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公開番号2024134916
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-04
出願番号2023045363
出願日2023-03-22
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 20060101AFI20240927BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】ガス流路に導入したCO₂のような被還元物の還元反応率を高めることを可能にした電解装置を提供する。
【解決手段】実施形態の電解装置は、隔膜の一方の面と接する多孔質カソード11と、隔膜の他方の面と接するアノードと、多孔質カソード11と接するカソード流路12と、アノードと接するアノード流路とを備える電解セルと、カソード流路12に被還元物を含むガスを供給する第1の供給部と、アノード流路に電解溶液を供給する第2の供給部とを具備する。カソード流路11は、第1の供給部に接続された第1ガス入口GI1と第1ガス出口GO1とを有する連続構造のガス流路121を備える第1領域A1と、第1ガス出口GI1に接続された第2ガス入口GI2と第2ガス出口GO2とを有する断続構造のガス流路122を備える第2領域A2とを具備する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
隔膜と、前記隔膜の一方の面と接する第１面と前記第１面とは反対側の第２面とを有し、被還元物を還元するための多孔質カソードと、前記隔膜の他方の面と接するように配置され、被酸化物を酸化するためのアノードと、前記多孔質カソードの前記第２面に設けられ、前記多孔質カソードに被還元物を供給するように、被還元物を含むガスを流通させるカソード流路と、前記アノードと接するように設けられ、前記アノードに被酸化物を含む電解溶液を供給するように、前記電解溶液を流通させるアノード流路とを備える電解セルと、
前記カソード流路に前記被還元物を含むガスを供給する第１の供給部と、
前記アノード流路に前記電解溶液を供給する第２の供給部とを具備する電解装置であって、
前記カソード流路は、前記第１の供給部に接続された第１ガス入口と第１ガス出口とを有する連続構造のガス流路を備える第１領域と、前記第１ガス出口に接続された第２ガス入口と第２ガス出口とを有する断続構造のガス流路を備える第２領域とを具備する、電解装置。
続きを表示（約 650 文字）【請求項２】
前記第１領域の面積が前記第２領域の面積より大きい、請求項１に記載の電解装置。
【請求項３】
前記第２領域の前記多孔質カソードの膜厚が前記第１領域の前記多孔質カソードの膜厚より厚い、請求項１に記載の電解装置。
【請求項４】
前記第２領域の前記多孔質カソードの空孔率が前記第１領域の前記多孔質カソードの空孔率より高い、請求項１に記載の電解装置。
【請求項５】
前記第２領域の前記多孔質カソードの触媒含有量が前記第１領域の前記多孔質カソードの触媒含有量より多い、請求項１に記載の電解装置。
【請求項６】
前記第２領域に印加される電流密度が前記第１領域に印加される電流密度より低い、請求項１に記載の電解装置。
【請求項７】
さらに、前記第１領域の前記第１ガス出口と前記第２領域の前記第２ガス入口との間に配置された除湿装置を具備する、請求項１に記載の電解装置。
【請求項８】
前記第１領域と前記第２領域は１つの前記電解セル内に配置されている、請求項１に記載の電解装置。
【請求項９】
前記第１領域と前記第２領域は異なる前記電解セル内に配置されている、請求項１に記載の電解装置。
【請求項１０】
前記第１領域が配置された前記電解セルと前記第２領域が配置された前記電解セルとが積層されている、請求項９に記載の二酸化炭素電解装置。
（【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 2,800 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。そのようなエネルギー問題、さらに環境問題の観点等から、太陽光等の再生可能エネルギーを用いて二酸化炭素を電気化学的に還元し、貯蔵可能な化学エネルギー源を作り出すパワートゥーケミカル技術の開発が進められている。パワートゥーケミカル技術を実現する電解装置は、例えば水（Ｈ
２
Ｏ）を酸化して酸素（Ｏ
２
）を生成するアノードと、二酸化炭素（ＣＯ
２
）を還元して一酸化炭素（ＣＯ）等の炭素化合物を生成するカソードとを備えている。
【０００３】
電解装置のカソードは、例えばガス流路中を流れるＣＯ
２
と接するように配置される。カソードは、再生可能エネルギーに由来する電源等からＣＯ
２
の還元電位を得ることによって、ＣＯ
２
を還元して一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ
３
ＯＨ）、メタン（ＣＨ
４
）、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
）、エチレングリコール（Ｃ
２
Ｈ
６
Ｏ
２
）等の炭素化合物を生成する。ガス流路中にＣＯ
２
ガスを流して還元反応を生じさせた場合、流路出口側はガス中のＣＯ
２
分圧が低くなるため、ＣＯ
２
還元反応が進行しにくくなる。このため、流路出口側ではガス流路に導入したＣＯ
２
の還元反応率が低下しやすい。そこで、電解装置においてはガス流路に基づく被還元物であるＣＯ
２
の還元反応の低下を抑制し、導入したＣＯ
２
のような被還元物の還元反応率を高めることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１８－０７０９３６号公報
特開２０２１－１４７６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、ガス流路に導入した被還元物の還元反応率を高めることを可能にした電解装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の電解装置は、隔膜と、前記隔膜の一方の面と接する第１面と前記第１面とは反対側の第２面とを有し、被還元物を還元するための多孔質カソードと、前記隔膜の他方の面と接するように配置され、被酸化物を酸化するためのアノードと、前記多孔質カソードの前記第２面に設けられ、前記多孔質カソードに被還元物を供給するように、被還元物を含むガスを流通させるカソード流路と、前記アノードと接するように設けられ、前記アノードに被酸化物を含む電解溶液を供給するように、前記電解溶液を流通させるアノード流路とを備える電解セルと、前記カソード流路に前記被還元物を含むガスを供給する第１の供給部と、前記アノード流路に前記電解溶液を供給する第２の供給部とを具備する。実施形態の電解装置において、前記カソード流路は、前記第１の供給部に接続された第１ガス入口と第１ガス出口とを有する連続構造のガス流路を備える第１領域と、前記第１ガス出口に接続された第２ガス入口と第２ガス出口とを有する断続構造のガス流路を備える第２領域とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
実施形態の電解装置を示す断面図である。
図１に示す電解装置の電解セルにおけるカソード流路を示す平面図である。
図１に示す電解装置の電解セルにおけるカソード流路を示す斜視図である。
図３に示す電解装置の電解セルにおける第２領域のガスの流れを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
図１は実施形態の電解装置１を示す断面図、図２は図１に示す電解装置の電解セルにおけるカソード流路を示す平面図、図３は図１に示す電解装置の電解セルにおけるカソード流路を示す斜視図である。なお、以下では主として二酸化炭素電解装置について説明するが、実施形態の電解装置はそれに限られるものでなく、例えば窒素（Ｎ
２
）を電解してアンモニア（ＮＨ
３
）を生成する電解装置等であってもよい。図１、図２、及び図３に示す二酸化炭素（ＣＯ
２
）の電解装置１は、電解セル２と、電解セル２に被還元物として二酸化炭素（ＣＯ
２
）を供給する第１の供給部である二酸化炭素（ＣＯ
２
）供給部３と、電解セル２にアノード溶液として被酸化物を含む電解溶液を供給する第２の供給部である電解溶液供給部としての電解溶液供給系統４とを具備している。
【００１０】
電解セル２は、カソード部１０とアノード部２０と隔膜３０とを具備している。カソード部１０は、多孔質カソード１１、カソード流路１２、カソード流路板１３、及びカソード集電板１４を備えている。アノード部２０は、アノード２１、アノード流路２２、アノード流路板２３、及びアノード集電板２４を備えている。隔膜３０は、アノード部１０とカソード部２０とを分離するように配置されている。電解セル２は、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。多孔質カソード１１及びアノード２１には、それらに電流を流す電源５が接続されている。電源５は電流導入部材等を介して多孔質カソード１１及びアノード２１と電気的に接続されている。電源５は、通常の系統電源や電池等に限られるものではなく、太陽電池、風力発電、地熱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であってもよい。電解セル２は、スタックされた複数のセルが一体化された状態を有していてもよい。複数のセルを一体配置する場合、単位敷地面積当たりの二酸化炭素反応量が増加するために処理量を増やすことができ、好ましくは１０～１５０程度積層することが好ましい。
（【００１１】以降は省略されています）

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