JP7651540B2 - Carbon Dioxide Electrolysis Device - Google Patents
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Description
本発明は、二酸化炭素を電解還元する二酸化炭素電解装置に関する。 The present invention relates to a carbon dioxide electrolysis device that electrolytically reduces carbon dioxide.
従来より、二酸化炭素を電解還元する装置が知られている(例えば特許文献1参照)。上記特許文献1記載の装置では、二酸化炭素が溶解した強アルカリ水溶液からなる電解液をカソードとアノードの間に設けられた液流路に流し、カソードで電解液中の溶存二酸化炭素を電解還元する。
Conventionally, devices that perform the electrolytic reduction of carbon dioxide have been known (see, for example, Patent Document 1). In the device described in
排気ガスや大気中の二酸化炭素を回収し、炭素源として利用することで、炭素排出量を低減し、気候変動の緩和または影響軽減に寄与することができる。 Capturing carbon dioxide from exhaust gases and the atmosphere and using it as a carbon source can reduce carbon emissions and contribute to mitigating or reducing the impact of climate change.
電解スタックのカソードとアノードとの間に設けられる隔膜としては、アニオン交換型の固体高分子電解質膜(AEM(Anion Exchange Membrane))を用いることができるが、AEMは耐久性に乏しいため、AEMを劣化させることなく電解スタックの起動時間を短縮することが難しい。 An anion exchange solid polymer electrolyte membrane (AEM (Anion Exchange Membrane)) can be used as the diaphragm between the cathode and anode of the electrolysis stack, but because AEMs have poor durability, it is difficult to shorten the start-up time of the electrolysis stack without degrading the AEM.
本発明の一態様である二酸化炭素電解装置は、アニオン交換型の固体高分子電解質膜を含む隔膜と、隔膜により隔てられたアノードとカソードとを有する電解スタックと、カソードに隣接して設けられたガス流路に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部と、電解スタックに電力を供給する電力供給部と、電解スタックの電圧を検出する電圧センサと、電解スタックの電流を検出する電流センサと、電解スタックの温度を検出する温度センサと、電力供給部を制御する制御部と、を備える。制御部は、電力供給部から電解スタックへの電力の供給を開始した後、電解スタックの温度が所定温度に達するまでの起動期間中、電圧センサにより検出された電解スタックの電圧と電流センサにより検出された電解スタックの電流と温度センサにより検出された電解スタックの温度とに基づいて、電解スタックの電圧が、電解スタックの温度に対応して予め定められた電解スタックの電圧の上限値よりも低い目標値を下回ると、電解スタックの電流が低下するように電力供給部を制御するとともに、電解スタックの電圧が目標値に達すると、電解スタックの電流が上昇するように電力供給部を制御する。 A carbon dioxide electrolysis device according to one embodiment of the present invention includes an electrolysis stack having a diaphragm including an anion-exchange solid polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode separated by the diaphragm, a carbon dioxide supply unit that supplies carbon dioxide to a gas flow path provided adjacent to the cathode, a power supply unit that supplies power to the electrolysis stack, a voltage sensor that detects the voltage of the electrolysis stack, a current sensor that detects the current of the electrolysis stack, a temperature sensor that detects the temperature of the electrolysis stack, and a control unit that controls the power supply unit. After the power supply unit starts supplying power to the electrolysis stack, during a startup period until the temperature of the electrolysis stack reaches a predetermined temperature, the control unit controls the power supply unit so that the current of the electrolysis stack decreases when the voltage of the electrolysis stack falls below a target value that is lower than a predetermined upper limit value of the voltage of the electrolysis stack corresponding to the temperature of the electrolysis stack, and controls the power supply unit so that the current of the electrolysis stack increases when the voltage of the electrolysis stack reaches the target value, based on the voltage of the electrolysis stack detected by the voltage sensor, the current of the electrolysis stack detected by the current sensor, and the temperature of the electrolysis stack detected by the temperature sensor.
本発明によれば、AEMを劣化させることなく電解スタックの起動時間を短縮することができる。 According to the present invention, the start-up time of the electrolytic stack can be shortened without degrading the AEM.
以下、図1~図11を参照して本発明の実施形態について説明する。地球の平均気温は、大気中の温室効果ガスにより、生物に適した温暖な状態に保たれている。具体的には、太陽光で暖められた地表面から宇宙空間へと放射される熱の一部を温室効果ガスが吸収し、地表面へと再放射することで、大気が温暖な状態に保たれている。このような大気中の温室効果ガスの濃度が増加すると、地球の平均気温が上昇する(地球温暖化)。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 1 to 11. The average temperature of the Earth is kept warm enough for living things by greenhouse gases in the atmosphere. Specifically, greenhouse gases absorb some of the heat radiated from the Earth's surface, which is warmed by sunlight, into space, and re-radiate it back to the Earth's surface, thereby keeping the atmosphere warm. When the concentration of such greenhouse gases in the atmosphere increases, the average temperature of the Earth rises (global warming).
温室効果ガスの中でも地球温暖化への寄与が大きい二酸化炭素の大気中における濃度は、植物や化石燃料として地上や地中に固定された炭素と、二酸化炭素として大気中に存在する炭素とのバランスによって決定される。例えば、植物の生育過程での光合成により大気中の二酸化炭素が吸収されると大気中の二酸化炭素濃度が減少し、化石燃料の燃焼により二酸化炭素が大気中に放出されると大気中の二酸化炭素濃度が増加する。地球温暖化を抑制するには、化石燃料を太陽光、風力、水力、地熱、あるいはバイオマス等の再生可能エネルギーで代替し、炭素排出量を低減することが必要となる。 Of all greenhouse gases, carbon dioxide contributes greatly to global warming. Its concentration in the atmosphere is determined by the balance between carbon fixed on the ground or underground as plants and fossil fuels, and carbon present in the atmosphere as carbon dioxide. For example, when carbon dioxide in the atmosphere is absorbed through photosynthesis during plant growth, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere decreases, and when carbon dioxide is released into the atmosphere through the combustion of fossil fuels, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere increases. To curb global warming, it is necessary to replace fossil fuels with renewable energy sources such as solar, wind, hydroelectric, geothermal, or biomass, and reduce carbon emissions.
排気ガスや大気中から回収された二酸化炭素を炭素源として利用することで、炭素排出量を低減することができる。本発明の実施形態に係る二酸化炭素電解装置では、二酸化炭素を電解還元して炭素化合物を生成することで炭素源として利用する。 By using carbon dioxide captured from exhaust gas or the atmosphere as a carbon source, it is possible to reduce carbon emissions. In the carbon dioxide electrolysis device according to an embodiment of the present invention, carbon dioxide is electrolytically reduced to produce carbon compounds, which are then used as a carbon source.
図1は、本発明の実施形態に係る二酸化炭素電解装置(以下、装置)100の電解スタック10の一例を模式的に示す断面図である。図1に示すように、電解スタック10は、アノード部11aとカソード部11bとの間に隔膜としてアニオン交換型の固体高分子電解質膜(AEM(Anion Exchange Membrane))12を挟み込んだ電解セルあるいは電解セルを積層(直列接続)した電解スタックとして構成される。
Figure 1 is a cross-sectional view showing a schematic example of an
アノード部11aおよびカソード部11bは、AEM12により互いに隔てられ、それぞれ液流路13a,13bと、電極触媒14a,14bと、ガス流路15a,15bと、を含む。液流路13a,13bとガス流路15a,15bとは、それぞれ電極触媒14a,14bに隣接して設けられる。
The
液流路13a,13bには、電解スタック10の外部から水酸化カリウム水溶液等の強アルカリ水溶液からなる電解液を導入し、流通させることができる。液流路13a,13bから流出した電解液を再び液流路13a,13bに導入し、循環させてもよい。
An electrolyte consisting of a strong alkaline aqueous solution such as an aqueous potassium hydroxide solution can be introduced and circulated into the
カソード部11bのガス流路15bには、電解スタック10の外部から二酸化炭素を供給することができる。また、ガス流路15a,15bを介して、電解反応により生じたガスを電解スタック10の外部に排出することができる。
Carbon dioxide can be supplied from outside the
アノード部11aの電極触媒14a(アノード)は、ニッケル等の非貴金属または白金等の貴金属で構成され、電解スタック10の外部に設けられた直流電源(以下、電解電源)20の正極に接続される。カソード部11bの電極触媒14b(カソード)は、銅等で構成され、電解電源20の負極に接続される。
The
電解電源20から電解スタック10に電力が供給されると、電力の大きさに応じてアノードとカソードとの間に電位差が生じ、電位差が電解電圧に達すると電解反応が進行する。より具体的には、カソード部11bの液流路13bと電極触媒14bとガス流路15bとの三相界面では、電解反応により二酸化炭素が還元されてエチレン等の炭素化合物が生成する。例えば、下式(i),(ii)の電解反応によりエチレンが生成する。また、下式(iii)の電解反応により電解液中の水が還元されて水酸化物イオンが生成する。カソード部11bで生成した炭素化合物(気体)および水素(気体)は、ガス流路15bを介して電解スタック10の外部に排出される。
CO2+H2O→CO+2OH- ・・・(i)
2CO+8H2O→C2H4+8OH-+2H2O ・・・(ii)
2H2O→H2+2OH- ・・・(iii)
When power is supplied from the
CO 2 +H 2 O→CO+2OH -... (i)
2CO+8H 2 O→C 2 H 4 +8OH - +2H 2 O...(ii)
2H 2 O→H 2 +2OH -... (iii)
一方、カソード部11bで生成した水酸化物イオンは、カソード部11bの液流路13bの電解液中を移動した後、AEM12を透過し、アノード部11aの液流路13aの電解液中をアノード部11aの電極触媒14aとの界面まで移動する。アノード部11aの電極触媒14aの表面では、下式(iv)の電解反応により水酸化物イオンが酸化されて酸素が生成する。アノード部11aで生成した酸素(気体)は、ガス流路15aを介して電解スタック10の外部に排出され、水(液体)は、そのまま液流路13aを流通、循環する。
4OH-→O2+2H2O ・・・(iv)
On the other hand, hydroxide ions generated in the
4OH - →O 2 +2H 2 O...(iv)
図2は、装置100の全体構成の一例を概略的に示すブロック図である。図2に示すように、装置100は、電解スタック10と、電解スタック10に電力を供給する電解電源20と、電解スタック10に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部30と、電解スタック10に電解液を供給する電解液供給部40a,40bと、を備える。
Figure 2 is a block diagram showing an example of the overall configuration of the
電解スタック10には、電解スタック10の電圧(以下、スタック電圧)、より具体的には、電解電源20により供給される電力により電解スタック10のアノードとカソードとの間に生じる電位差を検出する電圧センサ16が設けられる。電圧センサ16は、コントローラ90(図3)に接続され、電圧センサ16のセンサ値は、コントローラ90に出力される。
The
電解スタック10には、電解スタック10の電流(以下、スタック電流)、より具体的には、電解電源20の正極から電解スタック10のアノードおよびカソードを通って電解電源20の負極まで流れる電流を検出する電流センサ17も設けられる。電流センサ17は、コントローラ90(図3)に接続され、電流センサ17のセンサ値は、コントローラ90に出力される。
The
電解スタック10には、電解スタック10の代表温度(以下、スタック温度)を検出する温度センサ18も設けられる。温度センサ18は、電解スタック10の代表温度として、例えばAEM12の表面温度を検出する。温度センサ18は、コントローラ90(図3)に接続され、温度センサ18のセンサ値は、コントローラ90に出力される。
The
電解電源20は、直流電力を電解スタック10に供給する発電装置として構成される。電解電源20の正極は、電解スタック10のアノード(アノード部11aの電極触媒14a)に接続され、電解電源20の負極は、電解スタック10のカソード(カソード部11bの電極触媒14b)に接続される。
The
二酸化炭素供給部30は、ポンプ等を含んで構成される。二酸化炭素供給部30は、配管31を介して電解スタック10のカソード部11bのガス流路15b入口に接続され、所定濃度以上の二酸化炭素を含む空気を圧送することで、電解スタック10に二酸化炭素(気体)を供給する。所定濃度以上の二酸化炭素を含む空気は、化石燃料の燃焼を伴う装置や設備からの排気ガスであってもよく、濃縮装置により二酸化炭素が濃縮された大気であってもよい。二酸化炭素供給部30は、コントローラ90(図3)により制御される。
The carbon
電解液供給部40a,40bは、それぞれポンプ等を含んで構成される。電解液供給部40a,40bは、それぞれ配管41a,41bを介して電解スタック10の液流路13a,13b入口に接続され、電解液を圧送することで、電解スタック10に電解液を供給する。電解液供給部40a,40bには、それぞれ不図示の配管を介して電解スタック10の液流路13a,13b出口から電解液が還流される。
The
図3は、装置100の制御構成の一例を概略的に示すブロック図である。図3に示すように、装置100は、さらに、電解電源20、二酸化炭素供給部30および電解液供給部40a,40bを制御するコントローラ90を備える。コントローラ90には、電圧センサ16と電流センサ17と温度センサ18とがそれぞれ接続される。コントローラ90は、CPUなどの演算部91、ROM,RAMなどの記憶部92、およびその周辺回路などを有するコンピュータを含んで構成される。コントローラ90の記憶部92には、演算部91が実行するプログラムや設定値等の情報が記憶される。
Figure 3 is a block diagram showing an example of the control configuration of the
コントローラ90の演算部91は、電圧センサ16、電流センサ17、および温度センサ18により検出されたスタック電圧、スタック電流、およびスタック温度に基づいて、電解電源20、二酸化炭素供給部30および電解液供給部40a,40bを制御する。特に、電解電源20から電解スタック10への電力の供給を開始した後、スタック温度が室温から定格温度(例えば60~70℃程度)に達するまでの起動期間中、スタック電圧が適正範囲となるように、電解電源20を制御する。
The
図4は、スタック電圧の適正範囲について説明するための図である。電解スタック10の起動期間中は、電解スタック10を構成するAEM12等の温度が低く、水酸化物イオンがAEM12を透過するときの抵抗を含む電解スタック10の内部抵抗が大きい。このため、スタック電圧が過剰となり、電解スタック10を構成する電極触媒14a,14bやAEM12等を劣化させることがある。一方、スタック電圧が電解反応(式(i)~(iv))に必要な電解電圧を下回ると、電解反応が進行しないため、電力を供給したにもかかわらず所望の生成物(エチレン等の炭素化合物)が得られず、装置100全体の効率が低下する。したがって、電解スタック10の構成部品を劣化させず、かつ、装置100全体の効率を低下させないためには、図4に示すような適正範囲内で電解スタック10を運転することが必要となる。
Figure 4 is a diagram for explaining the appropriate range of the stack voltage. During the start-up period of the
このようなスタック電圧の上下限値は、スタック温度に応じて変化する。スタック温度とスタック電圧の上下限値との関係を示す特性(図4の実線)は、予め試験により定められ、例えば特性マップとしてコントローラ90の記憶部92に記憶される。このようなスタック電圧の上下限値は、生成する炭素化合物ごとの理論電解電圧値に基づいて予め定められる。さらに、電解スタック10の寿命初期から寿命末期までの経年劣化の程度に基づいて予め定められてもよい。
The upper and lower limits of the stack voltage change depending on the stack temperature. The characteristics (solid lines in FIG. 4) showing the relationship between the stack temperature and the upper and lower limits of the stack voltage are determined in advance by testing and are stored in the
コントローラ90の記憶部92には、予め定められたスタック電圧とスタック電流との関係を表す電流電圧(IV)特性も記憶される。スタック電流が増加するほど電解スタック10の内部抵抗が大きくなり、スタック電圧が低下する。また、スタック温度が上がるほど電解スタック10の内部抵抗が小さくなり、スタック電流が増加し、スタック電圧が低下する。スタック温度ごとのIV特性は、スタック温度を変化させながら試験を行うことで予め定められ、例えばスタック温度ごとの特性マップとしてコントローラ90の記憶部92に記憶される。
The
図4に示すように、スタック電圧の上下限値に対し、電圧センサ16のセンサ誤差等に基づいて上限値よりも低い最高値および下限値よりも高い最低値が予め設定される。また、電解スタック10の電解効率等に基づいて、最高値よりもさらに低い目標値が予め設定される。スタック温度とスタック電圧の最低値、最高値および目標値との関係を示す特性(図4の破線)も、上下限値と同様に、予め試験により定められ、例えば特性マップとしてコントローラ90の記憶部92に記憶される。
As shown in FIG. 4, for the upper and lower limit values of the stack voltage, a maximum value lower than the upper limit value and a minimum value higher than the lower limit value are preset based on the sensor error of the
図5は、起動時のスタック電圧が過剰となる場合について説明するための図である。図5に示すように、電解スタック10の起動期間中、特に電解電源20から電解スタック10への電力供給を開始した直後は、電解スタック10を構成するAEM12等の温度が低く、電解スタック10の内部抵抗が大きい。このような期間に、スタック電圧を監視、制限せずに電力を供給すると、スタック電圧が目標値を超えて過剰となり、電解スタック10を構成するAEM12等を劣化させることがある。
Figure 5 is a diagram for explaining a case where the stack voltage becomes excessive at startup. As shown in Figure 5, during the startup period of the
図6は、スタック温度が定格温度に達するまでに時間がかかる場合について説明するための図である。電解スタック10に電力が供給され、アノードとカソードとの間の電位差が電解電圧に達すると、電解反応(式(i)~(iv))が進行し、水酸化物イオン等の移動に伴って電解スタック10を構成するAEM12等の温度が上昇し、スタック温度が上昇する。スタック温度が上昇すると、電解スタック10の内部抵抗が小さくなり、スタック電流が増加し、スタック電圧が低下する。図6に示すように、スタック電圧を上げることなく電解スタック10への電力供給を行う場合は、図5に示すようにスタック電圧が過剰になることを回避できるものの、スタック温度が定格温度に達するまでに時間が長くなる。
Figure 6 is a diagram for explaining the case where it takes time for the stack temperature to reach the rated temperature. When power is supplied to the
図7は、スタック電圧を目標値に合わせる場合について説明するための図である。図7に示すように、コントローラ90の演算部91は、電圧センサ16により検出されたスタック電圧が、温度センサ18により検出されたスタック温度に対応して予め定められた目標値(図4)に近付くように、電解電源20を制御する。より具体的には、スタック電圧が目標値に達すると、電流センサ17により検出されたスタック電流が上昇するように電解電源20を制御し、スタック電圧が目標値を下回ると、スタック電流が低下するように電解電源20を制御する。これにより、スタック電圧が図4の適正範囲内の上限値付近に維持されるため、電解スタック10を構成するAEM12等を劣化させない範囲で早期に昇温させ、スタック温度が定格温度に達するまでの電解スタック10の起動時間を短縮することができる。
Figure 7 is a diagram for explaining the case where the stack voltage is adjusted to a target value. As shown in Figure 7, the
図8は、スタック電圧が目標値に達したときのスタック電流の目標値について説明するための図である。図8に示すように、コントローラ90の演算部91は、スタック電圧が目標値に達すると、スタック電流の目標値を上げ、スタック電流が上昇するように電解電源20を制御する。また、スタック電圧が目標値を下回ると、スタック電流の目標値を下げ、スタック電流が低下するように電解電源20を制御する。このとき、スタック電流の目標値は、電解スタック10を構成するAEM12等を劣化させない適正範囲内で設定される。このようなスタック電流の適正範囲(上下限値)は、スタック温度に応じて変化する。スタック温度とスタック電流の上下限値との関係を示す特性は、予め試験により定められ、例えば特性マップとしてコントローラ90の記憶部92に記憶される。
Figure 8 is a diagram for explaining the target value of the stack current when the stack voltage reaches the target value. As shown in Figure 8, when the stack voltage reaches the target value, the
図9は、スタック電圧が最高値(図4)に達した場合について説明するための図である。図9に示すように、コントローラ90の演算部91は、スタック電圧が最高値に達すると、電解スタック10への電力の供給を停止するように電解電源20を制御する。これにより、電解スタック10を構成するAEM12等の劣化を確実に防止することができる。
Figure 9 is a diagram for explaining the case where the stack voltage reaches the maximum value (Figure 4). As shown in Figure 9, the
図10は、装置100によるスタック起動処理の一例を示すフローチャートであり、コントローラ90の演算部91により実行される処理の一例を示す。このフローチャートに示す処理は、電解スタック10の起動が指令されると開始される。
Figure 10 is a flowchart showing an example of stack startup processing by the
図10に示すように、先ずステップS1で、電解スタック10に電解液を供給するように電解液供給部40a,40bを制御する。次いでステップS2で、電解スタック10に二酸化炭素(気体)を供給するように二酸化炭素供給部30を制御する。次いでステップS3で、温度センサ18により検出されたスタック温度を読み込む。
As shown in FIG. 10, first, in step S1, the
次いでステップS4で、ステップS3で読み込まれたスタック温度が、電解電源20から電解スタック10への電力供給を開始した直後における正常な温度範囲内(例えば、室温)であるか否かを判定する。ステップS4で否定されるとステップS3に戻り、肯定されるとステップS5に進む。ステップS5では、電解スタック10への電力供給を開始するように電解電源20を制御する。次いでステップS6に進み、スタック電流目標値算出処理を実行する。
Next, in step S4, it is determined whether the stack temperature read in step S3 is within the normal temperature range (e.g., room temperature) immediately after starting the supply of power from the
図11は、装置100によるスタック電流目標値算出処理の一例を示すフローチャートであり、コントローラ90の演算部91により実行される処理の一例を示す。このフローチャートに示す処理は、所定時間毎に繰り返し実行される。
Figure 11 is a flowchart showing an example of a process for calculating a stack current target value by the
図11に示すように、先ずステップS10で、電圧センサ16、電流センサ17、および温度センサ18によりそれぞれ検出されたスタック電圧、スタック電流、およびスタック温度を読み込む。次いでステップS11で、ステップS10で読み込まれたスタック温度が定格温度未満であるか否かを判定する。ステップS11で否定されると処理を終了し、肯定されるとステップS12に進む。ステップS12では、ステップS10で読み込まれたスタック電圧が目標値(図4)未満であるか否かを判定する。
As shown in FIG. 11, first, in step S10, the stack voltage, stack current, and stack temperature detected by the
ステップS12で肯定されると、ステップS13に進み、スタック電流の目標値(図8)を、前回値から所定値を減算することで下げ、スタック電流が低下するように電解電源20を制御する。次いでステップS14で、ステップS13で算出されたスタック電流の目標値が下限値未満であるか否かを判定する。ステップS14で肯定されると、ステップS15に進み、スタック電流の目標値を下限値に設定する。ステップS14で否定されると、スタック電流の目標値をステップS13で算出された値に設定する。
If the result in step S12 is positive, the process proceeds to step S13, where the target value of the stack current (FIG. 8) is lowered by subtracting a predetermined value from the previous value, and the
ステップS12で否定されると、ステップS16に進み、ステップS10で読み込まれたスタック電圧が最高値(図4)未満であるか否かを判定する。ステップS16で肯定されると、ステップS17に進み、スタック電流の目標値(図8)を、前回値に所定値を加算することで上げ、スタック電流が上昇するように電解電源20を制御する。次いでステップS18で、ステップS17で算出されたスタック電流の目標値が上限値を超えているか否かを判定する。ステップS18で肯定されると、ステップS19に進み、スタック電流の目標値を上限値に設定する。ステップS18で否定されると、スタック電流の目標値をステップS17で算出された値に設定する。ステップS16で否定されると、ステップS20に進み、電解スタック10への電力供給を停止するように電解電源20を制御する。
If the result in step S12 is negative, the process proceeds to step S16, where it is determined whether the stack voltage read in step S10 is less than the maximum value (FIG. 4). If the result in step S16 is positive, the process proceeds to step S17, where the target value of the stack current (FIG. 8) is increased by adding a predetermined value to the previous value, and the
このように、スタック電圧を目標値(図4)に合わせ、適正範囲内の上限値付近に維持することで(ステップS10~S15,S17~S19)、AEM12等を劣化させない範囲で電解スタック10を早期に昇温させ、起動時間を短縮することができる。また、スタック電圧が最高値に達すると電解スタック10への電力の供給を停止するように電解電源20を制御することで(ステップS16,S20)、電解スタック10を構成するAEM12等の劣化を確実に防止することができる。
In this way, by adjusting the stack voltage to the target value (Figure 4) and maintaining it near the upper limit within the appropriate range (steps S10 to S15, S17 to S19), the
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)装置100は、AEM12と、AEM12により隔てられたアノード部11aの電極触媒14aとカソード部11bの電極触媒14bとを有する電解スタック10と、カソード部11bの電極触媒14bに隣接して設けられたガス流路15bに二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部30と、電解スタック10に電力を供給する電解電源20と、スタック電圧を検出する電圧センサ16と、スタック温度を検出する温度センサ18と、電解電源20を制御するコントローラ90と、を備える(図1~図3)。
According to this embodiment, the following advantageous effects can be obtained.
(1) The
コントローラ90は、電解電源20から電解スタック10への電力の供給を開始した後、スタック温度が所定温度に達するまでの起動期間中、電圧センサ16により検出されたスタック電圧と温度センサ18により検出されたスタック温度とに基づいて、スタック電圧が、スタック温度に対応して予め定められたスタック電圧の上限値以下となるように、電解電源20を制御する。このように、スタック電圧を適正範囲(図4)内、特に上限値以下に維持することで、電解スタック10を構成するAEM12等を劣化させることなく早期に昇温させ、電解スタック10の起動時間を短縮することができる。
After starting the supply of power from the
(2)コントローラ90は、さらに、起動期間中、電圧センサ16により検出されたスタック電圧と温度センサ18により検出されたスタック温度とに基づいて、スタック電圧が、スタック温度に対応して予め定められたスタック電圧の下限値以上となるように、電解電源20を制御する。このように、スタック電圧を適正範囲(図4)内、特に下限値以上に維持することで、起動期間中にも電解反応(式(i)~(iv))を進行させ、装置100全体の効率を向上することができる。
(2) The
(3)上限値は、電解スタック10の経年劣化の程度に基づいて予め定められる。これにより、電解スタック10の経年劣化の程度にかかわらず電解スタック10を構成するAEM12等の劣化を確実に防止することができる。
(3) The upper limit value is determined in advance based on the degree of deterioration of the
(4)下限値は、電解スタック10の経年劣化の程度に基づいて予め定められる。これにより、電解スタック10の経年劣化の程度にかかわらず起動期間中にも電解反応(式(i)~(iv))を確実に進行させることができる。
(4) The lower limit is determined in advance based on the degree of deterioration of the
(5)コントローラ90は、予め電圧センサ16のセンサ誤差と電解スタック10の電解効率とに基づいて設定された、上限値よりも低い目標値以下となるように、電解電源20を制御する。これにより、電解スタック10を構成するAEM12等の劣化を一層確実に防止することができる。
(5) The
(6)装置100は、スタック電流を検出する電流センサ17をさらに備える(図2、図3)。コントローラ90は、起動期間中、電圧センサ16により検出されたスタック電圧が目標値に達すると電流センサ17により検出されたスタック電流が上昇し、電圧センサ16により検出されたスタック電圧が目標値を下回ると電流センサ17により検出されたスタック電流が低下するように、電解電源20を制御する。すなわち、スタック電圧とスタック電流との間には一定の相関関係(IV特性)があるため、スタック電流を調整することでスタック電圧を調整することができる。このようにスタック電流を介してスタック電圧を調整することで、スタック電流についても適正範囲内となるように管理することができるため、電解スタック10を構成するAEM12等の劣化を一層確実に防止することができる。
(6) The
(7)コントローラ90は、電圧センサ16により検出されたスタック電圧が、上限値に準じて設定された最高値に達すると、電解スタック10への電力の供給を停止するように電解電源20を制御する。これにより、電解スタック10を構成するAEM12等の劣化をより一層確実に防止することができる。
(7) When the stack voltage detected by the
上記実施形態では、図1等で二酸化炭素が供給されるときに電解スタック10のカソード側で進行する電解反応を二酸化炭素からエチレンへの電解還元反応として説明したが、エチレンは一例であり、二酸化炭素の電解還元により生じる炭素化合物はエチレンに限定されない。また、二酸化炭素の電解還元により生じる炭素化合物は気体成分に限らず、例えばギ酸、酢酸、メタノール、エタノール等の液体成分であってもよい。
In the above embodiment, the electrolytic reaction that proceeds on the cathode side of the
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。 The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment and modifications, as long as the characteristics of the present invention are not impaired. It is also possible to arbitrarily combine one or more of the above-mentioned embodiment and modifications, and it is also possible to combine modifications together.
10 電解スタック、11a アノード部、11b カソード部、12 AEM、13a,13b 液流路、14a,14b 電極触媒、15a,15b ガス流路、16 電圧センサ、17 電流センサ、18 温度センサ、20 電解電源、30 二酸化炭素供給部、40a,40b 電解液供給部、90 コントローラ、91 演算部、92 記憶部、100 二酸化炭素電解装置(装置) 10 electrolysis stack, 11a anode section, 11b cathode section, 12 AEM, 13a, 13b liquid flow path, 14a, 14b electrode catalyst, 15a, 15b gas flow path, 16 voltage sensor, 17 current sensor, 18 temperature sensor, 20 electrolysis power source, 30 carbon dioxide supply section, 40a, 40b electrolyte supply section, 90 controller, 91 calculation section, 92 memory section, 100 carbon dioxide electrolysis device (device)
Claims (6)
前記カソードに隣接して設けられたガス流路に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部と、
前記電解スタックに電力を供給する電力供給部と、
前記電解スタックの電圧を検出する電圧センサと、
前記電解スタックの電流を検出する電流センサと、
前記電解スタックの温度を検出する温度センサと、
前記電力供給部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記電力供給部から前記電解スタックへの電力の供給を開始した後、前記電解スタックの温度が所定温度に達するまでの起動期間中、前記電圧センサにより検出された前記電解スタックの電圧と前記電流センサにより検出された前記電解スタックの電流と前記温度センサにより検出された前記電解スタックの温度とに基づいて、前記電解スタックの電圧が、前記電解スタックの温度に対応して予め定められた前記電解スタックの電圧の上限値よりも低い目標値を下回ると、前記電解スタックの電流が低下するように前記電力供給部を制御するとともに、前記電解スタックの電圧が前記目標値に達すると、前記電解スタックの電流が上昇するように前記電力供給部を制御することを特徴とする二酸化炭素電解装置。 an electrolysis stack having a diaphragm including an anion exchange type solid polymer electrolyte membrane, and an anode and a cathode separated by the diaphragm;
a carbon dioxide supply unit that supplies carbon dioxide to a gas flow path provided adjacent to the cathode;
a power supply for supplying power to the electrolysis stack;
a voltage sensor for detecting a voltage of the electrolytic stack;
a current sensor for detecting a current in the electrolytic stack;
a temperature sensor for detecting a temperature of the electrolysis stack;
A control unit that controls the power supply unit,
The control unit controls the power supply unit to reduce the current of the electrolytic stack when the voltage of the electrolytic stack falls below a target value that is lower than an upper limit value of the voltage of the electrolytic stack that is predetermined corresponding to the temperature of the electrolytic stack, based on the voltage of the electrolytic stack detected by the voltage sensor, the current of the electrolytic stack detected by the current sensor, and the temperature of the electrolytic stack detected by the temperature sensor, during a startup period until the temperature of the electrolytic stack reaches a predetermined temperature after starting the supply of power from the power supply unit to the electrolytic stack . The carbon dioxide electrolysis device characterized in that:
前記制御部は、さらに、前記起動期間中、前記電圧センサにより検出された前記電解スタックの電圧と前記温度センサにより検出された前記電解スタックの温度とに基づいて、前記電解スタックの電圧が、前記電解スタックの温度に対応して予め定められた前記電解スタックの電圧の下限値以上となるように、前記電力供給部制御することを特徴とする二酸化炭素電解装置。 The carbon dioxide electrolysis device according to claim 1,
The control unit further controls the power supply unit during the start-up period based on the voltage of the electrolysis stack detected by the voltage sensor and the temperature of the electrolysis stack detected by the temperature sensor so that the voltage of the electrolysis stack is equal to or higher than a lower limit voltage of the electrolysis stack predetermined corresponding to the temperature of the electrolysis stack.
前記上限値は、前記電解スタックの経年劣化の程度に基づいて予め定められることを特徴とする二酸化炭素電解装置。 The carbon dioxide electrolysis device according to claim 1 or 2,
The carbon dioxide electrolysis device according to claim 1, wherein the upper limit is determined in advance based on a degree of deterioration of the electrolysis stack over time.
前記下限値は、前記電解スタックの経年劣化の程度に基づいて予め定められることを特徴とする二酸化炭素電解装置。 The carbon dioxide electrolysis device according to claim 2,
The carbon dioxide electrolysis device, wherein the lower limit is determined in advance based on a degree of deterioration over time of the electrolysis stack.
前記目標値は、予め前記電圧センサのセンサ誤差と前記電解スタックの電解効率とに基づいて設定されることを特徴とする二酸化炭素電解装置。 The carbon dioxide electrolysis device according to claim 1,
4. The carbon dioxide electrolysis device according to claim 3, wherein the target value is set in advance based on a sensor error of the voltage sensor and an electrolysis efficiency of the electrolysis stack.
前記制御部は、前記電圧センサにより検出された前記電解スタックの電圧が、前記上限値に準じて設定された最高値に達すると、前記電解スタックへの電力の供給を停止するように前記電力供給部を制御することを特徴とする二酸化炭素電解装置。 The carbon dioxide electrolysis device according to claim 1,
the control unit controls the power supply unit to stop supplying power to the electrolysis stack when the voltage of the electrolysis stack detected by the voltage sensor reaches a maximum value set according to the upper limit value.
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