本申请以日本专利申请2016-210850(申请日：10/27/2016)为基础，从该申请享有优先权。本申请通过参照该申请而包含该申请的全部内容。
本发明的实施方式涉及电化学反应装置。
背景技术：
近年来，出于能量问题、环境问题的观点考虑，进行人工光合作用技术的开发，在该人工光合作用技术中，模仿植物的光合作用而人工地使用太阳光等可再生能量，对二氧化碳进行电化学还原而产生可储藏的化学能源。
实现人工光合作用技术的电化学反应装置例如具备：光电转换层，其使用了半导体；氧化反应用电极，其对水(h2o)进行氧化而生成氧(o2)；还原反应用电极，其对二氧化碳(co2)进行还原而生成碳化合物。在这样的光电化学反应装置中，通过使与光电转换层电连接的氧化反应用电极和还原反应用电极浸渍于溶解有co2的水中，进行co2的还原反应。
氧化反应用电极例如具有在光催化剂的表面设置有对h2o进行氧化的氧化催化剂的构造，利用光能获得电位。还原反应用电极例如具有在光催化剂的表面设置有对co2进行还原的还原催化剂的构造，与氧化反应用电极电连接。还原反应用电极通过从氧化反应用电极获得电子，对co2进行还原而生成一氧化碳(co)、甲酸(hcooh)、甲醇(ch3oh)、甲烷(ch4)、乙醇(c2h5oh)、乙烷(c2h6)、乙二醇(c2h6o2)等碳化合物。其中，在一氧化碳、甲烷等气体还原产物中混合存在未反应的co2。
若在气体还原产物中含有未反应的co2，则对还原产物的纯度、使用了它们的合成工艺的生产率产生影响，因此，需要去除还原产物中的co2。作为从还原产物中去除co2的方法，想到化学吸附法、膜分离等以往的co2分离法，但工序数增加、并且分离所花费的能量较大，因此，难以提高系统整体的能量效率。
技术实现要素：
实施方式的发明要解决的课题在于提供一种能够简便且以低能量从还原反应产物中去除未反应的co2的电化学反应装置，提高还原反应产物的生成效率。
实施方式的电化学反应装置具备：反应槽，其具备用于收容含有二氧化碳的第1电解液的第1收容部、和用于收容含有水的第2电解液的第2收容部；还原电极，其配置于所述第1收容部；氧化电极，其配置于所述第2收容部；电源，其与所述还原电极和所述氧化电极连接；第3收容部，其用于使在所述第1收容部中生成的第1气体成分与所述第1气体成分生成后的所述第1电解液混合。
附图说明
图1是表示第1实施方式的电化学反应装置的功能的结构例的示意图。
图2是表示第1实施方式的电化学反应单元的结构例的示意图。
图3是表示第2实施方式的电化学反应单元的结构例的示意图。
图4是表示第3实施方式的电化学反应单元的结构例的示意图。
图5是表示第4实施方式的电化学反应单元的结构例的示意图。
图6是表示第1实施方式的电化学反应装置的结构例的示意图。
符号说明
1、100…电化学反应装置；2、2a、30…电化学反应单元(electrochemicalreactioncell)；3、300…第1气液混合单元；4、400…第1气液分离单元；5、500…第2气液分离单元；6、600…第2气液混合单元；7…第1循环流路；8…第2循环流路；11、31…反应槽；12…还原电极；13…氧化电极；14、40…离子交换膜；15、43…还原电极室；16、44…氧化电极室；17、41…第1电解液；18、42…第2电解液；19…流入口；20…流出口；21…流入口；22…流出口；23…连接端子；24…第1顶部空间；25…第2顶部空间；26…流出口；27…流出口；28…流入口；29…散气部；30…电化学反应单元；32…光电转换层；33…氧化催化剂层；34…氧化电极层；35…第1绝缘体；36…还原催化剂层；37…还原电极层；38…第2绝缘体；39…配线；45…流入口；46…流出口；47…流入口；48…流出口；301…流入口；302…流入口；303…流出口；304…流出口；401…流入口；402…流出口；403…流出口；501…流入口；502…流出口；503…流出口；601…流入口；602…流入口；603…流入口；604…流出口。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。此外，在各实施方式中，对实质上相同的构成部位标注相同的符号，存在部分省略其说明的情况。附图是示意性的，存在各部的厚度与平面尺寸之间的关系、各部的厚度的比率等与现实的情况不同的情况。
(第1实施方式)
图1是表示第1实施方式的电化学反应装置的功能的结构例的示意图。图2是第1实施方式的电化学反应装置所使用的电化学反应单元的示意图。
图1所示的电化学反应装置1由电化学反应单元2、第1气液混合单元3(第3收容部)、第1气液分离单元4(第4收容部)、第2气液分离单元5(第5收容部)、第2气液混合单元6(第6收容部)、第1循环流路7、第2循环流路8构成。此外，虽未图示，但电化学反应单元2与储藏第1电解液的第1电解液罐、储藏第2电解液的第2电解液罐相连。另外，虽未图示，但在第1循环流路7、第2循环流路8和各结构之间适当配置有循环用的泵。
图2的电化学反应单元2在反应槽11内具备对co2进行还原的还原电极12、氧化电极13，另外，在还原电极与氧化电极之间具备离子交换膜14。
利用离子交换膜14形成还原电极室15(第1收容部)、氧化电极室16(第2收容部)，在还原电极室15中填充有第1电解液17，在氧化电极室16中填充有第2电解液18。此外，图2所示的还原电极12、氧化电极13与离子交换膜14分开地配置，但是，为了减轻电极间的溶液电阻，也可以分别与离子交换膜14接触地配置。
还原电极室15具有用于导入第1电解液17的第1流入口19和用于排出含有还原反应产物的第1电解液的第1流出口20。氧化电极室16具有用于导入第2电解液18的第2流入口21和用于排出含有氧化反应产物的第2电解液的第2流出口22。此时，为了将在还原电极12和氧化电极13中产生的含有气体反应产物的气体成分高效地排出，优选第1流出口20和第2流出口21设置于比各电极靠上方部的位置。另外，在还原电极室15和氧化电极室16中也可以形成有流路，以便将各电解液高效地导入、排出。
还原电极12和氧化电极13以能够经由反应槽11而与外部电连接的方式具有连接端子23。在电化学反应单元2中，通过经由连接端子23对还原电极12和氧化电极13施加能量，在还原电极12处产生例如co2的还原反应，在氧化电极13处产生例如水的氧化反应。
作为所投入的电能，有系统电源、太阳光、风力、地热、潮汐力等可再生能量等外部电源等。特别是在源自可再生能量的能量的情况下，出于环境上的观点考虑而优选。另外，在由系统电源和风力产生的能量的情况下，因为是交流电源，因此，使用变换器而进行直流转换，向单元(cell)投入电力。单元的驱动方式既可以是恒压运转也可以是恒流运转。
为了电化学反应单元2以高效率运转，优选在加压下、温度调整下实施。
压力越高，电解液内的co2浓度越高，并且反应效率也越高。因而，co2还原单元(reductioncell)的运转压力优选是大气压以上。另外，对于上限，并没有特别限制，优选是例如co2不液化且不超临界化的7mpa以下。
温度越较低，co2的溶解量越高，但出于电化学反应的观点考虑，在低温时，溶液电阻变高，并且，反应的理论电压变高，因此是不利的。另一方面，若温度较高，则co2的溶解量变低，但作为电化学反应是有利的。因此，作为电化学反应单元的运转温度条件，优选处于中温域、例如大气温度以上、电解液的沸点以下的范围。特别在电解液是水溶液的情况下，该运转温度条件是10℃以上且100℃以下，更优选是25℃以上且80℃以下。
还原电极12浸渍于第1电解液17中。还原电极12含有例如被还原物质的还原催化剂。作为还原催化剂，可列举出使用于对氢离子、二氧化碳进行还原的活性化能量减少的材料。换言之，可列举出使通过二氧化碳的还原反应而生成碳化合物时的过电压降低的材料。能够使用例如金属材料或碳材料。作为金属材料，能够使用例如金、铜、银、铂、钯、锌、汞、铟或者镍等金属、或含有该金属的合金。作为碳材料，能够使用例如石墨烯、碳纳米管(carbonnanotube：cnt)、富勒烯、或科琴黑等。此外，并不限定于此，作为还原催化剂，也可以使用例如ru络合物或re络合物等金属络合物、具有咪唑骨架、吡啶骨架的有机分子。另外，也可以将多种材料混合。
通过还原反应获得的产物根据还原催化剂的种类等不同而不同，可获得例如一氧化碳(co)、甲酸(hcooh)、甲烷(ch4)、甲醇(ch3oh)、乙烷(c2h6)、乙烯(c2h4)、乙醇(c2h5oh)、甲醛(hcho)、乙二醇等碳化合物、或氢。在实施方式中，通过还原反应而获得的产物经由第1流出口20被回收。
还原电极12也可以具有例如薄膜状、栅格状、粒子状、线状的构造。另外，也可以未必在还原电极12上设置还原催化剂，也可以将设置于还原电极12以外的还原催化剂层与还原电极12电连接。
通过氧化反应获得的产物例如为氧。在本实施方式中，由氧化反应生成的氧经由第2流出口22被回收。
例如氧化电极13浸渍于第2电解液18中。氧化电极13例如含有被氧化物质的氧化催化剂。由氧化反应生成的化合物根据氧化催化剂的种类等而变化。作为氧化催化剂，列举出使用于对水进行氧化的活性化能量减少的材料。换言之，可列举出使通过水的氧化反应生成氧和氢离子时的过电压降低的材料。例如可列举出钌、铱、铂、钴、镍、铁或锰等。另外，作为氧化催化剂，能够使用二元系金属氧化物、三元系金属氧化物、或四元系金属氧化物等。作为二元系金属氧化物，例如可列举出氧化锰(mn-o)、氧化铱(ir-o)、氧化镍(ni-o)、氧化钴(co-o)、氧化铁(fe-o)、氧化(锡)(sn-o)、氧化铟(in-o)、或氧化钌(ru-o)等。作为三元系金属氧化物，例如可列举出ni-fe-o、ni-co-o、la-co-o、ni-la-o、sr-fe-o等。作为四元系金属氧化物，例如可列举出pb-ru-ir-o、la-sr-co-o等。此外，并不限定于此，作为氧化催化剂，也能够使用ru络合物或fe络合物等金属络合物。另外，也可以将多种材料混合。另外，氧化电极也可以是含有氧化催化剂和导电性材料这两者的复合材料。作为导电性材料，例如可列举出碳黑、活性炭、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、科琴黑、金刚石等碳材料、铟锡氧化物(indiumtinoxide：ito)、氧化锌(zno)、含有氟的氧化锡(氟掺杂氧化锡，fluorine-dopedtinoxide：fto)、含有铝的氧化锌(铝掺杂氧化锌，aluminum-dopedzincoxide：azo)、含有锑的氧化锡(锑掺杂氧化锡，antimony-dopedtinoxide：ato)等透明导电性氧化物、cu、al、ti、ni、ag、w、co、au等金属、含有至少1种这些金属的合金、这些金属的层叠膜。另外，也可以未必在氧化电极13中设置氧化催化剂，也可以将设置于氧化电极13以外的氧化催化剂层与氧化电极13电连接。
作为离子交换膜14，例如可以使用astomcorporation的neosepta(注册商标)、asahiglassco.，ltd.的selemion(注册商标)、aciplex(注册商标)、fumatechcorporation的fumasep(注册商标)、fumapem(注册商标)、对dupontcorporation的四氟乙烯进行磺化并聚合成的氟树脂即nafion(注册商标)、lanxesscorporation的lewabrane(注册商标)、iontechcorporation的ionsep(注册商标)、pallcorporation的mustang(注册商标)、megacorporation的ralex(注册商标)、gore-texcorporation的gore-tex(注册商标)等离子交换膜。另外，也可以使用以烃为基本骨架的膜、通过阴离子交换而具有胺基的膜来构成离子交换膜。另外，在第1电解液17和第2电解液18存在ph差的情况下，通过使用将阳离子交换膜和阴离子交换膜层叠而成的双极膜，能够在将各电解液的ph稳定地维持的状态下来使用。
除了离子交换膜以外，例如也可以使用有机硅树脂、氟系树脂(全氟烷氧基链烷烃(pfa)、全氟乙烯丙烯共聚物(fep)、聚四氟乙烯(ptfe)、乙烯·四氟乙烯共聚物(etfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚三氟氯乙烯(pctfe)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ectfe))、陶瓷的多孔质膜。尤其是，亲水性的多孔质膜不会引起由气泡导致的堵塞，因此优选。另外，也可以未必设置隔膜。
优选第1电解液17是二氧化碳(co2)的吸收率高的溶液。另外，作为co2的相对于第1电解液的含有形态，也可以未必是溶解的状态，也可以co2呈气泡状存在于电解液中。作为例如水溶液系，可列举出溶解有lihco3、nahco3、khco3、cshco3等电解质的水溶液。另外，作为非水溶液系，也可以使用例如甲醇、乙醇、丙酮等醇类。另外，优选含有co2的溶液是使co2的还原电位降低、离子传导性高、含有吸收co2的co2吸收剂的电解液。作为上述的电解液，可列举出由咪唑离子、吡啶离子等阳离子与bf4-、pf6-等阴离子的盐形成且在宽的温度范围内处于液体状态的离子液体或者其水溶液。作为其他电解液，可列举出乙醇胺、咪唑、吡啶等的胺溶液或者其水溶液。胺可以是伯胺、仲胺、叔胺中的任一个。作为伯胺，可列举出甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、戊胺、己胺等。胺的烃也可以被醇、卤等取代。作为胺的烃被取代的材料，可列举出甲醇胺、乙醇胺、氯甲胺等。另外，也可以存在不饱和键。对于这些烃，仲胺、叔胺也是同样的。作为仲胺，可列举出二甲胺、二乙胺、二丙胺、二丁胺、二戊胺、二己胺、二甲醇胺、二乙醇胺、二丙醇胺等。取代的烃也可以不同。这在叔胺也是同样的。例如，作为烃不同的胺，可列举出甲基乙基胺、甲基丙基胺等。作为叔胺，可列举出三甲胺、三乙胺、三丙胺、三丁胺、三己胺、三甲醇胺、三乙醇胺、三丙醇胺、三丁醇胺、三己醇胺(トリエキサノールアミン)、甲基二乙基胺、甲基二丙基胺等。作为离子液体的阳离子，可列举出1-乙基-3-甲基咪唑离子、1-甲基-3-丙基咪唑离子、1-丁基-3-甲基咪唑离子、1-甲基-3-戊基咪唑离子、1-己基-3-甲基咪唑离子等。咪唑离子的2位也可以被取代。作为咪唑离子的2位被取代的离子，可列举出1-乙基-2，3-二甲基咪唑离子、1，2-二甲基-3-丙基咪唑离子、1-丁基-2，3-二甲基咪唑离子、1，2-二甲基-3-戊基咪唑离子、1-己基-2，3-二甲基咪唑离子等。作为吡啶离子，可列举出甲基吡啶、乙基吡啶、丙基吡啶、丁基吡啶、戊基吡啶、己基吡啶等。对于咪唑离子和吡啶离子两者而言，烷基可以被取代，也可以存在不饱和键。作为阴离子，可列举出氟离子、氯离子、溴离子、碘离子、bf4-、pf6-、cf3coo-、cf3so3-、no3-、scn-、(cf3so2)3c-、二((三氟甲氧基磺)酰亚胺、二(全氟乙磺酰)亚胺等。也可以是将离子液体的阳离子与阴离子通过烃进行连结而成的偶极离子。
作为第2电解液18，例如可以使用含有水(h2o)的溶液。作为含有h2o的溶液，优选使用含有任意的电解质的水溶液。作为含有电解质的水溶液，可列举出含有磷酸根离子(po42-)、硼酸根离子(bo33-)、钠离子(na+)、钾离子(k+)、钙离子(ca2+)、锂离子(li+)、铯离子(cs+)、镁离子(mg2+)、氯离子(cl-)、碳酸氢根离子(hco3-)等的水溶液。另外，只要含有h2o，就能够使用与第1电解液17通用的溶液。
图6是表示第1实施方式的电化学反应装置的还原系统的构成的示意图。图6所示的电化学反应装置100由电化学反应单元2、第1气液混合单元300、第1气液分离单元400、第2气液分离单元500、第2气液混合单元600、第1循环流路7、第2循环路径8构成。
第1气液分离单元400具备：第3流入口401，其将从电化学反应单元2的第1流出口20排出的含有还原产物的第1电解液17导入；第3流出口402，其将在第1气液分离单元400内分离出的含有气体还原产物的气体成分取出；第4流出口403，其将与气体成分分离后的第1电解液取出。
在还原电极12处生成的物质经由第1流出口20而与第1电解液17一起向第1气液分离单元400输送。在第1气液分离单元400中，将生成的还原产物中的“气体还原产物、副产物的氢、未反应co2”等第1气体成分与第1电解液分离，前者经由第3流出口402、后者经由第4流出口403向下一工序的第1气液混合单元300输送。此外，气液分离的方式并没有特别限定，能够采用例如重力式、离心力式、以及表面张力式的方式。
第1气液混合单元300具备：第4流入口301，其将从第4流出口403排出的第1电解液导入；第5流入口302，其将从第3流出口402排出的第1气体成分导入；第5流出口303，其将使第1气体成分中的未反应co2再溶解而成的第1电解液17排出；第6流出口304，其将未溶于第1电解液而残留成气相的气体还原产物取出。作为气体还原产物，可列举出例如一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯。
在第1气液混合单元300中，在从第4流入口301注入的第1电解液中，使经由第5流入口302导入的第1气体成分鼓泡。此时，第1气体成分中的未反应的co2以比其他气体产物高的效率溶解于电解液中，因此，能够将未反应co2以外的气体还原产物从第6流出口304效率良好地取出。
如此，在本实施方式的电化学反应装置中，通过使在第1气液分离单元400中暂且分离的还原产物和未反应co2的气体混合物在第1气液混合单元300中利用向第1电解液的溶解度差能够简便且以低能量分离。另外，分离出的未反应co2溶解于第1电解液中，因此，可进行再利用。
此外，为了气液混合单元与电化学反应单元同样地以高效率运转，优选在加压下、温度调整下实施。此时，也可以在co2的排出口安装安全阀。作为第1气液混合单元的温度，特别在电解液是水溶液的情况下，优选10℃以上且100℃以下，更优选25℃以上且80℃以下。
第2气液混合单元600具备：第6流入口601，其将从第5流出口303排出的第1电解液注入；第7流入口602，其将第1电解液从未图示的第1电解液罐注入；作为二氧化碳导入部件的第8流入口603，其将co2从未图示的co2罐注入；第7流出口604，其将溶解有co2的第1电解液向电化学反应单元2送液。
第2气液混合单元600与第1气液混合单元300同样地在电解液槽中具备第1电解液的流入口、气体的流入口和流出口、气液混合后的电解液的流出口。其中，从第7流出口604排出的第1电解液可经由第1循环流路7而从第1流入口19返回电化学反应单元2来进行再利用。
在第2气液分离单元500中，具备：第9流入口501，其将从第2流出口22排出的含有氧化产物的第2电解液导入；第9流出口502，其将在第2气液分离单元500内分离的气体氧化产物(第2气体成分)取出；第10流出口503，其将分离后的第2电解液取出。
在氧化电极13处产生的物质、例如氧与第2电解液一起向第2气液分离单元500送液，与第1气液分离单元400同样地被分离成氧和电解液。在此分离出的气体氧化产物能够释放到大气中、或进行回收而有效利用。另外，分离后的第2电解液可经由第2循环流路8从第2流入口21返回电化学反应单元2而进行再利用。
根据本实施方式，在第1气液分离单元400中被暂且分离出的第1气体成分、即、气体还原产物、氢气、未反应的co2气体在第1气液混合单元300中被再次与第1电解液混合。第1气液混合单元300中的第1电解液中的co2通过电化学反应单元2中的还原反应被转换成还原物质而被消耗，因此，浓度变低，产生再次吸收co2的余力。因此，在第1气液混合单元300中，通过使从流入口302注入的第1气体成分和第1电解液再次混合而使它们接触，仅未反应co2被选择性地溶解。因而，可将未反应的co2气体简便且以低能量去除。
另外，此时，优选气体还原反应产物和氢相对于电解液的溶解度比co2低。例如气体状的co2还原反应产物为一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯且电解液为水系的情况下，这些还原产物相对于水的溶解量比co2的溶解量极端低，因此，仅co2能以高效率选择性地去除。
另外，根据本实施方式，也可以根据需要使用换热器而在电化学反应单元、气液分离单元、以及气液混合单元之间进行热的交换。例如在电化学反应单元在高温下进行运转、气液混合单元在低温下进行运转的情况下，通过在电化学反应单元与气液混合单元之间设置换热器来进行换热，可抑制用于温度调节的来自外部的能量投入，提高系统的能量利用效率。
(第2实施方式)
参照图3对第2实施方式的电化学反应单元进行说明。图3是表示第2实施方式的电化学反应单元30的图。
第2实施方式的电化学反应单元30在反应槽内具备太阳能电池。利用该构成，无需外部电源，可成为自立的电化学反应系统。
图3所示的电化学反应单元30具备反应槽31、光电转换层32、氧化催化剂层33、氧化电极层34、第1绝缘体35、还原催化剂层36、还原电极层37、第2绝缘体38、配线39、离子交换膜40、第1电解液41、第2电解液42。
反应槽31具有收容第1电解液41的还原电极室43以及收容第2电解液42的氧化电极室44。反应槽31的形状只要是具有成为收容部的空腔的立体形状，就没有特别限定。例如也可以是圆筒状或方形状。还原电极室43具有用于导入第1电解液的第1流入口45以及用于排出含有产物的第1电解液的第1流出口46。氧化电极室44具有用于导入第2电解液的第2流入口47和用于排出含有产物的第2电解液的第2流出口48。还原电极室43和氧化电极室44被例如离子交换膜40彼此分隔开。
光电转换层32具有与氧化催化剂层33电连接的面、以及经由配线39与还原催化剂层36电连接的面，具有利用所照射的太阳光等光的能量进行电荷分离的功能。通过电荷分离而产生的电子向还原电极层侧移动，空穴向氧化电极层侧移动。由此，光电转换层32能够产生电动势。作为光电转换层32，能够使用例如pn接合型或pin接合型的光电转换层。用作半导体的材料，可列举出例如硅、锗、硅锗、作为化合物半导体系的gaas、gainp、algainp、cdte、cuingase，能够适用单晶、多晶、非晶状的形态。另外，为了获得高的开路电压，更优选是多接合型的光电转换层。
也可以在氧化催化剂层与光电转换层之间配置透明导电膜。氧化催化剂层33具有透光性。能够将氧化催化剂层33和氧化电极层34一并视作氧化电极。另外，能够将还原催化剂层36和还原电极层37一并视作还原电极。
第1绝缘体35以覆盖光电转换层32、氧化催化剂层33、氧化电极层34的侧面以及氧化电极层34的背面的方式设置。第2绝缘体38以覆盖还原电极层37的侧面和背面的方式设置。
光电转换层32、氧化催化剂层33以及氧化电极层34浸渍于第2电解液42中，因此，通过设置第1绝缘体35，能够抑制光电转换层32的漏电流，并且，抑制由第2电解液42导致的光电转换层32的浸蚀。
电化学反应单元30若被光照射，则通过在半导体层中产生的电动势，利用氧化催化剂和还原催化剂产生电解液中的co2、水的氧化还原反应。
因此光电转换层需要具有由氧化催化剂产生的氧化反应的标准氧化还原电位与由还原催化剂产生的还原反应的标准氧化还原电位的电位差以上的开路电压。例如，在光电转换层中产生的空穴向氧化催化剂移动、电子向还原催化剂移动、在氧化催化剂处发生水的氧化反应、在催化剂层处发生从co2还原成co的还原反应的情况下，能够用以下的反应式表示。
氧化侧2h2o+4h+→4h++o2式1
还原侧2co2+4h+→2co+2h2o式2
式1的反应的标准氧化还原电位是1.23v/vs.nhe，在式2中成为-0.1v。因此，需要半导体层的开路电压为1.33v以上。更优选的是，期望具有相当于包括过电压在内的电位差的开路电压。例如若在式1和式2中过电压分别是0.2v，则开路电压是1.73v以上。
如此，通过设为在反应槽内具备太阳能电池的结构，在无需外部电源的基础上，可获得与第1实施方式同样的效果。
(第3实施方式)
参照图4对第3实施方式的电化学反应单元进行说明。图4是表示第3实施方式的电化学反应单元2a的图。此外，在第3实施方式的电化学反应单元2a中，对与第1实施方式的电化学反应单元2相同的部分标注相同的符号，有时省略其说明。此外，电解液的种类、电化学反应单元的构成构件等与第1实施方式相同。
图4所示的电化学反应单元2a在反应槽内具备气液分离单元功能。
利用该构成，可使电化学反应装置简化，并且降低系统的成本。
图4所示的电化学反应单元2a在反应槽11内具备对co2进行还原的还原电极12、氧化电极13，另外，在还原电极与氧化电极间具备离子交换膜14。通过离子交换膜14形成还原电极室15、氧化电极室16，在还原电极室15中填充有第1电解液17，在氧化电极室16中填充有第2电解液18。还原电极室15具有用于导入第1电解液的第1流入口19以及用于排出含有产物的第1电解液的第1流出口20。氧化电极室16具有用于导入第2电解液的第2流入口21、以及用于排出含有产物的第2电解液的第2流出口22。
在还原电极室15的上方部设置有收容co等气体还原产物、副产物的氢、未反应的co2等第1气体成分的第1顶部空间24。在氧化电极室16的上方部设置有收容作为第2气体成分的气体氧化产物的第2顶部空间25。第1顶部空间24具有将从第1电解液分离出的前述的第1气体成分取出并向第1气液混合单元输送的流出口26。另外，第2顶部空间25具有将从第2电解液分离出的第2气体成分取出的流出口27。从流出口26取出的第1气体成分与从流出口20送液的第1电解液在第1气液混合单元中再次混合。此时仅未反应的co2选择性地再溶解于第1电解液中，因此，能够分离成co等气体还原产物。
如此，通过在电化学反应单元的上方部设置有顶部空间，将电化学反应单元和气液分离单元设为一体型，在使系统简化的基础上，能获得与第1实施方式同样的效果。
(第4实施方式)
参照图5对第4实施方式的电化学反应单元进行说明。图5是表示第4实施方式的电化学反应单元2b的图。此外，在第4实施方式的电化学反应单元2b中，对与第1实施方式的电化学反应单元2相同的部分标注相同符号，有时省略其说明。此外，电解液的种类、电化学反应单元的构成构件等与第1实施方式相同。
图5所示的电化学反应单元2b在还原电极室15中具备第2气液混合单元600的功能。即、在还原电极室15的下方部设置有将co2气体向还原电极室直接导入的流入口28。从流入口28导入到还原电极室15内的co2气体与还原电极室15的第1电解液接触而溶解。此时，通过设置与流入口28连接的散气部29，co2气体成为微细的气泡，能够提高溶解效率。优选散气部具有玻璃、陶瓷等无机材料、有机系薄膜等的多孔质构造。
在本实施方式中，从第1气液混合单元300的流出口303排出的第1电解液直接从流入口19返回电化学反应单元的还原电极室，在还原电极室内从流入口28导入的co2气体溶解于第1电解液中。
如此，通过将还原电极室和第2气液混合单元功能设为一体型，向还原电极室直接供给二氧化碳，与第3实施方式同样地，能使电化学反应装置简化而降低系统的成本，并且，能够获得与第1实施方式同样的效果。
实施例
接着，对本发明的实施例及其评价结果进行说明。
(实施例1)
图6所示的电化学反应装置100如以下这样构成。
使用丙烯酸类树脂制的容器作为电化学反应单元的反应槽，将作为离子交换膜的阴离子交换膜(asahiglassco.，ltd.、selemion(注册商标))配置到反应槽的中央部。还原电极是在碳纸上喷射涂敷担载有au纳米粒子的碳催化剂而成的，氧化电极使用了在ni多孔体上对硝酸镍进行电沉积而获得的氢氧化镍/ni多孔体电极。
电化学反应单元的还原电极与太阳能电池的(-)极连接，氧化电极与太阳能电池的(+)极连接而被驱动。在本实施例中，使用了6个串联的单晶si太阳能电池。在事先的测定中，太阳能电池的效率是15％，开路电压是3.6v。在本实施例中，各电极直接与太阳能电池电连接，但也可以在太阳能电池与电极之间配置dc-dc转换器而以恒电位运转的方式使co2还原单元运转。
在电化学反应单元的还原电极室、氧化电极室中产生的气体反应产物与电解液一起向第1气液分离单元、第2气液分离单元输送，分别分离成电解液和气体反应产物。在本实施例中，使用了玻璃制的容器作为气液分离单元。
在第1气液分离单元中分离出的含有气体还原反应产物的气体成分和电解液分别从不同的流出口向第1气液混合单元送液。第1气液分离单元使用了圆筒状的sus容器。含有气体还原反应产物的气体成分在第1气液混合单元中通过散气管(流入口302)，在第1气液混合单元的电解液中通过鼓泡而再次混合之后，对从流出口304排出的气体成分进行了回收。
从流出口303排出来的电解液接下来输送到第2气液混合单元。第2气液混合单元也与第1气液混合单元同样地，在圆筒状的sus容器中安装玻璃过滤器制的散气管(流入口603)，将其顶端部浸渍到电解液中。通过从散气管导入co2，在电解液中形成微细的co2气泡，效率良好地将电解液与co2气体混合。含有co2的第1电解液经由泵被送液，返回到电化学反应单元的还原电极室中。
在第2气液分离单元中分离出的氧等气体产物向大气释放，电解液经由泵被送液，返回到电化学反应单元的氧化电极室中。
在本实施例中，第1电解液、第2电解液都使用了1m的khco3溶液。
此外，在图6中没有示出止回阀、安全阀等阀，但可根据需要设置。
使用该装置进行了评价。
(比较例1)
除了不具有第1气液混合单元的以外，使用与实施例1相同的电化学反应装置进行了评价。
实施例1和比较例1的评价使用了太阳能模拟装置(am1.5、1000w/m2)。对太阳能模拟装置的太阳能电池进行一定时间的照射，在实施例1中，对从第1气液混合单元排出的气体进行回收，在比较例1中，对从第1气液分离单元排出的气体进行回收，使用co2浓度计来对co2浓度进行了测定。
测定后的结果是，实施例1中的回收气体的co2浓度低于比较例1中的co2浓度。
根据该结果，可知：在设置有第1气液混合单元的实施例1中，在气体还原反应产物的回收前，在第1气液混合单元中去除了未反应的co2。即、确认到简便且以低能量获得高纯度的气体反应产物的效果。
上述实施方式是作为例子提供的，并不旨在限定发明的范围。上述实施方式能以各种形态来实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换和变更。上述实施方式及其变形包含于发明的范围和主旨内，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。
上述的实施方式能够总结成以下的技术方案。
(技术方案1)
一种电化学反应装置，其具备：
反应槽，其具备用于收容含有二氧化碳的第1电解液的第1收容部、和用于收容含有水的第2电解液的第2收容部；
还原电极，其配置于所述第1收容部中；
氧化电极，其配置于所述第2收容部中；
电源，其与所述还原电极和所述氧化电极连接；和
第3收容部，其用于使在所述第1收容部中生成的第1气体成分与所述第1气体成分生成后的所述第1电解液混合。
(技术方案2)
根据技术方案1所述的电化学反应装置，其中，该电化学反应装置还在所述第1收容部与所述第3收容部之间具备第4收容部，第4收容部用于使所述第1气体成分与所述第1电解液分离。
(技术方案3)
根据技术方案1或2所述的电化学反应装置，其中，该电化学反应装置还具备第5收容部，该第5收容部用于使在所述第2收容部中获得的第2气体成分与所述第2电解液分离。
(技术方案4)
根据技术方案1～3中任一项所述的电化学反应装置，其中，该电化学反应装置还具备第6收容部，该第6收容部具有用于使二氧化碳溶解于从所述第3收容部排出的所述第1电解液中的二氧化碳导入机构。
(技术方案5)
根据技术方案2所述的电化学反应装置，其中，所述第4收容部设置于所述第1收容部内。
(技术方案6)
根据技术方案3所述的电化学反应装置，其中，所述第5收容部设置于所述第2收容部内。
(技术方案7)
根据技术方案4所述的电化学反应装置，其中，所述第6收容部设置于所述第1收容部内。
(技术方案8)
根据技术方案1～6中任一项所述的电化学反应装置，其中，该电化学反应装置还具备将从所述第6收容部排出的所述第1电解液向所述第1收容部输送的第1循环流路。
(技术方案9)
根据技术方案1～8中任一项所述的电化学反应装置，其中，该电化学反应装置还具备将从所述第5收容部排出的所述第2电解液向所述第2收容部输送的第2循环流路。
(技术方案10)
根据技术方案1～9中任一项所述的电化学反应装置，其中，所述第1气体成分含有选自由一氧化碳、甲烷、乙烷、以及乙烯组成的组中的至少1种。
(技术方案11)
根据技术方案1～10中任一项所述的电化学反应装置，其中，所述第1气体成分中含有二氧化碳，该二氧化碳在所述第3收容部中溶解于所述第1电解液中。
(技术方案12)
根据技术方案1～11中任一项所述的电化学反应装置，其中，所述电源被选自由太阳光、风力、地热、和潮汐力组成的组中的至少1种可再生能量驱动。
(技术方案13)
根据技术方案1～12中任一项所述的电化学反应装置，其中，所述电源具备光电转换体，该光电转换体具有与所述还原电极电连接的第1面和与所述氧化电极电连接的第2面。