特許ウォッチ

公開番号2024043422
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-29
出願番号2022148606
出願日2022-09-16
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 9/13 20210101AFI20240322BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】電解効率の低下を抑制する。
【解決手段】電解装置は、カソードガスを加湿する加湿器と、カソード流路の出口から排出されるとともにカソードガスと還元生成物とを含むカソード流体が流れるカソード排出流路と、アノード排出流路から供給されるアノード流体を、アノード溶液を含むアノード排液と酸化生成物を含むアノード排気に分離するアノード収集器と、アノード収集器から供給されるアノード排気を冷却してアノード排気に含まれる水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する第1の冷却器と、アノード収集器とアノード供給流路とを接続し、アノード収集器からアノード供給流路にアノード溶液が流れる第1の流路と、凝縮水収集器から加湿器にアノード凝縮水が流れる第2の流路と、第1の流路を流れるアノード溶液と第2の流路を流れるアノード凝縮水との間で熱交換を行う第1の熱交換構造と、を具備する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１の物質を酸化して酸化生成物を生成するアノードと、
第２の物質を還元して還元生成物を生成するカソードと、
前記アノードに面するアノード流路と、
前記カソードに面するカソード流路と、
前記アノード流路の入口に接続され、前記第１の物質を含むアノード溶液を前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、
前記アノード流路の出口から排出されるとともに前記アノード溶液と前記酸化生成物とを含むアノード流体が流れるアノード排出流路と、
前記第２の物質を含むカソードガスを供給するカソードガス供給源と、
前記カソードガスを加湿する加湿器と、
前記カソード流路の入口に接続され、加湿された前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、
前記カソード流路の出口から排出されるとともに前記カソードガスと前記還元生成物とを含むカソード流体が流れるカソード排出流路と、
前記アノード排出流路から供給される前記アノード流体を、前記アノード溶液を含むアノード排液と前記酸化生成物を含むアノード排気に分離するアノード収集器と、
前記アノード収集器から供給される前記アノード排気を冷却して前記アノード排気に含まれる第１の水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する第１の冷却器と、
前記アノード凝縮水を収容する凝縮水収集器と、
前記アノード収集器と前記アノード供給流路とを接続し、前記アノード収集器から前記アノード供給流路に前記アノード溶液が流れる第１の流路と、
前記凝縮水収集器と前記加湿器とを接続し、前記凝縮水収集器から前記加湿器に前記アノード凝縮水が流れる第２の流路と、
前記第１の流路を流れる前記アノード溶液と前記第２の流路を流れる前記アノード凝縮水との間で熱交換を行う第１の熱交換構造と、
を具備する、電解装置。
続きを表示（約 2,300 文字）【請求項２】
第１の物質を酸化して酸化生成物を生成するアノードと、
第２の物質を還元して還元生成物を生成するカソードと、
前記アノードに面するアノード流路と、
前記カソードに面するカソード流路と、
前記アノード流路の入口に接続され、前記第１の物質を含むアノード溶液を前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、
前記アノード流路の出口から排出されるとともに前記アノード溶液と前記酸化生成物とを含むアノード流体が流れるアノード排出流路と、
前記第２の物質を含むカソードガスを供給するカソードガス供給源と、
前記カソードガスを加湿する加湿器と、
前記カソード流路の入口に接続され、加湿された前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、
前記カソード流路の出口から排出されるとともに前記カソードガスと前記還元生成物とを含むカソード流体が流れるカソード排出流路と、
前記アノード排出流路から供給される前記アノード流体を、前記アノード溶液を含むアノード排液と前記酸化生成物を含むアノード排気に分離するアノード収集器と、
前記アノード収集器から供給される前記アノード排気を冷却して前記アノード排気に含まれる第１の水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する第１の冷却器と、
前記アノード凝縮水を収容する凝縮水収集器と、
前記アノード収集器と前記アノード供給流路とを接続し、前記アノード収集器から前記アノード供給流路に前記アノード溶液が流れる第１の流路と、
前記凝縮水収集器から供給される前記アノード凝縮水を冷却する第２の冷却器と、
前記アノード流路または前記カソード流路に対抗して配置され、前記第２の冷却器を介して供給される前記アノード凝縮水が流れる冷却用流路と、
前記冷却用流路の出口と前記加湿器とを接続し、前記冷却用流路から前記加湿器に前記アノード凝縮水が流れる第３の流路と、
前記アノード流路を流れる前記アノード溶液と前記冷却用流路を流れる前記アノード凝縮水との間で熱交換を行う第２の熱交換構造と、
を具備する、電解装置。
【請求項３】
前記カソード排出流路から供給される前記カソード流体を、前記アノード溶液を含むカソード排液と前記還元生成物を含むカソード排気に分離するカソード収集器と、をさらに具備し、
前記第２の冷却器は、前記カソード排気を冷却することにより、前記カソード排気に含まれる第２の水蒸気を凝縮してカソード凝縮水を生成し、
前記冷却用流路は、前記アノード凝縮水とともに前記第２の冷却器を介して供給される前記カソード凝縮水が流れる、請求項２に記載の電解装置。
【請求項４】
前記カソード収集器から前記アノード収集器に供給される前記カソード排液が流れる第４の流路をさらに具備する、請求項３に記載の電解装置。
【請求項５】
前記凝縮水収集器から前記第２の冷却器に供給される前記アノード凝縮水が流れる第５の流路を有し、
前記第２の冷却器は、前記アノード凝縮水を用いて前記カソード排気を冷却する、請求項３に記載の電解装置。
【請求項６】
前記凝縮水収集器は、前記アノード凝縮水を冷却する第３の冷却器を有し、
前記第１の冷却器は、前記第３の冷却器により冷却された前記アノード凝縮水を用いて前記アノード排気を冷却する、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。
【請求項７】
前記第１の冷却器は、前記凝縮水収集器に設けられる、請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の電解装置。
【請求項８】
前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を制御する流量制御器と、
前記加湿器に設けられ、前記加湿器に収容されるとともに前記アノード凝縮水を含む温水の水位を検出して第１の検知信号を送信する第１の検出器と、
前記第１の検知信号に基づいて前記流量制御器を制御することにより前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を調整する制御装置と、をさらに具備する、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。
【請求項９】
前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を制御する流量制御器と、
前記加湿器に設けられ、前記加湿器に収容され、前記アノード凝縮水を含む温水の水位を検出して第１の検知信号を送信する第１の検出器と、
前記第１の検知信号に基づいて前記流量制御器を制御することにより前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を調整する制御装置と、
前記第３の流路と前記凝縮水収集器とを接続する第６の流路と、
前記第６の流路の途中に設けられた第１のバルブと、
前記第３の流路の途中に設けられた第２のバルブと、
前記凝縮水収集器に収容される前記アノード凝縮水の水位を検出して第２の検知信号を送信する第２の検出器をさらに具備し、
前記制御装置は、前記第２の検知信号に基づいて前記１のバルブと前記第２のバルブを制御する前記アノード凝縮水を前記加湿器に供給するか前記凝縮水収集器に供給するかを選択する、請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の電解装置。
【請求項１０】
前記アノード収集器に収容される前記アノード排液に電解液を補充する電解液供給源をさらに具備する、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。
（【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 2,700 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している。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（Ｈ
２
Ｏ）の電解を行い、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）に変換する電解装置が注目されている。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、カソード流路とアノード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、電解反応を長時間実施した場合、生成物の量が低下したり、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、電解効率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】
電解装置は、第１の物質を酸化して酸化生成物を生成するアノードと、第２の物質を還元して還元生成物を生成するカソードと、アノードに面するアノード流路と、カソードに面するカソード流路と、アノード流路の入口に接続され、第１の物質を含むアノード溶液をアノード流路に供給するアノード供給流路と、アノード流路の出口から排出されるとともにアノード溶液と酸化生成物とを含むアノード流体が流れるアノード排出流路と、第２の物質を含むカソードガスを供給するカソードガス供給源と、カソードガスを加湿する加湿器と、カソード流路の入口に接続され、加湿されたカソードガスをカソード流路に供給するカソード供給流路と、カソード流路の出口から排出されるとともにカソードガスと還元生成物とを含むカソード流体が流れるカソード排出流路と、アノード排出流路から供給されるアノード流体を、アノード溶液を含むアノード排液と酸化生成物を含むアノード排気に分離するアノード収集器と、アノード収集器から供給されるアノード排気を冷却してアノード排気に含まれる水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する第１の冷却器と、アノード凝縮水を収容する凝縮水収集器と、アノード収集器とアノード供給流路とを接続し、アノード収集器からアノード供給流路にアノード溶液が流れる第１の流路と、凝縮水収集器と加湿器とを接続し、凝縮水収集器から加湿器にアノード凝縮水が流れる第２の流路と、第１の流路を流れるアノード溶液と第２の流路を流れるアノード凝縮水との間で熱交換を行う第１の熱交換構造と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
第１の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。
電解部１００の他の構造例を説明するための模式図である。
電解部１００の他の構造例を説明するための模式図である。
アノード流路１１２を有する流路板１１４の平面構造例を示す模式図である。
冷却用流路１４１を有する流路板の平面構造例を示す模式図である。
冷却用流路１４１を有する流路板１５３の他の平面構造例を示す模式図である。
冷却用流路１４１を有する流路板１５３の他の平面構造例を示す模式図である。
第２の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。
第３の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。
第４の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。
第５の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。
第６の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。
第７の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。
第８の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の電解装置について、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場合もある。
（【００１１】以降は省略されています）

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