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公開番号2024137606
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-07
出願番号2023134597
出願日2023-08-22
発明の名称二酸化炭素電解装置及び二酸化炭素電解方法
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 1/23 20210101AFI20240927BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】アノードの溶出等を抑制することにより、電解セルの特性の低下等を抑制することを可能にした二酸化炭素電解装置及び二酸化炭素電解方法を提供することにある。
【解決手段】実施形態の二酸化炭素電解装置10は、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成するためのカソード31と、水又は水酸化物イオンを酸化して酸素を生成するための、チタンを含む基材を有するアノード41と、カソード31に二酸化炭素を供給するためのカソード流路32と、アノード41に水を含む電解溶液を供給するためのアノード流路42と、アノード41とカソード31とを分離するセパレータ50とを備える電解セル2と、カソード流路32に加湿された二酸化炭素を供給するガス供給部60と、アノード流路42に電解溶液を供給する電解溶液供給部70とを具備する。電解溶液、加湿水、及び供給ガスの少なくとも1つは酸化剤を含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成するためのカソードと、水又は水酸化物イオンを酸化して酸素を生成するための、チタンを含む基材を有するアノードと、前記カソードに二酸化炭素を供給するためのカソード流路と、前記アノードに水を含む電解溶液を供給するためのアノード流路と、前記アノードと前記カソードとを分離するセパレータとを備える電解セルと、
前記カソード流路に二酸化炭素を供給するガス供給部と、
前記カソード流路に供給される二酸化炭素を加湿水により加湿する加湿器及び前記二酸化炭素に加湿水を加える注液部の少なくとも一方と、
前記アノード流路に前記電解溶液を供給する電解溶液供給部とを具備する二酸化炭素電解装置であって、
前記電解溶液及び前記加湿水の少なくとも一方は酸化剤を含む、及び前記カソード流路に供給される二酸化炭素ガスは二酸化窒素、一酸化窒素、及びオゾンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、の少なくとも１つを満足する、二酸化炭素電解装置。
続きを表示（約 980 文字）【請求項２】
前記酸化剤は、酸化性の酸及び過酸化水素からなる群より選ばれる少なくとも１つである、請求項１に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項３】
前記酸化性の酸は、硝酸、過塩素酸、塩素酸、亜塩素酸、次亜塩素酸、クロム酸、ニクロム酸、過マンガン酸、ヒ酸、セレン酸、臭素酸、及びよう素酸からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項２に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項４】
前記電解溶液又は前記加湿水の少なくとも一方の前記酸化剤の濃度が０．１ｍＭ以上１００ｍＭ以下である、請求項１に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項５】
前記二酸化炭素ガスにおける前記二酸化窒素、一酸化窒素、及びオゾンからなる群より選ばれる少なくとも１つの濃度が１０ｐｐｂ以上１０００ｐｐｍ以下である、請求項１に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項６】
前記電解溶液は６以上１０以下のｐＨを有する、請求項１に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項７】
さらに、前記電解溶液及び前記加湿水の少なくとも一方の前記酸化剤の濃度を測定する測定部を有する、請求項１に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項８】
前記セパレータは多孔質膜を具備する、請求項１に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項９】
電解セルのカソードにカソード流路を介して加湿した二酸化炭素を供給すると共、前記電解セルのチタンを含む基材を有するアノードにアノード流路を介して電解溶液を供給する工程と、
前記カソード及び前記アノードに電流を供給し、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する工程とを具備する二酸化炭素電解方法であって、
前記電解溶液及び二酸化炭素の加湿に用いる加湿水の少なくとも一方に酸化剤を添加する、及び前記カソード流路に供給される二酸化炭素ガスに二酸化窒素、一酸化窒素、及びオゾンからなる群より選ばれる少なくとも１つを添加する、の少なくとも１つを満足させる、二酸化炭素電解方法。
【請求項１０】
前記酸化剤は、酸化性の酸及び過酸化水素からなる群より選ばれる少なくとも１つである、請求項９に記載の二酸化炭素電解方法。
（【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二酸化炭素電解装置及び二酸化炭素電解方法に関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー問題と環境問題の両方の観点から、太陽光等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、それを貯蔵しかつ運搬可能な状態に変換することが望まれている。このような要望に対して、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パワートゥーケミカル技術の研究開発が進められている。このような技術により再生可能エネルギーを貯蔵可能な燃料等として貯蔵することができ、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が期待されている。
【０００３】
太陽光等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は、例えば発電所やごみ焼却炉等から発生した二酸化炭素（ＣＯ
２
）を還元する電解装置が知られている。ＣＯ
２
電解装置は、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（還元電極）と、水（Ｈ
２
Ｏ）や水酸化物イオン（ＯＨ
－
）を酸化するアノード（酸化電極）とを具備している。このようなＣＯ
２
電解装置においては、カソードとアノードとをイオン交換膜や多孔質膜等のセパレータを介して積層したセル構造（電解セル）を適用することが有効であり、ＣＯ
２
を電解セルのカソード触媒層に直接供給することによって、速やかにＣＯ
２
の還元反応を進行させることができる。
【０００４】
上記した電解セルにおいては、その耐久性を向上させるために、電解セルの構成部材の変化（劣化）を抑制することが求められている。例えば、アノード（酸化電極）の多孔質基材には、化学反応性が低く、かつ導電性が高い材料としてチタン（Ｔｉ）が用いられている。Ｔｉは化学反応性が低く、耐食性に優れる材料として知られているものの、アルカリ性の電解溶液と接した状態で長時間運転を継続すると、Ｔｉ製の多孔質基材に溶出が起こり、多孔質基材に孔閉塞等が生じることが明らかになりつつある。そこで、Ｔｉ製の多孔質基材の電解溶液による溶出等を抑制することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０１９－１６７５５８号公報
特開２０２０－０６２６３９号公報
【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、アノードの溶出等を抑制することにより、電解セルの特性の低下等を抑制することを可能にした二酸化炭素電解装置及び二酸化炭素電解方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の二酸化炭素電解装置は、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成するためのカソードと、水又は水酸化物イオンを酸化して酸素を生成するための、チタンを含む基材を有するアノードと、前記カソードに二酸化炭素を供給するためのカソード流路と、前記アノードに水を含む電解溶液を供給するためのアノード流路と、前記アノードと前記カソードとを分離するセパレータとを備える電解セルと、前記カソード流路に二酸化炭素を供給するガス供給部と、前記カソード流路に供給される二酸化炭素を加湿水により加湿する加湿器及び前記二酸化炭素に加湿水を加える注液部の少なくとも一方と、前記アノード流路に前記電解溶液を供給する電解溶液供給部とを具備する二酸化炭素電解装置であって、前記電解溶液及び前記加湿水の少なくとも一方は酸化剤を含む、及び前記カソード流路に供給される二酸化炭素ガスは二酸化窒素、一酸化窒素、及びオゾンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、の少なくとも１つを満足する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
実施形態の二酸化炭素電解装置の第１の例を示す図である。
実施形態の二酸化炭素電解装置の第２の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の二酸化炭素電解装置及び二酸化炭素電解方法について、図面を参照して説明する。なお、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、各部の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】
実施形態の二酸化炭素電解装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は実施形態の二酸化炭素（ＣＯ
２
）電解装置１０の第１の例を示す断面図である。図２は実施形態の二酸化炭素（ＣＯ
２
）電解装置１０の第２の例を示す断面図である。図１及び図２に示すＣＯ
２
電解装置１０は、電解セル２０を具備している。電解セル２０は、カソード部３０とアノード部４０とこれらを分離するように配置されたセパレータ５０とを具備している。
（【００１１】以降は省略されています）

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