JP2023140042A

JP2023140042A - 電解装置および電解装置の駆動方法

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Publication number: JP2023140042A
Application number: JP2022045880A
Authority: JP
Inventors: 正和山際; Masakazu Yamagiwa; 昭彦小野; Akihiko Ono; 由紀工藤; Yuki Kudo; 泰裕清田; Yasuhiro Kiyota; 勇介小藤; Yusuke Kofuji; 良太北川; Ryota Kitagawa; 智御子柴; Satoshi Mikoshiba
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-10-04
Anticipated expiration: 2042-03-22
Also published as: CN116815208A; AU2022221423A1; EP4249641A1; AU2022221423B2; US20230304171A1; JP7664879B2

Abstract

【課題】電解装置の構成を簡素化する。【解決手段】電解装置は、カソードと、アノードと、カソードに面するカソード流路と、アノードに面するアノード流路と、を具備する電解セルと、第１の収容部と、第２の収容部と、第１の収容部と第２の収容部とを接続する開口と、を有し、第１の収容部および第２の収容部が少なくとも一つのイオンを含む液体を収容可能であり、第１の収容部に収容される液体の第１の液面の第２の収容部の下部に対する高さが第２の収容部に収容される液体の第２の液面の第２の収容部の下部に対する高さよりも高くなるように第１の液面と第２の液面との間で高低差を形成することにより、開口を介して第１の収容部から第２の収容部に液体に含まれるイオンを移動させるタンクと、カソード流路の出口と、第１の収容部と、を接続する第１の流路と、第２の収容部と、アノード流路の出口と、を接続する第２の流路と、を具備する。【選択図】図１

Description

実施形態の発明は、電解装置および電解装置の駆動方法に関する。

近年、エネルギー問題と環境問題の両方の観点から、太陽光発電などの再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換して利用するだけでなく、それを貯蔵し且つ運搬可能な状態に変換することが望まれている。この要望に対して、植物による光合成のように太陽光を用いて化学物質を生成する人工光合成技術の研究開発が進められている。この技術により、再生可能エネルギーを貯蔵可能な燃料として貯蔵する可能性もでき、また、工業原料となる化学物質を生成することにより、価値を生み出すことも期待される。

太陽光発電などの再生可能エネルギーを用いて化学物質を生成する装置として、例えば発電所やごみ処理所から発生した二酸化炭素（ＣＯ_２）を還元するカソードと、水（Ｈ_２Ｏ）を酸化するアノードとを具備する電気化学反応装置が知られている。カソードでは、例えば二酸化炭素を還元して一酸化炭素（ＣＯ）等の炭素化合物を生成する。このような電気化学反応装置を、セル形態（電解セルともいう）により実現する場合、例えばＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｉｃＦｕｅｌＣｅｌｌ（ＰＥＦＣ）等の燃料電池に類似する形態により実現することが有効であると考えられる。二酸化炭素をカソードの触媒層に直接供給することにより、速やかに二酸化炭素還元反応を進行させることが可能となる。

しかしながら、このようなセル形態においては、ＰＥＦＣが有する課題に類似する課題が生じる。すなわち、故障がしにくく耐久性がある電解セルを実現させるためには、電解セルの抵抗を低く維持する必要がある。

特開２０２２－４２２８０号公報

本発明が解決しようとする課題は、電解装置の構成を簡素化することである。

実施形態の電解装置は、カソードと、アノードと、カソードに面するカソード流路と、アノードに面するアノード流路と、を具備する電解セルと、第１の収容部と、第２の収容部と、第１の収容部と第２の収容部とを接続する開口と、を有し、第１の収容部および第２の収容部が少なくとも一つのイオンを含む液体を収容可能であり、第１の収容部に収容される液体の第１の液面の第２の収容部の下部に対する高さが第２の収容部に収容される液体の第２の液面の第２の収容部の下部に対する高さよりも高くなるように第１の液面と第２の液面との間で高低差を形成することにより、開口を介して第１の収容部から第２の収容部に液体に含まれるイオンを移動させるタンクと、カソード流路の出口と、第１の収容部と、を接続する第１の流路と、第２の収容部と、アノード流路の出口と、を接続する第２の流路と、を具備する。

電解装置１の構成例を示す模式図である。タンク２００の構造例を示す模式図である。タンク２００の別の構造例を示す模式図である。タンク２００の別の構造例を示す模式図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的であり、例えば各構成要素の厚さ、幅等の寸法は実際の構成要素の寸法と異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付け、説明を省略する場合がある。

なお、本明細書において、「接続する」とは、特に指定する場合を除き、直接的に接続することだけでなく、間接的に接続することも含む。

図１は、電解装置の構成例を示す模式図である。図１に示す電解装置は、二酸化炭素電解装置である。

図１に示す電解装置１は、電解セル１００と、電源１５０と、タンク２００と、カソード供給部３０１と、アノード供給部４０１と、を具備する。

電解セル１００は、アノード１１１と、アノード流路１１２と、アノード集電体１１３と、カソード１２１と、カソード流路１２２と、カソード集電体１２３と、セパレータ１３１と、を備える。電解セル１００は、これらの部材が図示しない一対の支持板で挟み込まれ、さらにボルト等で締め付けられている。

アノード１１１は、セパレータ１３１とアノード流路１１２との間に設けられ、それらと接する。アノード１１１は、アノード溶液中の水（Ｈ_２Ｏ）を酸化して酸素（Ｏ_２）や水素イオン（Ｈ^＋）を生成するための電極、またはカソード１２１での二酸化炭素の還元反応により生じた水酸化物イオン（ＯＨ^－）を酸化して酸素や水を生成するための電極である。

アノード１１１は、上記酸化反応の過電圧を減少させることが可能な触媒材料（アノード触媒材料）を含むことが好ましい。このような触媒材料は、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属、それらの金属を含む合金や金属間化合物、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）、酸化ルテニウム（Ｒｕ－Ｏ）、酸化リチウム（Ｌｉ－Ｏ）、酸化ランタン（Ｌａ－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、Ｒｕ錯体やＦｅ錯体等の金属錯体を含む。

アノード１１１は、セパレータ１３１とアノード流路１１２との間で液体やイオンを移動させることが可能な構造、例えばメッシュ材、パンチング材、多孔体、金属繊維焼結体等の多孔構造を有する基材を備えている。基材は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）等の金属やこれら金属を少なくとも１つ含む合金（例えばＳＵＳ）等の金属材料で構成してもよいし、上述したアノード触媒材料で構成してもよい。アノード触媒材料として酸化物を用いる場合には、上記した金属材料からなる基材の表面にアノード触媒材料を付着もしくは積層して触媒層を形成することが好ましい。アノード触媒材料は、酸化反応を高める上でナノ粒子、ナノ構造体、ナノワイヤ等を有することが好ましい。ナノ構造体とは、触媒材料の表面にナノスケールの凹凸を形成した構造体である。また、必ずしもアノード１１１に酸化触媒を設けなくてもよい。アノード１１１以外に設けられた酸化触媒層をアノード１１１に電気的に接続してもよい。

カソード１２１は、セパレータ１３１に接する。カソード１２１は、セパレータ１３１からアノード溶液やイオンが供給され、カソード流路１２２から二酸化炭素ガスが供給される。カソード１２１は、二酸化炭素の還元反応や還元生成物の還元反応を生起し、炭素化合物を生成するための電極（還元電極）である。炭素化合物の例は、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）等を含む。カソード１２１での還元反応は、二酸化炭素の還元反応とともに、水の還元反応を生起して水素（Ｈ_２）を生成する副反応を含んでいてもよい。

カソード１２１は、ガス拡散層と、ガス拡散層の上に設けられたカソード触媒層と、を有する。ガス拡散層とカソード触媒層との間には、ガス拡散層より緻密な多孔質層を配置してもよい。ガス拡散層はカソード流路１２２側に配置され、カソード触媒層はセパレータ１３１側に配置される。カソード触媒層は、ガス拡散層中に入り込んでいてもよい。カソード触媒層は、触媒ナノ粒子や触媒ナノ構造体等を有することが好ましい。ガス拡散層は、例えばカーボンペーパやカーボンクロス等により構成され、撥水処理が施されていてもよい。多孔質層は、カーボンペーパやカーボンクロスより孔径が小さい多孔質体により構成される。

ガス拡散層に適度な撥水処理を施すことによって、カソード触媒層には主としてガス拡散により二酸化炭素ガスが到達する。二酸化炭素の還元反応やそれにより生成される炭素化合物の還元反応は、ガス拡散層とカソード触媒層との境界近傍、もしくはガス拡散層中に入り込んだカソード触媒層近傍で生起する。

カソード触媒層は、上記還元反応の過電圧を減少させることが可能な触媒材料（カソード触媒材料）で構成することが好ましい。このような材料の例は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）等の金属、それらの金属を少なくとも１つ含む合金や金属間化合物等の金属材料、炭素（Ｃ）、グラフェン、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、フラーレン、ケッチェンブラック等の炭素材料、Ｒｕ錯体やＲｅ錯体等の金属錯体を含む。カソード触媒層には、板状、メッシュ状、ワイヤ状、粒子状、多孔質状、薄膜状、島状等の各種形状を適用することができる。

カソード触媒層を構成するカソード触媒材料は、上記した金属材料のナノ粒子、金属材料のナノ構造体、金属材料のナノワイヤ、もしくは上記した金属材料のナノ粒子がカーボン粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン等の炭素材料に担持された複合体を有することが好ましい。カソード触媒材料として触媒ナノ粒子、触媒ナノ構造体、触媒ナノワイヤ、触媒ナノ担持構造体等を適用することによって、カソード１２１における二酸化炭素の還元反応の反応効率を高めることができる。

アノード１１１およびカソード１２１は、電源１５０に接続可能である。電源１５０の例は、通常の系統電源や電池に限定されず、太陽電池や風力発電等の再生可能エネルギーで発生させた電力を供給する電力源を含んでいてもよい。再生可能エネルギーを用いると二酸化炭素の有効利用という点も合わせて環境上好ましい。電源１５０は、上記電源の出力を調整してアノード１１１とカソード１２１との間の電圧を制御するパワーコントローラをさらに有していてもよい。なお、電源１５０は、電解装置１の外部に設けられてもよい。

アノード流路１１２は、アノード１１１に面する。アノード流路１１２は、アノード１１１にアノード溶液を供給する機能を有する。

アノード溶液は、少なくとも水（Ｈ_２Ｏ）を含むことが好ましい。二酸化炭素（ＣＯ_２）は、カソード流路１２２から供給されるため、液体は二酸化炭素（ＣＯ_２）を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。

アノード溶液としては、金属イオンを含有している水溶液（電解液）を用いることができる。水溶液としては、例えばリン酸イオン（ＰＯ_４ ^２－）、ホウ酸イオン（ＢＯ_３ ^３－）、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カリウムイオン（Ｋ^＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、リチウムイオン（Ｌｉ^＋）、セシウムイオン（Ｃｓ^＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、塩化物イオン（Ｃｌ^－）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）等を含む水溶液が挙げられる。他にも、ＬｉＨＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３、ＫＨＣＯ_３、ＣｓＨＣＯ_３、リン酸、ホウ酸等を含む水溶液を用いてもよい。

アノード流路１１２は、流路板１１４の表面に設けられる。流路板１１４は、アノード１１１に電解液であるアノード溶液を供給するものであり、表面にアノード流路１１２を形成する溝（凹部）を有する。流路板１１４の材料は、化学反応性が低く、かつ導電性が高い材料を用いることが好ましい。そのような材料の例は、例えばＴｉやＳＵＳ等の金属材料、カーボン等を含む。なお、アノード流路１１２は、アノード集電体１１３に設けられていてもよい。また、流路板１１４の材料は、例えば化学反応性が低く、かつ導電性を有しない材料を含む。そのような材料の例は、例えばアクリル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、フッ素樹脂等の絶縁樹脂材料を含む。なお、流路板１１４は、図示されていないアノード流路１１２の流入口および流出口、また締め付けのためのネジ穴を有する。

流路板１１４は、主に一つの部材から形成されているが、異なる部材から形成され、それらを積層して構成されてもよい。さらに、一部、または全面に表面処理を施すことで、親水性または撥水性の機能を付与してもよい。

アノード流路１１２は、入口と出口とを有し、入口を介してアノード供給部４０１からアノード溶液が供給され、出口を介してアノード溶液が排出される。アノード溶液は、アノード１１１と接するようにアノード流路１１２内を流通する。

アノード集電体１１３は、アノード１１１に電気的に接続される。アノード集電体１１３は、流路板１１４のアノード流路１１２の反対側の面と接している。アノード集電体１１３は、化学反応性が低く、かつ導電性が高い材料を含むことが好ましい。そのような材料としては、ＴｉやＳＵＳ等の金属材料、カーボン等が挙げられる。

カソード流路１２２は、カソード１２１に面する。カソード流路１２２は、カソード１２１に二酸化炭素を含む流体（カソードガス）を供給する機能を有する。二酸化炭素を含む流体は加湿されることにより蒸気を含んでいてもよい。還元反応により生成される化合物は、カソード流路１２２から主に排出される。還元反応により生成される化合物は、還元触媒の種類等によって異なる。この様なガス生成物と共に、蒸気、あるいは、加湿された二酸化炭素ガスに含まれた蒸気が結露して得られた水分がカソード流路１２２から排出される。

カソード流路１２２は、流路板１２４の表面に設けられる。流路板１２４は、表面にカソード流路１２２を形成する溝（凹部）を有する。流路板１２４の材料は、化学反応性が低く、かつ導電性が高い材料を用いることが好ましい。そのような材料の例は、例えばＴｉやＳＵＳ等の金属材料、カーボン等を含む。また、流路板１２４の材料は、例えば化学反応性が低く、かつ導電性を有しない材料を含む。そのような材料の例は、例えばアクリル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、フッ素樹脂等の絶縁樹脂材料を含む。なお、流路板１２４は、図示されていない締め付けのためのネジ穴を有する。また、各流路板の前後には、図示を省略したパッキンが必要に応じて挟み込まれる。なお、カソード流路１２２は、カソード集電体１２３に設けられていてもよい。

カソード流路１２２は、入口と出口とを有し、入口を介してカソード供給部３０１から二酸化炭素等のカソードガスが供給され、出口を介してカソードガスを含む流体が排出される。カソードガスは、カソード１２１と接するようにカソード流路１２２内を流通する。

カソード流路１２２は、カソード１２１との電気的接触のためにカソード１２１と接するランドを有していてもよい。カソード流路１２２の形状は、連続して繋がっていれば特に限定されず、例えば、細長い流路を折り曲げたサーペンタイン構造等が挙げられる。これにより、カソードガスがカソード１２１の面に均一に流れるため、カソード１２１において均一な反応を行うことができるため、好ましい。

カソードガスは乾燥状態で供給されてもよい。カソードガスが二酸化炭素ガスである場合、カソード供給部３０１からカソード流路１２２に供給するカソードガスの二酸化炭素濃度は１００％でなくてもよい。様々な施設で排出された二酸化炭素を含むガスをカソードガスとして用いることも可能である。

流路板１２４は、主に一つの部材から形成されているが、異なる部材から形成され、それらを積層して構成されてもよい。さらに、一部、または全面に表面処理を施すことで、親水性または撥水性の機能を付与してもよい。

カソード集電体１２３は、電解セル１００のカソード１２１に電気的に接続される。カソード集電体１２３は、化学反応性が低く、かつ導電性が高い材料を含むことが好ましい。そのような材料としては、ＴｉやＳＵＳ等の金属材料、カーボン等が挙げられる。

セパレータ１３１は、アノード１１１とカソード１２１とを分離するように配置されている。セパレータ１３１は、アノード１１１とカソード１２１との間でイオンを移動させることができ、かつアノード１１１とカソード１２１とを分離することが可能なイオン交換膜を含む。イオン交換膜の例は、例えばナフィオンやフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタやセレミオン、サステニオンのようなアニオン交換膜を使用することができる。電解液にアルカリ溶液を使用し、主としてＯＨ^－の移動を想定した場合、セパレータ１３１はアニオン交換膜で構成することが好ましい。また、炭化水素を基本骨格とした膜や、アミン基を有する膜を用いてイオン交換膜が構成されていてもよい。ただし、イオン交換膜以外にもアノード１１１とカソード１２１との間でイオンを移動させることが可能な材料であれば、塩橋、ガラスフィルタ、多孔質高分子膜、多孔質絶縁材料等をセパレータ１３１に適用してもよい。ただし、アノード１１１とカソード１２１との間でガスの流通が起こると、還元生成物の再酸化による循環反応が起きることがある。このため、アノード１１１とカソード１２１との間のガスの交換が少ない方が好ましい。このため多孔体の薄膜をセパレータ１３１として用いる場合には注意が必要である。

次に、電解セル１００の駆動方法例について説明する。ここでは、炭素化合物として一酸化炭素を生成する場合について、主として説明するが、二酸化炭素の還元生成物としての炭素化合物は一酸化炭素に限定されない。

まず、主に水（Ｈ_２Ｏ）を酸化して水素イオン（Ｈ^＋）を生成する場合の反応過程について述べる。アノード１１１とカソード１２１との間に電源１５０から電流を供給すると、アノード溶液と接するアノード１１１で水（Ｈ_２Ｏ）の酸化反応が生じる。具体的には、下記の（１）式に示すように、アノード溶液中に含まれるＨ_２Ｏが酸化されて、酸素（Ｏ_２）と水素イオン（Ｈ^＋）とが生成する。

２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ^－・・・（１）

アノード１１１で生成されたＨ^＋は、アノード流路１１２内に存在する電解液、セパレータ１３１を移動し、カソード１２１付近に到達する。電源１５０からカソード１２１に供給される電流に基づく電子（ｅ^－）とカソード１２１付近に移動したＨ^＋とによって、二酸化炭素の還元反応が生じる。具体的には、下記の（２）式に示すように、カソード流路１２２からカソード１２１に供給される二酸化炭素が還元されて一酸化炭素が生成される。また、下記式（３）のように水素イオンが電子を受け取ることにより、水素が生成する。このとき、水素は一酸化炭素と同時に生成してもよい。

ＣＯ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－ → ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ・・・（２）
２Ｈ^＋＋２ｅ^－ → Ｈ_２・・・（３）

次に、主に二酸化炭素（ＣＯ_２）を還元して水酸化物イオン（ＯＨ^－）を生成する場合の反応過程について述べる。アノード１１１とカソード１２１との間に電源１５０から電流を供給すると、カソード１２１付近において、下記の（４）式に示すように、水（Ｈ_２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）が還元されて、一酸化炭素（ＣＯ）と水酸化物イオン（ＯＨ^－）とが生成する。また、下記式（５）のように水が電子を受け取ることにより、水素が生成する。このとき、水素は一酸化炭素と同時に生成してもよい。これらの反応により生成した水酸化物イオン（ＯＨ^－）はアノード１１１付近に拡散し、下記の（６）式に示すように、水酸化物イオン（ＯＨ^－）が酸化されて酸素（Ｏ_２）が生成する。

２ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ → ２ＣＯ＋４ＯＨ^－・・・（４）
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ → Ｈ_２＋２ＯＨ^－・・・（５）
４ＯＨ^－ → ２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋４ｅ^－・・・（６）

電解セル１００は、二酸化炭素の還元のみに特化するだけでなく、たとえば一酸化炭素と水素を１：２で生成し、その後の化学反応でメタノールを製造するなどの任意の割合で還元生成物と水素を製造することもできる。

水素は水の電解や化石燃料から安価かつ入手しやすい原料であるため、水素の比率が大きい必要はない。これらの観点から一酸化炭素の水素に対する比率が少なくとも１以上、好ましくは１．５以上であると経済性や環境性の観点から好ましい。

実施形態の電解装置は、二酸化炭素電解装置に限定されず、例えば窒素電解装置であってもよい。窒素電解装置の場合、カソード１２１により窒素（Ｎ_２）ガスを還元してアンモニアを生成可能である。窒素電解装置のその他の構成については、二酸化炭素電解装置の構成を適宜援用できる。

電解セル１００では、アノード流路１１２側を循環する電解液中のカリウム（Ｋ^＋）イオンが、カソード流路１２２側に移動し、そのＫ^＋イオンがカソード流路１２２の出口から、蒸気や、カソード１２１で発生した水分等と共にセル外に流出することにより、電解液濃度が低下する現象が知られている。アノード１１１側を循環する電解液濃度が低下すると電解セル１００の抵抗が上昇して、電解セル１００の長時間連続運転時の性能劣化に繋がる等の問題がある。これに対し、カソード流路１２２の出口側にトラップと呼ばれるカソード排出液回収瓶に溜まった液体をポンプを用いてアノード流路１１２に接続された電解液を貯める電解液タンクに戻すことが考えられる。これにより、カソード排出液中に含まれるＫ^＋イオンを、濃度が低下した電解液に戻せるため、電解液の濃度の低下を抑制できる。

しかしながら、トラップを用いる場合、トラップや、トラップから電解液タンクに液体を移動させるためのポンプ等が必要であり、電解セル１００周辺のシステムが煩雑になり、ポンプを駆動させるための電力も要する。さらに、カソード流路１２２から排出される液体の排出レートは、アノード流路１１２側の電解液循環レートと比べて遅いので、トラップに溜まった液体を電解液タンクにポンプで移すタイミングが間欠的になる。加えて、カソード排出液のＫ^＋イオン濃度は、電解液のＫ^＋イオン濃度に比べて高いことが知られている。よって、間欠的に高濃度のＫ^＋イオン含有液体を電解液タンクに滴下することになるので、この場合、Ｋ^＋イオンが電解液タンク中を拡散し、Ｋ^＋イオン濃度が均一になるまでに時間を要する。このような電解液の濃度低下を回避する機構をさらに効率よく行うことが好ましい。

これに対し、実施形態の電解装置１は、タンク２００を備え、トラップや、トラップから電解液タンクに液体を移動させるためのポンプを備えていない。図２は、タンク２００の構造例を示す模式図である。タンク２００は、収容部２０１と、収容部２０２と、供給流路２０４と、排出流路２０５と、供給流路２０６と、排出流路２０７と、排出流路２０８と、を備える。

収容部２０１および収容部２０２は、アノード溶液を含む液体を収容可能である。収容部２０１および収容部２０２を形成する容器は、ガラス製、樹脂製、金属製等であってもよい。この容器は気体と液体の密閉性が高い容器である。容器が金属製の場合、アノード溶液を通じた電気伝導によるリーク電流を回避するために、内部に絶縁性のコーティングが施されていることが好ましい。絶縁性コーティングは、樹脂、ガラスやゴムであってもよく、高耐久性であることが好ましい。容器には、収容される液体の液面の高さを測定するための水位センサーを容器の１箇所または数箇所に設けてもよい。また、容器には、液体のイオン濃度、または導電率を測定するセンサーを容器の１箇所または数箇所に設けてもよい。また、容器には、容器内の圧力や温度を測定するセンサーを１箇所または数箇所に配置してもよい。電解装置１の運転はこれらセンサーにより検知された値を参照しながらコントローラ等により制御されてもよい。

容器の容積は、電解装置１を運転させるためのアノード溶液と、結露した水分を十分に保有できる大きさであることが好ましく、例えば１Ｌから１００Ｌの容積であってもよいが、この範囲に限定されない。容器の形状は、特に限定されないが、例えば球状、円筒形や直方体でもよい。

収容部２０１と収容部２０２との間に少なくとも一つの収容部をさらに設けてもよい。これらの下部の高さは段階的に低くなることが好ましい。それら全ての収容部にわたってアノード溶液が常に存在している状態が保たれていることが、さらに好ましい。

また、複数の収容部の上部のそれぞれにガスを回収する配管が接続されていてもよい。これにより、容器内の液体総量が何らかの理由で減少、あるいは増加しても、カソード流路１２２からのガスと、アノード流路１１２からのガスは混合しにくく、安全な状態を保ちながら、ガス生成物を回収できる。

隔壁２０３は、収容部２０１と収容部２０２との間に設けられ、収容部２０１と収容部２０２とを区切る。隔壁２０３は、収容部２０１と収容部２０２とを接続する少なくとも一つの開口２０３ａを有する。開口２０３ａの途中には、ポンプが形成されていない。隔壁２０３の材質は液体を通すが気体を通しにくい半透膜、高分子膜、液絡や多孔質材料でもよく、例えば液体を含侵したガラスフィルタでもよい。また、イオン交換膜を用いてもよく、例えばナフィオンやフレミオンのようなカチオン交換膜を使用することができる。液絡は例えば半融ガラス層、セルロース層、パルプ、脱脂綿、フィッシュスキンなどの動物性半透膜、イオン交換膜、寒天、ゼラチンなどで凝晶構造を有する溶液、等であってもよい。開口２０３ａは、複数であってもよい。

開口２０３ａは、液体を通すが気体は通さない。これにより、カソード流路１２２の出口から排出される流体と共に出てくるガス成分（例えばＣＯ、ＣＯ_２、や水素（Ｈ_２）ガス）と、アノード流路１１２の出口から排出される電解液と共に出てくるガス成分（例えば酸素（Ｏ_２）やＣＯ_２ガス）を空間的に分離することができる。これにより、二酸化炭素電解セルの生成物である有価物生成物（例えばＣＯやＨ_２ガス）は液体と分離して回収でき、さらに上記Ｈ_２ガスとＯ_２ガスが混合することもないため、安全上も有効である。

収容部２０１および収容部２０２は、隔壁２０３を境に、左右非対称な形状であってもよい。容器内部に設けられた壁が作る二つの空間は同じ形状や容積でも良いが、異なる形状や容積でもよい。収容部２０１の容積は、収容部２０２の容積よりも小さいことが好ましく、さらに、収容部２０１の上部２０１ａは、収容部２０２の上部２０２ａよりも収容部２０２の下部２０２ｂに対する高さが高くてもよい。また、収容部２０１の下部２０１ｂは、収容部２０１から収容部２０２への液体移動を促すために収容部２０２に向かって低くなるように傾斜していてもよい。

供給流路２０４は、収容部２０１とカソード流路１２２の出口とを接続する。電解装置１は、供給流路２０４を介してカソード流路１２２から供給されるカソードガスを含む流体を収容部２０１に供給可能である。供給流路２０４は、収容部２０１の下部２０１ｂよりも上部２０１ａに近い位置に設けられることが好ましい。これにより、カソード流路１２２からの液体は容器の下部に溜まり、カソード流路１２２からのガス生成物は容器上部に溜まる。図２は、一例として、上部２０１ａに設けられた供給流路２０４を示す。

排出流路２０５は、収容部２０１に接続される。電解装置１は、排出流路２０５を介して収容部２０１内のガス状の還元生成物を収容部２０１から排出可能である。排出流路２０５は、収容部２０１の下部２０１ｂよりも上部２０１ａに近い位置に設けられることが好ましい。図２は、一例として、上部２０１ａに設けられた排出流路２０５を示す。

供給流路２０６は、収容部２０２とアノード流路１１２の出口とを接続する。電解装置１は、供給流路２０６を介してアノード流路１１２から供給されるアノード溶液を含む流体を収容部２０２に供給可能である。供給流路２０６は、収容部２０２の下部２０２ｂよりも上部２０２ａに近い位置に設けられてもよい。図２は、一例として、上部２０２ａに設けられた供給流路２０６を示す。

排出流路２０７は、収容部２０２に接続される。電解装置１は、排出流路２０７を介して収容部２０２内に供給されるガス状の酸化生成物を収容部２０２から排出可能である。排出流路２０７は、収容部２０２の下部２０２ｂよりも上部２０２ａに近い位置、または収容部２０２の上部２０２ａよりも下部２０２ｂに近い位置に設けられてもよい。図２は、一例として、上部２０２ａに設けられた排出流路２０７を示す。

排出流路２０８は、収容部２０２とアノード供給部４０１とを接続する。電解装置１は、排出流路２０８を介して収容部２０２内のアノード溶液を含む液体を収容部２０２からアノード供給部４０１に排出可能である。排出流路２０８は、収容部２０２の上部２０２ａよりも下部２０２ｂに近い位置に設けられることが好ましい。図２は、一例として、収容部２０２の側部２０２ｃに設けられた排出流路２０８を示す。

供給流路２０４、排出流路２０５、供給流路２０６、排出流路２０７、および排出流路２０８のそれぞれは、配管である。配管は、例えば容器に適用可能な材料を用いて形成される。

カソード供給部３０１は、カソード流路１２２の入口に接続される。カソード供給部３０１は、カソード流路１２２にカソードガスを供給可能である。二酸化炭素電解装置の場合、カソード供給部３０１は、カソード流路１２２に二酸化炭素ガスを含むカソードガスを供給可能である。窒素電解装置の場合、カソード供給部３０１は、カソード流路１２２に窒素を含むカソードガスを供給可能である。カソード供給部３０１は、例えばカソードガスを収容するタンクと、当該タンクからカソード流路１２２に供給するカソードガスの流量を調整するマスフローコントローラ等を含む。収容部２０１および収容部２０２を形成する容器に設けられた水位センサー、圧力センサー、温度センサー、や液体のイオン濃度、または導電率を測定するセンサー等による検知信号に従ってコントローラ等によりカソード供給部３０１によるカソードガスの供給を制御してもよい。

アノード供給部４０１は、排出流路２０８とアノード流路１１２の入口とを接続する。アノード供給部４０１は、排出流路２０８から排出されたアノード溶液を含む流体をアノード流路１１２に供給可能である。これにより、アノード溶液を循環できる。アノード供給部４０１は、例えばポンプを含む。ポンプによりアノード１１１に供給されるアノード溶液を含む液体の流量を調整できる。収容部２０１および収容部２０２を形成する容器に設けられた水位センサー、圧力センサー、温度センサー、や液体のイオン濃度、または導電率を測定するセンサー等による検知信号に従ってコントローラ等によりアノード供給部４０１による液体の供給を制御してもよい。

次に、タンク２００の駆動方法例について説明する。供給流路２０４からカソードガスとともにカソード流路１２２側に移動した電解液が供給されると、カソード１２１側で発生した液体及びガスを含む流体は、カソード１２１側に供給される原料ガス圧に押され、収容部２０１の下方に溜まる。収容部２０１では、重力等の効果で気液分離が起きる。分離された、金属イオンを含むカソード１２１側に発生した液体は、収容部２０１の下方に溜まる。一方で、収容部２０２には、ほぼ一定の水位の液体を存在させる。収容部２０２に供給流路２０６からアノード溶液を含む流体が供給され、供給流路２０４からカソードガスとともにカソード流路１２２側に移動した電解液が収容部２０１に供給されると、収容部２０１に収容される液体の液面２１１の収容部２０２の下部２０２ｂに対する高さが収容部２０２に収容される液体の液面２１２の収容部２０２の下部２０２ｂに対する高さよりも高くなるように液面２１１と液面と２１２との間で高低差を形成するように電解装置１を駆動する。これにより、開口２０３ａを介して収容部２０１から収容部２０２に電解液に含まれるＫ^＋イオン等のイオンが移動する。

これにより、例えばカソード流路１２２の出口から排出される高Ｋ^＋イオン濃度の液体と、アノード流路１１２側を循環する電解液が開口２０３ａを通じて混ざり合う。これにより、電解液においてはＫ^＋イオンが拡散していくので大きな濃度勾配は発生せず、Ｋ^＋イオン濃度が均一になるまでの時間を大幅に短縮でき、収容部２０２の電解液が高濃度である状態を維持できる。また、装置構成を簡素化できるので、装置の設置面積をより小さくでき、さらに、タンク２００の構成では、トラップやトラップから電解液タンクに液体を移動させるためのポンプが不要となるため、そのポンプを動作させる分の電力を削減できる。

タンク２００の構造は、図２に示す構造例に限定されない。図３および図４は、タンク２００の別の構造例を示す模式図である。

図３に示すタンク２００は、図２に示すタンク２００と比較して開口２０３ａが配管２３１を用いて形成されている点が異なる。配管２３１は、収容部２０１と収容部２０２とを接続する。配管２３１は、例えば容器に適用可能な材料を用いて形成されてもよい。

配管２３１の途中に外部信号によって制御された弁を設けてもよい。弁は、容器に設けられた水位センサー、圧力センサー、温度センサー、や液体のイオン濃度、または導電率を測定するセンサー等による検知信号に従ってコントローラ等によりその開閉が制御される。

さらに、図３に示すタンク２００は、図２に示すタンク２００と比較して下部２０１ｂを下部２０２ｂよりも下部２０２ｂに対する高さを高くすることにより、液面２１１と液面２１２との高低差を形成する点が異なる。

図４に示すタンク２００は、図２に示すタンク２００と比較して開口２０３ａが液体および気体を通さない隔壁２３２に形成されている点が異なる。隔壁２３２の材料は、例えばガラス、樹脂、または金属であってもよい。隔壁２３２の材料が金属の場合、隔壁２３２と容器の外部が電気的に絶縁されていることが好ましい。隔壁２３２の厚さは、容器の内部空間の圧力差に十分耐えうる強度であれば、特に限定しないが、例えば１ｍｍから５０ｃｍであっても良いが、この範囲に限定されない。

図４に示す開口２０３ａは、収容部２０１の上部２０１ａおよび収容部２０２の上部２０２ａのそれぞれよりも収容部２０１の下部２０１ｂおよび収容部２０２の下部２０２ｂに近い位置に設けられる。開口２０３ａは、三角形、円形、等の多角形の形状を有していてもよく、それらの組み合わせであっても良い。開口２０３ａの形状は、液体の移動の妨げにならない形状が好ましいが、開口２０３ａの周囲は平面でもよく、突起物を設けてもよい。

開口２０３ａの大きさは、液体の移動の妨げにならない大きさが好ましく、例えば１ｍｍから１０ｃｍであってもよいが、この範囲に限定されない。

開口２０３ａの単位面積当たりの数は、液体の移動の妨げにならない値が好ましく、かつ、隔壁２０３の強度を維持できる程度の値がより好ましい。

上記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。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、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。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１…電解装置、１００…電解セル、１１１…アノード、１１２…アノード流路、１１３…アノード集電体、１１４…流路板、１２１…カソード、１２２…カソード流路、１２３…カソード集電体、１２４…流路板、１３１…セパレータ、１５０…電源、２００…タンク、２０１…収容部、２０１ａ…上部、２０１ｂ…下部、２０２…収容部、２０２ａ…上部、２０２ｂ…下部、２０２ｃ…側部、２０３…隔壁、２０３ａ…開口、２０４…供給流路、２０５…排出流路、２０６…供給流路、２０７…排出流路、２０８…排出流路、２１１…液面、２１２…液面、２３１…配管、２３２…隔壁、３０１…カソード供給部、４０１…アノード供給部。

Claims

カソードと、アノードと、前記カソードに面するカソード流路と、前記アノードに面するアノード流路と、を具備する電解セルと、
第１の収容部と、第２の収容部と、前記第１の収容部と前記第２の収容部とを接続する開口と、を有し、前記第１の収容部および前記第２の収容部が少なくとも一つのイオンを含む液体を収容可能であり、前記第１の収容部に収容される前記液体の第１の液面の前記第２の収容部の下部に対する高さが前記第２の収容部に収容される前記液体の第２の液面の前記第２の収容部の下部に対する高さよりも高くなるように前記第１の液面と前記第２の液面との間で高低差を形成することにより、前記開口を介して前記第１の収容部から前記第２の収容部に前記液体に含まれるイオンを移動させるタンクと、
前記カソード流路の出口と、前記第１の収容部と、を接続する第１の流路と、
前記第２の収容部と、前記アノード流路の出口と、を接続する第２の流路と、
を具備する、電解装置。
前記タンクは、前記第１の収容部と前記第２の収容部との間に設けられるとともに前記開口を有する隔壁を有する、請求項１に記載の電解装置。
前記タンクは、前記開口を有する配管を有する、請求項１または請求項２に記載の電解装置。
前記タンクは、前記開口の途中にポンプを有していない、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電解装置。
前記第１の収容部の下部は、前記第２の収容部の下部よりも高い位置に設けられる、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の電解装置。
前記カソードは、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成可能である、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の電解装置。
前記カソードは、窒素を還元してアンモニアを生成可能である、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の電解装置。
前記少なくとも一つのイオンは、カリウムイオンを含む、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の電解装置。
電解装置の駆動方法であって、
前記電解装置は、
カソードと、アノードと、前記カソードに面するカソード流路と、前記アノードに面するアノード流路と、を具備する電解セルと、
第１の収容部と、第２の収容部と、前記第１の収容部と前記第２の収容部とを接続する開口と、を有し、前記第１の収容部および前記第２の収容部が少なくとも一つのイオンを含む液体を収容可能であるタンクと、
前記カソード流路の出口と、前記第１の収容部と、を接続する第１の流路と、
前記第２の収容部と、前記アノード流路の入口と、を接続する第２の流路と、
を具備し、
前記方法は、
前記第１の収容部に収容される前記液体の第１の液面の前記第２の収容部の下部に対する高さが前記第２の収容部に収容される前記液体の第２の液面の前記第２の収容部の下部に対する高さよりも高くなるように前記第１の液面と前記第２の液面との間で高低差を形成することにより、前記開口を介して前記第１の収容部から前記第２の収容部に前記液体に含まれるイオンを移動させる、電解装置の駆動方法。
前記タンクは、前記第１の収容部と前記第２の収容部との間に設けられるとともに前記開口を有する隔壁を有する、請求項９に記載の駆動方法。
前記タンクは、前記開口を有する配管を有する、請求項９または請求項１０に記載の駆動方法。
前記タンクは、前記開口の途中にポンプを有していない、請求項９ないし請求項１１のいずれか一項に記載の駆動方法。
前記第１の収容部の下部は、前記第２の収容部の下部よりも高い位置に設けられる、請求項９ないし請求項１２のいずれか一項に記載の電解装置。
前記カソードは、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する、請求項９ないし請求項１３のいずれか一項に記載の駆動方法。
前記カソードは、窒素を還元してアンモニアを生成する、請求項９ないし請求項１３のいずれか一項に記載の駆動方法。
前記少なくとも一つのイオンは、カリウムイオンを含む、請求項９ないし請求項１５のいずれか一項に記載の駆動方法。