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公開番号2024159486
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-08
出願番号2024016578
出願日2024-02-06
発明の名称電解セル及び電解装置
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 13/02 20060101AFI20241031BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】セパレータのウェットシール性等を高めることにより、特性等を向上させることを可能にした電解セルを提供する。
【解決手段】電解セル20は、被還元ガスと接するように配置され、被還元ガスを還元するためのカソード31と、被酸化物を含む電解溶液と接するように配置され、被酸化物を酸化するためのチタンを含むアノード41と、カソード31とアノード41とを分離するセパレータ50とを具備する。セパレータ50は多孔質膜を備え、多孔質膜のポロメータで測定した貫通孔の細孔径を横軸とし、貫通孔の細孔径容積のパーセントフローを縦軸とした細孔径分布において、ピークトップが0.01μm以上0.3μm以下の範囲にある。多孔質膜のISO透気度は0.8μm/Pa・s以上150μm/Pa・s以下である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
被還元ガスと接するように配置され、前記被還元ガスを還元するためのカソードと、
被酸化物を含む電解溶液と接するように配置され、前記被酸化物を酸化するためのチタンを含むアノードと、
前記カソードと前記アノードとを分離するセパレータとを具備する電解セルであって、
前記セパレータは多孔質膜を備え、
前記多孔質膜のポロメータで測定した貫通孔の細孔径を横軸とし、前記貫通孔の細孔径容積のパーセントフローを縦軸とした細孔径分布において、ピークトップが０．０１μｍ以上０．３μｍ以下の範囲にあり、
前記多孔質膜のＩＳＯ透気度が０．８μｍ／Ｐａ・ｓ以上１５０μｍ／Ｐａ・ｓ以下である、電解セル。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記多孔質膜の水銀圧入法で測定した細孔径を横軸とし、前記細孔径のｌｏｇ微分細孔容積を縦軸とした細孔径分布において、ピークトップが０．０５μｍ以上１μｍ以下の範囲にある、請求項１に記載の電解セル。
【請求項３】
前記多孔質膜は有機高分子多孔質膜である、請求項１に記載の電解セル。
【請求項４】
前記電解セルを２００ｍＡ／ｃｍ
２
以上の電流で１０００時間以上運転したときに、前記多孔質膜の細孔の少なくとも一部にチタン元素が存在している、請求項３に記載の電解セル。
【請求項５】
前記多孔質膜の細孔内におけるチタン元素の存在量は、前記有機高分子多孔質膜の炭素質量を１としたとき、チタンを含む化合物の質量が０．０００１以上である、請求項４に記載の電解セル。
【請求項６】
前記アノードは多孔質基材を備え、
前記多孔質基材は、チタンとタンタル、バナジウム、モリブデン、ジルコニウム、ニッケル、ニオブ、ルテニウム、パラジウム、白金、金、イットリウム、及び鉄からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項４に記載の電解セル。
【請求項７】
前記多孔質膜の厚さを半分にしたとき、前記アノード側の半分に含まれる前記チタンを含む化合物の質量が、前記カソード側の半分に含まれる前記チタンを含む化合物の質量より多い、請求項５に記載の電解セル。
【請求項８】
前記カソードは、炭素繊維を含む多孔質基材と、前記多孔質基材上に設けられた拡散層と、前記拡散層上に設けられた触媒層とを備え、前記触媒層のかさ密度が０．１ｇ／ｃｍ
３
以上０．６ｇ／ｃｍ
３
未満である、請求項１に記載の電解セル。
【請求項９】
前記触媒層と前記拡散層を含む前記多孔質基材のかさ密度が０．１ｇ／ｃｍ
３
以上０．７ｇ／ｃｍ
３
以下である、請求項８に記載の電解セル。
【請求項１０】
前記多孔質膜の前記ポロメータで測定した前記細孔径分布における前記ピークトップが０．０１μｍ以上０．２μｍ以下の範囲にあり、前記多孔質膜の前記ＩＳＯ透気度が０．８μｍ／Ｐａ・ｓ以上１００μｍ／Ｐａ・ｓ以下である、請求項１に記載の電解セル。
（【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セル及び電解装置に関する。
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、その特性等を向上させるために、電解セルのクロスオーバーを抑制することが求められている。例えば、カソードとアノードとの間に配置するセパレータには、イオン移動度の選択肢が広く、イオン移動度自体を高くすることが可能な多孔質膜を適用することが検討されている。ただし、多孔質膜の細孔の特質等によっては、ウェットシールを安定的に形成することができず、クロスオーバーの発生を効率的に抑制することができないといった課題がある。そこで、セパレータとして使用する多孔質膜の特質を改善し、セパレータのウェットシール性等を高めることによって、電解セルの特性等を向上させることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０２２－１４５２２９号公報
特開２０２０－１４３９７０号公報
特開２０２０－１４３９９４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、セパレータのウェットシール性等を高めることにより、電解セルの特性等を向上させることを可能にした電解セル及び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】
【０００７】
実施形態の電解セルは、被還元ガスと接するように配置され、前記被還元ガスを還元するためのカソードと、被酸化物を含む電解溶液と接するように配置され、前記被酸化物を酸化するためのチタンを含むアノードと、前記カソードと前記アノードとを分離するセパレータとを具備する。実施形態の電解セルにおいて、前記セパレータは多孔質膜を備え、前記多孔質膜のポロメータで測定した貫通孔の細孔径を横軸とし、前記貫通孔の細孔径容積のパーセントフローを縦軸とした細孔径分布において、ピークトップが０．０１μｍ以上０．３μｍ以下の範囲にあり、前記多孔質膜のＩＳＯ透気度が０．８μｍ／Ｐａ・ｓ以上１５０μｍ／Ｐａ・ｓ以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
実施形態の電解装置を示す図である。
実施形態における多孔質膜のポロメータで測定した貫通孔の細孔径分布の一例を示す図である。
実施形態における多孔質膜の水銀圧入法で測定した細孔径分布の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の電解セル及びそれを用いた電解装置について、図面を参照して説明する。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。なお、以下においては実施形態の電解セル及び電解装置を、二酸化炭素（ＣＯ
２
）の電解セル及び電解装置に適用した例について主として説明するが、実施形態の電解セル及び電解装置はそれに限られるものでない。実施形態の電解セル及び電解装置は、例えば窒素（Ｎ
２
）を電解してアンモニア（ＮＨ
３
）を生成する電解セル及び電解装置等に適用してもよい。
【００１０】
図１は実施形態の電解装置を示す図である。図１に示す二酸化炭素電解装置１０は、電解セル２０を具備する。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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