CN117702187A - 电解装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电解装置。抑制单元性能的降低。电解装置具备电解单元，所述电解单元包括：阳极；阴极；第一流路板，其具有第一凹部，该第一凹部形成面向阳极设置并且供第一液体流动的阳极流路；第二流路板，其具有第二凹部，该第二凹部形成面向阴极设置并且供第一气体流动的阴极流路；和在阳极与阴极之间设置的分隔体。第二流路板在第二凹部的内面具有凹凸表面。凹凸表面的算术平均粗糙度为0.03μm以上且50μm以下。

Description

电解装置
本申请以日本专利申请2022-147391(申请日：9/15/2022)为基础，享受上述申请的优先权。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
本发明的实施方式涉及电解装置。
背景技术
近年来，担心石油、煤等化石燃料的枯竭，对能够持续利用的可再生能源的期待日益增加。作为可再生能源，可列举出太阳能电池、风力发电等。由于这些的发电量依赖于天气、自然状况，因此具有难以稳定供给电力的课题。因此，尝试将利用可再生能源产生的电力储存于蓄电池，使电力稳定化。但是，在储存电力时，存在蓄电池需要成本、而且在蓄电时产生损失等问题。
对于这点，如下技术受到关注：使用由可再生能源产生的电力进行水电解、由水制造氢(H2)，或者将二氧化碳(CO2)电化学还原、转化为一氧化碳(CO)、甲酸(HCOOH)、甲醇(CH3OH)、甲烷(CH4)、醋酸(CH3COOH)、乙醇(C2H5OH)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)等碳化合物这样的化学物质(化学能)。在将这些化学物质储存于储气瓶、罐中时，与将电力(电能)储存于蓄电池中相比，具有如下优点：能够降低能量的储存成本，而且储存损失也少。
作为电解装置，例如，正在研究如下结构：在阴极使用Ag纳米粒子催化剂，使阴极溶液和CO2气与阴极接触，并且使阳极溶液与阳极接触。作为电解装置的具体构成，例如可列举出如下构成，该构成具备：沿阴极的一面配置的阴极溶液流路、沿阴极的另一面配置的CO2气体流路、沿阳极的一面配置的阳极溶液流路、和配置在阴极溶液流路和阳极溶液流路之间的分隔体。在使用具有这样的构成的电解装置、例如使恒电流在阴极和阳极流动而长时间实施由CO2生成例如CO的反应的情况下，存在产生CO的生成量降低、单元电压增加等经时的单元性能劣化的课题。因此，需要能够抑制经时的单元性能劣化的二氧化碳的电解装置。
发明内容
本发明要解决的课题在于抑制电解单元(电解槽)的性能的降低。
实施方式的电解装置具备电解单元，该电解单元包括：阳极；阴极；第一流路板，其具有第一凹部，该第一凹部形成面向阳极设置并且供第一液体流动的阳极流路；第二流路板，其具有第二凹部，该第二凹部形成面向阴极设置并且供第一气体流动的阴极流路；和在阳极与阴极之间设置的分隔体。第二流路板在第二凹部的内面具有凹凸表面。凹凸表面的算术平均粗糙度为0.03μm以上且50μm以下。
附图说明
图1为示出电解装置的构成例的图。
图2为示出图1所示的电解装置的电解单元的剖面图。
图3为示出图2所示的电解单元中的阳极溶液流路的一例的图。
图4为示出图2所示的电解单元中的阴极溶液流路的一例的图。
图5为示出图2所示的电解单元中的阴极溶液流路的另一例的图。
图6为示出图2所示的电解单元中的阴极流路的一例的图。
图7为示出图2所示的电解单元中的阴极的一例的图。
图8为示出图2所示的电解单元中的阴极的另一例的图。
图9为示意地示出图2所示的电解单元中的阴极处的反应的图。
图10为示出电解装置的运转工序的图。
图11为示出具有凹凸的流路板28的结构例的剖面示意图。
图12为示出具有凹凸的流路板28的结构例的剖面示意图。
图13为示出凹凸表面291的形状例的示意图。
图14为示出具有阴极催化剂的阴极流路板28的结构例的剖面示意图。
图15为示出电解装置的另一构成例的图。
图16为示出电解装置的另一构成例的图。
图17为示出电解装置的另一构成例的图。
图18为示出实施例1的阴极流路的平面形状的图。
(附图标记的说明)
1…电解装置、10…阳极部、11…阳极、11a…第一面、11b…第二面、12…阳极流路、13…阳极集电板、14…流路板、14a…凸台(ランド)、20…阴极部、21…阴极流路、22…阴极、22A…气体扩散层、22B…阴极催化剂层、22C…多孔层、22a…第一面、22b…第二面、23…阴极流路、24…阴极集电板、25…流路板、26…凸台、27…桥接部、28…阴极流路板、28a…表面、29…凸台、30…分隔体、31…流路、32…流路、33…流路、40…电源控制部、100…阳极溶液供给系统、101…压力控制部、102…阳极溶液罐、103…流量控制部、104…标准电极、105…压力计、192…阴极催化剂、200…阴极溶液供给系统、201…压力控制部、202…阴极溶液罐、203…流量控制部、204…标准电极、205…压力计、206…气体成分收集部、280…亲水性区域、291…凹凸表面、292…阴极催化剂、300…阴极气体供给系统、301…阴极气体供给源、302…流量控制部、303…压力计、304…压力控制部、311…加湿器、400…生成物收集系统、401…气液分离部、402…生成物收集部、500…阳极溶液调整系统、501…阀、502…过滤器、600…排液收集系统、601…排液收集罐。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。在以下所示的各实施方式中，有时对基本上相同的构成部位赋予相同的附图标记，并省略其说明的一部分。附图为示意性的，厚度与平面尺寸的关系、各部分的厚度的比率等有时与实际情况不同。
予以说明，在本说明书中，所谓“连接”，除了特别指定的情况以外，不仅包括直接地连接，还包括间接地连接。
图1为示出电解装置的构成例的图。图1中所示的电解装置1具备：电解单元2、阳极溶液供给系统100、阴极溶液供给系统200、阴极气体供给系统300、生成物收集系统400、排液收集系统500、和阳极溶液调整系统600。
图2为示出图1中所示的电解装置中的电解单元的构成的剖面图。如图2所示，电解单元2具备阳极部10、阴极部20、和分隔体30。
阳极部10具有阳极11、阳极流路12、和阳极集电板13。
阴极部20具有阴极流路21、阴极22、阴极流路23、和阴极集电板24。可不设置阴极流路21。
分隔体30设置在阳极11与阴极22之间，以将阳极部10和阴极部20分离的方式配置。
阳极11、阳极流路12、阳极集电板13、阴极流路21、阴极22、阴极流路23、阴极集电板24、和分隔体30可相互层叠。电解单元2被未图示的一对支承板夹持，还用螺栓等紧固。
将阳极11和阴极22经由电流导入构件连接至电源控制部40。就电源控制部40而言，并不限定于通常的系统电源、电池等电力源，可具有供给由太阳能电池、风力发电等的可再生能源产生的电力的电力源。电源控制部40可具有上述电力源、和调整上述电力源的输出并控制阳极11与阴极22之间的电压的功率控制器等。
阳极11设置为用于将氧化对象物质氧化而生成氧化生成物。阳极11例如是发生作为电解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产生的氢氧根离子(OH-)的氧化反应生成氧(O2)、水(H2O)的电极(氧化电极)。阳极11具有与分隔体30相接的第一面11a、和面向阳极流路12的第二面11b。阳极11的第一面11a与分隔体30紧贴。阳极流路12面向阳极11，用于向阳极11供给阳极溶液作为电解液，由设置于流路板14(阳极流路板)的凹坑(沟部/凹部)构成。阳极溶液以与阳极11相接的方式在阳极流路12内流通。阳极集电板13与构成阳极流路12的流路板14的与阳极11相反侧的面电连接。
流路板14具有省略图示的溶液导入口和溶液导出口。流路板14经由溶液导入口和溶液导出口，通过阳极溶液供给系统100将阳极溶液导入和排出。对于流路板14，优选使用化学反应性低并且导电性高的材料。作为这样的材料，可列举出Ti、SUS等金属材料、碳等。如图3所示，优选在阳极流路12上设置有多个凸台(凸部)14a。凸台14a设置为用于机械的保持和电导通。
阳极11能够将水(H2O)氧化而生成氧、氢离子，或者将氢氧根离子(OH-)氧化而生成水、氧，优选主要由能够降低这样的反应的过电压的催化剂材料(阳极催化剂材料)制成。作为这样的催化剂材料，可列举出铂(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)等金属、包含这些金属的合金、金属间化合物、氧化锰(Mn-O)、氧化铱(I r-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-I r-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、离子在分隔体30与阳极流路12之间移动的结构例如网眼材料、冲孔材料、多孔体、金属纤维烧结体等多孔结构的基材。基材可由钛(Ti)、镍(Ni)、铁(Fe)等金属、包含这些金属中的至少一种的合金(例如SUS)等的金属材料制成，也可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使阳极催化剂材料附着或层叠从而形成催化剂层。阳极催化剂材料在提高氧化反应方面优选具有纳米粒子、纳米结构体、纳米线等。纳米结构体是指在催化剂材料的表面形成纳米级凹凸的结构体。
阴极22设置为用于将还原对象物质还原而生成还原生成物。阴极22例如是发生二氧化碳(CO2)的还原反应、由其生成的碳化合物的还原反应、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中，有时与二氧化碳(CO2)的还原反应同时地发生通过水(H2O)的还原反应产生氢(H2)的副反应。阴极22具有面向阴极流路21的第一面22a、和面向阴极流路23的第二面22b。将阴极流路21以作为电解液的阴极溶液与阴极22和分隔体30相接的方式配置在阴极22与分隔体30之间。
阴极流路21面向阴极22，由设置于流路板25(阴极流路板)的凹部构成。在流路板25设置有省略图示的溶液导入口(也简称为入口)和溶液导出口(也简称为出口)，经由这些溶液导入口和溶液导出口，通过阴极溶液供给系统200将阴极溶液作为电解液导入和排出。阴极溶液以与阴极22和分隔体30相接的方式在阴极流路21内流通。对于构成阴极流路21的流路板25，优选使用化学反应性低并且不具有导电性的材料。作为这样的材料，可列举出丙烯酸树脂、聚醚醚酮(PEEK)、氟树脂等绝缘树脂材料。由于阴极流路21与单元电阻的增加有关，因此也可以没有。
在阴极22中，主要在与阴极溶液相接的部分发生还原反应。因此，如图4所示，优选在阴极流路21中应用开口面积大的开口部。不过，为了提高机械的保持、电连接性，如图5所示，也可在阴极流路21设置凸台(凸部)26。阴极流路21的凸台26设置在阴极流路21的中央部，以不妨碍阴极流路21内的阴极溶液的流通的方式，用比凸台26薄的桥接部27保持在流路板25上。在阴极流路21设置凸台26的情况下，为了降低单元电阻，优选凸台26的数少。
优选凸台26的至少一部分与流路板14的凸台14a重叠。由此，能够实现良好的电连接，降低电解单元2的电阻。另外，实现分隔体30和阳极催化剂材料和阴极催化剂材料的良好的接触，不仅能够降低电阻，而且能够有效地进行反应。另外，优选阳极流路12的至少一部分与凸台26重叠。由此，能够实现良好的电连接，降低电解单元2的电阻。另外，实现分隔体30和阳极催化剂材料和阴极催化剂材料的良好的接触，不仅能够降低电阻，而且能够有效地进行反应。
阴极流路23面向阴极22，由设置于流路板(阴极流路板)28的凹坑(沟部/凹部)构成。对于构成供包含二氧化碳的气体流动的CO2气体流路的流路板28，优选使用化学反应性低并且导电性高的材料。作为这样的材料，可列举出Ti、SUS等金属材料、碳等。予以说明，在流路板14、流路板25、和流路板28设置有省略图示的溶液、气体的导入口和导出口、以及用于紧固的螺纹孔等。另外，在各流路板14、25、28的前后，根据需要夹持省略图示的衬垫。
在流路板28，设置有省略图示的气体导入口和气体导出口，经由这些气体导入口和气体导出口，通过阴极气体供给系统300使CO2气体或包含CO2的气体(有时也简单地统称为CO2气体)导入和排出。CO2气体以与阴极22相接的方式在阴极流路23内流通。如图6所示，优选在阴极流路23设置有多个凸台(凸部)29。凸台29设置为用于机械的保持和电导通。优选凸台29彼此错位地设置，由此阴极流路23与阳极流路12同样地弯折。阴极集电板24与流路板28的与阴极22相反侧的面电连接。
在实施方式的电解单元2中，通过在阳极流路12和阴极流路23设置凸台14a、29，从而能够使阳极11与构成阳极流路12的流路板14的接触面积、以及阴极22与构成阴极流路23的流路板28的接触面积增加。另外，通过在阴极流路21设置凸台26，从而能够使阴极22与构成阴极流路21的流路板25的接触面积增加。由此，在提高电解单元2的机械的保持性的同时，阳极集电板13与阴极集电板24之间的电导通变得良好，能够提高CO2的还原反应效率等。
如图6所示，可在流路板28的表面28a的至少一部分形成亲水性区域280。亲水性区域280为与例如水的接触角比表面28a的其他区域低的区域。由此，能够使水从水分量多的阴极流路23的后半部向前半部移动。即，能够使在阴极流路23的后半部内凝集的水、从阳极11移动的水、通过反应产生的水向亲水性区域280的流路板移动水。因此，在阴极流路23的前半部，经由亲水性区域280移动的水根据单元的温度而气化，将阴极流路23中的气体加湿。如此，通过设置亲水性区域280，从而能够提高阴极流路23内的湿度的均匀性，在没有设置加湿器的情况下能够在单元的内部进行加湿。亲水性区域280与水的接触角为0度以上且不到45度。上述接触角优选为30度以下，更优选为15度以下。亲水性区域280可以不透过二氧化碳等气体。亲水性区域280也可以不必设置。
就亲水性区域280而言，例如可采用如下方法形成：使碳粒子等附着而使表面28a粗化的方法；用聚乙炔、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等亲水性的导电性聚合物对表面28a进行涂布的方法；或者由亲水性材料构成流路板28的方法。
如图7所示，阴极22具有气体扩散层22A和在其上设置的阴极催化剂层22B。如图8所示，在气体扩散层22A和阴极催化剂层22B之间，可配置比气体扩散层22A致密的多孔层22C。如图9所示，将气体扩散层22A配置在阴极流路23侧，将阴极催化剂层22B配置在阴极流路21侧。阴极催化剂层22B可进入气体扩散层22A中。阴极催化剂层22B优选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、碳布等构成，对其实施拒水处理。多孔层22C由孔径比碳纸、碳布小的多孔体构成。
如图9的示意图所示，在阴极催化剂层22B中，从阴极流路21供给和排出阴极溶液、离子。在气体扩散层22A中，从阴极流路23供给阴极气体，以及排出阴极气体的还原反应的生成物。通过对气体扩散层22A实施适当的拒水处理，阴极气体主要通过气体扩散到达阴极催化剂层22B。CO2的还原反应、由其生成的碳化合物的还原反应发生在气体扩散层22A与阴极催化剂层22B的边界附近、或者进入气体扩散层22A中的阴极催化剂层22B附近，气态的生成物主要从阴极流路23排出，液态的生成物主要从阴极流路21排出。
阴极催化剂层22B能够将二氧化碳还原而生成碳化合物，以及根据需要将由此生成的碳化合物还原而生成碳化合物，优选由能够减小这样的反应的过电压的催化剂材料(阴极催化剂材料)构成。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、包含这些金属中的至少一种的合金、金属间化合物等的金属材料、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。在阴极催化剂层22B中，能够应用板状、网眼状、线状、粒子状、多孔状、薄膜状、岛状等各种形状。
阴极催化剂层22B可以使用能够将氮还原而生成氨的阴极催化剂材料。作为这样的材料，可列举出钼络合物。例如可列举出以下所示的(A)～(D)的钼络合物。
作为第一例，可列举出(A)具有N，N-双(二烷基膦基甲基)二氢苯并咪唑亚基(其中，2个烷基可以相同也可以不同，苯环的至少一个氢原子可被烷基、烷氧基、或卤素原子取代)作为PCP配体的钼络合物。
作为第二例，可列举出(B)具有2，6-双(二烷基膦基甲基)吡啶(其中，2个烷基可以相同也可以不同；吡啶环的至少一个氢原子可被烷基、烷氧基、或卤素原子取代)作为PNP配体的钼络合物。
作为第三例，可列举出(C)具有双(二烷基膦基甲基)芳基膦(其中，2个烷基可以相同也可以不同)作为PPP配体的钼络合物。
作为第四例，可列举出(D)由反式Mo(N2)2(R1R2R3P)4(其中，R1、R2、R3为可以相同也可以不同的烷基或芳基；2个R3可相互连接而形成亚烷基链)表示的钼络合物。
在上述的钼络合物中，作为烷基，例如可以是甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、及它们的结构异构体等直链状或支链状的烷基，也可以是环丙基、环丁基、环戊基、环己基等环状的烷基。烷基的碳原子数优选为1～12，更优选为1～6。作为烷氧基，例如可以是甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基、戊氧基、己氧基、及它们的结构异构体等直链状或支链状的烷氧基，也可以是环丙氧基、环丁氧基、环戊氧基、环己氧基等环状的烷氧基。烷氧基的碳原子数优选为1～12，更优选为1～6。作为卤素原子，例如可列举出氟原子、氯原子、溴原子、碘原子等。
作为(A)钼络合物，例如可列举出以下的式(A1)所示的钼络合物。
[化1]
(式中，R1和R2为可以相同也可以不同的烷基；X为碘原子、溴原子、或氯原子；苯环上的至少一个氢原子可被烷基、烷氧基、或卤素原子取代)
烷基、烷氧基及卤素原子可列举出与已例示的基团相同的基团。作为R1和R2，优选体积大的烷基(例如叔丁基、异丙基)。优选苯环上的氢原子未被取代、或者5位和6位的氢原子被链状、环状、或支链状的碳原子数1～12的烷基取代。
作为(B)钼络合物，例如可列举出以下的式(B1)、式(B2)、式(B3)所示的钼络合物。
[化2]
(式中，R1和R2为可以相同也可以不同的烷基；X为碘原子、溴原子、或氯原子，吡啶环上的至少一个氢原子可被烷基、烷氧基、或卤素原子取代)
烷基、烷氧基和卤素原子可列举出与已例示的基团相同的基团。作为R1和R2，优选体积大的烷基(例如叔丁基、异丙基)。优选吡啶环上的氢原子未被取代、或者4位的氢原子被链状、环状、或支链状的碳原子数1～12的烷基取代。
作为(C)钼络合物，例如可列举出以下的式(C1)所示的钼络合物。
[化3]
(式中，R1和R2为可以相同也可以不同的烷基，R3为芳基，X为碘原子、溴原子、或氯原子)
烷基可列举出与已例示的烷基相同的基团。作为芳基，例如可列举出苯基、甲苯基、二甲苯基、萘基、和它们的环状的氢原子的至少一个被烷基或卤素原子取代的基团等。烷基、卤素原子可列举出与已例示的基团相同的基团。作为R1和R2，优选体积大的烷基(例如叔丁基、异丙基)。作为R3，例如优选苯基。
作为(D)钼络合物，例如可列举出以下的式(D1)、式(D2)所示的钼络合物。
[化4]
(式中，R1、R2和R3为可以相同也可以不同的烷基或芳基，n为2或3)
烷基和芳基可列举出与已例示的基团相同的基团。在式(D1)中，优选R1和R2为芳基(例如苯基)且R3为碳原子数1～4的烷基(例如甲基)，或者R1和R2为碳原子数1～4的烷基(例如甲基)且R3为芳基(例如苯基)。在式(D2)中，优选R1和R2为芳基(例如苯基)且n为2。
构成阴极催化剂层22B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、金属材料的纳米线、或者上述的金属材料的纳米粒子负载于碳粒子、碳纳米管、石墨烯等碳材料的复合体。通过应用催化剂纳米粒子、催化剂纳米结构体、催化剂纳米线、催化剂纳米负载结构体等作为阴极催化剂材料，从而能够提高阴极22中的二氧化碳的还原反应的反应效率。
分隔体30设置在阳极11与阴极22之间。由能够使离子在阳极11与阴极22之间移动并且能够使阳极部10与阴极部20分离的离子交换膜等构成。作为离子交换膜，能够使用例如Nafion、Flemion这样的阳离子交换膜、Neosepta、Selemion这样的阴离子交换膜。在如后所述，使用碱溶液作为阳极溶液、阴极溶液，主要设想氢氧根离子(OH-)的移动的情况下，优选分隔体30由阴离子交换膜构成。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，也可将玻璃过滤器、多孔高分子膜、多孔绝缘材料等应用于分隔体30。
作为电解液的阳极溶液和阴极溶液优选为至少包含水(H2O)的溶液。由于从阴极流路23供给二氧化碳(CO2)、氮(N2)，因此阴极溶液可以包含二氧化碳(CO2)、氮(N2)，也可以不含。对于阳极溶液和阴极溶液，可以应用相同的溶液，也可以应用不同的溶液。作为用作阳极溶液和阴极溶液的包含H2O的溶液，可列举出包含任意的电解质的水溶液。作为包含电解质的水溶液，例如可列举出包含选自氢氧根离子(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-)、和碳酸氢根离子(HCO3 -)中的至少一种的水溶液。为了降低电解液的电阻，作为阳极溶液和阴极溶液，优选使用使氢氧化钾、氢氧化钠等电解质以高浓度溶解的碱溶液。
对于阴极溶液，可使用由咪唑鎓离子、吡啶鎓离子等阳离子和BF4 -、PF6 -等阴离子的盐制成的、在宽温度范围为液体状态的离子液体或其水溶液。作为其他阴极溶液，可列举出乙醇胺、咪唑、吡啶等胺溶液或其水溶液。胺可以是伯胺、仲胺、叔胺中的任一种。
阳极溶液供给系统100将阳极溶液作为电解液供给至阳极流路12。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、标准电极104、和压力计105，构成为使得阳极溶液在阳极流路12中循环。阳极溶液供给系统100经由流路106将阳极流路12的入口与出口连接。阳极溶液供给系统100以阳极溶液在阳极流路12内流通的方式使阳极溶液循环。阳极溶液罐102容纳包含从阳极流路12的出口排出的阳极溶液的流体(也称为阳极排液)，与对循环的阳极溶液中所含的氧(O2)等气体成分进行收集的未图示的气体成分收集部连接。在压力控制部101和流量控制部103中控制阳极溶液的流量、压力，将阳极溶液导入阳极流路12。
阴极溶液供给系统200向阴极流路21供给阴极溶液。阴极溶液供给系统200以阴极溶液在阴极流路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、标准电极204、和压力计205，构成为使得阴极溶液在阴极流路21中循环。阴极溶液罐202与对循环的阴极溶液中所含的一氧化碳(CO)等还原生成物的气体成分进行收集的气体成分收集部206连接。在压力控制部201和流量控制部203中控制阴极溶液的流量、压力，将阴极溶液导入阴极流路21。
阴极气体供给系统300向阴极流路23供给阴极气体。阴极气体供给系统300具有阴极气体供给源301、加湿器311、流量控制部302、压力计303、和压力控制部304。在流量控制部302和压力控制部304中控制阴极气体的流量、压力，将阴极气体导入阴极流路23。
阴极气体供给源301可将阴极气体供给至阴极流路23。在二氧化碳电解装置的情况下，阴极气体供给源301可将包含二氧化碳气体的阴极气体供给至阴极流路23。在氮电解装置的情况下，阴极气体供给源301可将包含氮的阴极气体供给至阴极流路23。阴极气体供给源301具有例如容纳阴极气体的罐。
加湿器311能够对阴极气体加湿。加湿器311具有例如容纳温水的罐。阴极气体穿过罐，由此能够将包含水蒸汽的阴极气体供给至阴极流路23。阴极气体供给系统300也可以不必具有加湿器311。
生成物收集系统400与阴极气体供给系统300连接，收集在阴极流路23流通的气体中的生成物。生成物收集系统400具有气液分离部401和生成物收集部402。将在阴极流路23流通的流体中所含的CO、H2等还原生成物经由气液分离部401蓄积于生成物收集部402。
排液收集系统500具有与阳极流路12和阴极流路21连接的排液收集罐501。通过对未图示的阀进行开闭，将阳极溶液、阴极溶液的排液收集在排液收集罐501。阀的开闭等动作可由未图示的控制系统一并控制。阳极溶液、阴极溶液的排液可返回至阳极溶液供给系统100、阴极溶液供给系统200。
对于实施方式的电解装置1的运转动作进行说明。在此，对于进行二氧化碳的电解反应的例子进行说明。首先，如图10所示，实施电解装置1的启动工序S101。
电解装置1的启动工序S101实施以下的动作。阳极溶液供给系统100采用压力控制部101、流量控制部103控制流量、压力，将阳极溶液导入阳极流路12。阴极溶液供给系统200采用压力控制部201、流量控制部203控制流量、压力，将阴极溶液导入阴极流路21。阴极气体供给系统300采用流量控制部302、压力控制部304控制流量、压力，将阴极气体导入阴极流路23。
接着，实施电解动作工序S102。在电解动作工序S102中，利用实施了启动工序S101的电解装置1的电源控制部40开始电解电压的施加，在阳极11与阴极22之间施加电压从而供给电流。在阳极11与阴极22之间流过电流时，发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，主要对于生成一氧化碳(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，也可为前述的有机化合物等其他的碳化合物。另外，作为采用电解单元2的反应过程，考虑主要生成氢离子(H+)的情况和主要生成氢氧根离子(OH-)的情况，但并不限定于这些反应过程中的任一种。
首先，对于主要将水(H2O)氧化而生成氢离子(H+)时的反应过程进行说明。从电源控制部40向阳极11与阴极22之间供给电流时，在与阳极溶液相接的阳极11处发生水(H2O)的氧化反应。具体地，如下述的(1)式所示，将阳极溶液中所含的H2O氧化，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、分隔体30、和阴极流路21内的阴极溶液中移动，到达阴极22附近。通过基于从电源控制部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+，发生二氧化碳(CO2)的还原反应。具体地，如下述的(2)式所示，从阴极流路23供给至阴极22的CO2被还原而生成CO。
2CO2+4H++4e-→2CO+2H2O…(2)
其次，对主要将二氧化碳(CO2)还原而生成氢氧根离子(OH-)时的反应过程进行说明。从电源控制部40向阳极11与阴极22之间供给电流时，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)和氢氧根离子(OH-)。氢氧根离子(OH-)向阳极11附近扩散，如下述的(4)式所示，氢氧根离子(OH-)被氧化而生成氧(O2)。
2CO2+2H2O+4e-→2CO+4OH-…(3)
4OH-→2H2O+O2+4e-…(4)
另外，在将还原对象物质的氮还原而生成还原生成物的氨(NH3)的情况下，在阳极111附近，基于下述式(5)或式(6)，水或氢氧根离子被电化学氧化而生成氧。在阴极121附近，基于下述的式(7)或式(8)，氮被还原而生成氨。
3H2O→3/2O2+6H++6e-…(5)
6OH-→3/2O2+3H2O+6e-…(6)
N2+6H2O+6e-→2NH3+6OH-…(7)
N2+6H++6e-→2NH3…(8)
接着，实施电解停止工序S103。电解停止工序S103判断是否继续电解动作，在停止电解动作的情况下，停止采用电解装置1的电源控制部40进行电解电压的施加。在例如电解单元2的电解效率低于标准值时，停止电解动作。
接着，电解装置1的关闭工序S104实施以下的动作。阳极溶液供给系统100控制压力控制部101、流量控制部103，停止向阳极流路12导入阳极溶液。阴极溶液供给系统200控制压力控制部201、流量控制部203，停止向阴极流路21导入阴极溶液。阴极气体供给系统300控制流量控制部302、压力控制部304，停止向阴极流路23导入阴极气体。
在电解动作中，阴极催化剂从阴极22剥离时，经由阴极流路23从电解单元2排出，阴极22的阴极催化剂的量减少，因此引起电解效率的降低，单元性能降低。
因此，实施方式的电解装置在表面28a形成可捕捉阴极催化剂的凹凸。被表面28a的凹凸捕捉的阴极催化剂有可能引起还原反应。因此，能够抑制单元性能的降低。
图11和图12为示出具有凹凸的流路板28的构造例的剖面示意图。流路板28的阴极22侧的表面28a具有凹凸表面291。图11所示的凹凸表面291设置于流路板28的整个表面28a。
图13为示出凹凸表面291的形状例的示意图。图13为图11所示的流路板28的一部分的放大图。凹凸表面291的表面粗糙度(各凹凸的宽度)优选为0.03μm以上且50μm以下。若考虑阴极催化剂的粒径，则0.03μm以上且1μm以下的表面粗糙度适合于采用凹凸表面291的阴极催化剂的捕捉、吸附。在将阴极催化剂负载于载体的情况下，就凹凸表面291的表面粗糙度而言，优选作为载体的粒径为0.03μm以上，作为载体的凝集体的直径为50μm以下可适于催化剂载体的捕捉、吸附。一般地，凝集体小为宜，优选粒径10μm以下的载体凝集体，因此凹凸也同样地优选为10μm以下。表面粗糙度更优选0.05μm以上，进一步优选0.1μm以上。表面粗糙度由通过使用例如激光显微镜、Talys tep、Surftes t、或扫描型电子显微镜(SEM)的分析方法测定的值定义。
凹凸表面291的平均粗糙度(算术平均粗糙度)为10nm以上且30μm以下，优选为1μm以上且10μm以下，更优选为3μm以上且10μm以下。亲水性区域280的最大高度优选为1μm以上且50μm以下。
凹凸表面291可设置在整个流路板28。这也可以通过例如由多孔体形成流路板28来实现。多孔体的平均孔径优选为0.1μm以上且10μm以下。亲水性多孔体的空隙率优选为30％以上且80％以下。多孔体的平均孔径和空隙率可通过例如激光显微镜、Talys tep、Surftes t等的分析方法测定。
通过形成具有上述表面粗糙度的凹凸表面291，从而能够用阴极流路23捕捉阴极催化剂或负载有阴极催化剂的载体。阴极22的表面上的阴极催化剂剥离时，催化剂量减少，因此单元性能降低。因此，通过用凹凸表面291捕捉阴极催化剂或负载着阴极催化剂的载体的剥离物，在一部分阴极流路23上也发生还原反应，能够抑制电解单元2的性能的降低。
通过在阴极流路23形成凹凸表面291，在电解动作中，发生例如作为电解液成分的阳离子与二氧化碳气体反应而析出碳酸盐的现象，但在阴极流路23中能够抑制碳酸盐的析出。
凹凸表面291可只设置于流路板28的表面28a的一部分。图12所示的凹凸表面291设置在形成阴极流路23的凹部的内侧面和内底面，没有设置在凸台29上。在流路板28的表面28a中，没有设置凹凸表面291的部分的表面的表面粗糙度比凹凸表面291的表面粗糙度小。
如上所述，从加工性的观点出发，可在整个流路板28形成凹凸表面291，从与伴随加工的作业的增加、成本方面出发，可只在流路板28的阴极流路23的部分形成凹凸表面291。另外，在整个流路板28形成凹凸表面291的情况下，若增大凹凸表面291的凹凸的尺寸，则阴极气体容易经由与阴极催化剂相接的凸台29而透过，阴极气体不沿着阴极流路23流动，阴极气体绕过阴极流路23流动，因此不优选。另外，从反应性、阴极催化剂的捕捉的观点出发，可只在阴极流路23的后半部设置凹凸表面291，使阴极流路23的后半部的凹凸表面291的表面粗糙度变化。即，优选阴极流路23的后半部的表面粗糙度比阴极流路23的前半部的表面粗糙度大。由此，在阴极流路23的后半部，能够促进阴极催化剂层292或负载阴极催化剂层292的载体的捕捉。阴极流路23的前半部是指沿着阴极流路23的长度方向比出口OUT更靠近入口IN的部分。阴极流路23的后半部是指沿着阴极流路23的长度方向比入口IN更靠近出口OUT的部分。
凹凸表面291可通过例如通过机械加工对用于形成流路板28的金属板进行加工而形成。若在通过切削形成凹部的同时进行加工，则效率良好而优选。另外，可对压制加工中的金属板预先通过蚀刻等形成凹凸表面291，也可在压制加工时形成凹凸表面291。另外，凹凸表面291可采用通过使碳粒子等附着而使表面粗化的方法；在流路板28的表面采用聚乙炔、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等亲水性的导电性聚合物涂布而形成凹凸表面291的方法等方法而形成。另外，也可对金属板的表面进行蚀刻，形成凹凸表面291。
凹凸表面291不仅可采用微细加工形成，而且，为了增加阴极流路23的表面积，也可形成具有大凹凸的凹凸表面291，例如，可用在宽度和深度为1mm的流路中具有导电性的构件，在流路中设置0.2mm左右的凹凸表面291、φ0.2mm左右的尺寸且深度方向为1mm的圆柱。特别是通过在阴极流路23的后半部进行这样的形状加工，提高剥离的阴极催化剂的捕捉性能，在反应条件更严格的阴极流路23的后半部的反应效率提高，因此单元整体的电解效率提高，因此优选。另外，也可以在阴极流路23的表面设置导电性的金属网形状的构件，在其表面设置微细的凹凸表面291，捕捉阴极催化剂。另外，为了减少阴极流路23的压力损失，也可以在流路上设置蜂窝形状的导电性构件，提高剥离催化剂的捕捉性能。
进而，阴极流路板28可具有预先负载的阴极催化剂。图14为示出具有阴极催化剂的阴极流路板28的结构例的剖面示意图。图14所示的流路板28具有包含负载于表面28a的凹凸表面291的阴极催化剂的阴极催化剂层292。
阴极催化剂层292例如将二氧化碳还原而生成碳化合物，以及根据需要可将由其生成的碳化合物还原而生成碳化合物，优选由能够减小这样的反应的过电压的催化剂材料(阴极催化剂材料)构成。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、包含这些金属中的至少一种的合金、金属间化合物等的金属材料、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。并不限定于此，阴极催化剂层292也可以使用能够将氮还原而生成氨的阴极催化剂材料。作为这样的材料，可列举出上述钼络合物。
阴极催化剂层292例如通过使粒子状的阴极催化剂附着于包含凹凸表面291的表面28a而形成。作为附着方法，可列举出采用喷雾向流路喷射的方法；以容易与粒子状的阴极催化剂附着的方式与包含有机物的粘接剂混合并向表面28a喷射的方法。粘接剂的例子包含聚乙烯醇(PVA)等有机物。另外，为了促进离子的移动，更优选使用以Naf ion为代表的离子交换树脂。
阴极催化剂层292可附着于整个表面28a，也可只附着于形成阴极流路23的凹部。由此，能够以少的阴极催化剂的量获得效果。对于只在凹部负载阴极催化剂的方法，可列举出如下方法：使将阴极催化剂和离子交换树脂混合的墨在阴极流路23流通，然后进行干燥处理、加热处理，只在形成阴极流路23的凹部的内侧面和内底面附着而形成。
对于阴极流路23的后半部，特别是CO2浓度随着反应而减少，生成气体浓度上升，因此反应的效率降低。因此，若在阴极流路23的后半部预先大量负载阴极催化剂，则可获得进一步的效果。即，优选阴极流路23的后半部的阴极催化剂层292中的阴极催化剂的负载量比阴极流路23的前半部的阴极催化剂层292中的阴极催化剂的负载量多。
设置于阴极催化剂层292的阴极催化剂可使用与设置于阴极催化剂层22B的阴极催化剂相同的材料，也可以不同。由于在阴极催化剂层22B的表面上与表面28a上的反应条件不同，因此优选改变阴极催化剂层的组成。例如，与阴极催化剂层22B相比，阴极催化剂层292的离聚物的含量少时，能够抑制由表面28a处的液体的滞留引起的溢流(由于水而阻碍气体的扩散的现象)，因此优选。特别地，在具有亲水性区域280的情况下，能够进一步提高该效果。同样地，由于在阴极催化剂层22B的表面上和表面28a上的反应形态不同，因此优选使在附着的阴极催化剂层292设置的阴极催化剂的密度、量、形状与在阴极催化剂层22B设置的阴极催化剂不同。就阴极催化剂层292中的阴极催化剂的量而言，从利用附着的阴极催化剂层292产生的效果和成本的观点出发，由于表面28a是压倒性有效的，因此优先比阴极催化剂层22B中的阴极催化剂的量少，优选为至少阴极催化剂层22B中的阴极催化剂的量的1/10以下的量。另外，就阴极催化剂层292中的阴极催化剂的密度而言，由于表面28a是压倒性有效的，因此同样地优选比阴极催化剂层22B中的阴极催化剂的密度高，减少量，只在阴极流路23反应。若考虑阳极11与阴极22间的离子的移动，阴极流路23上的反应由于离子移动量大，效率差，在形成厚的阴极催化剂层292的情况下，离子移动变得更困难，因此优选薄的。就阴极催化剂层292的形状而言，也同样地，为了在阴极催化剂层22B的表面上离子移动顺畅，优选为空隙率比较高的气体扩散性高的阴极流路23，而在阴极流路23方面优选空隙率低，由于在该情况下气体扩散性变差，因此优选阴极催化剂层292比阴极催化剂层22B薄。这是因为，从阳极部10的离子的移动量少，以及为了得到流路的截面积，改善气体的流通，优选薄的。
优选阴极催化剂层292的空间密度比阴极催化剂层22B的空间密度低，即稀疏，优选厚度也薄的。优选阴极催化剂层292的层具有至少阴极催化剂层22B的1/10以下的厚度。
就作为离子交换树脂的离聚物而言，优选表面28a比阴极催化剂层22B的表面少。这是因为，将阳极11与膜分隔，立即在阴极催化剂上进行反应，进行在阴极催化剂层22B上未反应的离子与二氧化碳的反应，因此作为反应量非常少，离聚物稍少，主要反应的阴极催化剂的金属粒子等比率高，这一方面作为反应条件是优选的。
就阴极流路23的后半部而言，优选使阴极催化剂的量比阴极流路23的前半部多。这是因为，原料成分的还原对象物质的浓度在阴极流路23的后半部降低，在生成物浓度高的状态下进行反应时，优选后半部的负载量多。
认为在电解动作中阴极22处的反应过程中，如上所述，还原反应发生在气体扩散层22A与阴极催化剂层22B的边界附近。此时，由于在阴极流路21流动的阴极溶液侵入气体扩散层22A，或者阴极催化剂层22B的水分变得过剩，产生还原反应引起的还原生成物的量降低、单元电压增加等不良情况。这样的电解单元2的单元性能的降低是由于阳极11和阴极22附近的离子、残存气体的分布的偏差、阴极催化剂层22B的水分过剩、阴极22、阳极11中的电解质的析出、进而阳极流路12、阴极流路21中的电解质的析出等引起。
另外，有时由于电解动作，在阴极流路21、气体扩散层22A析出盐，由于流路的闭塞、气体扩散性的降低，单元性能降低。这是因为，离子经由分隔体30、离子交换膜而在阳极11与阴极22之间移动，该离子与气体成分反应。例如，在阳极溶液使用氢氧化钾溶液、阴极气体使用二氧化碳气体的情况下，钾离子从阳极部10移动至阴极部20，该离子与二氧化碳反应而生成碳酸氢钾、碳酸钾等盐。在阴极流路21、气体扩散层22A内，在上述盐为溶解度以下的情况下，在阴极流路21、气体扩散层22A析出上述盐。由于流路的闭塞，妨碍单元整体的均匀的气体的流动，单元性能降低。
就在阴极流路23析出的盐而言，与流路的后半部相比，在前半部更容易析出。由此，气体扩散层的水分量增加，二氧化碳的扩散性降低，发生单元性能降低的现象。将该现象称为溢流。
而如果盐为溶解度以下，通过设置加湿器311，将阴极气体加湿，使水分量增加，从而能够防止盐的析出。另外，从阴极流路21、阴极流路23的上游供给冲洗液，能够使盐溶解，防止由析出引起的流路的闭塞等，抑制性能降低。作为电解装置1整体，优选极力减少从体系内的水的排出，进行在体系内的电解液循环。
就气体扩散层22A而言，为了提高气体的扩散性而具有拒水性，缺乏在阴极催化剂层22B中的水的移动，因此利用亲水性区域280使水移动是有效的。另外，通过这样做，单元内部的加湿条件均匀化，能够改善反应的面均匀性。特别是在使用电解质膜的情况下，通过加湿环境变得均匀，从而抑制膜的干燥，离子移动在单元面内的所有部位都成为最佳，能够提高反应的面均匀性。
有时电解液成分从阳极部10向阴极部20移动，从电解单元2的阴极流路23的出口排出。因此，为了将所排出的水与气体分离，将阴极流路23的出口与气液分离部401连接。通过气液分离部401将从阴极流路23的出口排出的电解液成分分离，作为液体储存。
由于电解液成分从阳极部10向阴极部20移动，因此，在阳极溶液供给系统100中，阳极溶液的电解液成分的浓度降低，电解液成分的物质量逐渐降低。由于单元电阻成分降低，妨碍离子移动，因此引起单元的性能降低。
而通过设置与阴极流路23的出口连接的阳极溶液调整系统，能够进行使包含通过气液分离部401分离的电解液成分的液体返回到阳极溶液供给系统100的阳极电解液循环路径中的刷新动作。
图15为示出电解装置1的另一构成例的示意图。图15所示的电解装置1与图1所示的电解装置1相比在如下方面不同，其还具备阳极溶液调整系统600。
阳极溶液调整系统600设置在将生成物收集系统400与排液收集系统500连接的流路31的中途。流路31例如由配管构成。阳极溶液调整系统600具有阀601、过滤器602。过滤器602能够从通过气液分离部401分离的电解液收集阴极催化剂。例如，阳极溶液调整系统600例如打开阀601，能够将通过气液分离部401分离的电解液经由过滤器602送至排液收集罐501。
就该动作而言，根据电解液温度、从阴极流路23排出的气体温度等参数，由各个气液分离部产生的水的量变化，因此循环的电解液量变化。因此，为了调节电解液，可从外部供给纯水、高浓度的电解液，进行浓度调整。
通过刷新动作，经由阴极流路23将剥离的阴极催化剂或负载阴极催化剂的载体排出时，在阳极溶液供给系统100中混入阴极催化剂，成为副反应、反应的妨碍，因此单元性能降低。
而通过形成凹凸表面291，通过凹凸表面291捕捉剥离的阴极催化剂或负载阴极催化剂的载体，能够抑制阴极催化剂向阳极溶液供给系统100的混入。
即使这样进行捕捉剥离的阴极催化剂的对策，也有时将阴极催化剂从阴极流路23排出。因此，通过在使包含电解液成分的液体返回阳极溶液供给系统100的流路的中途设置过滤器602从而捕捉阴极催化剂，即使在阴极催化剂混入电解液成分的情况下，也能够抑制阴极流路23的压力损失，并且能够抑制阴极催化剂向阳极溶液供给系统100的混入。另外，由于阴极催化剂没有混入阳极溶液中，因此也具有抑制氧化反应的杂质的影响、维持效率的效果。进而，抑制催化剂粒子向外部的释放，能够从过滤器602回收阴极催化剂。予以说明，从阴极流路23剥离的阴极催化剂的粒子具有导电性，因此在将电解单元2堆叠时，经由催化剂粒子电流在各流路间流动，导致反应效率的降低，优选在单元内剥离的催化剂粒子尽可能细小。
在过滤器602位于阴极流路23的出口至气液分离部401之间的情况下，具有剥离的催化剂没有混入气液分离后的液体中的优点，另一方面，由于产生过滤器的压损，因此需要考虑阴极压力的控制。如果在气液分离部401的液体罐至排液收集罐501或阳极流路12间设置过滤器602，则不必考虑过滤器602的压力损失，但也有时剥离的催化剂粒子混入从气液分离部401释放的气体中，在此也需要准备过滤器等，以及形成压力损失。不过，如果是捕捉剥离的阴极催化剂的过滤器602，则气体的压力损失小，因此与在阴极流路23的出口与气液分离部401间设置过滤器602相比，压力的损失小。
在分离的液体包含水的情况下，也能够使液体返回加湿器311而形成阴极气体的加湿用的水。图16为示出电解装置1的另一构成例的示意图。图16所示的电解装置1与图1所示的电解装置1相比在如下方面不同，其还具备将气液分离部401与阴极流路23的入口连接的流路32。
通过使液体返回加湿器311，从而减少由来自阴极流路23的排气、来自阳极流路12的氧气中的水蒸汽引起的向体系外的水的排出。原来的水为通过加湿器311的反应产生的水、由于电解液向阴极部20的移动而形成的水。由于在加湿器311中水的减少量剧烈，因此必须从外部供给水。
在将从阴极流路23的出口捕捉的液体用作加湿器311的加湿用的水的情况下，通过在加湿器311设置过滤器，从而能够防止催化剂粒子等杂质向加湿器311的混入。过滤器也能够赋予不仅是捕捉剥离的阴极催化剂，也捕捉从电解单元2流失的垫圈、分隔体30、从气体扩散层22A剥离的碳粒子等的功能。通过该过滤器，能够抑制杂质向阳极溶液、加湿器311的混入。另外，可向过滤器追加捕捉从电解单元2、配管等溶出的离子成分的功能。来自配管、单元的金属离子成分在使用催化剂、隔离膜、特别是电解质膜的情况下，成为单元的性能降低的原因，因此优选捕捉离子。
在分离的液体包含电解液成分的情况下，电解液成分经由加湿器311混入阴极气体，因此有时抑制防止盐的析出的效果。另外，加湿器311也需要以对电解液成分具有耐性的规格制作，成本增加，不优选。
因此，进行来自阳极流路12的出口的氧气与电解液的气液分离。将氧气中的水蒸汽冷却，将进行气液分离得到的水作为阴极上游的加湿器的水利用。由此，将氧气中的水蒸汽冷却，进行气液分离得到的水为蒸馏水，电解液成分浓度极小，因此维持防止盐的析出的效果，不必考虑加湿器311的电解液成分的耐性，优选。
将剥离的阴极催化剂采用储存通过气液分离部401分离的液体的罐蓄积。另一方面，电解单元2由于催化剂量的减少，单元性能下降。因此，通过使蓄积的阴极催化剂从阴极流路23的入口返回，从而催化剂附着于阴极催化剂层22B、阴极流路23，能够补充阴极催化剂层22B的减少的催化剂，抑制单元的性能下降，能够长时间维持效率，使电解装置1运转。进而，采用凹凸表面291，由于阴极催化剂容易附着，因此能够提高单元的性能下降的抑制效果。另外，如图17所示，作为设置阳极溶液调整系统600、从过滤器602回收催化剂以及从阴极流路23的上游使催化剂返回的构成，优选将过滤器602与阴极流路23的入口通过流路33连接，在一定量催化剂积存的阶段，一边进行反应一边补充阴极催化剂层22B的减少的催化剂。予以说明，若在阴极流路23的出口直接设置过滤器602，则阴极流路23整体的压力损失增大，系统上效率降低。阳极溶液调整系统600的其他说明能够适当引用图15所示的阳极溶液调整系统600的说明。流路32和流路33例如由配管构成。
予以说明，实施方式的电解装置并不限定于二氧化碳电解装置，例如可为氮电解装置。在氮电解装置的情况下，从阴极气体供给源301向阴极流路23供给氮(N2)气，通过阴极22将氮气还原，可生成氨。对于氮电解装置的其他构成，能够适当引用二氧化碳电解装置的构成。
[实施例]
(实施例1)
组装图1所示的电解装置，考察二氧化碳的电解性能。首先，采用以下的步骤制作在设置了多孔层的碳纸上涂布有负载着金纳米粒子的碳粒子的阴极。制作将负载着金纳米粒子的碳粒子和纯水、Nafion溶液、乙二醇混合的涂布溶液。金纳米粒子的平均粒径为8.7nm，负载量为18.9质量％。将该涂布溶液填充至气刷，使用氮气在设置了多孔层的碳纸上喷涂。在涂布后用纯水进行流水清洗30分钟，然后浸渍于过氧化氢水，将乙二醇等有机物氧化除去。将其切出2×2cm的大小，制成阴极。予以说明，Au的涂布量由涂布溶液的金纳米粒子和碳粒子的混合量，估算为约0.2mg/cm2。对于阳极，使用在Ti无纺布涂布了成为催化剂的IrO2纳米粒子的电极。作为阳极，使用将IrO2/Ti网状物切出成2×2cm的阳极。催化剂面积设为2cm×2cm＝4cm2。与表面28a的接触面处的阴极催化剂层22B的面积为4cm2，而入口IN与出口OUT间的距离为0.8cm，入口IN与出口OUT间的距离/√阴极催化剂层22B的面积＝0.2。
如图2所示，从上起依次层叠阴极集电板24、阴极流路23(流路板28)、阴极22、阴极流路21(流路板25)、分隔体30、阳极11、阳极流路12、阳极集电板13，被未图示的支承板夹持，进而用螺栓紧固，制作电解单元2。对于分隔体30，使用阴离子交换膜(商品名：Selemion)。阳极11的IrO2/Ti网状物与阴离子交换膜紧贴。将阴极流路23的厚度设为1mm。流路板28由钛制成。通过对流路板28进行切削，制作阴极流路23。将阴极流路23的平面形状示于图18。阴极流路23的平面形状为迂回形状，具有4个折返部。另外，阴极流路23在表面28a中具有4个并联的一对平行流路区域。阴极流路23的宽度为1mm。阴极流路23的流路板28的厚度方向的深度为1mm。凸台29的宽度为1mm。
流路板28的与气体扩散层22A的接触面具有通过表面加工而具有30nm以上且10μm以下的表面粗糙度(各个凹凸的宽度)的凹凸表面291。凹凸表面291的平均粗糙度(算术平均粗糙度)为0.3±0.1μm左右。
使用上述的电解单元2，组装图1所示的电解装置1，使电解装置在以下的条件下运转。将单元加温至50℃，向电解单元2的阴极流路23以20sccm供给在45℃下加湿的CO2气体，向阳极流路12以20mL/分钟的流量供给碳酸氢钾水溶液(浓度1M KHCO3)。接着，通过采用电源控制部40控制电压，从而在阳极11与阴极22之间使800mA的恒电流以恒电流密度200mA/cm2流动，进行规定时间的CO2的电解反应，测量此时的单元电压，用数据收集控制部收集。进而，收集从阴极流路23输出的气体的一部分，采用气相色谱分析通过CO2的还原反应生成的CO气、以及通过水的还原反应生成的H2气的生成量。在数据收集控制部，由气体生成量算出CO或H2的部分电流密度、以及作为全电流密度与部分电流密度之比的法拉第效率并收集。将结果示于表1。
(实施例2)
与实施例1同样地组装二氧化碳电解装置，考察二氧化碳电解性能。与实施例1不同，流路板28的表面28a只在形成阴极流路23的凹部的内侧面和内底面使亲水性的碳的粉末附着，形成亲水性区域280。亲水性区域280具有20nm以上且5μm以下的表面粗糙度，平均粗糙度为3±1μm左右。
(实施例3)
使用实施例2的流路，在阴极流路23的出口设置具有50cc的容积的玻璃容器，进行气液分离。使积存的液体通过网眼的细度为0.01μm的过滤器，通过泵返回1L的阳极溶液罐102。将从阳极流路12排出的流体在气液分离部401和阳极溶液罐102进行气液分离，将放出的气体冷却，捕捉水蒸汽，100ml的玻璃制罐积存蒸馏水。在积存了一定量的阶段，使蒸馏水返回阴极流路的上游的加湿器311，与实施例2同样地考察二氧化碳电解性能。
(实施例4)
与实施例3同样地组装二氧化碳电解装置，考察二氧化碳电解性能。与实施例2同样地，在形成阴极流路23的凹部的内侧面和内底面使阴极催化剂的粉末和离聚物在与阴极催化剂层22B相同的条件下附着1μm厚，进行反应。
(比较例1)
与实施例1同样地组装二氧化碳电解装置，考察二氧化碳电解性能。与实施例1不同，在流路板的表面28a形成的凹凸表面291具有0.02μm以下的表面粗糙度，平均粗糙度为0.01～0.05μm左右。在320小时后在流路析出盐而闭塞，因此反应不能继续。
表1示出在实施例1、2、3、4和比较例1中收集的单元电压与CO的法拉第效率(F.E(CO))、H2的法拉第效率(F.E(H2))。
[表1]
由实施例1、2、3、4和比较例1的结果可知，通过形成凹凸表面291，进而在凹凸表面291负载阴极催化剂，从而即使长时间进行电解反应，也能够抑制CO的法拉第效率的降低，能够抑制单元性能的降低。
予以说明，上述的各实施方式的构成可以分别组合来应用，以及也能够将一部分替换。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提出的，并不意在限定发明的范围。这些实施方式可以以其他的各种形态来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、改变等。这些实施方式、其变形在包含在发明的范围、主旨中的同时，也包含在专利权利要求中记载的发明和其等同的范围中。
能够将上述的实施方式汇总为以下的技术方案。
(技术方案1)
电解装置，其具备电解单元，所述电解单元包括：
阳极；
阴极；
第一流路板,其具有第一凹部，该第一凹部形成面向所述阳极设置并且供第一液体流动的阳极流路；
第二流路板，其具有第二凹部，该第二凹部形成面向所述阴极设置并且供第一气体流动的阴极流路；和
在所述阳极与所述阴极之间设置的分隔体，
其中，所述第二流路板在所述第二凹部的内面具有凹凸表面，
所述凹凸表面的算术平均粗糙度为0.03μm以上且50μm以下。
(技术方案2)
根据技术方案1所述的电解装置，其中，所述阳极将所述第一液体中所含的水氧化而生成氧，所述阴极将所述第一气体中所含的二氧化碳还原而生成碳化合物。
(技术方案3)
根据技术方案1所述的电解装置，其中，所述阳极将所述第一液体中所含的水氧化而生成氧，所述阴极将所述第一气体中所含的氮还原而生成氨。
(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，所述第二流路板具有包含设置在所述凹凸表面的第一阴极催化剂的第一阴极催化剂层。
(技术方案5)
根据技术方案4所述的电解装置，其中，所述阴极流路的后半部与所述阴极流路的前半部相比，所述第一阴极催化剂的量多。
(技术方案6)
根据技术方案4或5所述的电解装置，其中，所述阴极具有包含第二阴极催化剂的第二阴极催化剂层，所述第二阴极催化剂层与所述第一阴极催化剂层相比，离聚物的量少。
(技术方案7)
根据技术方案4-6中任一项所述的电解装置，其中，所述阴极具有包含第二阴极催化剂的第二阴极催化剂层，所述第一阴极催化剂层的所述第一阴极催化剂的密度比所述第二阴极催化剂层的所述第二阴极催化剂的密度低。
(技术方案8)
根据技术方案7所述的电解装置，其中，所述第一阴极催化剂层的所述第一阴极催化剂的密度为所述第二阴极催化剂层的所述第二阴极催化剂的密度的1/10以下。
(技术方案9)
根据技术方案1-8中任一项所述的电解装置，其还具备：
气液分离部，其从由所述阴极流路排出的第一流体分离出所述第一液体，具有容纳分离的所述第一液体的第一罐；
第一流路，其将所述阳极流路的入口与出口连接，使所述第一液体循环；
第二罐，其设置在所述第一流路的中途，容纳所述第一液体；
第二流路，其将所述第一罐与第一流路连接；和
第一过滤器，其设置在所述第二流路的中途。
(技术方案10)
根据技术方案9所述的电解装置，其还具备将所述第一罐与所述阴极流路的入口连接的第三流路。
(技术方案11)
根据技术方案10所述的电解装置，其还具备与所述第三流路连接的加湿器。
(技术方案12)
根据技术方案11所述的电解装置，其中，所述加湿器与所述第一流路连接。
(技术方案13)
根据技术方案9-12中任一项所述的电解装置，其还具备设置在所述第一流路的中途的第二过滤器。
(技术方案14)
根据技术方案1-13中任一项所述的电解装置，其中，所述阴极流路的表面的至少一部分为亲水性。

Claims (14)

1.电解装置，其具备电解单元，所述电解单元包括：
阳极；
阴极；
第一流路板，其具有第一凹部，该第一凹部形成面向所述阳极设置并且供第一液体流动的阳极流路；
第二流路板，其具有第二凹部，该第二凹部形成面向所述阴极设置并且供第一气体流动的阴极流路；和
在所述阳极与所述阴极之间设置的分隔体，
其中，所述第二流路板在所述第二凹部的内面具有凹凸表面，
所述凹凸表面的算术平均粗糙度为0.03μm以上且50μm以下。
2.根据权利要求1所述的电解装置，其中，所述阳极将所述第一液体中所含的水氧化而生成氧，所述阴极将所述第一气体中所含的二氧化碳还原而生成碳化合物。
3.根据权利要求1所述的电解装置，其中，所述阳极将所述第一液体中所含的水氧化而生成氧，所述阴极将所述第一气体中所含的氮还原而生成氨。
4.根据权利要求1所述的电解装置，其中，所述第二流路板具有包含设置在所述凹凸表面的第一阴极催化剂的第一阴极催化剂层。
5.根据权利要求4所述的电解装置，其中，所述阴极流路的后半部与所述阴极流路的前半部相比，所述第一阴极催化剂的量多。
6.根据权利要求4所述的电解装置，其中，所述阴极具有包含第二阴极催化剂的第二阴极催化剂层，所述第二阴极催化剂层与所述第一阴极催化剂层相比，离聚物的量少。
7.根据权利要求4所述的电解装置，其中，所述阴极具有包含第二阴极催化剂的第二阴极催化剂层，
所述第一阴极催化剂层的所述第一阴极催化剂的密度比所述第二阴极催化剂层的所述第二阴极催化剂的密度低。
8.根据权利要求7所述的电解装置，其中，所述第一阴极催化剂层的所述第一阴极催化剂的密度为所述第二阴极催化剂层的所述第二阴极催化剂的密度的1/10以下。
9.根据权利要求1所述的电解装置，其还具备：
气液分离部，其从由所述阴极流路排出的第一流体分离出所述第一液体，具有容纳分离的所述第一液体的第一罐；
第一流路，其将所述阳极流路的入口与出口连接，使所述第一液体循环；
第二罐，其设置在所述第一流路的中途，容纳所述第一液体；
第二流路，其将所述第一罐与所述第一流路连接；和
第一过滤器，其设置在所述第二流路的中途。
10.根据权利要求9所述的电解装置，其还具备将所述第一罐与所述阴极流路的入口连接的第三流路。
11.根据权利要求10所述的电解装置，其还具备与所述第三流路连接的加湿器。
12.根据权利要求11所述的电解装置，其中，所述加湿器与所述第一流路连接。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的电解装置，其还具备设置在所述第一流路的中途的第二过滤器。
14.根据权利要求1-12中任一项所述的电解装置，其中，所述阴极流路的表面的至少一部分为亲水性。
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