JP2023104814A - Formic acid producing apparatus - Google Patents

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Abstract

To provide a formic acid producing apparatus with durability in which power loss is decreased by using a carbon material for an electrode.SOLUTION: A formic acid producing apparatus 1 for producing formic acid by reducing a carbon dioxide comprises: a first accommodation chamber 11 for accommodating an electrolyte 100; a second accommodation chamber 12 for accommodating the electrolyte 100 and the carbon dioxide; an anode electrode 21 arranged in the first accommodation chamber 11 in a state of contacting the electrolyte 100; a cathode electrode 22 arranged in the second accommodation chamber 12 in a state of contacting the electrolyte 100; and an external power source for applying voltages to the anode electrode 21 and the cathode electrode 22. The cathode electrode 22 is configured to have a porous carbon material with conductivity for carrying a carbon dioxide reduction catalyst and a pair of power collecting plates for sandwiching the carbon material. The pair of power collecting plates has an open area with multiple openings formed and a non-open area provided at a position where the open area is surrounded.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、蟻酸生成装置に関し、特に炭素材料を用いた電極を有する蟻酸生成装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a formic acid generator, and more particularly to a formic acid generator having electrodes using a carbon material.

近年、石炭や石油等の化石燃料に代わる代替エネルギーとして水素エネルギーや太陽光エネルギーが注目されている。具体的には、蟻酸を分解して得られる水素を外部装置に供給することにより、太陽光エネルギーを有効に利用して、水素をエネルギー源として安全且つ効率よく供給することが行われている。 In recent years, attention has been paid to hydrogen energy and solar energy as alternative energy to fossil fuels such as coal and petroleum. Specifically, by supplying hydrogen obtained by decomposing formic acid to an external device, solar energy is effectively used to safely and efficiently supply hydrogen as an energy source.

例えば、特許文献1には、電解液中に配置されるアノード電極と、一方側が電解液、他方側がCO含有ガスに接するように配置され、気液分離膜として機能するとともに、多孔質であって導電性を有するカソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に電圧を印加する電源とを含み、カソード電極は、多孔質導電体からなる基材にRu錯体又はRu錯体ポリマーを還元触媒として担持して構成され、電解液中のプロトンとカソード電極からの電子と他方側からのCOとの間でCO還元反応が起こり、有機物が合成されるCO還元反応装置が記載されている。このようなCO還元反応装置によれば、アノード電極とカソード電極との間に所定の電圧を印加することで、カソード電極においてCO還元反応が生起される。すなわち、電解液中のプロトンと、前記カソード電極からの電子と、前記他方側からのCOとの間でCO還元反応が起こり、蟻酸が合成される。 For example, in Patent Document 1, an anode electrode placed in an electrolytic solution is arranged so that one side is in contact with the electrolytic solution and the other side is in contact with a CO 2 -containing gas, and functions as a gas-liquid separation membrane and is porous. a conductive cathode electrode, and a power source for applying a voltage between the anode electrode and the cathode electrode, and the cathode electrode comprises a substrate made of a porous conductor and a Ru complex or Ru complex polymer as a reduction catalyst. A CO2 reduction reactor is described in which a CO2 reduction reaction takes place between protons in the electrolyte and electrons from the cathode electrode and CO2 from the other side to synthesize an organic substance. . According to such a CO 2 reduction reaction apparatus, a CO 2 reduction reaction occurs at the cathode electrode by applying a predetermined voltage between the anode electrode and the cathode electrode. That is, a CO2 reduction reaction occurs between the protons in the electrolyte, the electrons from the cathode electrode, and the CO2 from the other side to synthesize formic acid.

特開2021-59760号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-59760

ところで、上記特許文献1に記載のCO還元反応装置では、カソード電極の基材としてカーボンペーパーを用い、ここにRu錯体又はRu錯体ポリマーを担持することで、広いCO濃度範囲で高い蟻酸生成選択性能を得ることができ、高いファラデー効率で蟻酸を生成することができることが指摘されている。しかしながら、電極に炭素材料を用いる場合、様々な不都合があった。 By the way, in the CO 2 reduction reactor described in Patent Document 1, carbon paper is used as the base material of the cathode electrode, and Ru complex or Ru complex polymer is supported on it, so that high formic acid generation can be achieved in a wide range of CO 2 concentration. It is pointed out that selective performance can be obtained and formic acid can be produced with high Faradaic efficiency. However, when carbon materials are used for the electrodes, there are various problems.

具体的には、電気抵抗率に関し炭素材料は金属材料と比べると素材そのものであったとしても100倍から1000倍程度高い。ガス拡散電極に使用されるような、テフロン樹脂などとの複合材料においては、電気抵抗率はより高くならざるを得ず、その値は製作手法に強く依存する。このような抵抗率の高さは、大電流を流す場合に、オーミック損失の原因となる。 Specifically, the electrical resistivity of a carbon material is about 100 to 1000 times higher than that of a metal material, even if it is the material itself. In composite materials such as Teflon resin, which are used for gas diffusion electrodes, the electrical resistivity is inevitably higher, and its value strongly depends on the manufacturing method. Such high resistivity causes ohmic loss when a large current flows.

また、炭素材料は材料として脆いという不都合がある。カーボンファイバーなどの均一な炭素材料では、その強度は金属単体を凌ぐものもあるが、ガス拡散電極に使用されるような複合炭素材料をベースとした薄膜は、一般に脆く、取り扱いには注意を要する。実用的に重要な大面積での使用にあたっては、簡便な方法は確立されていない。 Moreover, there is a problem that the carbon material is fragile as a material. Some uniform carbon materials such as carbon fiber are stronger than simple metals, but thin films based on composite carbon materials, such as those used in gas diffusion electrodes, are generally fragile and require careful handling. . A simple method has not been established for use in a large area that is practically important.

これらの不都合を解消する方法として、2つの方法がある。1つ目の方法は、ガラス基板上に金属細線を施し、その上に複合炭素材料薄膜を貼り付けるという方法である。しかしながら、この方法は、ガラス基板に細線を焼き付ける必要があるため、煩雑であり、大面積化に向いているとはいえない。また、構造的にガス拡散層を導入することはできないため、ガス拡散電極に転用することはできない。 There are two methods for resolving these inconveniences. The first method is a method in which fine metal wires are formed on a glass substrate and a composite carbon material thin film is adhered thereon. However, this method requires printing fine lines on the glass substrate, which is complicated and not suitable for large-area devices. Moreover, since it is structurally impossible to introduce a gas diffusion layer, it cannot be diverted to a gas diffusion electrode.

また、2つ目の方法は、薄膜を金属製の集電体で挟む(もしくは押さえつける)方法である。この方法は燃料電池で広く用いられているが、その利用は次の2点が満たす場合に限られる:(1)金属が目的の反応を阻害しない、(2)ガス拡散電極自体の剛性はなくてもよい。条件(1)を満たすために、化学的に不活性なチタンなどの材料が用いられるが、調達コストや環境負荷コストが嵩むという問題は残される。また、燃料電池では、複合炭素材料薄膜は負極、セパレーター、及び正極の間に挟みこまれ、燃料は、その薄膜内部で反応するという構造が一般的であるので、条件(2)は自動的に満たされる。しかし、目的の化学反応によっては、負極、セパレーター、及び正極の間に意図的に隙間を設け、脆い複合炭素材料薄膜を保持しなければならないので、万能な方法とは言えない。 The second method is to sandwich (or press) the thin film between metal current collectors. Although this method is widely used in fuel cells, its use is limited to cases where the following two points are satisfied: (1) the metal does not interfere with the desired reaction, and (2) the gas diffusion electrode itself has no rigidity. may In order to satisfy the condition (1), chemically inert materials such as titanium are used, but the problem of increased procurement costs and environmental load costs remains. Moreover, in a fuel cell, a composite carbon material thin film is generally sandwiched between a negative electrode, a separator, and a positive electrode, and the fuel reacts inside the thin film. It is filled. However, depending on the target chemical reaction, it is necessary to intentionally provide a gap between the negative electrode, the separator, and the positive electrode to hold the fragile composite carbon material thin film.

そこで、炭素材料を電極に使用して電力損失を減少させるとともに、耐久性を有する蟻酸生成装置を提供することを目的とする。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a durable formic acid generator that uses a carbon material as an electrode to reduce power loss.

本発明の一態様は、二酸化炭素を還元して蟻酸を生成するための蟻酸生成装置であって、電解液を収容する第1収容室と、前記電解液及び二酸化炭素を収容する第2収容室と、前記電解液に接した状態で前記第1収容室に配置されるアノード電極と、前記電解液に接した状態で前記第2収容室に配置されるカソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極に電圧を印加するための外部電源と、を備え、前記カソード電極は、二酸化炭素還元触媒を担持するための多孔質の導電性を有する炭素材料と、該炭素材料を挟む一対の集電板とを有して構成され、前記一対の集電板は、複数の開口が形成された開口領域と、該開口領域を取り囲む位置に設けられる非開口領域を有していることを特徴とする。 One aspect of the present invention is a formic acid generator for reducing carbon dioxide to generate formic acid, comprising a first storage chamber containing an electrolyte and a second storage chamber containing the electrolyte and carbon dioxide. an anode electrode arranged in the first storage chamber in contact with the electrolyte; a cathode electrode arranged in the second storage chamber in contact with the electrolyte; the anode electrode and the cathode; an external power source for applying a voltage to the electrode, wherein the cathode electrode comprises a porous conductive carbon material for supporting a carbon dioxide reduction catalyst, and a pair of current collector plates sandwiching the carbon material. wherein the pair of current collector plates has an open area in which a plurality of openings are formed and a non-open area provided at a position surrounding the open area.

本発明に係る蟻酸生成装置において、前記カソード電極は、一方側が前記電解液に接するとともに他方側が前記二酸化炭素に接した状態で前記第2収容室に配置され、前記一対の集電板は、前記電解液に対し電気化学的に不活性な樹脂材料により形成され、前記炭素材料は、前記開口領域と重なる位置に配置されてもよい。 In the formic acid generator according to the present invention, the cathode electrode is arranged in the second storage chamber with one side in contact with the electrolytic solution and the other side in contact with the carbon dioxide, and the pair of current collector plates are arranged in the The carbon material may be formed of a resin material that is electrochemically inactive with respect to the electrolytic solution, and the carbon material may be arranged at a position overlapping the opening region.

本発明に係る蟻酸生成装置において、前記一対の集電板のそれぞれは、前記開口領域において前記炭素材料と電気的に接続される導電性のメッシュ状部材を有し、前記メッシュ状部材は、複数の開口から構成されたハニカム構造を有してもよい。 In the formic acid generator according to the present invention, each of the pair of current collector plates has a conductive mesh member electrically connected to the carbon material in the opening region, and the mesh member includes a plurality of may have a honeycomb structure composed of openings in the

本発明に係る蟻酸生成装置において、前記カソード電極は、気体透過性膜と、第1ガスケット、第2ガスケット及び第3ガスケットからなる複数のガスケットと、第1炭素材料と第2炭素材料からなる一対の炭素材料と、第1集電板と第2集電板からなる一対の集電板とを有し、前記第1集電板と前記第2集電板との間には前記第1ガスケットに支持された前記第1炭素材料と前記第2ガスケットに支持された前記第2炭素材料が配置され、前記第1炭素材料と前記第2炭素材料との間には前記第3ガスケットに支持された前記気体透過性膜が配置されてもよい。 In the formic acid generator according to the present invention, the cathode electrode comprises a gas permeable membrane, a plurality of gaskets consisting of a first gasket, a second gasket and a third gasket, and a pair consisting of a first carbon material and a second carbon material. and a pair of current collector plates consisting of a first current collector plate and a second current collector plate, and the first gasket is provided between the first current collector plate and the second current collector plate and the second carbon material supported by the second gasket is arranged, and the third gasket is supported between the first carbon material and the second carbon material. The gas permeable membrane may also be disposed.

本発明に係る蟻酸生成装置において、前記カソード電極は、半透膜と、第1枠体と第2枠体からなる一対の枠体と、集電板と、仕切板とを有するとともに、前記半透膜、前記第1枠体、前記集電板、前記第2枠体、前記仕切板がこの順に配置され、前記第1枠体は、平面視で矩形状に形成されるとともに中央部に第1貫通孔が形成され、上下に第1切欠き部と第2切欠き部が形成され、前記第2枠体は、一対の垂直部と該垂直部に略直交する一対の水平部を有するとともに、前記一対の垂直部と前記一対の水平部により第2貫通孔が形成され、前記一対の水平部にはそれぞれ流入口と流出口が形成され、前記一対の垂直部の一方には吸気孔が形成されるとともに前記一対の垂直部の他方には排気孔が形成され、前記集電板には、上下に一対の第1開口と第2開口が形成され、前記半透膜、前記一対の枠体、前記集電板及び前記仕切板に封止された状態で、前記電解液が前記流入口、前記第1開口、前記第1切欠き部、前記第1貫通孔、前記第2切欠き部、前記第2開口、前記流出口をこの順に通過し、前記二酸化炭素は前記吸気孔、第2貫通孔及び前記排気孔をこの順に通過してもよい。 In the formic acid generator according to the present invention, the cathode electrode has a semipermeable membrane, a pair of frames consisting of a first frame and a second frame, a current collector, and a partition plate. The transparent membrane, the first frame, the current collector plate, the second frame, and the partition plate are arranged in this order. One through hole is formed, a first notch and a second notch are formed in the upper and lower sides, and the second frame has a pair of vertical portions and a pair of horizontal portions substantially perpendicular to the vertical portions. , the pair of vertical portions and the pair of horizontal portions form a second through hole, the pair of horizontal portions are respectively formed with an inlet and an outlet, and one of the pair of vertical portions has an air intake hole. An exhaust hole is formed in the other of the pair of vertical portions, and a pair of first and second openings are formed in the upper and lower sides of the current collector plate, and the semipermeable membrane and the pair of frames are formed. The electrolytic solution flows through the inlet, the first opening, the first notch, the first through hole, and the second notch in a state sealed by the body, the current collector plate, and the partition plate. , the second opening, and the outflow port in this order, and the carbon dioxide may pass through the intake hole, the second through hole, and the exhaust hole in this order.

本発明によれば、電力損失を減少させるとともに、耐久性を有する蟻酸生成装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while reducing a power loss, it can provide the formic acid generator which has durability.

本発明の第1の実施形態に係る蟻酸生成装置の構成例を表す模式図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram showing the structural example of the formic acid production|generation apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る蟻酸生成装置の構成例を表す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration example of a formic acid generator according to a second embodiment of the present invention; 本発明の第1の実施形態に炭素材料及び集電板の斜視図である。1 is a perspective view of a carbon material and current collector plates in the first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第1の実施形態に係る集電板の平面図である。1 is a plan view of a current collector plate according to a first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第3の実施形態に係る蟻酸生成装置のカソード電極の分解斜視図である。FIG. 8 is an exploded perspective view of a cathode electrode of a formic acid generator according to a third embodiment of the present invention; 本発明の第4の実施形態に係る蟻酸生成装置の電解ユニットの構成例を表す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration example of an electrolysis unit of a formic acid generator according to a fourth embodiment of the present invention;

まず本発明の実施形態に係る蟻酸生成装置について説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。 First, a formic acid generator according to an embodiment of the present invention will be described. Note that common constituent elements will be described by attaching common reference numerals in the drawings. Further, the present invention is not limited to the following examples, and can be arbitrarily modified without departing from the gist of the present invention.

図1は、本発明の実施形態に係る蟻酸生成装置1の構成例を表す模式図である。蟻酸生成装置1は、水と大気中あるいは排気二酸化炭素から人工光合成により蟻酸を生成するものである。蟻酸生成装置1は、第1収容室11と、第2収容室12と、第1収容室11に配置されるアノード電極21と、第2収容室12に配置されるカソード電極22と、アノード電極21及びカソード電極22に電圧を印加するための外部電源(不図示)とを備える。蟻酸生成装置1は、例えば図示しない太陽電池に接続して使用されてもよい。なお、水に代えて、炭酸水素カリウム水溶液を使用してもよい。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a formic acid generator 1 according to an embodiment of the present invention. The formic acid generator 1 generates formic acid by artificial photosynthesis from water and atmospheric or exhaust carbon dioxide. The formic acid generator 1 includes a first storage chamber 11, a second storage chamber 12, an anode electrode 21 placed in the first storage chamber 11, a cathode electrode 22 placed in the second storage chamber 12, and an anode electrode. 21 and an external power source (not shown) for applying voltage to the cathode electrode 22 . The formic acid generator 1 may be used by being connected to, for example, a solar cell (not shown). In addition, it may replace with water and may use potassium hydrogencarbonate aqueous solution.

第1収容室11には、電解液100が収容されるとともに、電解液100に接した状態でアノード電極21が配置される。アノード電極21では、水を分解して水素イオンと電子が得られる。第1収容室11と第2収容室12との間には、水素イオンを選択的に透過するような半透膜(ナフィオン膜)23が配置されている。 The electrolyte 100 is accommodated in the first accommodation chamber 11 , and the anode electrode 21 is arranged in contact with the electrolyte 100 . At the anode electrode 21, hydrogen ions and electrons are obtained by decomposing water. Between the first storage chamber 11 and the second storage chamber 12, a semipermeable membrane (Nafion membrane) 23 that selectively permeates hydrogen ions is arranged.

第2収容室12には、電解液100及び二酸化炭素が収容される。第2収容室12には、二酸化炭素が溶解した電解液100に接した状態でカソード電極22が配置される。カソード電極22では、アノード電極21により水を分解して得られる水素イオンと電子を利用して、カソード電極22に担持された二酸化炭素還元触媒(例えば、Ru錯体等)において、大気中の二酸化炭素及び/又は排気二酸化炭素から人工光合成により蟻酸が生成される。 The second storage chamber 12 stores the electrolytic solution 100 and carbon dioxide. A cathode electrode 22 is arranged in the second housing chamber 12 in contact with the electrolytic solution 100 in which carbon dioxide is dissolved. At the cathode electrode 22, hydrogen ions and electrons obtained by decomposing water by the anode electrode 21 are used to convert carbon dioxide in the atmosphere into a carbon dioxide reduction catalyst (for example, a Ru complex, etc.) supported on the cathode electrode 22. and/or formic acid is produced by artificial photosynthesis from exhaust carbon dioxide.

図2は、本発明の第2の実施形態に係る蟻酸生成装置1の構成例を表す模式図である。図2に示すように、第2収容室12を電解液100が収容される第1収容空間12aと二酸化炭素が供給される第2収容空間12bとに分割し、カソード電極22の一方側が電解液100に接するとともに他方側が二酸化炭素に接することとしてもよい。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a formic acid generator 1 according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the second storage chamber 12 is divided into a first storage space 12a in which the electrolytic solution 100 is stored and a second storage space 12b in which carbon dioxide is supplied. 100 and the other side may be in contact with carbon dioxide.

蟻酸生成装置1では、水と大気中あるいは排気二酸化炭素から人工光合成により蟻酸が生成される。以下、蟻酸の生成過程について説明する。 In the formic acid generator 1, formic acid is generated by artificial photosynthesis from water and atmospheric or exhaust carbon dioxide. The process of producing formic acid will be described below.

アノード電極21では、水を分解して水素イオンと電子が得られる。アノード電極21とカソード電極22は導線で接続されており、アノード電極21で生成された電子はカソード電極22へと送られる。アノード電極21で生成された水素イオンは、半透膜23を透過してカソード電極22側へ移動する。カソード電極22は、アノード電極21により水を分解して得られる水素イオンと電子を利用して、大気中の二酸化炭素及び/又は排気二酸化炭素から人工光合成により蟻酸を生成する。 At the anode electrode 21, hydrogen ions and electrons are obtained by decomposing water. Anode electrode 21 and cathode electrode 22 are connected by a lead wire, and electrons generated at anode electrode 21 are sent to cathode electrode 22 . Hydrogen ions generated at the anode electrode 21 permeate the semipermeable membrane 23 and move to the cathode electrode 22 side. The cathode electrode 22 uses hydrogen ions and electrons obtained by decomposing water by the anode electrode 21 to produce formic acid from carbon dioxide in the atmosphere and/or exhaust carbon dioxide through artificial photosynthesis.

蟻酸生成装置1は、光化学反応装置として使用される。使用時には、カソード電極22に光が照射される構造とすることが好ましい。カソード電極22に光を照射する光源としては、太陽、人工光源等を用いることができる。 The formic acid generator 1 is used as a photochemical reaction device. It is preferable to employ a structure in which the cathode electrode 22 is irradiated with light during use. As a light source for irradiating the cathode electrode 22 with light, the sun, an artificial light source, or the like can be used.

蟻酸生成装置1では、まずアノード電極21において下記(1)式に示すように、水が分解され酸素と水素イオンと電子が生成される。
2HO→O+4H+4e ・・・(1)
In the formic acid generator 1, water is first decomposed at the anode electrode 21 to generate oxygen, hydrogen ions, and electrons as shown in the following formula (1).
2H 2 O→O 2 +4H + +4e (1)

アノード電極21は上記反応が生じる手段であれば特に限定はされないが、例えば、光触媒を担持した基板のような水分解デバイスが用いられる。 The anode electrode 21 is not particularly limited as long as it is a means for causing the above reaction, but for example, a water-splitting device such as a substrate supporting a photocatalyst is used.

カソード電極22では、光反応(人工光合成)プロセスを経て水素イオンと電子、及び二酸化炭素から蟻酸が生成される(下記式(2))。この時、アノード電極21で生成した水素イオンと電子が消費される。また、二酸化炭素は、大気中及び/又は他の機関からの排ガス中に存在するものを利用することができる。
CO+2H+2e→HCOOH ・・・(2)
At the cathode electrode 22, formic acid is produced from hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide through a photoreaction (artificial photosynthesis) process (formula (2) below). At this time, hydrogen ions and electrons generated at the anode electrode 21 are consumed. Carbon dioxide can also be used as it is present in the atmosphere and/or in exhaust gases from other engines.
CO 2 +2H + +2e →HCOOH (2)

カソード電極22は、炭素材料40と、炭素材料40を挟む一対の集電板50とを有して構成されている。図3は、炭素材料40及び集電板50の斜視図である。 The cathode electrode 22 includes a carbon material 40 and a pair of current collector plates 50 sandwiching the carbon material 40 . FIG. 3 is a perspective view of the carbon material 40 and the current collector plate 50. FIG.

炭素材料40は、二酸化炭素還元触媒を担持するための多孔質の導電性を有している。具体的には、炭素材料40は、カーボンファイバーなどの均一な薄膜によって構成され、二酸化炭素を還元するための導電性材料である。炭素材料40の厚みは特に限定されるものではないが、薄い方が望ましい。 The carbon material 40 has porous conductivity for supporting the carbon dioxide reduction catalyst. Specifically, the carbon material 40 is a uniform thin film such as carbon fiber, and is a conductive material for reducing carbon dioxide. The thickness of the carbon material 40 is not particularly limited, but a thinner one is desirable.

一対の集電板50は、同一の構成を有している。各集電板50は、正面視で矩形状に形成された板状部材である。集電板50は、炭素材料40を覆うことができる程度の大きさであることが好ましい。各集電板50は、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ガラスエポキシ等の電解液100に対し電気化学的に不活性な樹脂材料により形成されていることが望ましい。集電板50における両側の面のうち炭素材料40側の面は第1面51とされ、反対側の面は第2面52とされる。電気化学的に不活性な樹脂材料により形成された2枚の集電板50により炭素材料40を挟み込むことで、カソード電極22は構造体として高い剛性を確保することができる。また、集電板50の面積を大きくすれば、体積抵抗率が高くても大面積化時の電極全体としての抵抗は、小面積時の抵抗に保ったままにすることができる。すなわち、オーミック損失を抑えて大電流を流すことができる。なお、2枚の集電板50を、螺子や磁石等により結合することにより、更に剛性を高めることができる。 A pair of current collector plates 50 have the same configuration. Each current collector plate 50 is a plate-like member formed in a rectangular shape when viewed from the front. The collector plate 50 is preferably large enough to cover the carbon material 40 . Each collector plate 50 is desirably made of a resin material that is electrochemically inactive to the electrolytic solution 100, such as polyetheretherketone (PEEK) and glass epoxy. Of the two surfaces of the current collector plate 50 , the surface on the carbon material 40 side is a first surface 51 , and the opposite surface is a second surface 52 . By sandwiching the carbon material 40 between two collector plates 50 made of an electrochemically inactive resin material, the cathode electrode 22 can ensure high rigidity as a structural body. Further, by increasing the area of the current collecting plate 50, even if the volume resistivity is high, the resistance of the electrode as a whole when the area is increased can be maintained at the resistance when the area is small. That is, it is possible to suppress ohmic loss and allow a large current to flow. The rigidity can be further increased by connecting the two current collecting plates 50 with screws, magnets, or the like.

ここで、例えば炭素薄膜が円形に形成されていると仮定した場合、直径Dを有する炭素薄膜(表面抵抗率:ρs)の中心から外径迄の2点間抵抗Rsは、中心に配置した単芯棒(直径d)で測定したとして、以下の(3)式により算出される。
Here, for example, assuming that the carbon thin film is formed in a circular shape, the two-point resistance Rs from the center of the carbon thin film having a diameter D (surface resistivity: ρs) to the outer diameter is It is calculated by the following formula (3) assuming that it is measured with a core rod (diameter d).

炭素薄膜の直径Dが100cm、探針棒の直径dが1mmの場合、抵抗値Rsは1.10ρsとなる。一方、本実施形態では、どのような直径の炭素薄膜でも、その抵抗値は、各開口部の大きさによってのみ決まり、円形開口部の直径が1cmの場合、抵抗値Rsは0.37ρsに低減される。 When the diameter D of the carbon thin film is 100 cm and the diameter d of the probe rod is 1 mm, the resistance value Rs is 1.10 ps. On the other hand, in this embodiment, the resistance value of the carbon thin film of any diameter is determined only by the size of each opening, and when the diameter of the circular opening is 1 cm, the resistance value Rs is reduced to 0.37 be done.

図4は、集電板50の構成を示す図である。図4(a)は、集電板50の第1面51の構成を示し、図4(b)は、集電板50の第2面52の構成を示している。図示するように、集電板50には開口領域50aと、非開口領域50bが設けられている。開口領域50aは集電板50の中央部分に形成され、非開口領域50bは開口領域50aを取り囲む位置に設けられている。開口領域50aは、炭素材料40が配置される場所である。電解液100及び二酸化炭素との接触面積を増加させることが望ましいことを考慮すると、開口領域50aは、炭素材料40よりも広い面積を有するように形成されていることが望ましい。 FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the current collector plate 50. As shown in FIG. 4A shows the configuration of the first surface 51 of the current collector plate 50, and FIG. 4B shows the configuration of the second surface 52 of the current collector plate 50. FIG. As illustrated, the current collector plate 50 is provided with an open area 50a and a non-open area 50b. The open area 50a is formed in the central portion of the current collector plate 50, and the non-open area 50b is provided at a position surrounding the open area 50a. The open area 50a is where the carbon material 40 is placed. Considering that it is desirable to increase the contact area between the electrolytic solution 100 and carbon dioxide, the opening region 50a is desirably formed to have a larger area than the carbon material 40 .

開口領域50aは、複数の開口により構成されており、各開口の形状は、円形状、多角形状等、特に限定されるものではない。集電板50における開口領域50aが占める面積の割合は、特に限定されるものではないが、開口領域50aが占める割合が低いほうが望ましい。 The opening region 50a is composed of a plurality of openings, and the shape of each opening is not particularly limited and may be circular, polygonal, or the like. The ratio of the area occupied by the opening region 50a in the current collector plate 50 is not particularly limited, but the ratio occupied by the opening region 50a is preferably low.

図4(a)に示すように、第1面51側にはメッシュ状部材61と、メッシュ状部材61の周囲に設けられる接続部材62と、複数の電極63が設けられている。メッシュ状部材61は、集電板50において開口領域50aに対応する箇所に設けられている。各電極63は、第1面51側における集電板50の両側において設けられ、外部電源に接続される。接続部材62は、非開口領域50bにおいてメッシュ状部材61と複数の電極63とを接続するように設けられている。メッシュ状部材61、接続部材62及び複数の電極63は、それぞれ薄膜程度の厚みを有していればよく、例えばメッキによって製造されている。このようにすることで、金属の使用量を大幅に削減することができ、調達コストや環境負荷コストを削減することができる。 As shown in FIG. 4A, a mesh member 61, a connection member 62 provided around the mesh member 61, and a plurality of electrodes 63 are provided on the first surface 51 side. The mesh-like member 61 is provided on the collector plate 50 at a location corresponding to the opening region 50a. Each electrode 63 is provided on both sides of the current collector plate 50 on the side of the first surface 51 and is connected to an external power supply. The connection member 62 is provided to connect the mesh member 61 and the plurality of electrodes 63 in the non-opening region 50b. The mesh member 61, the connection member 62, and the plurality of electrodes 63 may each have a thickness of a thin film, and are manufactured by plating, for example. By doing so, the amount of metal used can be significantly reduced, and procurement costs and environmental load costs can be reduced.

メッシュ状部材61は、開口領域50a全体に亘って配置されている。具体的には、メッシュ状部材61は、開口領域50aを構成する複数の開口それぞれの周囲に設けられる導電性の配線パターンである。なお、一部の開口の周囲にはメッシュ状部材61が設けられなくてもよい。メッシュ状部材61が設けられる位置には炭素材料40が配置され、メッシュ状部材61と炭素材料40は電気的に接続される。 The mesh member 61 is arranged over the entire opening region 50a. Specifically, the mesh member 61 is a conductive wiring pattern provided around each of the plurality of openings forming the opening region 50a. Note that the mesh member 61 may not be provided around some of the openings. The carbon material 40 is arranged at the position where the mesh-like member 61 is provided, and the mesh-like member 61 and the carbon material 40 are electrically connected.

メッシュ状部材61は、開口領域50aを構成する開口の形状と同じ形状であればよく、例えば開口領域50aが六角形の複数の開口から構成されたハニカム構造を有しているのであれば、メッシュ状部材61も複数の開口から構成された導電性のハニカム構造を有していればよい。開口領域50aがハニカム構造を有することにより、集電板50の強度を高めることができる。但し、導電性を有し、複数の開口が形成されているのであれば、メッシュ状部材61はハニカム構造に限定されるものではない。 The mesh-like member 61 may have the same shape as the shape of the openings forming the opening region 50a. The shaped member 61 may also have a conductive honeycomb structure composed of a plurality of openings. The honeycomb structure of the opening region 50a can increase the strength of the current collector plate 50 . However, the mesh-like member 61 is not limited to the honeycomb structure as long as it has conductivity and has a plurality of openings.

炭素材料40が一対の集電板50に挟まれた状態では、炭素材料40は集電板50のうち開口領域50aと重なる位置に配置される。このため、炭素材料40が効率よく電解液100及び二酸化炭素と接することができる。また、炭素材料40の全体が、導電性の配線パターンであるメッシュ状部材61と接した状態で集電板50と電気的に接続されている。このため、炭素材料40に対し電気を効率良く供給することができる。従って、蟻酸生成装置1において蟻酸を効率よく生成することができる。なお、一対の集電板50には、複数の炭素材料40が挟まれてもよい。また、炭素材料40は、一部にメッシュ状部材61と接しない範囲があってもよい。 In the state where the carbon material 40 is sandwiched between the pair of current collector plates 50 , the carbon material 40 is arranged in the current collector plate 50 at a position overlapping the opening region 50 a. Therefore, the carbon material 40 can efficiently come into contact with the electrolytic solution 100 and carbon dioxide. In addition, the entire carbon material 40 is electrically connected to the current collector plate 50 while being in contact with the mesh member 61, which is a conductive wiring pattern. Therefore, electricity can be efficiently supplied to the carbon material 40 . Therefore, the formic acid generator 1 can efficiently generate formic acid. A plurality of carbon materials 40 may be sandwiched between the pair of current collector plates 50 . Also, the carbon material 40 may have a range that does not contact the mesh member 61 in part.

このように、カソード電極22は、二酸化炭素還元触媒を担持するための多孔質の導電性を有する炭素材料40と、この炭素材料40を挟む一対の集電板50とを有して構成され、一対の集電板50は、複数の開口が形成された開口領域50aと、開口領域を取り囲む位置に設けられる非開口領域50bを有している。このため、炭素材料40を電極に使用して、電力損失を減少させるとともに、蟻酸生成装置1の耐久性を確保することができる。 As described above, the cathode electrode 22 includes a porous conductive carbon material 40 for supporting a carbon dioxide reduction catalyst, and a pair of current collector plates 50 sandwiching the carbon material 40. The pair of current collector plates 50 has an open area 50a in which a plurality of openings are formed and a non-open area 50b provided at a position surrounding the open area. Therefore, by using the carbon material 40 for the electrodes, the power loss can be reduced and the durability of the formic acid generator 1 can be ensured.

図5は、本発明の第3の実施形態に係るカソード電極22の構成を示す図である。なお、以下に記載する第3の実施形態の説明においては、上述した実施形態と共通する点については説明を省略し、第1の実施形態と異なる事項について説明を行う。 FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the cathode electrode 22 according to the third embodiment of the invention. In the description of the third embodiment described below, the description of points common to the above-described embodiment will be omitted, and the differences from the first embodiment will be described.

図5に示すように、カソード電極22は気体透過性膜70と、複数のガスケット80と、一対の炭素材料140と、一対の集電板150とを有している。具体的には、一対の炭素材料140は、第1炭素材料141と第2炭素材料142により構成されている。一対の集電板150は、第1集電板151と第2集電板152により構成されている。第1炭素材料141と第2炭素材料142との間には、気体透過性膜70が配置され、第1炭素材料141と第2炭素材料142は第1集電板151と第2集電板152との間に配置されている。本実施形態において、X軸方向及びY軸方向を水平方向とし、Z軸方向を上下方向とした場合、第1集電板151、第1炭素材料141、気体透過性膜70、第2炭素材料142、第2集電板152は、X軸方向においてこの順に配置されている。 As shown in FIG. 5, the cathode electrode 22 has a gas permeable membrane 70, a plurality of gaskets 80, a pair of carbon materials 140, and a pair of current collector plates 150. As shown in FIG. Specifically, the pair of carbon materials 140 is composed of a first carbon material 141 and a second carbon material 142 . The pair of current collectors 150 is composed of a first current collector 151 and a second current collector 152 . A gas permeable film 70 is disposed between the first carbon material 141 and the second carbon material 142, and the first carbon material 141 and the second carbon material 142 are connected to the first current collector 151 and the second current collector. 152. In this embodiment, when the X-axis direction and the Y-axis direction are horizontal directions, and the Z-axis direction is the vertical direction, the first current collector plate 151, the first carbon material 141, the gas permeable film 70, and the second carbon material 142 and the second collector plate 152 are arranged in this order in the X-axis direction.

気体透過性膜70は、本体部70aと、本体部70aと一体的に形成されている第1突出片70bとを有している。本体部70aは、平面視四角形状に形成され、炭素材料140とほぼ同じ寸法を有している。気体透過性膜70は、二酸化炭素等の気体を透過し、液体は透過させないように構成されている。気体透過性膜70は、撥水性の多孔質材料により形成されていることが望ましく、更には多孔性テフロンにより形成されていることが望ましい。 The gas permeable membrane 70 has a main body portion 70a and a first protruding piece 70b integrally formed with the main body portion 70a. The body portion 70 a is formed in a rectangular shape in plan view and has approximately the same dimensions as the carbon material 140 . The gas-permeable membrane 70 is configured to allow gas such as carbon dioxide to permeate but liquid not to permeate. The gas-permeable membrane 70 is desirably made of a water-repellent porous material, more preferably made of porous Teflon.

複数のガスケット80は、第1炭素材料141を支持する第1ガスケット81と、第2炭素材料142を支持する第2ガスケット82と、気体透過性膜70を支持する第3ガスケット83とを有して構成されている。第1ガスケット81は第1突出片70bと同じ側に第2突出片81aを有し、第2突出片81aには第1通気孔81bが形成されている。 The plurality of gaskets 80 has a first gasket 81 supporting the first carbon material 141, a second gasket 82 supporting the second carbon material 142, and a third gasket 83 supporting the gas permeable membrane 70. configured as follows. The first gasket 81 has a second projecting piece 81a on the same side as the first projecting piece 70b, and a first vent hole 81b is formed in the second projecting piece 81a.

第1集電板151には開口領域151aと、開口領域151aを取り囲む位置に非開口領域151bが設けられている。非開口領域151bには、二酸化炭素の通過を許容する第2通気孔153が形成されている。第2通気孔153は、非開口領域151bにおいて、第1通気孔81bと重なる位置に形成されているのであれば、場所は特に限定されるものではない。 The first collector plate 151 is provided with an opening region 151a and a non-opening region 151b at a position surrounding the opening region 151a. A second ventilation hole 153 is formed in the non-opening region 151b to allow passage of carbon dioxide. The location of the second ventilation hole 153 is not particularly limited as long as it is formed at a position overlapping the first ventilation hole 81b in the non-opening region 151b.

カソード電極22において、気体透過性膜70の一方の面側には第1通気孔81bが形成された第1ガスケット81及び第2通気孔153が形成された第1集電板151が配置され、第1突出片70b、第1通気孔81b及び第2通気孔153及が重なる位置に配置されている。即ち、気体透過性膜70の一方側において、ガスケット80及び集電板150に気体の通過を許容する通気孔が形成され、これらの通気孔が連通するように配置されている。このため、供給した二酸化炭素が第2通気孔153及び第1通気孔81bを介して気体透過性膜70に到達する。一般的に、ガス拡散電極の構造は、セルの壁が気体と液体との相分離の役割を担うが、この制約のため実装密度はセルの内壁面積で決まってしまう。一方、本実施形態では、電流のみならず気体(二酸化炭素)も炭素材料140に直接供給することができるため、複数の集電板150を設けることができる。これにより、カソード電極22の実装密度を高めることができる。 In the cathode electrode 22, a first gasket 81 having a first air hole 81b and a first collector plate 151 having a second air hole 153 are arranged on one side of the gas permeable membrane 70, The first protruding piece 70b, the first ventilation hole 81b and the second ventilation hole 153 are arranged at overlapping positions. That is, on one side of the gas-permeable membrane 70, the gasket 80 and the current collector plate 150 are formed with vent holes that allow gas to pass therethrough, and these vent holes are arranged so as to communicate with each other. Therefore, the supplied carbon dioxide reaches the gas-permeable membrane 70 via the second ventilation holes 153 and the first ventilation holes 81b. Generally, in the structure of a gas diffusion electrode, the cell wall plays a role of phase separation between gas and liquid, but due to this limitation, the mounting density is determined by the inner wall area of the cell. On the other hand, in the present embodiment, not only current but also gas (carbon dioxide) can be directly supplied to the carbon material 140, so a plurality of current collector plates 150 can be provided. Thereby, the mounting density of the cathode electrodes 22 can be increased.

図6は、第4の実施形態に係る蟻酸生成装置の電解ユニット200の分解斜視図である。なお、以下に記載する第4の実施形態の説明においては、上述した実施形態と共通する点については説明を省略し、第1の実施形態と異なる事項について説明を行う。電解ユニット200は、半透膜23、第1枠体210、集電板230、第2枠体220、仕切板240をこの順に有している。本実施形態では、X軸方向及びY軸方向が水平方向であり、Z軸方向が上下方向である。 FIG. 6 is an exploded perspective view of the electrolysis unit 200 of the formic acid generator according to the fourth embodiment. In addition, in the description of the fourth embodiment described below, the description of the points common to the above-described embodiment will be omitted, and the differences from the first embodiment will be described. The electrolytic unit 200 has a semipermeable membrane 23, a first frame 210, a collector plate 230, a second frame 220, and a partition plate 240 in this order. In this embodiment, the X-axis direction and the Y-axis direction are horizontal directions, and the Z-axis direction is the vertical direction.

第1枠体210は、板厚が薄い平面視で矩形状に形成され、中央部に第1貫通孔210aを有している。第1枠体210は、半透膜23と集電板230との間に配置される。第1枠体210には、上下に一対の第1切欠き部211と第2切欠き部212が形成されている。以下の説明では、第1枠体210の厚みをTとする。 The first frame 210 is formed in a rectangular shape in a plan view with a thin plate thickness, and has a first through hole 210a in the central portion. The first frame 210 is arranged between the semipermeable membrane 23 and the current collector 230 . A pair of first notch 211 and second notch 212 are vertically formed in the first frame 210 . In the following description, T is the thickness of the first frame 210 .

集電板230は、上下に一対の第1開口231と第2開口232が形成されている。第1開口231はX軸方向において第1切欠き部211と重なる位置に形成され、第2開口232はX軸方向において第2切欠き部212と重なる位置に形成されている。以下の説明では、集電板230のY軸方向における寸法(幅)をW1とする。 The collector plate 230 has a pair of first and second openings 231 and 232 formed vertically. The first opening 231 is formed at a position overlapping the first notch 211 in the X-axis direction, and the second opening 232 is formed at a position overlapping the second notch 212 in the X-axis direction. In the following description, W1 is the dimension (width) of the current collector plate 230 in the Y-axis direction.

第2枠体220は、X軸方向に厚みを有する平面視で矩形状に形成されている。第2枠体220は、Z軸方向に延びる一対の垂直部220aと、Y軸方向に延びる一対の水平部220bを有して構成されている。一対の垂直部220aと一対の水平部220bにより、第2貫通孔220cが形成されている。一対の垂直部220aのうち、一方にはY軸方向に連通された吸気孔223が形成され、他方にはY軸方向に連通された排気孔224が形成されている。一対の水平部220bのうち、上方にはX軸方向及びZ軸方向に貫通する流入口221が形成され、下方にはX軸方向及びZ軸方向に貫通する流出口222が形成されている。流入口221はX軸方向において第1開口231と重なる位置に形成され、流出口222はX軸方向において第2開口232と重なる位置に形成されている。 The second frame 220 is formed in a rectangular shape in a plan view having a thickness in the X-axis direction. The second frame 220 includes a pair of vertical portions 220a extending in the Z-axis direction and a pair of horizontal portions 220b extending in the Y-axis direction. A second through hole 220c is formed by the pair of vertical portions 220a and the pair of horizontal portions 220b. One of the pair of vertical portions 220a is formed with an intake hole 223 communicating in the Y-axis direction, and the other is formed with an exhaust hole 224 communicating in the Y-axis direction. Of the pair of horizontal portions 220b, an inlet port 221 penetrating in the X-axis direction and Z-axis direction is formed in the upper portion, and an outlet port 222 penetrating in the X-axis direction and the Z-axis direction is formed in the lower portion. The inflow port 221 is formed at a position overlapping the first opening 231 in the X-axis direction, and the outflow port 222 is formed at a position overlapping the second opening 232 in the X-axis direction.

電解ユニット200は、第1枠体210、集電板230及び第2枠体220が半透膜23と仕切板240により封止された状態である。即ち、第1貫通孔210aは半透膜23により封止され、第2貫通孔220cは仕切板240により封止され、集電板230が閉じ込められた状態となる。この状態で、電解液は流入口221、第1開口231、第1切欠き部211、第1貫通孔210a、第2切欠き部212、第2開口232及び流出口222を通過して電解ユニット200の外部に排出される。また、二酸化炭素等の気体は、吸気孔223、第2貫通孔220c及び排気孔224を通過して電解ユニット200の外部に排出される。 The electrolytic unit 200 is in a state in which the first frame 210 , the current collector plate 230 and the second frame 220 are sealed with the semipermeable membrane 23 and the partition plate 240 . That is, the first through hole 210a is sealed by the semipermeable film 23, the second through hole 220c is sealed by the partition plate 240, and the collector plate 230 is confined. In this state, the electrolytic solution passes through the inflow port 221, the first opening 231, the first notch 211, the first through hole 210a, the second notch 212, the second opening 232, and the outflow port 222 to enter the electrolysis unit. 200 is discharged to the outside. Also, gas such as carbon dioxide passes through the intake hole 223 , the second through hole 220 c and the exhaust hole 224 and is discharged to the outside of the electrolysis unit 200 .

このように、簡易な構成を有する電解ユニット200に集電板230を閉じ込めることで、第1枠体210の厚みTと集電板230の幅W1を自在に設定することができる。第1枠体210の厚みTの寸法が小さいほど溶液抵抗による電力損失を低減することができる。また、電解ユニット200の体積が小さいほど、高濃度の生成物を含む電解液が第2収容室12から排出されることを期待することができる。 Thus, by confining the current collector plate 230 in the electrolysis unit 200 having a simple configuration, the thickness T of the first frame 210 and the width W1 of the current collector plate 230 can be freely set. As the dimension of the thickness T of the first frame 210 is smaller, the power loss due to the solution resistance can be reduced. In addition, it can be expected that the smaller the volume of the electrolysis unit 200 is, the more the electrolytic solution containing the high-concentration product is discharged from the second storage chamber 12 .

なお、上記のように本発明の一実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。 Although one embodiment and examples of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will understand that many modifications are possible without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. would be easy to understand. Therefore, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、蟻酸生成装置の構成も本発明の一実施形態及び実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。 For example, a term described at least once in the specification or drawings together with a different, broader or synonymous term can be replaced with the different term anywhere in the specification or drawings. Also, the configuration of the formic acid generator is not limited to the one described in the embodiment and example of the present invention, and various modifications are possible.

1 蟻酸生成装置、11 第1収容室、12 第2収容室、21 アノード電極、22 カソード電極、40 炭素材料、50 集電板、50a 開口領域、50b 非開口領域、61 メッシュ状部材、70 気体透過性膜、81 第1ガスケット、82 第2ガスケット、83 第3ガスケット、100 電解液、141 第1炭素材料、142 第2炭素材料、151 第1集電板、152 第2集電板、210 第1枠体、210a 第1貫通孔、211 第1切欠き部、212 第2切欠き部、220 第2枠体、220a 垂直部、220b 水平部、220c 第2貫通孔、221 流入口、222 流出口、223 吸気孔、224 排気孔、230 集電板、231 第1開口、232 第2開口、240 仕切板、 1 Formic Acid Generator 11 First Storage Chamber 12 Second Storage Chamber 21 Anode Electrode 22 Cathode Electrode 40 Carbon Material 50 Current Collector 50a Opening Region 50b Non-Opening Region 61 Mesh Member 70 Gas Permeable membrane 81 First gasket 82 Second gasket 83 Third gasket 100 Electrolyte 141 First carbon material 142 Second carbon material 151 First current collector 152 Second current collector 210 First frame 210a First through hole 211 First notch 212 Second notch 220 Second frame 220a Vertical part 220b Horizontal part 220c Second through hole 221 Inlet 222 outflow port, 223 intake hole, 224 exhaust hole, 230 collector plate, 231 first opening, 232 second opening, 240 partition plate,

本発明の一態様は、二酸化炭素を還元して蟻酸を生成するための蟻酸生成装置であって、電解液を収容する第1収容室と、前記電解液及び二酸化炭素を収容する第2収容室と、前記電解液に接した状態で前記第1収容室に配置されるアノード電極と、前記電解液に接した状態で前記第2収容室に配置されるカソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極に電圧を印加するための外部電源と、を備え、前記カソード電極は、二酸化炭素還元触媒を担持するための多孔質の導電性を有する炭素材料と、該炭素材料を挟む同一の一対の集電板とを有して構成され、前記一対の集電板は、複数の開口が形成された開口領域と、該開口領域を取り囲む位置に設けられる非開口領域を有し、前記一対の集電板は、前記電解液に対し電気化学的に不活性な樹脂材料により形成され、前記炭素材料は、前記開口領域と重なる位置に配置されていることを特徴とする。 One aspect of the present invention is a formic acid generator for reducing carbon dioxide to generate formic acid, comprising a first storage chamber containing an electrolyte and a second storage chamber containing the electrolyte and carbon dioxide. an anode electrode arranged in the first storage chamber in contact with the electrolyte; a cathode electrode arranged in the second storage chamber in contact with the electrolyte; the anode electrode and the cathode; an external power supply for applying a voltage to the electrode, wherein the cathode electrode comprises a porous conductive carbon material for supporting a carbon dioxide reduction catalyst and a pair of identical aggregates sandwiching the carbon material. The pair of current collector plates has an open area in which a plurality of openings are formed and a non-open area provided at a position surrounding the open area , and the pair of current collector plates The plate is made of a resin material that is electrochemically inactive with respect to the electrolytic solution, and the carbon material is arranged at a position overlapping with the opening region.

本発明に係る蟻酸生成装置において、前記カソード電極は、一方側が前記電解液に接するとともに他方側が前記二酸化炭素に接した状態で前記第2収容室に配置されてもよい。

In the formic acid generator according to the present invention, the cathode electrode may be arranged in the second storage chamber with one side in contact with the electrolytic solution and the other side in contact with the carbon dioxide.

Claims (5)

二酸化炭素を還元して蟻酸を生成するための蟻酸生成装置であって、
電解液を収容する第1収容室と、
前記電解液及び二酸化炭素を収容する第2収容室と、
前記電解液に接した状態で前記第1収容室に配置されるアノード電極と、
前記電解液に接した状態で前記第2収容室に配置されるカソード電極と、
前記アノード電極及び前記カソード電極に電圧を印加するための外部電源と、を備え、
前記カソード電極は、二酸化炭素還元触媒を担持するための多孔質の導電性を有する炭素材料と、該炭素材料を挟む一対の集電板とを有して構成され、
前記一対の集電板は、複数の開口が形成された開口領域と、該開口領域を取り囲む位置に設けられる非開口領域を有していることを特徴とする蟻酸生成装置。
A formic acid generator for reducing carbon dioxide to produce formic acid,
a first storage chamber that stores an electrolytic solution;
a second storage chamber that stores the electrolytic solution and carbon dioxide;
an anode electrode arranged in the first storage chamber in contact with the electrolyte;
a cathode electrode arranged in the second housing chamber in contact with the electrolyte;
an external power supply for applying a voltage to the anode electrode and the cathode electrode;
The cathode electrode includes a porous conductive carbon material for supporting a carbon dioxide reduction catalyst and a pair of current collector plates sandwiching the carbon material,
A formic acid generating device, wherein the pair of current collector plates has an open area in which a plurality of openings are formed and a non-open area provided at a position surrounding the open area.
前記カソード電極は、一方側が前記電解液に接するとともに他方側が前記二酸化炭素に接した状態で前記第2収容室に配置され、
前記一対の集電板は、前記電解液に対し電気化学的に不活性な樹脂材料により形成され、
前記炭素材料は、前記開口領域と重なる位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の蟻酸生成装置。
The cathode electrode is arranged in the second storage chamber with one side in contact with the electrolytic solution and the other side in contact with the carbon dioxide,
The pair of current collector plates are made of a resin material that is electrochemically inactive with respect to the electrolytic solution,
2. The formic acid generator according to claim 1, wherein the carbon material is arranged at a position overlapping with the opening region.
前記一対の集電板のそれぞれは、前記開口領域において前記炭素材料と電気的に接続される導電性のメッシュ状部材を有し、
前記メッシュ状部材は、複数の開口から構成されたハニカム構造を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の蟻酸生成装置。
each of the pair of current collector plates has a conductive mesh member electrically connected to the carbon material in the opening region;
3. The formic acid generator according to claim 1, wherein said mesh member has a honeycomb structure composed of a plurality of openings.
前記カソード電極は、気体透過性膜と、第1ガスケット、第2ガスケット及び第3ガスケットからなる複数のガスケットと、第1炭素材料と第2炭素材料からなる一対の炭素材料と、第1集電板と第2集電板からなる一対の集電板とを有し、
前記第1集電板と前記第2集電板との間には前記第1ガスケットに支持された前記第1炭素材料と前記第2ガスケットに支持された前記第2炭素材料が配置され、
前記第1炭素材料と前記第2炭素材料との間には前記第3ガスケットに支持された前記気体透過性膜が配置されることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の蟻酸生成装置。
The cathode electrode includes a gas permeable membrane, a plurality of gaskets consisting of a first gasket, a second gasket and a third gasket, a pair of carbon materials consisting of a first carbon material and a second carbon material, and a first current collector. Having a pair of current collectors consisting of a plate and a second current collector,
the first carbon material supported by the first gasket and the second carbon material supported by the second gasket are arranged between the first current collector and the second current collector;
4. The gas permeable membrane supported by the third gasket is disposed between the first carbon material and the second carbon material, according to any one of claims 1 to 3. formic acid generator.
前記カソード電極は、半透膜と、第1枠体と第2枠体からなる一対の枠体と、集電板と、仕切板とを有するとともに、前記半透膜、前記第1枠体、前記集電板、前記第2枠体、前記仕切板がこの順に配置され、
前記第1枠体は、平面視で矩形状に形成されるとともに中央部に第1貫通孔が形成され、上下に第1切欠き部と第2切欠き部が形成され、
前記第2枠体は、一対の垂直部と該垂直部に略直交する一対の水平部を有するとともに、前記一対の垂直部と前記一対の水平部により第2貫通孔が形成され、前記一対の水平部にはそれぞれ流入口と流出口が形成され、前記一対の垂直部の一方には吸気孔が形成されるとともに前記一対の垂直部の他方には排気孔が形成され、
前記集電板には、上下に一対の第1開口と第2開口が形成され、
前記半透膜、前記一対の枠体、前記集電板及び前記仕切板に封止された状態で、前記電解液が前記流入口、前記第1開口、前記第1切欠き部、前記第1貫通孔、前記第2切欠き部、前記第2開口、前記流出口をこの順に通過し、前記二酸化炭素は前記吸気孔、第2貫通孔及び前記排気孔をこの順に通過することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の蟻酸生成装置。
The cathode electrode has a semipermeable membrane, a pair of frames consisting of a first frame and a second frame, a collector plate, and a partition plate, and the semipermeable membrane, the first frame, The current collector plate, the second frame, and the partition plate are arranged in this order,
The first frame is formed in a rectangular shape in plan view, has a first through hole formed in the center, and has a first notch and a second notch formed in the upper and lower sides,
The second frame has a pair of vertical portions and a pair of horizontal portions substantially perpendicular to the vertical portions, and a second through hole is formed by the pair of vertical portions and the pair of horizontal portions. An inlet and an outlet are formed in each of the horizontal portions, an intake hole is formed in one of the pair of vertical portions, and an exhaust hole is formed in the other of the pair of vertical portions,
A pair of first and second openings are formed in the upper and lower sides of the current collector plate,
In a state sealed by the semipermeable membrane, the pair of frames, the collector plate, and the partition plate, the electrolytic solution flows through the inlet, the first opening, the first notch, and the first opening. The carbon dioxide passes through the through hole, the second notch, the second opening, and the outflow port in this order, and the carbon dioxide passes through the intake hole, the second through hole, and the exhaust hole in this order. The formic acid generator according to any one of claims 1 to 3.
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