CN116547233A - 有机氢化物制造系统、有机氢化物制造系统的控制装置以及有机氢化物制造系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
有机氢化物制造系统(1)具备：电解槽(2)，其具有阴极室(18)；阴极电解液供给装置(8)，其能够向阴极室(18)供给从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液；以及控制装置(10)，其以如下方式控制阴极电解液供给装置(8)：向阴极室(18)供给被氢化物浓度为根据流过电解槽(2)的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的阴极电解液。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机氢化物制造系统、有机氢化物制造系统的控制装置以及有机氢化物制造系统的控制方法。
背景技术
近年来，为了抑制能源的生成过程中的二氧化碳排出量，期待利用通过太阳光、风力、水力、地热发电等获得的可再生能源。作为一例，设计了一种利用源自可再生能源的电力进行水电解来生成氢的系统。另外，作为用于大规模输送、储存源自可再生能源的氢的能源载体，有机氢化物系统受到瞩目。
关于有机氢化物的制造技术，以往，已知一种具备电解槽的有机氢化物制造系统(例如，参照专利文献1)，所述电解槽具有用于由水生成质子的氧化极、以及将具有不饱和键的有机化合物(被氢化物)氢化的还原极。在该有机氢化物制造系统中，通过一边向氧化极供给水且向还原极供给被氢化物，一边使电流流过氧化极与还原极之间，从而使氢附加到被氢化物来获得有机氢化物。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2012/091128号
发明内容
发明要解决的问题
本发明人等对上述的有机氢化物的制造技术反复进行了认真研究后的结果是认识到：在现有技术中，当提高有机氢化物的制造速度时，法拉第效率可能会下降。
本发明是鉴于这样的状况而完成的，其目的之一在于提供一种一边抑制有机氢化物制造系统的法拉第效率的下降一边实现有机氢化物的制造速度的提高的技术。
用于解决问题的方案
本发明的某个方式是一种有机氢化物制造系统。该有机氢化物制造系统具备：电解槽，其具有收容阴极电极的阴极室，所述阴极电极利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物；阴极电解液供给装置，其能够向阴极室供给从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液；以及控制装置，其以如下方式控制阴极电解液供给装置：向阴极室供给被氢化物浓度为根据流过电解槽的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的阴极电解液。
本发明的另一方式是一种有机氢化物制造系统的控制装置，所述有机氢化物制造系统具备电解槽和阴极电解液供给装置。电解槽具有收容阴极电极的阴极室，所述阴极电极利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物。阴极电解液供给装置能够向阴极室供给从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液。控制装置以如下方式控制阴极电解液供给装置：向阴极室供给被氢化物浓度为根据流过电解槽的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的阴极电解液。
本发明的另一方式是一种有机氢化物制造系统的控制方法，所述有机氢化物制造系统具备电解槽，所述电解槽具有收容阴极电极的阴极室，所述阴极电极利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物。该控制方法包括以下处理：向阴极室供给被氢化物浓度为根据流过电解槽的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的阴极电解液。
以上的构成要素的任意的组合、将本公开的表现在方法、装置、系统等之间进行变换得到的方式作为本公开的方式也有效。
发明的效果
根据本发明，能够一边抑制有机氢化物制造系统的法拉第效率的下降一边实现有机氢化物的制造速度的提高。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的有机氢化物制造系统的示意图。
图2是示出电解槽的电流密度与产生氢气的甲苯浓度之间的关系的图。
图3是示出电解槽的I-V特性的图。
图4是示出甲苯浓度与单元电压之间的关系的图。
图5是示出贮存部的选择控制的一例的流程图。
图6是实施方式2所涉及的有机氢化物制造系统的示意图。
图7是变形例1所涉及的有机氢化物制造系统的示意图。
具体实施方式
下面，基于优选的实施方式一边参照附图一边对本发明进行说明。实施方式并不限定发明而是例示，实施方式中记述的所有特征或特征的组合未必是发明的本质特征。对各附图所示的相同或等同的构成要素、构件、处理标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。另外，各图所示的各部的比例尺、形状是为了易于说明而适当设定的，只要不特别提及，就不被解释为限定性的。另外，在本说明书或权利要求中使用“第一”、“第二”等用语的情况下，该用语并非表示任何顺序、重要度，而是用于区别某个结构与其它结构。另外，在各附图中省略显示在说明实施方式的方面并不重要的构件的一部分。
(实施方式1)
图1是实施方式1所涉及的有机氢化物制造系统1的示意图。有机氢化物制造系统1具备电解槽2、电源4、阳极电解液供给装置6、阴极电解液供给装置8以及控制装置10作为主要结构。
电解槽2通过电化学还原反应将有机氢化物的脱氢化体即被氢化物进行氢化，来生成有机氢化物。电解槽2具有阳极电极12、阴极电极14、阳极室16、阴极室18以及隔膜20。
阳极电极12(阳极)将阳极电解液中的水氧化来生成质子。阳极电极12例如具有铱(Ir)、钌(Ru)、铂(Pt)等金属、或者它们的金属氧化物作为阳极催化剂。阳极催化剂可以分散承载或涂敷于具有电子传导性的基材。基材由例如以钛(Ti)、不锈钢(SUS)等金属作为主成分的材料构成。另外，作为基材的方式，例示出织布、无纺布的薄片、网状物、多孔性的烧结体、发泡成型体(泡沫)、多孔金属网(expand metal)等。另外，阳极催化剂也可以直接涂布于隔膜20。
阴极电极14(阴极)利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物。本实施方式的阴极电极14具有催化剂层14a和扩散层14b。催化剂层14a配置于比扩散层14b靠隔膜20侧的位置。本实施方式的催化剂层14a与隔膜20的主表面相接。催化剂层14a例如含有铂、钌等作为用于将被氢化物氢化的阴极催化剂。另外，优选的是，催化剂层14a含有承载阴极催化剂的多孔质的催化剂载体。催化剂载体例如由多孔性碳、多孔性金属、多孔性金属氧化物等电子传导性材料构成。例如，将阴极催化剂直接涂布于隔膜20来形成催化剂层14a。
另外，阴极催化剂被离聚物(阳离子交换型的离聚物)包覆。例如，处于承载了阴极催化剂的状态的催化剂载体被离聚物包覆。作为离聚物，例如例示出Nafion(注册商标)、FLEMION(注册商标)等全氟磺酸聚合物等。此外，优选的是离聚物将阴极催化剂局部包覆。由此，能够将催化剂层14a中的电化学反应所需的三要素(被氢化物、质子、电子)高效地供给到反应场。
扩散层14b使从外部供给的液状的被氢化物均匀地扩散到催化剂层14a。另外，通过催化剂层14a生成的有机氢化物经由扩散层14b向催化剂层14a的外部排出。本实施方式的扩散层14b同催化剂层14a的与隔膜20相反的一侧的主表面相接。扩散层14b由碳、金属等导电性材料构成。另外，扩散层14b是纤维或粒子的烧结体、发泡成形体等多孔体。作为构成扩散层14b的材料的具体例，可举出碳织布(碳布)、碳无纺布、碳纸(carbon paper)等。
阳极电极12收容于阳极室16。阳极室16例如由隔膜20、端板22a和间隔件24a划分出。端板22a例如是由不锈钢、钛等金属构成的板材，设置于阳极电极12的与隔膜20相反的一侧。作为一例的端板22a在朝向阳极电极12侧的主表面具有槽状的流路。被供给到阳极室16的阳极电解液通过该流路被供给到阳极电极12，并且通过该流路从阳极室16排出。间隔件24a是配置于隔膜20和端板22a之间的框状的密封件。阳极室16中的除了阳极电极12以外的空间构成阳极电解液的流路。
另外，在端板22a设置有将阳极室16的内外连通的第一阳极开口26和第二阳极开口28。第一阳极开口26配置于比第二阳极开口28靠下方的位置。在本实施方式中，在阳极室16的底面设置有第一阳极开口26，在阳极室16的顶面设置有第二阳极开口28。从铅垂方向来看，第一阳极开口26和第二阳极开口28既可以重叠也可以不重叠。
阴极电极14收容于阴极室18。阴极室18例如由隔膜20、端板22b和间隔件24b划分出。端板22b例如是由不锈钢、钛等金属构成的板材，设置于阴极电极14的与隔膜20相反的一侧。作为一例的端板22b在朝向阴极电极14侧的主表面具有槽状的流路。被供给到阴极室18的阴极电解液通过该流路被供给到阴极电极14，并且通过该流路从阴极室18排出。间隔件24b是配置于隔膜20和端板22b之间的框状的密封件。阴极室18中的除了阴极电极14以外的空间构成阴极电解液的流路。
另外，在端板22b设置有将阴极室18的内外连通的第一阴极开口30和第二阴极开口32。第一阴极开口30配置于比第二阴极开口32靠下方的位置。在本实施方式中，在阴极室18的底面设置有第一阴极开口30，在阴极室18的顶面设置有第二阴极开口32。从铅垂方向来看，第一阴极开口30和第二阴极开口32既可以重叠也可以不重叠。
阳极室16和阴极室18被隔膜20隔开。隔膜20被阳极电极12和阴极电极14夹持。本实施方式的隔膜20由具有质子传导性的固体高分子型电解质膜构成，用于使质子从阳极室16侧移动到阴极室18侧。固体高分子型电解质膜只要是供质子传导的材料即可，并不被特别限定，例如可举出具有磺酸基的氟系离子交换膜。
通过阳极电解液供给装置6向阳极室16供给阳极电解液。阳极电解液包含用于向阳极电极12供给的水。作为阳极电解液，例示出硫酸水溶液、硝酸水溶液、盐酸水溶液、纯水、离子交换水等。
通过阴极电解液供给装置8向阴极室18供给阴极电解液。阴极电解液包含用于向阴极电极14供给的有机氢化物原料(被氢化物)。作为一例，阴极电解液在有机氢化物制造系统1开始运转前不包含有机氢化物，在开始运转后混入通过电解生成的有机氢化物，由此阴极电解液成为被氢化物与有机氢化物的混合液。被氢化物和有机氢化物优选在20℃、1个气压下为液体。
在本实施方式中使用的被氢化物和有机氢化物只要是能够通过以可逆的方式发生氢化反应/脱氢反应来添加/脱离氢的有机化合物即可，并不被特别限定。被氢化物和有机氢化物例如能够广泛地使用丙酮-异丙醇系、苯醌-氢醌系、芳香烃系等。其中，从能源输送时的运输性等观点出发，优选芳香烃系。
作为被氢化物使用的芳香烃化合物是包含至少一种芳香环的化合物。作为芳香烃化合物，例如可举出苯、烷基苯、萘、烷基萘、蒽、二苯乙烷等。烷基苯包括芳香环的1～4的氢原子被碳数1～6的直链烷基或支链烷基(branch alkyl group)置换所得到的化合物。作为这样的化合物，例如可举出甲苯、二甲苯、均三甲苯(mesitylene)、乙苯、二乙基苯等。烷基萘包括芳香环的1～4的氢原子被碳数1～6的直链烷基或支链烷基置换所得到的化合物。作为这样的化合物，例如可举出甲基萘等。这些既可以单独使用，也可以组合使用。
被氢化物优选为甲苯和苯中的至少一方。此外，吡啶、嘧啶、吡嗪、喹啉、异喹啉、N-烷基吡咯、N-烷基吲哚、N-烷基二苯并吡咯等含氮杂环芳香族化合物也能够作为被氢化物使用。有机氢化物是将上述的被氢化物氢化而成的，例示出环己烷、甲基环己烷、二甲基环己烷、哌啶等。
在图1中仅图示出一个电解槽2，但有机氢化物制造系统1也可以具有多个电解槽2。在该情况下，各电解槽2的朝向被对齐，以使例如阳极室16和阴极室18的排列相同，各电解槽2以将通电板夹在相邻的电解槽2之间的方式层叠。由此，各电解槽2被电串联连接。通电板由金属等导电性材料构成。此外，各电解槽2也可以被并联连接，也可以将串联连接和并联连接组合。
在电解槽2中，在使用甲苯(TL)作为被氢化物的一例的情况下发生的反应如下面那样。在使用甲苯作为被氢化物的情况下，所获得的有机氢化物是甲基环己烷(MCH)。
<阳极电极处的电极反应>
3H2O→3/2O2+6H++6e-
<阴极电极处的电极反应>
TL+6H++6e-→MCH
即，阳极电极12处的电极反应和阴极电极14处的电极反应并行地进行。阳极电极12中的通过水的电分解产生的质子经由隔膜20被供给到阴极电极14。另外，通过水的电分解产生的电子经由端板22a、外部电路以及端板22b被供给到阴极电极14。被供给到阴极电极14的质子和电子在阴极电极14中被用于甲苯的氢化。由此，生成甲基环己烷。
因而，根据本实施方式所涉及的有机氢化物制造系统1，能够通过一个步骤进行水的电分解和被氢化物的氢化反应。因此，相较于通过利用水电解等制造氢的工艺和利用机械设备等的反应器将被氢化物化学氢化的工艺这两个阶段的工艺来制造有机氢化物的现有技术，能够提高有机氢化物的制造效率。另外，由于不需要进行化学氢化的反应器、用于贮存通过水电解等制造出的氢的高压容器等，因此能够实现设备成本的大幅降低。
在阴极电极14中，作为副反应的以下所示的氢气的产生反应有时与作为主反应的被氢化物的氢化反应一起发生。随着向催化剂层14a供给的被氢化物的供给量不足，容易发生该副反应。
<阴极电极处可能发生的副反应>
2H++2e-→H2
电源4是向电解槽2供给电力的直流电源。当从电源4向电解槽2供给电力时，向电解槽2的阳极电极12与阴极电极14之间施加规定的电解电压，从而流过电解电流。电源4从电力供给装置34接受电力供给，并将电力供给到电解槽2。电力供给装置34能够由利用可再生能源进行发电的发电装置、例如风力发电装置、太阳能发电装置等构成。此外，电力供给装置34不限定于利用可再生能源的发电装置，也可以是系统电源，也可以是蓄积来自可再生能源发电装置、系统电源的电力的蓄电装置等。另外，也可以是它们中的两个以上的组合。
阳极电解液供给装置6向阳极室16供给阳极电解液。阳极电解液供给装置6具有阳极电解液罐36、第一阳极配管38、第二阳极配管40以及阳极泵42。阳极泵42例如能够由齿轮泵、气缸泵等公知的泵构成。此外，阳极电解液供给装置6也可以使用泵以外的送液装置来使阳极电解液流通。
在阳极电解液罐36中贮存供给到阳极室16的阳极电解液。阳极电解液罐36通过第一阳极配管38与阳极室16连接。第一阳极配管38的一端侧与阳极电解液罐36连接，第一阳极配管38的另一端侧与第一阳极开口26连接。在第一阳极配管38的中途设置有阳极泵42。另外，阳极电解液罐36还通过第二阳极配管40与阳极室16连接。第二阳极配管40的一端侧与第二阳极开口28连接，第二阳极配管40的另一端侧与阳极电解液罐36连接。
阳极电解液罐36中的阳极电解液通过阳极泵42的驱动经由第一阳极配管38从第一阳极开口26流入阳极室16。阳极电解液被供给到阳极室16，用于阳极电极12处的电极反应。阳极室16内的阳极电解液经由第二阳极配管40返回到阳极电解液罐36。在阳极电极12中，通过电极反应产生氧气。因此，氧气混入到从阳极室16排出的阳极电解液中。阳极电解液罐36也作为气液分离部发挥功能，将阳极电解液中的氧气从阳极电解液中分离并排出到系统外。此外，也可以在第二阳极配管40的中途设置气液分离槽。
阴极电解液供给装置8向阴极室18供给阴极电解液。阴极电解液供给装置8能够向阴极室18供给从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液。本实施方式的阴极电解液供给装置8具有多个贮存部44、第一阴极配管46、第二阴极配管48、阴极泵50以及第一开闭阀52～第十开闭阀70。阴极泵50例如能够由齿轮泵、气缸泵等公知的泵构成。此外，阴极电解液供给装置8也可以使用泵以外的送液装置来使阴极电解液流通。第一开闭阀52～第十开闭阀70能够由电磁阀、气动阀等公知的阀构成。此外，所选择的阴极电解液并不限定为一种。在选择多种阴极电解液的情况下，这些阴极电解液可以通过线路合并方式在线路内被混合后被供给到阴极室18。
多个贮存部44分开(按浓度)贮存被氢化物浓度不同的多种阴极电解液。本实施方式的阴极电解液供给装置8具有超高浓度贮存部44a、高浓度贮存部44b、中浓度贮存部44c、低浓度贮存部44d以及超低浓度贮存部44e作为多个贮存部44。各贮存部44中贮存的阴极电解液的被氢化物浓度为：超高浓度贮存部44a最高，高浓度贮存部44b第二高，中浓度贮存部44c第三高，低浓度贮存部44d第四高，超低浓度贮存部44e最低。此外，根据阴极电解液中的被氢化物与该被氢化物的氢化体即有机氢化物的比例来计算各阴极电解液的被氢化物浓度。在本实施方式中，例示出多个贮存部44为五个的情况，但并不限定于此。多个贮存部44也可以为两个以上或者三个以上。多个贮存部44的上限数量没有特别限制，例如也可以为六个以下、五个以下或者四个以下。
例如，在有机氢化物制造系统1开始运转前的准备阶段中，在超高浓度贮存部44a～超低浓度贮存部44e中贮存预先被调整了被氢化物浓度的阴极电解液。作为一例，在超高浓度贮存部44a中贮存被氢化物浓度为100mol％的阴极电解液。在超低浓度贮存部44e中贮存被氢化物浓度为5mol％的阴极电解液。而且，在高浓度贮存部44b、中浓度贮存部44c以及低浓度贮存部44d中分别贮存被氢化物浓度为75mol％、50mol％、25mol％的阴极电解液。被氢化物浓度5mol％是在电解槽2中电解阴极电解液时最终应该达到的目标浓度的一例，但从本系统的能源效率的观点出发，该数值能够变动为任意的值。超低浓度贮存部44e中贮存的阴极电解液的被氢化物浓度可以为0mol％。各阴极电解液的被氢化物浓度能够基于实验、模拟来适当设定。
在本实施方式中，各贮存部44由彼此独立的罐构成。然而，并不限于此，例如也可以将一个罐内划分为彼此独立的多个空间，各空间构成贮存部44。
多个贮存部44通过第一阴极配管46与阴极室18连接。第一阴极配管46的一端侧分支为多个并与各贮存部44连接，第一阴极配管46的另一端侧与第一阴极开口30连接。本实施方式的第一阴极配管46的一端侧分支为第一分支配管46a～第五分支配管46e这五个。第一分支配管46a～第五分支配管46e按照该顺序排列，并且第一分支配管46a配置于最靠第一阴极开口30侧。而且，第一分支配管46a与超高浓度贮存部44a连接，第二分支配管46b与高浓度贮存部44b连接，第三分支配管46c与中浓度贮存部44c连接，第四分支配管46d与低浓度贮存部44d连接，第五分支配管46e与超低浓度贮存部44e连接。此外，超高浓度贮存部44a～超低浓度贮存部44e的排列顺序并未特别限定。
在第一阴极配管46的中途、且比第一分支配管46a靠第一阴极开口30侧的区域设置阴极泵50。在第一分支配管46a的中途设置第一开闭阀52。在第二分支配管46b的中途设置第二开闭阀54。在第三分支配管46c的中途设置第三开闭阀56。在第四分支配管46d的中途设置第四开闭阀58。在第五分支配管46e的中途设置第五开闭阀60。
另外，多个贮存部44还通过第二阴极配管48与阴极室18连接。第二阴极配管48的一端侧与第二阴极开口32连接，第二阴极配管48的另一端侧分支为多个并与各贮存部44连接。本实施方式的第二阴极配管48的另一端侧分支为第六分支配管48a～第十分支配管48e这五个。而且，第六分支配管48a与超高浓度贮存部44a连接，第七分支配管48b与高浓度贮存部44b连接，第八分支配管48c与中浓度贮存部44c连接，第九分支配管48d与低浓度贮存部44d连接，第十分支配管48e与超低浓度贮存部44e连接。
在第六分支配管48a的中途设置第六开闭阀62。在第七分支配管48b的中途设置第七开闭阀64。在第八分支配管48c的中途设置第八开闭阀66。在第九分支配管48d的中途设置第九开闭阀68。在第十分支配管48e的中途设置第十开闭阀70。
各贮存部44中的阴极电解液通过阴极泵50的驱动经由第一阴极配管46从第一阴极开口30流入阴极室18。能够根据第一开闭阀52～第五开闭阀60的开闭状态对将哪个贮存部44的阴极电解液供给到阴极室18进行切换。阴极电解液被供给到阴极室18，用于阴极电极14处的电极反应。阴极室18内的阴极电解液经由第二阴极配管48返回到各贮存部44。能够根据第六开闭阀62～第十开闭阀70的开闭状态对将阴极电解液返回到哪个贮存部44进行切换。
如上所述，在阴极电极14中有时由于副反应而产生氢气。在发生副反应的情况下，氢气混入到从阴极室18排出的阴极电解液中。各贮存部44也作为气液分离部发挥功能，将阴极电解液中的氢气从阴极电解液中分离并排出到系统外。此外，也可以在第二阴极配管48的中途设置气液分离槽。另外，质子在从阳极室16侧经由隔膜20移动到阴极室18侧时，伴随着水分子进行移动。因此，水混入到从阴极室18排出的阴极电解液中。与此相对，也可以在第二阴极配管48的中途设置油水分离槽，将阴极电解液中的水从阴极电解液中分离。
另外，有机氢化物制造系统1具有用于探测各贮存部44中贮存的阴极电解液的被氢化物浓度的浓度传感器72。浓度传感器72能够由公知的传感器构成，其设置位置能够根据传感器的探测方式等适当选择。例如，浓度传感器72能够由设置于各贮存部44、各分支配管的气相色谱仪等分析设备构成(在线测定)。另外，例如，浓度传感器72也可以基于被添加了因与被氢化物的芳香环共存而着色的色素剂(例如FeCl3等过渡金属化合物)的阴极电解液的色彩来探测各贮存部44中的阴极电解液的被氢化物浓度。浓度传感器72将表示探测结果的信号反复发送到控制装置10。
在本实施方式中，将各贮存部44与阴极室18相连的配管的一部分共用。也就是，第一阴极配管46的一端侧进行分支并与各贮存部44连接。另外，第二阴极配管48的另一端侧进行分支并与各贮存部44连接。然而，不限于该结构，将各贮存部44与阴极室18连接的配管也可以按各贮存部44的每个贮存部44独立。
控制装置10对电力从电源4向电解槽2的供给进行控制。阳极电极12和阴极电极14的电位由控制装置10控制。控制装置10作为硬件结构由以计算机的CPU、存储器为代表的元件、电路实现，作为软件结构由计算机程序等实现，但在图1中控制装置10描绘为通过硬件与软件的协作实现的功能块。本领域技术人员当然理解该功能块能够通过硬件和软件的组合以各种形式实现。
从设置于电解槽2的探测部74向控制装置10输入表示电解槽2的电压的信号、表示阳极电极12的电位的信号、以及表示阴极电极14的电位的信号中的至少一方。探测部74能够通过公知的方法探测各电极的电位、电解槽2的电压。探测部74例如具有公知的电压计。
在探测部74探测阳极电极12的电位或阴极电极14的电位的情况下，在隔膜20设置参比电极。参比电极保持为参照电极电位。例如，参比电极是可逆氢电极(RHE：ReversibleHydrogen Electrode)。而且，探测部74的一方的端子与参比电极连接，探测部74的另一方的端子与作为探测对象的电极连接，从而探测电极相对于参比电极的电位。另外，在探测部74探测电解槽2的电压的情况下，探测部74的一方的端子与阳极电极12连接，探测部74的另一方的端子与阴极电极14连接，从而探测两电极的电位差、即电压。探测部74将表示探测结果的信号发送到控制装置10。
另外，探测部74包括用于检测在阳极电极12与阴极电极14之间流动的电流的电流检测部。电流检测部例如由公知的电流计构成。由电流检测部检测到的电流值被输入到控制装置10。控制装置10可以预先保持电解槽2的电流-电压特性(I-V特性)的信息。也可以是，在控制装置10保持I-V特性的信息的情况下，能够任意地更新该信息。电解槽2的I-V特性是根据各电极的催化剂组成、扩散层或基材的种类、隔膜20的种类、电解槽2所具有的阳极电解液及阴极电解液的流路构造、各部的尺寸等决定的特性，能够预先进行测定来掌握。在该情况下，控制装置10通过接收表示从电力供给装置34供给的电力量的信号，从而能够掌握能够从电源4供给到电解槽2的电力量，并根据I-V特性来计算应该施加于电解槽2的电压值，也就是能够控制流过电解槽2的电流值。
另外，控制装置10控制阳极电解液供给装置6和阴极电解液供给装置8。具体地说，控制装置10控制阳极泵42和阴极泵50的驱动。另外，控制装置10控制第一开闭阀52～第十开闭阀70的开闭。
在有机氢化物制造系统1中，为了提高有机氢化物的制造速度，考虑向电解槽2施加高电压来增大流过电解槽2的电流(例如电流密度)。然而，当提高电解槽2的电流密度时，被氢化物不足而容易发生副反应。副反应的发生与有机氢化物制造系统1的法拉第效率的下降有关，因此期望尽力避免副反应的发生。
在阴极电解液和阳极电解液被以任意的流量供给到各电极的状态下，是否会在电解槽2的电流密度为某个值时发生副反应依赖于阴极电解液的被氢化物浓度。因而，通过根据阴极电解液的被氢化物浓度来调整电解槽2的电流密度，从而能够一边抑制法拉第效率的下降一边实现有机氢化物的制造速度的提高。然而，电流密度的增减请求的定时与能够从电源4供给到电解槽2的电力量的变化未必一致。
例如，在电力供给装置34为利用可再生能源进行发电的发电装置的情况下，其发电量会根据气象条件而大幅变动。例如，在太阳能发电装置的情况下，在阴天时、日落后，发电量下降。因此，可能引起在想要提高电解槽2的电流密度时来自电力供给装置34的电力供给量不足的事态。另外，可能引起虽然来自电力供给装置34的电力供给量充分但阴极电解液的被氢化物浓度低、因此无法提高电解槽2的电流密度的事态。因此，难以实现与阴极电解液的被氢化物浓度相应的高效的电解反应。
与此相对，本实施方式所涉及的阴极电解液供给装置8如上所述具有多个贮存部44、也就是超高浓度贮存部44a～超低浓度贮存部44e。而且，阴极电解液供给装置8能够将被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中的任意的阴极电解液供给到阴极室18。也就是，能够切换向阴极室18供给的阴极电解液的被氢化物浓度。而且，控制装置10以如下方式控制阴极电解液供给装置8：向阴极室18供给被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液。
特定被氢化物浓度根据流过电解槽2的电流的大小来决定。也就是，基于流过电解槽2的电流的大小来决定被氢化物浓度的下限值，以该下限值为基准来决定特定被氢化物浓度。在第一例中，基于该下限值、以及在设定特定被氢化物浓度的时间点在各贮存部44中贮存的各阴极电解液的被氢化物浓度来决定特定被氢化物浓度。另外，作为第二例，基于下限值和规定的余量来通过计算决定特定被氢化物浓度。在本实施方式中，对第一例进行说明。通过后述的实施方式2对第二例进行说明。并不是根据被供给到阴极室18的阴极电解液的被氢化物浓度来调整电解槽2的电流密度，而是根据电解槽2的电流密度来选择要向阴极室18供给的阴极电解液的被氢化物浓度，由此能够一边抑制法拉第效率的下降一边提高有机氢化物的制造速度。
在上述的第一例中，特定被氢化物浓度由控制装置10设定。控制装置10首先基于流过电解槽2的电流的大小、作为一例是电流密度的大小，来决定应该向阴极室18供给的阴极电解液的被氢化物浓度的下限值。能够基于从探测部74接收的信号来掌握电解槽2的电流密度。另外，控制装置10通过如上所述预先保持I-V特性的信息，并从电源4、电力供给装置34接收表示电力供给量的信号，从而能够计算应该向电解槽2施加的电压值。在电力供给装置34为可再生能源发电装置、系统电源以及蓄电装置中的至少两个的组合的情况下，该电力供给量是从该组合供给的总电力量。
被氢化物浓度的下限值例如是产生(开始产生)氢气的被氢化物浓度。电解槽2的电流密度与产生氢气的被氢化物浓度之间的关系根据各电极的催化剂组成、扩散层或基材的种类、隔膜20的种类、电解槽2所具有的阳极电解液及阴极电解液的流路构造、各部的尺寸等来决定，能够预先进行测定来掌握。在测定中，开始产生氢气的情况例如能够通过目视来确认，或者通过由光学分析设备等利用液体与气体的折射率的差异进行的自动检测来确认。
另外，本实施方式的控制装置10除了基于电解槽2的电流密度的大小以外，还基于阴极室18中的被氢化物浓度的下降量来决定被氢化物浓度的下限值。例如，控制装置10将基于电解槽2的电流密度的大小而决定的被氢化物浓度的下限值设为临时的下限值，对临时的下限值加上阴极室18中的被氢化物浓度的下降量来决定真正的下限值。
流入了阴极室18的阴极电解液用于阴极电极14处的电解反应。因此，阴极电解液的被氢化物浓度在阴极室18内逐渐下降。通过参考阴极室18内的被氢化物浓度的下降量来决定被氢化物浓度的下限值，从而能够进一步降低被氢化物不足而发生副反应的可能性。在阴极室18的入口(第一阴极开口30)与出口(第二阴极开口32)处的该被氢化物浓度进行比较时，该被氢化物浓度的下降量在理论上最大。因此，优选将阴极室18的入口和出口处的被氢化物浓度之差设为阴极室18中的被氢化物浓度的下降量。
根据阴极泵50决定了阴极电解液的流量。还预先决定了阴极室18的容积。另外，能够基于向电解槽2供给的电力供给量来计算从使阴极电解液以规定流量流动时的被氢化物向有机氢化物的转化率。因而，控制装置10能够基于选定贮存部44时的向电解槽2供给的电力供给量来计算阴极室18中的被氢化物浓度的下降量。此外，也可以不考虑阴极室18中的被氢化物浓度的下降量而仅基于电解槽2的电流密度的大小来设定下限值。在该情况下，能够简化下限值的设定处理。
而且，控制装置10从对被氢化物浓度为所设定的下限值以上的阴极电解液进行贮存的贮存部44中选定对被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液进行贮存的贮存部44。控制装置10通过从浓度传感器72接收信号，从而能够掌握各贮存部44中贮存的阴极电解液的被氢化物浓度。此外，在未发生副反应的状态下，控制装置10也能够基于被填充到各贮存部44中的阴极电解液的量、阴极电解液从各贮存部44向阴极室18供给的供给量以及在供给该阴极电解液的期间供给到电解槽2的总电力量，来计算由各贮存部44中贮存的阴极电解液生成的有机氢化物的生成量，并根据其结果来计算各贮存部44中贮存的阴极电解液的被氢化物浓度。在该情况下，能够省略浓度传感器72。能够根据各开闭阀的状态和阴极泵50的驱动时间来计算阴极电解液从各贮存部44向阴极室18供给的供给量。
在发生副反应的情况下，难以准确地计算阴极室18中的被氢化物浓度的下降量。当考虑这样的情况时，优选在第二阴极配管48中的阴极室18的出口附近设置浓度传感器。由此，能够将设置于各贮存部44的浓度传感器72汇总为配置在阴极室18的出口附近的浓度传感器。
控制装置10将对被氢化物浓度为下限值以上的阴极电解液进行贮存的贮存部44选定为对被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液进行贮存的贮存部44。作为一例，本实施方式的控制装置10将对被氢化物浓度为下限值以上且最接近下限值的阴极电解液进行贮存的贮存部44选定为对被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液进行贮存的贮存部44。由此，能够容易地将超高浓度贮存部44a、高浓度贮存部44b中贮存的阴极电解液的被氢化物浓度维持为高浓度的状态。因此，即使下限值发生变动，也能够在更长期间内维持准备有被氢化物浓度为下限值以上的阴极电解液的状态。
本实施方式的控制装置10控制阴极电解液供给装置8以从对被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液进行贮存的贮存部44向阴极室18供给阴极电解液。即，控制装置10控制各开闭阀以形成将所选定的贮存部44与阴极室18相连的流路，并驱动阴极泵50。在存在满足贮存部44的选定基准的贮存部44的情况下，控制装置10控制阴极电解液供给装置8以从该贮存部44供给阴极电解液。在没有对被氢化物浓度为下限值以上的阴极电解液进行贮存的贮存部44的情况下，控制装置10例如控制阴极电解液供给装置8以从对被氢化物浓度最高的阴极电解液进行贮存的贮存部44供给该阴极电解液。在该情况下，控制装置10以为在所供给的阴极电解液的被氢化物浓度下不会引起氢气的产生的电流密度的方式控制电源4。
此外，在第一例中，也可以与后述的第二例同样将余量追加到下限值。也就是，控制装置10也可以对仅基于流过电解槽2的电流的大小的下限值或者基于电流的大小和阴极室18内的浓度下降量来决定的下限值加上规定的余量，并将其结果得到的被氢化物浓度为基准来决定特定被氢化物浓度。规定的余量能够基于实验、模拟来适当设定。
例如，在特定被氢化物浓度为100mol％的情况下，控制装置10使第一开闭阀52为开状态，使第二开闭阀54～第五开闭阀60为闭状态，从而使阴极泵50驱动。由此，超高浓度贮存部44a中贮存的、被氢化物浓度为100mol％的阴极电解液被供给到阴极室18。另外，控制装置10使第六开闭阀62为开状态，使第七开闭阀64～第十开闭阀70为闭状态，从而使从阴极室18排出的阴极电解液返回到作为供给源的超高浓度贮存部44a。由此，能够避免各贮存部44内的阴极电解液的量产生偏差。
此外，能够适当设定使从阴极室18排出的阴极电解液返回到哪个贮存部44。例如，在想要避免超高浓度贮存部44a中贮存的阴极电解液的被氢化物浓度下降的情况下，能够从超高浓度贮存部44a向阴极室18供给阴极电解液，并使阴极电解液返回到除超高浓度贮存部44a以外的贮存部44。此时，在被返回阴极电解液的贮存部44中的阴极电解液的被氢化物浓度比阴极室出口处的阴极电解液的被氢化物浓度低的情况下，能够通过该操作来提高该贮存部44中的阴极电解液的被氢化物浓度。但是，在向阴极电极14供给阴极电解液的贮存部44与从阴极室18返回阴极电解液的贮存部44不同的情况下，各贮存部44中贮存的阴极电解液的量产生偏差。因此，优选在各贮存部44中设置液面计等公知的容积探测器、质量探测器，来掌握阴极电解液的量。
控制装置10在规定的定时反复进行被氢化物浓度的下限值设定和贮存部44的选定。例如，控制装置10以规定的时间周期反复进行被氢化物浓度的下限值设定和贮存部44的选择。下限值设定和贮存部选定的执行定时能够基于实验、模拟来适当设定。
此外，在本实施方式中，预先准备有超高浓度贮存部44a～超低浓度贮存部44e。因而，在有机氢化物制造系统1开始运转的时间点，达成能够向阴极室18供给从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液的状态。然而，不限定为该结构，例如也可以预先设定各贮存部44的使用的优先级，并且在有机氢化物制造系统1开始运转前在所有贮存部44中贮存相同的被氢化物浓度的阴极电解液。在该情况下，随着运转时间经过，在各贮存部44间阴极电解液的被氢化物浓度开始产生偏差。其结果是，获得能够将从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液向阴极室18供给的状态。
本发明人基于以下的试验检验到通过上述的控制获得的效果。以下所说明的试验只不过是例示，丝毫不限定本发明。
(试验1：电流密度与产生氢的被氢化物浓度之间的关系的评价)
首先，准备了电解槽，该电解槽具备：由氧化铱(IrO2)构成的阳极电极(几何面积100cm2)、阳极室(容积40mL)、由碳载铂钌(Pt·Ru/C)构成的阴极电极(几何面积100cm2)、阴极室(容积10mL)、由Nafion(注册商标)N117(杜邦公司制)构成的隔膜、以及插入到阴极室中的参比电极(标准氢电极)。
使用该电解槽来以0.2A/cm2的电流密度实施了10分钟的恒流电解(预备运转)。在电解中，将电解槽整体保持为60℃。使1M硫酸水溶液以流速20mL/min流通到阳极室。使阴极电解液以流速20mL/min从贮存部流通到阴极室。阴极电解液为0.5mol的100mol％甲苯。
在预备运转后，将电流密度提高到0.7A/cm2并开始恒流电解。除了电流密度以外，设为与预备运转相同的条件。在电解开始后，在电解槽的出口确认到气泡(由副反应产生的氢气)的时间点，使电流密度下降0.05A/cm2而为0.65A/cm2。另外，在进行电流密度的调整的同时，从贮存部采样0.2mL的阴极电解液，通过气相色谱法测定了甲苯和甲基环己烷的浓度。而且，将通过目视确认到气泡时的甲苯的浓度判断为在该电流密度下会产生氢气的浓度、换言之为使法拉第效率下降的浓度。
继续进行电流密度为0.65A/cm2的情况下的恒流电解，如果在电解槽的出口确认到气泡，则使电流密度下降0.05A/cm2。另外，从贮存部采样0.2mL的阴极电解液，测定了甲苯和甲基环己烷的浓度。而且，反复进行该测定作业，直到在电流密度为0.2A/cm2的情况下确认到气泡。在图2中示出测定结果。图2是示出电解槽的电流密度与产生氢气的甲苯浓度之间的关系的图。根据图2确认到，能够通过试验1预先掌握电解槽的电流密度与产生氢的被氢化物浓度之间的关系。此外，在图1中，电流密度的最大值为0.7A/cm2，但这受到评价装置的限制，并不是意图将电流密度的上限限定为0.7A/cm2。
(试验2：I-V特性的评价)
除了将2.056mol的100mol％甲苯设为阴极电解液这一点以外，以与试验1相同的电解槽和反应条件实施了预备运转。在预备运转后，实施了三分钟的电流密度为0.05A/cm2的情况下的恒流电解，并测定了此时的单元电压。除了电流密度以外，设为与预备运转相同的条件。之后，将电流密度提高0.05A/cm2，实施了三分钟的电流密度为0.1A/cm2的情况下的恒流电解，并测定了此时的单元电压。而且，在电流密度变为0.7A/cm2之前反复进行了该测定作业。通过以上的测定作业来评价了电解槽的I-V特性。在图3中示出评价结果。图3是示出电解槽的I-V特性的图。根据图3确认到，能够通过试验2预先掌握电解槽的I-V特性。
(试验3：被氢化物浓度对单元电压造成的影响的评价)
使用实施了试验2后的电解槽来实施了243分钟的电流密度为0.7A/cm2的情况下的恒流电解。除了电流密度以外，设为与预备运转相同的条件。从电解开始起大致每隔827秒从贮存部采样0.2mL的阴极电解液，通过气相色谱法测定了甲苯和甲基环己烷的浓度。在从电解开始起经过243分钟时使电解结束。对电解结束后的贮存部中的阴极电解液也进行采样来测定了甲苯和甲基环己烷的浓度。在图4中示出测定结果。图4是示出甲苯浓度与单元电压之间的关系的图。
根据试验1的结果可知：在电流密度为0.7A/cm2的情况下实施恒流电解的情况下，当甲苯浓度为27mol％以下时产生氢，法拉第效率下降。根据图4确认到：在甲苯浓度超过27mol％、也就是法拉第效率约为100％的状态下进行电解的情况下，电解槽的单元电压几乎不上升。甲苯浓度从100mol％下降到30mol％为止的单元电压的增加量仅为10mV。另一方面，确认到：在甲苯浓度为27mol％以下、也就是法拉第效率下降的状态下进行电解的情况下，随着甲苯浓度的下降，单元电压的增加量变大。
在未发现氢产生的被氢化物浓度的范围内，单元电压的增加仅为10mV，因此确认到：在本实施方式所涉及的控制中，被氢化物浓度对I-V特性造成的影响是能够忽略的程度。此外，考虑到10mV的增加而将图2所示的I-V特性中的单元电压整体修正为高10mV、更优选高20mV的值用于对电解槽的电流密度的决定，由此能够进一步降低法拉第效率下降的可能性。另外，根据图4确认到：在未发现氢产生的被氢化物浓度的范围内进行电解的情况下，被氢化物浓度大致每隔827秒下降约5mol％。
(试验4：实施方式所涉及的贮存部的选择控制的效果确认)
(实施例1)
除了将甲苯0.25mol和甲基环己烷0.25mol的混合液(甲苯浓度50mol％、甲基环己烷浓度50mol％)设为阴极电解液这一点以外，以与试验1相同的电解槽和反应条件实施了预备运转。在预备运转后，实施了10分钟的电流密度为0.7A/cm2的情况下的恒流电解。从电解结束后的贮存部采样0.2mL的阴极电解液，通过气相色谱法测定了甲苯和甲基环己烷的浓度。其结果是，甲苯浓度下降到35.5mol％，转化率为14.5mol％。
另外，恒流电解的期间的平均单元电压为2.341V。另外，确认到电解在法拉第效率为100％的情况下进行。另外，根据流速为20mL/min的情况下的甲苯的流通以及阴极室的体积确认到：阴极室的出口处的甲苯浓度与入口处的甲苯浓度相比下降3.9mol％。另外，由于电极面积为100cm2，因此电流值为70A。因而，以163.87W(＝70A×2.341V)的电力实施了电解。也就是，在电力供给装置能够持续地供给10分钟的163.87W的电力的情况下，在电流密度为0.7A/cm2的情况下选定对甲苯浓度50mol％的阴极电解液进行贮存的贮存部，由此能够一边抑制法拉第效率的下降一边实现有机氢化物的制造速度的提高。
(比较例1)
除了将甲苯0.15mol和甲基环己烷0.35mol的混合液(甲苯浓度30mol％、甲基环己烷浓度70mol％)设为阴极电解液这一点以外，与实施例1同样地实施了10分钟的预备运转和0.7A/cm2的情况下的恒流电解。在电解结束后，甲苯浓度下降到19.2mol％，转化率为10.8mol％。恒流电解的期间的平均单元电压为2.361V。另外，确认到电解在法拉第效率为74％的情况下进行。由于电流值为70A，因此以165.27W(＝70A×2.361V)的电力实施了电解。也就是，当在电力供给装置能够持续地供给10分钟的165.27W的电力的情况下，在电流密度为0.7A/cm2的情况下选定对甲苯浓度30mol％的阴极电解液进行贮存的贮存部时，法拉第效率下降。
(实施例2)
除了以0.4A/cm2实施了预备运转后的恒流电解这一点以外，与比较例1同样地实施了试验。在电解结束后，甲苯浓度下降到21.7mol％，转化率为8.3mol％。恒流电解的期间的平均单元电压为2.077V。另外，确认到电解在法拉第效率为100％的情况下进行。由于电流值为40A，因此以83.08W(＝40A×2.077V)的电力实施了电解。也就是，在电力供给装置能够持续地供给10分钟的83.08W的电力的情况下，在电流密度为0.4A/cm2的情况下选定对甲苯浓度30mol％的阴极电解液进行贮存的贮存部，由此能够一边抑制法拉第效率的下降一边实现有机氢化物的制造速度的提高。
根据实施例1、比较例1以及实施例2的对比，确认到：通过根据从电力供给装置向电解槽供给的电力供给量来选择要向阴极室供给的阴极电解液的被氢化物浓度，从而能够同时实现法拉第效率的下降抑制和有机氢化物的制造速度提高。另外，在实施例1中，阴极室的入口和出口处的被氢化物浓度之差为3.9mol％。据此，在使用实施例1的电解槽以电流密度0.7A/cm2进行电解的情况下，在决定被氢化物浓度的下限值时，优选将比根据流过电解槽2的电流的大小来决定的被氢化物浓度高3.9mol％以上的被氢化物浓度设定为下限值。
下面，对贮存部的选择控制进行说明。图5是示出贮存部的选择控制的一例的流程图。由控制装置10在规定的定时反复执行该控制流程。
首先，控制装置10基于从探测部74、电源4、电力供给装置34等接收到的信号来获取电解槽2的电流值(电流密度)(S101)。接着，控制装置10根据所获取到的电流值来计算阴极室18中的被氢化物浓度的下降量。然后，基于电流值和下降量来设定应该向电解槽2供给的阴极电解液的被氢化物浓度的下限值(S102)。
控制装置10基于从浓度传感器72接收到的信号来判断是否存在对被氢化物浓度为所设定的下限值以上的阴极电解液进行贮存的贮存部44(S103)。在存在符合的贮存部44的情况下(S103的“是”)，控制装置10将该贮存部44选定为对被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液进行贮存的贮存部44(S104)。在存在多个符合的贮存部44的情况下，控制装置10选定对被氢化物浓度为下限值以上且最接近下限值的阴极电解液进行贮存的贮存部44。然后，控制装置10以从所选定的贮存部44向阴极室18供给阴极电解液的方式控制各开闭阀和阴极泵50(S105)，结束本例程。
在不存在符合的贮存部44的情况下(S103的“否”)，控制装置10选定对被氢化物浓度最高的阴极电解液进行贮存的贮存部44(S106)。另外，控制装置10根据所选定的贮存部44的被氢化物浓度来调整从电源4向电解槽2供给的电力供给量(S107)。然后，控制装置10以从所选定的贮存部44向阴极室18供给阴极电解液的方式控制各开闭阀和阴极泵50(S105)，结束本例程。
如以上所说明的那样，本实施方式所涉及的有机氢化物制造系统1具备电解槽2、阴极电解液供给装置8以及控制装置10。电解槽2具有阳极电极12、阴极电极14、阳极室16、阴极室18以及隔膜20。阳极电极12将阳极电解液中的水氧化来生成质子。阴极电极14利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物。收容阳极室16、阳极电极12。阴极室18收容阴极电极14。隔膜20将阳极室16和阴极室18隔开，并且使质子从阳极室16侧向阴极室18侧移动。阴极电解液供给装置8能够向阴极室18供给从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液。控制装置10以如下方式控制阴极电解液供给装置8：向阴极室18供给被氢化物浓度为根据流过电解槽2的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的阴极电解液。
像这样，根据流过电解槽2的电流的大小来对向阴极室18供给的阴极电解液的被氢化物浓度进行切换，由此能够一边抑制有机氢化物制造系统1的法拉第效率的下降一边实现有机氢化物的制造速度的提高。
另外，本实施方式的阴极电解液供给装置8具有分开贮存多种阴极电解液的多个贮存部44。控制装置10基于流过电解槽2的电流的大小来决定应该向阴极室18供给的阴极电解液的被氢化物浓度的下限值。然后，从对被氢化物浓度为下限值以上的阴极电解液进行贮存的贮存部44中选定对被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液进行贮存的贮存部44。接着，控制装置10控制阴极电解液供给装置8以从所选定的贮存部44向阴极室18供给阴极电解液。
像这样，通过设为分开贮存被氢化物浓度不同的多种阴极电解液并且选择适于流过电解槽2的电流的大小的阴极电解液的结构，从而能够针对来自电力供给装置34的电力供给量的变动迅速地切换阴极电解液的被氢化物浓度。因此，能够进一步提高有机氢化物的制造速度。
另外，本实施方式的控制装置10除了基于流过电解槽2的电流的大小以外，还基于阴极室18中的被氢化物浓度的下降量来决定下限值。由此，能够进一步降低有机氢化物制造系统1的法拉第效率下降的可能性。
另外，本实施方式的控制装置10将对被氢化物浓度为下限值以上且最接近下限值的阴极电解液进行贮存的贮存部44选定为对被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液进行贮存的贮存部44。由此，能够在更长期间内维持准备有被氢化物浓度为下限值以上的阴极电解液的状态。因此，能够更容易地同时实现法拉第效率的下降抑制和有机氢化物的制造速度提高。
(实施方式2)
实施方式2除了阴极电解液供给装置8的构造以外还具有与实施方式1大致共同的结构。下面，以与实施方式1不同的结构为中心对本实施方式进行说明，对共同的结构简单地进行说明或者省略说明。
图6是实施方式2所涉及的有机氢化物制造系统1的示意图。有机氢化物制造系统1具备电解槽2、电源4、阳极电解液供给装置6、阴极电解液供给装置8以及控制装置10作为主要结构。电解槽2具有阳极电极12、阴极电极14、阳极室16、阴极室18以及隔膜20。电源4向电解槽2供给电力。阳极电解液供给装置6向阳极室16供给阳极电解液。阳极电解液供给装置6具有阳极电解液罐36、第一阳极配管38、第二阳极配管40以及阳极泵42。
阴极电解液供给装置8向阴极室18供给阴极电解液。阴极电解液供给装置8能够向阴极室18供给从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液。本实施方式的阴极电解液供给装置8具有第一贮存部44f、第二贮存部44g、第三贮存部44h、第一阴极配管46、第二阴极配管48、第三阴极配管76、阴极泵50以及第十一开闭阀78～第十八开闭阀94。第十一开闭阀78～第十八开闭阀94能够由电磁阀、气动阀等公知的阀构成。
第一贮存部44f贮存被氢化物浓度为第一被氢化物浓度的第一阴极电解液。第二贮存部44g贮存被氢化物浓度为比第一被氢化物浓度低的第二被氢化物浓度的第二阴极电解液。第三贮存部44h能够接受从第一贮存部44f进行的第一阴极电解液的供给和从第二贮存部44g进行的第二阴极电解液的供给。因而，第三贮存部44h能够贮存第一阴极电解液与第二阴极电解液混合而成的混合阴极电解液。作为一例，第一被氢化物浓度为100mol％，第二被氢化物浓度为5mol％。此外，第一被氢化物浓度和第二被氢化物浓度能够基于实验、模拟来适当设定。
在本实施方式中，第一贮存部44f～第三贮存部44h由彼此独立的罐构成。然而不限于此，例如也可以将一个罐内划分为彼此独立的多个空间，各空间构成第一贮存部44f～第三贮存部44h。另外，对作为混合阴极电解液的原料的阴极电解液进行贮存的贮存部不限定于第一贮存部44f和第二贮存部44g这两个，也可以为三个以上。例如，阴极电解液供给装置8具有对被氢化物浓度为第三被氢化物浓度的第三阴极电解液进行贮存的贮存部，也可以通过第一阴极电解液～第三阴极电解液的组合来制备混合阴极电解液。
第一贮存部44f～第三贮存部44h通过第一阴极配管46与阴极室18连接。第一阴极配管46的一端侧分支为多个并与第一贮存部44f～第三贮存部44h连接，第一阴极配管46的另一端侧与第一阴极开口30连接。本实施方式的第一阴极配管46的一端侧分支为第十一分支配管46f～第十三分支配管46h这三个。第十一分支配管46f配置于最靠第一阴极开口30侧。而且，第十一分支配管46f与第一贮存部44f连接，第十二分支配管46g与第二贮存部44g连接，第十三分支配管46h与第三贮存部44h连接。
在第一阴极配管46的中途且比第十一分支配管46f靠第一阴极开口30侧的区域设置阴极泵50。另外，在第一阴极配管46的中途且比阴极泵50靠第一阴极开口30侧的区域设置第十七开闭阀92。在第十一分支配管46f的中途设置第十一开闭阀78。在第十二分支配管46g的中途设置第十二开闭阀80。在第十三分支配管46h的中途设置第十三开闭阀82。
另外，第一贮存部44f～第三贮存部44h还通过第二阴极配管48与阴极室18连接。第二阴极配管48的一端侧与第二阴极开口32连接，第二阴极配管48的另一端侧分支为多个并与第一贮存部44f～第三贮存部44h连接。本实施方式的第二阴极配管48的另一端侧分支为第十四分支配管48f～第十六分支配管48h这三个。而且，第十四分支配管48f与第一贮存部44f连接，第十五分支配管48g与第二贮存部44g连接，第十六分支配管48h与第三贮存部44h连接。在第十四分支配管48f的中途设置第十四开闭阀84。在第十五分支配管48g的中途设置第十五开闭阀86。在第十六分支配管48h的中途设置第十六开闭阀88。
第一贮存部44f中的第一阴极电解液、第二贮存部44g中的第二阴极电解液以及第三贮存部44h中的混合阴极电解液通过阴极泵50的驱动经由第一阴极配管46从第一阴极开口30流入阴极室18。能够根据第十一开闭阀78～第十三开闭阀82的开闭状态来对将哪个贮存部44的阴极电解液向阴极室18供给进行切换。阴极电解液被供给到阴极室18，用于阴极电极14处的电极反应。阴极室18内的阴极电解液经由第二阴极配管48返回到第一贮存部44f～第三贮存部44h。能够根据第十四开闭阀84～第十六开闭阀88的开闭状态来对使阴极电解液返回到哪个贮存部44进行切换。
另外，第三贮存部44h通过第三阴极配管76与阴极泵50连接。在第三阴极配管76的中途设置第十八开闭阀94。当在第十一开闭阀78和第十八开闭阀94处于开状态、且第十二开闭阀80、第十三开闭阀82和第十七开闭阀92处于闭状态时阴极泵50进行驱动时，第一贮存部44f中的第一阴极电解液经由第一阴极配管46、阴极泵50以及第三阴极配管76移动到第三贮存部44h。另外，当在第十二开闭阀80和第十八开闭阀94处于开状态、且第十一开闭阀78、第十三开闭阀82和第十七开闭阀92处于闭状态时阴极泵50进行驱动时，第二贮存部44g中的第二阴极电解液经由第一阴极配管46、阴极泵50以及第三阴极配管76移动到第三贮存部44h。
另外，有机氢化物制造系统1具有浓度传感器72，该浓度传感器72用于探测第一阴极电解液、第二阴极电解液以及混合阴极电解液的被氢化物浓度。浓度传感器72将表示探测结果的信号反复发送到控制装置10。此外，控制装置10也能够基于被填充到第一贮存部44f～第三贮存部44h中的阴极电解液的量、阴极电解液从第一贮存部44f～第三贮存部44h向阴极室18供给的供给量以及在供给该阴极电解液的期间供给到电解槽2的总电力量，来计算第一贮存部44f～第三贮存部44h中贮存的阴极电解液的被氢化物浓度。
在本实施方式中，将第一贮存部44f～第三贮存部44h与阴极室18相连的配管的一部分共用。然而，不限于该结构，将第一贮存部44f～第三贮存部44h与阴极室18连接的配管也可以按各贮存部44的每个贮存部44独立。
控制装置10控制电力从电源4向电解槽2的供给。另外，控制装置10控制阳极电解液供给装置6和阴极电解液供给装置8。具体地说，控制装置10控制阳极泵42和阴极泵50的驱动。另外，控制装置10控制第十一开闭阀78～第十八开闭阀94的开闭。
本实施方式所涉及的阴极电解液供给装置8具有第一贮存部44f～第三贮存部44h，能够向阴极室18供给从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液。而且，控制装置10以如下方式控制阴极电解液供给装置8：向阴极室18供给被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液。通过根据电解槽2的电流密度来选择要向阴极室18供给的阴极电解液的被氢化物浓度，从而能够一边抑制法拉第效率的下降一边提高有机氢化物的制造速度。
本实施方式的控制装置10以如下方式控制阴极电解液供给装置8：将第一阴极电解液和第二阴极电解液供给到第三贮存部44h来生成被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液。控制装置10以使混合阴极电解液为特定被氢化物浓度的方式计算第一阴极电解液和第二阴极电解液的混合比例。而且，控制各开闭阀和阴极泵50以从第一贮存部44f向第三贮存部44h供给所计算出的分量的第一阴极电解液。另外，控制各开闭阀和阴极泵50以从第二贮存部44g向第三贮存部44h供给所计算出的分量的第二阴极电解液。
由此，在第三贮存部44h中制备被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的混合阴极电解液。而且，控制装置10控制阴极电解液供给装置8以从第三贮存部44h向阴极室18供给混合阴极电解液。另外，控制装置10控制各开闭阀，以使从阴极室18排出的混合阴极电解液返回到第三贮存部44h。
本实施方式中的特定被氢化物浓度基于上述的第二例来决定。即，特定被氢化物浓度由控制装置10设定。本实施方式的控制装置10基于流过电解槽2的电流的大小和阴极室18中的被氢化物浓度的下降量来决定特定被氢化物浓度。控制装置10首先基于流过电解槽2的电流的大小、作为一例为电流密度的大小来决定应该向阴极室18供给的阴极电解液的被氢化物浓度的临时的下限值。然后，控制装置10对临时的下限值加上阴极室18中的被氢化物浓度的下降量来决定真正的下限值。控制装置10对真正的下限值加上规定的余量来决定特定被氢化物浓度。规定的余量能够基于实验、模拟来适当设定。此外，也可以不考虑阴极室18中的被氢化物浓度的下降量而仅基于电解槽2的电流密度的大小来设定下限值。另外，余量可以为零。
控制装置10基本上以如下方式控制阴极电解液供给装置8：从第三贮存部44h向阴极室18供给混合阴极电解液。但是，在满足规定的条件的情况下，也可以控制阴极电解液供给装置8以从第一贮存部44f、第二贮存部44g直接向阴极室18供给阴极电解液。
例如，在对真正的下限值加上余量所得到的浓度为第一被氢化物浓度以上的情况下，也可以将第一被氢化物浓度设为特定被氢化物浓度。在该情况下，控制装置10控制阴极电解液供给装置8以从第一贮存部44f向阴极室18供给第一阴极电解液。同样地，在对真正的下限值加上余量所得到的浓度为第二被氢化物浓度以下的情况下，也可以将第二被氢化物浓度设为特定被氢化物浓度。在该情况下，控制装置10控制阴极电解液供给装置8以从第二贮存部44g向阴极室18供给第二阴极电解液。另外，例如在电力供给装置34由太阳能发电装置构成、且到傍晚为止的剩余时间很少时，也可以控制阴极电解液供给装置8以根据第一贮存部44f中的第一阴极电解液的剩余量来从第一贮存部44f向阴极室18供给第一阴极电解液。
在第二贮存部44g中的阴极电解液的被氢化物浓度与通过电解最终应该达到的目标浓度实质上相同的情况下，也可以仅从第一贮存部44f向第三贮存部44h供给阴极电解液。因此，例如在电力供给装置34由太阳能发电装置构成、且到傍晚为止的剩余时间很少时，也可以从第一贮存部44f向阴极室18供给阴极电解液，并使从阴极室18排出的阴极电解液返回到第三贮存部44h。由此，能够一边持续进行电解反应一边将阴极电解液从第一贮存部44f向第三贮存部44h移送。而且，优选的是，在第三贮存部44h中的阴极电解液的量和被氢化物浓度满足规定的要求的时间点，供给罐从第一贮存部44f被切换为第三贮存部44h。根据这样的控制，能够有效地利用从第一贮存部44f向第三贮存部44h移送被氢化物的移送时间。
如上所述，关于将第一贮存部44f中的阴极电解液供给到阴极室18并使阴极室18中的阴极电解液返回到第三贮存部44h的控制，控制装置10能够根据在该时间点预计的电力供给量、以及第一贮存部44f及第三贮存部44h中分别贮存的阴极电解液的被氢化物浓度或量来适当执行该控制。
另外，即使在第二贮存部44g中的阴极电解液的被氢化物浓度比通过电解应该达到的目标浓度高的情况下，例如在电力供给装置34由太阳能发电装置构成、且到傍晚为止的剩余时间很少的情况下，也不需要从第二贮存部44g向第三贮存部44h供给阴极电解液。也就是，如果在仅能够期待剩余很少时间的电力供给的情况下，第三贮存部44h中的阴极电解液的被氢化物浓度为下限值以上，则只要从第三贮存部44h向电解槽2供给阴极电解液来实施电解即可。另外，如果第三贮存部44h中的阴极电解液的被氢化物浓度低于下限值，则只要从第一贮存部44f向电解槽2供给阴极电解液来实施电解即可。
控制装置10在规定的定时反复进行特定被氢化物浓度的设定和混合阴极电解液的制备。例如，控制装置10以规定的时间周期反复进行特定被氢化物浓度的设定和混合阴极电解液的制备。特定被氢化物浓度的设定和混合阴极电解液的制备的执行定时能够基于实验、模拟来适当设定。
如以上所说明的那样，通过本实施方式所涉及的有机氢化物制造系统1，也能够与实施方式1所涉及的有机氢化物制造系统1同样地一边抑制法拉第效率的下降一边实现有机氢化物的制造速度的提高。
另外，本实施方式的阴极电解液供给装置8至少具有对被氢化物浓度为第一被氢化物浓度的第一阴极电解液进行贮存的第一贮存部44f、对被氢化物浓度为比第一被氢化物浓度低的第二被氢化物浓度的第二阴极电解液进行贮存的第二贮存部44g、以及被第一贮存部供给第一阴极电解液且被第二贮存部供给第二阴极电解液的第三贮存部。而且，控制装置10以如下方式来控制阴极电解液供给装置8：至少将第一阴极电解液、另外根据需要将第二阴极电解液供给到第三贮存部44h来生成被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液，从第三贮存部44h向阴极室18供给阴极电解液。
通过这样的结构，能够一边维持第一阴极电解液和第二阴极电解液的被氢化物浓度一边向阴极室18供给被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的阴极电解液。因此，能够避免在实施方式1中说明的、将低于特定被氢化物浓度的阴极电解液供给到阴极室18并不得不使电流密度下降来进行电解的事态。因此，能够进一步提高有机氢化物的制造速度。另外，相较于实施方式1所涉及的有机氢化物制造系统1，能够减少贮存部44的数量，因此能够减少设备费用、缩小设置空间。
另一方面，在本实施方式所涉及的有机氢化物制造系统1中，制备混合阴极电解液需要时间。因此，实施方式1所涉及的有机氢化物制造系统1相较于本实施方式所涉及的有机氢化物制造系统1，能够针对来自电力供给装置34的电力供给量的变动迅速地进行应对。
实施方式2所涉及的有机氢化物制造系统1能够举出以下的变形例1。图7是变形例1所涉及的有机氢化物制造系统1的示意图。本变形例所涉及的阴极电解液供给装置8具有将第一贮存部44f和第三贮存部44h连接的第四阴极配管96以及将第二贮存部44g和第三贮存部44h连接的第五阴极配管98，来取代第三阴极配管76。在第四阴极配管96的中途设置第一混合泵100。在第五阴极配管98的中途设置第二混合泵102。第一混合泵100和第二混合泵102由控制装置10控制。
通过驱动第一混合泵100，从而能够使第一贮存部44f中的第一阴极电解液经由第四阴极配管96移动到第三贮存部44h。另外，通过驱动第二混合泵102，从而能够使第二贮存部44g中的第二阴极电解液经由第五阴极配管98移动到第三贮存部44h。由此，在第三贮存部44h中制备被氢化物浓度为特定被氢化物浓度的混合阴极电解液。
根据本变形例，能够无需使第一阴极电解液和第二阴极电解液迂回到阴极泵50侧而直接供给到第三贮存部44h。因此，能够缩短混合阴极电解液的制备所需的时间。因此，相较于实施方式2所涉及的有机氢化物制造系统1，能够提高针对来自电力供给装置34的电力供给量的变动的追随性。
以上对本发明的实施方式详细地进行了说明。前述的实施方式只不过示出了实施本发明时的具体例。实施方式的内容并不限定本发明的技术范围，能够在不脱离权利要求书所规定的发明的构思的范围内进行构成要素的变更、追加、删除等许多设计变更。追加了设计变更所得到的新的实施方式兼具所组合的实施方式和变形各自的效果。在前述的实施方式中，关于这样的能够进行设计变更的内容，标注“本实施方式的”、“在本实施方式中”等表述来进行强调，但没有这样的表述的内容也容许设计变更。以上的构成要素的任意的组合作为本发明的方式也是有效的。
实施方式可以由以下所记载的项目来确定。
[项目1]
一种有机氢化物制造系统(1)，具备：
电解槽(2)，其具有收容阴极电极(14)的阴极室(18)，所述阴极电极(14)利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物；
阴极电解液供给装置(8)，其能够向阴极室(18)供给从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液；以及
控制装置(10)，其以如下方式控制阴极电解液供给装置(8)：向阴极室(18)供给被氢化物浓度为根据流过电解槽(2)的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的阴极电解液。
[项目2]
一种有机氢化物制造系统(1)的控制装置(10)，所述有机氢化物制造系统(1)具备电解槽(2)和阴极电解液供给装置(8)，
电解槽(2)具有收容阴极电极(14)的阴极室(18)，所述阴极电极(14)利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物，
阴极电解液供给装置(8)能够向阴极室(18)供给从被氢化物浓度不同的多种阴极电解液中选择的任意的阴极电解液，
控制装置(10)以如下方式控制阴极电解液供给装置(8)：向阴极室(18)供给被氢化物浓度为根据流过电解槽(2)的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的阴极电解液。
[项目3]
一种有机氢化物制造系统(1)的控制方法，所述有机氢化物制造系统(1)具备电解槽(2)，所述电解槽(2)具有收容阴极电极(14)的阴极室(18)，所述阴极电极(14)利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物，
所述控制方法包括以下处理：向阴极室(18)供给被氢化物浓度为根据流过电解槽(2)的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的阴极电解液。
产业上的可利用性
本发明能够用于有机氢化物制造系统、有机氢化物制造系统的控制装置以及有机氢化物制造系统的控制方法。
附图标记说明
1：有机氢化物制造系统；2：电解槽；8：阴极电解液供给装置；10：控制装置；14：阴极电极；18：阴极室；44：贮存部；44f：第一贮存部；44g：第二贮存部；44h：第三贮存部。
Claims (8)
1.一种有机氢化物制造系统，具备：
电解槽，其具有收容阴极电极的阴极室，所述阴极电极利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物；
阴极电解液供给装置，其能够向所述阴极室供给从被氢化物浓度不同的多种所述阴极电解液中选择的任意的阴极电解液；以及
控制装置，其以如下方式控制所述阴极电解液供给装置：向所述阴极室供给被氢化物浓度为根据流过所述电解槽的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的阴极电解液。
2.根据权利要求1所述的有机氢化物制造系统，其特征在于，
所述阴极电解液供给装置具有分开贮存多种所述阴极电解液的多个贮存部，
所述控制装置基于所述电流的大小来决定应该向所述阴极室供给的阴极电解液的被氢化物浓度的下限值，从对被氢化物浓度为所述下限值以上的阴极电解液进行贮存的所述贮存部中选定对被氢化物浓度为所述特定被氢化物浓度的阴极电解液进行贮存的贮存部，并控制所述阴极电解液供给装置以从所选定的所述贮存部向所述阴极室供给所述阴极电解液。
3.根据权利要求2所述的有机氢化物制造系统，其特征在于，
所述控制装置除了基于所述电流的大小以外还基于所述阴极室中的被氢化物浓度的下降量来决定所述下限值。
4.根据权利要求2或3所述的有机氢化物制造系统，其特征在于，
所述控制装置将对被氢化物浓度为所述下限值以上且最接近所述下限值的阴极电解液进行贮存的所述贮存部选定为对被氢化物浓度为所述特定被氢化物浓度的所述阴极电解液进行贮存的贮存部。
5.根据权利要求1所述的有机氢化物制造系统，其特征在于，
所述阴极电解液供给装置至少具有：
第一贮存部，其贮存被氢化物浓度为第一被氢化物浓度的第一阴极电解液；
第二贮存部，其贮存被氢化物浓度为比所述第一被氢化物浓度低的第二被氢化物浓度的第二阴极电解液；以及
第三贮存部，其能够接受从所述第一贮存部进行的所述第一阴极电解液的供给和从所述第二贮存部进行的所述第二阴极电解液的供给，
所述控制装置以如下方式控制所述阴极电解液供给装置：将所述第一阴极电解液和所述第二阴极电解液供给到所述第三贮存部来生成被氢化物浓度为所述特定被氢化物浓度的所述阴极电解液，从所述第三贮存部向所述阴极室供给所述阴极电解液。
6.根据权利要求5所述的有机氢化物制造系统，其特征在于，
所述控制装置除了基于所述电流的大小以外还基于所述阴极室中的被氢化物浓度的下降量来决定所述特定被氢化物浓度。
7.一种有机氢化物制造系统的控制装置，所述有机氢化物制造系统具备电解槽和阴极电解液供给装置，
所述电解槽具有收容阴极电极的阴极室，所述阴极电极利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物，
所述阴极电解液供给装置能够向所述阴极室供给从被氢化物浓度不同的多种所述阴极电解液中选择的任意的阴极电解液，
所述控制装置以如下方式控制所述阴极电解液供给装置：向所述阴极室供给被氢化物浓度为根据流过所述电解槽的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的所述阴极电解液。
8.一种有机氢化物制造系统的控制方法，所述有机氢化物制造系统具备电解槽，所述电解槽具有收容阴极电极的阴极室，所述阴极电极利用质子将阴极电解液中的被氢化物氢化来生成有机氢化物，
所述控制方法包括以下处理：向所述阴极室供给被氢化物浓度为根据流过所述电解槽的电流的大小来决定的特定被氢化物浓度的所述阴极电解液。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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