Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7651540B2 - Carbon Dioxide Electrolysis Device - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7651540B2 - Carbon Dioxide Electrolysis Device - Google Patents

Carbon Dioxide Electrolysis Device Download PDF

Info

Publication number
JP7651540B2
JP7651540B2 JP2022185067A JP2022185067A JP7651540B2 JP 7651540 B2 JP7651540 B2 JP 7651540B2 JP 2022185067 A JP2022185067 A JP 2022185067A JP 2022185067 A JP2022185067 A JP 2022185067A JP 7651540 B2 JP7651540 B2 JP 7651540B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
stack
electrolysis
voltage
electrolytic
carbon dioxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022185067A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2024074024A (en
Inventor
大輔 倉品
雄太 嶋田
輝幸 牛島
フォントゥ マイ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2022185067A priority Critical patent/JP7651540B2/en
Priority to US18/385,353 priority patent/US20240167179A1/en
Priority to CN202311500334.0A priority patent/CN118056927A/en
Publication of JP2024074024A publication Critical patent/JP2024074024A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7651540B2 publication Critical patent/JP7651540B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/23Carbon monoxide or syngas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/08Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on organic materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/02Process control or regulation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/02Process control or regulation
    • C25B15/023Measuring, analysing or testing during electrolytic production
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/01Products
    • C25B3/03Acyclic or carbocyclic hydrocarbons
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/01Products
    • C25B3/07Oxygen containing compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20Processes
    • C25B3/25Reduction
    • C25B3/26Reduction of carbon dioxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70Assemblies comprising two or more cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

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 Patent Document 1, an electrolyte consisting of a strong alkaline aqueous solution in which carbon dioxide is dissolved is passed through a liquid flow path provided between a cathode and an anode, and the carbon dioxide dissolved in the electrolyte is electrolytically reduced at the cathode.

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.

特開2022-131811号公報JP 2022-131811 A

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.

本発明の実施形態に係る二酸化炭素電解装置の電解スタックの一例を模式的に示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of an electrolysis stack of a carbon dioxide electrolysis device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る二酸化炭素電解装置の全体構成の一例を概略的に示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of the overall configuration of a carbon dioxide electrolysis device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る二酸化炭素電解装置の制御構成の一例を概略的に示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a control configuration of the carbon dioxide electrolysis device according to an embodiment of the present invention. スタック電圧の適正範囲について説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining an appropriate range of a stack voltage. 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。FIG. 13 is a diagram for explaining a case where the stack voltage at startup becomes excessive. 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。FIG. 13 is a diagram for explaining a case where it takes time for the stack temperature to reach a rated temperature. 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。6 is a diagram for explaining a case where the stack voltage is adjusted to a target value. 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。6 is a diagram for explaining a target value of a stack current when a stack voltage reaches a target value. FIG. スタック電圧が最高値に達した場合について説明するための図。FIG. 13 is a diagram for explaining a case where the stack voltage reaches a maximum value. 本発明の実施形態に係る二酸化炭素電解装置によるスタック起動処理の一例を示すフローチャート。4 is a flowchart showing an example of a stack startup process performed by the carbon dioxide electrolysis device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る二酸化炭素電解装置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。4 is a flowchart showing an example of a stack current target value calculation process performed by the carbon dioxide electrolysis device according to the embodiment of the present invention.

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 electrolysis stack 10 of a carbon dioxide electrolysis device (hereinafter, device) 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the electrolysis stack 10 is configured as an electrolysis cell in which an anion exchange solid polymer electrolyte membrane (AEM (Anion Exchange Membrane)) 12 is sandwiched between an anode part 11a and a cathode part 11b as a diaphragm, or an electrolysis stack in which electrolysis cells are stacked (connected in series).

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 anode section 11a and the cathode section 11b are separated from each other by the AEM 12, and each includes a liquid flow path 13a, 13b, an electrode catalyst 14a, 14b, and a gas flow path 15a, 15b. The liquid flow paths 13a, 13b and the gas flow paths 15a, 15b are provided adjacent to the electrode catalysts 14a, 14b, respectively.

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 liquid flow paths 13a and 13b from outside the electrolysis stack 10. The electrolyte that flows out of the liquid flow paths 13a and 13b can be introduced back into the liquid flow paths 13a and 13b and circulated.

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 electrolysis stack 10 to the gas flow path 15b of the cathode section 11b. In addition, gas generated by the electrolysis reaction can be discharged to the outside of the electrolysis stack 10 via the gas flow paths 15a and 15b.

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 electrode catalyst 14a (anode) of the anode section 11a is made of a non-precious metal such as nickel or a precious metal such as platinum, and is connected to the positive electrode of a direct current power supply (hereinafter, electrolytic power supply) 20 provided outside the electrolytic stack 10. The electrode catalyst 14b (cathode) of the cathode section 11b is made of copper or the like, and is connected to the negative electrode of the electrolytic power supply 20.

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→C24+8OH-+2H2O ・・・(ii)
2H2O→H2+2OH- ・・・(iii)
When power is supplied from the electrolysis power source 20 to the electrolysis stack 10, a potential difference occurs between the anode and the cathode depending on the magnitude of the power, and when the potential difference reaches the electrolysis voltage, the electrolysis reaction proceeds. More specifically, at the three-phase interface between the liquid flow path 13b, the electrode catalyst 14b, and the gas flow path 15b in the cathode section 11b, carbon dioxide is reduced by an electrolysis reaction to generate carbon compounds such as ethylene. For example, ethylene is generated by the electrolysis reactions of the following formulas (i) and (ii). In addition, water in the electrolytic solution is reduced by the electrolysis reaction of the following formula (iii) to generate hydroxide ions. The carbon compounds (gas) and hydrogen (gas) generated in the cathode section 11b are discharged to the outside of the electrolysis stack 10 via the gas flow path 15b.
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 cathode section 11b move through the electrolyte in the liquid flow path 13b of the cathode section 11b, then permeate the AEM 12, and move through the electrolyte in the liquid flow path 13a of the anode section 11a to the interface with the electrode catalyst 14a of the anode section 11a. On the surface of the electrode catalyst 14a of the anode section 11a, the hydroxide ions are oxidized by the electrolytic reaction of the following formula (iv) to generate oxygen. The oxygen (gas) generated in the anode section 11a is discharged to the outside of the electrolysis stack 10 via the gas flow path 15a, and water (liquid) flows and circulates through the liquid flow path 13a as it is.
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 device 100. As shown in Figure 2, the device 100 includes an electrolytic stack 10, an electrolytic power supply 20 that supplies power to the electrolytic stack 10, a carbon dioxide supply unit 30 that supplies carbon dioxide to the electrolytic stack 10, and electrolyte supply units 40a and 40b that supply electrolyte to the electrolytic stack 10.

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 electrolytic stack 10 is provided with a voltage sensor 16 that detects the voltage of the electrolytic stack 10 (hereinafter, stack voltage), more specifically, the potential difference generated between the anode and cathode of the electrolytic stack 10 due to the power supplied by the electrolytic power source 20. The voltage sensor 16 is connected to a controller 90 (FIG. 3), and the sensor value of the voltage sensor 16 is output to the controller 90.

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 electrolytic stack 10 is also provided with a current sensor 17 that detects the current of the electrolytic stack 10 (hereinafter, stack current), more specifically, the current flowing from the positive electrode of the electrolytic power supply 20 through the anode and cathode of the electrolytic stack 10 to the negative electrode of the electrolytic power supply 20. The current sensor 17 is connected to a controller 90 (FIG. 3), and the sensor value of the current sensor 17 is output to the controller 90.

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 electrolytic stack 10 is also provided with a temperature sensor 18 that detects a representative temperature of the electrolytic stack 10 (hereinafter, stack temperature). The temperature sensor 18 detects, for example, the surface temperature of the AEM 12 as the representative temperature of the electrolytic stack 10. The temperature sensor 18 is connected to a controller 90 (FIG. 3), and the sensor value of the temperature sensor 18 is output to the controller 90.

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 electrolytic power supply 20 is configured as a power generation device that supplies DC power to the electrolytic stack 10. The positive electrode of the electrolytic power supply 20 is connected to the anode of the electrolytic stack 10 (electrode catalyst 14a of the anode portion 11a), and the negative electrode of the electrolytic power supply 20 is connected to the cathode of the electrolytic stack 10 (electrode catalyst 14b of the cathode portion 11b).

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 dioxide supply unit 30 includes a pump and other components. The carbon dioxide supply unit 30 is connected to the inlet of the gas flow path 15b of the cathode 11b of the electrolysis stack 10 via a pipe 31, and supplies carbon dioxide (gas) to the electrolysis stack 10 by pumping air containing a predetermined concentration or more of carbon dioxide. The air containing a predetermined concentration or more of carbon dioxide may be exhaust gas from a device or facility that burns fossil fuels, or may be air in which carbon dioxide has been concentrated by a concentration device. The carbon dioxide supply unit 30 is controlled by a controller 90 (Figure 3).

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 electrolyte supply units 40a and 40b each include a pump and the like. The electrolyte supply units 40a and 40b are connected to the inlets of the liquid flow paths 13a and 13b of the electrolytic stack 10 via pipes 41a and 41b, respectively, and supply the electrolyte to the electrolytic stack 10 by pumping the electrolyte. The electrolyte supply units 40a and 40b receive the electrolyte from the outlets of the liquid flow paths 13a and 13b of the electrolytic stack 10 via pipes (not shown).

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 device 100. As shown in Figure 3, the device 100 further includes a controller 90 that controls the electrolytic power source 20, the carbon dioxide supply unit 30, and the electrolyte supply units 40a and 40b. A voltage sensor 16, a current sensor 17, and a temperature sensor 18 are each connected to the controller 90. The controller 90 includes a computer having a calculation unit 91 such as a CPU, a storage unit 92 such as a ROM and a RAM, and peripheral circuits thereof. The storage unit 92 of the controller 90 stores information such as the program executed by the calculation unit 91 and setting values.

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 calculation unit 91 of the controller 90 controls the electrolytic power supply 20, the carbon dioxide supply unit 30, and the electrolyte supply units 40a, 40b based on the stack voltage, stack current, and stack temperature detected by the voltage sensor 16, current sensor 17, and temperature sensor 18. In particular, after the supply of power from the electrolytic power supply 20 to the electrolytic stack 10 is started, the calculation unit 91 controls the electrolytic power supply 20 so that the stack voltage is within an appropriate range during the startup period until the stack temperature reaches a rated temperature (e.g., about 60 to 70°C) from room temperature.

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 electrolysis stack 10, the temperature of the AEM 12 and other components constituting the electrolysis stack 10 is low, and the internal resistance of the electrolysis stack 10, including the resistance when hydroxide ions pass through the AEM 12, is large. For this reason, the stack voltage becomes excessive, which may deteriorate the electrode catalysts 14a, 14b and the AEM 12 constituting the electrolysis stack 10. On the other hand, if the stack voltage falls below the electrolysis voltage required for the electrolysis reaction (formulas (i) to (iv)), the electrolysis reaction does not proceed, and the desired product (carbon compound such as ethylene) is not obtained despite the supply of power, and the efficiency of the entire device 100 decreases. Therefore, in order to prevent the components of the electrolysis stack 10 from deteriorating and to prevent the efficiency of the entire device 100 from decreasing, it is necessary to operate the electrolysis stack 10 within the appropriate range as shown in Figure 4.

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 memory unit 92 of the controller 90 as, for example, a characteristics map. The upper and lower limits of the stack voltage are determined in advance based on the theoretical electrolysis voltage value for each carbon compound generated. Furthermore, they may be determined in advance based on the degree of aging deterioration from the beginning to the end of the life of the electrolysis stack 10.

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 memory unit 92 of the controller 90 also stores current-voltage (IV) characteristics that represent the relationship between a predetermined stack voltage and stack current. As the stack current increases, the internal resistance of the electrolytic stack 10 increases, and the stack voltage decreases. Also, as the stack temperature increases, the internal resistance of the electrolytic stack 10 decreases, the stack current increases, and the stack voltage decreases. The IV characteristics for each stack temperature are predetermined by performing tests while changing the stack temperature, and are stored in the memory unit 92 of the controller 90, for example, as a characteristics map for each stack temperature.

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 voltage sensor 16, etc. Also, a target value even lower than the maximum value is preset based on the electrolysis efficiency of the electrolysis stack 10, etc. The characteristics (dashed lines in FIG. 4) showing the relationship between the stack temperature and the minimum, maximum, and target values of the stack voltage are also determined in advance by testing, similar to the upper and lower limit values, and are stored in the memory unit 92 of the controller 90, for example, as a characteristics map.

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 electrolytic stack 10, especially immediately after the start of power supply from the electrolytic power source 20 to the electrolytic stack 10, the temperature of the AEM 12 and other components that make up the electrolytic stack 10 is low, and the internal resistance of the electrolytic stack 10 is high. If power is supplied during such a period without monitoring and limiting the stack voltage, the stack voltage may exceed the target value and become excessive, causing deterioration of the AEM 12 and other components that make up the electrolytic stack 10.

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 electrolytic stack 10 and the potential difference between the anode and the cathode reaches the electrolytic voltage, the electrolytic reaction (formulas (i) to (iv)) proceeds, and the temperature of the AEM 12 and other components constituting the electrolytic stack 10 increases with the movement of hydroxide ions, etc., and the stack temperature increases. When the stack temperature increases, the internal resistance of the electrolytic stack 10 decreases, the stack current increases, and the stack voltage decreases. As shown in Figure 6, when power is supplied to the electrolytic stack 10 without increasing the stack voltage, it is possible to avoid the stack voltage becoming excessive as shown in Figure 5, but it takes a long time for the stack temperature to reach the rated temperature.

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 calculation unit 91 of the controller 90 controls the electrolytic power supply 20 so that the stack voltage detected by the voltage sensor 16 approaches a target value (Figure 4) that is predetermined in accordance with the stack temperature detected by the temperature sensor 18. More specifically, when the stack voltage reaches the target value, the electrolytic power supply 20 is controlled so that the stack current detected by the current sensor 17 increases, and when the stack voltage falls below the target value, the electrolytic power supply 20 is controlled so that the stack current decreases. As a result, the stack voltage is maintained near the upper limit value within the appropriate range of Figure 4, so that the AEM 12 and other components of the electrolytic stack 10 can be heated early within a range that does not deteriorate, and the start-up time of the electrolytic stack 10 until the stack temperature reaches the rated temperature can be shortened.

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 calculation unit 91 of the controller 90 increases the target value of the stack current and controls the electrolytic power source 20 so that the stack current increases. Also, when the stack voltage falls below the target value, the calculation unit 91 controls the electrolytic power source 20 so that the target value of the stack current decreases and the stack current decreases. At this time, the target value of the stack current is set within an appropriate range that does not deteriorate the AEM 12 and the like that constitute the electrolytic stack 10. Such an appropriate range (upper and lower limit values) of the stack current changes depending on the stack temperature. The characteristics showing the relationship between the stack temperature and the upper and lower limit values of the stack current are determined in advance by testing and are stored in the memory unit 92 of the controller 90 as, for example, a characteristic map.

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 calculation unit 91 of the controller 90 controls the electrolysis power source 20 to stop the supply of power to the electrolysis stack 10 when the stack voltage reaches the maximum value. This makes it possible to reliably prevent deterioration of the AEM 12 and other components that make up the electrolysis stack 10.

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 device 100, and shows an example of processing executed by the calculation unit 91 of the controller 90. The processing shown in this flowchart is started when a command to start the electrolytic stack 10 is issued.

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 electrolyte supply units 40a and 40b are controlled to supply electrolyte to the electrolytic stack 10. Next, in step S2, the carbon dioxide supply unit 30 is controlled to supply carbon dioxide (gas) to the electrolytic stack 10. Next, in step S3, the stack temperature detected by the temperature sensor 18 is read.

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 electrolytic power source 20 to the electrolytic stack 10. If the result in step S4 is negative, the process returns to step S3, and if the result is positive, the process proceeds to step S5. In step S5, the electrolytic power source 20 is controlled to start supplying power to the electrolytic stack 10. Next, the process proceeds to step S6, where the stack current target value calculation process is executed.

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 device 100, and shows an example of a process executed by the calculation unit 91 of the controller 90. The process shown in this flowchart is repeatedly executed at predetermined time intervals.

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 voltage sensor 16, current sensor 17, and temperature sensor 18, respectively, are read. Next, in step S11, it is determined whether the stack temperature read in step S10 is below the rated temperature. If the result in step S11 is negative, the process ends, and if the result is positive, the process proceeds to step S12. In step S12, it is determined whether the stack voltage read in step S10 is below the target value (FIG. 4).

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 electrolytic power supply 20 is controlled so that the stack current decreases. Next, in step S14, it is determined whether the target value of the stack current calculated in step S13 is less than the lower limit value. If the result in step S14 is positive, the process proceeds to step S15, where the target value of the stack current is set to the lower limit value. If the result in step S14 is negative, the target value of the stack current is set to the value calculated in step S13.

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 electrolytic power supply 20 is controlled so that the stack current increases. Next, in step S18, it is determined whether the target value of the stack current calculated in step S17 exceeds the upper limit value. If the result in step S18 is positive, the process proceeds to step S19, where the target value of the stack current is set to the upper limit value. If the result in step S18 is negative, the target value of the stack current is set to the value calculated in step S17. If the result in step S16 is negative, the process proceeds to step S20, where the electrolytic power supply 20 is controlled to stop the power supply to the electrolytic stack 10.

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 electrolytic stack 10 can be heated early without degrading the AEM 12, etc., and the start-up time can be shortened. In addition, by controlling the electrolytic power source 20 to stop supplying power to the electrolytic stack 10 when the stack voltage reaches its maximum value (steps S16, S20), degradation of the AEM 12, etc. that constitute the electrolytic stack 10 can be reliably prevented.

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 device 100 includes an AEM 12, an electrolysis stack 10 having an electrode catalyst 14a in an anode portion 11a and an electrode catalyst 14b in a cathode portion 11b separated by the AEM 12, a carbon dioxide supply unit 30 that supplies carbon dioxide to a gas flow path 15b provided adjacent to the electrode catalyst 14b in the cathode portion 11b, an electrolysis power supply 20 that supplies power to the electrolysis stack 10, a voltage sensor 16 that detects a stack voltage, a temperature sensor 18 that detects a stack temperature, and a controller 90 that controls the electrolysis power supply 20 (FIGS. 1 to 3).

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 electrolytic power source 20 to the electrolytic stack 10, the controller 90 controls the electrolytic power source 20 based on the stack voltage detected by the voltage sensor 16 and the stack temperature detected by the temperature sensor 18 during the startup period until the stack temperature reaches a predetermined temperature, so that the stack voltage is equal to or lower than the upper limit of the stack voltage that is predetermined corresponding to the stack temperature. In this way, by maintaining the stack voltage within an appropriate range (FIG. 4), particularly below the upper limit, the temperature of the AEM 12 and other components that make up the electrolytic stack 10 can be raised early without deteriorating, and the startup time of the electrolytic stack 10 can be shortened.

(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 controller 90 further controls the electrolysis power supply 20 during the startup period based on the stack voltage detected by the voltage sensor 16 and the stack temperature detected by the temperature sensor 18 so that the stack voltage is equal to or higher than a lower limit of the stack voltage that is predetermined in accordance with the stack temperature. In this way, by maintaining the stack voltage within the appropriate range (FIG. 4), particularly at or above the lower limit, the electrolysis reaction (formulas (i) to (iv)) can proceed even during the startup period, improving the efficiency of the entire device 100.

(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 electrolytic stack 10. This makes it possible to reliably prevent deterioration of the AEM 12 and other components of the electrolytic stack 10, regardless of the degree of deterioration of the electrolytic stack 10.

(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 electrolytic stack 10. This allows the electrolytic reaction (equations (i) to (iv)) to proceed reliably even during the startup period, regardless of the degree of deterioration of the electrolytic stack 10.

(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 controller 90 controls the electrolysis power supply 20 so that the voltage is equal to or lower than a target value that is lower than the upper limit and is set in advance based on the sensor error of the voltage sensor 16 and the electrolysis efficiency of the electrolysis stack 10. This makes it possible to more reliably prevent deterioration of the AEM 12 and other components that make up the electrolysis stack 10.

(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 device 100 further includes a current sensor 17 that detects the stack current (FIGS. 2 and 3). The controller 90 controls the electrolytic power supply 20 so that, during the startup period, when the stack voltage detected by the voltage sensor 16 reaches a target value, the stack current detected by the current sensor 17 increases, and when the stack voltage detected by the voltage sensor 16 falls below the target value, the stack current detected by the current sensor 17 decreases. That is, since there is a certain correlation (IV characteristics) between the stack voltage and the stack current, the stack voltage can be adjusted by adjusting the stack current. By adjusting the stack voltage via the stack current in this way, the stack current can also be managed to be within an appropriate range, so that deterioration of the AEM 12 and other components that make up the electrolytic stack 10 can be more reliably prevented.

(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 voltage sensor 16 reaches a maximum value set according to the upper limit, the controller 90 controls the electrolysis power source 20 to stop the supply of power to the electrolysis stack 10. This makes it possible to more reliably prevent deterioration of the AEM 12 and other components that make up the electrolysis stack 10.

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 electrolytic stack 10 when carbon dioxide is supplied in FIG. 1 etc. has been described as an electrolytic reduction reaction from carbon dioxide to ethylene, but ethylene is just one example, and the carbon compound generated by the electrolytic reduction of carbon dioxide is not limited to ethylene. In addition, the carbon compound generated by the electrolytic reduction of carbon dioxide is not limited to gas components, and may be liquid components such as formic acid, acetic acid, methanol, and ethanol.

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)

アニオン交換型の固体高分子電解質膜を含む隔膜と、前記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、
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:
請求項1に記載の二酸化炭素電解装置において、
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.
請求項1または2に記載の二酸化炭素電解装置において、
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.
請求項2に記載の二酸化炭素電解装置において、
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.
請求項1に記載の二酸化炭素電解装置において、
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.
請求項1に記載の二酸化炭素電解装置において、
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.
JP2022185067A 2022-11-18 2022-11-18 Carbon Dioxide Electrolysis Device Active JP7651540B2 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022185067A JP7651540B2 (en) 2022-11-18 2022-11-18 Carbon Dioxide Electrolysis Device
US18/385,353 US20240167179A1 (en) 2022-11-18 2023-10-30 Carbon dioxide electrolysis apparatus
CN202311500334.0A CN118056927A (en) 2022-11-18 2023-11-10 Carbon dioxide electrolysis device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022185067A JP7651540B2 (en) 2022-11-18 2022-11-18 Carbon Dioxide Electrolysis Device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2024074024A JP2024074024A (en) 2024-05-30
JP7651540B2 true JP7651540B2 (en) 2025-03-26

Family

ID=91069454

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022185067A Active JP7651540B2 (en) 2022-11-18 2022-11-18 Carbon Dioxide Electrolysis Device

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240167179A1 (en)
JP (1) JP7651540B2 (en)
CN (1) CN118056927A (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012153965A (en) 2011-01-28 2012-08-16 Honda Motor Co Ltd Method for operating high pressure water electrolysis apparatus
JP2022131811A (en) 2021-02-26 2022-09-07 本田技研工業株式会社 Carbon dioxide treatment apparatus, carbon dioxide treatment method, and method for producing carbon compound

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7504849B2 (en) * 2021-09-16 2024-06-24 株式会社東芝 Carbon dioxide electrolysis device, carbon dioxide electrolysis method, and valuable resource production system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012153965A (en) 2011-01-28 2012-08-16 Honda Motor Co Ltd Method for operating high pressure water electrolysis apparatus
JP2022131811A (en) 2021-02-26 2022-09-07 本田技研工業株式会社 Carbon dioxide treatment apparatus, carbon dioxide treatment method, and method for producing carbon compound

Also Published As

Publication number Publication date
CN118056927A (en) 2024-05-21
US20240167179A1 (en) 2024-05-23
JP2024074024A (en) 2024-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20240218527A1 (en) Water electrolysis system having excellent durability and method of operating the same
KR102608784B1 (en) Real-time risk detection electrolyser system
CN100349317C (en) Fuel cell stack control device and method
CN103367778B (en) Quick MEA break-ins recover with voltage
Huskinson et al. A high power density, high efficiency hydrogen–chlorine regenerative fuel cell with a low precious metal content catalyst
US10763527B2 (en) Fuel cell device
CN113445062A (en) Water electrolysis hydrogen production device, control method of water electrolysis hydrogen production device and electronic equipment
KR101831135B1 (en) Fuel Cell System and Controlling Method for The Same
CN112820908B (en) Normal shutdown method for hydrogen fuel cell system
JP7651540B2 (en) Carbon Dioxide Electrolysis Device
CN116716634A (en) Optimal control method and system for wind and solar complementary multi-type coupled hydrogen production systems
US8426075B2 (en) Fuel cell system, and operation method for fuel cell
JP5304863B2 (en) Fuel cell system
JP2018137094A (en) Fuel cell device
CN117721499A (en) A water electrolysis hydrogen production system and its wide-range operation control method and device
JP7651541B2 (en) Carbon Dioxide Electrolysis Device
JP2006114413A (en) Water quality management method for fuel cell power generator
CN121700459A (en) An anion exchange membrane water electrolysis hydrogen production system and its operation control method
WO2025249032A1 (en) Control device, electrolytic system, control method, and control program
CN120967369A (en) Multi-energy complementary SOEC hydrogen production system and its power stability control method
CN119491264A (en) A method and device for recovering the online performance of an electrolytic cell
CN119491267A (en) A control method and device for alleviating thermal shock of a PEM electrolysis hydrogen production device
JP2020129475A (en) Fuel battery system
JP2025176670A (en) Carbon dioxide electrolysis device and carbon dioxide electrolysis method
CN121538666A (en) AEM Electrolysis Hydrogen Production System for Renewable Energy and its Dynamic Control Method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230728

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20241008

RD13 Notification of appointment of power of sub attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7433

Effective date: 20241125

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241126

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20241125

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250218

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250313

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7651540

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150