JP2023133899A - 二酸化炭素電解装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】二酸化炭素の利用効率を高めた二酸化炭素電解装置を提供する。【解決手段】実施形態の二酸化炭素電解装置１は、ＣＯ２を含むガス又はＣＯ２を含む第１の電解液を収容する第１の収容部２と、Ｈ２Ｏを含む第２の電解液を収容する第２の収容部３と、第１の収容部２と第２の収容部３との間に設けられた隔膜４と、前記ガス又は第１の電解液と接するカソードと、第２の電解液と接するアノードとを備える電気化学反応セル５と、第１の収容部２に前記ガス又は第１の電解液を供給する第１の供給部６と、第２の収容部３に第２の電解液を供給する第２の供給部７と、第２の収容部７からＯ２及びＣＯ２を含む排出物を排出する排出部に接続され、排出物中のガス成分からＣＯ２を分離する深冷分離装置を備える二酸化炭素分離部８とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、二酸化炭素電解装置に関する。
近年、石油や石炭といった化石燃料の枯渇が懸念され、持続的に利用できる再生可能エネルギーへの期待が高まっている。そのようなエネルギー問題、さらに環境問題の観点等から、太陽光等の再生可能エネルギーを用いて二酸化炭素を電気化学的に還元し、貯蔵可能な化学エネルギー源を作り出すパワートゥーケミカル技術の開発が進められている。パワートゥーケミカル技術を実現する二酸化炭素電解装置は、例えば水（Ｈ２Ｏ）を酸化して酸素（Ｏ２）を生成するアノードと、二酸化炭素（ＣＯ２）を還元して一酸化炭素（ＣＯ）等の炭素化合物を生成するカソードとを備えている。二酸化炭素電解装置のアノード及びカソードは、例えば太陽光発電、水力発電、風力発電、地熱発電等の再生可能エネルギーに由来する電源に接続される。
二酸化炭素電解装置のカソードは、例えばＣＯ２が溶解した水中に浸漬されたり、流路中を流れるＣＯ２と接するように配置される。カソードは、再生可能エネルギーに由来する電源からＣＯ２の還元電位を得ることによって、ＣＯ２を還元して一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、メタン（ＣＨ４）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、エチレングリコール（Ｃ２Ｈ６Ｏ２）等の炭素化合物を生成する。アノードは、水（Ｈ２Ｏ）を含む電解液と接するように配置され、酸素（Ｏ２）と水素イオン（Ｈ＋）とが生成される。このような二酸化炭素電解装置において、ＣＯ２の利用効率、さらにはＣＯ２の還元生成物の利用効率や利用価値を高めることが求められている。
特表２０１９－５０６１６５号公報 特開２０１８－０７０９３６号公報
本発明が解決しようとする課題は、ＣＯ２の利用効率を高めることを可能にした二酸化炭素電解装置を提供することにある。
実施形態の二酸化炭素電解装置は、二酸化炭素を含むガス又は二酸化炭素を含む第１の電解液を収容するための第１の収容部と、水を含む第２の電解液を収容するための第２の収容部と、前記第１の収容部と前記第２の収容部との間に設けられた隔膜と、前記ガス又は前記第１の電解液と接するように配置され、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成するためのカソードと、前記第２の電解液と接するように配置され、水を酸化して酸素を生成するためのアノードとを備える電気化学反応セルと、前記第１の収容部に前記ガス又は前記第１の電解液を供給する第１の供給部と、前記第２の収容部に前記第２の電解液を供給する第２の供給部と、前記第２の収容部から酸素及び二酸化炭素を含む排出物を排出する排出部に接続され、前記排出物中のガス成分から前記二酸化炭素を分離する深冷分離装置を備える第１の二酸化炭素分離部とを具備する。
実施形態の二酸化炭素電解装置を示す図である。 図１に示す二酸化炭素電解装置における電気化学反応セルの第１の例を示す図である。 図１に示す二酸化炭素電解装置における電気化学反応セルの第２の例を示す図である。 図１に示す二酸化炭素電解装置における二酸化炭素分離部としての深冷分離装置を示す図である。 実施形態の二酸化炭素電解装置の第１変形例を示す図である。 実施形態の二酸化炭素電解装置の第２変形例を示す図である。 実施形態の二酸化炭素電解装置の第３変形例を示す図である。
以下、実施形態の二酸化炭素電解装置について、図面を参照して説明する。以下に示す各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
図１は実施形態の二酸化炭素電解装置１を示す図である。図１に示す二酸化炭素電解装置１は、二酸化炭素（ＣＯ２）を含むガス又はＣＯ２を含む第１の電解液を収容するための第１の収容部２と水（Ｈ２Ｏ）を含む第２の電解液を収容するための第２の収容部３と隔膜４とを有する電気化学反応セル５と、第１の収容部２に前記ガス又は第１の電解液を供給する第１の供給部６と、第２の収容部３に第２の電解液を供給する第２の供給部７と、第２の収容部３から酸素（Ｏ２）及びＣＯ２を含む排出物を排出する排出部に接続され、排出物中のガス成分からＣＯ２を分離する深冷分離装置を備える二酸化炭素分離部８とを具備する。第２の収容部３からの排出ガスについては、後に詳述する。
第１の供給部（ＣＯ２供給部）６には、ＣＯ２発生源９が接続される。ＣＯ２発生源９にＣＯ２分離回収装置１０が付属している場合、ＣＯ２供給部６はＣＯ２分離回収装置１０に接続される。ＣＯ２分離回収装置１０はＣＯ２発生源９とは別に設置されていてもよい。ＣＯ２発生源９としては、例えば火力発電所、ゴミ焼却炉のような各種焼却炉や燃焼炉を有する施設、製鉄所、溶鉱炉を有する施設等が挙げられる。ＣＯ２発生源９はこれら以外のＣＯ２を発生する各種工場等であってもよく、特に限定されるものではない。第１の収容部２から一酸化炭素（ＣＯ）等を含む排出ガスを排出する排出部には、有価物製造部１１が接続されている。有価物製造部１１は、第１の収容部２から排出されるＣＯ等を原料として有価物を合成する化学合成部である。有価物製造部１１は必要に応じて設けられ、それに代えてＣＯ等を含む排出ガスを貯蔵するタンク等であってもよい。
電気化学反応セル５は、例えば図２や図３に示すような構造を有している。図２に示す電気化学反応セル５（５Ａ）は、カソード（還元電極）１２と、アノード（酸化電極）１３と、カソード１２とアノード１３との間に配置された隔膜４と、ＣＯ２を含むガス又はＣＯ２を含む第１の電解液をカソード１２と接するように流通させる第１の流路１４と、水を含む第２の電解液をアノード１３と接するように流通させる第２の流路１５と、カソード１２と電気的に接続された第１の集電板１６と、アノード１３と電気的に接続された第２の集電板１７とを備えている。第１の流路１４は第１の収容部２として機能し、第２の流路１５は第２の収容部３として機能する。電気化学反応セル５Ａの第１及び第２の集電板１６、１７は、電源１８と電気的に接続されている。電気化学反応セルは、スタックされた複数のセルが一体化された状態を有していてもよい。複数のセルを一体配置する場合、単位敷地面積当たりの二酸化炭素反応量が増加するために処理量を増やすことができ、好ましくは１０～１５０程度積層することが好ましい。
第１の流路１４には、ＣＯ２を含むガス又はＣＯ２を含む第１の電解液を供給する第１の供給流路１９と生成ガスを排出する第１の排出流路２０とが接続されている。第１の流路１４はＣＯ２供給部６と接続されている。第１の流路１４にＣＯ２を含むガスを供給する場合、ＣＯ２供給部６はＣＯ２分離回収装置１０から送られたＣＯ２ガスを直接又は一旦貯蔵した上で第１の供給流路１９に供給する。第１の流路１４にＣＯ２を含む第１の電解液を供給する場合、ＣＯ２供給部６はＣＯ２分離回収装置１０から送られたＣＯ２ガスを第１の電解液と混合した上で第１の供給流路１９に供給する。第１の流路１４にＣＯ２を含む第１の電解液を供給する場合、アノード１３側と同様な循環経路及びポンプを第１の流路１４に接続してもよい。この場合、循環経路に気液分離部が接続される。電気化学反応セル５Ａは、第１の流路（ガス流路）１４とは別に、第１の電解液（ＣＯ２を含んでいてもよいし、含んでいなくてよい）をアノード１３と接するように流通させる第３の流路（液流路）を有していてもよい。
第２の流路１５は電解液供給部７に接続されている。電解液供給部７は、第２の流路１５を介して第２の電解液を循環される循環経路２１及びポンプ２２を有している。循環経路２１には気液分離部２３が接続されている。気液分離部２３で第２の電解液を含む液体成分と生成物を含むガス成分とが分離され、液体成分はポンプ２２により第２の流路１５を含む循環経路２１内を循環する。気液分離部２３で分離されたガス成分は、アノード１３での生成物である酸素（Ｏ２）を含んでいる。さらに、後に詳述するように、第１の流路１４に供給されたＣＯ２が第２の流路１５に移動するため、ガス成分はＣＯ２をも含んでいる。気液分離部２３のガス成分排出部はＣＯ２分離部８に接続される。
図３に示す電気化学反応セル５（５Ｂ）は、ＣＯ２を含む第１の電解液を収容する第１の収容槽２４と、Ｈ２Ｏを含む第２の電解液を収容する第２の収容槽２５と、第１の収容槽２４と第２の収容槽２５との間に配置された隔壁４と、第１の収容槽２４内に第１の電解液と接するように配置されたカソード１２と、第２の収容槽２５内に第２の電解液と接するように配置されたアノード１３とを備えている。第１の収容槽２４は第１の収容部２として機能し、第２の収容槽２５は第２の収容部３として機能する。電気化学反応セル５Ｂのカソード１２及びアノード１３は、電源１８と電気的に接続されている。
第１の収容槽２４には、ＣＯ２を含むガス又はＣＯ２を含む第１の電解液を供給する第１の供給流路１９と、生成ガスを排出する第１の排出流路２０が接続されている。第１の供給流路１９はＣＯ２供給部６と接続されている。第１の収容槽２４の上部には生成ガスを溜める空間があり、この空間に第１の排出流路２０が接続されている。第１の収容槽２４内にＣＯ２を含む第１の電解液を供給するにあたって、ＣＯ２供給部６はＣＯ２分離回収装置１０から送られたＣＯ２ガスを第１の電解液と混合した上で第１の収容槽２４に供給する。ＣＯ２供給部６は、ＣＯ２分離回収装置１０から送られたＣＯ２ガスを第１の収容槽２４内に収容された第１の電解液内に供給してもよい。第１の収容槽２４には第２の収容槽２５と同様な循環経路及びポンプが接続されていてもよい。
ＣＯ２供給部６によりＣＯ２分離回収装置１０からのＣＯ２ガス流量とＣＯ２分離部８からのＣＯ２ガス流量を調節して第１の収容部２（第１の流路１４又は第１の収容槽２４）に導入してもよい。ＣＯ２分離回収装置１０からのＣＯ２ガス流量を計測する検出部とＣＯ２分離部８からのＣＯ２ガス流量を計測する検出部を設置し、第１の収容部２（第１の流路１４又は第１の収容槽２４）へ導入するＣＯ２ガスを調節することもできる。さらに、ＣＯ２分離回収装置１０からのＣＯ２ガス流量を計測する検出部とＣＯ２分離部８からのＣＯ２ガス流量を計測する検出部からの情報を、ガス流量を調整する調整部により調整してもよい。調整部は、ＣＯ２発生源９の運転状況（ＣＯ２発生状況）、ＣＯ２分離回収装置１０からのＣＯ２流量、電気化学反応セル５の稼働状況等に応じて、より適切なＣＯ２流量に調整することができる。
第２の収容槽２５は電解液供給部７に接続されている。電解液供給部７は、第２の収容槽２５を介して第２の電解液を循環される循環経路２１及びポンプ２２を有している。第２の収容槽２５の上部には生成ガスを溜める空間があり、この空間に第２の排出流路２６が接続されている。第２の排出流路２６から排出されるガス成分は、上述したようにアノード１３での生成物である酸素（Ｏ２）を含んでおり、さらに第１の収容槽２４に供給されたＣＯ２が第２の収容槽２５に移動するためにＣＯ２をも含んでいる。従って、第２の排出流路２６はＣＯ２分離部８に接続されている。
第１の収容槽２４と第２の収容槽２５とは、水素イオン（Ｈ＋）、水酸化物イオン（ＯＨ－）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３ －）、炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）等のイオンを移動させることが可能な隔膜４により分離されており、これにより２室構造の反応槽を構成している。２室構造の反応槽（２４、２５）は、例えば石英白板ガラス、ポリスチロール、ポリメタクリレート等で形成されていてもよい。２室構造の反応槽（２４、２５）の一部に光を透過する材料を用いて、残部に樹脂材料を用いてもよい。樹脂材料の例は、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）（コポリマー）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等を含む。
第１の流路１４又は第１の収容槽２４に供給される第１の電解液は、カソード溶液として機能するものであり、還元される物質としてＣＯ２を含んでいる。ここで、第１の電解液中に存在するＣＯ２の形態としては、ガス状である必要はなく、溶存したＣＯ２であったり、炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）や炭酸水素イオン（ＨＣＯ３ －）等の形態であってもよい。第１の電解液は、水素イオンを含んでいてもよく、また水溶液であることが好ましい。第２の流路１５又は第２の収容槽２５に供給される第２の電解液は、アノード溶液として機能するものであり、酸化される物質としてＨ２Ｏを含んでいる。第１及び第２の電解液に含まれる水の量や電解液成分を変えて反応性を変化させ、還元物質の選択性や生成物質の割合を変えることができる。第１及び第２の電解液は、必要に応じて酸化還元対を含有していてもよい。酸化還元対としては、Ｆｅ３＋／Ｆｅ２＋やＩＯ３－／Ｉ－等が挙げられる。
電気化学反応セル５（５Ａ、５Ｂ）の温度は、室温（例えば２５℃）から１５０℃までの範囲で電解液が気化しない温度とすることが好ましい。より好ましくは６０℃から１５０℃までの範囲の温度であり、さらに好ましくは８０℃から１５０℃までの範囲の温度である。室温未満の温度とするためには、チラー等の冷却装置が必要となり、総合的なシステムのエネルギー効率が低下するおそれがある。１５０℃を超える温度の場合、電解液の水が蒸気となって抵抗が上昇し、電解効率が低下するおそれがある。カソード１２の電流密度は特に限定されないが、単位面積当たりの還元生成物の生成量を上げるためには電流密度は高いほうが好ましい。電流密度は１００ｍＡ／ｃｍ２以上１．５Ａ／ｃｍ２以下が好ましく、さらに好ましくは３００ｍＡ／ｃｍ２以上７００ｍＡ／ｃｍ２以下である。１００ｍＡ／ｃｍ２未満では単位面積当たりの還元生成物の生成量が低く、大きな面積を必要とする。１．５Ａ／ｃｍ２を超えると水素発生の副反応が増加し、還元生成物の濃度が低下する。電流密度を上げることによりジュール熱も増加する場合、適切な温度以上に上昇してしまうため、電気化学反応セル５又はその付近に冷却機構を設けてもよい。冷却機構は水冷でも空冷でもよい。電気化学反応セル５の温度が室温よりも高い場合であっても、１５０℃以下の温度であればそのままの温度としてもよい。
第１の電解液と第２の電解液とは、異なる物質を含む電解液であってもよいし、同じ物質を含む同じ電解液であってもよい。第１の電解液と第２の電解液とが同じ物質及び同じ溶媒を含む場合、第１の電解液と第２の電解液は１つの電解液であると見なされてもよい。第２の電解液のｐＨは、第１の電解液のｐＨより高いことが好ましい。これによって、水素イオン、水酸化物イオン、炭酸水素イオン、炭酸イオン等のイオンが隔膜４を介して移動しやすくなる。さらに、ｐＨの差による液間電位差により酸化還元反応を効果的に進行させることができる。
第１の電解液は、ＣＯ２の吸収率が高い溶液であることが好ましい。ＣＯ２の第１の電解液中における存在形態は、必ずしも溶解した状態に限られるものではなく、気泡状のＣＯ２が第１の電解液中に混合されて存在していてもよい。ＣＯ２を含む電解液としては、例えば炭酸水素リチウム（ＬｉＨＣＯ３）、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）、炭酸水素セシウム（ＣｓＨＣＯ３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）のような炭酸水素塩や炭酸塩、リン酸、ホウ酸等を含む水溶液が挙げられる。ＣＯ２を含む電解液は、メタノール、エタノール等のアルコール類、アセトンのようなケトン類を含んでいてもよいし、アルコール溶液やケトン溶液であってもよい。第１の電解液は、ＣＯ２の還元電位を低下させ、イオン伝導性が高く、ＣＯ２を吸収するＣＯ２吸収剤を含む電解液であってもよい。
第２の電解液としては、水（Ｈ２Ｏ）を用いた溶液、例えば任意の電解質を含む水溶液を用いることができる。この溶液は水の酸化反応を促進する水溶液であることが好ましい。電解質を含む水溶液としては、例えばリン酸イオン（ＰＯ４ ２－）、ホウ酸イオン（ＢＯ３ ３－）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、セシウムイオン（Ｃｓ＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）、塩化物イオン（Ｃｌ－）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３ －）、炭酸イオン（ＣＯ３ －）、水酸化物イオン（ＯＨ－）等を含む水溶液が挙げられる。
上述した電解液としては、例えばイミダゾリウムイオンやピリジニウムイオン等の陽イオンと、ＢＦ４ －やＰＦ６ －等の陰イオンとの塩からなり、幅広い温度範囲で液体状態であるイオン液体もしくはその水溶液を用いることができる。さらに、他の電解液としては、エタノールアミン、イミダゾール、ピリジン等のアミン溶液もしくはその水溶液が挙げられる。アミンとしては、一級アミン、二級アミン、三級アミン等が挙げられる。これらの電解液が、イオン伝導性が高く、二酸化炭素を吸収する性質を有し、還元エネルギーを低下させる特性を有していてもよい。
一級アミンとしては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン等が挙げられる。アミンの炭化水素は、アルコールやハロゲン等が置換していてもよい。アミンの炭化水素が置換されたものとしては、メタノールアミン、エタノールアミン、クロロメチルアミン等が挙げられる。また、不飽和結合が存在していてもよい。これら炭化水素は、二級アミン、三級アミンも同様である。
二級アミンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジメタノールアミン、ジエタノールアミン、ジプロパノールアミン等が挙げられる。置換された炭化水素は、異なってもよい。これは三級アミンでも同様である。例えば、炭化水素が異なるものとしては、メチルエチルアミン、メチルプロピルアミン等が挙げられる。
三級アミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリメタノールアミン、トリエタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリブタノールアミン、トリへキサノールアミン、メチルジエチルアミン、メチルジプロピルアミン等が挙げられる。
イオン液体の陽イオンとしては、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムイオン、１－メチル－３－プロピルイミダゾリウムイオン、１－ブチル－３－メチルイミダゾールイオン、１－メチル－３－ペンチルイミダゾリウムイオン、１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。
イミダゾリウムイオンの２位が置換されていてもよい。イミダゾリウムイオンの２位が置換された陽イオンとしては、１－エチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２－ジメチル－３－プロピルイミダゾリウムイオン、１－ブチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２－ジメチル－３－ペンチルイミダゾリウムイオン、１－ヘキシル－２，３－ジメチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。
ピリジニウムイオンとしては、メチルピリジニウム、エチルピリジニウム、プロピルピリジニウム、ブチルピリジニウム、ペンチルピリジニウム、ヘキシルピリジニウム等が挙げられる。イミダゾリウムイオン及びピリジニウムイオンは共に、アルキル基が置換されていてもよく、不飽和結合が存在してもよい。
アニオンとしては、フッ化物イオン（Ｆ－）、塩化物イオン（Ｃｌ－）、臭化物イオン（Ｂｒ－）、ヨウ化物イオン（Ｉ－）、ＢＦ４ －、ＰＦ６ －、ＣＦ３ＣＯＯ－、ＣＦ３ＳＯ３ －、ＮＯ３ －、ＳＣＮ－、（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ－、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、ビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミド等が挙げられる。イオン液体のカチオンとアニオンとを炭化水素で接続した双生イオンでもよい。なお、リン酸カリウム溶液等の緩衝溶液を第１及び第２の収容槽２４、２５に供給してもよい。
隔膜４には、アニオン又はカチオンを選択的に流通させることができる膜等が用いられる。これによって、カソード１２及びアノード１３のそれぞれに接する電解液を、異なる物質を含む電解液とすることができ、さらにイオン強度の違い、ｐＨの違い等によって、還元反応や酸化反応を促進させることができる。隔膜４を用いて、第１の電解液と第２の電解液とを分離することができる。隔膜４は、カソード１２及びアノード１３が浸漬されている電解液に含まれる一部のイオンを透過させる機能、すなわち電解液に含まれる１種以上のイオンを遮蔽する機能を有していてもよい。これによって、例えば２つの電解液の間でｐＨ等を異ならせることができる。また、イオンの遮蔽については、一部のイオンを完全に遮蔽せず、イオン種による移動量を制限する程度の効果を発揮する隔膜でもよい。
隔膜４としては、例えばアストム社のネオセプタ（登録商標）、旭硝子社のセレミオン（登録商標）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、Ｆｕｍａｔｅｃｈ社のＦｕｍａｓｅｐ（登録商標）、ｆｕｍａｐｅｍ（登録商標）、デュポン社のテトラフルオロエチレンをスルホン化して重合したフッ素樹脂であるナフィオン（登録商標）、ＬＡＮＸＥＳＳ社のｌｅｗａｂｒａｎｅ（登録商標）、ＩＯＮＴＥＣＨ社のＩＯＮＳＥＰ（登録商標）、ＰＡＬＬ社のムスタング（登録商標）、ｍｅｇａ社のｒａｌｅｘ（登録商標）、ゴアテックス社のゴアテックス（登録商標）等のイオン交換膜を用いることができる。また、炭化水素を基本骨格とした膜や、アニオン交換ではアミン基を有する膜を用いてイオン交換膜が構成されていてもよい。第１の電解液と第２の電解液との間にｐＨ差がある場合、カチオン交換膜とアニオン交換膜を積層させたバイポーラ膜を用いることで、それぞれの電解液のｐＨを安定に維持したまま使用することができる。
隔膜４はイオン交換膜以外に、例えばシリコーン樹脂、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレン・テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン－クロロトリフロオロエチレンコポリマー（ＥＣＴＦＥ）等のフッ素系樹脂、セラミックスの多孔質膜、ガラスフィルタや寒天等を充填した充填物、ゼオライトや酸化物等の絶縁性多孔質体等を用いることができる。特に、親水性の多孔質膜は、気泡による目詰まりを起こすことがないため、隔膜４として好ましく用いられる。
カソード１２は、ガスとして供給されるＣＯ２、又は第１の電解液中に含まれるＣＯ２を還元して炭素化合物を生成する電極である。カソード１２は、電化セル５Ａでは第１の流路１４と接するように配置され、電化セル５Ｂでは第１の収容槽２４内に配置されて、第１の電解液に浸漬される。カソード１２は、ＣＯ２の還元反応により炭素化合物を生成するための還元触媒を含んでいる。還元触媒としては、ＣＯ２を還元するための活性化エネルギーを減少させる材料が用いられる。言い換えると、ＣＯ２の還元反応により炭素化合物を生成する際の過電圧を低下させる材料が用いられる。
カソード１２としては、例えば金属材料や炭素材料を用いることができる。金属材料としては、例えば金、アルミニウム、銅、銀、白金、パラジウム、亜鉛、水銀、インジウム、ニッケル、チタン等の金属、当該金属を含む合金等を用いることができる。炭素材料としては、例えばグラフェン、カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ：ＣＮＴ）、フラーレン、ケッチェンブラック等を用いることができる。なお、これらに限定されず、還元触媒として例えばＲｕ錯体又はＲｅ錯体等の金属錯体、イミダゾール骨格やピリジン骨格を有する有機分子を用いてもよい。還元触媒は複数の材料の混合物であってもよい。カソード１２は、例えば導電性基材上に薄膜状、格子状、粒子状、ワイヤ状等の還元触媒を設けた構造を有していてもよい。
カソード１２での還元反応により生成される炭素化合物としては、還元触媒の種類等によって異なり、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、メタン（ＣＨ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）、エチレングリコール（Ｃ２Ｈ６Ｏ２）等が挙げられる。また、カソード１２においては、ＣＯ２の還元反応と同時に、Ｈ２Ｏの還元反応により水素（Ｈ２）を発生する副反応が生起される場合がある。
アノード１３は、第２の電解液中の物質やイオン等の被酸化物質を酸化する電極である。例えば、水（Ｈ２Ｏ）を酸化して酸素や過酸化水素水を生成したり、塩化物イオン（Ｃｌ－）を酸化して塩素を生成する。アノード１３は、電気化学反応セル５Ａでは第２の流路１３と接するように配置され、電気化学反応セル５Ｂでは第２の収容槽２５内に配置され、第２の電解液に浸漬される。アノード１３は、Ｈ２Ｏ等の被酸化物質の酸化触媒を含んでいる。酸化触媒としては、被酸化物質を酸化する際の活性化エネルギーを減少させる材料、言い換えると反応過電圧を低下させる材料が用いられる。
酸化触媒材料としては、例えばルテニウム、イリジウム、白金、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン等の金属が挙げられる。また、二元系金属酸化物、三元系金属酸化物、四元系金属酸化物等を用いることができる。二元系金属酸化物としては、例えば酸化マンガン（Ｍｎ－Ｏ）、酸化イリジウム（Ｉｒ－Ｏ）、酸化ニッケル（Ｎｉ－Ｏ）、酸化コバルト（Ｃｏ－Ｏ）、酸化鉄（Ｆｅ－Ｏ）、酸化スズ（Ｓｎ－Ｏ）、酸化インジウム（Ｉｎ－Ｏ）、酸化ルテニウム（Ｒｕ－Ｏ）等が挙げられる。三元系金属酸化物としては、例えばＮｉ－Ｆｅ－Ｏ、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｏ、Ｌａ－Ｃｏ－Ｏ、Ｎｉ－Ｌａ－Ｏ、Ｓｒ－Ｆｅ－Ｏ等が挙げられる。四元系金属酸化物としては、例えばＰｂ－Ｒｕ－Ｉｒ－Ｏ、Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｏ－Ｏ等が挙げられる。なお、これらに限定されず、酸化触媒としてコバルト、ニッケル、鉄、マンガン等を含む金属水酸化物、Ｒｕ錯体やＦｅ錯体等の金属錯体を用いることもできる。また、複数の材料を混合して用いてもよい。
アノード１３は酸化触媒と導電性材料の両方を含んだ複合材料でもよい。導電性材料としては、例えばカーボンブラック、活性炭、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェン、ケッチェンブラック、ダイヤモンド等の炭素材料、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素がドープされた酸化錫（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ－ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＦＴＯ）、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛（Ａｌｕｍｉｎｕｍ－ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＡＺＯ）、アンチモンがドープされた酸化錫（Ａｎｔｉｍｏｎｙ－ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＡＴＯ）等の透明導電性酸化物、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｕ等の金属、それら金属を少なくとも１つ含む合金が挙げられる。アノード１３は、例えば導電性基材上に薄膜状、格子状、粒子状、ワイヤ状等の酸化触媒を設けた構造を有していてもよい。導電性基材としては、例えばチタン、チタン合金、又はステンレス鋼を含む金属材料が用いられる。
電源１８は、電気化学反応セル５に酸化還元反応を生起する電力を投入するものであって、カソード１２及びアノード１３と電気的に接続される。電源１８から供給される電気エネルギーを用いて、カソード１２による還元反応及びアノード１３による酸化反応が行われる。電源１８とカソード１２との間、及び電源１８とアノード１３との間は、例えば配線で接続されている。電気化学反応セル５と電源１８との間には、必要に応じてインバータ、コンバータ、電池等の電気機器を設置してもよい。電気化学反応セル５の駆動方式は、定電圧方式でもよいし、定電流方式でもよい。
電源１８は、通常の商用電源や電池等であってもよいし、また再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換して供給する電源であってもよい。このような電源の例としては、風力、水力、地熱、潮汐力等の運動エネルギーや位置エネルギーを電気エネルギーに変換する電源、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子を有する太陽電池のような電源、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池や蓄電池等の電源、音等の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置等の電源が挙げられる。光電変換素子は、照射された太陽光等の光のエネルギーにより電荷分離を行う機能を有する。光電変換素子の例としては、ｐｉｎ接合型太陽電池、ｐｎ接合型太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、多接合型太陽電池、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、色素増感型太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む。また、光電変換素子は、反応槽の内部でカソード１２及びアノード１３の少なくとも一方と積層されていてもよい。
次に、二酸化炭素電解装置１の動作について説明する。ここでは、ＣＯ２を還元して主として一酸化炭素（ＣＯ）を生成し、かつＨ２Ｏを酸化して酸素を生成する場合について述べる。カソード１２とアノード１３との間に電解電圧以上の電圧を印加すると、第２の電解液と接するアノード１３付近でＨ２Ｏの酸化反応が生じる。下記の（１）式に示すように、第２の電解液中に含まれるＨ２Ｏの酸化反応が生じ、電子が失われ、酸素（Ｏ２）と水素イオン（Ｈ＋）とが生成される。生成された水素イオン（Ｈ＋）の一部は、隔膜４を介して第１の収容部２内の電解液中に移動する。
２Ｈ２Ｏ → ４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ－ …（１）
アノード１３側で生成された水素イオン（Ｈ＋）がカソード１２付近に到達すると共に、電源１８からカソード１２に電子（ｅ－）が供給されると、ＣＯ２の還元反応が生じる。下記の（２）式に示すように、カソード１２付近に移動した水素イオン（Ｈ＋）と電源１８から供給された電子（ｅ－）とによって、電解液中に含まれるＣＯ２が還元されて、一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。
２ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ－ → ２ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ …（２）
なお、ＣＯ２の還元反応は、ＣＯの生成反応に限らず、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、メタン（ＣＨ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、プロパノール（Ｃ３Ｈ７ＯＨ）等の生成反応であってもよい。
上記した（１）式に示すように、アノード１３側の第２の流路１５又は第２の収容槽２５から排出されるガス成分は、酸素（Ｏ２）ガスを主としているものと考えられてきた。Ｏ２ガスと考えられていたアノード１３側の排出ガスは、再利用しない限り、大気中に放出されてきた。上記したカソード１２及びアノード１３における反応において、カソード１２側に供給されたＣＯ２は、カソード１２で還元反応されるものの、その一部はＣＯ２として、又は炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）や炭酸水素イオン（ＨＣＯ３ －）等として、アノード１３側に流入する。アノード１３側に移動した炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）や炭酸水素イオン（ＨＣＯ３ －）は、アノード溶液（第２の電解液）のｐＨが例えば６以下になると、化学平衡反応によりＣＯ２として存在するようになり、一部はアノード溶液に溶存する。このようなアノード溶液に溶存しきれないＣＯ２ガスは、アノード１３側から排出されるガス中にＯ２ガスと共に含まれることになる。一般的な電気化学反応セル５の動作条件において、アノード１３側からの排出ガス中のＣＯ２とＯ２との存在比は、例えば２：１まで上昇する場合がある。ＣＯ２とＯ２との比率（体積比）は動作条件により異なるが、おおよそＣＯ２：Ｏ２＝４：６～８：２程度になると考えられる。
上記したようなＣＯ２とＯ２とを含むガスをアノード１３側の排出ガスとして大気中に放出した場合、環境への負荷が増大すると共に、ＣＯ２の利用効率、ＣＯ２の還元生成物の利用効率や利用価値を低下させることになる。そこで、実施形態の二酸化炭素電解装置１においては、電気化学反応セル５の第２の収容部からガス成分（Ｏ２及びＣＯ２を含むガス成分）を排出する排出部に、排出ガス中のＣＯ２を分離して取り出すＣＯ２分離部８を接続している。具体的には、電気化学反応セル５Ａの場合には、第２の電解液を循環される循環経路２１に接続された気液分離部２３のガス成分排出部にＣＯ２分離部８が接続される。電気化学反応セル５Ｂの場合には、第２の収容槽２５の上部に設けられた生成ガスの貯留空間に接続された第２の排出流路２６にＣＯ２分離部８が接続される。
ＣＯ２分離部８としては、ＣＯ２とＯ２を含む他のガス成分との温度差（沸点や融点の差）により分離する深冷冷却法が適用される。ＣＯ２分離部８は、図４に示すように、アノード１３側の排出ガスからＣＯ２を分離する深冷分離装置８１を備えている。深冷分離装置８１は、図示しない寒冷発生装置（冷却装置）、圧縮機、熱交換器、精留装置等を備えることができる。例えば、ＣＯ２は高圧下（例えば０．５２ＭＰａ以上）において、低温状態（－５６．７℃以下）まで冷却すると、液体ＣＯ２となる。このとき、Ｏ２は大気圧下（０．１ＭＰａ）での沸点が－１８３℃であるため、高圧下においても気体状態を保っており、液体状態とはならない。従って、上記した高圧・低温状態において、ＣＯ２のみを液化して液体ＣＯ２として分離することができる。また、ＣＯ２は常圧下（例えば大気圧（０．１ＭＰａ）下）において、－７８．５℃で昇華して固体（ドライアイス）となる。Ｏ２はそのような状況下においても、気体状態を保っているため、ＣＯ２を固体（ドライアイス）として分離することができる。
上述したように、深冷分離法は気体が液体や固体になる温度の違いを利用してそれぞれのガスを分離する方法である。ＣＯ２分離部８としての深冷分離装置８１は、気体を圧縮する圧縮機を有していてもよい。この際、図２に示す気液分離装置２３や図３に示す第２の収容槽２５の上部空間に接続された第２の排出流路２６から排出されるガスは、上述したようにＣＯ２とＯ２との存在比が例えば２：１まで上昇する場合があり、動作条件により異なるものの、一般的にはそれらの体積比がおおよそＣＯ２：Ｏ２＝４：６～８：２程度になると考えられる。排出ガス中のＣＯ２以外のガス成分を含むガスからＣＯ２を分離するにあたって、排出ガス成分中のＣＯ２濃度が低い場合、その他のガスを圧縮及び冷却することになり、分離に必要な動力、すなわち冷却のエネルギーが多く必要になる。
実施形態の二酸化炭素電解装置１における第２の収容部（アノード部）３からの排出ガスは、空気中のＣＯ２濃度や火力発電所、ゴミ焼却炉等のＣＯ２発生源９からの排気ガスに比べて、ＣＯ２濃度が高い特徴を持つ。そのため、二酸化炭素電解装置１にＣＯ２分離部８として深冷分離装置８１を取り付けた場合、ＣＯ２分離部（装置）８の大きさを小型化することができ、エネルギー消費量を低く抑えることができる。一方、例えばアミン吸収剤によるＣＯ２分離装置は、プラントの大きさやエネルギー投入量が、ガス量に依存する部分もあるが、ＣＯ２吸収液の量とＣＯ２吸収能力とが関係するため、深冷分離装置ほどの小型化やエネルギー投入量の削減が期待できない。このように、深冷分離装置８１は、他のＣＯ２分離装置に比べてＣＯ２濃度を高くすることができ、そのような場合ほどプラントの大きさやエネルギー投入量を低減することが可能になる。深冷分離装置８１は少ないエネルギー投入量でＣＯ２を分離することができる。分離したＣＯ２はガスとして使用することができるし、さらに後述するように、冷却状態の液体ＣＯ２と固体ＣＯ２（ドライアイス）等として電気化学反応セル５等の冷却に使用することが可能である。
ＣＯ２分離部８で分離されたＣＯ２ガスは、二酸化炭素電解装置１とは別の装置等で再利用してもよいが、二酸化炭素電解装置１の第１の収容部２で再利用することが好ましい。具体的には、図５に示すように、ＣＯ２分離部８のＣＯ２排出口に接続されたＣＯ２再送流路２７をＣＯ２供給部６に接続することができる。これによって、アノード１３側から排出されたＣＯ２を二酸化炭素電解装置１で再利用することができ、ＣＯ２の利用効率、ＣＯ２の還元生成物の利用効率や利用価値を高めることができる。ＣＯ２再送流路２７は、電気化学反応セル５の第１の収容部２に直接接続してもよいが、第１の収容部２にＣＯ２ガスを供給する第１の供給部６に接続することが好ましい。第１の供給部６は電気化学反応セル５へのＣＯ２の投入量を調整するように、ＣＯ２を一旦貯蔵するタンクや貯蔵タンクからＣＯ２を供給量を調整しつつ第１の収容部２に供給する供給装置等を有することができるため、電気化学反応セル５におけるＣＯ２の還元状態を安定化させることができる。さらに、ＣＯ２再送流路２７はＣＯ２発生源９やＣＯ２分離回収装置１０にＣＯ２分離部８で分離されたＣＯ２を再送するように構成してもよい。
ここでは、電気化学反応セル５の水を含む第２の電解液を収容する第２の収容部３の排出部にＣＯ２分離部（第１のＣＯ２分離部）８を接続する場合について説明したが、ＣＯ２を収容する第１の収容部２の排出部にも、第２のＣＯ２分離部（図示せず）を接続してもよい。第２のＣＯ２分離部の構成は、第１のＣＯ２分離部８と同様であってもよいし、深冷分離装置以外のＣＯ２分離装置であってもよい。さらに、第１の収容部２の排出部には、後述するように水素分離部（図示せず）をさらに接続してもよい。
上述した深冷分離装置８１を用いた場合に発生する冷熱は、例えば電気化学反応セル５の少なくとも一部の冷却に使用することができる。有価物製造部１１においても冷却が必要な場合には、深冷分離装置８１で発生する冷熱を使用することができる。深冷分離装置８１で発生する冷熱は、例えば冷却状態の液体ＣＯ２と固体ＣＯ２（ドライアイス）、これらから発生する冷却されたＣＯ２ガス、ＣＯ２を分離した残余のガス（分離ガス）等を直接電気化学反応セル５の少なくとも一部の冷却に使用してもよいし、あるいはこれらの冷却媒体を熱伝導部材を介して電気化学反応セル５等を冷却してもよい。ここで、深冷分離装置８１から発生する冷熱は電気化学反応セル５に限らず、有価物製造部１１が冷却の必要な部分を有する場合には、そのような部分の冷却に使用してもよい。
例えば、電気化学反応セル５を冷却する際に、例えば図６に示すように、冷却水のような媒体を用いた冷却部２９を使用する場合、冷却部２９における冷却水を冷却するための熱交換器に、深冷分離装置８１で分離された冷却状態のＣＯ２を主とする気体、液体、又は固体、あるいはＣＯ２を分離した残余のガス（分離ガス）等を冷却媒体として使用してもよい。さらに、ヒートシンク等の内部に気体や液体が注入された金属製の熱移動可能な接合部を上記した冷却媒体で冷却し、冷却された接合部で電気化学反応セル５を冷却するようにしてもよい。これらによって、二酸化炭素電解装置１のエネルギー効率をより一層高めることが可能になる。なお、図６は冷却部２９が電気化学反応セル５第２の収容部３に接続されている状態を示しているが、これは便宜的に示したものであり、冷却部２９は第１の収容部２の冷却、さらにセル全体の冷却に用いられる。
ＣＯ２分離部８に入力されるガス流量やガス組成を検出する検出部、ＣＯ２分離部８から排出されるガスのガス流量、ＣＯ２濃度、ガス組成を検出する検出部を配置することもできる。ＣＯ２分離回収装置１０からのＣＯ２ガス流量を計測する検出部とＣＯ２分離部８からのＣＯ２ガス流量を計測する検出部、電気化学セル５の電流・電圧検出部からのデータに基づいて、ＣＯ２分離部８の冷却能力を調整することができる。また、ＣＯ２分離部８に入力されるガス流量やガス組成を検出する検出部、ＣＯ２分離部８から排出されるガスのガス流量、ＣＯ２濃度、ガス組成を検出する検出部には、温度検出機能を付加することもできる。この温度情報によって、ＣＯ２分離部８の冷却能力を調整することが可能となる。冷却部２９の動作についても、各検出部の情報に基づいて制御することが可能である。また、各調整部は、ＣＯ２発生源９の運転状況（ＣＯ２発生状況）、電気化学反応セル５の稼働状況等によって、適切なＣＯ２分離部８の冷却能力を調整することができる。電気化学反応セル５の稼働条件により電気化学反応セル５の発熱量が変化するため、冷却部へ導入する配管には導入量を調節する調整装置を設置してもよい。
有価物製造部１１は、第１の収容部２から排出されるＣＯ等を原料として有価物を化学合成する化学合成装置である。電気化学反応セル５の第１の収容部２から排出された生成ガスは、直接利用もしくは消費してもよいが、電気化学反応セル５の後段に化学合成装置を設けることで付加価値の高い有価物を製造することができる。有価物製造部１１は、第１の収容部２から生成ガスを排出する第１の排出流路２８に接続される。第１の排出流路２８には、排出ガスから余剰のＣＯ２を分離したり、排出ガス中の水分を除去することで、生成物であるＣＯ等を分離する生成物分離器等を接続してもよい。有価物製造部１１には、第１の収容部２から第１の排出流路２８を介してＣＯ等の生成ガスが供給される。例えば、電気化学反応セル５で上記した（２）式によりＣＯガスが生成されるとき、生成したＣＯガスと還元反応の副生成物としてのＨ２ガスとが混合された混合ガスを原料とすることで、メタノール合成によりメタノールを製造したり、またフィッシャー・トロプシュ合成によりジェット燃料や軽油等を製造することができる。
有価物製造部１１は、上記した化学合成装置に限らず、第１の収容部２で生成された還元生成物から他の物質を反応・合成することができれば、特に限定されるものではない。有価物製造部１１による還元生成物の反応は、化学反応、電気化学反応、藻類、酵素、酵母、細菌（バクテリア）等の生物を用いた生物的変換反応等を含む。化学反応、電気化学反応、細菌等の生物的変換反応は、室温よりも温度が高い場合、反応効率及び反応速度の少なくとも一つのパラメータが向上する場合がある。有価物製造部１１に導入する還元生成物を６０℃以上１５０℃以下の温度とした場合、二酸化炭素電解装置１のエネルギー変換効率を向上させることができる。細菌等の生物的変換反応は８０℃付近で最も効率的に反応が進行するために、６０℃以上１００℃以下の温度で還元生成物を有価物製造部１１に導入すると、さらに効率が向上する。有価物製造部１１は反応効率を向上させるために外部からエネルギーを加えて昇温してもよいし、加圧してもよい。
還元生成物は、ＣＯ２とＣＯとＨ２Ｏの電気分解によるＨ２を含んでいてもよい。Ｈ２濃度は使用形態により任意に調整できる。有価物製造部１１でＨ２を使用する場合、ＣＯとＨ２の混合物として使用するために、ＣＯ２を分離して使用してもよい。Ｈ２を使用しない場合、ＣＯのみを分離する。メタノール等を生成する場合、ＣＯのモル数に対してＨ２のモル数を２倍程度に調整することによって、電気化学反応セル５の第１の収容部２における副反応物であるＨ２を有価物として使用することができる。一方、第１の収容部２では反応条件によりＨ２の副反応を抑制して、還元生成物中のＨ２の濃度を体積百分率で０．１％以上５％以下の範囲で調整することもできる。これによって、高濃度なＣＯを提供するＣＯ製造装置として使用することができる。
有価物製造部１１は、さらに様々な形態で使用することができる。例えば、ＣＯ２発生源９としての火力発電所や高炉等の種類によっては、例えば図７に示すように、排出ガス中の各成分が特定の比率で含まれる場合がある。例えば、火力発電所や高炉等から排出されるガスは、Ｎ２とＣＯ２とを主として含み、さらに副成分としてＨ２を含み、ＣＯ２の含有率が１５％程度である場合がある。このような排出ガスを直接第１の収容部２に送り、第１の収容部２でＣＯ２の還元反応を実施すると、生成したＣＯと副生成物としてのＨ２と余剰のＣＯ２とＮ２とを含む混合ガスが第１の収容部２から排出される。このようなＣＯとＣＯ２とＨ２とＮ２とを含む混合ガスは、有価物製造部１１として発酵反応装置（ガス発酵や嫌気呼吸）、すなわち嫌気性微生物により燃料又はメタノール、エタノール、ブタノール等の化学物質を生成するバイオ合成装置の原料ガスとして好適な場合がある。このようなバイオ合成装置に上記した第１の収容部２から排出される混合ガスを原料ガスとして供給することによって、ＣＯ２の還元生成物の利用効率や利用価値を高めることができる。さらに、二酸化炭素反応装置１の前段としてのＣＯ２分離回収装置１０も不要になることから、より安価で高効率のシステムを提供することができる。
なお、上述した各実施形態の構成は、それぞれ組合せて適用することができ、また一部置き換えることも可能である。ここでは、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図するものではない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１…二酸化炭素電解装置、２…第１の収容部、３…第２の収容部、４…隔膜、５，５Ａ，５Ｂ…電化学反応セル、６…二酸化炭素供給部（第１の供給部）、７…第２の電解液供給部（第２の供給部）、８…二酸化炭素分離部、９…二酸化炭素発生源、１１…有価物製造部、１２…カソード、１３…アノード、１４…第１の流路、１５…第２の流路、１８…電源、２４…第１の収容槽、２５…第２の収容槽、２７…二酸化炭素再送流路、２９…冷却部、８１…深冷分離装置。

Claims (7)

  1. 二酸化炭素を含むガス又は二酸化炭素を含む第１の電解液を収容するための第１の収容部と、水を含む第２の電解液を収容するための第２の収容部と、前記第１の収容部と前記第２の収容部との間に設けられた隔膜と、前記ガス又は前記第１の電解液と接するように配置され、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成するためのカソードと、前記第２の電解液と接するように配置され、水を酸化して酸素を生成するためのアノードとを備える電気化学反応セルと、
    前記第１の収容部に前記ガス又は前記第１の電解液を供給する第１の供給部と、
    前記第２の収容部に前記第２の電解液を供給する第２の供給部と、
    前記第２の収容部から酸素及び二酸化炭素を含む排出物を排出する排出部に接続され、前記排出物中のガス成分から前記二酸化炭素を分離する深冷分離装置を備える第１の二酸化炭素分離部と
    を具備する二酸化炭素電解装置。
  2. 前記第１の二酸化炭素分離部は、前記分離された二酸化炭素を、前記電気化学反応セルの前記第１の収容部、前記第１の供給部、又は前記第１の供給部に前記二酸化炭素を供給する二酸化炭素発生源に再送する二酸化炭素再送流路を有する、請求項１に記載の二酸化炭素電解装置。
  3. さらに、前記深冷分離装置で分離された前記二酸化炭素を主とする気体、液体、又は固体、又は前記深冷分離装置で前記二酸化炭素を分離した残余のガスを冷却媒体として、前記電気化学反応セルの少なくとも一部を冷却する冷却部を具備する、請求項１又は請求項２に記載の二酸化炭素電解装置。
  4. さらに、前記第１の収容部から排出物を排出する排出部に接続され、前記排出物のガス成分から二酸化炭素を分離する第２の二酸化炭素分離部を具備する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の二酸化炭素電解装置。
  5. さらに、前記第１の収容部から前記炭素化合物を含む排出物を排出する排出部に接続され、前記排出物の少なくとも一部を原料として有価物を合成する有価物製造部を具備する、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素電解装置。
  6. 前記有価物製造部は、前記有価物として燃料又は化学物質を合成する発酵反応装置を具備する、請求項５に記載の二酸化炭素電解装置。
  7. さらに、前記深冷分離装置で分離された前記二酸化炭素を主とする気体、液体、又は固体、又は前記深冷分離装置で前記二酸化炭素を分離した残余のガスを冷却媒体として、前記有価物製造部の一部を冷却する冷却部を具備する、請求項５又は請求項６に記載の二酸化炭素電解装置。
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