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公開番号2024042585
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-28
出願番号2022147391
出願日2022-09-15
発明の名称電解装置
出願人株式会社東芝
代理人弁理士法人サクラ国際特許事務所
主分類C25B 15/08 20060101AFI20240321BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】セル性能の低下を抑制する。
【解決手段】電解装置は、アノードと、カソードと、アノードに面して設けられるとともに第1の液体が流れるアノード流路を形成する第1の凹部を有する第1の流路板と、カソードに面して設けられるとともに第1の気体が流れるカソード流路を形成する第2の凹部を有する第2の流路板と、アノードとカソードとの間に設けられたセパレータと、を備える電解セルを具備する。第2の流路板は、第2の凹部の内面に凹凸表面を有する。凹凸表面の算術平均粗さは、0.03μm以上50μm以下である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
アノードと、
カソードと、
前記アノードに面して設けられるとともに第１の液体が流れるアノード流路を形成する第１の凹部を有する第１の流路板と、
前記カソードに面して設けられるとともに第１の気体が流れるカソード流路を形成する第２の凹部を有する第２の流路板と、
前記アノードと前記カソードとの間に設けられたセパレータと、
を備える電解セルを具備し、
前記第２の流路板は、前記第２の凹部の内面に凹凸表面を有し、
前記凹凸表面の算術平均粗さは、０．０３μｍ以上５０μｍ以下である、電解装置。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記アノードは、前記第１の液体に含まれる水を酸化して酸素を生成し、
前記カソードは、前記１の気体に含まれる二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する、請求項１に記載の電解装置。
【請求項３】
前記アノードは、前記第１の液体に含まれる水を酸化して酸素を生成し、
前記カソードは、前記第１の気体に含まれる窒素を還元してアンモニアを生成する、請求項１に記載の電解装置。
【請求項４】
前記第２の流路板は、前記凹凸表面に設けられた第１のカソード触媒を含む第１のカソード触媒層を有する、請求項１に記載の電解装置。
【請求項５】
前記カソード流路の後半部は、前記カソード流路の前半部よりも前記第１のカソード触媒の量が多い、請求項４に記載の電解装置。
【請求項６】
前記カソードは、第２のカソード触媒を含む第２のカソード触媒層を有し、
前記第２のカソード触媒層は、前記第１のカソード触媒層よりもアイオノマーの量が少ない、請求項４に記載の電解装置。
【請求項７】
前記カソードは、第２のカソード触媒を含む第２のカソード触媒層を有し、
前記第１のカソード触媒層の前記第１のカソード触媒の密度は、前記第２のカソード触媒層の前記第２のカソード触媒の密度よりも低い、請求項４に記載の電解装置。
【請求項８】
前記第１のカソード触媒層の前記第１のカソード触媒の密度は、前記第２のカソード触媒層の前記第２のカソード触媒の密度の１／１０以下である、請求項７に記載の電解装置。
【請求項９】
前記カソード流路から排出される第１の流体から前記第１の液体を分離し、分離された前記第１の液体を収容する第１のタンクを有する気液分離部と、
前記アノード流路の入口と出口とを接続し、前記第１の液体を循環させる第１の流路と、
前記第１の流路の途中に設けられ、前記第１の液体を収容する第２のタンクと、
前記第１のタンクと、前記第１の流路と、を接続する第２の流路と、
前記第２の流路の途中に設けられた第１のフィルターと、
をさらに具備する、請求項１に記載の電解装置。
【請求項１０】
前記第１のタンクと前記カソード流路の入口とを接続する第３の流路をさらに具備する、請求項９に記載の電解装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電解装置に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、石油や石炭といった化石燃料の枯渇が懸念され、持続的に利用できる再生可能エネルギーへの期待が高まっている。再生可能エネルギーとしては、太陽電池や風力発電等が挙げられる。これらは発電量が天候や自然状況に依存するため、電力の安定供給が難しいという課題を有する。このため、再生可能エネルギーで発生させた電力を蓄電池に貯蔵し、電力を安定化させることが試みられている。しかし、電力を貯蔵する場合、蓄電池にコストを要したり、また蓄電時にロスが発生するといった問題がある。
【０００３】
このような点に対して、再生可能エネルギーで発生させた電力を用いて水電解を行い、水から水素（Ｈ
２
）を製造したり、あるいは二酸化炭素（ＣＯ
２
）を電気化学的に還元し、一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ
３
ＯＨ）、メタン（ＣＨ
４
）、酢酸（ＣＨ
３
ＣＯＯＨ）、エタノール（Ｃ
２
Ｈ
５
ＯＨ）、エタン（Ｃ
２
Ｈ
６
）、エチレン（Ｃ
２
Ｈ
４
）等の炭素化合物のような化学物質（化学エネルギー）に変換する技術が注目されている。これらの化学物質をボンベやタンクに貯蔵する場合、電力（電気エネルギー）を蓄電池に貯蔵する場合に比べて、エネルギーの貯蔵コストを低減することができ、また貯蔵ロスも少ないという利点がある。
【０００４】
電解装置としては、例えばカソードにＡｇナノ粒子触媒を用い、カソードにカソード溶液とＣＯ
２
ガスを接触させると共に、アノードにアノード溶液を接触させる構造が検討されている。電解装置の具体的な構成としては、例えばカソードの一方の面に沿って配置されたカソード溶液流路と、カソードの他方の面に沿って配置されたＣＯ
２
ガス流路と、アノードの一方の面に沿って配置されたアノード溶液流路と、カソード溶液流路とアノード溶液流路との間に配置されたセパレータとを備える構成が挙げられる。このような構成を有する電解装置を用いて、例えばカソードとアノードに定電流を流して、ＣＯ
２
から例えばＣＯを生成する反応を長時間実施した場合、ＣＯの生成量が低下したり、セル電圧が増加したりする等といった経時的なセル性能の劣化が生じるという課題がある。このため、経時的なセル性能の劣化を抑制することを可能にした二酸化炭素の電解装置が求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
ＺｅｎｇｃａｌＬｉｕｅｔａｌ．，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣＯ２Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，１５，ｐ．５０－５６（２０１５）
ＳｉｎｃｈａｏＭａｅｔａｌ．，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，１６１（１０），Ｆ１１２４－Ｆ１１３１（２０１４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、電解セルの性能の低下を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の電解装置は、アノードと、カソードと、アノードに面して設けられるとともに第１の液体が流れるアノード流路を形成する第１の凹部を有する第１の流路板と、カソードに面して設けられるとともに第１の気体が流れるカソード流路を形成する第２の凹部を有する第２の流路板と、アノードとカソードとの間に設けられたセパレータと、を備える電解セルを具備する。第２の流路板は、第２の凹部の内面に凹凸表面を有する。凹凸表面の算術平均粗さは、０．０３μｍ以上５０μｍ以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
電解装置の構成例を示す図である。
図１に示す電解装置の電解セルを示す断面図である。
図２に示す電解セルにおけるアノード溶液流路の一例を示す図である。
図２に示す電解セルにおけるカソード溶液流路の一例を示す図である。
図２に示す電解セルにおけるカソード溶液流路の他の例を示す図である。
図２に示す電解セルにおけるカソードガス流路の一例を示す図である。
図２に示す電解セルにおけるカソードの一例を示す図である。
図２に示す電解セルにおけるカソードの他の例を示す図である。
図２に示す電解セルにおけるカソードでの反応を模式的に示す図である。
電解装置の運転工程を示す図である。
凹凸を有する流路板２８の構造例を示す断面模式図である。
凹凸を有する流路板２８の構造例を示す断面模式図である。
凹凸表面２９１の形状例を示す模式図である。
カソード触媒を有するカソード流路板２８の構造例を示す断面模式図である。
電解装置の他の構成例を示す図である。
電解装置の他の構成例を示す図である。
電解装置の他の構成例を示す図である。
実施例１のカソード流路の平面形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。以下に示す各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
【００１０】
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。
（【００１１】以降は省略されています）

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