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公開番号2025044004
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-01
出願番号2023151655
出願日2023-09-19
発明の名称電解装置、電解システム、および電解装置の運転方法
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 9/77 20210101AFI20250325BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】電解装置の電解反応における不要な電流の消費を抑制する。
【解決手段】電解装置は、還元対象物を還元し、酸化対象物を酸化する第1の電解セルと、還元対象物を還元し、酸化対象物を酸化する第2の電解セルと、第1の電解セルおよび第2の電解セルに還元対象物の気体を含む第1の流体を供給する、第1の供給源と、第1の電解セルおよび第2の電解セルに酸化対象物の液体を含む第2の流体を供給する、第2の供給源と、第1の電解セルに第1の電源電流を供給し、第2の電解セルに第2の電源電流を供給する、少なくとも一つの電源と、を具備する。少なくとも一つの電源は、還元対象物を還元するときに第2の電解セルを流れる電流の電流密度が還元対象物を還元するときに第1の電解セルを流れる電流の電流密度よりも高くなるように第1の電源電流の値および第2の電源電流の値を設定する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
還元対象物を還元し、酸化対象物を酸化する第１の電解セルと、
前記還元対象物を還元し、前記酸化対象物を酸化する第２の電解セルと、
前記第１の電解セルおよび前記第２の電解セルに前記還元対象物の気体を含む第１の流体を供給する、第１の供給源と、
前記第１の電解セルおよび前記第２の電解セルに前記酸化対象物の液体を含む第２の流体を供給する、第２の供給源と、
前記第１の電解セルに第１の電源電流を供給し、前記第２の電解セルに第２の電源電流を供給する、少なくとも一つの電源と、
を具備し、
前記少なくとも一つの電源は、前記還元対象物を還元するときに前記第２の電解セルを流れる電流の電流密度が前記還元対象物を還元するときに前記第１の電解セルを流れる電流の電流密度よりも高くなるように前記第１の電源電流の値および前記第２の電源電流の値を設定する、
電解装置。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記第１の電解セルは、
第１のカソードと、第１のアノードと、前記第１のカソードと前記第１のアノードとの間の第１の隔膜と、を有する第１の膜電極接合体と、
前記第１のカソードに面する第１のカソード流路を有する第１のカソード流路板と、
前記第１のアノードに面する第１のアノード流路を有する第１のアノード流路板と、
を有し、
前記第２の電解セルは、
第２のカソードと、第２のアノードと、前記第２のカソードと前記第２のアノードとの間の第２の隔膜と、を有する第２の膜電極接合体と、
前記第２のカソードに面する第２のカソード流路を有する第２のカソード流路板と、
前記第２のアノードに面する第２のアノード流路を有する第２のアノード流路板と、
を有し、
前記電解装置は、
前記第１のカソードおよび前記少なくとも一つの電源に電気的に接続された第１のカソード集電体と、
前記第１のアノードおよび前記少なくとも一つの電源に電気的に接続された第１のアノード集電体と、
前記第２のカソードおよび前記少なくとも一つの電源に電気的に接続された第２のカソード集電体と、
前記第２のアノードおよび前記少なくとも一つの電源に電気的に接続された第２のアノード集電体と、
をさらに具備する、
請求項１に記載の電解装置。
【請求項３】
前記第２のカソード流路は、前記第１のカソード流路に直列に接続される、
請求項２に記載の電解装置。
【請求項４】
前記第２のカソード流路は、前記第１のカソード流路に並列に接続される、
請求項２に記載の電解装置。
【請求項５】
前記少なくとも一つの電源は、
前記第１の電源電流を前記第１のカソード集電体および前記第１のアノード集電体を介して前記第１の電解セルに供給し、前記第２の電源電流を前記第２のカソード集電体および前記第２のアノード集電体を介して前記第２の電解セルに供給する、電源を含み、
前記第１のカソード集電体、前記第１のアノード集電体、前記第２のカソード集電体、および前記第２のアノード集電体は、前記電源に電気的に接続される、
請求項２に記載の電解装置。
【請求項６】
前記少なくとも一つの電源は、
前記第１の電源電流を前記第１のカソード集電体および前記第１のアノード集電体を介して前記第１の電解セルに供給する第１の電源と、
前記第２の電源電流を前記第２のカソード集電体および前記第２のアノード集電体を介して前記第２の電解セルに供給する第２の電源と、
を含む、
請求項２に記載の電解装置。
【請求項７】
前記第１の流体は、第１の気体と、第２の気体と、を含み、
前記第１の気体は、二酸化炭素のガスであり、
前記第２の気体は、前記二酸化炭素と異なる物質のガスであり、
前記第１の電解セルおよび前記第２の電解セルは、前記二酸化炭素を還元するとともに前記物質を還元し、
前記二酸化炭素の還元電位は、前記物質の還元電位よりも高い、
請求項１に記載の電解装置。
【請求項８】
前記物質は、酸素である、
請求項７に記載の電解装置。
【請求項９】
前記物質は、窒素である、
請求項７に記載の電解装置。
【請求項１０】
前記第１の流体の前記第２の気体の濃度は、１ｐｐｍ以上１０００００ｐｐｍ以下である、
請求項７に記載の電解装置。
（【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、電解装置および電解システムに関する。
続きを表示（約 2,200 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、太陽光発電など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、それを貯蔵し且つ運搬可能な状態に変換することが望まれている。この要望に対して、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人工光合成技術の研究開発が進められている。この技術により、再生可能エネルギーを貯蔵可能な燃料として貯蔵する可能性もでき、また、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も期待される。
【０００３】
太陽光発電など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、例えば発電所やごみ処理所から発生した二酸化炭素（ＣＯ
２
）を還元するカソードと、水（Ｈ
２
Ｏ）を酸化するアノードを具備する二酸化炭素電解装置等の電解装置（電気化学反応装置）が知られている。カソードでは、例えば二酸化炭素を還元して一酸化炭素（ＣＯ）等の炭素化合物を生成する。このような電解装置を、セル形態（電解セルともいう）により実現する場合、例えばＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｉｃＦｕｅｌＣｅｌｌ（ＰＥＦＣ）等の燃料電池に類似する形態により実現することが有効であると考えられる。二酸化炭素をカソードの触媒層に直接供給することにより、速やかに二酸化炭素の還元反応を進行させることが可能となる。さらに、電解セルを重ねたスタック構造を形成することにより、省スペースで効率良く還元反応を進行させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
米国特許出願公開第２０１１／０２５６４６３号明細書
米国特許第７，１４７，９５３号明細書
特開２０２２－４２２８０号公報
【非特許文献】
【０００５】
ＡＣＳＥｎｅｒｇｙＬｅｔｔ．２０１９，４，１７７０－１７７７
【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、電解装置の電解反応における不要な電流の消費を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の電解装置は、還元対象物を還元し、酸化対象物を酸化する第１の電解セルと、還元対象物を還元し、酸化対象物を酸化する第２の電解セルと、第１の電解セルおよび第２の電解セルに還元対象物の気体を含む第１の流体を供給する、第１の供給源と、第１の電解セルおよび第２の電解セルに酸化対象物の液体を含む第２の流体を供給する、第２の供給源と、第１の電解セルに第１の電源電流を供給し、第２の電解セルに第２の電源電流を供給する、少なくとも一つの電源と、を具備する。少なくとも一つの電源は、還元対象物を還元するときに第２の電解セルを流れる電流の電流密度が還元対象物を還元するときに第１の電解セルを流れる電流の電流密度よりも高くなるように第１の電源電流の値および第２の電源電流の値を設定する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
実施形態の電解装置の構成例を示す模式図である。
セル構造体１００の構造例を示す斜視模式図である。
膜電極接合体ＭＥＡの構造例を示す模式図である。
カソード流路板１４の構造例を示す模式図である。
アノード流路板１５の構造例を示す模式図である。
カソード集電体１６の構造例を示す模式図である。
アノード集電体１７の構造例を示す模式図である。
絶縁層１８の構造例を示す模式図である。
セル構造体１００におけるカソード流体の流れおよびアノード流体の流れを説明するための模式図である。
セル構造体１００の構造例を示す斜視模式図である。
カソード流体における不純物と還元対象物が各電解セル１０を直列に流れる様子を示す模式図である。
電解セル１０を流れる電流密度と、セル電圧およびファラデー効率との関係を示すグラフの例を示す図である。
実施形態の電解装置の他の例を示す模式図である。
実施形態の電解装置の他の例を示す模式図である。
実施形態の電解装置の他の例を示す模式図である。
実施形態の電解装置の他の例を示す模式図である。
【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。
【００１０】
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。さらに、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、物理的に接続することだけでなく、電気的に接続することも含む。
（【００１１】以降は省略されています）

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