容する。第２電解液２３ｂは、例えばＣＯ２を含む溶液である。第２電解液２３ｂは、ＣＯ２の吸収率が高いことが望ましく、Ｈ２Ｏを含む溶液として、ＮａＨＣＯ３、ＫＨＣＯ３の水溶液が挙げられる。また、第１電解液２３ａと第２電解液２３ｂとは同じ溶液でもよいが、第２電解液２３ｂはＣＯ２の吸収量が高いほうが好ましいため、第１電解液２３ａと第２電解液２３ｂとは別の溶液を用いてもよい。また、第２電解液２３ｂは、ＣＯ２の還元電位を低下させ、イオン伝導性が高く、ＣＯ２を吸収するＣＯ２吸収剤を有することが望ましい。このような電解液として、イミダゾリウムイオンまたはピリジニウムイオン等の陽イオンと、ＢＦ４－またはＰＦ６－等の陰イオンとの塩からなり、幅広い温度範囲で液体状態であるイオン液体もしくはその水溶液が挙げられる。または、電解液として、エタノールアミン、イミダゾール、またはピリジン等のアミン溶液もしくはその水溶液が挙げられる。アミンは、一級アミン、二級アミン、または三級アミンのいずれでもかまわない。一級アミンとしては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、またはヘキシルアミン等が挙げられる。アミンの炭化水素は、アルコールやハロゲン等が置換していてもかまわない。アミンの炭化水素が置換されたものとしては、例えば、メタノールアミン、エタノールアミン、またはクロロメチルアミン等が挙げられる。また、不飽和結合が存在していてもかまわない。これら炭化水素は、二級アミン、三級アミンも同様である。二級アミンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジメタノールアミン、ジエタノールアミン、またはジプロパノールアミン等が挙げられる。置換した炭化水素は、異なってもかまわない。これは、三級アミンでも同様である。例えば、炭化水素が異なるものとしては、メチルエチルアミン、またはメチルプロピルアミン等が挙げられる。三級アミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリメタノールアミン、トリエタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリブタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリエキサノールアミン、メチルジエチルアミン、またはメチルジプロピルアミン等が挙げられる。イオン液体の陽イオンとしては、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムイオン、１－メチル－３－プロピルイミダゾリウムイオン、１－ブチル－３－メチルイミダゾールイオン、１－メチル－３－ペンチルイミダゾリウムイオン、または１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。また、イミダゾリウムイオンの２位が置換されていてもよい。イミダゾリウムイオンの２位が置換されたものとしては、例えば、１－エチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２－ジメチル－３－プロピルイミダゾリウムイオン、1－ブチル２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２－ジメチル－３－ペンチルイミダゾリウムイオン、または１－ヘキシル－２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。ピリジニウムイオンとしては、メチルピリジニウム、エチルピリジニウム、プロピルピリジニウム、ブチルピリジニウム、ペンチルピリジニウム、またはヘキシルピリジニウム等が挙げられる。イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオンはともに、アルキル基が置換されてもよく、不飽和結合が存在してもよい。アニオンとしては、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、ＢＦ４－、ＰＦ６－、ＣＦ３ＣＯＯ－、ＣＦ３ＳＯ３－、ＮＯ３－、ＳＣＮ－、（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ－、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、またはビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミド等が挙げられる。また、イオン液体のカチオンとアニオンとを炭化水素で連結した双生イオンでもよい。
　また、第２電解槽２６には、配管２２ｂが接続される。配管２２ｂは、第２電解槽２６内に第２電解液２３ｂを注入する、または、第２電解槽２６内から第２電解液２３ｂを排出する。
　第３電解槽２７は、第３電極５１を浸漬するように、その内部に第３電解液２３ｃを収容する。第３電解液２３ｃは、第１電解液２３ａと同じ液体であり、例えばＨ２Ｏを含む溶液である。このような溶液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、Ｈ２Ｏの酸化反応を促進するものであることが望ましい。
　また、第３電解槽２７には、配管２２ｃが接続される。配管２２ｃは、第３電解槽２７内に第３電解液２３ｃを注入する、または、第３電解槽２７内から第３電解液２３ｃを排出する。
　電解液制御部６１は、第１電解槽２５内の第１電解液２３ａ、第２電解槽２６内の第２電解液２３ｂ、および第３電解槽２７内の第３電解液２３ｃを制御する。より具体的には、電解液制御部６１は、第１電解槽２５内の第１電解液２３ａ、第２電解槽２６内の第２電解液２３ｂ、および第３電解槽２７内の第３電解液２３ｃの量を測定し、配管２２ａによる第１電解液２３ａ、配管２２ｂによる第２電解液２３ｂ、および配管２２ｃによる第３電解液２３ｃの注入および排出を制御する。
　これにより、電解液制御部６１は、人工光合成システムとして用いる場合に、十分な電解反応が起こるように第１電解槽２５内を第１電解液２３ａで充填させ、第２電解槽２６内を第２電解液２３ｂで充填させる。また、電解液制御部６１は、電解システムとして用いる場合に、十分な電解反応が起こるように第２電解槽２６内を第２電解液２３ｂで充填させ、第３電解槽２７内を第３電解液２３ｃで充填させる。また、電解液制御部６１は、太陽電池として用いる場合に、第１電解液２３ａまたは第２電解液２３ｂ中に電気が流れないように、第１電解槽２５内または第２電解槽２６内から第１電解液２３ａまたは第２電解液２３ｂを排出して第１電解槽２５内または第２電解槽２６内を空気で充填させる。
　第２電極１１は、電解槽２１を第１電解槽２５と第２電解槽２６とに物理的に分離する。第２電極１１の裏面は、第２電解槽２６側に配置され、第２電解槽２６に収容される。このとき、第２電極１１の表面は第１電解槽２５側に配置されるが、第２電極１１の表面に図示せぬ絶縁層を形成することで第２電極１１と第１電解液２３ａとを電気的に絶縁させてこれらの反応を抑制することができる。また、第１電解液２３ａを非導電性の液体または気体に置き換えることで反応を抑制させてもよい。また、第２電極１１と第１電解液２３ａとを絶縁していなくても、触媒の反応電位を調整することで反応を抑制することができる。すなわち、触媒の反応電位を第２電極１１と第１電解液２３ａとで反応の起こらない電位とすればよい。特に、後述する複数の酸化電極および還元電極などを設ける場合、触媒の反応電位をそれぞれ調整することで上記を実現することができる。
　また、第２電極１１は、その露出部分にイオン移動経路を有する。イオン移動経路は、例えばその表面から裏面まで貫通する複数の細孔である。細孔は、第１電解槽２５における第１電極１６の酸化反応により生成されたイオン（例えばＨイオン（Ｈ＋））のみを選択的に第２電解槽２６に通過させる。細孔を通過したイオンは、第２電解槽２６の第２電極１１で還元反応によりＯ２、Ｈ２、または有機化合物等に変換される。
　また、細孔は、イオンが通過する大きさであればよい。例えば、細孔の直径（円相当径）の下限は、０．３ｎｍ以上であることが好ましい。また、複数の細孔の総面積Ｓ１とイオン透過部材２１ａの面積Ｓ２との面積比Ｓ１／Ｓ２は、機械強度を損なわないように、０．９以下、好ましくは０．６以下である。また、細孔の形状は円形状に限らず、楕円形状、三角形状、または四角形状であってもよい。細孔の配置構成は四角格子状に限らず、三角格子状、ランダムであってもよい。また、細孔にイオン交換膜１９を充填してもよい。イオン交換膜としては、例えばナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。また、細孔にガラスフィルタや寒天を充填してもよい。
　なお、第２電極１１は、細孔の代わりに、その表面から裏面まで貫通し、かつイオン交換膜１９が充填された複数のスリットを有してもよい。スリットは、第１電解槽２５における第１電極１６の酸化反応により生成されたイオン（例えばＨイオン（Ｈ＋））のみを選択的に第２電解槽２６に通過させる。
　また、イオン移動経路にポンプを設けることで、イオンの移動を促進させてもよい。
　イオン交換膜１９ａは、電解槽２１を第２電解槽２６と第３電解槽２７とに物理的に分離する。イオン交換膜１９ａの表面は第２電解槽２６側に配置され、イオン交換膜１９ａの裏面は第３電解槽２７側に配置される。イオン交換膜１９ａは、第３電解槽２７における第３電極５１の酸化反応により生成されたイオン（例えばＨイオン（Ｈ＋））のみを選択的に第２電解槽２６に通過させる。イオン交換膜１９ａを通過したイオンは、第２電解槽２６の第２電極１１で還元反応によりＯ２、Ｈ２、または有機化合物等に変換される。イオン交換膜１９ａとしては、例えばナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。
　第１の変形例では、電解槽２１を第１電解槽２５と第２電解槽２６と第３電解槽２７に分離することにより、各電解槽において反応しやすい異なる電解液（第１電解液２３ａ、第２電解液２３ｂ、および第３電解槽２３ｃ）を充填することができる。また、電解槽２１を第１電解槽２５と第２電解槽２６と第３電解槽２７とに分離することにより、第１電解槽２５および第３電解槽２７で酸化反応が行われ、第２電解槽２６で還元反応が行われる。その結果、酸化反応による生成物（例えばＯ２）を第１電解槽２５および第３電解槽２７で回収し、還元反応による生成物（例えばＣＯ）を第２電解槽２６で回収することができる。すなわち、酸化反応よる生成物と還元反応による生成物を分離して回収することができる。
　また、例えば反応電流密度、電極、または反応によって電解液を変化させてもよい。例えば、第１電解液２３ａおよび第３電解液２３ｃはＨ２Ｏの酸化反応を行うが、第３電解液２３ｃは外部電源３２による反応である。このため、第３電解液２３ｃにおける反応電流密度は、任意に変化させることができる。したがって、その反応電流密度に応じて、最適な電解液を選択することが可能である。例えば、第１電解液２３ａは半導体層（光起電力層１５）を浸漬するため、半導体層を侵食しないものがよい。一方、第３電解液２３ｃではその制限はないため、第３電解液２３ｃとして異なる電解液を用いてもよい。
　図１５は、第２の実施形態に係る化学反応装置の第２の変形例の構成を示す概略構成図である。
　図１５に示すように、第２の実施形態に係る化学反応装置の第２の変形例では、第１電極１６と第２電極１１との間にセンサ部４２が電気的に接続され、第２電極１１と第３電極５１との間にセンサ部４３が電気的に接続される。
　センサ部４２は、第２電極１１と第３電極５１との間に、スイッチング素子３１および外部電源３２を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部４２と第２電極１１または第３電極５１との間に、第１スイッチング素子３１が形成される。そして、第１スイッチング素子３１をオンにすることで、第２電極１１と第３電極５１とは外部電源３２およびセンサ部４２を介して電気的に接続される。一方、第１スイッチング素子３１をオフにすることで、第２電極１１と第３電極５１とは外部電源３２およびセンサ部４２を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に電解システムとして用いられる場合に、センサ部４２が機能する。
　センサ部４３は、第１電極１６と第２電極１１との間に、第３スイッチング素子３５を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部４３と第１電極１６または第２電極１１との間に、第３スイッチング素子３５が形成される。そして、第３スイッチング素子３５をオンにすることで、第１電極１６と第２電極１１とはセンサ部４３を介して電気的に接続される。一方、第３スイッチング素子３５をオフにすることで、第１電極１６と第２電極１１とはセンサ部４３を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に人工光合成システムとして用いられる場合に、センサ部４３が機能する。
　センサ部４２は、例えば電解システムの場合に外部電源３２の起電力を利用し、電解液２３と第２電極１１および第３電極５１との反応によって得られる電気信号を捕らえる。これにより、センサ部４２は、電解システムの場合において、電解液２３のｐＨ、電解液２３の濃度、電解液２３の組成、電解槽２１内の圧力、電解槽２１内の温度、および光の強度等を測定する。
　センサ部４３は、例えば人工光合成システムの場合に光起電力層１５の起電力を利用し、電解液２３と第１電極１６および第２電極１１との反応によって得られる電気信号を捕らえる。これにより、センサ部４３は、人工光合成システムの場合において、電解液２３のｐＨ、電解液２３の濃度、電解液２３の組成、電解槽２１内の圧力、電解槽２１内の温度、および光の強度等を測定する。センサ部４３は、光起電力層１５の起電力を利用するものであるため、電源レスで動作することができる。
　なお、人工光合成システムとして用いる場合に、光強度が弱くて光起電力層１５の起電力によってセンサ４３が機能しないことが考えらえる。この場合、一時的に外部電源３２によってセンサ部４２を機能させて、種々の要件を測定してもよい。一方、電解システムとして用いる場合も同様である。すなわち、電解システムとして用いる場合に、一時的に光起電力層１５の起電力によってセンサ部４３を機能させて、種々の要件を測定してもよい。
　第２の変形例では、センサ部４２，４３により、電解液２３のｐＨ、電解液２３の濃度、電解液２３の組成、電解槽２１内の圧力、電解槽２１内の温度、および光の強度等を測定する。これにより、電解反応を促進させるための電解液２３および電解槽２１の状況を適宜調整することができる。
　３．第３の実施形態
　以下に図１６乃至図２１を用いて、第３の実施形態に係る化学反応装置について説明する。
　第３の実施形態は、上記第２の実施形態の変形例である。第３の実施形態に係る化学反応装置では、積層体１０（第２触媒１８）の裏面上に、イオン交換膜１９ｂを介して第３触媒５２および第３電極５１が形成される。そして、第２電極１１の内部に第２電解槽流路２６ａが形成され、第３電極５１の内部に第３電解槽流路２７ａが形成される。これにより、第２電解槽流路２６ａにおいて還元反応を行い、第３電解槽流路２７ａにおいて酸化反応を行うことができる。以下に、第３の実施形態について詳説する。
　なお、第３の実施形態において、上記各実施形態と同様の点については適宜説明を省略し、主に異なる点について説明する。
　３－１．第３の実施形態の構成
　図１６は、第３の実施形態に係る化学反応装置の構成例を示す概略構成図である。なお、図１６において、積層体１０、第３電極５１、第３触媒５２、イオン交換膜１９ｂ、および容器９０は、その断面構成を示している。
　図１６に示すように、第３の実施形態に係る化学反応装置において、第１の実施形態と異なる点は、積層体１０の裏面上（第２触媒１８の裏面上）に、イオン交換膜１９ｂ、第３触媒５２、および第３電極５１が形成され、第２電極１１内に第２電解槽流路２６ａが形成され、第３電極５１内に第３電解槽流路２７ａが形成される点である。
　第２電極１１は、容器９０を第１電解槽２５と槽２８とに物理的に分離する。
　第１電解槽２５は、容器９０の第２電極１１の表面側であり、第１電極１６の表面（第１触媒１７）を浸漬するように、その内部に第１電解液２３ａを収容する。第１電解液２３ａは、例えばＨ２Ｏを含む溶液である。このような溶液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、Ｈ２Ｏの酸化反応を促進するものであることが望ましい。第１電解槽２５の上面は、光透過率の高い例えばガラスまたはアクリルからなる窓部が設けられる。照射光は、第１電解槽２５の上方から照射される。
　また、第１電解槽２５には、配管２２ａが接続される。配管２２ａは、第１電解槽２５内に第１電解液２３ａを注入する、または、第１電解槽２５内から第１電解液２３ａを排出する。
　槽２８は、第２電極１１の裏面側であり、第２触媒１８、イオン交換膜１９ｂ、第３触媒５２、および第３電極５１を収容する。槽２８は、その内部に電解液を収容せず、例えば空気で充填される。
　第２電極１１は、容器９０を第１電解槽２５と槽２８とに物理的に分離する。第２電極１１の裏面は、槽２８側に配置され、槽２８に収容される。このとき、第２電極１１の表面は第１電解槽２５側に配置されるが、第２電極１１の表面に図示せぬ絶縁層を形成することで第２電極１１と第１電解液２２ａとを電気的に絶縁させてこれらの反応を抑制することができる。
　また、第２電極１１は、その露出部分にイオン移動経路を有する。イオン移動経路は、例えばその表面から裏面まで貫通する複数の細孔である。細孔は、第１電解槽２５における第１電極１６の酸化反応により生成されたイオン（例えばＨ＋）のみを選択的に第２電解槽流路２６ａに通過させる。細孔を通過したイオンは、第２電解槽流路２６ａの第２電極１１で還元反応によりＯ２、Ｈ２、または有機化合物等に変換される。
　また、細孔は、イオンが通過する大きさであればよい。例えば、細孔の直径（円相当径）の下限は、０．３ｎｍ以上であることが好ましい。また、複数の細孔の総面積Ｓ１とイオン透過部材２１ａの面積Ｓ２との面積比Ｓ１／Ｓ２は、機械強度を損なわないように、０．９以下、好ましくは０．６以下である。また、細孔の形状は円形状に限らず、楕円形状、三角形状、または四角形状であってもよい。細孔の配置構成は四角格子状に限らず、三角格子状、ランダムであってもよい。また、細孔にイオン交換膜１９を充填してもよい。イオン交換膜としては、例えばナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。また、細孔にガラスフィルタや寒天を充填してもよい。
　なお、第２電極１１は、細孔の代わりに、その表面から裏面まで貫通し、かつイオン交換膜１９が充填された複数のスリットを有してもよい。スリットは、第１電解槽２５における第１電極１６の酸化反応により生成されたイオン（例えばＨ＋）のみを選択的に第２電解槽流路２６ａに通過させる。また、細孔の代わりに、容器９０の外部に配管を接続し、配管の一部にイオン交換膜が充填されてもよい。また、配管中にバルブ等を設けることで、太陽電池として利用する際にバルブによってイオン移動を停止させる動作を行っても良い。
　第２電極１１の裏面上に、第２触媒１８が形成される。第２触媒１８は、イオン移動経路に接するように形成される。第２触媒１８は、多孔質であり、電解液の原料、水（Ｈ２Ｏ）、ＣＯ２、およびイオン（例えばＨ＋）を通過させる。また、第２電極１１と第２電解槽流路２６ａとの間に図示せぬガス拡散層が形成されてもよい。ガス拡散層は、多孔質であり、撥水性を有する。これにより、物質拡散速度を高めることができ、水（Ｈ２Ｏ）およびＣＯ２を蒸気（気体）として第２触媒１８に供給することができる。これにより、第２触媒１８における反応効率を上昇させることができる。
　イオン交換膜１９ｂは、第２触媒１８の裏面上に形成される。イオン交換膜１９ｂは、第３電解槽流路２７ａにおける第３電極５１の酸化反応により生成されたイオン（例えばＨ＋）のみを選択的に第２触媒１８を介して第２電解槽流路２６ａに通過させる。イオン交換膜１９ａを通過したイオンは、第２電解槽２６の第２電極１１で還元反応によりＯ２、Ｈ２、または有機化合物等に変換される。イオン交換膜１９ｂとしては、例えばナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。
　第３触媒５２は、イオン交換膜１９ｂの裏面上に形成される。第３触媒５２は、多孔質であり、電解液の原料、水（Ｈ２Ｏ）、ＣＯ２、およびイオン（例えばＨ＋）を通過させる。また、第３電極５１と第３電解槽流路２７ａとの間に図示せぬガス拡散層が形成されてもよい。ガス拡散層は、多孔質であり、撥水性を有する。これにより、物質拡散速度を高めることができ、水（Ｈ２Ｏ）およびＣＯ２を蒸気（気体）として第３触媒５２に供給することができる。これにより、第３触媒５２における反応効率を上昇させることができる。
　第３触媒５２は、第３電極５１の表面付近における化学反応性（酸化反応性）を高めるために設けられる。第３電解液２３ｃとして水溶液、すなわち、Ｈ２Ｏを含む溶液を用いた場合、第３電極５１はＨ２Ｏを酸化してＯ２とＨ＋を生成する。このため、第３触媒５２は、Ｈ２Ｏを酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、Ｈ２Ｏを酸化してＯ２とＨ＋を生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、Ｍｎ－Ｏ、Ｉｒ－Ｏ、Ｎｉ－Ｏ、Ｃｏ－Ｏ、Ｆｅ－Ｏ、Ｓｎ－Ｏ、Ｉｎ－Ｏ、またはＲｕ－Ｏ等の二元系金属酸化物、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｏ、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｏ、Ｌａ－Ｃｏ－Ｏ、Ｎｉ－Ｌａ－Ｏ、Ｓｒ－Ｆｅ－Ｏ等の三元系金属酸化物、Ｐｂ－Ｒｕ－Ｉｒ－Ｏ、Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｏ－Ｏ等の四元系金属酸化物、もしくは、Ｒｕ錯体またはＦｅ錯体等の金属錯体が挙げられる。また、第３触媒の形状としては、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、またはワイヤー状であってもよい。また、図示せぬガス拡散層に第３触媒を設け、ガス拡散層が導電性を有することでガス拡散層において化学反応を起こしても良い。
　第３電極５１は、第３触媒５２の裏面上に形成される。第３電極５１は、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、またはＡｇ等の金属板、もしくはそれらを少なくとも１つ含む例えばＳＵＳのような合金板で構成される。また、第３電極５１は、導電性の樹脂等で構成されてもよい。また、第３電極５１は、ＳｉまたはＧｅ等の半導体基板で構成されてもよい。また、第３電極５１は、カーボンまたは多孔体カーボンで構成されてもよい。
　第２電解槽流路２６ａは、第２電極１１内に形成される。より具体的には、第２電解槽流路２６ａは、第２電極１１の裏面に形成された溝部として形成される。言い換えると、第２電解槽流路２６ａは、第２電極１１と第２触媒１８との界面における空洞部分に形成される。このため、第２電解槽流路２６ａは、第２電極１１および第２触媒１８に接して形成される。すなわち、第２電解槽流路２６ａ内に第２電解液２３ｂが充填されることで、第２電解液２３ｂは第２電極１１および第２触媒１８に接する。
　第３電解槽流路２７ａは、第３電極５１内に形成される。より具体的には、第３電解槽流路２７ａは、第３電極５１の表面に形成された溝部として形成される。言い換えると、第３電解槽流路２７ａは、第３電極５１と第３触媒５２との界面における空洞部分に形成される。このため、第３電解槽流路２７ａは、第３電極５１および第３触媒５２に接して形成される。すなわち、第３電解槽流路２７ａ内に第３電解液２３ｃが充填されることで、第３電解液２３ｃは第３電極５１および第３触媒５２に接する。
　電解液制御部６１は、第１電解槽２５内の第１電解液２３ａ、第２電解槽流路２６ａ内の第２電解液２３ｂ、および第３電解槽流路２７ａ内の第３電解液２３ｃを制御する。より具体的には、電解液制御部６１は、第１電解槽２５内の第１電解液２３ａ、第２電解槽流路２６ａ内の第２電解液２３ｂ、および第３電解槽流路２７ａ内の第３電解液２３ｃの量を測定し、配管２２ａによる第１電解液２３ａ、第２電解槽流路２６ａに接続される図示せぬ配管による第２電解液２３ｂ、および第３電解槽流路２７ａに接続される図示せぬ配管による第３電解液２３ｃの注入および排出を制御する。
　３－２．第３の実施形態の動作
　図１７は、第３の実施形態に係る化学反応装置の人工光合成システム動作を示す図である。人工光合成システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがある場合に用いられる。
　図１７に示すように、人工光合成システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１および第２スイッチング素子３３をオフにする。これにより、第２電極１１と第３電極５１とが外部電源３２を介して電気的に遮断される。また、第１電極１６と第２電極１１とが電力需要部３４を介して電気的に遮断される。
　また、電解液制御部６１は、第１電極１６が第１電解液２３ａに浸漬されるように、第１電解槽２５内の第１電解液２３ａの量を制御する。これにより、第１電解槽２５内に配管２２ａを介して第１電解液２３ａが注入され、第１電解槽２５内は第１電解液２３ａで充填される。なお、第１電解槽２５内が第１電解液２３ａで充填されなくてもよく、少なくとも第１電極１６の一部が第１電解液２３ａに浸漬されていればよい。
　一方、電解液制御部６１は、第２電極１１が第２電解液２３ｂに浸漬されるように、第２電解槽流路２６ａ内の第２電解液２３ｂの量を制御する。これにより、第２電解槽流路２６ａ内に図示せぬ配管を介して第２電解液２３ｂが注入され、第２電解槽流路２６ａ内は第２電解液２３ｂで充填される。なお、第２電解槽流路２６ａ内が第２電解液２３ｂで充填されなくてもよく、少なくとも第２電極１１の一部が第２電解液２３ｂに浸漬されていればよい。
　なお、第３電解槽流路２７ａ内には、第３電解液２３ｃが充填されていても、充填されていなくてもよい。
　この状態で上方から光が照射されると、第１電解液２３ａに接する第１電極１６の表面付近では（１）式、第２電解液２３ｂに接する第２電極１１の裏面付近では（２）式の反応が生じる。
　（１）式に示すように、第１電極１６の表面付近において、Ｈ２Ｏが酸化されて（電子を失い）Ｏ２とＨ＋が生成される。そして、第１電極１６側で生成されたＨ＋は、第２電極１１側に移動する。より具体的には、第１電極１６側で生成されたＨ＋は、イオン交換膜１９および多孔質の第２触媒１８を通過して、第２電解槽流路２６ａ内に移動する。
　（２）式に示すように、第２電極１１の裏面付近（第２電解槽流路２６ａ）において、ＣＯ２と移動したＨ＋とが反応し、ＣＯとＨ２Ｏが生成される。すなわち、ＣＯ２が還元される（電子を得る）。
　このように、人工光合成システムでは、太陽光エネルギーによって光起電力層１５に起電力が生じ、この起電力によって第１電極１６の表面および第２電極１１の裏面において酸化還元反応（電解反応）が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。
　図１８は、第３の実施形態に係る化学反応装置の電解システム動作を示す図である。電解システムは、主に余剰電力がある場合であって、太陽光エネルギーがない場合に用いられる。例えば、電解システムは、夜間に用いられ得る。
　図１８に示すように、電解システムとして用いる場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１をオンにする。これにより、第２電極１１と第３電極５１とが外部電源３２を介して電気的に接続される。一方、スイッチング素子制御部４１は、第２スイッチング素子３３をオフにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが電力需要部３４を介して電気的に遮断される。
　また、電解液制御部６１は、第２電極１１が第２電解液２３ｂに浸漬されるように、第２電解槽流路２６ａ内の第２電解液２３ｂの量を制御する。これにより、第２電解槽流路２６ａ内に図示せぬ配管を介して第２電解液２３ｂが注入され、第２電解槽流路２６ａ内は第２電解液２３ｂで充填される。なお、第２電解槽流路２６ａ内が第２電解液２３ｂで充填されなくてもよく、少なくとも第２電極１１の一部が第２電解液２３ｂに浸漬されていればよい。
　一方、電解液制御部６１は、第３電極５１が第３電解液２３ｃに浸漬されるように、第３電解槽流路２７ａ内の第３電解液２３ｃの量を制御する。これにより、第３電解槽流路２７ａ内に図示せぬ配管を介して第３電解液２３ｃが注入され、第３電解槽流路２７ａ内は第３電解液２３ｃで充填される。なお、第３電解槽流路２７ａ内が第３電解液２３ｃで充填されなくてもよく、少なくとも第２電極１１の一部が第２電解液２３ｂに浸漬されていればよい。
　なお、第１電解槽２５内には、第１電解液２３ａが充填されていても、充填されていなくてもよい。
　この状態で外部電源３２に起電力が発生すると、第３電解液２３ｃに接する第３電極５１の表面付近では（１）式、第２電解液２３ｂに接する第２電極１１の裏面付近では（２）式の反応が生じる。
　（１）式に示すように、第３電極５１の表面付近（第３電解槽流路２７ａ）において、Ｈ２Ｏが酸化されて（電子を失い）Ｏ２とＨ＋が生成される。そして、第３電極５１側で生成されたＨ＋は、第２電極１１側に移動する。より具体的には、第３電極５１側で生成されたＨ＋は、多孔質の第３触媒５２、イオン交換膜１９、および多孔質の第２触媒１８を通過して、第２電解槽流路２６ａ内に移動する。
　このとき、第３電極５１と第２電極１１とは、互いに対向して形成されるため、その距離は比較的小さい。このため、第３電極５１から第２電極１１へとＨ＋が移動する距離は小さい。したがって、効率的にＨ＋を第３電極５１から第２電極１１へと拡散させることができる。
　（２）式に示すように、第２電極１１の裏面付近（第２電解槽流路２６ａ）において、ＣＯ２と移動したＨ＋とが反応し、ＣＯとＨ２Ｏが生成される。すなわち、ＣＯ２が還元される（電子を得る）。
　このように、電解システムでは、余剰電力の電気エネルギーによって外部電源３２に起電力が生じ、この起電力によって酸化還元反応（電解反応）が起こり、化学エネルギーが生成される。すなわち、電気エネルギーを化学エネルギーに変換することができる。
　なお、人工光合成システムと電解システムとを同時に反応させてもよい。すなわち、第１電解槽２５内に第１電解液２３ａ、第２電解槽流路２６ａ内に第２電解液２３ｂ、第３電解槽流路２７ａ内に第３電解液２３ｃを充填させる。そして、光を照射させるとともに、スイッチング素子３１をオンにする。これにより、第１電極１６と第３電極５１とを第２電極１１に対して並列に接続させた状態で、第１電解槽２５、第２電解槽流路２６ａ、および第３電解槽流路２７ａのそれぞれで各反応を生じさせることができる。
　図１９は、第３の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作を示す図である。図２０は、第２の実施形態に係る化学反応装置の太陽電池動作の変形例を示す図である。太陽電池は、主に余剰電力がない場合に用いられる。
　図１９に示すように、太陽電池として用いる場合、スイッチング素子制御部４１は、第１スイッチング素子３１をオフにする。これにより、第２電極１１と第３電極５１とが外部電源３２を介して電気的に遮断される。一方、スイッチング素子制御部４１は、第２スイッチング素子３３をオンにする。これにより、第１電極１６と第２電極１１とが電力需要部３４を介して電気的に接続される。
　このとき、第１電極１６と第２電極１１との間において、第１電解液２３ａまたは第２電解液２３ｂを介してイオンの移動は起こらないほうがよい。すなわち、第１電解液２３ａまたは第２電解液２３ｂを介して電流が流れないほうがよい。これは、光起電力層１５による発電と同時に電力需要部３４に放電するためである。このため、電解液制御部６１は、第１電極１６が第１電解液２３ａに浸漬されないように、第１電解槽２５内の第１電解液２３ａの量を制御する。または、第２電極１１が第２電解液２３ｂに浸漬されないように、第２電解槽２６ａ内の第２電解液２３ｂの量を制御する。これにより、第１電解槽２５内から配管２２ａを介して第１電解液２３ａが排出され、第１電解槽２５内は空気で充填される、または、第２電解槽２６ａ内から図示せぬ配管を介して第２電解液２３ｂが排出され、第２電解槽２６ａ内は空気で充填される。
　なお、第１電解槽２５内が空気で充填されなくてもよく、少なくとも第１電極１６が第１電解液２３ａに浸漬されていなければよい。このとき、図２０に示すように、上述した人工光合成システムまたは電解システムによって生成された気体（例えばＯ２等）で第１電解槽２５内の一部を充填させてもよい。この場合、配管２２ａを介して、第１電解槽２５内から第１電解液２３ａを排出する必要はない。すなわち、配管２２ａに備えられるポンプ等を用いる必要がなく、エネルギーロスを少なくすることができる。また、この場合、第１電極１６を重力とは反対側に配置することが好ましい。また、上述したように、電解層２５内を導電性の低い物質で満たしてもよい。また、電解層２５内を光起電力層１５、第１電極１６、または触媒層１７などで隔て、電解層２５の外部を図示せぬ配管等で接続してもよい。また、配管をバルブ等で遮断させてもよい。
　また、第２電極１１が導電性材料で構成される場合、第２電極１１と第２触媒１８との間（接触点）に図示せぬ絶縁層を設けてもよい。そして、第２電解槽流路２６ａ内の第２電解液２３ｂを排出して、第２電解槽流路２６ａ内を絶縁性の液体または気体で満たす。これにより、第１電解槽２５内の第１電解液２３ａを排出する必要がなくなる。したがって、第１電解液２３ａの出し入れに伴う煩雑さがなく、エネルギー効率を向上させることができる。
　この状態で上方から光が照射されると、照射光は第１電極１６を通過し、光起電力層１５に到達する。光起電力層１５は、光を吸収すると、電子およびそれと対になる正孔を生成し、それらを分離する。すなわち、各光起電力層（第１光起電力層１２、第２光起電力層１３、および第３光起電力層１４）において、ｎ型の半導体層側（第２電極１１側）に電子が移動し、ｐ型の半導体層側（第１電極１６側）に電子の対として発生した正孔が移動し、電荷分離が生じる。これにより、光起電力層１５に起電力が発生する。この光起電力層１５によって発生した起電力によって、電力需要部３４に電力を供給することができる。
　このように、太陽電池では、太陽光エネルギーによって光起電力層１５に起電力が生じ、この起電力によって電気エネルギーが生成される。すなわち、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
　３－３．第３の実施形態の効果
　上記第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
　さらに、第３の実施形態によれば、積層体１０（第２触媒１８）の裏面上に、イオン交換膜１９ｂを介して第３触媒５２および第３電極５１が形成される。そして、第２電極１１の内部に第２電解槽流路２６ａが形成され、第３電極５１の内部に第３電解槽流路２７ａが形成される。第３の実施形態における第２電解槽流路２６ａおよび第３電解槽流路２７ａは、第２の実施形態における第２電解槽２６および第３電解槽２７よりも容量が小さく形成される。これにより、第２電解槽流路２６ａ内および第３電解槽流路２７ａ内で生成された生成物を、第２の実施形態よりも容易に回収することができる。
　３－４．第３の実施形態の変形例
　図２１は、第３の実施形態に係る化学反応装置の第１の変形例の構成を示す概略構成図である。
　図２１に示すように、第３の実施形態に係る化学反応装置の第１の変形例では、第１電極１６と第２電極１１との間にセンサ部４２が電気的に接続され、第２電極１１と第３電極５１との間にセンサ部４３が電気的に接続される。
　センサ部４２は、第２電極１１と第３電極５１との間に、スイッチング素子３１および外部電源３２を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部４２と第２電極１１または第３電極５１との間に、第１スイッチング素子３１が形成される。そして、第１スイッチング素子３１をオンにすることで、第２電極１１と第３電極５１とは外部電源３２およびセンサ部４２を介して電気的に接続される。一方、第１スイッチング素子３１をオフにすることで、第２電極１１と第３電極５１とは外部電源３２およびセンサ部４２を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に電解システムとして用いられる場合に、センサ部４２が機能する。
　センサ部４３は、第１電極１６と第２電極１１との間に、第３スイッチング素子３５を介して電気的に接続される。言い換えると、センサ部４３と第１電極１６または第２電極１１との間に、第３スイッチング素子３５が形成される。そして、第３スイッチング素子３５をオンにすることで、第１電極１６と第２電極１１とはセンサ部４３を介して電気的に接続される。一方、第３スイッチング素子３５をオフにすることで、第１電極１６と第２電極１１とはセンサ部４３を介して電気的に遮断される。すなわち、化学反応装置が主に人工光合成システムとして用いられる場合に、センサ部４３が機能する。
　センサ部４２は、例えば電解システムの場合に外部電源３２の起電力を利用し、第２電解液２３ｂと第２電極１１との反応、および第３電解液２３ｃと第３電極５１との反応によって得られる電気信号を捕らえる。これにより、センサ部４２は、電解システムの場合において、第２電解液２３ｂおよび第３電解液２３ｃのｐＨ、第２電解液２３ｂおよび第３電解液２３ｃの濃度、第２電解液２３ｂおよび第３電解液２３ｃの組成、第２電解槽流路２６ａ内および第３電解槽流路２７ａ内の圧力、第２電解槽流路２６ａ内および第３電解槽流路２７ａ内の温度、および光の強度等を測定する。
　センサ部４３は、例えば人工光合成システムの場合に光起電力層１５の起電力を利用し、第１電解液２３ａと第１電極１６との反応および第２電解液２３ｂと第２電極１１との反応によって得られる電気信号を捕らえる。これにより、センサ部４３は、人工光合成システムの場合において、第１電解液２３ａおよび第２電解液２３ｂのｐＨ、第１電解液２３ａおよび第２電解液２３ｂの濃度、第１電解液２３ａおよび第２電解液２３ｂの組成、第１電解槽２５内および第２電解槽流路２６ａ内の圧力、第１電解槽２５内および第２電解槽流路２６ａ内の温度、および光の強度等を測定する。センサ部４３は、光起電力層１５の起電力を利用するものであるため、電源レスで動作することができる。
　なお、人工光合成システムとして用いる場合に、光強度が弱くて光起電力層１５の起電力によってセンサ４３が機能しないことが考えらえる。この場合、一時的に外部電源３２によってセンサ部４２を機能させて、種々の要件を測定してもよい。一方、電解システムとして用いる場合も同様である。すなわち、電解システムとして用いる場合に、一時的に光起電力層１５の起電力によってセンサ部４３を機能させて、種々の要件を測定してもよい。
　第１の変形例では、センサ部４２，４３により、第１電解液２３ａ、第２電解液２３ｂ、および第３電解液２３ｃのｐＨ、第１電解液２３ａ、第２電解液２３ｂ、および第３電解液２３ｃの濃度、第１電解液２３ａ、第２電解液２３ｂ、および第３電解液２３ｃの組成、第１電解槽２５内、第２電解槽流路２６ａ内、および第３電解槽流路２７ａ内の圧力、第１電解槽２５内、第２電解槽流路２６ａ内、および第３電解槽流路２７ａ内の温度、および光の強度等を測定する。これにより、電解反応を促進させるための電解液および電解槽の状況を適宜調整することができる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　１０…積層体、１１…第２電極、１５…光起電力層、１６…第１電極、２１…電解槽、２３…電解液、３１…第１スイッチング素子、３２…外部電源、３３…第２スイッチング素子、３４…電力需要部、４１…スイッチング素子制御部、５１…第３電極、６１…電解液制御部。

Claims (16)

  1. 　電解液を収容する電解槽と、
    　前記電解槽内に収容され、光照射側に配置された第１電極と、光照射側とは反対側に配置された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成され、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力層と、を備える積層体と、
    　前記第１電極と前記第２電極との間に、第１スイッチング素子を介して電気的に接続される外部電源と、
    　前記第１電極と前記第２電極との間に、第２スイッチング素子を介して電気的に接続され、前記外部電源とは並列に接続される電力需要部と、
    　前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のオン／オフを制御するスイッチング素子制御部と、
    　を具備することを特徴とする化学反応装置。
  2. 　前記電力需要部の需要を越える余剰電力がない場合、前記スイッチング素子制御部は、前記第１スイッチング素子をオフにし、前記第２スイッチング素子をオンにすることで、前記光起電力層による起電力によって前記電力需要部に電力が供給されることを特徴とする請求項１に記載の化学反応装置。
  3. 　前記第１電極および／または前記第２電極は、前記電解液に浸漬されないことを特徴とする請求項２に記載の化学反応装置。
  4. 　前記電力需要部の需要を越える余剰電力がある場合であって、前記光エネルギーがない場合、前記スイッチング素子制御部は、前記第２スイッチング素子をオフにし、前記第１スイッチング素子をオンにすることで、前記第１電極および前記第２電極付近において前記外部電源による起電力によって電解が行われて化学エネルギーが生成されることを特徴とする請求項１に記載の化学反応装置。
  5. 　前記第１電極および前記第２電極は、前記電解液に浸漬されることを特徴とする請求項４に記載の化学反応装置。
  6. 　前記電力需要部の需要を越える余剰電力がある場合であって、前記光エネルギーがある場合、前記スイッチング素子制御部は、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフにすることで、前記第１電極および前記第２電極付近において前記光起電力層による起電力によって電解が行われて化学エネルギーが生成されることを特徴とする請求項１に記載の化学反応装置。
  7. 　前記第１電極および前記第２電極は、前記電解液に浸漬されることを特徴とする請求項６に記載の化学反応装置。
  8. 　前記電解槽内の前記電解液の量を制御する電解液制御部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の化学反応装置。
  9. 　電解液を収容する電解槽と、
    　前記電解槽内に収容され、光照射側に配置された第１電極と、光照射側とは反対側に配置された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成され、光エネルギーにより電荷分離を行う光起電力層と、を備える積層体と、
    　前記電解槽内に収容され、前記第２電極に対して光照射側とは反対側に対向して配置された第３電極と、
    　前記第２電極と前記第３電極との間に、第１スイッチング素子を介して電気的に接続される外部電源と、
    　前記第１電極と前記第２電極との間に、第２スイッチング素子を介して電気的に接続される電力需要部と、
    　前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のオン／オフを制御するスイッチング素子制御部と、
    　を具備することを特徴とする化学反応装置。
  10. 　前記電力需要部の需要を越える余剰電力がない場合、前記スイッチング素子制御部は、前記第１スイッチング素子をオフにし、前記第２スイッチング素子をオンにすることで、前記光起電力層による起電力によって前記電力需要部に電力が供給されることを特徴とする請求項９に記載の化学反応装置。
  11. 　前記第１電極および／または前記第２電極は、前記電解液に浸漬されないことを特徴とする請求項１０に記載の化学反応装置。
  12. 　前記電力需要部の需要を越える余剰電力がある場合であって、前記光エネルギーがない場合、前記スイッチング素子制御部は、前記第２スイッチング素子をオフにし、前記第１スイッチング素子をオンにすることで、前記第２電極および前記第３電極付近において前記外部電源による起電力によって電解が行われて化学エネルギーが生成されることを特徴とする請求項９に記載の化学反応装置。
  13. 　前記第２電極および前記第３電極は、前記電解液に浸漬されることを特徴とする請求項１２に記載の化学反応装置。
  14. 　前記電力需要部の需要を越える余剰電力がある場合であって、前記光エネルギーがある場合、前記スイッチング素子制御部は、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフにすることで、前記第１電極および前記第２電極付近において前記光起電力層による起電力によって電解が行われて化学エネルギーが生成されることを特徴とする請求項９に記載の化学反応装置。
  15. 　前記第１電極および前記第２電極は、前記電解液に浸漬されることを特徴とする請求項１４に記載の化学反応装置。
  16. 　前記電解槽内の前記電解液の量を制御する電解液制御部をさらに具備することを特徴とする請求項９に記載の化学反応装置。
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