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JP7809666B2 - Electrolysis system and method for operating the electrolysis system - Google Patents
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JP7809666B2 - Electrolysis system and method for operating the electrolysis system - Google Patents

Electrolysis system and method for operating the electrolysis system

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JP7809666B2
JP7809666B2 JP2023045396A JP2023045396A JP7809666B2 JP 7809666 B2 JP7809666 B2 JP 7809666B2 JP 2023045396 A JP2023045396 A JP 2023045396A JP 2023045396 A JP2023045396 A JP 2023045396A JP 7809666 B2 JP7809666 B2 JP 7809666B2
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Description

本発明の実施形態は、電気分解システムに関する。 An embodiment of the present invention relates to an electrolysis system.

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。再生可能エネルギーとしては、太陽電池や風力発電等が挙げられる。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、電力を貯蔵する場合、蓄電池にコストを必要とする問題や、また蓄電時にロスが発生するといった問題がある。 In recent years, concerns have arisen about the depletion of fossil fuels such as oil and coal, leading to growing expectations for renewable energy sources that can be used sustainably. Examples of renewable energy sources include solar cells and wind power. However, these have the challenge of making it difficult to ensure a stable supply of electricity, as the amount of power they generate depends on the weather and natural conditions. For this reason, attempts have been made to stabilize the power supply by storing electricity generated by renewable energy sources in storage batteries. However, storing electricity comes with issues such as the cost of storage batteries and losses that occur during storage.

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(HO)、二酸化炭素(CO)、窒素(N)等の還元対象物を還元し、炭素化合物や窒素化合物のような化学物質(化学エネルギー)に変換する技術が注目されている。これらの化学物質をボンベやタンクに貯蔵する場合、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、また貯蔵ロスも少ないという利点がある。 In view of these circumstances, attention has been drawn to a technology that uses electricity generated from renewable energy to reduce substances to be reduced, such as water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), and nitrogen (N 2 ), and convert them into chemical substances (chemical energy) such as carbon compounds and nitrogen compounds. Storing these chemical substances in cylinders or tanks has the advantage of lowering energy storage costs and minimizing storage losses compared to storing electricity (electrical energy) in batteries.

特開2013-159503号公報JP 2013-159503 A 国際公開第2019/176141号International Publication No. 2019/176141

本発明が解決しようとする課題は、電解効率の低下を抑制する。 The problem that this invention aims to solve is to prevent a decrease in electrolysis efficiency.

実施形態の電気分解システムは、酸化対象物を酸化してアノード生成物を生成するアノードと、還元対象物を還元してカソード生成物を生成するカソードと、アノードとカソードとの間に設けられた隔膜と、アノードに面するとともに酸化対象物を含むアノード流体が流れるアノード流路を有する第1の流路板と、カソードに面するとともに還元対象物を含むカソード流体が流れるカソード流路を有する第2の流路板と、を有し、アノード、カソード、隔膜、第1の流路板、および第2の流路板が第1方向に積層される、電気分解セルと、カソードの隔膜と反対側に配置され、第1方向と交差する第2方向に沿う回転軸と、回転軸を中心として電気分解セルを回転させる回転駆動装置と、を具備する。 The electrolysis system of this embodiment includes an electrolysis cell having an anode that oxidizes a substance to be oxidized to produce an anode product, a cathode that reduces a substance to be reduced to produce a cathode product, a diaphragm disposed between the anode and the cathode, a first flow path plate facing the anode and having an anode flow path through which an anode fluid containing the substance to be reduced flows, and a second flow path plate facing the cathode and having a cathode flow path through which a cathode fluid containing the substance to be reduced flows, with the anode, cathode, diaphragm, first flow path plate, and second flow path plate being stacked in a first direction; a rotation axis disposed on the opposite side of the cathode from the diaphragm and extending along a second direction intersecting the first direction; and a rotary drive device that rotates the electrolysis cell around the rotation axis.

電気分解システムの構成例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of an electrolysis system. 電気分解部10の第1の構造例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a first structural example of the electrolysis unit 10. 電気分解部10の第1の構造例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a first structural example of the electrolysis unit 10. 電気分解セルスタックの構造例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the structure of an electrolytic cell stack. 電気分解部10の第2の構造例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a second structural example of the electrolysis unit 10. 電気分解部10の変形例を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a modified example of the electrolysis unit 10.

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。図面に記載された各構成要素の厚さと平面寸法との関係、各構成要素の厚さの比率等は現物と異なる場合がある。上下方向は、重力加速度に従った上下方向と異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し適宜説明を省略する。 The following describes the embodiments with reference to the drawings. The relationship between the thickness and planar dimensions of each component, the thickness ratio of each component, etc. shown in the drawings may differ from the actual product. The up-down direction may differ from the up-down direction according to gravitational acceleration. Furthermore, in the embodiments, substantially identical components are designated by the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted as appropriate.

本明細書において「接続」とは物理的な接続だけでなく電気的な接続も含み、特に指定する場合を除き、直接接続だけでなく間接接続も含む。 In this specification, "connection" includes not only physical connection but also electrical connection, and unless otherwise specified, includes not only direct connection but also indirect connection.

図1は、電気分解システムの構成例を示すブロック図である。電気分解システム1は、電気分解を行う電気分解部10と、電気分解部10に接続された回転駆動部20と、電気分解部10および回転駆動部20に接続された制御部30と、を含む。 Figure 1 is a block diagram showing an example configuration of an electrolysis system. The electrolysis system 1 includes an electrolysis unit 10 that performs electrolysis, a rotational drive unit 20 connected to the electrolysis unit 10, and a control unit 30 connected to the electrolysis unit 10 and the rotational drive unit 20.

(電気分解部10の第1の構造例>
図2および図3は、電気分解部10の第1の構造例を示す模式図である。図2および図3は、X軸と、X軸と直交するY軸と、X軸およびY軸のそれぞれと直交するZ軸と、を示す。図2は、X-Y断面の一部を示す。図3は、X-Z断面の一部を示す。
(First structural example of electrolysis unit 10)
2 and 3 are schematic diagrams showing a first structural example of the electrolysis unit 10. Figures 2 and 3 show an X-axis, a Y-axis perpendicular to the X-axis, and a Z-axis perpendicular to both the X-axis and the Y-axis. Figure 2 shows a portion of the X-Y cross section. Figure 3 shows a portion of the X-Z cross section.

電気分解部10は、電気分解セル11と、回転軸12と、固定軸13と、を有する。 The electrolysis unit 10 has an electrolysis cell 11, a rotating shaft 12, and a fixed shaft 13.

電気分解セル11は、アノード101と、カソード102と、隔膜103と、流路板104と、流路板105と、を有する。アノード101、カソード102、隔膜103、流路板104、および流路板105は、例えば、X軸方向に延在し、Y軸方向に積層される。 The electrolysis cell 11 has an anode 101, a cathode 102, a diaphragm 103, a flow path plate 104, and a flow path plate 105. The anode 101, the cathode 102, the diaphragm 103, the flow path plate 104, and the flow path plate 105 extend, for example, in the X-axis direction and are stacked in the Y-axis direction.

アノード101は、酸化対象物を酸化してアノード生成物を生成する。酸化対象物の例は、水等を含む。アノード生成物の例は、酸素(O)や水素イオン(H)等を含む。アノード101は、アノード101で酸化反応を生起するために電源40の正極(+)端子に接続されている。アノード101には、板状、メッシュ状、ワイヤ状、粒子状、多孔質状、薄膜状、島状等の各種形状を適用することができる。 The anode 101 oxidizes an object to be oxidized to generate an anode product. Examples of the object to be oxidized include water. Examples of the anode product include oxygen (O 2 ) and hydrogen ions (H + ). The anode 101 is connected to the positive (+) terminal of the power source 40 to cause an oxidation reaction in the anode 101. The anode 101 can be in various shapes, such as a plate, mesh, wire, particle, porous, thin film, or island shape.

アノード101は、アノード導電体111と、アノード触媒112と、を有する。 The anode 101 has an anode conductor 111 and an anode catalyst 112.

アノード導電体111は、電源40に電気的に接続され、アノード101の電極としての機能を有する。アノード導電体111は、隔膜103とアノード流路140との間で液体やイオンを移動させることが可能な構造、例えばメッシュ材、パンチング材、多孔体、金属繊維焼結体等の多孔構造を有する基材を有する。基材は、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)等の金属やこれら金属を少なくとも1つ含む合金(例えばSUS)等の金属材料で構成してもよいし、後述する酸化触媒材料で構成してもよい。酸化触媒材料として酸化物を用いる場合には、上記した金属材料からなる基材の表面に酸化触媒材料を付着もしくは積層して触媒層を形成することが好ましい。酸化触媒材料は、酸化反応を高める上でナノ粒子、ナノ構造体、ナノワイヤ等を有することが好ましい。ナノ構造体とは、触媒材料の表面にナノスケールの凹凸を形成した構造体である。 The anode conductor 111 is electrically connected to the power source 40 and functions as an electrode for the anode 101. The anode conductor 111 has a structure that allows liquid and ions to move between the diaphragm 103 and the anode flow path 140, such as a porous substrate made of a mesh material, punched material, porous material, or sintered metal fiber material. The substrate may be made of a metal material such as titanium (Ti), nickel (Ni), or iron (Fe), or an alloy containing at least one of these metals (e.g., SUS), or it may be made of an oxidation catalyst material described below. When an oxide is used as the oxidation catalyst material, it is preferable to form a catalyst layer by attaching or laminating the oxidation catalyst material to the surface of a substrate made of one of the above metal materials. The oxidation catalyst material preferably has nanoparticles, nanostructures, nanowires, etc. to enhance the oxidation reaction. A nanostructure is a structure in which nanoscale irregularities are formed on the surface of a catalyst material.

アノード触媒112は、アノード対象物を酸化してアノード生成物を生成することが可能で、そのような反応の過電圧を減少させることが可能な材料(酸化触媒材料)で構成することが好ましい。酸化触媒材料としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)等の金属、それらの金属を含む合金や金属間化合物、酸化マンガン(Mn-O)、酸化イリジウム(Ir-O)、酸化ニッケル(Ni-O)、酸化コバルト(Co-O)、酸化鉄(Fe-O)、酸化スズ(Sn-O)、酸化インジウム(In-O)、酸化ルテニウム(Ru-O)等の二元系金属酸化物、Ni-Co-O、Ni-Fe-O、La-Co-O、Ni-La-O、Sr-Fe-O等の三元系金属酸化物、Pb-Ru-Ir-O、La-Sr-Co-O等の四元系金属酸化物、Ru錯体やFe錯体等の金属錯体が挙げられる。アノード101には、これらの材料を基材上に積層した複合電極を適用してもよい。 The anode catalyst 112 is preferably composed of a material (oxidation catalyst material) capable of oxidizing an anode target to generate an anode product and reducing the overvoltage of such a reaction. Examples of oxidation catalyst materials include metals such as platinum (Pt), palladium (Pd), and nickel (Ni), alloys and intermetallic compounds containing these metals, binary metal oxides such as manganese oxide (Mn-O), iridium oxide (Ir-O), nickel oxide (Ni-O), cobalt oxide (Co-O), iron oxide (Fe-O), tin oxide (Sn-O), indium oxide (In-O), and ruthenium oxide (Ru-O), ternary metal oxides such as Ni-Co-O, Ni-Fe-O, La-Co-O, Ni-La-O, and Sr-Fe-O, quaternary metal oxides such as Pb-Ru-Ir-O and La-Sr-Co-O, and metal complexes such as Ru complexes and Fe complexes. The anode 101 may be a composite electrode in which these materials are layered on a substrate.

カソード102は、還元対象物を還元してカソード生成物を生成する。還元対象物の例は、水、二酸化炭素、窒素等を含む。カソード生成物の例は、水素、炭素化合物、窒素化合物等を含む。還元対象物の例は、還元反応により得られる水素、炭素化合物、窒素化合物等を含んでいてもよい。カソード102は、還元反応を生起するために電源40の負極(-)端子に接続されている。カソード102は、その少なくとも一部に、水、二酸化炭素、または窒素を電気的に還元することが可能な部位(以下、還元部位ともいう)を有する。 The cathode 102 reduces the target substance to be reduced to produce a cathode product. Examples of the target substance to be reduced include water, carbon dioxide, nitrogen, etc. Examples of the cathode product include hydrogen, carbon compounds, nitrogen compounds, etc. Examples of the target substance to be reduced may include hydrogen, carbon compounds, nitrogen compounds, etc. obtained by a reduction reaction. The cathode 102 is connected to the negative (-) terminal of the power source 40 to cause a reduction reaction. The cathode 102 has, at least in part, a site capable of electrically reducing water, carbon dioxide, or nitrogen (hereinafter also referred to as a reduction site).

炭素化合物の例は、一酸化炭素(CO)、ギ酸(HCOOH)、メタン(CH)、メタノール(CHOH)、酢酸(CHCOOH)、エタン(C)、エチレン(C)、エタノール(COH)、ホルムアルデヒド(HCHO)、アセトアルデヒド(CHCHO)、エチレングリコール(HOCHCHOH)、1-プロパノール(CHCHCHOH)、イソプロパノール(CHCHOHCH)、アセチレン(C)、グリセロール(C)、ジヒドロキシアセトン(C)、ヒドロキシピルビン酸(C)、メソキサル酸(C)、シュウ酸(C)、グリセルアルデヒド(C)、グリセリン酸(C)、タルトロン酸(C)、グリコール酸(C)、グリオキサール(C)、グリコールアルデヒド(C)、グリオキシル酸(C)等を含む。 Examples of carbon compounds are carbon monoxide (CO), formic acid (HCOOH), methane (CH 4 ), methanol (CH 3 OH), acetic acid (CH 3 COOH), ethane (C 2 H 6 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethanol (C 2 H 5 OH), formaldehyde (HCHO), acetaldehyde (CH 3 CHO), ethylene glycol (HOCH 2 CH 2 OH), 1-propanol (CH 3 CH 2 CH 2 OH), isopropanol (CH 3 CHOHCH 3 ), acetylene (C 2 H 2 ), glycerol (C 3 H 8 O 3 ), dihydroxyacetone (C 3 H 6 O 3 ), hydroxypyruvic acid (C 3 H 4 O 4 ), mesoxalic acid (C 3 H 2 O 5 ), and oxalic acid (C 2 H 6 ). H 2 O 4 ), glyceraldehyde (C 3 H 6 O 3 ), glyceric acid (C 3 H 6 O 4 ), tartronic acid (C 3 H 4 O 5 ), glycolic acid (C 2 H 4 O 3 ), glyoxal (C 2 H 2 O 2 ), glycolaldehyde (C 2 H 4 O 2 ), glyoxylic acid (C 2 H 2 O 3 ), etc.

窒素化合物の例は、アンモニア、尿素、尿酸、アミノ酸等を含む。 Examples of nitrogen compounds include ammonia, urea, uric acid, amino acids, etc.

カソード102は、電解液に浸漬され若しくは電解液と接してもよい。カソード102は、水蒸気、二酸化炭素ガス、窒素ガスと接してもよい。カソード102は、電解液に溶解した水蒸気、二酸化炭素ガス、窒素ガスと接触してもよい。 The cathode 102 may be immersed in or in contact with the electrolyte. The cathode 102 may be in contact with water vapor, carbon dioxide gas, or nitrogen gas. The cathode 102 may be in contact with water vapor, carbon dioxide gas, or nitrogen gas dissolved in the electrolyte.

カソード102は、カソード導電体121と、カソード触媒122と、を有する。 The cathode 102 has a cathode conductor 121 and a cathode catalyst 122.

カソード導電体121は、電源40に電気的に接続され、カソード102の電極としての機能を有する。図2は、カソード導電体121がカソード触媒122と直接的に接続された状態を示すが、カソード導電体121の形態はこれに限定されない。カソード導電体121は、カソード触媒122と物理的に分離され、かつカソード触媒122と電気的に接続されていてもよい。カソード導電体121は、電源40から供給される電流をカソード触媒122に流すことが可能であればよい。また、カソード触媒122自体が電極に求められる導電性を有する場合には、カソード触媒122をカソード導電体121としても機能させ、カソード導電体121を省くことも可能である。 The cathode conductor 121 is electrically connected to the power source 40 and functions as an electrode for the cathode 102. While FIG. 2 shows the cathode conductor 121 directly connected to the cathode catalyst 122, the configuration of the cathode conductor 121 is not limited to this. The cathode conductor 121 may be physically separated from the cathode catalyst 122 and electrically connected to it. The cathode conductor 121 only needs to be able to pass the current supplied from the power source 40 through the cathode catalyst 122. Furthermore, if the cathode catalyst 122 itself has the conductivity required of an electrode, the cathode catalyst 122 can also function as the cathode conductor 121, and the cathode conductor 121 can be omitted.

カソード導電体121は、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、パラジウム(Pd)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、錫(Sn)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、及びビスマス(Bi)の1つの金属元素を含む金属材料を用いて形成可能である。金属材料は、上記した金属元素の単体であってもよいし、上記した金属元素を含む合金、例えばSUSのような合金や、金属間化合物等であってもよい。さらに、カソード導電体121は、例えば、ITO(インジウム錫酸化物:Indium Tin Oxide)、ZnO(酸化亜鉛)、FTO(フッ素を含む酸化錫:Fluorine-Doped Tin Oxide)、AZO(アルミニウムを含む酸化亜鉛:Aluminum-Doped Zinc Oxide)、ATO(アンチモンを含む酸化錫:Antimony-Doped Tin Oxide)等の透光性及び導電性金属酸化物、シリコンやゲルマニウム等の半導体、導電性樹脂、導電性イオン交換膜を用いて形成されてもよい。また、カソード導電体121は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン等の炭素材料を用いて形成されてもよい。カソード導電体121は、例えば金属材料層と他の導電性材料層とを含む積層物、金属材料層以外の導電性材料層と他の導電性材料層とを含む積層物等であってもよい。 The cathode conductor 121 can be formed using a metal material containing one of the following metal elements: gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), nickel (Ni), zinc (Zn), palladium (Pd), aluminum (Al), iron (Fe), manganese (Mn), titanium (Ti), tin (Sn), indium (In), gallium (Ga), and bismuth (Bi). The metal material may be a simple metal element, or an alloy containing the metal element, such as an alloy like SUS or an intermetallic compound. Furthermore, the cathode conductor 121 may be formed using, for example, a translucent and conductive metal oxide such as ITO (indium tin oxide), ZnO (zinc oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), AZO (aluminum-doped zinc oxide), or ATO (antimony-doped tin oxide), a semiconductor such as silicon or germanium, a conductive resin, or a conductive ion exchange membrane. The cathode conductor 121 may also be formed using a carbon material such as carbon black, carbon nanotubes, or fullerene. The cathode conductor 121 may also be, for example, a laminate including a metal material layer and another conductive material layer, or a laminate including a conductive material layer other than a metal material layer and another conductive material layer.

カソード導電体121は、電解液の通過が可能な細孔を含む多孔質構造や貫通孔を有する構造を備えていてもよい。貫通孔は、カソード導電体121からカソード触媒122まで連通した構造であってもよい。多孔質構造は、例えば部材にエッチング処理を施して細孔を形成する方法、また多孔質材料を用いる方法等により得ることができる。多孔質構造のカソード導電体121は、例えば1mm以上20mm以下の細孔分布を有することが好ましい。貫通孔は、例えばカソード導電体121をエッチングすることにより形成することができる。多孔質構造を有するカソード導電体121において、連通する細孔を貫通孔と見なすこともできる。多孔質構造や貫通孔を有するカソード導電体121によれば、高い導電性と広い活性面の表面積を確保しつつ、細孔や貫通孔を介してイオンや反応物質の拡散性を高めることができる。 The cathode conductor 121 may have a porous structure including pores that allow the electrolyte to pass through, or a structure with through-holes. The through-holes may be a structure that connects the cathode conductor 121 to the cathode catalyst 122. The porous structure can be obtained, for example, by etching a member to form pores, or by using a porous material. The cathode conductor 121 with a porous structure preferably has a pore distribution of, for example, 1 mm or more and 20 mm or less. The through-holes can be formed, for example, by etching the cathode conductor 121. In a cathode conductor 121 with a porous structure, the interconnected pores can also be considered as through-holes. A cathode conductor 121 with a porous structure or through-holes can ensure high conductivity and a large active surface area while increasing the diffusibility of ions and reactants through the pores or through-holes.

カソード触媒122は、還元対象物を還元することが可能な部位(還元部位)を有する。カソード触媒122における還元部位は、それらの表面に少なくとも有してればよいが、多孔質体の内部にまで還元部位が存在していることが好ましい。還元部位を有するカソード触媒122としては、還元触媒材料、すなわち還元対象物を還元するための活性化エネルギーを減少させる材料、言い換えると還元反応により水素、炭素化合物、窒素化合物を生成する際の過電圧を低下させる材料(還元部位を構成する材料/還元触媒材料)が挙げられる。カソード触媒122は、還元部位を構成する材料(還元触媒材料)で形成されていることが好ましい。 The cathode catalyst 122 has sites (reduction sites) capable of reducing the substance to be reduced. The reduction sites in the cathode catalyst 122 need only be present on the surface, but it is preferable that the reduction sites extend to the interior of the porous body. Examples of cathode catalysts 122 with reduction sites include reduction catalyst materials, i.e., materials that reduce the activation energy required to reduce the substance to be reduced; in other words, materials that reduce the overvoltage that occurs when hydrogen, carbon compounds, and nitrogen compounds are produced by a reduction reaction (materials that constitute the reduction sites/reduction catalyst materials). The cathode catalyst 122 is preferably formed from a material that constitutes the reduction sites (reduction catalyst material).

カソード触媒122を還元触媒材料で形成する場合、還元触媒材料としては、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、及びパラジウム(Pd)から選ばれる少なくとも1つの金属元素を含む金属材料が挙げられる。還元触媒材料としての金属材料は、上記した金属元素の単体であってもよいし、上記した金属元素を含む合金であってもよい。 When the cathode catalyst 122 is formed from a reduction catalyst material, examples of the reduction catalyst material include a metal material containing at least one metal element selected from gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), nickel (Ni), zinc (Zn), and palladium (Pd). The metal material used as the reduction catalyst material may be any of the above metal elements alone, or an alloy containing the above metal elements.

カソード触媒122は、還元触媒材料で全体が形成された構成に限定されない。還元部位を有するカソード触媒122は、還元触媒材料以外の金属材料でカソード触媒122を形成し、それらの表面に還元触媒材料を存在させた構成を有していてもよい。還元触媒材料は、カソード触媒122の内部にも存在させてもよい。カソード触媒122に還元触媒材料を存在させる方法としては、還元触媒材料の微粒子(ナノ粒子)、分散液、溶液等をカソード触媒122に塗布する方法を適用することができるが、これに限られない。このような場合において、還元触媒材料には上述した金属材料(Au、Ag、Cu、Pt、Ni、Zn、Pd)に加えて、炭素、グラフェン、カーボンナノチューブ、フラーレン、ケッチェンブラック等の炭素材料、Ru錯体やRe錯体等の金属錯体を用いてもよい。さらに、還元触媒材料は、上記した金属材料、炭素材料、金属錯体のいずれか2つ以上を含む複合材料であってもよいし、有機分子等を含んでいてもよい。 The cathode catalyst 122 is not limited to being formed entirely of the reduction catalyst material. A cathode catalyst 122 having a reduction site may be formed of a metal material other than the reduction catalyst material, with the reduction catalyst material present on its surface. The reduction catalyst material may also be present inside the cathode catalyst 122. A method for providing the reduction catalyst material in the cathode catalyst 122 includes, but is not limited to, applying fine particles (nanoparticles), a dispersion, or a solution of the reduction catalyst material to the cathode catalyst 122. In such cases, in addition to the metal materials (Au, Ag, Cu, Pt, Ni, Zn, Pd), the reduction catalyst material may also include carbon, graphene, carbon nanotubes, fullerenes, Ketjen black, and other carbon materials, and metal complexes such as Ru complexes and Re complexes. Furthermore, the reduction catalyst material may be a composite material containing two or more of the metal materials, carbon materials, and metal complexes described above, or may contain organic molecules, etc.

カソード触媒122は、窒素を還元してアンモニアを生成することが可能な還元触媒材料を用いてもよい。そのような材料としては、モリブデン錯体が挙げられる。例えば以下に示す(A)~(D)のモリブデン錯体が挙げられる。 The cathode catalyst 122 may be made of a reduction catalyst material capable of reducing nitrogen to produce ammonia. Such materials include molybdenum complexes. Examples include the molybdenum complexes (A) to (D) shown below.

第1の例としては、(A)PCP配位子として、N,N-ビス(ジアルキルホスフィノメチル)ジヒドロベンゾイミダゾリデン(ただし、2つのアルキル基は同じでも異なっていてもよく、ベンゼン環の少なくとも1つの水素原子はアルキル基、アルコキシ基、又はハロゲン原子に置換されていてもよい)を有するモリブデン錯体が挙げられる。 A first example is a molybdenum complex having (A) N,N-bis(dialkylphosphinomethyl)dihydrobenzimidazolidene as the PCP ligand (wherein the two alkyl groups may be the same or different, and at least one hydrogen atom on the benzene ring may be substituted with an alkyl group, an alkoxy group, or a halogen atom).

第2の例としては、(B)PNP配位子として、2,6-ビス(ジアルキルホスフィノメチル)ピリジン(ただし、2つのアルキル基は同じでも異なっていてもよく、ピリジン環の少なくとも1つの水素原子はアルキル基、アルコキシ基、またはハロゲン原子に置換されていてもよい)を有するモリブデン錯体が挙げられる。 A second example is a molybdenum complex having (B) 2,6-bis(dialkylphosphinomethyl)pyridine as the PNP ligand (wherein the two alkyl groups may be the same or different, and at least one hydrogen atom on the pyridine ring may be substituted with an alkyl group, alkoxy group, or halogen atom).

第3の例としては、(C)PPP配位子として、ビス(ジアルキルホスフィノメチル)アリールホスフィン(ただし、2つのアルキル基は同じでも異なっていてもよい)を有するモリブデン錯体が挙げられる。 A third example is a molybdenum complex having (C) a bis(dialkylphosphinomethyl)arylphosphine (where the two alkyl groups may be the same or different) as the PPP ligand.

第4の例としては、(D)trans-Mo(N(RP)(ただし、R、R、Rは同じでも異なっていてもよい、アルキル基又はアリール基であり、2つのRは互いに繋がってアルキレン鎖を形成していてもよい)で表されるモリブデン錯体が挙げられる。 A fourth example is a molybdenum complex (D) represented by trans-Mo(N 2 ) 2 (R 1 R 2 R 3 P) 4 (wherein R 1 , R 2 , and R 3 may be the same or different and are alkyl or aryl groups, and two R 3s may be bonded to each other to form an alkylene chain).

上記したモリブデン錯体において、アルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、およびそれらの構造異性体等の直鎖状又は分岐状のアルキル基であってもよいし、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等の環状のアルキル基であってもよい。アルキル基の炭素数は1~12であることが好ましく、1~6であることがより好ましい。アルコキシ基としては、例えばメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペントキシ基、ヘキシルオキシ基、およびそれらの構造異性体等の直鎖状又は分岐状のアルコキシ基であってもよいし、シクロプロポキシ基、シクロブトキシ基、シクロペントキシ基、シクロヘキシルオキシ基等の環状のアルコキシ基であってもよい。アルコキシ基の炭素数は1~12であることが好ましく、1~6であることがより好ましい。ハロゲン原子としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。 In the molybdenum complexes described above, the alkyl group may be, for example, a linear or branched alkyl group such as methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, or structural isomers thereof, or a cyclic alkyl group such as cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, or cyclohexyl. The alkyl group preferably contains 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6. The alkoxy group may be, for example, a linear or branched alkoxy group such as methoxy, ethoxy, propoxy, butoxy, pentoxy, hexyloxy, or structural isomers thereof, or a cyclic alkoxy group such as cyclopropoxy, cyclobutoxy, cyclopentoxy, or cyclohexyloxy. The alkoxy group preferably contains 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6. Examples of halogen atoms include fluorine, chlorine, bromine, and iodine.

(A)のモリブデン錯体としては、例えば以下の式(A1)で表されるモリブデン錯体が挙げられる。 Examples of the molybdenum complex (A) include the molybdenum complex represented by the following formula (A1):

(式中、RおよびRは同じであっても異なっていてもよいアルキル基であり、Xはヨウ素原子、臭素原子、又は塩素原子であり、ベンゼン環上の少なくとも1つの水素原子はアルキル基、アルコキシ基、又はハロゲン原子で置換されていてもよい) (wherein R1 and R2 are alkyl groups which may be the same or different, X is an iodine atom, a bromine atom, or a chlorine atom, and at least one hydrogen atom on the benzene ring may be substituted with an alkyl group, an alkoxy group, or a halogen atom)

アルキル基、アルコキシ基、およびハロゲン原子は、既に例示したものと同じものが挙げられる。RおよびRとしては、かさ高いアルキル基(例えば、tert-ブチル基やイソプロピル基)が好ましい。ベンゼン環上の水素原子は、置換されていないか、5位および6位の水素原子が鎖状、環状、又は分岐状の炭素数1~12のアルキル基で置換されていることが好ましい。 Examples of the alkyl group, alkoxy group, and halogen atom include those already exemplified. R1 and R2 are preferably bulky alkyl groups (for example, tert-butyl or isopropyl). It is preferred that the hydrogen atoms on the benzene ring are unsubstituted, or that the hydrogen atoms at the 5- and 6-positions are substituted with linear, cyclic, or branched alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms.

(B)のモリブデン錯体としては、例えば以下の式(B1)、式(B2)、式(B3)で表されるモリブデン錯体が挙げられる。 Examples of the molybdenum complex (B) include molybdenum complexes represented by the following formulas (B1), (B2), and (B3).

(式中、RおよびRは同じであっても異なっていてもよいアルキル基であり、Xはヨウ素原子、臭素原子、又は塩素原子であり、ピリジン環上の少なくとも1つの水素原子はアルキル基、アルコキシ基、又はハロゲン原子で置換されていてもよい) (wherein R 1 and R 2 are alkyl groups which may be the same or different; X is an iodine atom, a bromine atom, or a chlorine atom; and at least one hydrogen atom on the pyridine ring may be substituted with an alkyl group, an alkoxy group, or a halogen atom.)

アルキル基、アルコキシ基、およびハロゲン原子は、既に例示したものと同じものが挙げられる。RおよびRとしては、かさ高いアルキル基(例えば、tert-ブチル基やイソプロピル基)が好ましい。ピリジン環上の水素原子は、置換されていないか、4位の水素原子が鎖状、環状、又は分岐状の炭素数1~12のアルキル基で置換されていることが好ましい。 Examples of the alkyl group, alkoxy group, and halogen atom include those already exemplified. R1 and R2 are preferably bulky alkyl groups (for example, tert-butyl or isopropyl). It is preferred that the hydrogen atom on the pyridine ring is unsubstituted, or that the hydrogen atom at position 4 is substituted with a linear, cyclic, or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms.

(C)のモリブデン錯体としては、例えば以下の式(C1)で表されるモリブデン錯体が挙げられる。 Examples of the molybdenum complex (C) include the molybdenum complex represented by the following formula (C1):

(式中、RおよびRは同じであっても異なっていてもよいアルキル基であり、Rはアリール基であり、Xはヨウ素原子、臭素原子、又は塩素原子である) (wherein R 1 and R 2 are alkyl groups which may be the same or different, R 3 is an aryl group, and X is an iodine atom, a bromine atom, or a chlorine atom)

アルキル基は、既に例示したものと同じものが挙げられる。アリール基としては、例えばフェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、およびそれらの環状の水素原子の少なくとも1つがアルキル基又はハロゲン原子で置換されたもの等が挙げられる。アルキル基やハロゲン原子は、既に例示したものと同じものが挙げられる。RおよびRとしては、かさ高いアルキル基(例えば、tert-ブチル基やイソプロピル基)が好ましい。Rとしては、例えばフェニル基が好ましい。 Examples of the alkyl group include the same groups as those already exemplified. Examples of the aryl group include a phenyl group, a tolyl group, a xylyl group, a naphthyl group, and groups in which at least one of the cyclic hydrogen atoms is substituted with an alkyl group or a halogen atom. Examples of the alkyl group and the halogen atom include the same groups as those already exemplified. R1 and R2 are preferably bulky alkyl groups (for example, a tert-butyl group or an isopropyl group). For R3 , for example, a phenyl group is preferred.

(D)のモリブデン錯体としては、例えば以下の式(D1)、式(D2)で表されるモリブデン錯体が挙げられる。 Examples of the molybdenum complex (D) include molybdenum complexes represented by the following formulas (D1) and (D2).

(式中、R、R、およびRは同じであっても異なっていてもよいアルキル基又はアリール基であり、Nは2又は3である) (wherein R 1 , R 2 , and R 3 are alkyl or aryl groups which may be the same or different, and N is 2 or 3).

アルキル基およびアリール基は、既に例示したものと同じものが挙げられる。式(D1)ではRおよびRがアリール基(例えばフェニル基)で、Rが炭素数1~4のアルキル基(例えばメチル基)であるか、RおよびRが炭素数1~4のアルキル基(例えばメチル基)で、Rがアリール基(例えばフェニル基)であることが好ましい。式(D2)では、RおよびRがアリール基(例えばフェニル基)でNが2であることが好ましい。 Examples of the alkyl group and aryl group include the same groups as those already exemplified. In formula (D1), it is preferable that R1 and R2 are aryl groups (e.g., phenyl groups) and R3 is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (e.g., methyl group), or that R1 and R2 are alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms (e.g., methyl group) and R3 is an aryl group (e.g., phenyl group). In formula (D2), it is preferable that R1 and R2 are aryl groups (e.g., phenyl groups) and N is 2.

隔膜103は、アノード101とカソード102との間に設けられる。隔膜103は、アノード101とカソード102との間でイオンを移動させることができ、アノード101とカソード102とを分離することが可能なイオン交換膜等で構成される。イオン交換膜としては、例えばナフィオンやフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタやセレミオンのようなアニオン交換膜が使用される。これら以外にもアノード101とカソード102との間でイオンを移動させることが可能な材料であれば、隔膜103として用いることができる。 The diaphragm 103 is provided between the anode 101 and the cathode 102. The diaphragm 103 is composed of an ion exchange membrane or the like that allows ions to move between the anode 101 and the cathode 102 and separates the anode 101 and the cathode 102. Examples of ion exchange membranes that can be used include cation exchange membranes such as Nafion and Flemion, and anion exchange membranes such as Neoceptor and Selemion. In addition to these, any material that allows ions to move between the anode 101 and the cathode 102 can be used as the diaphragm 103.

アノード101、カソード102、および隔膜103は、膜電極接合体MEAを形成する。膜電極接合体MEAは、隔膜103、電解液、またはその両方を介して、アノード101とカソード102が電圧印加時には導通構造を有し、電圧印加しない際には絶縁構造を有する。 The anode 101, cathode 102, and diaphragm 103 form a membrane electrode assembly (MEA). The membrane electrode assembly (MEA) has a conductive structure between the anode 101 and cathode 102 when a voltage is applied, via the diaphragm 103, the electrolyte, or both, and an insulating structure when no voltage is applied.

流路板104は、アノード流路140を有する。アノード流路140は、アノード101に面し、アノード導電体111に面する。アノード流路140は、酸化対象物を含むアノード流体が流れることができる。アノード流体は、少なくとも水を含む溶液を含む。アノード流路140の入口は、酸化対象物を供給するアノード供給源に接続されてもよい。アノード流路140の出口は、アノード流体を回収するアノード流体回収器に接続されてもよい。アノード流路140の形状は特に限定されないが、例えばX-Z断面において、短冊形状やサーペンタイン形状を有していてもよい。 The flow path plate 104 has an anode flow path 140. The anode flow path 140 faces the anode 101 and the anode conductor 111. An anode fluid containing a substance to be oxidized can flow through the anode flow path 140. The anode fluid includes a solution containing at least water. The inlet of the anode flow path 140 may be connected to an anode supply source that supplies the substance to be oxidized. The outlet of the anode flow path 140 may be connected to an anode fluid collector that collects the anode fluid. The shape of the anode flow path 140 is not particularly limited, but may have a rectangular or serpentine shape in the X-Z cross section, for example.

水を含む溶液としては、例えば任意の電解質を含む電解液が用いられる。この溶液は水の酸化反応を促進する水溶液であることが好ましい。電解液としては、例えばリン酸イオン(PO 2-)、ホウ酸イオン(BO 3-)、炭酸水素イオン(HCO )、ナトリウムイオン(Na)、カリウムイオン(K)、カルシウムイオン(Ca2+)、リチウムイオン(Li)、セシウムイオン(Cs)、マグネシウムイオン(Mg2+)、塩化物イオン(Cl)、臭化物イオン(Br)、ヨウ化物イオン(I)等を含む水溶液が挙げられる。 The water-containing solution may be, for example, an electrolyte solution containing any electrolyte. This solution is preferably an aqueous solution that promotes the oxidation reaction of water. Examples of the electrolyte solution include aqueous solutions containing phosphate ions (PO 4 2− ), borate ions (BO 3 3− ), bicarbonate ions (HCO 3 ), sodium ions (Na + ), potassium ions (K + ), calcium ions (Ca 2+ ), lithium ions (Li + ), cesium ions (Cs + ), magnesium ions (Mg 2+ ), chloride ions (Cl ), bromide ions (Br ), iodide ions (I ), and the like.

O、CO、を含む溶液は、HO、COの吸収率が高い溶液であることが好ましく、LiHCO、NaHCO、KHCO、CSHCO等の水溶液が挙げられる。HO、COを含む溶液には、メタノール、エタノール、アセトン等のアルコール類を用いてもよい。HO、CO、Nを含む溶液は、HO、CO、Nの還元電位を低下させ、イオン伝導性が高く、HO、CO、Nを吸収するHO、CO、N吸収剤を含む溶液であることが好ましい。そのような溶液には、イミダゾリウムイオンやピリジニウムイオン等の陽イオンと、BF やPF 等の陰イオンとの塩からなり、幅広い温度範囲で液体状態であるイオン液体又はその水溶液を用いてもよい。その他の溶液としては、エタノールアミン、イミダゾール、ピリジン等のアミン溶液又はその水溶液が挙げられる。アミンは、一級アミン、二級アミン、三級アミンのいずれでもかまわない。 The solution containing H 2 O and CO 2 is preferably a solution with a high absorption rate of H 2 O and CO 2 , and examples thereof include aqueous solutions of LiHCO 3 , NaHCO 3 , KHCO 3 , and CSHCO 3. Alcohols such as methanol, ethanol, and acetone may be used as the solution containing H 2 O and CO 2. The solution containing H 2 O, CO 2 , and N 2 is preferably a solution containing an H 2 O, CO 2 , and N 2 absorbent that lowers the reduction potential of H 2 O, CO 2 , and N 2 , has high ionic conductivity, and absorbs H 2 O, CO 2 , and N 2. Such a solution may be an ionic liquid or an aqueous solution thereof that is composed of a salt of a cation such as an imidazolium ion or a pyridinium ion and an anion such as BF 4 - or PF 6 - and remains in a liquid state over a wide temperature range. Other solutions include solutions of amines such as ethanolamine, imidazole, pyridine, etc., or aqueous solutions thereof. The amine may be any of primary amines, secondary amines, and tertiary amines.

流路板105は、カソード流路150を有する。カソード流路150は、カソード102に面し、カソード導電体121に面する。カソード流路150は、還元対象物を含むカソード流体が流れることができる。カソード流体は、水、二酸化炭素、窒素等を還元対象物を含む。カソード流路150の入口は、還元対象物を供給するカソード供給源に接続されてもよい。カソード流路150の出口は、カソード流体を回収するカソード流体回収器に接続されてもよい。カソード流路150の形状は特に限定されないが、例えばX-Z断面において、短冊形状やサーペンタイン形状を有していてもよい。 The flow path plate 105 has a cathode flow path 150. The cathode flow path 150 faces the cathode 102 and the cathode conductor 121. A cathode fluid containing a substance to be reduced can flow through the cathode flow path 150. The cathode fluid contains substances to be reduced such as water, carbon dioxide, and nitrogen. The inlet of the cathode flow path 150 may be connected to a cathode supply source that supplies the substance to be reduced. The outlet of the cathode flow path 150 may be connected to a cathode fluid collector that collects the cathode fluid. The shape of the cathode flow path 150 is not particularly limited, but may be, for example, a rectangular or serpentine shape in the X-Z cross section.

電源40の例は、通常の系統電源や電池に限定されず、太陽電池や風力発電等の再生可能エネルギーで発生させた電力を供給する電力源を含んでいてもよい。電源40は、上記電源の出力を調整してアノード101とカソード102との間の電圧を制御するパワーコントローラをさらに有していてもよい。なお、電源40は、電気分解部10の外部に設けられてもよい。電源40は、流路版104、流路版105を経由してアノード101とカソード102に電力を供給してもよい。アノード101と流路版104との間、または、カソード102と流路版105の間に導電部材を設けてもよい。 Examples of the power supply 40 are not limited to ordinary power grids or batteries, but may also include power sources that supply electricity generated by renewable energy sources such as solar cells or wind power. The power supply 40 may further include a power controller that adjusts the output of the power supply to control the voltage between the anode 101 and the cathode 102. The power supply 40 may also be provided outside the electrolysis unit 10. The power supply 40 may supply power to the anode 101 and the cathode 102 via the flow channel plate 104 and the flow channel plate 105. A conductive member may be provided between the anode 101 and the flow channel plate 104, or between the cathode 102 and the flow channel plate 105.

回転軸12は、例えば、X-Y平面に沿って回転可能である。回転軸12は、固定軸13を介して電気分解セル11に接続される。固定軸13は、例えば、流路板13のアノード流路140の反対側に接続される。回転軸12は、Z軸方向に回転中心を有する。回転軸12は、例えば、アノード101の隔膜103の反対側に設けられる。なお、回転軸12は流路版104に含まれていてもよく、離れていてもよい。回転軸12は、重力方向に沿うことが好ましい。 The rotating shaft 12 can rotate, for example, along the X-Y plane. The rotating shaft 12 is connected to the electrolytic cell 11 via the fixed shaft 13. The fixed shaft 13 is connected, for example, to the opposite side of the anode flow path 140 of the flow path plate 13. The rotating shaft 12 has a rotation center in the Z-axis direction. The rotating shaft 12 is provided, for example, on the opposite side of the diaphragm 103 of the anode 101. The rotating shaft 12 may be included in the flow path plate 104 or may be separate. The rotating shaft 12 is preferably aligned with the direction of gravity.

回転駆動部20は、回転軸12に接続され、回転軸12を中心として電気分解セル11を回転させることができる。回転駆動部20は、例えば、制御部30からの制御信号に基づいて電気分解セル11を回転させる回転駆動装置を有する。 The rotation drive unit 20 is connected to the rotation shaft 12 and can rotate the electrolytic cell 11 around the rotation shaft 12. The rotation drive unit 20 has, for example, a rotation drive device that rotates the electrolytic cell 11 based on a control signal from the control unit 30.

制御部30は、回転駆動装置を制御して回転駆動部20による回転動作を制御できる。制御部30は、電気分解部10を制御して電気分解セル11の電気分解動作を制御できる。制御部30は、例えばプロセッサ等を用いたハードウェアを用いて構成されてもよい。なお、各動作を動作プログラムとしてメモリ等のコンピュータ読み取りが可能な記録媒体に保存しておき、ハードウェアにより記録媒体に記憶された動作プログラムを適宜読み出すことで各動作を実行してもよい。 The control unit 30 can control the rotational operation of the rotational drive unit 20 by controlling the rotary drive device. The control unit 30 can control the electrolysis unit 10 by controlling the electrolysis operation of the electrolytic cell 11. The control unit 30 may be configured using hardware such as a processor. Each operation may be stored as an operation program on a computer-readable recording medium such as memory, and each operation may be executed by the hardware appropriately reading out the operation program stored on the recording medium.

電気分解部10は、複数の電気分解セル11のスタックを有していてもよい。図4は、電気分解セルスタックの構造例を示す模式図である。図4に示す電気分解セルスタックは、複数の電気分解セル11を有し、複数の電気分解セル11がY軸方向に積層されている。電気分解セルスタックは、流路板104または流路板105の代わりに複数の膜電極接合体MEAの間に流路板106を有していてもよい。流路板106は、アノード101に面するアノード流路140を有する第1の表面と、カソード102に面するカソード流路150を有する第2の表面と、を有する。電気分解セル11の積層数は、図4に示す数に限定されない。電気分解セルスタックのその他の説明は、図2および図3の説明を適宜援用できる。 The electrolysis unit 10 may have a stack of multiple electrolysis cells 11. Figure 4 is a schematic diagram showing an example structure of an electrolysis cell stack. The electrolysis cell stack shown in Figure 4 has multiple electrolysis cells 11, stacked in the Y-axis direction. The electrolysis cell stack may have a flow path plate 106 between multiple membrane electrode assemblies MEAs instead of the flow path plate 104 or flow path plate 105. The flow path plate 106 has a first surface having an anode flow path 140 facing the anode 101 and a second surface having a cathode flow path 150 facing the cathode 102. The number of stacked electrolysis cells 11 is not limited to the number shown in Figure 4. For other descriptions of the electrolysis cell stack, the descriptions in Figures 2 and 3 can be used as appropriate.

次に、電気分解システム1の駆動方法例について説明する。駆動方法例は、酸化対象物をアノード流路140に供給し、還元対象物をカソード流路150に供給し、電源40からアノード101とカソード102との間に電圧を印加してアノード101とカソード102との間に電流を供給する。これにより、電気分解セル11は、電気分解を行う。 Next, an example of a method for operating the electrolysis system 1 will be described. In this example, the material to be oxidized is supplied to the anode flow path 140, the material to be reduced is supplied to the cathode flow path 150, and a voltage is applied between the anode 101 and the cathode 102 from the power supply 40 to supply a current between the anode 101 and the cathode 102. This causes the electrolysis cell 11 to perform electrolysis.

アノード101とカソード102に電流を流すと、以下に示すアノード101付近での酸化反応およびカソード102付近での還元反応が生じる。ここでは、還元対象物の二酸化炭素を還元してアノード生成物の一酸化炭素(CO)を生成する場合について説明するが、アノード生成物は、一酸化炭素に限定されず、前述した有機化合物等の他の炭素化合物や窒素化合物であってもよい。また、電解セルによる反応過程としては、主に水素イオン(H)を生成する場合と、主に水酸化物イオン(OH)を生成する場合とが考えられるが、これら反応過程のいずれかに限定されない。 When a current is passed through the anode 101 and the cathode 102, an oxidation reaction occurs near the anode 101 and a reduction reaction occurs near the cathode 102, as shown below. Here, a case will be described in which carbon dioxide, the object to be reduced, is reduced to produce carbon monoxide (CO) as the anode product, but the anode product is not limited to carbon monoxide and may be other carbon compounds such as the organic compounds mentioned above or nitrogen compounds. Furthermore, the reaction process in the electrolytic cell may be one that mainly produces hydrogen ions (H + ) or one that mainly produces hydroxide ions (OH - ), but is not limited to either of these reaction processes.

主に水(HO)を酸化して水素イオン(H)を生成する場合の反応過程について述べる。アノード101とカソード102との間に電流を供給すると、アノード流路140を流れる酸化対象物と接するアノード101で水の酸化反応が生じる。具体的には、下記の(1)式に示すように、アノード流体中に含まれる水が酸化されて、酸素(O)と水素イオン(H)とが生成される。
2HO → 4H+O+4e …(1)
The following describes the reaction process when water ( H2O ) is oxidized to generate hydrogen ions (H + ). When a current is supplied between the anode 101 and the cathode 102, a water oxidation reaction occurs at the anode 101, which is in contact with the object to be oxidized flowing through the anode flow path 140. Specifically, as shown in the following formula (1), water contained in the anode fluid is oxidized to generate oxygen ( O2 ) and hydrogen ions (H + ).
2H 2 O → 4H + +O 2 +4e - …(1)

アノード101で生成されたHは、アノード101および隔膜103を介してカソード流路150内のカソード流体中を移動し、カソード102付近に到達する。電源40からカソード102に供給される電流に基づく電子(e)とカソード102付近に移動したHとにより、二酸化炭素の還元反応が生じる。具体的には、下記の(2)式に示すように、カソード流路150からカソード102に供給された還元対象物に含まれる二酸化炭素が還元されて一酸化炭素が生成される。
2CO+4H+4e → 2CO+2HO …(2)
The H + generated at the anode 101 moves through the cathode fluid in the cathode flow path 150 via the anode 101 and the diaphragm 103, and reaches the vicinity of the cathode 102. A reduction reaction of carbon dioxide occurs due to electrons (e ) based on the current supplied from the power source 40 to the cathode 102 and the H + that has moved to the vicinity of the cathode 102. Specifically, as shown in the following formula (2), carbon dioxide contained in the reduction target supplied from the cathode flow path 150 to the cathode 102 is reduced to generate carbon monoxide.
2CO 2 +4H + +4e - → 2CO+2H 2 O...(2)

次に、主に二酸化炭素(CO)を還元して水酸化物イオン(OH)を生成する場合の反応過程について述べる。アノード101とカソード102との間に電流を供給すると、カソード102付近において、下記の(3)式に示すように、水(HO)と二酸化炭素(CO)が還元されて、一酸化炭素(CO)と水酸化物イオン(OH)とが生成される。水酸化物イオン(OH)はアノード101付近に拡散し、下記の(4)式に示すように、水酸化物イオン(OH)が酸化されて酸素(O)が生成される。
2CO+2HO+4e → 2CO+4OH …(3)
4OH → 2HO+O+4e …(4)
Next, we will describe the reaction process when carbon dioxide (CO 2 ) is reduced to produce hydroxide ions (OH ). When a current is supplied between the anode 101 and the cathode 102, water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) are reduced near the cathode 102, producing carbon monoxide (CO) and hydroxide ions (OH ), as shown in the following formula (3). The hydroxide ions (OH ) diffuse to the vicinity of the anode 101, where they are oxidized to produce oxygen (O 2 ), as shown in the following formula ( 4 ):
2CO 2 +2H 2 O+4e - → 2CO+4OH -... (3)
4OH → 2H 2 O+O 2 +4e …(4)

また、還元対象物の窒素(N)を還元してアノード生成物のアンモニア(NH)を生成する場合、アノード101付近では、電気化学的に水または水酸化物イオンが、下記式(5)または式(6)に基づいて酸化され、酸素が生成される。カソード102付近では、窒素が下記の式(7)または式(8)に基づいて還元され、アンモニアが生成される。
3HO → 3/2O+6H+6e …(5)
6OH → 3/2O+3HO+6e …(6)
+6HO+6e → 2NH+6OH …(7)
+6H+6e → 2NH …(8)
Furthermore, when nitrogen (N 2 ), which is the object to be reduced, is reduced to produce ammonia (NH 3 ), which is the anode product, water or hydroxide ions are electrochemically oxidized near the anode 101 based on the following formula (5) or formula (6) to produce oxygen. Near the cathode 102, nitrogen is reduced based on the following formula (7) or formula (8) to produce ammonia.
3H 2 O → 3/2O 2 +6H + +6e -... (5)
6OH → 3/2O 2 +3H 2 O+6e …(6)
N 2 +6H 2 O+6e → 2NH 3 +6OH …(7)
N 2 +6H + +6e - → 2NH 3 ...(8)

カソード生成物を含むカソード流体は、カソード流路150の出口から排出され、気液分離器を用いてカソード排気とカソード排液に分離される。カソード排気やカソード排気は、別の分離装置を用いて化合物毎にさらに分離されてもよい。これにより、カソード生成物を回収できる。しかしながら、電気分解セル11の使用温度範囲において、カソード生成物が高い粘度を有する場合、カソード102にカソード生成物が付着して脱離が困難となる場合がある。電気分解セル11の使用温度範囲は、例えば25℃以上200℃以下である。 The cathode fluid containing the cathode product is discharged from the outlet of the cathode flow path 150 and separated into cathode exhaust and cathode effluent using a gas-liquid separator. The cathode exhaust and cathode effluent may be further separated into individual compounds using a separate separation device. This allows the cathode product to be recovered. However, if the cathode product has a high viscosity within the operating temperature range of the electrolytic cell 11, the cathode product may adhere to the cathode 102, making it difficult to remove. The operating temperature range of the electrolytic cell 11 is, for example, 25°C or higher and 200°C or lower.

還元反応を活性化するために、カソード触媒122の微細構造を形成することが好ましい。例えば、二酸化炭素の還元反応に対して高い活性を示すナノ粒子触媒を電極基材に有するカソードが挙げられる。還元反応は、触媒担持量を増やすことにより反応活性点を増やすことができる。しかしながら、カソード生成物によっては、高粘度であるためにカソード102からの脱離が難しく、逐次的な触媒反応が進行しないという問題がある。これは、電解効率の低下の原因となる。高粘度を有するカソード生成物の例は、エチレングリコール等を含む。 To activate the reduction reaction, it is preferable to form a microstructure in the cathode catalyst 122. For example, a cathode with a nanoparticle catalyst on the electrode substrate that exhibits high activity in the reduction reaction of carbon dioxide can be used. The reduction reaction can be increased by increasing the amount of catalyst supported. However, some cathode products have high viscosity, making them difficult to remove from the cathode 102, preventing the sequential catalytic reaction from proceeding. This reduces the efficiency of electrolysis. Examples of cathode products with high viscosity include ethylene glycol.

アノード生成物を含むアノード流体は、アノード流路140の出口から排出され、気液分離器を用いてアノード排気とアノード排液に分離される。アノード排気やアノード排気は、別の分離装置を用いて化合物毎にさらに分離されてもよい。これにより、アノード生成物を回収できる。しかしながら、アノード生成物が気体を含む場合、気体の量が増えると、酸化対象物に含まれる液体がアノード101に到達することを妨げる。これは、電解効率の低下の原因となる。 The anode fluid containing the anode products is discharged from the outlet of the anode flow path 140 and separated into anode exhaust and anode waste liquid using a gas-liquid separator. The anode exhaust and anode waste liquid may be further separated into individual compounds using a separate separation device. This allows the anode products to be recovered. However, if the anode products contain gas, an increase in the amount of gas will prevent the liquid contained in the oxidation target from reaching the anode 101. This will result in a decrease in electrolysis efficiency.

これに対し、実施形態の電気分解システムは、制御部30により回転駆動部20を制御して回転軸12を中心として電気分解セル11を回転させる。電気分解セル11を回転させると、電気分解セル11の外側(電気分解セル11の回転軸12の反対側)に向かって遠心力が発生する。矢印は、遠心力の方向を示す。 In contrast, in the electrolysis system of this embodiment, the control unit 30 controls the rotation drive unit 20 to rotate the electrolysis cell 11 around the rotation axis 12. When the electrolysis cell 11 is rotated, centrifugal force is generated toward the outside of the electrolysis cell 11 (the side opposite the rotation axis 12 of the electrolysis cell 11). The arrow indicates the direction of the centrifugal force.

遠心分離により、カソード生成物はカソード102から脱離してカソード流路150を流れやすくなる。これにより、効率良くカソード生成物を回収できる。また、カソード生成物が気体を含み、二酸化炭素や窒素等の還元対象物よりも分子量が小さい場合、遠心分離は、カソード生成物の回収を阻害しない。一方、カソード生成物が気体を含み、二酸化炭素や窒素等の還元対象物よりも分子量が大きい場合大きさや遠心分離の速度を調整することにより、カソード生成物の回収を補助できる。よって、電解効率の低下を抑制できる。 Centrifugation causes the cathode product to detach from the cathode 102 and flow more easily through the cathode flow path 150. This allows for efficient recovery of the cathode product. Furthermore, if the cathode product contains gas and has a smaller molecular weight than the substances to be reduced, such as carbon dioxide and nitrogen, centrifugation does not hinder the recovery of the cathode product. On the other hand, if the cathode product contains gas and has a larger molecular weight than the substances to be reduced, such as carbon dioxide and nitrogen, adjusting the size and centrifugation speed can assist in the recovery of the cathode product. This prevents a decrease in electrolysis efficiency.

また、遠心分離により、酸化対象物がアノード生成物よりも外側に移動しやすくなり、アノード生成物が酸化対象物よりも内側に移動しやすくなる。これは、酸化対象物がアノード生成物よりも比重が大きいためである。これにより、酸化対象物をアノード101に効率良く供給して酸化反応を行うとともに、アノード生成物を回収できる。よって、電解効率の低下を抑制できる。 Furthermore, centrifugal separation makes it easier for the material to be oxidized to move outward relative to the anode products, and for the anode products to move inward relative to the material to be oxidized. This is because the material to be oxidized has a greater specific gravity than the anode products. This allows the material to be efficiently supplied to the anode 101 to carry out the oxidation reaction, while the anode products are recovered. This prevents a decrease in electrolysis efficiency.

回転動作は、電解反応の後に行われてもよく、電解反応とともに同時に行われてもよい。例えば、流路板104および流路板105のZ軸方向の上部または下部に流路板104と接触可能な第1の電極と流路板105と接触可能な第2の電極を設け、第1の電極および第2の電極を電源40に接続し、第1の電極および第2の電極上を電気分解セル11が回転する構造を形成することにより、アノード101とカソード102との間に電圧を印加するとともに、電気分解セル11を回転できる。回転動作を電解反応の後に行う場合、酸化対象物の供給、還元対象物の供給、アノード101とカソード102への電流の供給を停止した後に、回転動作を行ってもよい。 The rotation operation may be performed after the electrolytic reaction or simultaneously with the electrolytic reaction. For example, a first electrode that can contact the flow path plate 104 and a second electrode that can contact the flow path plate 105 may be provided at the top or bottom of the flow path plate 104 and flow path plate 105 in the Z-axis direction, and the first and second electrodes may be connected to a power source 40. A structure may be formed in which the electrolytic cell 11 rotates on the first and second electrodes, allowing a voltage to be applied between the anode 101 and the cathode 102 and causing the electrolytic cell 11 to rotate. When the rotation operation is performed after the electrolytic reaction, the rotation operation may be performed after stopping the supply of the material to be oxidized, the supply of the material to be reduced, and the supply of current to the anode 101 and the cathode 102.

カソード流体は、酸化および還元に関与しないガス状物質を含んでもよい。ガス状物質は、例えば還元対象物とガス状物質とを含む混合ガスをカソード流路150に供給することにより供給される。ガス状物質は、カソード生成物を溶解することができる。電気分解セル11の使用温度範囲において、ガス状物質の粘度は、カソード生成物の粘度よりも低いことが好ましい。ガス状物質の例は、水蒸気や、塩化水素、硝酸等の酸性化合物、アンモニア、ヒドラジン等の塩基性化合物、メタノール、エタノール、プロパノール、ヘキサン、クロロホルム等の有機溶剤を含む。ガス状物質を用いることにより、高い粘度を有するカソード生成物であっても、カソード生成物をガス状物質に溶解させることができるため、カソード生成物を効率よく回収できる。ガス状物質は、カソード流路150に導入した後に液化しないことが好ましい。これは、遠心分離により、液化したガス状物質が流路版105側に留まり、カソード102側に移動しにくいためである。ただし、あえてガス状物質を大量に導入して液化させ、還元対象物の供給を遮断することができれば、遠心分離により、ガス状物質は、流路版105に留まらず、カソード102に到達できるため、高粘度のカソード生成物を溶解させて回収できる。 The cathode fluid may contain a gaseous substance that is not involved in oxidation or reduction. The gaseous substance is supplied, for example, by supplying a mixed gas containing the substance to be reduced and the gaseous substance to the cathode flow channel 150. The gaseous substance can dissolve the cathode products. Within the operating temperature range of the electrolysis cell 11, the viscosity of the gaseous substance is preferably lower than that of the cathode products. Examples of gaseous substances include water vapor, acidic compounds such as hydrogen chloride and nitric acid, basic compounds such as ammonia and hydrazine, and organic solvents such as methanol, ethanol, propanol, hexane, and chloroform. By using a gaseous substance, even highly viscous cathode products can be dissolved in the gaseous substance, allowing for efficient recovery of the cathode products. It is preferable not to liquefy the gaseous substance after introducing it into the cathode flow channel 150. This is because centrifugation causes the liquefied gaseous substance to remain on the flow channel slab 105 side and is less likely to move to the cathode 102 side. However, if a large amount of gaseous material is introduced and liquefied, and the supply of the material to be reduced is blocked, the gaseous material will not remain in the flow path slab 105 but will reach the cathode 102 through centrifugation, allowing the highly viscous cathode product to be dissolved and recovered.

(電気分解部10の第2の構造例>
図5は、電気分解部10の第2の構造例を示す模式図である。図5は、X軸と、X軸と直交するY軸と、X軸およびY軸のそれぞれと直交するZ軸と、を示す。図5は、外観図の一部を示す。
(Second structural example of the electrolysis unit 10)
Fig. 5 is a schematic diagram showing a second structural example of the electrolysis unit 10. Fig. 5 shows an X-axis, a Y-axis perpendicular to the X-axis, and a Z-axis perpendicular to both the X-axis and the Y-axis. Fig. 5 shows a part of the external view.

電気分解部10の第2の構造例は、第1の構造例と比較して、電気分解セル11がZ軸方向に延在する円筒状(円柱状)である構成が異なる。以下第1の構造例と異なる部分について説明し、その他の部分については、第1の構造例の説明を適宜援用できる。 The second structural example of the electrolysis unit 10 differs from the first structural example in that the electrolysis cells 11 are cylindrical (columnar) and extend in the Z-axis direction. Below, we will explain the differences from the first structural example, and for other parts, the explanation of the first structural example can be used as appropriate.

膜電極接合体MEAは、流路板104を囲み、流路板105に囲まれる。このとき、アノード101、カソード102、および隔膜103は、Z軸方向に延在する筒状である。アノード導電体111は、流路板104を囲んでもよい。アノード触媒112は、アノード導電体112を囲んでもよい。隔膜103は、アノード触媒112を囲んでもよい。カソード触媒122は、隔膜103を囲んでもよい。カソード導電体121は、カソード触媒122を囲んでもよい。流路板105は、アノード導電体121を囲んでもよい。 The membrane electrode assembly MEA surrounds the flow path plate 104 and is surrounded by the flow path plate 105. In this case, the anode 101, cathode 102, and diaphragm 103 are cylindrical and extend in the Z-axis direction. The anode conductor 111 may surround the flow path plate 104. The anode catalyst 112 may surround the anode conductor 112. The diaphragm 103 may surround the anode catalyst 112. The cathode catalyst 122 may surround the diaphragm 103. The cathode conductor 121 may surround the cathode catalyst 122. The flow path plate 105 may surround the anode conductor 121.

アノード流路140およびカソード流路150は、Z軸方向に延在する短冊状であることが好ましい。この場合、アノード流路140およびカソード流路150は、Z軸方向において流路板104および流路板105をそれぞれ貫通してもよい。アノード流路140は、膜電極接合体MEAの内周に沿って設けられる。カソード流路150は、膜電極接合体MEAの外周に沿って設けられる。 The anode flow path 140 and the cathode flow path 150 are preferably strip-shaped extending in the Z-axis direction. In this case, the anode flow path 140 and the cathode flow path 150 may penetrate the flow path plate 104 and the flow path plate 105, respectively, in the Z-axis direction. The anode flow path 140 is provided along the inner periphery of the membrane electrode assembly MEA. The cathode flow path 150 is provided along the outer periphery of the membrane electrode assembly MEA.

回転軸12は、Z軸方向に延在し、例えば流路板104の中心に沿う。回転軸12は、重力方向に沿うことが好ましい。 The rotation axis 12 extends in the Z-axis direction, for example, along the center of the flow path plate 104. It is preferable that the rotation axis 12 be aligned with the direction of gravity.

第2の実施形態の電気分解システムは、第1の実施形態と同様に、制御部30により回転駆動部20を制御して回転軸12を中心として電気分解セル11を回転させる。電気分解セル11を回転させると、電気分解セル11の外側(電気分解セル11の回転軸12の反対側(流路板105のMEAの反対側))に向かって遠心力が発生する。矢印は、遠心力の方向を示す。 In the electrolysis system of the second embodiment, as in the first embodiment, the control unit 30 controls the rotation drive unit 20 to rotate the electrolysis cell 11 around the rotation axis 12. When the electrolysis cell 11 is rotated, centrifugal force is generated toward the outside of the electrolysis cell 11 (the opposite side of the rotation axis 12 of the electrolysis cell 11 (the opposite side of the MEA of the flow path plate 105)). The arrow indicates the direction of the centrifugal force.

遠心分離により、カソード生成物はカソード102から脱離してカソード流路150を流れやすくなる。これにより、効率良くカソード生成物を回収できる。また、カソード生成物が気体を含み、二酸化炭素や窒素等の還元対象物よりも分子量が小さい場合、遠心分離は、カソード生成物の回収を阻害しない。一方、カソード生成物が気体を含み、二酸化炭素や窒素等の還元対象物よりも分子量が大きい場合大きさや遠心分離の速度を調整することにより、カソード生成物の回収を補助できる。よって、電解効率の低下を抑制できる。 Centrifugation causes the cathode product to detach from the cathode 102 and flow more easily through the cathode flow path 150. This allows for efficient recovery of the cathode product. Furthermore, if the cathode product contains gas and has a smaller molecular weight than the substances to be reduced, such as carbon dioxide and nitrogen, centrifugation does not hinder the recovery of the cathode product. On the other hand, if the cathode product contains gas and has a larger molecular weight than the substances to be reduced, such as carbon dioxide and nitrogen, adjusting the size and centrifugation speed can assist in the recovery of the cathode product. This prevents a decrease in electrolysis efficiency.

また、遠心分離により、酸化対象物がアノード生成物よりも外側に移動しやすくなり、アノード生成物が酸化対象物よりも内側に移動しやすくなる。これは、酸化対象物がアノード生成物よりも比重が大きいためである。これにより、効率良く酸化対象物をアノード101に供給して酸化反応を行うとともに、アノード生成物を回収できる。よって、電解効率の低下を抑制できる。 Furthermore, centrifugal separation makes it easier for the material to be oxidized to move outward relative to the anode products, and for the anode products to move inward relative to the material to be oxidized. This is because the material to be oxidized has a greater specific gravity than the anode products. This allows the material to be efficiently supplied to the anode 101 to carry out the oxidation reaction, while the anode products are recovered. This prevents a decrease in electrolysis efficiency.

回転動作は、電解反応の後に行われてもよく、電解反応と同時に行われてもよい。例えば、流路板104および流路板105のZ軸方向の上部または下部に流路板104と接触可能な第1の電極と流路板105と接触可能な第2の電極を設け、第1の電極および第2の電極を電源40に接続し、第1の電極および第2の電極上を電気分解セル11が回転する構造を形成することにより、アノード101とカソード102との間に電圧を印加するとともに、電気分解セル11を回転できる。 The rotation operation may be performed after the electrolytic reaction or simultaneously with the electrolytic reaction. For example, a first electrode that can contact the flow path plate 104 and a second electrode that can contact the flow path plate 105 can be provided at the top or bottom of the flow path plate 104 and flow path plate 105 in the Z-axis direction, respectively. The first and second electrodes can be connected to a power source 40, and a structure can be formed in which the electrolytic cell 11 rotates on the first and second electrodes. This allows a voltage to be applied between the anode 101 and cathode 102, and the electrolytic cell 11 can be rotated.

カソード生成物は、重力により下方へ移動してもよい。一方、還元対象物を電気分解セル11の下方からカソード102に供給する場合、還元対象物の未反応物をカソード流路150の上部から回収することが可能となり、未反応物を効率よく再利用することが可能となる。 The cathode product may move downward due to gravity. On the other hand, if the material to be reduced is supplied to the cathode 102 from below the electrolysis cell 11, the unreacted material of the material to be reduced can be recovered from the top of the cathode flow path 150, allowing the unreacted material to be efficiently reused.

遠心力は、角速度の二乗に比例し、回転半径に比例することから、電気分解セル11の回転速度は、速ければ速いほど好ましく、回転軸12からアノード101までの距離、回転軸12からカソード102までの距離は、長ければ長いほど好ましい。 Since centrifugal force is proportional to the square of the angular velocity and to the radius of rotation, the faster the rotation speed of the electrolytic cell 11, the better, and the longer the distance from the rotation axis 12 to the anode 101 and the distance from the rotation axis 12 to the cathode 102, the better.

(電気分解部10の変形例)
図6は、電気分解部10の変形例を示す模式図である。図6に示す電気分解部10は、第1の構造例に加え、アノード供給系統200と、カソード供給系統300と、をさらに有する構成が異なる。アノード供給系統200およびカソード供給系統300は、制御部30により制御されてもよい。以下、第1の構造例と異なる部分について説明し、その他の部分は、第1の構造例の説明を適宜援用できる。なお、第1の構造例に限定されず、第2の構造例を適用してもよい。
(Modification of the electrolysis unit 10)
FIG. 6 is a schematic diagram showing a modified example of the electrolysis unit 10. The electrolysis unit 10 shown in FIG. 6 differs from the first structural example in that it further includes an anode supply system 200 and a cathode supply system 300. The anode supply system 200 and the cathode supply system 300 may be controlled by a control unit 30. Below, differences from the first structural example will be described, and the description of the first structural example can be used for other parts as appropriate. Note that the present invention is not limited to the first structural example, and the second structural example may also be applied.

アノード供給系統200は、アノード供給源201と、アノード流体回収器202と、アノード供給流路P1と、アノード排出流路P2と、アノード循環流路P3と、を有し、酸化対象物がアノード流路140を循環するように構成されている。アノード供給流路P1は、アノード流路140の入口に接続される。アノード排出流路P2は、アノード流路140の出口に接続される。アノード供給流路P1およびアノード排出流路P2は、電気分解セル11の回転動作を阻害しないようにアノード流路140に接続される。アノード供給系統200は、アノード循環流路P3を介してアノード供給流路P1とアノード排出流路P2とを接続する。アノード供給流路P1、アノード排出流路P2、またはアノード循環流路P3の途中は、バルブやポンプを形成して各流路の圧力や各流路を流れる流体の流量を制御してもよい。 The anode supply system 200 has an anode supply source 201, an anode fluid recovery device 202, an anode supply flow path P1, an anode discharge flow path P2, and an anode circulation flow path P3, and is configured so that the material to be oxidized circulates through the anode flow path 140. The anode supply flow path P1 is connected to the inlet of the anode flow path 140. The anode discharge flow path P2 is connected to the outlet of the anode flow path 140. The anode supply flow path P1 and the anode discharge flow path P2 are connected to the anode flow path 140 so as not to interfere with the rotation of the electrolytic cell 11. The anode supply system 200 connects the anode supply flow path P1 and the anode discharge flow path P2 via the anode circulation flow path P3. Valves and pumps may be provided along the anode supply flow path P1, anode discharge flow path P2, or anode circulation flow path P3 to control the pressure of each flow path and the flow rate of the fluid flowing through each flow path.

アノード供給源201は、酸化対象物をアノード流路140の入口に供給する。酸化対象物は、アノード供給流路P1を介してアノード流路140に導入される。なお、アノード供給流路P1、アノード排出流路P2、およびアノード循環流路P3の少なくとも一つの途中に圧力制御器を設けてアノード流路140の圧力を制御してもよい。アノード流体回収器202は、アノード流路140の出口からアノード排出流路P2を介して排出されるアノード流体を回収するタンクと、タンクに設けられ、アノード流体を酸化対象物を含むアノード排液とアノード生成物を含むアノード排気に分離する気液分離器と、を有する。 The anode supply source 201 supplies the material to be oxidized to the inlet of the anode flow path 140. The material to be oxidized is introduced into the anode flow path 140 via the anode supply flow path P1. The pressure in the anode flow path 140 may be controlled by providing a pressure controller in at least one of the anode supply flow path P1, the anode discharge flow path P2, and the anode circulation flow path P3. The anode fluid recovery device 202 includes a tank that recovers the anode fluid discharged from the outlet of the anode flow path 140 via the anode discharge flow path P2, and a gas-liquid separator provided in the tank that separates the anode fluid into an anode effluent containing the material to be oxidized and an anode exhaust containing anode products.

電気分解部10の変形例では、アノード流路140の出口にアノード流体回収器202を設け、アノード流体からアノード生成物を分離することにより、アノード生成物を回収できる。また、アノード流体から酸化対象物を分離してアノード供給源201に戻すことにより、酸化対象物の未反応物を再利用できる。 In a modified example of the electrolysis unit 10, an anode fluid recovery device 202 is provided at the outlet of the anode flow path 140, and the anode products can be recovered by separating them from the anode fluid. Furthermore, by separating the material to be oxidized from the anode fluid and returning it to the anode supply source 201, the unreacted material to be oxidized can be reused.

カソード供給系統300は、カソード供給源301と、カソード流体回収器302と、カソード供給流路P4と、カソード排出流路P5と、カソード循環流路P6と、を有し、還元対象物がカソード流路150を循環するように構成されている。カソード供給流路P4は、カソード流路150の入口に接続される。カソード排出流路P5は、カソード流路150の出口に接続される。カソード供給流路P4およびカソード排出流路P5は、電気分解セル11の回転動作を阻害しないようにカソード流路150に接続される。カソード供給系統300は、カソード循環流路P6を介してカソード供給流路P4とカソード排出流路P5とを接続する。カソード供給流路P4、カソード排出流路P5、またはカソード循環流路P6の途中は、バルブやポンプを形成して各流路の圧力や各流路を流れる流体の流量を制御してもよい。 The cathode supply system 300 includes a cathode supply source 301, a cathode fluid recovery device 302, a cathode supply flow path P4, a cathode discharge flow path P5, and a cathode circulation flow path P6, and is configured to circulate the material to be reduced through the cathode flow path 150. The cathode supply flow path P4 is connected to the inlet of the cathode flow path 150. The cathode discharge flow path P5 is connected to the outlet of the cathode flow path 150. The cathode supply flow path P4 and the cathode discharge flow path P5 are connected to the cathode flow path 150 so as not to interfere with the rotation of the electrolysis cell 11. The cathode supply system 300 connects the cathode supply flow path P4 and the cathode discharge flow path P5 via the cathode circulation flow path P6. Valves or pumps may be provided along the cathode supply flow path P4, cathode discharge flow path P5, or cathode circulation flow path P6 to control the pressure of each flow path and the flow rate of the fluid flowing through each flow path.

カソード供給源301は、還元対象物をカソード流路150の入口に供給する。還元対象物は、カソード供給流路P4を介してカソード流路150に導入される。なお、カソード供給流路P4、カソード排出流路P5、およびカソード循環流路P6の少なくとも一つの途中に圧力制御器を設けてカソード流路150の圧力を制御してもよい。カソード流体回収器302は、カソード流路150の出口からカソード排出流路P5を介して排出されるカソード流体を回収するタンクと、タンクに設けられ、カソード流体を酸化対象物または還元対象物の未反応物を含むカソード排液とカソード生成物を含むカソード排気に分離する気液分離器と、を有する。 The cathode supply source 301 supplies the material to be reduced to the inlet of the cathode flow path 150. The material to be reduced is introduced into the cathode flow path 150 via the cathode supply flow path P4. Note that a pressure controller may be installed in at least one of the cathode supply flow path P4, the cathode discharge flow path P5, and the cathode circulation flow path P6 to control the pressure in the cathode flow path 150. The cathode fluid recovery device 302 includes a tank that recovers the cathode fluid discharged from the outlet of the cathode flow path 150 via the cathode discharge flow path P5, and a gas-liquid separator installed in the tank that separates the cathode fluid into a cathode effluent containing unreacted material of the material to be oxidized or reduced, and a cathode exhaust containing cathode products.

電気分解部10の変形例では、カソード流路150の出口にカソード流体回収器302を設け、カソード流体からカソード生成物を分離することにより、カソード生成物を回収できる。また、カソード流体から還元対象物を分離してカソード供給源301を介してカソード流路150の入口に戻す(再供給する)ことにより、還元対象物の未反応物を再利用できる。電気分解部10の変形例では、アノード流路140の出口にアノード流体回収器202を設け、アノード流体からアノード生成物を分離することにより、アノード生成物を回収できる。また、アノード流体から酸化対象物を分離してアノード供給源201を介してアノード流路140の入口に戻す(再供給する)ことにより、酸化対象物の未反応物を再利用できる。 In a modified example of the electrolysis unit 10, a cathode fluid recovery device 302 is provided at the outlet of the cathode flow path 150, and the cathode products can be recovered by separating them from the cathode fluid. Furthermore, by separating the material to be reduced from the cathode fluid and returning (resupplying) it to the inlet of the cathode flow path 150 via the cathode supply source 301, the unreacted material of the material to be reduced can be reused. In a modified example of the electrolysis unit 10, an anode fluid recovery device 202 is provided at the outlet of the anode flow path 140, and the anode products can be recovered by separating them from the anode fluid. Furthermore, by separating the material to be oxidized from the anode fluid and returning (resupplying) it to the inlet of the anode flow path 140 via the anode supply source 201, the unreacted material of the material to be oxidized can be reused.

なお、上述した各実施形態の構成は、それぞれ組合せて適用することができ、また一部置き換えることも可能である。ここでは、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図するものではない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 The configurations of the above-described embodiments can be applied in combination with each other, and some parts can be replaced with other parts. While several embodiments of the present invention have been described here, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, modifications, etc. can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are within the scope and spirit of the invention, as well as the invention and its equivalents as set forth in the claims.

上記の実施形態を、以下の技術案にまとめることができる。
(技術案1)
酸化対象物を酸化してアノード生成物を生成するアノードと、還元対象物を還元してカソード生成物を生成するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられた隔膜と、前記アノードに面するとともに前記酸化対象物を含むアノード流体が流れるアノード流路を有する第1の流路板と、前記カソードに面するとともに前記還元対象物を含むカソード流体が流れるカソード流路を有する第2の流路板と、を有し、前記アノード、前記カソード、前記隔膜、前記第1の流路板、および前記第2の流路板が第1方向に積層される、電気分解セルと、
前記カソードの前記隔膜と反対側に配置され、前記第1方向と交差する第2方向に沿う回転軸と、
前記回転軸を中心として前記電気分解セルを回転させる回転駆動装置と、
を具備する、電気分解システム。
(技術案2)
前記酸化対象物は、水を含み、
前記アノード生成物は、酸素を含む、技術案1に記載の電気分解システム。
(技術案3)
前記還元対象物は、二酸化炭素を含み、
前記カソード生成物は、炭素化合物を含む、技術案1または技術案2に記載の電気分解システム。
(技術案4)
前記還元対象物は、窒素を含み、
前記カソード生成物は、窒素化合物を含む、技術案1または技術案2に記載の電気分解システム。
(技術案5)
複数の前記電気分解セルを有する、技術案1ないし技術案4のいずれか一つに記載の電気分解システム。
(技術案6)
前記カソード流体は、前記酸化および前記還元に関与しないガス状物質を含み、
前記カソード生成物は、前記ガス状物質に溶解される、技術案1ないし技術案5のいずれか一つに記載の電気分解システム。
(技術案7)
前記第2方向は、重力方向に沿う、技術案1ないし技術案6のいずれか一つに記載の電気分解システム。
(技術案8)
前記電気分解セルは、円筒状である、技術案1ないし技術案7のいずれか一つに記載の電気分解システム。
(技術案9)
前記カソード流路の出口に接続されるとともに前記カソード生成物を含むカソード流体を回収するカソード流体回収器、および、前記アノード流路の出口に接続されるとともに前記アノード生成物を含むアノード流体を回収するアノード流体回収器からなる群より選ばれる少なくとも一つの回収器をさらに具備する、技術案1ないし技術案8のいずれか一つに記載の電気分解システム。
(技術案10)
前記カソード流路の出口に接続され、前記還元対象物の未反応物が前記カソード流路の入口に再供給されるカソード循環流路、および、前記アノード流路の出口に接続され、前記酸化対象物の未反応物が前記アノード流路の入口に再供給されるアノード循環流路からなる群より選ばれる少なくとも一つの循環流路をさらに具備する、技術案1ないし技術案9のいずれか一つに記載の電気分解システム。
(技術案11)
電気分解システムの駆動方法であって、
前記電気分解システムは、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられた隔膜と、前記アノードに面するとともに酸化対象物を含むアノード流体が流れるアノード流路を有する第1の流路板と、前記カソードに面するとともに還元対象物を含むカソード流体が流れるカソード流路を有する第2の流路板と、を有し、前記アノード、前記カソード、前記隔膜、前記第1の流路板、および前記第2の流路板が第1方向に積層される、電気分解セルを有し、
前記駆動方法は、
前記アノードに前記酸化対象物を供給し、前記カソードに前記還元対象物を供給し、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加することにより、前記酸化対象物を酸化してアノード生成物を生成し、前記還元対象物を還元してカソード生成物を生成し、
前記カソードの前記隔膜と反対側に配置され、前記第1方向と交差する第2方向に沿う回転軸を中心として前記電気分解セルを回転させる、
電気分解システムの駆動方法。
(技術案12)
前記電気分解セルは、前記アノード生成物および前記カソード生成物を生成した後に、回転される、技術案11に記載の方法。
(技術案13)
前記電気分解セルは、前記アノード生成物および前記カソード生成物を生成するとともに、回転される、技術案11に記載の方法。
The above embodiments can be summarized in the following technical solutions.
(Technical proposal 1)
an electrolysis cell comprising: an anode that oxidizes a substance to be oxidized to produce an anode product; a cathode that reduces a substance to be reduced to produce a cathode product; a diaphragm provided between the anode and the cathode; a first flow path plate that faces the anode and has an anode flow path through which an anode fluid containing the substance to be reduced flows; and a second flow path plate that faces the cathode and has a cathode flow path through which a cathode fluid containing the substance to be reduced flows, wherein the anode, the cathode, the diaphragm, the first flow path plate, and the second flow path plate are stacked in a first direction;
a rotation axis disposed on the cathode opposite the diaphragm and extending along a second direction intersecting the first direction;
a rotary drive device that rotates the electrolytic cell around the rotation axis;
An electrolysis system comprising:
(Technical proposal 2)
The object to be oxidized contains water,
The electrolysis system according to Technical Solution 1, wherein the anode product comprises oxygen.
(Technical proposal 3)
the substance to be reduced contains carbon dioxide,
The electrolysis system according to the first or second aspect of the present invention, wherein the cathode product comprises a carbon compound.
(Technical proposal 4)
The substance to be reduced contains nitrogen,
The electrolysis system according to the first or second aspect of the present invention, wherein the cathode product comprises a nitrogen compound.
(Technical proposal 5)
The electrolysis system according to any one of Technical Schemes 1 to 4, having a plurality of the electrolysis cells.
(Technical proposal 6)
the cathode fluid includes a gaseous substance that does not participate in the oxidation and the reduction;
The electrolysis system according to any one of Technical Schemes 1 to 5, wherein the cathode product is dissolved in the gaseous substance.
(Technical proposal 7)
The electrolysis system according to any one of technical solutions 1 to 6, wherein the second direction is along the direction of gravity.
(Technical proposal 8)
The electrolysis system according to any one of Technical Schemes 1 to 7, wherein the electrolysis cell is cylindrical.
(Technical proposal 9)
The electrolysis system according to any one of Technical Schemes 1 to 8, further comprising at least one collector selected from the group consisting of a cathode fluid collector connected to an outlet of the cathode flow channel and collecting a cathode fluid containing the cathode product, and an anode fluid collector connected to the outlet of the anode flow channel and collecting an anode fluid containing the anode product.
(Technical proposal 10)
The electrolysis system according to any one of Technical Schemes 1 to 9, further comprising at least one circulation flow path selected from the group consisting of a cathode circulation flow path connected to the outlet of the cathode flow path, through which unreacted material of the object to be reduced is resupplied to the inlet of the cathode flow path, and an anode circulation flow path connected to the outlet of the anode flow path, through which unreacted material of the object to be oxidized is resupplied to the inlet of the anode flow path.
(Technical proposal 11)
1. A method for operating an electrolysis system, comprising:
The electrolysis system comprises:
an electrolysis cell including an anode, a cathode, a diaphragm provided between the anode and the cathode, a first flow path plate facing the anode and having an anode flow path through which an anode fluid containing a substance to be oxidized flows, and a second flow path plate facing the cathode and having a cathode flow path through which a cathode fluid containing a substance to be reduced flows, wherein the anode, the cathode, the diaphragm, the first flow path plate, and the second flow path plate are stacked in a first direction;
The driving method includes:
supplying the substance to be oxidized to the anode, supplying the substance to be reduced to the cathode, and applying a voltage between the anode and the cathode to oxidize the substance to be oxidized to generate an anode product and reduce the substance to be reduced to generate a cathode product;
rotating the electrolytic cell around a rotation axis that is disposed on the opposite side of the cathode from the diaphragm and that extends along a second direction that intersects with the first direction;
How to drive an electrolysis system.
(Technical proposal 12)
The method according to technical proposal 11, wherein the electrolysis cell is rotated after producing the anode product and the cathode product.
(Technical proposal 13)
The method according to technical proposal 11, wherein the electrolysis cell is rotated while producing the anodic product and the cathodic product.

1…電気分解システム、10…電気分解部、11…電気分解セル、12…回転軸、13…固定軸、20…回転駆動部、30…制御部、40…電源、101…アノード、102…カソード、103…隔膜、104…流路板、105…流路板、106…流路板、111…アノード導電体、112…アノード触媒、121…カソード導電体、122…カソード触媒、140…アノード流路、150…カソード流路、200…アノード供給系統、201…アノード供給源、202…アノード流体回収器、300…カソード供給系統、301…カソード供給源、302…カソード流体回収器、MEA…膜電極接合体、P1…アノード供給流路、P2…アノード排出流路、P3…アノード循環流路、P4…カソード供給流路、P5…カソード排出流路、P6…カソード循環流路。 1...Electrolysis system, 10...Electrolysis unit, 11...Electrolysis cell, 12...Rotating shaft, 13...Fixed shaft, 20...Rotation drive unit, 30...Control unit, 40...Power supply, 101...Anode, 102...Cathode, 103...Diaphragm, 104...Flow path plate, 105...Flow path plate, 106...Flow path plate, 111...Anode conductor, 112...Anode catalyst, 121...Cathode conductor, 122...Cathode catalyst, 140...Anode flow path, 150...cathode flow path, 200...anode supply system, 201...anode supply source, 202...anode fluid recovery device, 300...cathode supply system, 301...cathode supply source, 302...cathode fluid recovery device, MEA...membrane electrode assembly, P1...anode supply flow path, P2...anode discharge flow path, P3...anode circulation flow path, P4...cathode supply flow path, P5...cathode discharge flow path, P6...cathode circulation flow path.

Claims (13)

酸化対象物を酸化してアノード生成物を生成するアノードと、還元対象物を還元してカソード生成物を生成するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられた隔膜と、前記アノードに面するとともに前記酸化対象物を含むアノード流体が流れるアノード流路を有する第1の流路板と、前記カソードに面するとともに前記還元対象物を含むカソード流体が流れるカソード流路を有する第2の流路板と、を有し、前記アノード、前記カソード、前記隔膜、前記第1の流路板、および前記第2の流路板が第1方向に積層される、電気分解セルと、
前記カソードの前記隔膜と反対側に配置され、前記第1方向と交差する第2方向に沿う回転軸と、
前記回転軸を中心として前記電気分解セルを回転させる回転駆動装置と、
を具備する、電気分解システム。
an electrolysis cell comprising: an anode that oxidizes a substance to be oxidized to produce an anode product; a cathode that reduces a substance to be reduced to produce a cathode product; a diaphragm provided between the anode and the cathode; a first flow path plate that faces the anode and has an anode flow path through which an anode fluid containing the substance to be reduced flows; and a second flow path plate that faces the cathode and has a cathode flow path through which a cathode fluid containing the substance to be reduced flows, wherein the anode, the cathode, the diaphragm, the first flow path plate, and the second flow path plate are stacked in a first direction;
a rotation axis disposed on the cathode opposite the diaphragm and extending along a second direction intersecting the first direction;
a rotary drive device that rotates the electrolytic cell around the rotation axis;
An electrolysis system comprising:
前記酸化対象物は、水を含み、
前記アノード生成物は、酸素を含む、請求項1に記載の電気分解システム。
The object to be oxidized contains water,
10. The electrolysis system of claim 1, wherein the anode products include oxygen.
前記還元対象物は、二酸化炭素を含み、
前記カソード生成物は、炭素化合物を含む、請求項1に記載の電気分解システム。
the substance to be reduced contains carbon dioxide,
The electrolysis system of claim 1 , wherein the cathode products include carbon compounds.
前記還元対象物は、窒素を含み、
前記カソード生成物は、窒素化合物を含む、請求項1に記載の電気分解システム。
The substance to be reduced contains nitrogen,
The electrolysis system of claim 1 , wherein the cathode products include nitrogen compounds.
複数の前記電気分解セルを有する、請求項1に記載の電気分解システム。 The electrolysis system of claim 1, comprising a plurality of the electrolysis cells. 前記カソード流体は、前記酸化および前記還元に関与しないガス状物質を含み、
前記カソード生成物は、前記ガス状物質に溶解される、請求項1に記載の電気分解システム。
the cathode fluid includes a gaseous substance that does not participate in the oxidation and the reduction;
The electrolysis system of claim 1 , wherein the cathode product is dissolved in the gaseous substance.
前記第2方向は、重力方向に沿う、請求項1に記載の電気分解システム。 The electrolysis system of claim 1, wherein the second direction is along the direction of gravity. 前記電気分解セルは、円筒状である、請求項1に記載の電気分解システム。 The electrolysis system of claim 1, wherein the electrolysis cell is cylindrical. 前記カソード流路の出口に接続されるとともに前記カソード生成物を含むカソード流体を回収するカソード流体回収器、および、前記アノード流路の出口に接続されるとともに前記アノード生成物を含むアノード流体を回収するアノード流体回収器からなる群より選ばれる少なくとも一つの回収器をさらに具備する、請求項1に記載の電気分解システム。 The electrolysis system of claim 1, further comprising at least one collector selected from the group consisting of a cathode fluid collector connected to the outlet of the cathode flow channel and collecting a cathode fluid containing the cathode product, and an anode fluid collector connected to the outlet of the anode flow channel and collecting an anode fluid containing the anode product. 前記カソード流路の出口に接続され、前記還元対象物の未反応物が前記カソード流路の入口に再供給されるカソード循環流路、および、前記アノード流路の出口に接続され、前記酸化対象物の未反応物が前記アノード流路の入口に再供給されるアノード循環流路からなる群より選ばれる少なくとも一つの循環流路をさらに具備する、請求項1に記載の電気分解システム。 The electrolysis system of claim 1 further comprises at least one circulation flow path selected from the group consisting of a cathode circulation flow path connected to the outlet of the cathode flow path and through which unreacted material to be reduced is resupplied to the inlet of the cathode flow path, and an anode circulation flow path connected to the outlet of the anode flow path and through which unreacted material to be oxidized is resupplied to the inlet of the anode flow path. 電気分解システムの駆動方法であって、
前記電気分解システムは、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられた隔膜と、前記アノードに面するとともに酸化対象物を含むアノード流体が流れるアノード流路を有する第1の流路板と、前記カソードに面するとともに還元対象物を含むカソード流体が流れるカソード流路を有する第2の流路板と、を有し、前記アノード、前記カソード、前記隔膜、前記第1の流路板、および前記第2の流路板が第1方向に積層される、電気分解セルを有し、
前記駆動方法は、
前記アノードに前記酸化対象物を供給し、前記カソードに前記還元対象物を供給し、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加することにより、前記酸化対象物を酸化してアノード生成物を生成し、前記還元対象物を還元してカソード生成物を生成し、
前記カソードの前記隔膜と反対側に配置され、前記第1方向と交差する第2方向に沿う回転軸を中心として前記電気分解セルを回転させる、
電気分解システムの駆動方法。
1. A method for operating an electrolysis system, comprising:
The electrolysis system comprises:
an electrolysis cell including an anode, a cathode, a diaphragm provided between the anode and the cathode, a first flow path plate facing the anode and having an anode flow path through which an anode fluid containing a substance to be oxidized flows, and a second flow path plate facing the cathode and having a cathode flow path through which a cathode fluid containing a substance to be reduced flows, wherein the anode, the cathode, the diaphragm, the first flow path plate, and the second flow path plate are stacked in a first direction;
The driving method includes:
supplying the substance to be oxidized to the anode, supplying the substance to be reduced to the cathode, and applying a voltage between the anode and the cathode to oxidize the substance to be oxidized to generate an anode product and reduce the substance to be reduced to generate a cathode product;
rotating the electrolytic cell around a rotation axis that is disposed on the opposite side of the cathode from the diaphragm and that extends along a second direction that intersects with the first direction;
How to drive an electrolysis system.
前記電気分解セルは、前記アノード生成物および前記カソード生成物を生成した後に、回転される、請求項11に記載の方法。 The method of claim 11, wherein the electrolysis cell is rotated after producing the anode product and the cathode product. 前記電気分解セルは、前記アノード生成物および前記カソード生成物を生成するとともに、回転される、請求項11に記載の方法。 The method of claim 11, wherein the electrolysis cell is rotated while producing the anode product and the cathode product.
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