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公開番号2024166755
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-29
出願番号2023083076
出願日2023-05-19
発明の名称電解反応装置および電解反応方法
出願人株式会社豊田中央研究所,トヨタ自動車株式会社
代理人弁理士法人YKI国際特許事務所
主分類C25B 1/23 20210101AFI20241122BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】電解による含炭素化合物の取出効率を向上することができる電解反応装置および電解反応方法を提供する。
【解決手段】アノード12とカソード28との間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン(M⁺)と炭酸イオン(CO₃ ^2-)および炭酸水素イオン(HCO₃ ^-)のうちの少なくとも1つとを含む第1含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素(CO₂(g))とし、さらにその二酸化炭素(CO₂(g))と水(H₂O)とを還元して二酸化炭素還元物を生成する手段を有する電解反応装置であって、さらに、第1含炭酸液から二酸化炭素(CO₂(g))を取り出してアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段と、カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素(CO₂)を再生する二酸化炭素再生手段と、を有する、電解反応装置1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の間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ
＋
）と炭酸イオン（ＣＯ
３
２－
）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ
３
－
）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ
２
（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ
２
（ｇ））と水（Ｈ
２
Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する手段を有する電解反応装置であって、
さらに、
前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ
２
（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段と、
前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ
２
）を再生する二酸化炭素再生手段と、
を有することを特徴とする電解反応装置。
続きを表示（約 2,400 文字）【請求項２】
請求項１に記載の電解反応装置であって、
アノード室と、
酸性化室と、
アルカリ性化室と、
二酸化炭素再生化室と、
カソード室と、
前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と、
前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と、
前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と、
前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと、
第１気液分離器と、
第２気液分離器と、
を備え、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ
＋
）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ
＋
）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ
２
）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ
２
）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ
２
（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ
２
（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ
２
（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ
２
）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ
＋
）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ
－
）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ
－
）と二酸化炭素（ＣＯ
２
）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ
＋
）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ
２
）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ
２
）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ
２
（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ
２
（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入することを特徴とする電解反応装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備えることを特徴とする電解反応装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ
２
）を補填して含炭酸液を生成する二酸化炭素補填器をさらに備えることを特徴とする電解反応装置。
【請求項５】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体であることを特徴とする電解反応装置。
【請求項６】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下であることを特徴とする電解反応装置。
【請求項７】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されていることを特徴とする電解反応装置。
【請求項８】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記カソード室が加圧されることを特徴とする電解反応装置。
【請求項９】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートであることを特徴とする電解反応装置。
【請求項１０】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ
２
）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、
前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液であることを特徴とする電解反応装置。
（【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】
本発明は、電解反応装置および電解反応方法に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
炭酸イオン種（炭酸イオン（ＣＯ
３
２－
）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ
３
－
））の直接電解（直接電気分解）による一酸化炭素（ＣＯ）を生成する技術が知られている（例えば、特許文献１～３および非特許文献１，２参照）。
【０００３】
この技術における電解反応装置の構成は、例えば、カソード／カソード液／隔膜（バイポーラ膜、カチオン交換膜）／アノード液／アノードであり、電解反応装置に供給する電解液（カソード液）は、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンのうち少なくとも１つを含む水溶液である。カソード液として、特許文献１，２では、３ＭＫＨＣＯ
３
水溶液を標準使用しており、特許文献３では、は２ＭＫＯＨ水溶液に１００％ＣＯ
２
ガスをバブリングすることによって生成した水溶液（すなわち、２ＭＣＯ
２
飽和ＫＨＣＯ
３
水溶液）を標準使用している。電解反応装置から排出される生成物は、水素（Ｈ
２
）と、二酸化炭素（ＣＯ
２
）および一酸化炭素（ＣＯ）のうちの少なくとも１つである。
【０００４】
反応機構は、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンのうち少なくとも１つを含む水溶液をカソード室に流し、バイポーラ膜で隔てられたカソード－アノード間に電圧を印加することによって、（１）隔膜であるバイポーラ膜、カチオン交換膜からカソード室に対して水素イオン（Ｈ
＋
）が供給され、（２）炭酸イオン、炭酸水素イオンがカソード近傍で中性の二酸化炭素分子に化学変換され、（３）この二酸化炭素分子が一酸化炭素等の二酸化炭素還元物に電気化学変換されるというものである。
【０００５】
この技術では、１気圧１００％二酸化炭素（ＣＯ
２
）と平衡状態にある２ＭＣＯ
２
飽和ＫＨＣＯ
３
水溶液、または３ＭＫＨＣＯ
３
水溶液を供給する条件において、高い含炭素化合物／Ｈ
２
物質量比（約１０）を実現している。
【０００６】
しかし、大気中の二酸化炭素と平衡状態にあるような低炭酸イオン種濃度条件（＜０．５Ｍ）では、低い含炭素化合物／Ｈ
２
物質量比（＜０．１６）となる。これは、カソードにおいては、所望反応の前駆体ＣＯｘ（炭酸イオン種）よりも競合反応の前駆体Ｈ
２
Ｏの方がはるかに多く存在し、活量の高い状態にあるので、競合反応が優先的に進行するものと考えられる。
【０００７】
したがって、大気中の二酸化炭素と平衡状態にあるような低炭酸イオン種濃度の電解液を供給する場合における、含炭素化合物／Ｈ
２
物質量比の向上が求められている。
【０００８】
また、炭酸イオン種の電気透析による二酸化炭素（ＣＯ
２
）を生成する技術が知られている（例えば、特許文献４～１２、非特許文献３～７参照）。
【０００９】
この技術における電解反応装置の構成は、例えば、非特許文献６のFigure.3に示されている。この技術における電解反応装置に供給する電解液は、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンのうち少なくとも１つを含む水溶液や海水である。電解反応装置から排出される生成物は、水素（Ｈ
２
）、二酸化炭素（ＣＯ
２
）である。
【００１０】
反応機構は、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンのうち少なくとも１つを含む水溶液を酸性化室に流し、カソード－アノード間に電圧を印加することによって、（１）カソードで水素（Ｈ
２
）が生成するとともに、（２）酸性化室で炭酸イオン種が中性二酸化炭素（ＣＯ
２
）に変換されるというものである。
（【００１１】以降は省略されています）

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