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公開番号2025176670
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-12-04
出願番号2025001812
出願日2025-01-06
発明の名称二酸化炭素電解装置および二酸化炭素電解方法
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類C25B 15/00 20060101AFI20251127BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】カソード流路の閉塞を抑制するとともに電解質膜の劣化を抑制することができる二酸化炭素電解装置を提供する。
【解決手段】実施の形態による二酸化炭素電解装置は、二酸化炭素ガスが供給されるカソード電極と、アノード電極と、カソード電極とアノード電極との間に介在された電解質膜と、を含む電解セルと、電解セルに電流を供給する電流供給部と、制御部と、を備えている。電解セルに供給する電流を電解セルの平面実効面積で除した値を電流密度と定義する。制御部は、電流密度が10mA/cm²～1000mA/cm²となるように電流供給部を制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
二酸化炭素ガスの電気分解を行う二酸化炭素電解装置であって、
前記二酸化炭素ガスが供給されるカソード電極と、アノード電極と、前記カソード電極と前記アノード電極との間に介在された電解質膜と、を含む電解セルと、
前記電解セルに電流を供給する電流供給部と、
制御部と、
を備え、
前記電解セルに供給する電流を前記電解セルの平面実効面積で除した値を電流密度と定義し、
前記制御部は、前記電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ
２
～１０００ｍＡ／ｃｍ
２
となるように前記電流供給部を制御する、
二酸化炭素電解装置。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
前記制御部は、前記電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ
２
～１０００ｍＡ／ｃｍ
２
となるように前記電流供給部を制御する請求項1に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項３】
前記カソード電極への前記二酸化炭素ガスの供給流量を調整する二酸化炭素ガス流量調整部を更に備え、
所定の前記電流密度において単位時間あたりの電気量の全量が二酸化炭素から一酸化炭素への電解反応に使われた場合の二酸化炭素ガスの最小流量を理論二酸化炭素ガス流量と定義し、前記理論二酸化炭素ガス流量に対する二酸化炭素ガスの供給流量の比率を流量比率と定義し、
前記制御部は、前記流量比率が５０％～５００％となるように前記二酸化炭素ガス流量調整部を制御する、
請求項１に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項４】
前記カソード電極に供給される前記二酸化炭素ガスの濃度を入力する入力部をさらに備え、
前記制御部は、前記入力部に入力された前記二酸化炭素ガスの濃度に基づいて前記電流密度を調整するように前記電流供給部を制御する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項５】
二酸化炭素ガスの電気分解を行う二酸化炭素電解装置であって、
前記二酸化炭素ガスが供給されるカソード電極と、アノード電極と、前記カソード電極と前記アノード電極との間に介在された電解質膜と、を含む電解セルと、
前記カソード電極への前記二酸化炭素ガスの供給流量を調整する二酸化炭素ガス流量調整部と、
制御部と、
を備え、
前記電解セルに供給する電流を前記電解セルの平面実効面積で除した値を電流密度と定義し、
所定の前記電流密度において単位時間あたりの電気量の全量が二酸化炭素から一酸化炭素への電解反応に使われた場合の二酸化炭素ガスの最小流量を理論二酸化炭素ガス流量と定義し、前記理論二酸化炭素ガス流量に対する二酸化炭素ガスの供給流量の比率を流量比率と定義し、
前記制御部は、前記流量比率が５０％～５００％となるように前記二酸化炭素ガス流量調整部を制御する、
二酸化炭素電解装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記流量比率が１００％～２００％となるように前記二酸化炭素ガス流量調整部を制御する、
請求項３または５に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項７】
前記二酸化炭素ガスに混合させる不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記二酸化炭素ガスに混合させる不活性ガスの供給流量を調整する不活性ガス流量調整部と、
を更に備え、
前記制御部は、前記二酸化炭素ガスに前記不活性ガスを混合させるように前記不活性ガス流量調整部を制御する、
請求項３または５に記載の二酸化炭素電解装置。
【請求項８】
二酸化炭素ガスの電気分解を行う二酸化炭素電解装置であって、前記二酸化炭素ガスが供給されるカソード電極と、アノード電極と、前記カソード電極と前記アノード電極との間に介在された電解質膜と、を含む電解セルを含む二酸化炭素電解装置を用いた二酸化炭素電解方法であって、
前記カソード電極に前記二酸化炭素ガスを供給するステップと、
前記電解セルに電流を供給するステップと、
前記二酸化炭素電解装置の出力を上昇させるステップと、
を備え、
前記電解セルに供給する電流を前記電解セルの平面実効面積で除した値を電流密度と定義し、
前記出力を上昇させるステップにおいて、前記電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ
２
～１０００ｍＡ／ｃｍ
２
となるように前記電流の電流値を調整する、
を備えた、二酸化炭素電解方法。
【請求項９】
前記出力を上昇させるステップにおいて、前記電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ
２
～１０００ｍＡ／ｃｍ
２
となるように前記電流の電流値を調整する、
請求項８に記載の二酸化炭素電解方法。
【請求項１０】
所定の前記電流密度において単位時間あたりの電気量の全量が二酸化炭素から一酸化炭素への電解反応に使われた場合の二酸化炭素ガスの最小流量を理論二酸化炭素ガス流量と定義し、前記理論二酸化炭素ガス流量に対する二酸化炭素ガスの供給流量の比率を流量比率と定義し、
前記出力を上昇させるステップにおいて、前記流量比率が５０％～５００％となるように前記二酸化炭素ガスの供給流量を調整する、
請求項８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】
実施の形態は、二酸化炭素電解装置およ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、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。例えば、太陽エネルギーを利用して発電を行う太陽電池や、風力エネルギーを利用して発電を行う風力発電等が知られている。これらは発電量が天候や自然状況に依存するため、電力の安定供給が難しいという課題を有している。そのため、再生可能エネルギーで発生させた電力を蓄電池に貯蔵し、電力を安定化させることが試みられている。しかしながら、蓄電池にコストを要したり、蓄電池に対する放電時および充電時にロスが発生したりするという問題がある。
【０００３】
このような点に対して、再生可能エネルギーで発生させた電力を用いて水電解を行い、水から水素（Ｈ
２
）を製造する技術が知られている。あるいは、再生可能エネルギーで発生させた電力を用いて二酸化炭素（ＣＯ
２
）を電気化学的に還元し、一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ
３
ＯＨ）、メタン（ＣＨ
４
）、酢酸（ＣＨ
３
ＣＯＯＨ）、エタノール（Ｃ
２
Ｈ
５
ＯＨ）、エタン（Ｃ
２
Ｈ
６
）またはエチレン（Ｃ
２
Ｈ
４
）等の炭素化合物のような化学物質（化学エネルギー）に変換する技術も知られている。これらの化学物質のボンベやタンクなどへの貯蔵は、電力（電気エネルギー）を蓄電池に貯蔵する場合に比べて、エネルギーの貯蔵コストを低減することができ、貯蔵ロスも少ないという利点がある。
【０００４】
二酸化炭素を電気化学的に還元する二酸化炭素電解装置は、複数の電解セルが積層された積層構造を有している。電解セルのカソード電極に二酸化炭素ガスが供給されるとともに電解セルに電流が供給されることにより、二酸化炭素が電気分解されて還元され、一酸化炭素が生成される。カソード電極には、二酸化炭素ガスの流路となるカソード流路が隣接しており、二酸化炭素ガスが、電解液と混合され、カソード電極に接触しながらカソード流路を流れる。アノード電極には、電解液の流路となるアノード流路が隣接しており、電解液が、アノード電極に接触しながらアノード流路を流れる。
【０００５】
このうちカソード電極における電解反応式は以下の式（１）および（２）で示される。
２ＣＯ
２
＋２ｅ
－
→ ＣＯ＋ＣＯ
３
２－
（１）
２Ｈ
２
Ｏ＋２ｅ
－
→ Ｈ
２
＋２ＯＨ
－
（２）
【０００６】
カソード流体中の後述する理論二酸化炭素ガス濃度が１００％となる電流密度で運転している場合を考える。この場合、上述した式（１）で示す電解反応が進行し得る。このことにより、炭酸イオン（ＣＯ
３
２－
）の生成量が増大し、カソード流路の入口側で塩が析出し得る。析出した塩によって、カソード流路が閉塞する可能性が考えられる。
【０００７】
一方、カソード流体中の二酸化炭素ガスの濃度が小さい場合、二酸化炭素電解装置の運転モードは水電解モードになる。この場合、上述した式（２）で示す電解反応が進行し得る。そして式（２）で生成した水素ガスがアノード電極にクロスリークした場合、ＯＨラジカル（・ＯＨ）などを含む活性酸素種が生成される。この活性酸素種は、例えばＯＨラジカルである場合、以下の式（３）で示すように、カソード電極の出口側で発生し、電解質膜の劣化の要因となる。
Ｈ
２
Ｏ → ・ＯＨ＋Ｈ
＋
＋ｅ
－
（３）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特開２０２２－１３７６０７号公報
特開２０２３－１３５２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
実施の形態は、カソード流路の閉塞を抑制するとともに電解質膜の劣化を抑制することができる二酸化炭素電解装置および二酸化炭素電解方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施の形態による二酸化炭素電解装置は、二酸化炭素ガスの電気分解を行う装置である。二酸化炭素電解装置は、二酸化炭素ガスが供給されるカソード電極と、アノード電極と、カソード電極とアノード電極との間に介在された電解質膜と、を含む電解セルと、電解セルに電流を供給する電流供給部と、制御部と、を備えている。電解セルに供給する電流を電解セルの平面実効面積で除した値を電流密度と定義する。制御部は、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ
２
～１０００ｍＡ／ｃｍ
２
となるように電流供給部を制御する。
（【００１１】以降は省略されています）

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