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公開番号2025042780
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-28
出願番号2023149912
出願日2023-09-15
発明の名称電気化学反応装置および電気化学反応装置の運転方法
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 9/00 20210101AFI20250321BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】二酸化炭素の利用効率を向上させる。
【解決手段】電気化学反応装置は、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間の隔膜と、カソード室と、アノード室と、を備える電気化学反応構造体と、カソード室の入口に接続され、第1の流体が流れる第1の流路と、第2の流体が流れる第2の流路と、第3の流体が流れる第3の流路と、第4の流体が流れる第4の流路と、第1の流量調整器、第2の流量調整器、第1の圧力調整器、第2の圧力調整器、温度調整器、および電源からなる群より選ばれ、少なくとも第1の流量調整器を含む、少なくとも一つの調整器と、第4の流路の途中に設けられた気液分離器と、第3の流体の流量を計測する第1の流量計と、第4の流体の流量を計測する第2の流量計と、第1の流体の流量と、第3の流体の流量と、第4の流体の流量と、の和を計測し、計測された和の値に応じて少なくとも一つの調整器を制御してカソード室とアノード室との間の圧力差を調整する制御装置と、を具備する。
【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還元反応を促進する還元触媒を有するカソードと、水を酸化して酸素を生成する酸化反応を促進する酸化触媒を有するアノードと、前記カソードと前記アノードとの間の隔膜と、前記カソードに面するカソード室と、前記アノードに面するアノード室と、を備える電気化学反応構造体と、
前記カソード室の入口に接続され、前記カソード室に供給される前記二酸化炭素を含む第１の流体が流れる第１の流路と、
前記アノード室の入口に接続され、前記アノード室に供給される前記水を含む第２の流体が流れる第２の流路と、
前記カソード室の出口に接続され、前記カソード室から排出されるとともに生成された前記炭素化合物を含む第３の流体が流れる第３の流路と、
前記アノード室の出口に接続され、前記アノード室から排出されるとともに前記水および生成された前記酸素を含む第４の流体が流れる第４の流路と、
前記第１の流路を流れる前記第１の流体の流量を調整する第１の流量調整器、前記第２の流路を流れる前記第２の流体の流量を調整する第２の流量調整器、前記第３の流路の圧力を調整する第１の圧力調整器、前記第４の流路の圧力を調整する第２の圧力調整器、前記電気化学反応構造体の温度を調整する温度調整器、および前記電気化学反応構造体に供給される電流または電圧を調整する電源からなる群より選ばれ、少なくとも前記第１の流量調整器を含む、少なくとも一つの調整器と、
前記第４の流路の途中に設けられ、前記第４の流体を処理して前記第４の流体から前記水を含む液体を分離する気液分離器と、
前記第３の流路を流れる前記第３の流体の流量を計測する第１の流量計と、
前記第４の流路を流れる処理された前記第４の流体の流量を計測する第２の流量計と、
前記少なくとも一つの調整器、前記第１の流量計、および前記第２の流量計のそれぞれに接続され、前記第１の流路を流れる前記第１の流体の流量と、前記第３の流路を流れる前記第３の流体の流量と、前記第４の流路を流れる処理された前記第４の流体の流量と、の和を計測し、計測された前記和の値に応じて前記少なくとも一つの調整器を制御して前記カソード室と前記アノード室との間の圧力差を調整する制御装置と、
を具備する、電気化学反応装置。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記第１の流路の途中に設けられ、前記第１の流体における二酸化酸素を加湿する加湿器をさらに具備する、請求項１に記載の電気化学反応装置。
【請求項３】
前記第３の流路の途中であって前記第１の流量計の前段に設けられ、前記第３の流体を処理して前記第３の流体から前記水を分離する脱水器をさらに具備する、請求項１に記載の電気化学反応装置。
【請求項４】
前記制御装置は、計測された前記和の値に応じて前記第１の流量調整器を制御して前記第１の流路を流れる前記第１の流体の流量を調整することにより前記圧力差を調整する、
請求項１に記載の電気化学反応装置。
【請求項５】
前記少なくとも一つの調整器は、
前記第１の圧力調整器と、
前記第２の圧力調整器と、
を含み、
前記制御装置は、計測された前記和の値に応じて前記第１の圧力調整器を制御して前記第３の流路の圧力を調整し、計測された前記和の値に応じて前記第２の圧力調整器を制御して前記第４の流路の圧力を調整することにより前記圧力差を調整する、
請求項１に記載の電気化学反応装置。
【請求項６】
前記少なくとも一つの調整器は、前記第２の流量調整器を含み、
前記制御装置は、計測された前記和の値に応じて前記第２の流量調整器を制御して前記第２の流路を流れる前記第２の流体の流量を調整することにより前記圧力差を調整する、
請求項１記載の電気化学反応装置。
【請求項７】
前記少なくとも一つの調整器は、前記温度調整器を含み、
前記制御装置は、計測された前記和の値に応じて前記温度調整器を制御して前記電気化学反応構造体の温度を調整することにより前記圧力差を調整する、
請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の電気化学反応装置。
【請求項８】
前記温度調整器は、前記電気化学反応構造体を加熱する加熱器を含む、
請求項７に記載の電気化学反応装置。
【請求項９】
前記少なくとも一つの調整器は、前記電源を含み、
前記制御装置は、計測された前記和の値に応じて前記電源を制御して前記電気化学反応構造体に供給される電流または電圧を調整することにより前記圧力差を調整する、
請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の電気化学反応装置。
【請求項１０】
前記制御装置は、計測された前記和を示す第１のデータと、前記制御装置に登録された第２のデータと、を比較し、比較結果に応じて前記少なくとも一つの調整器を制御することにより前記圧力差を調整する、
請求項１に記載の電気化学反応装置。
（【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】
本発明の実施形態は、電気化学反応装置に関する。
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。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ＰｏｗｅｒｔｏＣｈｅｍｉｃａｌｓ（Ｐ２Ｃ）技術の開発が進められている。Ｐ２Ｃ技術を実現する電解装置を含む二酸化炭素反応装置等の電気化学反応装置は、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
）を還元して炭素化合物を生成するカソードを備えている。二酸化炭素反応装置のアノードおよびカソードは、太陽光発電、水力発電、風力発電、地熱発電等の再生可能エネルギーに由来する電源に接続される。
【０００３】
二酸化炭素反応装置のカソードは、例えば溶解された二酸化炭素を含む水中に浸漬されたり、流路を流れる二酸化炭素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から二酸化炭素の還元電位を得ることによって、二酸化炭素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
）、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）、エチレングリコール（Ｃ
２
Ｈ
６
Ｏ
２
）、酢酸（ＣＨ
３
ＣＯＯＨ）、プロパノール（Ｃ
３
Ｈ
７
ＯＨ）等の炭素化合物を生成する。アノードは、水を含む電解液と接するように配置され、酸素と水素イオン（Ｈ
＋
）とを生成する。このような二酸化炭素反応装置において、二酸化炭素の利用効率、さらには二酸化炭素の還元生成物の利用効率や利用価値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】
特表２０１９－５０６１６５号公報
特開２０１８－０７０９３６号公報
特開２０２１－４６５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態が解決しようとする課題は、二酸化炭素の利用効率を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の電気化学反応装置は、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する還元反応を促進する還元触媒を有するカソードと、水を酸化して酸素を生成する酸化反応を促進する酸化触媒を有するアノードと、カソードとアノードとの間の隔膜と、カソードに面するカソード室と、アノードに面するアノード室と、を備える電気化学反応構造体と、カソード室の入口に接続され、カソード室に供給される二酸化炭素を含む第１の流体が流れる第１の流路と、アノード室の入口に接続され、アノード室に供給される水を含む第２の流体が流れる第２の流路と、カソード室の出口に接続され、カソード室から排出されるとともに生成された炭素化合物を含む第３の流体が流れる第３の流路と、アノード室の出口に接続され、アノード室から排出されるとともに水および生成された酸素を含む第４の流体が流れる第４の流路と、第１の流路を流れる第１の流体の流量を調整する第１の流量調整器、第２の流路を流れる第２の流体の流量を調整する第２の流量調整器、第３の流路の圧力を調整する第１の圧力調整器、第４の流路の圧力を調整する第２の圧力調整器、電気化学反応構造体の温度を調整する温度調整器、および電気化学反応構造体に供給される電流または電圧を調整する電源からなる群より選ばれ、少なくとも第１の流量調整器を含む、少なくとも一つの調整器と、第４の流路の途中に設けられ、第４の流体を処理して第４の流体から水を含む液体を分離する気液分離器と、第３の流路を流れる第３の流体の流量を計測する第１の流量計と、第４の流路を流れる処理された第４の流体の流量を計測する第２の流量計と、少なくとも一つの調整器、第１の流量計、および第２の流量計のそれぞれに接続され、第１の流路を流れる第１の流体の流量と、第３の流路を流れる第３の流体の流量と、第４の流路を流れる処理された第４の流体の流量と、の和を計測し、計測された和の値に応じて少なくとも一つの調整器を制御してカソード室とアノード室との間の圧力差を調整する制御装置と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
実施形態の電気化学反応装置の構成例を示す模式図である。
実施形態の電気化学反応装置の他の構成例を示す模式図である。
実施形態の電気化学反応装置の他の構成例を示す模式図である。
実施形態の電気化学反応装置の他の構成例を示す模式図である。
実施形態の電気化学反応装置の他の構成例を示す模式図である。
実施形態の電気化学反応装置の他の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について、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】
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がある。
【００１０】
図１は、電気化学反応装置の構成例を示す模式図である。図１は、電気化学反応装置１の構成例を示す。電気化学反応装置１は、電気化学反応構造体１０と、流路Ｐ１と、流路Ｐ２と、流路Ｐ３と、流路Ｐ４と、流量調整器２１と、流量調整器２２と、加湿器３０と、圧力調整器４１と、圧力調整器４２と、脱水器５１と、気液分離器５２と、流量計６１と、流量計６２と、電源７０と、制御装置８０と、を有する。
（【００１１】以降は省略されています）

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