CN116815208A - 电解装置及电解装置的驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明简化电解装置的构成，涉及一种电解装置及电解装置的驱动方法。电解装置具备：电解槽，其包含阴极、阳极、面向阴极的阴极流路、和面向阳极的阳极流路；罐，其具有第1收容部、第2收容部、和连接第1收容部和第2收容部的开口，第1收容部及第2收容部可收容含有至少一种离子的液体，通过以收容在第1收容部中的液体的第1液面相对于第2收容部的下部的高度高于收容在第2收容部中的液体的第2液面相对于第2收容部的下部的高度的方式，在第1液面与第2液面之间形成高低差，由此经由开口使含在液体中的离子从第1收容部向第2收容部移动；第1流路，其将阴极流路的出口和第1收容部连接；和第2流路，其将第2收容部和阳极流路的出口连接。
Description
本申请以日本专利申请2022-045880(申请日：3/22/2022)为基础，并从上述申请享受优先权。本申请通过参照上述申请而包含该申请的全部内容。
技术领域
实施方式的发明涉及电解装置及电解装置的驱动方法。
背景技术
近年来，从能源问题和环境问题双方的观点出发，不仅期望着将太阳能发电等可再生能源转换为电能来加以利用，而且还期望着将其储存且转换为可搬运的状态。对于这样的期望，在开展如通过植物的光合成那样利用太阳光生成化学物质的人工光合成技术的研究开发。期待着通过该技术能够作为可储存的燃料来储存可再生能源，此外，还期待着通过生成成为工业原料的化学物质来产生价值。
作为采用太阳能发电等可再生能源来生成化学物质的装置，例如已知有具备对从发电厂、垃圾处理厂产生的二氧化碳(CO2)进行还原的阴极、和对水(H2O)进行氧化的阳极的电化学反应装置。在阴极中，例如通过对二氧化碳进行还原而生成一氧化碳(CO)等碳化合物。认为在通过槽方式(也称为电解槽)实现这样的电化学反应装置时，例如通过类似于聚合物电动燃料电池(Polymer Electric Fuel Cell，PEFC)等燃料电池的方式来实现是有效的。通过将二氧化碳直接供给至阴极的催化剂层，可迅速地进行二氧化碳还原反应。
但是，在这样的槽方式中，出现类似于PEFC所具有的问题。也就是说，为了实现难出故障的具有耐久性的电解槽，需要将电解槽的电阻维持在较低水平。
发明内容
本发明要解决的课题是使电解装置的构成简化。
实施方式的电解装置具备：电解槽，其包含阴极、阳极、面向阴极的阴极流路、和面向阳极的阳极流路；罐，其具有第1收容部、第2收容部、和连接第1收容部和第2收容部的开口，第1收容部及第2收容部可收容含有至少一种离子的液体，通过以收容在第1收容部中的液体的第1液面的相对于第2收容部的下部的高度高于收容在第2收容部中的液体的第2液面的相对于第2收容部的下部的高度的方式，在第1液面与第2液面之间形成高低差，由此经由开口使含在液体中的离子从第1收容部向第2收容部移动；第1流路，其将阴极流路的出口和第1收容部连接；和第2流路，其将第2收容部和阳极流路的出口连接。
附图说明
图1是表示电解装置1的构成例的示意图。
图2是表示罐200的结构例的示意图。
图3是表示罐200的另一结构例的示意图。
图4是表示罐200的又一结构例的示意图。
(符号说明)
1：电解装置，100：电解槽，111：阳极，112：阳极流路，113：阳极集电体，114：流路板，121：阴极，122：阴极流路，123：阴极集电体，124：流路板，131：隔膜，150：电源，200：罐，201：收容部，201a：上部，201b：下部，202：收容部，202a：上部，202b：下部，202c：侧部，203：隔壁，203a：开口，204：供给流路，205：排出流路，206：供给流路，207：排出流路，208：排出流路，211：液面，212：液面，231：配管，232：隔壁，301：阴极供给部，401：阳极供给部。
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。需要说明的是，附图是示意图，例如各构成要素的厚度、宽度等的尺寸有时与实际的构成要素的尺寸不同。此外，在实施方式中，实质上对同一构成要素标记同一符号，有时省略其说明。
再者，本说明书中，所谓“连接”，除特别指定时以外，不仅包括直接的连接，而且还包括间接的连接。
图1是表示电解装置的构成例的示意图。图1所示的电解装置为二氧化碳电解装置。
图1所示的电解装置1具备电解槽100、电源150、罐200、阴极供给部301和阳极供给部401。
电解槽100具备阳极111、阳极流路112、阳极集电体113、阴极121、阴极流路122、阴极集电体123和隔膜131。电解槽100的这些部件由未图示的一对支持板夹入，进而用螺栓等紧固。
阳极111设在隔膜131与阳极流路112之间，并与它们接触。阳极111是用于通过对阳极溶液中的水(H2O)进行氧化而生成氧(O2)及氢离子(H+)的电极、或通过对由阴极121中的二氧化碳的还原反应而产生的氢氧根离子(OH-)进行氧化而生成氧及水的电极。
优选阳极111含有可使上述氧化反应的过电压减小的催化剂材料(阳极催化剂材料)。作为这样的催化剂材料，例如包括铂(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)等金属、含有这些金属的合金及金属间化合物、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络合物及Fe络合物等金属络合物。
阳极111具备基材，该基材具有可在隔膜131与阳极流路112之间使液体及离子移动的结构，例如网状材料、冲孔材料、多孔体、金属纤维烧结体等的多孔结构。基材可以由钛(Ti)、镍(Ni)、铁(Fe)等金属及含有这些金属中的至少1种的合金(例如SUS)等金属材料构成，也可以由上述的阳极催化剂材料构成。在作为阳极催化剂材料使用氧化物的情况下，优选在由上述金属材料形成的基材的表面上，通过附着或层叠阳极催化剂材料而形成催化剂层。阳极催化剂材料在提高氧化反应这点上优选具有纳米粒子、纳米结构体、纳米丝等。所谓纳米结构体，是在催化剂材料的表面上形成了纳米尺度的凹凸的结构体。此外，也不一定必须在阳极111上设置氧化催化剂。也可以将设在阳极111以外的氧化催化剂层与阳极111电连接。
阴极121与隔膜131接触。阴极121从隔膜131供给阳极溶液及离子，从阴极流路122供给二氧化碳气体。阴极121是用于产生二氧化碳的还原反应及还原产物的还原反应，生成碳化合物的电极(还原电极)。碳化合物的例子包括一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)等。阴极121中的还原反应也可以包含在二氧化碳的还原反应同时、通过产生水的还原反应而生成氢(H2)的副反应。
阴极121具有气体扩散层和设在气体扩散层上的阴极催化剂层。也可以在气体扩散层与阴极催化剂层之间设置比气体扩散层更致密的多孔质层。气体扩散层配置在阴极流路122侧，阴极催化剂层配置在隔膜131侧。也可以将阴极催化剂层放入气体扩散层中。阴极催化剂层优选具有催化剂纳米粒子或催化剂纳米结构体等。气体扩散层可由例如碳纸或碳布等构成，也可以实施疏水处理。多孔质层可由孔径比碳纸或碳布小的多孔质体构成。
通过对气体扩散层实施适度的疏水处理，二氧化碳气体主要通过气体扩散而到达阴极催化剂层。二氧化碳的还原反应及由其生成的碳化合物的还原反应在气体扩散层和阴极催化剂层的边界附近或放入气体扩散层中的阴极催化剂层附近发生。
优选阴极催化剂层由可使上述还原反应的过电压减小的催化剂材料(阴极催化剂材料)构成。这样的材料的例子例如包括金(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络合物及Re络合物等金属络合物。在阴极催化剂层中，能够采用板状、网状、丝状、粒子状、多孔质状、薄膜状、岛状等各种形状。
构成阴极催化剂层的阴极催化剂材料优选具有上述的金属材料的纳米粒子、金属材料的纳米结构体、金属材料的纳米丝或将上述的金属材料的纳米粒子担载在碳粒子、碳纳米管、石墨烯等碳材料上而成的复合体。通过作为阴极催化剂材料采用催化剂纳米粒子、催化剂纳米结构体、催化剂纳米丝、催化剂纳米担载结构体等，能够提高阴极121中的二氧化碳的还原反应的反应效率。
阳极111及阴极121可与电源150连接。电源150的例子并不限定于通常的系统电源或电池，也可以包括太阳能电池及供给由风力发电等可再生能源所发的电力的电力源。如果采用可再生能源，再加上在二氧化碳的有效利用这点，在环境上是优选的。电源150也可以进一步具有通过调整上述电源的功率来控制阳极111与阴极121之间的电压的功率控制器。再者，电源150也可以设在电解装置1的外部。
阳极流路112面向阳极111。阳极流路112具有向阳极111供给阳极溶液的功能。
阳极溶液优选至少含有水(H2O)。由于从阴极流路122供给二氧化碳(CO2)，所以液体也可以含有二氧化碳(CO2)，也可以不含有。
作为阳极溶液，可采用含有金属离子的水溶液(电解液)。作为水溶液，例如可列举含有磷酸根离子(PO4 2-)、硼酸根离子(BO3 3-)、钠离子(Na+)、钾离子(K+)、钙离子(Ca2+)、锂离子(Li+)、铯离子(Cs+)、镁离子(Mg2+)、氯化物离子(Cl-)、碳酸氢根离子(HCO3 -)等的水溶液。除此以外，也可以采用含有LiHCO3、NaHCO3、KHCO3、CsHCO3、磷酸、硼酸等的水溶液。
阳极流路112设在流路板114的表面。流路板114用于向阳极111供给电解液即阳极溶液，表面具有形成阳极流路112的槽(凹部)。作为流路板114的材料，优选采用化学反应性低、且导电性高的材料。这样的材料的例子例如包括Ti及SUS等金属材料、碳等。再者，阳极流路112也可以设在阳极集电体113上。此外，流路板114的材料例如包括化学反应性低、且不具有导电性的材料。那样的材料的例子例如包括丙烯酸树脂、聚醚醚酮(PEEK)、氟树脂等绝缘树脂材料。再者，流路板114具有未图示的阳极流路112的流入口及流出口以及用于紧固的螺孔。
流路板114主要由一个部件形成，但也可以由不同的部件形成，也可以通过层叠这些部件来构成。另外，通过对一部分或全面实施表面处理，可以赋予亲水性或疏水性的功能。
阳极流路112具有入口和出口，经由入口从阳极供给部401供给阳极溶液，经由出口排出阳极溶液。阳极溶液以与阳极111接触的方式在阳极流路112内流通。
阳极集电体113与阳极111电连接。阳极集电体113与流路板114的阳极流路112的相反侧的表面接触。阳极集电体113优选含有化学反应性低、且导电性高的材料。作为那样的材料，可列举Ti及SUS等金属材料、碳等。
阴极流路122面向阴极121。阴极流路122具有向阴极121供给含有二氧化碳的流体(阴极气体)的功能。含有二氧化碳的流体通过被加湿也可以含有蒸气。通过还原反应而生成的化合物主要从阴极流路122排出。通过还原反应而生成的化合物根据还原催化剂的种类等而不同。与这样的气体产物一同，蒸气、或含在被加湿的二氧化碳气体中的蒸气结露而得到的水分从阴极流路122被排出。
阴极流路122设在流路板124的表面。流路板124在表面具有形成阴极流路122的槽(凹部)。流路板124的材料优选采用化学反应性低、且导电性高的材料。那样的材料的例子例如包括Ti及SUS等金属材料、碳等。此外，流路板124的材料例如包括化学反应性低、且不具有导电性的材料。那样的材料的例子例如包括丙烯酸树脂、聚醚醚酮(PEEK)、氟树脂等绝缘树脂材料。再者，流路板124具有未图示的用于紧固的螺孔。此外，在各流路板的前后，根据需要夹入将图示省略的填料。再者，阴极流路122也可以设在阴极集电体123上。
阴极流路122具有入口和出口，经由入口从阴极供给部301供给二氧化碳等阴极气体，经由出口排出含有阴极气体的流体。阴极气体以与阴极121接触的方式在阴极流路122内流通。
阴极流路122为了与阴极121电接触也可以具有与阴极121接触的凸缘。阴极流路122的形状只要连续连接即可，没有特别的限定，例如可列举将细长的流路折弯而成的螺旋结构等。由此，由于阴极气体在阴极121的表面均匀地流动，能够在阴极121中进行均匀的反应，所以是优选的。
阴极气体也可以以干燥状态供给。在阴极气体为二氧化碳气体时，从阴极供给部301供给至阴极流路122中的阴极气体的二氧化碳浓度也可以不是100％。也可将由多种设施排出的含有二氧化碳的气体作为阴极气体使用。
流路板124主要由一个部件形成，但也可以由不同的部件形成，也可以通过层叠这些部件来构成。另外，通过对一部分或全面实施表面处理，可以赋予亲水性或疏水性的功能。
阴极集电体123与电解槽100的阴极121电连接。优选阴极集电体123含有化学反应性低、且导电性高的材料。作为那样的材料，可列举Ti及SUS等金属材料、碳等。
隔膜131以将阳极111和阴极121分离的方式配置。隔膜131包含能够使离子在阳极111与阴极121之间移动，且可将阳极111和阴极121分离的离子交换膜。作为离子交换膜的例子，例如可使用Nafion及Flemion那样的阳离子交换膜、Neosepta及Selemion、サステニオン那样的阴离子交换膜。作为电解液使用碱性溶液，主要在假设OH-的移动时，优选隔膜131由阴离子交换膜构成。此外，也可以采用以烃为基本骨架的膜、及具有胺基的膜来构成离子交换膜。但是，除离子交换膜以外，只要是可使离子在阳极111与阴极121之间移动的材料，也可以在隔膜131中应用盐桥、玻璃过滤器、多孔质高分子膜、多孔质绝缘材料等。但是，如果在阳极111与阴极121之间产生气体流通，则有时产生还原产物的再氧化引起的循环反应。因此，优选阳极111与阴极121之间的气体的交换少。因此，在使用多孔体的薄膜作为隔膜131的情况下需要注意。
接着，对电解槽100的驱动方法例进行说明。这里，主要对作为碳化合物生成一氧化碳的情况进行说明，但作为二氧化碳的还原产物的碳化合物并不限定于一氧化碳。
首先，主要对通过对水(H2O)进行氧化而生成氢离子(H+)时的反应过程进行叙述。如果从电源150向阳极111与阴极121之间供给电流，则在与阳极溶液接触的阳极111上产生水(H2O)的氧化反应。具体地讲，如下述的(1)式所示的那样，含在阳极溶液中的H2O被氧化，生成氧(O2)和氢离子(H+)。
2H2O→4H++O2+4e- (1)
阳极111中生成的H+在存在于阳极流路112内的电解液、隔膜131中移动，到达阴极121附近。通过基于从电源150供给至阴极121中的电流的电子(e-)和移动至阴极121附近的H+，而产生二氧化碳的还原反应。具体地讲，如下述的(2)式所示的那样，从阴极流路122供给至阴极121中的二氧化碳被还原而生成一氧化碳。此外，如下述式(3)那样通过氢离子接受电子而生成氢。此时，氢也可以与一氧化碳同时生成。
CO2+2H++2e-→CO+H2O (2)
2H++2e-→H2 (3)
接着，对主要通过对二氧化碳(CO2)进行还原而生成氢氧根离子(OH-)时的反应过程进行叙述。如果从电源150向阳极111与阴极121之间供给电流，则在阴极121附近，如下述的(4)式所示的那样，水(H2O)和二氧化碳(CO2)被还原，生成一氧化碳(CO)和氢氧根离子(OH-)。此外，如下述式(5)那样通过水接受电子而生成氢。此时，氢也可以与一氧化碳同时生成。通过这些反应而生成的氢氧根离子(OH-)扩散至阳极111附近，如下述的(6)式所示的那样，氢氧根离子(OH-)被氧化生成氧(O2)。
2CO2+2H2O+4e-→2CO+4OH (4)
2H2O+2e-→H2+2OH- (5)
4OH-→2H2O+O2+4e- (6)
电解槽100不只是专门在于二氧化碳的还原，而且例如还能够按1∶2生成一氧化碳和氢，通过其后的化学反应按制造甲醇等的任意比例制造还原产物和氢。
氢由于是容易从水的电解及化石燃料中廉价地得到的原料，所以氢的比率不需要大。如果从这些观点出发，一氧化碳的相对于氢的比率至少为1以上，优选为1.5以上，则从经济性及环境性的观点出发是优选的。
实施方式的电解装置并不局限于二氧化碳电解装置，例如也可以是氮电解装置。在氮电解装置时，通过阴极121对氮(N2)气进行还原可生成氨。对于氮电解装置的其它构成，可适宜援用二氧化碳电解装置的构成。
电解槽100中，已知有因在阳极流路112侧循环的电解液中的钾(K+)离子移动至阴极流路122侧，该K+离子从阴极流路122的出口与蒸气及阴极121中产生的水分等一同流出至槽外，而使电解液浓度下降的现象。如果在阳极111侧循环的电解液浓度下降，则电解槽100的电阻上升，存在与电解槽100的长时间连续运转时的性能劣化相关等问题。对此，可考虑将在阴极流路122的出口侧积存在被称为存水弯(trap)的阴极排出液回收瓶中的液体采用泵返回到与阳极流路112连接的储存电解液的电解液罐中。由此，可使含在阴极排出液中的K+离子返回到浓度下降了的电解液中，因此能够抑制电解液浓度的下降。
但是，在采用存水弯时，需要存水弯及用于从存水弯使液体向电解液罐中移动的泵等，电解槽100周边的系统变得复杂，还需要用于驱动泵的电力。另外，由于从阴极流路122排出的液体的排出速度与阳极流路112侧的电解液循环速度相比比较慢，所以用泵将积存在存水弯中的液体移动至电解液罐中的时机为间歇性的。而且，已知阴极排出液的K+离子浓度高于电解液的K+离子浓度。因而，使含有高浓度的K+离子的液体间歇地向电解液罐中滴下，所以在此种情况下，在K+离子在电解液罐中扩散、K+离子浓度达到均匀之前需要时间。优选更高效率地运转可避免这样的电解液浓度下降的机构。
与此相对，实施方式的电解装置1具备罐200，也可以不具备存水弯及用于使液体从存水弯向电解液罐中移动的泵。图2是表示罐200的结构例的示意图。罐200具备收容部201、收容部202、供给流路204、排出流路205、供给流路206、排出流路207和排出流路208。
收容部201及收容部202可收容含有阳极溶液的液体。形成收容部201及收容部202的容器也可以为玻璃制、树脂制、金属制等。该容器为气体和液体的密闭性高的容器。在容器为金属制时，为了避免通过阳极溶液的导电造成的漏电流，优选对内部实施绝缘性涂层。绝缘性涂层可以是树脂、玻璃或橡胶，优选为高耐久性。容器中，也可以在容器的1处或多处设置用于测定收容的液体的液面高度的水位传感器。此外，容器中，也可以在容器的1处或多处设置用于测定液体的离子浓度或导电率的传感器。此外，容器中，也可以在1处或多处配置用于测定容器内的压力及温度的传感器。电解装置1的运转也可以一边参照由这些传感器检测到的值一边通过控制器等来控制。
容器的容积优选为能够充分保有可使电解装置1运转的阳极溶液和结露的水分的尺寸，例如可以是1L～100L的容积，但并不限定于该范围。容器的形状没有特别的限定，例如可以为球状、圆筒形及长方体。
可以在收容部201与收容部202之间进一步设置至少一个收容部。优选它们的下部的高度阶段性地降低。更优选那些收容部全部保持时常存在阳极溶液的状态。
此外，也可以分别在多个收容部的上部连接用于回收气体的配管。由此，容器内的液体总量无论因何种理由而减少或增加，来自阴极流路122的气体和来自阳极流路112的气体都难混合，能够一边保持安全的状态，一边回收气体产物。
隔壁203设在收容部201与收容部202之间，将收容部201和收容部202隔开。隔壁203具有连接收容部201和收容部202的至少一个开口203a。在开口203a的中途没有形成泵。隔壁203的材质也可以是可通过液体但难通过气体的半透膜、高分子膜、液体接界及多孔质材料，例如也可以是浸渗了液体的玻璃过滤器。此外，也可以使用离子交换膜，例如能够使用Nafion及Flemion那样的阳离子交换膜。液体接界例如也可以是在半熔融玻璃层、纤维素层、纸浆、脱脂棉、鱼皮等动物性半透膜、离子交换膜、琼脂、明胶等中具有凝晶结构的溶液等。开口203a可以为多个。
开口203a可通过液体但不通过气体。由此，能够在空间上将与从阴极流路122的出口排出的流体一同出来的气体成分(例如CO、CO2及氢(H2)气体)和与从阳极流路112的出口排出的电解液一同出来的气体成分(例如氧(O2)及CO2气体)分离。由此，可将二氧化碳电解槽的产物即有价物产物(例如CO及H2气体)与液体分离而进行回收，另外由于上述H2气体和O2气体不会混合，所以在安全上也是有效的。
收容部201及收容部202也可以是以隔壁203为边界左右非对称的形状。设在容器内部的壁形成的两个空间也可以为相同的形状或容积，但也可以为不同的形状或容积。优选收容部201的容积小于收容部202的容积，另外，收容部201的上部201a相比收容部202的上部202a，也可以提高相对于收容部202的下部202b的高度。此外，收容部201的下部201b为了促进液体从收容部201向收容部202的移动，也可以以朝收容部202降低的方式倾斜。
供给流路204连接收容部201和阴极流路122的出口。电解装置1可经由供给流路204将从阴极流路122供给的含有阴极气体的流体供给至收容部201中。优选将供给流路204设在相比收容部201的下部201b更靠近上部201a的位置。由此，来自阴极流路122的液体积存在容器的下部，来自阴极流路122的气体产物积存在容器上部。图2作为一个例子示出设在上部201a的供给流路204。
排出流路205连接在收容部201上。电解装置1可经由排出流路205将收容部201内的气体状的还原产物从收容部201中排出。优选将排出流路205设在相比收容部201的下部201b更靠近上部201a的位置。图2作为一个例子示出设在上部201a的排出流路205。
供给流路206连接收容部202和阳极流路112的出口。电解装置1可经由供给流路206将含有从阳极流路112供给的阳极溶液的流体供给至收容部202中。供给流路206可以设在与收容部202的下部202b相比更靠近上部202a的位置。图2作为一个例子示出设在上部202a的供给流路206。
排出流路207连接在收容部202上。电解装置1可经由排出流路207，将供给至收容部202内的气体状的氧化产物从收容部202中排出。排出流路207也可以设在相比收容部202的下部202b更靠近上部202a的位置、或相比收容部202的上部202a更靠近下部202b的位置。图2作为一个例子示出设在上部202a的排出流路207。
排出流路208连接收容部202和阳极供给部401。电解装置1可经由排出流路208，将收容部202内的含有阳极溶液的液体从收容部202排出至阳极供给部401中。优选将排出流路208设在相比收容部202的上部202a更靠近下部202b的位置。图2作为一个例子示出设在收容部202的侧部202c的排出流路208。
供给流路204、排出流路205、供给流路206、排出流路207及排出流路208分别为配管。配管例如可采用适合容器的材料来形成。
阴极供给部301与阴极流路122的入口连接。阴极供给部301可向阴极流路122供给阴极气体。在二氧化碳电解装置时，阴极供给部301可向阴极流路122供给含有二氧化碳气体的阴极气体。在氮电解装置时，阴极供给部301可向阴极流路122供给含有氮的阴极气体。阴极供给部301例如包括收容阴极气体的罐和用于调节从该罐供给至阴极流路122中的阴极气体的流量的质量流量控制器等。也可以根据设在形成收容部201及收容部202的容器上的水位传感器、压力传感器、温度传感器及测定液体的离子浓度或导电率的传感器等发出的检测信号，通过控制器等来控制基于阴极供给部301的阴极气体的供给。
阳极供给部401连接排出流路208和阳极流路112的入口。阳极供给部401可将从排出流路208排出的含有阳极溶液的流体供给至阳极流路112中。由此，能够使阳极溶液循环。阳极供给部401例如包含泵。能够通过泵来调节供给至阳极111中的含有阳极溶液的液体的流量。也可以根据设在形成收容部201及收容部202的容器中的水位传感器、压力传感器、温度传感器及测定液体的离子浓度或导电率的传感器等发出的检测信号，通过控制器等来控制基于阳极供给部401的液体的供给。
接着，对罐200的驱动方法例进行说明。如果从供给流路204与阴极气体一同供给移动至阴极流路122侧的电解液，则含有在阴极121侧产生的液体及气体的流体被供给至阴极121侧的原料气体的压力压制，而积存在收容部201的下方。在收容部201，因重力等的效果而产生气液分离。被分离的、含有金属离子的在阴极121侧产生的液体积存在收容部201的下方。另一方面，在收容部202中存在水位大致固定的液体。如果从供给流路206向收容部202供给含有阳极溶液的流体，从供给流路204与阴极气体一同向收容部201供给移动至阴极流路122侧的电解液，则以收容在收容部201中的液体的液面211相对于收容部202的下部202b的高度高于收容在收容部202中的液体的液面212相对于收容部202的下部202b的高度的方式，以在液面211与液面212之间形成高低差的方式驱动电解装置1。由此，使含在电解液中的K+离子等离子经由开口203a从收容部201移动至收容部202。
由此，例如从阴极流路122的出口排出的高K+离子浓度的液体和在阳极流路112侧循环的电解液通过开口203a并混合。由此，由于在电解液中K+离子继续扩散下去，所以不会发生大的浓度梯度，能够大幅度缩短到K+离子浓度达到均匀为止的时间，收容部202的电解液能够维持高浓度的状态。此外，由于能够简化装置构成，所以能够减小装置的设置面积，另外，在罐200的构成中，由于不需要存水弯、使液体从存水弯向电解液罐移动的泵，所以能够削减使此泵工作的份额的电力。
罐200的结构并不限定于图2所示的结构例。图3及图4是表示罐200的其它结构例的示意图。
图3所示的罐200与图2所示的罐200相比，在采用配管23形成开口203a这点上不同。配管231连接收容部201和收容部202。配管231例如也可以采用适合容器的材料形成。
可以在配管231的中途设置由外部信号控制的阀。阀可根据设在容器中的水位传感器、压力传感器、温度传感器及测定液体的离子浓度或导电率的传感器等发出的检测信号，通过控制器等来控制阀的开闭。
另外，图3所示的罐200与图2所示的罐200相比，在使下部201b相比下部202b的相对于下部202b的高度提高，从而形成液面211和液面212的高低差这点上不同。
图4所示的罐200与图2所示的罐200相比，在开口203a形成在不通过液体及气体的隔壁232上这点上不同。隔壁232的材料例如可以是玻璃、树脂或金属。在隔壁232的材料为金属时，优选隔壁232和容器的外部被电绝缘。隔壁232的厚度只要是能充分耐受容器内部空间的压力差的强度就不特别限定，例如也可以为1mm～50cm，但并不限定于此范围。
图4所示的开口203a设在与收容部201的上部201a及收容部202的上部202a各自相比，更靠近收容部201的下部201b及收容部202的下部202b的位置上。开口203a也可以具有三角形、圆形等多边形的形状，也可以是它们的组合。开口203a的形状优选为不妨碍液体移动的形状，但开口203a的周围也可以是平面，也可以设置突起物。
开口203a的尺寸优选为不妨碍液体移动的尺寸，例如可以为1mm～10cm，但并不限定于此范围。
开口203a的每单位面积的数量优选为不妨碍液体移动的值，且更优选为能够维持隔壁203的强度的程度的值。
上述实施方式是作为例子而提示的，其意图并非限定发明的范围。上述实施方式能够以其它各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式和其变形包含于发明的范围、主旨中，同时包含于权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。
可将上述的实施方式归纳为以下的技术方案。
(技术方案1)
一种电解装置，其具备：
电解槽，所述电解槽具有阴极、阳极、面向所述阴极的阴极流路、和面向所述阳极的阳极流路；
罐，所述罐具有第1收容部、第2收容部、和连接所述第1收容部和所述第2收容部的开口，所述第1收容部及所述第2收容部可收容含有至少一种离子的液体，通过以收容在所述第1收容部中的所述液体的第1液面相对于所述第2收容部的下部的高度高于收容在所述第2收容部中的所述液体的第2液面相对于所述第2收容部的下部的高度的方式，在所述第1液面与所述第2液面之间形成高低差，由此经由所述开口使含在所述液体中的离子从所述第1收容部向所述第2收容部移动；
第1流路，其将所述阴极流路的出口和所述第1收容部连接；和
第2流路，其将所述第2收容部和所述阳极流路的出口连接。
(技术方案2)
根据技术方案1所述的电解装置，其中，所述罐设在所述第1收容部与所述第2收容部之间且具有带所述开口的隔壁。
(技术方案3)
根据技术方案1或2所述的电解装置，其中，所述罐具有带所述开口的配管。
(技术方案4)
根据技术方案1～3中任一项所述的电解装置，其中，所述罐在所述开口的中途不具有泵。
(技术方案5)
根据技术方案1～4中任一项所述的电解装置，其中，所述第1收容部的下部设在比所述第2收容部的下部更高的位置。
(技术方案6)
根据技术方案1～5中任一项所述的电解装置，其中，所述阴极能够通过对二氧化碳进行还原而生成碳化合物。
(技术方案7)
根据技术方案1～5中任一项所述的电解装置，其中，所述阴极能够通过对氮进行还原而生成氨。
(技术方案8)
根据技术方案1～7中任一项所述的电解装置，其中，所述至少一种离子包含钾离子。
(技术方案9)
一种电解装置的驱动方法，其中，
所述电解装置具备：
电解槽，所述电解槽具有阴极、阳极、面向所述阴极的阴极流路、和面向所述阳极的阳极流路，
罐，所述罐具有第1收容部、第2收容部、和连接所述第1收容部和所述第2收容部的开口，所述第1收容部及所述第2收容部可收容含有至少一种离子的液体，
第1流路，其将所述阴极流路的出口和所述第1收容部连接，和
第2流路，其将所述第2收容部和所述阳极流路的入口连接；
所述方法通过以收容在所述第1收容部中的所述液体的第1液面相对于所述第2收容部的下部的高度高于收容在所述第2收容部中的所述液体的第2液面相对于所述第2收容部的下部的高度的方式，在所述第1液面与所述第2液面之间形成高低差，由此经由所述开口使含在所述液体中的离子从所述第1收容部向所述第2收容部移动。
(技术方案10)
根据技术方案9所述的驱动方法，其中，所述罐设在所述第1收容部与所述第2收容部之间且具有带所述开口的隔壁。
(技术方案11)
根据技术方案9或10所述的驱动方法，其中，所述罐具有带所述开口的配管。
(技术方案12)
根据技术方案9～11中任一项所述的驱动方法，其中，所述罐在所述开口的中途没有泵。
(技术方案13)
根据技术方案9～12中任一项所述的驱动方法，其中，所述第1收容部的下部设在比所述第2收容部的下部更高的位置。
(技术方案14)
根据技术方案9～13中任一项所述的驱动方法，其中，所述阴极通过对二氧化碳进行还原而生成碳化合物。
(技术方案15)
根据技术方案9～13中任一项所述的驱动方法，其中，所述阴极通过对氮进行还原而生成氨。
(技术方案16)
根据技术方案9～15中任一项所述的驱动方法，其中，所述至少一种离子包含钾离子。
Claims (16)
1.一种电解装置，其具备：
电解槽，所述电解槽具有阴极、阳极、面向所述阴极的阴极流路、和面向所述阳极的阳极流路；
罐，所述罐具有第1收容部、第2收容部、和连接所述第1收容部和所述第2收容部的开口，所述第1收容部及所述第2收容部可收容含有至少一种离子的液体，通过以收容在所述第1收容部中的所述液体的第1液面相对于所述第2收容部的下部的高度高于收容在所述第2收容部中的所述液体的第2液面相对于所述第2收容部的下部的高度的方式，在所述第1液面与所述第2液面之间形成高低差，由此经由所述开口使含在所述液体中的离子从所述第1收容部向所述第2收容部移动；
第1流路，其将所述阴极流路的出口和所述第1收容部连接；和
第2流路，其将所述第2收容部和所述阳极流路的出口连接。
2.根据权利要求1所述的电解装置，其中，所述罐设在所述第1收容部与所述第2收容部之间且具有带所述开口的隔壁。
3.根据权利要求1或2所述的电解装置，其中，所述罐具有带所述开口的配管。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电解装置，其中，所述罐在所述开口的中途不具有泵。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电解装置，其中，所述第1收容部的下部设在比所述第2收容部的下部更高的位置。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电解装置，其中，所述阴极能够通过对二氧化碳进行还原而生成碳化合物。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的电解装置，其中，所述阴极能够通过对氮进行还原而生成氨。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的电解装置，其中，所述至少一种离子包含钾离子。
9.一种电解装置的驱动方法，其中，
所述电解装置具备：
电解槽，所述电解槽具有阴极、阳极、面向所述阴极的阴极流路、和面向所述阳极的阳极流路，
罐，所述罐具有第1收容部、第2收容部、和连接所述第1收容部和所述第2收容部的开口，所述第1收容部及所述第2收容部可收容含有至少一种离子的液体，
第1流路，其将所述阴极流路的出口和所述第1收容部连接，和
第2流路，其将所述第2收容部和所述阳极流路的入口连接；
所述方法通过以收容在所述第1收容部中的所述液体的第1液面相对于所述第2收容部的下部的高度高于收容在所述第2收容部中的所述液体的第2液面相对于所述第2收容部的下部的高度的方式，在所述第1液面与所述第2液面之间形成高低差，由此经由所述开口使含在所述液体中的离子从所述第1收容部向所述第2收容部移动。
10.根据权利要求9所述的驱动方法，其中，所述罐设在所述第1收容部与所述第2收容部之间且具有带所述开口的隔壁。
11.根据权利要求9或10所述的驱动方法，其中，所述罐具有带所述开口的配管。
12.根据权利要求9～11中任一项所述的驱动方法，其中，所述罐在所述开口的中途没有泵。
13.根据权利要求9～12中任一项所述的驱动方法，其中，所述第1收容部的下部设在比所述第2收容部的下部更高的位置。
14.根据权利要求9～13中任一项所述的驱动方法，其中，所述阴极通过对二氧化碳进行还原而生成碳化合物。
15.根据权利要求9～13中任一项所述的驱动方法，其中，所述阴极通过对氮进行还原而生成氨。
16.根据权利要求9～15中任一项所述的驱动方法，其中，所述至少一种离子包含钾离子。
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