CN108624905A - 二氧化碳电解装置以及二氧化碳电解方法 - Google Patents

二氧化碳电解装置以及二氧化碳电解方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种二氧化碳电解装置以及二氧化碳电解方法。实施方式的二氧化碳电解装置(1)具备：电解单元(2)，该电解单元具备阴极(22)、阳极(11)、二氧化碳供给部(300)、电场溶液供给部(12、21)以及隔板(30)；电源(40)；反应控制部(500)，该反应控制部使电流从电源(40)向阳极(11)和阴极(22)流动而产生还原反应和氧化反应；更新材料供给部(700)，该更新材料供给部具备向阳极(11)和阴极(22)中的至少一者供给气体状物质的气体供给部(710)；和更新控制部(500)，该更新控制部基于电解单元(2)的单元输出的要求基准来停止来自电源(40)的电流供给以及二氧化碳和电解溶液的供给，并且使更新材料供给部(700)动作。

Description

二氧化碳电解装置以及二氧化碳电解方法
关联申请的引用
本申请以日本专利申请2017-054570(申请日：3/21/2017)为基础，从该申请享有优先权。本申请通过参照该申请而包含该申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及二氧化碳电解装置以及二氧化碳电解方法。
背景技术
近年来，担心石油、煤炭这样的化石燃料的枯竭，对能够持续利用的可再生能源的期待越发提高。作为可再生能源，可列举出太阳能电池、风力发电等。由于这些发电量依赖于天气、自然状况，因此存在难以进行电力的稳定供给这样的问题。因此，一直在尝试将由可再生能源所产生的电力储藏于蓄电池、使电力稳定化。不过，在储藏电力的情况下，存在蓄电池需要成本或者在蓄电时产生损失这样的问题。
针对这样的点，如下技术备受关注：使用由可再生能源所产生的电力来进行水电解，由水制造氢(H2)或者对二氧化碳(CO2)进行电化学还原来转换成一氧化碳(CO)、甲酸(HCOOH)、甲醇(CH3OH)、甲烷(CH4)、醋酸(CH3COOH)、乙醇(C2H5OH)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)等碳化合物那样的化学物质(化学能)。将这些化学物质储藏于储气瓶、罐的情况与将电力(电能)储藏于蓄电池的情况相比，具有如下优点：能够降低能量的储藏成本，而且，储藏损失也较少。
作为二氧化碳的电解装置，正在研究例如使阴极溶液和CO2气体与阴极接触、并且使阳极溶液与阳极接触结构。作为电解装置的具体的结构，可列举例如如下构成，该构成具备：阴极溶液流路，该阴极溶液流路沿着阴极的一个面配置；CO2气体流路，该CO2气体流路沿着阴极的另一个面配置；阳极溶液流路，该阳极溶液流路沿着阳极的一个面配置；和隔板，该隔板配置于阴极溶液流路与阳极溶液流路之间。在使用具有这样构成的电解装置、例如使恒定电流向阴极和阳极流动而长期实施由CO2生成例如CO的反应的情况下，具有如下问题：会产生CO的生成量降低、单元电压增加等这样的经时的单元输出的恶化。因此，要求一种可抑制经时的单元输出的劣化的二氧化碳电解装置。
发明内容
本发明要解决的课题在于提供一种能够长期维持单元输出的二氧化碳电解装置以及二氧化碳电解方法。
实施方式的二氧化碳电解装置具备：电解单元，该电解单元具备：阴极，该阴极用于对二氧化碳进行还原而生成碳化合物；阳极，该阳极用于对水或氢氧离子进行氧化而生成氧；二氧化碳供给部，该二氧化碳供给部向所述阴极供给二氧化碳；电解溶液供给部，该电解溶液供给部向所述阴极和所述阳极中的至少一者供给含有水的电解溶液；和隔板，该隔板使所述阳极和所述阴极分离；电源，该电源与所述阳极和所述阴极连接；反应控制部，该反应控制部使电流从所述电源向所述阳极和所述阴极流动，产生在所述阴极处的所述二氧化碳的还原反应和在所述阳极处的所述水或氢氧离子的氧化反应；更新材料供给部，该更新材料供给部具备向所述阳极和所述阴极中的至少一者供给气体状物质作为更新材料的至少一部分的气体供给部；和更新控制部，该更新控制部基于作为所述电解单元的输出值的至少1个的单元输出的要求基准来停止由所述反应控制部进行的来自所述电源的电流供给以及所述二氧化碳和所述电解溶液的供给，并且使所述更新材料供给部进行动作。
附图说明
图1是表示第1实施方式的二氧化碳电解装置的图。
图2是表示图1所示的二氧化碳电解装置的电解单元的断面图。
图3是表示图2所示的电解单元中的阳极溶液流路的一个例子的图。
图4是表示图2所示的电解单元中的阴极溶液流路的一个例子的图。
图5是表示图2所示的电解单元中的阴极溶液流路的另一个例子的图。
图6是表示图2所示的电解单元中的CO2气体流路的一个例子的图。
图7是表示图2所示的电解单元中的阴极的一个例子的图。
图8是表示图2所示的电解单元中的阴极的另一个例子的图。
图9是示意性地表示图2所示的电解单元中的阴极处的反应的图。
图10是表示第1实施方式的二氧化碳电解装置的运转工序的图。
图11是表示第1实施方式的二氧化碳电解装置的更新工序的图。
图12是表示第2实施方式的二氧化碳电解装置的图。
图13是表示图12所示的二氧化碳电解装置的电解单元的断面图。
图14是表示第3实施方式的二氧化碳电解装置的图。
图15是表示图14所示的二氧化碳电解装置的电解单元的断面图。
符号说明
1、1X、1Y：二氧化碳电解装置；2、2X、2Y：电解单元；10：阳极部；11：阳极；12：阳极溶液流路；21：阴极溶液流路；22：阴极；23：CO2气体流路；51：阳极溶液槽；52：阴极溶液槽；54：溶液导入口；55：溶液排出口；56：气体导入口；57：气体排出口；100：阳极溶液供给系统；200：阴极溶液供给系统；300：气体供给系统；400：生成物收集系统；500：控制系统；501：还原性能检测部；502：数据收集/控制部；600：废液收集系统；700：更新材料供给部；710：气体状物质供给系统；720：冲洗液供给系统。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式的二氧化碳电解装置进行说明。在以下所示的各实施方式中，会有对实质上相同的构成部位标注同一符号，省略其说明的一部分的情况。附图是示意性的，存在厚度与平面尺寸之间的关系、各部的厚度比率等与现实的情况不同的情况。
(第1实施方式)
图1是表示第1实施方式的二氧化碳电解装置的结构的图，图2是表示图1所示的电解装置中的电解单元(electrolysis cell)的结构的断面图。图1所示的二氧化碳的电解装置1具备：电解单元2；阳极溶液供给系统100，其向电解单元2供给阳极溶液；阴极溶液供给系统200，其向电解单元2供给阴极溶液；气体供给系统300，其向电解单元2供给二氧化碳(CO2)气体；生成物收集系统400，其对电解单元2中的由还原反应而生成的生成物进行收集；控制系统500，其对所收集的生成物的种类、生成量进行检测，并且进行生成物的控制、更新动作的控制；废液收集系统600，其收集阴极溶液的废液、阳极溶液的废液；和更新材料供给部700，其使电解单元2的阳极、阴极等恢复。
如图2所示，电解单元2具备：阳极部10、阴极部20以及隔板30。阳极部10具备：阳极11、阳极溶液流路12以及阳极集电板13。阴极部20具备：阴极溶液流路21、阴极22、CO2气体流路23以及阴极集电板24。隔板30以使阳极部10和阴极部20分离的方式进行配置。电解单元2被未图示出的一对支承板所夹持，还由螺栓等紧固。在图1和图2中，符号40是供电流流向阳极11和阴极22的电源。电源40介由电流导入构件与阳极11和阴极22连接。电源40并不限于通常的系统电源、电池等，也可以是供给利用太阳能电池、风力发电等可再生能源所产生的电力的电力源。
阳极11是发生作为电解溶液的阳极溶液中的水(H2O)的氧化反应、生成氧(O2)、氢离子(H+)或者发生在阴极部20所产生的氢氧离子(OH-)的氧化反应、生成氧(O2)、水(H2O)的电极(氧化电极)。优选阳极11具有与隔板30接触的第1面11a和面向阳极溶液流路12的第2面11b。阳极11的第1面11a与隔板30紧贴。阳极溶液流路12用于向阳极11供给阳极溶液，由设置于第1流路板14的坑槽(槽部/凹部)形成。阳极溶液以与阳极11接触的方式在阳极溶液流路12内流通。阳极集电板13电连接于形成阳极溶液流路12的第1流路板14的与阳极11相反的一侧的面。
如上所述，在实施方式的电解单元2中，使阳极11与隔板30紧贴。在阳极11处生成氧(O2)，但此时，在利用阴极溶液流路和阳极溶液流路夹持隔板而成的单元结构中，在阳极11处产生的氧(O2)气体的气泡滞留于阳极溶液流路，阳极与隔板(离子交换膜等)之间的单元电阻增加，由此有可能阳极的电压变动变大。针对这样的点，通过在阳极11与隔板30之间不配置阳极溶液流路12，使阳极11和隔板30紧贴，使得在阳极11处产生的氧气与阳极溶液一起被排出至阳极溶液流路12。由此，可以防止阳极11与隔板30之间的氧气的滞留，能够抑制由阳极的电压变动而导致的单元电压的变动。
在第1流路板14设置有省略了图示的溶液导入口和溶液导出口，阳极溶液通过阳极溶液供给系统100经由这些溶液导入口和溶液导出口被导入和排出。第1流路板14优选使用化学反应性较低且导电性较高的材料。作为那样的材料，可列举出Ti、SUS等金属材料、碳等。如图3所示，优选在阳极溶液流路12设置有多个凸台(凸部)15。凸台15是用于机械保持和电导通而设置的。为了使阳极溶液的流动均匀化，凸台15优选交替地进行设置。利用这样的凸台15，使阳极溶液流路12呈蛇行状。此外，为了将混有氧(O2)气的阳极溶液良好地排出，也优选对阳极溶液流路12交错地设置凸台15，使阳极溶液流路12呈蛇行状。
阳极11能够对水(H2O)进行氧化而生成氧、氢离子或者能够对氢氧离子(OH-)进行氧化而生成水、氧，优选主要由能够使那样的反应的过电压减少的催化剂材料(阳极催化剂材料)来形成。作为那样的催化剂材料，可列举出铂(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)等金属、含有这些金属的合金、金属间化合物、氧化锰(Mn-O)、氧化铱(Ir-O)、氧化镍(Ni-O)、氧化钴(Co-O)、氧化铁(Fe-O)、氧化锡(Sn-O)、氧化铟(In-O)、氧化钌(Ru-O)、氧化锂(Li-O)、氧化镧(La-O)等二元系金属氧化物、Ni-Co-O、Ni-Fe-O、La-Co-O、Ni-La-O、Sr-Fe-O等三元系金属氧化物、Pb-Ru-Ir-O、La-Sr-Co-O等四元系金属氧化物、Ru络合物、Fe络合物等金属络合物。
阳极11具备：具有能够使阳极溶液、离子在隔板30与阳极溶液流路12之间移动的结构，例如网状材料、冲孔材料、多孔体、金属纤维烧结体等具有多孔结构的基材。基材既可以由钛(Ti)、镍(Ni)、铁(Fe)等金属、含有至少1种这些金属的合金(例如SUS)等金属材料制成，也可以由上述的阳极催化剂材料制成。在使用氧化物作为阳极催化剂材料的情况下，优选在由上述的金属材料制成的基材的表面附着或者层叠阳极催化剂材料来形成催化剂层。在提高氧化反应方面来看，阳极催化剂材料优选具有纳米粒子、纳米结构体和纳米线等。纳米结构体是指在催化剂材料的表面形成有纳米级的凹凸的结构体。
阴极22是发生二氧化碳(CO2)的还原反应、发生由此生成的碳化合物的还原反应而生成一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)、乙二醇(C2H6O2)等碳化合物的电极(还原电极)。在阴极22处，在与二氧化碳(CO2)的还原反应同时有可能会发生由水(H2O)的还原反应而产生氢(H2)的副反应。阴极22具有面向阴极溶液流路21的第1面22a和面向CO2气体流路23的第2面22b。阴极溶液流路21被配置于阴极22与隔板30之间，以使得作为电解溶液的阴极溶液与阴极22和隔板30接触。
阴极溶液流路21由设置于第2流路板25的开口部制成。在第2流路板25设置有省略了图示的溶液导入口和溶液导出口，阴极溶液通过阴极溶液供给系统200经由这些溶液导入口和溶液导出口被导入和排出。阴极溶液以与阴极22和隔板30接触的方式在阴极溶液流路21内流通。形成阴极溶液流路21的第2流路板25优选使用化学反应性低且不具有导电性的材料。作为那样的材料，可列举出丙烯酸树脂、聚醚醚酮(PEEK)、氟树脂等绝缘树脂材料。
在阴极22处，主要在与阴极溶液接触的部分产生CO2的还原反应。因此，如图4所示，优选对阴极溶液流路21采用开口面积较宽的开口部。不过，如图5所示，为了提高机械保持、电连接性，也可以在阴极溶液流路21中设置凸台(凸部)26。阴极溶液流路21的凸台26被设置于阴极溶液流路21的中央部，以不妨碍阴极溶液流路21内的阴极溶液的流通的方式通过比凸台26薄的桥部27来被保持于第2流路板25。在将凸台26设置于阴极溶液流路21的情况下，为了降低单元电阻，优选凸台26的数量较少。
CO2气体流路23由设置于第3流路板28的坑槽(槽部/凹部)形成。形成CO2气体流路的第3流路板28优选使用化学反应性低且导电性较高的材料。作为那样的材料，可列举出Ti、SUS等金属材料、碳等。此外，在第1流路板14、第2流路板25以及第3流路板28设置有省略了图示的溶液、气体的导入口和导出口以及紧固用的螺纹孔等。另外，在各流路板14、25、28的前后根据需要夹持有省略了图示的衬垫。
在第3流路板28设置有省略了图示的气体导入口和气体导出口，CO2气体或者含CO2的气体(有时作为统称只称呼为CO2气体)通过气体供给系统300经由这些气体导入口和气体导出口被导入和排出。CO2气体以与阴极22接触的方式在CO2气体流路23内流通。如图6所示，优选在CO2气体流路23设置有多个凸台(凸部)29。凸台29是为了机械保持和电导通而设置的。优选凸台29交错地设置，由此CO2气体流路23与阳极溶液流路12同样地呈蛇行状。阴极集电板24电连接于第3流路板28的与阴极22相反的一侧的面。
在实施方式的电解单元2中，通过在阳极溶液流路12和CO2气体流路23设置凸台15、29，从而能够增加阳极11与形成阳极溶液流路12的第1流路板14的接触面积以及阴极22与形成CO2气体流路23的第3流路板28的接触面积。另外，通过在阴极溶液流路21设置凸台26，从而能够增加阴极22与形成阴极溶液流路21的第2流路板25的接触面积。由此，可以提高电解单元2的机械的保持性，并且可以使阳极集电板13与阴极集电板24之间的电导通变得良好，可以使CO2的还原反应效率等提高。
如图7所示，阴极22具有气体扩散层22A和设置于其上的阴极催化剂层22B。如图8所示，在气体扩散层22A与阴极催化剂层22B之间也可以配置比气体扩散层22A致密的多孔层22C。如图9所示，气体扩散层22A配置于CO2气体流路23侧，阴极催化剂层22B配置于阴极溶液流路21侧。阴极催化剂层22B也可以进入到气体扩散层22A之中。优选阴极催化剂层22B具有催化剂纳米粒子、催化剂纳米结构体等。气体扩散层22A例如由碳纸、碳布等制成，实施有憎水处理。多孔层22C由孔径比碳纸、碳布的孔径小的多孔质体制成。
如图9的示意图所示，在阴极催化剂层22B中，阴极溶液、离子被从阴极溶液流路21供给和排出。在气体扩散层22A中，CO2气体被从CO2气体流路23供给，另外，CO2气体的还原反应的生成物被从CO2气体流路23排出。通过对气体扩散层22A实施适度的憎水处理，使得CO2气体主要通过气体扩散而到达阴极催化剂层22B。CO2的还原反应和由此生成的碳化合物的还原反应在气体扩散层22A与阴极催化剂层22B的边界附近或者在进入到气体扩散层22A中的阴极催化剂层22B附近产生，气体状的生成物主要从CO2气体流路23排出，液状的生成物主要从阴极溶液流路21排出。
阴极催化剂层22B优选由催化剂材料(阴极催化剂材料)制成，该催化剂材料能够对二氧化碳进行还原而生成碳化合物，另外，根据需要对由此生成的碳化合物进行还原而生成碳化合物，能够使这样的反应的过电压减少。作为这样的材料，可列举出金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铂(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、锰(Mn)、钛(Ti)、镉(Cd)、锌(Zn)、铟(In)、镓(Ga)、铅(Pb)、锡(Sn)等金属、含有至少1种这些金属的合金或金属间化合物等金属材料、碳(C)、石墨烯、CNT(碳纳米管)、富勒烯、科琴黑等碳材料、Ru络合物、Re络合物等金属络合物。对阴极催化剂层22B可以采用板状、网状、线状、粒子状、多孔状、薄膜状、岛状等各种形状。
制成阴极催化剂层22B的阴极催化剂材料优选具有上述金属材料的纳米粒子、金属材料的纳米结构体、金属材料的纳米线或者上述的金属材料的纳米粒子承载于碳粒子、碳纳米管、石墨烯等碳材料而成的复合体。通过采用催化剂纳米粒子、催化剂纳米结构体、催化剂纳米线、催化剂纳米承载结构体等作为阴极催化剂材料，从而可以提高阴极22处的二氧化碳的还原反应的反应效率。
隔板30由能够使离子在阳极11与阴极22之间移动且能够使阳极部10和阴极部20分离的离子交换膜等制成。作为离子交换膜，例如可以使用Nafion、Flemion那样的阳离子交换膜、Neosepta、Selemion那样的阴离子交换膜。如后述那样，在使用碱性溶液作为阳极溶液、阴极溶液、设想主要氢氧离子(OH-)移动的情况下，优选隔板30由阴离子交换膜制成。不过，除了离子交换膜以外，只要是能够使离子在阳极11与阴极22之间移动的材料，就也可以将玻璃过滤器、多孔高分子膜、多孔绝缘材料等适用于隔板30。
优选作为电解溶液的阳极溶液和阴极溶液是至少含有水(H2O)的溶液。二氧化碳(CO2)被从CO2气体流路23供给，因此阴极溶液既可以含有二氧化碳(CO2)，也可以不含有。阳极溶液和阴极溶液既可以采用同一溶液，也可以采用不同的溶液。作为用作阳极溶液和阴极溶液的含有H2O的溶液，可列举出含有任意电解质的水溶液。作为含有电解质的水溶液，可列举出含有选自例如氢氧离子(OH-)、氢离子(H+)、钾离子(K+)、钠离子(Na+)、锂离子(Li+)、氯离子(Cl-)、溴离子(Br-)、碘离子(I-)、硝酸根离子(NO3 -)、硫酸根离子(SO4 2-)、磷酸根离子(PO4 2-)、硼酸根离子(BO3 3-)以及碳酸氢根离子(HCO3 -)中的至少1种的离子的水溶液。为了降低电解溶液的电阻，作为阳极溶液和阴极溶液，优选使用使氢氧化钾、氢氧化钠等电解质高浓度地溶解而成的碱性溶液。
阴极溶液由咪唑离子、吡啶离子等阳离子与BF4 -、PF6 -等阴离子的盐制成，也可以使用在广泛的温度范围内处于液体状态的离子液体或者其水溶液。作为其他的阴极溶液，可列举出乙醇胺、咪唑、吡啶等胺溶液或者其水溶液。胺也可以是伯胺、仲胺、叔胺中的任一种。
阳极溶液从阳极溶液供给系统100向阳极部10的阳极溶液流路12供给。阳极溶液供给系统100以阳极溶液在阳极溶液流路12内流通的方式使阳极溶液循环。阳极溶液供给系统100具有：压力控制部101、阳极溶液罐102、流量控制部(泵)103、基准电极104以及压力计105，以使阳极溶液在阳极溶液流路12内循环的方式构成。阳极溶液罐102与对循环的阳极溶液中所含有的氧(O2)等气体成分进行收集的没有图示出的气体成分收集部连接。阳极溶液在压力控制部101和流量控制部103被控制流量、压力后被导入进阳极溶液流路12。
阴极溶液从阴极溶液供给系统200向阴极部20的阴极溶液流路21供给。阴极溶液供给系统200以阴极溶液在阴极溶液流路21内流通的方式使阴极溶液循环。阴极溶液供给系统200具有：压力控制部201、阴极溶液罐202、流量控制部(泵)203、基准电极204以及压力计205，以使阴极溶液在阴极溶液流路21内循环的方式构成。阴极溶液罐202与对循环的阴极溶液中所含有的一氧化碳(CO)等气体成分进行收集的气体成分收集部206连接。阴极溶液在压力控制部201和流量控制部203被控制流量、压力后被导入进阴极溶液流路21。
CO2气体从气体供给系统300向CO2气体流路23供给。气体供给系统300具有：CO2气体储气瓶301、流量控制部302、压力计303以及压力控制部304。CO2气体在流量控制部302和压力控制部304被控制流量、压力后被导入进CO2气体流路23。气体供给系统300与对在CO2气体流路23内流通的气体中的生成物进行收集的生成物收集系统400连接。生成物收集系统400具有：气液分离部401和生成物收集部402。在CO2气体流路23内流通的气体中所含有的CO、H2等还原生成物经由气液分离部401被存储于生成物收集部402内。
如上所述，在电解反应动作时，阳极溶液、阴极溶液在阳极溶液流路12、阴极溶液流路21中循环。在后述的电解单元2的更新动作时，将阳极溶液、阴极溶液排出至废液收集系统600，以便阳极11、阳极溶液流路12、阴极22、阴极溶液流路21等从阳极溶液、阴极溶液露出。废液收集系统600具有与阳极溶液流路12和阴极溶液流路21连接的废液收集罐601。通过对未图示出的阀门进行开闭，使得阳极溶液、阴极溶液的废液被收集于废液收集罐601。阀门的开闭等由控制系统500一并进行控制。废液收集罐601也作为从更新材料供给部700供给的冲洗液的收集部发挥功能。此外，根据需要，从更新材料供给部700供给且含有一部分液状物质的气体状物质也被废液收集罐601收集。
更新材料供给部700具备气体状物质的供给系统710和冲洗液的供给系统720。此外，冲洗液的供给系统720根据情况也可以省略。更新材料供给部700具备供给气体状物质作为更新材料的至少一部分的供给系统710即可。气体状物质的供给系统710具有作为空气、二氧化碳、氧、氮、氩等气体状物质的供给源的气体罐711以及对气体状物质的供给压力进行控制的压力控制部712。冲洗液的供给系统720具有作为水等冲洗液的供给源的冲洗液罐721以及对冲洗液的供给流量等进行控制的流量控制部(泵)722。气体状物质供给系统710和冲洗液的供给系统720经由配管与阳极溶液流路12、阴极溶液流路21以及CO2气体流路23连接。通过对未图示出的阀门进行开闭将气体状物质、冲洗液供给于各流路12、21、23。阀门的开闭等由控制系统500一并控制。
存储于生成物收集部402的还原生成物的一部分被送至控制系统500的还原性能检测部501。在还原性能检测部501中检测还原生成物中的CO、H2等各生成物的生成量、比率。被检测出的各生成物的生成量、比率被输入进控制系统500的数据收集/控制部502。进而，数据收集/控制部502对作为电解单元2的电输出值的至少1个的单元输出进行收集。作为单元输出，可列举出单元电压、单元电流、阴极电位、阳极电位等电气数据。数据收集/控制部502经由省略了一部分图示的双向的信号线与以下各部件电连接并且这些部件被一并控制：还原性能检测部501、除此以外还有还阳极溶液供给系统100的压力控制部101、流量控制部103、阴极溶液供给系统200的压力控制部201、流量控制部203、气体供给系统300的流量控制部302、压力控制部304以及更新材料供给部700的压力控制部712、流量控制部722。此外，在各配管设置有未图示出的阀门，阀门的开闭动作由来自数据收集/控制部502的信号来控制。
对实施方式的二氧化碳电解装置1的运转动作进行说明。如图10所示，首先，实施电解装置1的启动工序S101。在电解装置1的启动工序S101中，实施以下动作。在阳极溶液供给系统100中，利用压力控制部101、流量控制部103对流量、压力进行控制来将阳极溶液导入至阳极溶液流路12。在阴极溶液供给系统200中，利用压力控制部201、流量控制部203对流量、压力进行控制来将阴极溶液导入至阴极溶液流路21。在气体供给系统300中，利用流量控制部302、压力控制部304对流量、压力进行控制来将CO2气体导入至CO2气体流路23。
接下来，实施CO2的电解动作工序S102。在CO2的电解动作工序S102中，使来自实施了启动工序S101的电解装置1的电源40的输出开始，对阳极11与阴极22之间施加电压来供给电流。若电流向阳极11与阴极22之间流动，则产生以下所示的在阳极11附近的氧化反应和在阴极22附近的还原反应。在此，主要对生成一氧化碳(CO)作为碳化合物的情况进行说明，作为二氧化碳的还原生成物的碳化合物并不限于一氧化碳，也可以是前述的有机化合物等其他碳化合物。另外，作为通过电解单元2进行的反应过程，可想到主要生成氢离子(H+)的情况和主要生成氢氧离子(OH-)的情况，但并不限于这些反应过程中的任一个。
首先，对主要对水(H2O)进行氧化而生成氢离子(H+)的情况的反应过程进行说明。若从电源40向阳极11与阴极22之间供给电流，则在与阳极溶液接触的阳极11处产生水(H2O)的氧化反应。具体而言，如下述的(1)式所示，阳极溶液中所含有的H2O被氧化而生成氧(O2)和氢离子(H+)。
2H2O→4H++O2+4e- (1)
在阳极11生成的H+在存在于阳极11内的阳极溶液、隔板30以及阴极溶液流路21内的阴极溶液中移动而到达阴极22附近。通过基于从电源40向阴极22供给的电流的电子(e-)和移动到阴极22附近的H+而产生二氧化碳(CO2)的还原反应。具体而言，如下述的(2)式所示，从CO2气体流路23供给到阴极22的CO2被还原而生成CO。
2CO2+4H++4e-→2CO+2H2O (2)
接着，对主要对二氧化碳(CO2)进行还原而生成氢氧离子(OH-)的情况的反应过程进行说明。若从电源40向阳极11与阴极22之间供给电流，则在阴极22附近，如下述的(3)式所示，水(H2O)和二氧化碳(CO2)被还原而生成一氧化碳(CO)和氢氧离子(OH-)。氢氧离子(OH-)向阳极11附近扩散，如下述的(4)式所示，氢氧离子(OH-)被氧化而生成氧(O2)。
2CO2+2H2O+4e-→2CO+4OH- (3)
4OH-→2H2O+O2+4e- (4)
据认为：在上述的阴极22处的反应过程中，如前所述，CO2的还原反应产生于气体扩散层22A与阴极催化剂层22B的边界附近。此时，由于在阴极溶液流路21中流动的阴极溶液侵入至气体扩散层22A、阴极催化剂层22B变得水分过多，导致产生由CO2的还原反应所产生的CO的生成量降低、单元电压增加等这样的不良情况。这样的电解单元2的单元输出的降低也由以下情况引起：阳极11和阴极22附近处的离子、残存气体的分布的偏差、阴极22、阳极11处的电解质的析出、以及阳极溶液流路12、阴极溶液流路21中的电解质的析出等。为了检测这样的单元输出的降低，实施对单元输出是否满足要求基准进行判定的工序S103。
如前所述，数据收集/控制部502例如定期地或持续地对各生成物的生成量、比率、单元电压、单元电流、阴极电位、阳极电位等单元输出进行收集。而且，在数据收集/控制部502中预先设定有单元输出的要求基准来对所收集的数据是否满足所设定的要求基准进行判定。在收集数据满足所设定的要求基准的情况下，不进行CO2的电解停止(S104)而继续进行CO2的电解动作S102。在收集数据不满足所设定的要求基准的情况下，实施更新动作工序S105。
作为由数据收集/控制部502收集的单元输出的要求基准，可列举出：使恒定电流向电解单元2流动时的单元电压的上限值、对电解单元2施加了恒定电压时的单元电流的下限值、和由CO2的还原反应而生成的碳化合物的法拉第效率等。在此，将法拉第效率定义为：有助于作为目的的碳化合物的生成的电流相对于流向电解单元2的整体电流的比率。为了维持电解效率，在使恒定电流流动时的单元电压的上限值达到设定值的150％以上、优选达到120％以上时实施更新动作工序S105为佳。另外，在施加了恒定电压时的单元电流的下限值达到设定值的50％以下、优选达到80％以下时实施更新动作工序S105为佳。为了维持碳化合物等还原生成物的生产量，在碳化合物的法拉第效率相对于设定值为50％以下、优选为80％以下的情况下实施更新动作工序S105为佳。
就单元输出的判定而言，在例如单元电压、单元电流以及碳化合物的法拉第效率中的任一个不满足要求基准的情况下，判定为单元输出不满足要求基准并实施更新动作工序S105。另外，也可以将单元电压、单元电流以及碳化合物的法拉第效率中的两个以上进行组合来设定单元输出的要求基准。例如，也可以在单元电压和碳化合物的法拉第效率都不满足要求基准的情况下，实施更新动作工序S105。在单元输出的至少1个不满足要求基准的情况下实施更新动作工序S105。为了稳定地实施CO2电解动作工序S102，优选更新动作工序S105间隔例如1小时以上的时间来实施。
更新动作工序S105例如按照图11所示的流程图来进行实施。首先，停止电源40的输出(S201)来使CO2的还原反应停止。接着，将阴极溶液和阳极溶液从阴极溶液流路21和阳极溶液流路12排出(S202)。接着，将冲洗液供给至阴极溶液流路21和阳极溶液流路12(S203)来进行清洗。接着，将气体供给于阴极溶液流路21和阳极溶液流路12(S204)来使阴极22和阳极11干燥。以上的更新动作结束后，将阴极溶液导入至阴极溶液流路21，将阳极溶液导入至阳极溶液流路12，将CO2气体导入至CO2气体流路23(S205)。然后，开始电源40的输出(S206)，再次开始CO2电解动作。对来自各流路12、21的阴极溶液和阳极溶液的排出既可以使用气体，也可以使用冲洗液。
冲洗液的供给和流动(S203)是为了防止阴极溶液和阳极溶液中所含电解质的析出且对阴极22、阳极11以及各流路12、21进行清洗而实施的。因此，冲洗液优选水，更优选导电率为1mS/m以下的水，进一步优选0.1mS/m以下的水。为了将阴极22、阳极11等处的电解质等析出物去除，也可以供给低浓度的硫酸、硝酸、盐酸等酸性冲洗液，也可以由此使电解质溶解。在使用低浓度的酸性冲洗液的情况下，在其后的工序中实施供给水的冲洗液的工序。在即将进行气体的供给工序之前，为了防止冲洗液中所含有的添加剂残留，优选实施水的冲洗液的供给工序。图1示出了具有1个冲洗液罐721的冲洗液供给系统720，在使用如水和酸性冲洗液这样的多个冲洗液的情况下，可使用与此相应的多个冲洗液罐721。
气体的供给和流动工序S204中所使用的气体优选含有空气、二氧化碳、氧、氮以及氩中的至少1种。此外，优选使用化学反应性较低的气体。出于这样的点考虑，优选使用空气、氮以及氩，进而更优选氮和氩。更新用的冲洗液和气体的供给并不只限于阴极溶液流路21和阳极溶液流路12，为了对阴极22的与CO2气体流路23接触的面进行清洗，也可以向CO2气体流路23供给冲洗液和气体。为了从与CO2气体流路23接触的面这一侧也使阴极22干燥，向CO2气体流路23供给气体是有效的。
以上，对将更新用的冲洗液和气体向阳极部10和阴极部20这两者供给的情况进行了说明，但也可以仅向阳极部10和阴极部20中的一者供给更新用的冲洗液和气体。例如，碳化合物的法拉第效率根据阴极22的气体扩散层22A和阴极催化剂层22B中的阴极溶液与CO2的接触区域而变动。在这样的情况下，也有时仅靠向阴极部20供给更新用的冲洗液、气体，使碳化合物的法拉第效率恢复。根据所使用的电解溶液(阳极溶液和阴极溶液)的种类，有时具有易于在阳极部10或阴极部20的一者析出的倾向。基于这样的电解装置1的倾向，也可以仅向阳极部10或阴极部20的一者供给更新用的冲洗液和气体。此外，根据电解装置1的运转时间等，也存在仅使阳极11和阴极22干燥来使单元输出恢复的情况。在这样的情况下，也可以仅向阳极部10和阴极部20中的至少一者供给更新用的气体。更新动作工序S105能够根据电解装置1的动作状况、倾向等进行各种变更。
如上所述，在第1实施方式的电解装置1中，基于电解单元2的单元输出是否满足要求基准来判断是继续CO2的电解动作工序S102还是实施更新动作工序S105。通过用更新动作工序S105供给更新用的冲洗液、气体，从而使以下问题被消除：作为单元输出降低的主要原因的阴极溶液向气体扩散层22A的侵入、阴极催化剂层22B的水分过量、阳极11和阴极22附近处的离子、残存气体的分布的偏差、阴极22、阳极11、阳极溶液流路12以及阴极溶液流路21中的电解质的析出等。因此，通过在更新动作工序S105后再开始CO2的电解动作工序S102，从而可以使电解单元2的单元输出恢复。通过基于单元输出的要求基准来反复进行这样的CO2的电解动作工序S102和更新动作工序S105，从而可以长期地维持电解装置1对CO2的电解性能。
(第2实施方式)
图12是表示第2实施方式的二氧化碳的电解装置的结构的图，图13是表示图12所示的电解装置中的电解单元的结构的断面图。图12所示的二氧化碳的电解装置1X与第1实施方式的二氧化碳的电解装置1同样地具备：电解单元2X；阳极溶液供给系统100，该阳极溶液供给系统向电解单元2X供给阳极溶液；阴极溶液供给系统200，该阴极溶液供给系统向电解单元2X供给阴极溶液；气体供给系统300，该气体供给系统向电解单元2X供给二氧化碳(CO2)气体；生成物收集系统400，该生成物收集系统对电解单元2X中的由还原反应而生成的生成物进行收集；控制系统500，该控制系统对所收集的生成物的种类、生成量进行检测并对生成物、更新动作进行控制；废液收集系统600，该废液收集系统对阴极溶液、阳极溶液的废液进行收集；和更新材料供给部700，该更新材料供给部使电解单元2X的阳极、阴极等恢复。
图12所示的二氧化碳的电解装置1X除了电解单元2X的结构不同之外，基本上具备与图1所示的电解装置1同样的结构。如图13所示，电解单元2X具备：阳极溶液槽51；阴极溶液槽52和反应槽53，该反应槽具有使这些阳极溶液槽51与阴极溶液槽52分离的隔板30。阳极溶液槽51具有：溶液导入口54A和溶液排出口55A，该溶液导入口和溶液排出口与阳极溶液供给系统100连接；以及气体导入口56A和气体排出口57A。阳极溶液被从阳极溶液供给系统100向阳极溶液槽51导入和排出。在阳极溶液槽51内以浸渍于阳极溶液的方式配置有阳极11。阳极11经由电流导入部58A与电源40连接。
阴极溶液槽52具有：溶液导入口54B和溶液排出口55B，溶液导入口和溶液排出口与阴极溶液供给系统200连接；以及气体导入口56B和气体排出口57B，该气体导入口和气体排出口与气体供给系统300连接。阴极溶液被从阴极溶液供给系统200向阴极溶液槽52导入和排出。进而，CO2气体从气体供给系统300被导入至阴极溶液槽52，含有气体状生成物的气体被送至生成物收集系统400。为了提高阴极溶液中的CO2气体的溶解度，优选使CO2气体从气体导入口56B向阴极溶液中释放。在阴极溶液槽52内以浸渍于阴极溶液的方式配置有阴极22。阴极22经由电流导入部58B与电源40连接。
更新材料供给部700的气体状物质的供给系统710经由配管与阳极溶液槽51的气体导入口56A和阴极溶液槽52的气体导入口56B连接。更新材料供给部700的冲洗液的供给系统720经由配管与阳极溶液槽51的溶液导入口54A和阴极溶液槽52的溶液导入口54B连接。阳极溶液槽51的溶液排出口55A和阴极溶液槽52的溶液排出口55B经由配管与废液收集系统600连接。阳极溶液槽51的气体排出口57A和阴极溶液槽52的气体排出口57B经由配管与废液收集系统600连接且经由废液收集系统600被回收至未图示出的废气收集罐或被排放到大气中。各部的构成材料等与第1实施方式的电解装置1相同，详细情况如前所述那样。
在第2实施方式的电解装置1X中，电解装置1X的启动工序S101和CO2的电解动作工序S102除了阳极溶液、阴极溶液以及CO2气体的供给形态不同之外，与第1实施方式的电解装置1同样地被实施。对于是否满足单元输出的要求基准的判定工序S103，也与第1实施方式的电解装置1同样地被实施。即，在单元电压、单元电流以及碳化合物的法拉第效率中的至少1个不满足于要求基准的情况下，判定为单元输出不满足要求基准并实施更新动作工序S105。在第2实施方式的电解装置1X中，更新动作工序S105如下所述地实施。
首先，停止电源40的输出来使CO2还原反应停止。接着，将阳极溶液和阴极溶液从阳极溶液槽51和阴极溶液槽52排出。接着，将冲洗液从冲洗液供给系统720供给至阳极溶液槽51和阴极溶液槽52来对阳极11和阴极22进行清洗。接着，将气体从气体状物质供给系统710供给至阳极溶液槽51和阴极溶液槽52，使阳极11和阴极22干燥。更新动作工序S105所使用的气体、冲洗液与第1实施方式相同。以上的更新动作结束后，将阳极溶液导入至阳极溶液槽51，将阴极溶液导入至阴极溶液槽52，进一步向阴极溶液中供给CO2气体。然后，开始电源40的输出(S206)，再次开始CO2电解动作。阴极溶液和阳极溶液的从各溶液槽51、52的排出既可以使用气体，也可以使用冲洗液。不过，阴极溶液和阳极溶液的量比第1实施方式的多。为了缩短更新动作的时间，优选在使用气体排出溶液之后，供给冲洗液。
在第2实施方式的电解装置1X中，更新动作也可以如以下所述地这样实施。将设置于电解单元2X的上部的电流导入部58(58A、58B)拆卸下来，将阳极11和阴极22取出至外部来使其从阳极溶液和阴极溶液露出。接着，将阳极11和阴极22浸渍于冲洗液来进行清洗。接着，将阳极11和阴极22从冲洗液取出并进行吹气干燥。接着，安装电流导入部58(58A、58B)，将阳极11和阴极22浸渍于阳极溶液和阴极溶液。然后，开始电源输出，再次开始CO2电解动作。由此，省略了阳极溶液和阴极溶液从阳极溶液槽51和阴极溶液槽52的排出和导入，因此可以缩短更新动作的时间。
在第2实施方式的电解装置1X中，也是基于电解单元2X的单元输出是否满足要求基准来判断是继续CO2电解动作还是实施更新动作。通过在更新动作工序中供给冲洗液、气体，使得成为单元输出降低的主要原因的阳极11和阴极22附近处的离子、残存气体的分布的偏差被消除，阳极11和阴极22处的电解质的析出等被去除。因此，通过在更新动作工序后再次开始CO2的电解动作，从而可以使电解单元2X的单元输出恢复。通过基于单元输出的要求基准来反复进行CO2的电解动作和更新动作，从而可以长期地维持电解装置1X对CO2的电解性能。
(第3实施方式)
图14是表示第3实施方式的二氧化碳的电解装置的结构的图，图15是表示图14所示的电解装置中的电解单元的结构的断面图。图14所示的二氧化碳的电解装置1Y与第1实施方式的二氧化碳的电解装置1同样地具备：电解单元2Y；阳极溶液供给系统100，该阳极溶液供给系统向电解单元2Y供给阳极溶液；气体供给系统300，该气体供给系统向电解单元2Y供给二氧化碳(CO2)气体；生成物收集系统400，该生成物收集系统对由电解单元2Y中的还原反应而生成的生成物进行收集；控制系统500，该控制系统对所收集的生成物的种类、生成量进行检测，并且对生成物、更新动作进行控制；废液收集系统600，该废液收集系统对阳极溶液的废液进行收集；和更新材料供给部700，该更新材料供给部使电解单元2Y的阳极、阴极等恢复。
图14所示的二氧化碳的电解装置1Y除了电解单元2X的结构不同以及不具备阴极溶液供给系统200之外，基本上具备与图1所示的电解装置1同样的结构。如图15所示，电解单元2Y具备：阳极部10；阴极部20和隔板30。阳极部10具备：阳极11；阳极溶液流路12以及阳极集电板13。阴极部20具备：阴极22；CO2气体流路23以及阴极集电板24。电源40经由电流导入构件与阳极11和阴极22连接。
优选阳极11具有与隔板30接触的第1面11a以及面向阳极溶液流路12的第2面11b。阳极11的第1面11a与隔板30紧贴。阳极溶液流路12由设置于流路板14的坑槽(槽部/凹部)形成。阳极溶液以与阳极11接触的方式在阳极溶液流路12内流通。阳极集电板13电连接于形成阳极溶液流路12的流路板14的与阳极11相反的一侧的面。阴极22具有与隔板30接触的第1面22a以及面向CO2气体流路23的第2面22b。CO2气体流路23由设置于流路板28的坑槽(槽部/凹部)形成。阴极集电板24电连接于形成CO2气体流路23的流路板28的与阴极22相反的一侧的面。
更新材料供给部700的气体状物质的供给系统710和冲洗液的供给系统720经由配管与阳极溶液流路12和CO2气体流路23连接。阳极溶液流路12和CO2气体流路23经由配管与废液收集系统600连接。从阳极溶液流路12和CO2气体流路排出的冲洗液被回收至废液收集系统600的废液收集罐601。从阳极溶液流路12和CO2气体流路排出的更新用的气体经由废液收集系统600被回收至未图示出的废气收集罐或者被释放到大气中。各部的构成材料等与第1实施方式的电解装置1相同，详细情况如前所述那样。
在第3实施方式的电解装置1Y中、电解装置1Y的启动工序S101和CO2的电解动作工序S102除了不实施阴极溶液的供给之外，与第1实施方式的电解装置1同样地被实施。此外，阴极部20处的CO2的还原反应通过从CO2气体流路23供给的CO2和经由隔板30渗透到阴极22的阳极溶液来进行。对于是否满足单元输出的要求基准的判定工序S103，也是与第1实施方式的电解装置1同样地被实施。即，在单元电压、单元电流以及碳化合物的法拉第效率中的至少1个不满足要求基准的情况下，判定为单元输出不满足要求基准并实施更新动作工序S105。在第3实施方式的电解装置1Y中，更新动作工序S105如下所述地实施。
首先，停止电源40的输出而使CO2还原反应停止。接着，将阳极溶液从阳极溶液流路12排出。接着，将冲洗液从冲洗液供给系统720供给至阳极溶液流路12和CO2气体流路23，对阳极11和阴极22进行清洗。接着，将气体从气体状物质供给系统710供给至阳极溶液流路12和CO2气体流路23，使阳极11和阴极22干燥。更新动作工序所使用的气体、冲洗液与第1实施方式相同。以上的更新动作结束后，将阳极溶液导入至阳极溶液流路12，将CO2气体导入至CO2气体流路23。然后，开始电源40的输出，再次开始CO2电解动作。
在第3实施方式的电解装置1Y中，也是基于电解单元2Y的单元输出是否满足要求基准来判定是继续CO2电解动作还是实施更新动作。通过在更新动作工序中供给冲洗液、气体，使得成为单元输出降低的主要原因的阳极11和阴极22附近处的离子的分布的偏差被消除，另外，阴极22处的水分过量、阳极11和阴极22处的电解质的析出、由此导致的流路堵塞等被去除。因此，通过在更新动作工序后再次开始CO2的电解动作，从而可以使电解单元2Y的单元输出恢复。通过基于单元输出的要求基准来反复进行这样的CO2的电解动作和更新动作，从而可以长期地维持电解装置1Y对CO2的电解性能。
【实施例】
接下来，对实施例及其评价结果进行说明。
(实施例1)
将图1和图2所示的电解装置如以下所述地这样进行组装，对二氧化碳的电解性能进行了研究。首先，通过以下的顺序制作了在设置有多孔层的碳纸上涂布了已承载有金纳米粒子的碳粒子而成的阴极。制作了将承载有金纳米粒子的碳粒子与纯水、Nafion溶液、乙二醇混合而成的涂布溶液。金纳米粒子的平均粒径为8.7nm，承载量为18.9质量％。将该涂布溶液填充至气刷，使用Ar气体向设置有多孔层的碳纸上进行了喷射涂布。在涂布后利用纯水进行30分钟流水清洗，之后，浸渍于过氧化氢水中来将乙二醇等有机物进行了氧化去除。将其切取2cm×2cm的大小作为阴极。此外，Au的涂布量根据涂布溶液的金纳米粒子和碳粒子的混合量估计约为0.2mg/cm2。
阳极使用了在Ti网状物涂布有作为催化剂的IrO2纳米粒子而成的电极。使用了切取为2×2cm的IrO2/Ti网状物作为阳极。
电解单元2按如下方法进行了制作：如图2所示，从上起按照阴极集电板24、CO2气体流路23(第3流路板28)、阴极22、阴极溶液流路21(第2流路板25)、隔板30、阳极11、阳极溶液流路12(第1流路板14)、阳极集电板13的顺序进行层叠，由未图示出的支承板进行夹持，进一步通过螺栓进行紧固。隔板30使用了阴离子交换膜(商品名：Selemion、ASAHI GLASSCO.,LTD.制)。使阳极11的IrO2/Ti网状物与阴离子交换膜紧贴。将阴极溶液流路21的厚度设定为1mm。此外，评价温度设定为室温。
使用上述的电解单元2来组装了图1所示的电解装置1，将电解装置在以下的条件下进行了运转。将CO2气体以20sccm供给至电解单元的CO2气体流路，将氢氧化钾水溶液(浓度1M KOH)以5mL/min导入至阴极溶液流路，将氢氧化钾水溶液(浓度1M KOH)以20mL/min的流量导入至阳极溶液流路。接着，使用电源在阳极与阴极之间流过恒定电流为600mA(恒定电流密度为150mA/cm2)来进行CO2的电解反应，对此时的单元电压进行了计量并由数据收集/控制部进行了收集。进而，对从CO2气体流路输出的气体的一部分进行了收集，利用气相色谱法对由CO2的还原反应生成的CO气体以及由水的还原反应生成的H2气体的生成量进行了分析。在数据收集/控制部，根据气体生成量算出了CO或者H2的局部电流密度以及作为整体电流密度与局部电流密度之比的法拉第效率并进行了收集。作为更新动作的单元输出的要求基准，将CO法拉第效率设定为50％以下，将使恒定电流流动时的单元电压设定为相当于初始值2.5V的120％以上的3V以上。
表1中示出了每约20分钟收集的单元电压和CO的法拉第效率、H2法拉第效率。在55分钟后检测到了CO法拉第效率为24％和50％以下的值，因此，实施了更新动作。使纯水向电解单元的阴极溶液流路和阳极溶液流路流动，对阴极、阴极溶液流路、阳极、阳极溶液流路进行了清洗。接着，使空气向阴极溶液流路和阳极溶液流路流动而使其干燥。在结束了以上的更新动作之后，使1M KOH水溶液向阴极溶液流路和阳极溶液流路流动而再次开始了CO2电解反应。表2中示出了更新动作后的单元输出。如表2所示，确认到：CO法拉第效率变为84％，通过更新动作使单元输出得以恢复。
表1
时间[分钟] 9.5 33 55
CO法拉第效率[％] 83.8 52.1 24.1
H2法拉第效率[％] 7.2 19.5 23.6
单元电压[V] 2.53 2.75 2.95
表2
更新动作后
CO法拉第效率[％] 83.9
H2法拉第效率[％] 12.5
单元电压[V] 2.72
此外，上述的各实施方式的结构可以分别进行组合来应用，另外，也能够对一部分进行置换。在此，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子来提供的，其旨并不在于限定发明的范围。这些实施方式能以其他各种形态进行实施，可以在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更等。这些实施方式及其变形包含于发明的范围、主旨内，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。
上述的实施方式可以总结成以下的技术方案。
(技术方案1)
一种二氧化碳电解装置，其具备：
电解单元，该电解单元具备：阴极，该阴极用于对二氧化碳进行还原而生成碳化合物；阳极，该阳极用于对水或氢氧离子进行氧化而生成氧；二氧化碳供给部，该二氧化碳供给部向所述阴极供给二氧化碳；电解溶液供给部，该电解溶液供给部向所述阴极和所述阳极中的至少一者供给含有水的电解溶液；和隔板，该隔板使所述阳极与所述阴极分离；
电源，该电源与所述阳极和所述阴极连接；
反应控制部，该反应控制部使电流从所述电源向所述阳极和所述阴极流动，产生所述阴极处的所述二氧化碳的还原反应和所述阳极处的所述水或氢氧离子的氧化反应；
更新材料供给部，该更新材料供给部具备向所述阳极和所述阴极中的至少一者供给气体状物质作为更新材料的至少一部分的气体供给部；和
更新控制部，该更新控制部基于作为所述电解单元的输出值的至少1个的单元输出的要求基准来停止由所述反应控制部进行的来自所述电源的电流供给以及所述二氧化碳和所述电解溶液的供给，并且使所述更新材料供给部动作。
(技术方案2)
根据技术方案1所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述更新材料供给部进一步具备向所述阳极和所述阴极中的至少一者供给冲洗液作为所述更新材料的一部分的液体供给部。
(技术方案3)
根据技术方案2所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述液体供给部具备：第1液体供给部，该第1体液供给部向所述阳极和所述阴极中的至少一者供给酸性冲洗液；和第2液体供给部，该第2液体供给部向所述阳极和所述阴极中的至少一者供给水。
(技术方案4)
根据技术方案2或3所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述更新控制部对所述更新材料供给部的动作进行控制，以使从所述液体供给部向从所述电解溶液露出的所述阴极和所述阳极中的至少一者供给所述冲洗液，进而从所述气体供给部向从所述电解溶液露出的所述阴极和所述阳极中的至少一者供给所述气体状物质。
(技术方案5)
根据技术方案1～4中任一项所述的二氧化碳电解装置，其中，
在由单元电压、单元电流以及所述碳化合物的法拉第效率中的至少1个所构成的所述单元输出不满足要求基准时，所述更新控制部使所述更新材料供给部动作。
(技术方案6)
根据技术方案1～5中任一项所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述气体状物质含有选自空气、二氧化碳、氧、氮以及氩中的至少1种。
(技术方案7)
根据技术方案1～6中任一项所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述二氧化碳供给部具有使所述二氧化碳以与所述阴极接触的方式进行流通的气体流路，
所述电解溶液供给部具有：阴极溶液流路，该阴极溶液流路使作为所述电解溶液的阴极溶液以与所述阴极接触的方式进行流通；和阳极溶液流路，该阳极溶液流路使作为所述电解溶液的阳极溶液以与所述阳极接触的方式进行流通。
(技术方案8)
根据技术方案7所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述阳极具有：第1面，该第1面与所述隔板接触；和第2面，该第2面以所述阳极溶液与所述阳极接触的方式面向所述阳极溶液流路，
所述阴极具有面向所述阴极溶液流路的第1面和面向所述气体流路的第2面，所述阴极溶液流路以所述阴极溶液与所述隔板和所述阴极接触的方式被配置于所述隔板与所述阴极之间。
(技术方案9)
根据技术方案1～6中任一项所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述电解溶液供给部具有：阴极溶液槽，该阴极溶液槽收容浸渍所述阴极的作为所述电解溶液的阴极溶液；和阳极溶液槽，该阳极溶液槽收容浸渍所述阳极的作为所述电解溶液的阳极溶液，
所述二氧化碳供给部具有向所述阴极溶液供给所述二氧化碳的二氧化碳供给系统。
(技术方案10)
根据技术方案1～6中任一项所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述二氧化碳供给部具有使所述二氧化碳以与所述阴极接触的方式进行流通的气体流路，
所述溶液供给部具有使作为所述电解溶液的阳极溶液以与所述阳极接触的方式进行流通的阳极溶液流路，
所述阴极和所述阳极与所述隔板接触。
(技术方案11)
一种二氧化碳电解方法，其具备如下工序：
向具有阳极和阴极的电解单元中的所述阴极供给二氧化碳，并且向所述阴极和所述阳极中的至少一者供给含有水的电解溶液；
从与所述阳极和所述阴极连接的电源供给电流，在所述电解单元的所述阴极附近对二氧化碳进行还原而生成碳化合物，并且在所述阳极附近对水或氢氧离子进行氧化而生成氧；和
更新工序，该更新工序基于作为所述电解单元的输出值的至少1个的单元输出的要求基准来停止来自所述电源的电流供给以及所述二氧化碳和所述电解溶液的供给，并且向从所述电解溶液露出的所述阳极和所述阴极中的至少一者供给气体状物质作为更新材料的至少一部分。
(技术方案12)
根据技术方案11所述的二氧化碳电解方法，其中，
所述更新工序在所述气体状物质的供给之前向从所述电解溶液露出的所述阴极和所述阳极中的至少一者供给冲洗液作为所述更新材料的一部分。
(技术方案13)
根据技术方案12所述的二氧化碳电解方法，其中，
在由单元电压、单元电流以及所述碳化合物的法拉第效率中的至少1个构成的所述单元输出不满足要求基准时，所述更新工序将所述冲洗液和所述气体状物质向所述阴极和所述阳极中的至少一者供给。

Claims (10)

1.一种二氧化碳电解装置，其具备：
电解单元，该电解单元具备：阴极，该阴极用于对二氧化碳进行还原而生成碳化合物；阳极，该阳极用于对水或氢氧离子进行氧化而生成氧；二氧化碳供给部，该二氧化碳供给部向所述阴极供给二氧化碳；电解溶液供给部，该电解溶液供给部向所述阴极和所述阳极中的至少一者供给含有水的电解溶液；和隔板，该隔板使所述阳极与所述阴极分离；
电源，该电源与所述阳极和所述阴极连接；
反应控制部，该反应控制部使电流从所述电源向所述阳极和所述阴极流动，产生所述阴极处的所述二氧化碳的还原反应和所述阳极处的所述水或氢氧离子的氧化反应；
更新材料供给部，该更新材料供给部具备向所述阳极和所述阴极中的至少一者供给气体状物质作为更新材料的至少一部分的气体供给部；和
更新控制部，该更新控制部基于作为所述电解单元的输出值的至少1个的单元输出的要求基准来停止由所述反应控制部进行的来自所述电源的电流供给以及所述二氧化碳和所述电解溶液的供给，并且使所述更新材料供给部动作。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述更新材料供给部进一步具备向所述阳极和所述阴极中的至少一者供给冲洗液作为所述更新材料的一部分的液体供给部。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述液体供给部具备：第1液体供给部，该第1体液供给部向所述阳极和所述阴极中的至少一者供给酸性冲洗液；和第2液体供给部，该第2液体供给部向所述阳极和所述阴极中的至少一者供给水。
4.根据权利要求2或3所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述更新控制部对所述更新材料供给部的动作进行控制，以使从所述液体供给部向从所述电解溶液露出的所述阴极和所述阳极中的至少一者供给所述冲洗液，进而从所述气体供给部向从所述电解溶液露出的所述阴极和所述阳极中的至少一者供给所述气体状物质。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的二氧化碳电解装置，其中，
在由单元电压、单元电流以及所述碳化合物的法拉第效率中的至少1个所构成的所述单元输出不满足要求基准时，所述更新控制部使所述更新材料供给部动作。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述二氧化碳供给部具有使所述二氧化碳以与所述阴极接触的方式进行流通的气体流路，
所述电解溶液供给部具有：阴极溶液流路，该阴极溶液流路使作为所述电解溶液的阴极溶液以与所述阴极接触的方式进行流通；和阳极溶液流路，该阳极溶液流路使作为所述电解溶液的阳极溶液以与所述阳极接触的方式进行流通。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的二氧化碳电解装置，其中，
所述电解溶液供给部具有：阴极溶液槽，该阴极溶液槽收容浸渍所述阴极的作为所述电解溶液的阴极溶液；和阳极溶液槽，该阳极溶液槽收容浸渍所述阳极的作为所述电解溶液的阳极溶液，
所述二氧化碳供给部具有向所述阴极溶液供给所述二氧化碳的二氧化碳供给系统。
8.一种二氧化碳电解方法，其具备如下工序：
向具有阳极和阴极的电解单元中的所述阴极供给二氧化碳，并且向所述阴极和所述阳极中的至少一者供给含有水的电解溶液；
从与所述阳极和所述阴极连接的电源供给电流，在所述电解单元的所述阴极附近对二氧化碳进行还原而生成碳化合物，并且在所述阳极附近对水或氢氧离子进行氧化而生成氧；和
更新工序，该更新工序基于作为所述电解单元的输出值的至少1个的单元输出的要求基准来停止来自所述电源的电流供给以及所述二氧化碳和所述电解溶液的供给，并且向从所述电解溶液露出的所述阳极和所述阴极中的至少一者供给气体状物质作为更新材料的至少一部分。
9.根据权利要求8所述的二氧化碳电解方法，其中，
所述更新工序在所述气体状物质的供给之前向从所述电解溶液露出的所述阴极和所述阳极中的至少一者供给冲洗液作为所述更新材料的一部分。
10.根据权利要求9所述的二氧化碳电解方法，其中，
在由单元电压、单元电流以及所述碳化合物的法拉第效率中的至少1个构成的所述单元输出不满足要求基准时，所述更新工序将所述冲洗液和所述气体状物质向所述阴极和所述阳极中的至少一者供给。
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