JP2024043422A

JP2024043422A - 電解装置

Info

Publication number: JP2024043422A
Application number: JP2022148606A
Authority: JP
Inventors: 昭彦小野; 泰裕清田; 智御子柴; 良太北川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2024-03-29
Also published as: EP4339338A2; AU2023201374A1; US20240110303A1; CN117721478A

Abstract

【課題】電解効率の低下を抑制する。【解決手段】電解装置は、カソードガスを加湿する加湿器と、カソード流路の出口から排出されるとともにカソードガスと還元生成物とを含むカソード流体が流れるカソード排出流路と、アノード排出流路から供給されるアノード流体を、アノード溶液を含むアノード排液と酸化生成物を含むアノード排気に分離するアノード収集器と、アノード収集器から供給されるアノード排気を冷却してアノード排気に含まれる水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する第１の冷却器と、アノード収集器とアノード供給流路とを接続し、アノード収集器からアノード供給流路にアノード溶液が流れる第１の流路と、凝縮水収集器から加湿器にアノード凝縮水が流れる第２の流路と、第１の流路を流れるアノード溶液と第２の流路を流れるアノード凝縮水との間で熱交換を行う第１の熱交換構造と、を具備する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、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。再生可能エネルギーとしては、太陽電池や風力発電等が挙げられる。これらは発電量が天候や自然状況に依存するため、電力の安定供給が難しいという課題を有している。このため、再生可能エネルギーで発生させた電力を蓄電池に貯蔵し、電力を安定化させることが試みられている。しかし、電力を貯蔵する場合、蓄電池にコストを要したり、また蓄電時にロスが発生するといった問題がある。

このような点に対して、再生可能エネルギーで発生させた電力を用いて水（Ｈ_２Ｏ）の電解を行い、水から水素（Ｈ_２）を製造したり、あるいは二酸化炭素（ＣＯ_２）を電気化学的に還元し、一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、メタン（ＣＨ_４）、酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）等の炭素化合物のような化学物質（化学エネルギー）に変換する電解装置が注目されている。これらの化学物質をボンベやタンクに貯蔵する場合、電力（電気エネルギー）を蓄電池に貯蔵する場合に比べて、エネルギーの貯蔵コストを低減することができ、また貯蔵ロスも少ないという利点がある。

電解装置としては、例えばカソードに面するカソード流路と、アノードに面するアノード流路と、カソード流路とアノード流路との間に配置されたセパレータとを備える構成が挙げられる。このような構成を有する電解装置を用いて、例えばカソードとアノードに定電流を流して、電解反応を長時間実施した場合、生成物の量が低下したり、セル電圧が増加したりする等といった経時的なセル性能の劣化が生じるという課題がある。このため、経時的なセル性能の劣化を抑制することを可能にした電解装置が求められている。

ＺｅｎｇｃａｌＬｉｕｅｔａｌ．，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣＯ２Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，１５，ｐ．５０－５６（２０１５）ＳｉｎｃｈａｏＭａｅｔａｌ．，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，１６１（１０），Ｆ１１２４－Ｆ１１３１（２０１４）

本発明が解決しようとする課題は、電解効率の低下を抑制することである。

電解装置は、第１の物質を酸化して酸化生成物を生成するアノードと、第２の物質を還元して還元生成物を生成するカソードと、アノードに面するアノード流路と、カソードに面するカソード流路と、アノード流路の入口に接続され、第１の物質を含むアノード溶液をアノード流路に供給するアノード供給流路と、アノード流路の出口から排出されるとともにアノード溶液と酸化生成物とを含むアノード流体が流れるアノード排出流路と、第２の物質を含むカソードガスを供給するカソードガス供給源と、カソードガスを加湿する加湿器と、カソード流路の入口に接続され、加湿されたカソードガスをカソード流路に供給するカソード供給流路と、カソード流路の出口から排出されるとともにカソードガスと還元生成物とを含むカソード流体が流れるカソード排出流路と、アノード排出流路から供給されるアノード流体を、アノード溶液を含むアノード排液と酸化生成物を含むアノード排気に分離するアノード収集器と、アノード収集器から供給されるアノード排気を冷却してアノード排気に含まれる水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する第１の冷却器と、アノード凝縮水を収容する凝縮水収集器と、アノード収集器とアノード供給流路とを接続し、アノード収集器からアノード供給流路にアノード溶液が流れる第１の流路と、凝縮水収集器と加湿器とを接続し、凝縮水収集器から加湿器にアノード凝縮水が流れる第２の流路と、第１の流路を流れるアノード溶液と第２の流路を流れるアノード凝縮水との間で熱交換を行う第１の熱交換構造と、を具備する。

第１の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。電解部１００の他の構造例を説明するための模式図である。電解部１００の他の構造例を説明するための模式図である。アノード流路１１２を有する流路板１１４の平面構造例を示す模式図である。冷却用流路１４１を有する流路板の平面構造例を示す模式図である。冷却用流路１４１を有する流路板１５３の他の平面構造例を示す模式図である。冷却用流路１４１を有する流路板１５３の他の平面構造例を示す模式図である。第２の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。第３の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。第４の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。第５の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。第６の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。第７の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。第８の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。

以下、実施形態の電解装置について、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。

なお、本明細書において、「接続する」とは、特に指定する場合を除き、直接的に接続することだけでなく、間接的に接続することも含む場合もある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。電解装置１は、電解部１００と、アノード供給部２００と、カソード供給部３００と、カソード排出部４００と、冷却部５００と、循環部６００と、制御部７００と、を具備する。

電解部１００は、アノード１１１と、アノード流路１１２と、アノード集電体１１３と、カソード１２１と、カソード流路１２２と、カソード集電体１２３と、セパレータ１３１と、冷却用流路１４１と、電源１５０と、検出器１５１と、を備える。アノード１１１、アノード流路１１２、カソード１２１、カソード流路１２２、およびセパレータ１３１は、電解セルを構成する。電解セルの例は、二酸化炭素電解セルおよび窒素電解セルを含む。

アノード供給部２００は、アノード収集器２０１と、流量制御器２０２と、流量制御器２０５と、熱交換器２０６と、流量制御器２０７とを、有する。

カソード供給部３００は、カソードガス供給源３０１と、加湿器３０２と、水供給源３０３と、流量制御器３０４と、圧力制御器３０５と、を有する。

カソード排出部４００は、カソード収集器４０１と、バルブ４０２と、を有する。

冷却部５００は、冷却器５０１と、凝縮水収集器５０２と、を有する。

循環部６００は、熱交換器６０１と、流量制御器６０２と、を有する。

制御部７００は、制御装置７０１を有する。

図２は、電解部１００の他の構造例を説明するための模式図である。図３は、電解部１００の他の構造例を説明するための模式図である。電解部１００は、図２および図３に示すように、複数の電解セルを備えることもできる。複数の電解セルは、例えば図示されていない一対の支持板で挟み込まれ、さらにボルト等で締め付けられていてもよい。

アノード１１１は、セパレータ１３１と接する。アノード１１１は、酸化対象物質を酸化して酸化生成物を生成するための電極である。アノード１１１は、例えば、酸化対象物質の水を酸化して酸化生成物の酸素（Ｏ_２）や水素イオン（Ｈ^＋）を生成する、またはカソード１２１での還元対象物質の還元反応により生じた水酸化物イオン（ＯＨ^－）を酸化して酸素や水を生成するための電極である。

アノード１１１は、上記酸化反応の過電圧を減少させることが可能な触媒材料（アノード触媒材料）を含むことが好ましい。このような触媒材料は、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属、それらの金属を含む合金や金属間化合物、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）、酸化リチウム（Ｌｉ－Ｏ）、酸化ランタン（Ｌａ－Ｏ）等の二元系金属酸化物、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｏ、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｏ、Ｌａ－Ｃｏ－Ｏ、Ｎｉ－Ｌａ－Ｏ、Ｓｒ－Ｆｅ－Ｏ等の三元系金属酸化物、Ｐｂ－Ｒｕ－Ｉｒ－Ｏ、Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｏ－Ｏ等の四元系金属酸化物、Ｒｕ錯体やＦｅ錯体等の金属錯体を含む。

アノード１１１は、セパレータ１３１とアノード流路１１２との間で液体やイオンを移動させることが可能な構造、例えばメッシュ材、パンチング材、多孔体、金属繊維焼結体等の多孔構造を有する基材を備えている。基材は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）等の金属やこれら金属を少なくとも１つ含む合金（例えばＳＵＳ）等の金属材料で構成してもよいし、上述したアノード触媒材料で構成してもよい。アノード触媒材料として酸化物を用いる場合には、上記した金属材料からなる基材の表面にアノード触媒材料を付着もしくは積層して触媒層を形成することが好ましい。アノード触媒材料は、酸化反応を高める上でナノ粒子、ナノ構造体、ナノワイヤ等を有することが好ましい。ナノ構造体とは、触媒材料の表面にナノスケールの凹凸を形成した構造体である。

カソード１２１は、セパレータ１３１に接する。カソード１２１は、還元対象物質の還元反応を生起し、還元生成物を生成するための電極（還元電極）である。還元対象物質の例は、二酸化炭素、窒素等を含む。還元生成物の例は、炭素化合物やアンモニアを含む。炭素化合物の例は、一酸化炭素、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、エタン、エチレン、メタノール、酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）、エタノール、プロパノール（Ｃ_３Ｈ_７ＯＨ）、エチレングリコール（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ_２）を含む。カソード１２１での還元反応は、還元対象物質の還元反応とともに、水の還元反応を生起して水素（Ｈ_２）を生成する副反応を含んでいてもよい。

カソード１２１は、ガス拡散層と、ガス拡散層の上に設けられたカソード触媒層と、を有する。ガス拡散層とカソード触媒層との間には、ガス拡散層より緻密な多孔質層を配置してもよい。ガス拡散層はカソード流路１２２側に配置され、カソード触媒層はセパレータ１３１側に配置される。カソード触媒層は、ガス拡散層中に入り込んでいてもよい。カソード触媒層は、触媒ナノ粒子や触媒ナノ構造体等を有することが好ましい。ガス拡散層は、例えばカーボンペーパやカーボンクロス等により構成され、撥水処理が施されていてもよい。多孔質層は、カーボンペーパやカーボンクロスより孔径が小さい多孔質体により構成される。

ガス拡散層に適度な撥水処理を施すことにより、カソード触媒層には主としてガス拡散により還元対象物質ガスが到達する。還元対象物質の還元反応やそれにより生成される炭素化合物の還元反応は、ガス拡散層とカソード触媒層との境界近傍、もしくはガス拡散層中に入り込んだカソード触媒層近傍で生起する。

カソード触媒層は、二酸化炭素を還元する場合、上記還元反応の過電圧を減少させることが可能な触媒材料（カソード触媒材料）で構成することが好ましい。このような材料の例は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）等の金属、それらの金属を少なくとも１つ含む合金や金属間化合物等の金属材料、炭素（Ｃ）、グラフェン、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、フラーレン、ケッチェンブラック等の炭素材料、Ｒｕ錯体やＲｅ錯体等の金属錯体を含む。カソード触媒層には、板状、メッシュ状、ワイヤ状、粒子状、多孔質状、薄膜状、島状等の各種形状を適用することができる。

カソード触媒層は、窒素を還元してアンモニアを生成することが可能なカソード触媒材料を用いてもよい。そのような材料としては、モリブデン錯体が挙げられる。例えば以下に示す（Ａ）～（Ｄ）のモリブデン錯体が挙げられる。

第１の例としては、（Ａ）ＰＣＰ配位子として、Ｎ，Ｎ－ビス（ジアルキルホスフィノメチル）ジヒドロベンゾイミダゾリデン（ただし、２つのアルキル基は同じでも異なっていてもよく、ベンゼン環の少なくとも１つの水素原子はアルキル基、アルコキシ基、又はハロゲン原子に置換されていてもよい）を有するモリブデン錯体が挙げられる。
第２の例としては、（Ｂ）ＰＮＰ配位子として、２，６－ビス（ジアルキルホスフィノメチル）ピリジン（ただし、２つのアルキル基は同じでも異なっていてもよく、ピリジン環の少なくとも１つの水素原子はアルキル基、アルコキシ基、またはハロゲン原子に置換されていてもよい）を有するモリブデン錯体が挙げられる。
第３の例としては、（Ｃ）ＰＰＰ配位子として、ビスビス（ジアルキルホスフィノメチル）アリールホスフィン（ただし、２つのアルキル基は同じでも異なっていてもよい）を有するモリブデン錯体が挙げられる。
第４の例としては、（Ｄ）ｔｒａｎｓ－Ｍｏ（Ｎ_２）_２（Ｒ１Ｒ２Ｒ３Ｐ）_４（ただし、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は同じでも異なっていてもよい、アルキル基又はアリール基であり、２つのＲ３は互いに繋がってアルキレン鎖を形成していてもよい）で表されるモリブデン錯体が挙げられる。

上記したモリブデン錯体において、アルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、およびそれらの構造異性体等の直鎖状又は分岐状のアルキル基であってもよいし、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等の環状のアルキル基であってもよい。アルキル基の炭素数は１～１２であることが好ましく、１～６であることがより好ましい。アルコキシ基としては、例えばメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペントキシ基、ヘキシルオキシ基、およびそれらの構造異性体等の直鎖状又は分岐状のアルコキシ基であってもよいし、シクロプロポキシ基、シクロブトキシ基、シクロペントキシ基、シクロヘキシルオキシ基等の環状のアルコキシ基であってもよい。アルコキシ基の炭素数は１～１２であることが好ましく、１～６であることがより好ましい。ハロゲン原子としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。

（Ａ）のモリブデン錯体としては、例えば以下の式（Ａ１）で表されるモリブデン錯体が挙げられる。

（式中、Ｒ１およびＲ２は同じであっても異なっていてもよいアルキル基であり、Ｘはヨウ素原子、臭素原子、又は塩素原子であり、ベンゼン環上の少なくとも１つの水素原子はアルキル基、アルコキシ基、又はハロゲン原子で置換されていてもよい）

アルキル基、アルコキシ基、およびハロゲン原子は、既に例示したものと同じものが挙げられる。Ｒ１およびＲ２としては、かさ高いアルキル基（例えば、ｔｅｒｔ－ブチル基やイソプロピル基）が好ましい。ベンゼン環上の水素原子は、置換されていないか、５位および６位の水素原子が鎖状、環状、又は分岐状の炭素数１～１２のアルキル基で置換されていることが好ましい。

（Ｂ）のモリブデン錯体としては、例えば以下の式（Ｂ１）、式（Ｂ２）、式（Ｂ３）で表されるモリブデン錯体が挙げられる。

（式中、Ｒ１およびＲ２は同じであっても異なっていてもよいアルキル基であり、Ｘはヨウ素原子、臭素原子、又は塩素原子であり、ピリジン環上の少なくとも１つの水素原子はアルキル基、アルコキシ基、又はハロゲン原子で置換されていてもよい）

アルキル基、アルコキシ基、およびハロゲン原子は、既に例示したものと同じものが挙げられる。Ｒ１およびＲ２としては、かさ高いアルキル基（例えば、ｔｅｒｔ－ブチル基やイソプロピル基）が好ましい。ピリジン環上の水素原子は、置換されていないか、４位の水素原子が鎖状、環状、又は分岐状の炭素数１～１２のアルキル基で置換されていることが好ましい。

（Ｃ）のモリブデン錯体としては、例えば以下の式（Ｃ１）で表されるモリブデン錯体が挙げられる。

（式中、Ｒ１およびＲ２は同じであっても異なっていてもよいアルキル基であり、Ｒ３はアリール基であり、Ｘはヨウ素原子、臭素原子、又は塩素原子である）

アルキル基は、既に例示したものと同じものが挙げられる。アリール基としては、例えばフェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、およびそれらの環状の水素原子の少なくとも１つがアルキル基又はハロゲン原子で置換されたもの等が挙げられる。アルキル基やハロゲン原子は、既に例示したものと同じものが挙げられる。Ｒ１およびＲ２としては、かさ高いアルキル基（例えば、ｔｅｒｔ－ブチル基やイソプロピル基）が好ましい。Ｒ３としては、例えばフェニル基が好ましい。

（Ｄ）のモリブデン錯体としては、例えば以下の式（Ｄ１）、式（Ｄ２）で表されるモリブデン錯体が挙げられる。

（式中、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は同じであっても異なっていてもよいアルキル基又はアリール基であり、ｎは２又は３である）

アルキル基およびアリール基は、既に例示したものと同じものが挙げられる。式（Ｄ１）ではＲ１およびＲ２がアリール基（例えばフェニル基）で、Ｒ３が炭素数１～４のアルキル基（例えばメチル基）であるか、Ｒ１およびＲ２が炭素数１～４のアルキル基（例えばメチル基）で、Ｒ３がアリール基（例えばフェニル基）であることが好ましい。式（Ｄ２）では、Ｒ１およびＲ２がアリール基（例えばフェニル基）でｎが２であることが好ましい。

カソード触媒層を構成するカソード触媒材料は、上記した金属材料のナノ粒子、金属材料のナノ構造体、金属材料のナノワイヤ、もしくは上記した金属材料のナノ粒子がカーボン粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン等の炭素材料に担持された複合体を有することが好ましい。カソード触媒材料として触媒ナノ粒子、触媒ナノ構造体、触媒ナノワイヤ、触媒ナノ担持構造体等を適用することにより、カソード１２１における還元対象物質の還元反応の反応効率を高めることができる。

アノード流路１１２は、アノード１１１に面する。アノード流路１１２は、酸化対象物質を含むアノード溶液が流れ、アノード１１１に酸化対象物質を供給する機能を有する。

アノード溶液は、少なくとも酸化対象物質の水（Ｈ_２Ｏ）を含む溶液であることが好ましい。還元対象物質は、カソード流路１２２から供給されるため、アノード溶液は還元対象物質を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。

アノード溶液は、電解質を含む電解液であってもよい。電解液としては、例えば水酸化物イオン（ＯＨ^－）、水素イオン（Ｈ^＋）、カリウムイオン（Ｋ^＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、リチウムイオン（Ｌｉ^＋）、塩化物イオン（Ｃｌ^－）、臭化物イオン（Ｂｒ^－）、ヨウ化物イオン（Ｉ^－）、硝酸イオン（ＮＯ_３ ^－）、硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）、リン酸イオン（ＰＯ_４ ^２－）、ホウ酸イオン（ＢＯ_３ ^３－）、および炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）から選ばれる少なくとも１つを含む水溶液が挙げられる。アノード溶液の電気的な抵抗を低減するためには、液体として、水酸化カリウムや水酸化ナトリウム等の電解質を高濃度に溶解させたアルカリ溶液を用いることが好ましい。しかしながら、アノード溶液に還元対象物質が溶け込むと、アノード溶液は、次第に中性に変化する場合がある。継続的に電解反応を行うためには、大量のアルカリ溶液を必要とするため、腐食性の懸念や、持続性に問題を有する。よって、中性付近の電解液を用いれば、二酸化炭素等の還元対象物質が飽和し、常に同じｐＨの電解液を使用できる。

アノード流路１１２は、流路板１１４の表面に設けられる。流路板１１４の材料は、例えば化学反応性が低く、かつ導電性を有しない材料を含む。そのような材料の例は、例えばアクリル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、フッ素樹脂等の絶縁樹脂材料を含む。なお、流路板１１４は、図示されていない締め付けのためのネジ穴を有する。

カソード流路１２２は、カソード１２１に面する。カソード流路１２２は、還元対象物質を含むカソードガスが流れ、カソード１２１に還元対象物質を供給する機能を有する。

カソード流路１２２は、流路板１２４の表面に設けられる。流路板１２４の材料は、化学反応性が低く、かつ導電性が高い材料を用いることが好ましい。そのような材料の例は、例えばＴｉやＳＵＳ等の金属材料、カーボン等を含む。なお、流路板１２４は、図示されていないカソード流路１２２の入口および出口、また締め付けのためのネジ穴を有する。また、各流路板の前後には、図示を省略したパッキンが必要に応じて挟み込まれる。

セパレータ１３１は、アノード１１１とカソード１２１との間でイオンを移動させることができ、かつアノード１１１とカソード１２１とを分離することが可能なイオン交換膜を含む。イオン交換膜の例は、例えばナフィオンやフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタやセレミオンのようなアニオン交換膜を含む。イオン交換膜以外にもアノード１１１とカソード１２１との間でイオンを移動させることが可能な材料であれば、ガラスフィルタ、多孔質高分子膜、多孔質絶縁材等をセパレータ１３１に適用してもよい。

アノード１１１およびカソード１２１は、電源１５０に接続可能である。電源１５０の例は、通常の系統電源や電池に限定されず、太陽電池や風力発電等の再生可能エネルギーで発生させた電力を供給する電力源を含んでいてもよい。電源１５０は、上記電源の出力を調整してアノード１１１とカソード１２１との間の電圧を制御するパワーコントローラをさらに有していてもよい。なお、電源１５０は、電解装置１の外部に設けられてもよい。

検出器１５１は、電解セルの温度を測定する温度計、および、アノード１１１とカソード１２１との間の電圧（セル電圧）との電圧差や電流（セル電流）を測定するための基準電極を有する電流計または電圧計の少なくとも一つを有する。検出器１５１は、必ずしも設けられなくてもよい。

アノード流路１１２の入口は、アノード供給流路Ｐ１に接続される。アノード流路１１２の出口は、アノード排出流路Ｐ２に接続される。アノード供給流路Ｐ１およびアノード排出流路Ｐ２は、例えば配管により構成される。

カソード流路１２２の入口は、カソード供給流路Ｐ３に接続される。カソード流路１２２の出口は、カソード排出流路Ｐ４に接続される。カソード供給流路Ｐ３およびカソード排出流路Ｐ４は、例えば配管により構成される。

アノード流路１１２およびカソード流路１２２は、図２に示すように、流路板１３２の両面に設けることもできる。両面に流路を有する流路板をバイポーラ流路板ともいう。

図４は、アノード流路１１２を有する流路板１１４の平面構造例を示す模式図である。アノード流路１１２は、流路板１１４に設けられた入口ＩＮと出口ＯＵＴとを有する。また、アノード流路１１２は、流路板１１４の表面においてサーペンタイン形状を有し、折り返し部同士の間の領域は、分岐する。上記形状により、効率的にアノード流路１１２に上記液体を供給できる。なお、アノード流路１１２と同様に、カソード流路１２２も図４に示すようなサーペンタイン形状を有していてもよい。

冷却用流路１４１は、電解セルを冷却するための冷却水が流れる。冷却用流路１４１は、例えばアノード流路１１２またはカソード流路１２２に対抗して配置される。例えば、冷却用流路１４１は、アノード流路１１２に対してアノード１１１の反対側に設けられてもよい。また、冷却用流路１４１は、カソード流路１２２に対してカソード１２１の反対側に設けられてもよい。冷却用流路１４１は、例えば図示しない冷却水供給源に並列に接続され、冷却水供給源により冷却水を冷却させながら循環させてもよい。冷却用流路１４１は、必ずしも設けられなくてもよい。

図５は、冷却用流路１４１を有する流路板の平面構造例を示す模式図である。冷却用流路１４１は、流路板１５３に設けられた入口ＩＮと出口ＯＵＴとを有する。冷却用流路１４１の入口ＩＮは、アノード流路１１２の入口ＩＮよりもアノード流路１１２の出口ＯＵＴに近く、冷却用流路１４１の出口ＯＵＴは、アノード流路１１２の出口ＯＵＴよりもアノード流路１１２の入口ＩＮに近い。これにより、例えばアノード流路１１２におけるアノード流体の流れと冷却用流路１４１における冷却の流れを反対にすることができる。電解動作において、アノード溶液はアノード流路１１２の入口ＩＮから電解セルの内部に供給され、電解セルの内部で温度が上昇し、電解セルからアノード流体が排出されるアノード流路１１２の出口ＯＵＴでは温度が高くなるため、電解セルの内部でも入口付近は温度が低く、出口付近では温度が高くなる。これに対し、アノード流路１１２の出口ＯＵＴ側に冷却用流路１４１の入口ＩＮを設けることにより、電解セルの温度の均一性を高めることができる。

冷却用流路１４１は、流路板１５３の表面においてサーペンタイン形状を有する。上記形状により、効率的に冷却用流路１４１に水を含む液体を供給できる。なお、冷却用流路１４１の流路幅は、アノード流路１１２の流路幅よりも広くすることにより冷却効率を高めることができる。

図６は、冷却用流路１４１を有する流路板１５３の他の平面構造例を示す模式図である。図６に示す冷却用流路１４１は、図５に示す冷却用流路１４１と比較して冷却用流路１４１の中央部と周辺部との間で異なる流路幅を有する点が異なる。冷却用流路１４１の中央部の流路幅は、冷却用流路１４１の周辺部の流路幅よりも広いことが好ましい。これにより冷却効率を高めることができる。電解セルの中央部は放熱が少ないため、高温になりやすく、電解セルの周辺部は温度が低下しやすい。

図７は、冷却用流路１４１を有する流路板１５３の他の平面構造例を示す模式図である。図７に示す冷却用流路１４１は、図５に示す冷却用流路１４１と比較して冷却用流路１４１が流路板１５３の表面の中心部に設けられており、中心部を囲む外周部に冷却用流路１４１が設けられていない点が異なる。さらに、冷却用流路１４１の中央部の流路幅は、冷却用流路１４１の周辺部の流路幅よりも広いことが好ましい。これにより電解セルの面内温度分布を低下させることができる。

電解部１００は、複数の冷却用流路を備えていてもよい。図２に示す電解部１００は、冷却用流路１４１と、冷却用流路１４２と、を備える。図３に示す電解部１００は、冷却用流路１４１と、冷却用流路１４２と、冷却用流路１４３と、を備える。これに限定されず、電解部１００は、冷却用流路１４１、冷却用流路１４２、および冷却用流路１４３の少なくとも一つを備えることもできる。

冷却用流路１４１は、流路板１５３の表面に設けられる。冷却用流路１４２は、冷却用流路１４１よりも電解部１００の中央の電解セルから遠い。冷却用流路１４２は、例えばアノード集電体１１３に対してアノード１１１の反対側に設けられ、アノード集電体１１３に面していてもよい。冷却用流路１４２は、例えばカソード集電体１２３に対してカソード１２１の反対側に設けられ、カソード集電体１２３に面していてもよい。

冷却用流路１４３は、流路板１５２の表面に設けられる。冷却用流路１４３は、冷却用流路１４１よりも電解部１００の中央の電解セルに近い。例えば、スタックの端部の電解セルでは、締め付け板からの放熱量が大きいため、セル温度は低くなる傾向にあるが、スタックの中央部の電解セルは高温になりやすい。そこで、中央部の電解セルに面する冷却用流路１４３の流路幅を冷却用流路１４１の流路幅よりも大きくすることにより、複数の電解セルの温度のばらつきを抑制できる。また、冷却用流路１４３の流路深さを冷却用流路１４１の流路深さよりも大きくすることにより複数の電解セルの温度のばらつきを抑制してもよい。

流路板１５３および流路板１５２の材料の例は、例えば流路板１１４に適用可能な材料、流路板１２４に適用可能な材料を含む。

アノード収集器２０１は、アノード排出流路Ｐ２に接続される。アノード収集器２０１は、アノード流路１１２から排出され、アノード排出流路Ｐ２を流れるアノード流体を収容できるアノードタンクと、アノード流体をアノード排液とアノード排気に分離するアノード気液分離器と、を有する。アノード排液は、アノード溶液を含む。アノード排液は、アノード供給流路Ｐ１とアノード排出流路Ｐ２とを接続する循環流路Ｐ７を介してアノード供給流路Ｐ１に戻され、アノード溶液として再利用される。アノード排気は、酸化生成物と水蒸気とを含む。アノード排気は、未反応の酸化対象物質を含んでいてもよい。

アノード収集器２０１は、検出器２１１を有する。検出器２１１は、アノード収集器２０１に収容されるアノード流体に含まれる少なくとも一つのイオンの濃度を測定する濃度計、および、アノード収集器２０１に収容されるアノード流体のアノード収集器２０１の底面からの水位を測定する水位計の少なくとも一つを含む。検出器２１１は、必ずしも設けられなくてもよい。

アノードタンクは、電解液供給源２１２に接続される。電解液供給源２１２は、アノードタンクに収容されるアノード排液に電解液を補充できる。電解液供給源２１２は、必ずしも設けられなくてもよい。

流量制御器２０２は、アノード供給流路Ｐ１の途中に設けられる。流量制御器２０２は、例えばポンプを有し、アノード供給流路Ｐ１を介してアノード流路１１２に供給されるアノード溶液の流量を制御する。

圧力制御器２０４は、アノード排出流路Ｐ２の途中に設けられる。圧力制御器２０４は、アノード排出流路Ｐ２の圧力を制御することにより、アノード流路１１２の圧力を制御する。

カソードガス供給源３０１は、例えば還元対象物質を含むカソードガスを収容できるシリンダーキャビネットを有する。カソードガスは、例えば二酸化炭素または窒素を含む。

加湿器３０２は、カソード供給流路Ｐ３の途中に設けられる。加湿器３０２は、カソードガスを加湿することができる。加湿器３０２は、例えば温水を収容できるタンクを有する。温水の温度は、特に限定されないが、例えば５０℃以上６０℃以下である。加湿器３０２は、さらに収容される温水のタンクの底面からの水位を測定する検出器３１１を有する。検出器３１１は必ずしも設けられなくてもよい。加湿器３０２は、加熱器を有していてもよい。

水供給源３０３は、加湿器３０２に温水等の水を供給することができる。水供給源３０３からの水の供給量は、例えば水供給源３０３と加湿器３０２とを接続する流路の途中に設けられたバルブを用いて制御できる。水供給源３０３は、必ずしも設けられなくてもよい。

流量制御器３０４は、カソード供給流路Ｐ３の途中であって加湿器３０２の後段に設けられる。流量制御器３０４は、例えばポンプを有し、加湿されたカソードガスの流量を制御できる。

圧力制御器３０５は、カソード排出流路Ｐ４の途中に設けられる。圧力制御器３０５は、カソード排出流路Ｐ４の圧力を制御することにより、カソード流路１２２の圧力を制御できる。

カソード収集器４０１は、カソード排出流路Ｐ４に接続される。カソード収集器４０１は、カソード流路１２２から排出され、カソード排出流路Ｐ４を流れるカソード流体を収容できるタンクと、カソード流体をカソード排液とカソード排気に分離する気液分離器と、を有する。カソード排液は、還元生成物と副反応の水素ガスと水蒸気とを含む。カソード排液は、アノード溶液を含む場合がある。カソード排液は、未反応の還元対象物質を含んでいてもよい。カソード排気は、カソード収集器４０１から外部に回収されてもよい。

バルブ４０２は、カソード収集器４０１とアノード収集器２０１とを接続する循環流路Ｐ５の途中に設けられる。バルブ４０２を開けることにより、カソード収集器４０１からアノード収集器２０１にカソード排液を供給できる。循環流路Ｐ５は、例えば配管により構成される。なお、循環流路Ｐ５の途中にポンプを設けてもよい。

冷却器５０１は、アノード収集器２０１から供給されるアノード排気に含まれる水蒸気を凝縮して水（アノード凝縮水）を生成する。アノード排気中に含まれる酸素生成物は、気体のまま回収される。冷却器５０１は、アノード収集器２０１と凝縮水収集器５０２とを接続する流路Ｐ６の途中に設けられる。流路Ｐ６は、例えば配管により構成される。冷却器５０１は、二重管を有していてもよい。

凝縮水収集器５０２は、アノード凝縮水を収容するタンクを有する。凝縮水収集器５０２は、冷却器５０１に接続される。

検出器５１１は、冷却器５０１に供給されるアノード排気の温度を測定できる。検出器５１１は、例えば流路Ｐ６の途中であって冷却器５０１の前段に設けられる。

熱交換器６０１は、アノード供給流路Ｐ１とアノード排出流路Ｐ２とを接続する循環流路Ｐ７を流れるアノード排液のアノード溶液と、凝縮水収集器５０２と加湿器３０２とを接続する循環流路Ｐ８を流れるアノード凝縮水と、の間で熱交換を行う熱交換構造を形成する。これにより、循環流路Ｐ７を流れるアノード排液のアノード溶液を冷却するとともに、循環流路Ｐ８を流れるアノード凝縮水を加熱することができる。熱交換構造は、例えば循環流路Ｐ７と循環流路Ｐ８とを熱交換部材により接続することにより形成できる。循環流路Ｐ７、循環流路Ｐ８は、例えば配管により構成される。

流量制御器６０２は、循環流路Ｐ８の途中に設けられる。流量制御器６０２は、例えば循環流路Ｐ８を介して加湿器３０２に供給されるアノード凝縮水の流量を制御するポンプを有する。

制御装置７０１は、例えば、検出器１５１、検出器２１１、検出器３１１、検出器５１１から検知信号を受信し、流量制御器２０２、バルブ４０２、流量制御器６０２に制御信号を送信する。制御装置７０１は、各構成要素と一部図示を省略した双方向の信号線を介して電気的に接続されており、これらは一括して制御される。なお、各配管には図示しないバルブが設けられており、バルブの開閉動作は制御装置７０１からの信号により制御されてもよい。

制御装置７０１は、例えばプロセッサ等を用いたハードウェアを用いて構成されてもよい。なお、各動作を動作プログラムとしてメモリ等のコンピュータ読み取りが可能な記録媒体に保存しておき、ハードウェアにより記録媒体に記憶された動作プログラムを適宜読み出すことで各動作を実行してもよい。

次に、電解装置１を用いた電解方法例について説明する。電解方法例は、流量制御器２０２および圧力制御器２０４を制御してアノード溶液をアノード供給流路Ｐ１を介してアノード流路１１２に供給し、流量制御器３０４および圧力制御器３０５を制御してカソードガス供給源３０１から加湿器３０２により加湿されたカソードガスをカソード供給流路Ｐ３を介してカソード流路１２２に供給し、電源１５０からアノード集電体１１３とカソード集電体１２３との間に電圧を印加してアノード１１１とカソード１２１に電流を供給する。

アノード１１１とカソード１２１に電流を流すと、以下に示すアノード１１１付近での酸化反応およびカソード１２１付近での還元反応が生じる。ここでは、還元対象物質の二酸化炭素を還元して還元生成物の一酸化炭素（ＣＯ）を生成する場合について説明するが、還元生成物は、一酸化炭素に限られるものではなく、前述した有機化合物等の他の炭素化合物やアンモニアであってもよい。また、電解セルによる反応過程としては、主に水素イオン（Ｈ^＋）を生成する場合と、主に水酸化物イオン（ＯＨ^－）を生成する場合とが考えられるが、これら反応過程のいずれかに限定されない。

主に水（Ｈ_２Ｏ）を酸化して水素イオン（Ｈ^＋）を生成する場合の反応過程について述べる。アノード１１１とカソード１２１との間に電流を供給すると、アノード流路１１２を流れるアノード溶液と接するアノード１１１で水（Ｈ_２Ｏ）の酸化反応が生じる。具体的には、下記の（１）式に示すように、アノード溶液中に含まれるＨ_２Ｏが酸化されて、酸素（Ｏ_２）と水素イオン（Ｈ^＋）とが生成される。
２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ^－ …（１）

アノード１１１で生成されたＨ^＋は、アノード１１１およびセパレータ１３１を介してカソード流路１２２内のカソードガス中を移動し、カソード１２１付近に到達する。電源１５０からカソード１２１に供給される電流に基づく電子（ｅ^－）とカソード１２１付近に移動したＨ^＋とにより、二酸化炭素（ＣＯ_２）の還元反応が生じる。具体的には、下記の（２）式に示すように、カソード流路１２２からカソード１２１に供給されたカソードガスに含まれるＣＯ_２が還元されてＣＯが生成される。
２ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－ → ２ＣＯ＋２Ｈ_２Ｏ …（２）

次に、主に二酸化炭素（ＣＯ_２）を還元して水酸化物イオン（ＯＨ^－）を生成する場合の反応過程について述べる。アノード１１１とカソード１２１との間に電流を供給すると、カソード１２１付近において、下記の（３）式に示すように、水（Ｈ_２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）が還元されて、一酸化炭素（ＣＯ）と水酸化物イオン（ＯＨ^－）とが生成される。水酸化物イオン（ＯＨ^－）はアノード１１１付近に拡散し、下記の（４）式に示すように、水酸化物イオン（ＯＨ^－）が酸化されて酸素（Ｏ_２）が生成される。
２ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ → ２ＣＯ＋４ＯＨ^－ …（３）
４ＯＨ^－ → ２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋４ｅ^－ …（４）

また、還元対象物質の窒素（Ｎ_２）を還元して還元生成物のアンモニア（ＮＨ_３）を生成する場合、アノード１１１付近では、電気化学的に水または水酸化物イオンが、下記式（５）または式（６）に基づいて酸化され、酸素が生成される。カソード１２１付近では、窒素が下記の式（７）または式（８）に基づいて還元され、アンモニアが生成される。
３Ｈ_２Ｏ → ３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ^－ …（５）
６ＯＨ^－ → ３／２Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ＋６ｅ^－ …（６）
Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ＋６ｅ^－ → ２ＮＨ_３＋６ＯＨ^－ …（７）
Ｎ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ^－ → ２ＮＨ_３ …（８）

加湿器３０２によりカソードガスを加湿することにより、アノード溶液中のカチオンと還元対象物質が反応してカチオンの炭酸塩がカソード流路１２２に析出することを抑制できる。また、析出した塩を溶解させるために水をカソード流路１２２の入口から供給する場合もある。

セパレータ１３１に多孔質膜を用いる場合、塩の析出によりカソード流路１２２による圧力損失が大きいと、カソード流路１２２からアノード流路１１２への水の移動量も増加する。また、多孔質膜の劣化により、膜の圧力損失が減少する場合、カソード流路１２２からアノード流路１１２への水の移動量が増加する。

アノード流路１１２から排出されるアノード流体は、アノード排出流路Ｐ２を介してアノード収集器２０１に供給される。アノード流路１１２に供給されるアノード溶液の一部はアノード１１１、セパレータ１３１、およびカソード１２１を介してカソード流路１２２に供給されることがある。これに対し、カソード流路１２２から排出されるカソード流体は、カソード排出流路Ｐ４を介してカソード収集器４０１に送られ、カソード流体から還元生成物を含むカソード排気を分離してカソード収集器４０１により回収される。

電解反応に伴って、アノード溶液中のカチオンがカソード流路１２２に移動する場合、アノード流路１１２を含む反応系全体のカチオン量は反応とともに減少し、アノード排液の電解液濃度が低下する。電解液濃度が低下するとセル抵抗が上昇し、イオンの移動量の減少によっても電解反応の効率が低下する。

電解反応に伴って、カソード流路１２２からアノード流路１１２に水が移動する場合がある。特にカソード流路１２２中の塩の析出を防ぐためにカソードガスを加湿して電解部１００に供給したり、水をカソード流路１２２に供給する場合は顕著である。水が移動すると、アノード溶液中の水の量が増加するため、より電解液濃度が低下し電解反応の効率が低下する。

電解装置１の運転を長時間継続する場合、アノード溶液の温度が上昇し、電解セルの温度が上昇する。これに対し、アノード溶液を直接冷却したり、冷却されたアノード溶液を冷却用流路１４１に供給して電解セルを冷却することが挙げられる。

冷却されたアノード溶液により電解セルを冷却する場合、アノード排出流路Ｐ２の途中でアノード溶液を冷却すると、アノード流路１１２から排出され、電解反応により温められたアノード溶液を含むアノード流体が冷却されてアノード収集器２０１に移動する。アノード収集器２０１は、アノード流体を、電解反応により生じる酸化生成物を含むアノード排気と、アノード溶液を含むアノード排液に分離する。さらに、アノード収集器２０１によりアノード排気を冷却してアノード排気に含まれる水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成すると、水蒸気として排出される水の量が減少するため、電解液濃度はさらに低下し、電解効率の低下の原因となる。

一方、アノード流路１１２から排出される温められたアノード流体を冷却せずにそのままアノード収集器２０１に供給すると、アノード収集器２０１のタンクに収容されるアノード排液の温度が上昇する。これにより、電解セルの温度が上昇する。

アノード溶液は、例えば電解セルとアノード収集器２０１との間で冷却されてもよい。この場合、排出される水蒸気量は増加するが、電解セルの温度が７０℃程度でアノード溶液の温度が５０℃から６０℃程度の場合、アノード排気中の水蒸気量では、アノード溶液の量が減少しても、電解液濃度が低下し、セル性能が低下する。このため、電解セルの温度を上昇させて電解装置１の運転を継続する場合、電解液濃度を保つことができても電解液量は次第に減少し、反応を継続させることが困難となる。

冷却したアノード排液を再度電解部１００で温めるため、エネルギーロスは大きく、好ましくない。アノード排出流路Ｐ２の途中で冷却する場合、冷却した少量のアノード流体で、大量のアノード収集器２０１のタンク中のアノード溶液を冷却しなければならず、装置内の機器により周辺温度が高温になることが予想されることから、冷却効率は非常に悪い。

アノード溶液の電解液の濃度の低下を防ぐためにカソード収集器４０１に収容されるカソード排液をアノード収集器２０１のタンクに戻すことが挙げられる。しかしながら、電解液量が変化するため、セル出力の安定は困難である。このため、アノード収集器２０１に水や電解液成分を供給する機構を設けることが挙げられるが、この場合、水や電解液成分が別途必要となり、機器の数も増加し、機器コスト、運転コストともに上昇し、好ましくない。

また、前述のとおり、カソードガスを加湿するため加湿器３０２に水を供給する必要がある。そこで、アノード収集器２０１から加湿器３０２にアノード排液に含まれる水を供給することも考えられるが、通常の冷却温度（５℃から２５℃程度）では、電解液量が減少するため、加湿器３０２に供給可能な水が不足する。また、アノード排液を加湿器３０２やカソード流路１２２に直接供給することにより別の問題も発生する。加湿器３０２内では水だけが蒸発するため、加湿器３０２内の電解液成分が濃縮され、塩の析出の原因となる。また、冷却されたアノード排液を加湿器３０２に戻すために再度加熱する必要があることからエネルギー効率が悪化する。

そこで、本実施形態の電解装置は、アノード流体からアノード排気を分離後、アノード収集器２０１により分離されたアノード排気をアノード収集器２０１とは別に設けられた冷却器５０１を用いて冷却することにより、アノード排気に含まれる水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する。生成されたアノード凝縮水は、蒸留水であるため、加湿器３０２に供給することができる。上記構成にすることにより、反応系内からの水の減少を抑制することができ、外部から水や電解液を補充する必要がなく長時間運転することができる。

さらに、本実施形態の電解装置は、循環流路Ｐ７を流れるアノード排液と、循環流路Ｐ８を流れるアノード凝縮水と、の間で熱交換を行う熱交換構造を形成する。加湿器３０２に供給されるアノード凝縮水は、アノード排液により加温され、アノード排液は、アノード凝縮水により冷却されてアノード溶液としてアノード流路１１２に供給されるため、アノード溶液および電解セルを冷却するとともに、アノード凝縮水を加熱して加湿器３０２に供給できるため、エネルギー効率が高い構成を実現できる。

熱交換構造は、熱交換器６０１を有することが好ましい。コストや装置サイズの関係から熱交換器６０１である必要はなく、コストや装置サイズの制限から両者の配管を熱交換部材で接続してもよい。熱交換性を考慮する場合、熱交換部材は、金、銀、銅等の金属部材が好ましいが、コストや腐食性の観点からこれ以外の金属部材であってもよい。

前述のとおり、カソード流路１２２での塩の析出を防止するために、カソード供給流路Ｐ３から還元対象物質を含むカソードガスを加湿するが、電解部１００の内部で水の凝縮を防ぐためにセル温度より０℃以上２０℃以下程度下回った温度の飽和水蒸気を送るために加湿器３０２に常に水を供給することが好ましい。これに対し、アノード凝縮水をアノード排液との間で熱交換を行い、アノード凝縮水を温めることにより、加湿器３０２に通常の水を供給するよりも加熱器から加湿器３０２に投入する熱エネルギーを低減し、システム全体のエネルギー効率を向上できる。また、カソード流路１２２からアノード流路１１２に水が移動する場合であっても、アノード流路１１２に移動した水が加湿器３０２に戻ることで装置系内全体での水の減少を抑制できる。

アノード凝縮水を冷却してアノード排気の冷却やカソード排気の冷却に用い、これらの排気に含まれる水蒸気を凝縮してカソード凝縮水を生成し、さらに電解セルを直接冷却し、凝縮水収集器５０２に戻してもよい。このとき、循環流路Ｐ８を介してカソード凝縮水を加湿器３０２に供給して加湿水を補給してもよい。これにより、加湿水の推移に応じて、必要な量だけ凝縮水を供給できるため好適である。また、凝縮水の循環量による冷却の調整としても優れており、凝縮水を循環させることで液量の調節が容易であり、電解セルの発熱量やアノード排気やカソード排気の水蒸気量や温度に応じて、冷却能力を調整できるため好適である。また、アノード排気の冷却、カソード排気の冷却、および電解セルの冷却は、必ずしもこの順番に行う必要は無く、一部の冷却動作を並列に行ってもよく、すべての冷却動作を並列に行ってもよい。

電解反応による反応系からの水の排出は、一酸化炭素等の還元生成物を含むカソード排気に含まれる水蒸気と酸素等の酸化生成物を含むアノード排気中の水蒸気だけであるが、反応系から水を減少しないようにするために、冷却温度を極端に低くするとエネルギーが非常にかかるため、２５℃の室温程度から４０℃程度の温度で酸化生成物を含むアノード排気中の水蒸気を除去することが好ましい。一方、カソード排気においても同様であるが、還元生成物をさらにメタノール等の別の化合物へ変換するための反応に水蒸気が含まれていない方が好ましい場合、極力水蒸気を除去した方が好ましい。いずれの場合であっても、反応系から水は減少するため、反応系の中の流路のいずれかに水供給源３０３のような水を供給する機構を設けてもよい。また、電解液成分についても、アノード収集器２０１のタンクやカソード収集器４０１のタンクの水位の関係から排出したり、炭酸塩となった電解液成分の固体微粉末が反応系から排出されるなどの影響で、電解液濃度の調整のために、電解液を循環するための流路のいずれかに電解液供給源２１２のような電解液成分を供給する機構を設けてもよい。

制御装置７０１は、アノード溶液の量や濃度を測定する検出器２１１、加湿器３０２のタンクに収容される温水の水位を測定する検出器３１１、セル出力やセル温度を測定する検出器１５１等のセンサーの検知信号を受信し、検知信号を解析してもよい。制御装置７０１は、解析結果に基づいて制御信号を、例えば流量制御器２０２、バルブ４０２、流量制御器６０２に送信することにより、流量制御器２０２によりアノード溶液の流量を調整でき、バルブ４０２によりアノード収集器２０１に戻されるカソード排液の流量を調整でき、流量制御器６０２により加湿器３０２に供給するアノード凝縮水やカソード凝縮水の流量を調整できる。また、制御装置７０１は、各検知信号に基づいて水供給源３０３と加湿器３０２とを接続する流路の途中に設けられたバルブを制御信号により制御して水供給源３０３からの水の供給量を調整してもよい。制御装置７０１により、セル出力の向上や低コスト運転、長寿命運転等の目的を自由に設定して電解装置１を運転することができる。また、電解液濃度と量の調節の自由度が向上し、長時間安定して運転することができる。

制御装置７０１は、電解中の電解セルのセル出力が要求基準を満たさない場合に冷却動作を実行してもよい。セル出力の要求基準は、例えばセル出力と電解セルの温度との関係から設定される。電解セルの温度が上昇すると、セル出力が低下しやすい。

上記冷却動作の要否は、電解セルのセル電圧やセル電流、セル温度の変化のみでなく、アノード１１１とカソード１２１の間での気液分離の性能、つまり、アノード１１１とカソード１２１間の液体、ガスの移動量や、生成物のガス量、セル電圧と基準電極の電位との差、これらのパラメータに基づくファラデー効率の推測値を用いて判断することもできる。また、各パラメータから総合的に判定することができ、各値の組み合わせや計算手法は任意である。

電解セルの電流密度が低く、電解効率が高い場合は発熱量が小さく、カソード凝縮水を冷却用流路１４１に供給することにより、電解セルの温度の面内均一性を保つことができる、一方セルの電流密度が高く、電解効率が低い場合は発熱量が大きく、冷却用流路１４１に供給されるカソード凝縮水を循環させることにより、電解セルの温度の面内均一性を保つことが必要であるため、電解セルの電流密度や電解効率に従って冷却動作の要否を判断することが簡易で好ましい。

電解セルの運転時間を考慮して冷却動作の要否を判断してもよい。運転時間は、電解セルの放熱量、アノード溶液の温度上昇に伴う放熱量により温度上昇率を見積もることや予測することにより算出可能である。そこで、今後の電解セルの運転予測に従って、アノード溶液の温度を制御することが好ましい。積算した電圧値と時間、電流値と時間との積等の計算値を用いることも可能であり、その組み合わせや計算方法は任意である。また、これら組み合わせの計算値による判断は、単に継続時間による判断よりも電解セルの運転方法による違いが加味されるため、好ましい。さらには電流や電圧の変動値や、アノード溶液のｐＨ値、変化値、酸素発生量、変動量を冷却動作の要否の判断に用いてもよい。

アノード溶液は、少なくとも１０ｍＳ／ｍ以上、さらに好ましくは１００ｍＳ／ｍ以上の電気伝導率を有することが好ましい。これにより、電解セルの内部の抵抗を減らす効果や、熱伝導性を上げる効果を実現できる。冷却性能を考慮すると水の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する電解液をアノード溶液に用いることが好ましい。熱伝導率が高いことで、電解セルの熱を効率よく電解液に移動させて電解セルを冷却できる。還元対象物質の還元反応では電解効率が低く、発熱量が大きいため、冷却は重要となる。電解効率は、ここでは、理論電圧／反応電圧として定義する。

アノード溶液がイオンを含むことでアノード溶液の凝固点を０℃以下にすることができる。これにより０℃以下の環境でもアノード溶液が凍結することがないため、例えば寒冷地での使用も容易になる。また、電解セルの内部が凍結することで、セル部材の物理的破壊等が生じる。例えば、アノード流路１１２の内部や冷却用流路１４１の内部が凍結して体積が膨張することで、締め付け板を抑えるねじ等が破壊する場合がある。また、締め付け圧力は電解セル性能に大きく影響するため、一度膨張することで、締め付け圧力が変化する場合がある。これにより、締め付け板のゆがみや、ねじのゆがみ、流路板のゆがみ等が起こる場合がある。さらには、セパレータ１３１の膨潤、伸縮等に起因する破壊や、電解質のイオン交換性能の低下。ガス拡散層やカソード触媒層が凍結の影響でクラックが入るなどで性能が低下する場合がある。

電解動作による未使用エネルギーは、全て熱として外部に排出される。特に複数の電解セルを含むスタックでは反応体積密度が大きく、冷却がさらに重要となる。また、還元対象物質の電解反応は、温度により反応特性が大きく変化するため、電解セルの温度の面内の均一性や、複数の電解セルを含むスタックでは電解セルの温度分布が大きいと電解効率が大きく低下するため、冷却性能や、冷却手法による温度分布の均一化は効率向上に効果がある。

同様にアノード溶液の流量を変えることでセル温度を均一に保つ方法もあるが、アノード溶液の流量が変化すると、セル出力が変化したり、アノード溶液中に反応で発生した酸素ガス等のガス成分が流路に存在すると、気液二層流を形成して圧力損失が生じる、流路構造や圧力損失が異なる流路での制御は難しく、また、流量の違いにより生じる反応の特性変化が大きいため、好ましくない。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。電解装置１は、第１の実施形態と同様に、電解部１００と、アノード供給部２００と、カソード供給部３００と、カソード排出部４００と、冷却部５００と、循環部６００と、制御部７００と、を具備する。なお、以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、それ以外の部分については、第１の実施形態の電解装置１の説明を適宜援用できる。

図８に示す電解装置１は、図１に示す電解装置１と比較して、カソード排出部４００において冷却器４０３をさらに有し、循環部６００において熱交換器６０１および循環流路Ｐ８を有しない点が異なる。

冷却器４０３は、カソード収集器４０１に接続される。冷却器４０３は、カソード収集器４０１により分離されたカソード排気を冷却することにより、カソード排気中に含まれる水蒸気を凝縮して水（カソード凝縮水）を生成する。カソード排気中に含まれる炭素生成物や未反応の還元対象物質は、気体のまま回収される。

冷却器４０３は、供給流路Ｐ９を介して冷却用流路１４１の入口に接続される。カソード凝縮水は、供給流路Ｐ９を介して冷却用流路１４１に冷却水として供給される。供給流路Ｐ９は、例えば配管により構成される。なお、図２および図３に示すように、冷却用流路１４２や冷却用流路１４３を設ける場合、供給流路Ｐ９に接続された冷却用流路１４２や冷却用流路１４３に冷却用流路１４１と同じ冷却水を供給してもよい。

冷却用流路１４１は、電解セルとともに、冷却用流路１４１を流れるカソード凝縮水とアノード流路１１２を流れるアノード溶液との間で熱交換を行う熱交換構造を形成する。これにより、アノード溶液を冷却するとともに、冷却用流路１４１を流れるカソード凝縮水を加熱することができる。熱交換構造は、例えば冷却用流路１４１とアノード流路１１２およびカソード流路１２２とを熱交換部材として機能する流路板１１４および流路板１２４を介して接続することにより形成できる。

冷却用流路１４１の出口から排出される熱交換されたカソード凝縮水は、冷却用流路１４１と加湿器３０２とを接続する排出流路Ｐ１０を流れる。これにより、排出流路Ｐ１０を流れるカソード凝縮水を加湿器３０２に供給することができる。排出流路Ｐ１０は、例えば配管により構成される。流量制御器６０２は、加湿器３０２に供給するカソード凝縮水の流量を制御できる。流量制御器６０２は、必ずしも設けられなくてもよい。

図８に示すように、冷却用流路１４１の入口と凝縮水収集器５０２とを接続する供給流路Ｐ９の途中に冷却器４０３を設け、カソード凝縮水とともにアノード凝縮水を冷却用流路１４１に供給してもよい。これに限定されず、供給流路Ｐ９は、凝縮水収集器５０２に接続されなくてもよい。

第２の実施形態の電解装置は、還元対象物質や還元生成物と副反応の水素ガス等のガスを含むカソード排気中の水蒸気を冷却器４０３により凝縮してカソード凝縮水を生成する。カソード排液は、アノード流路１１２からカソード流路１２２に移動したアノード溶液の電解液成分を含む。カソード凝縮水は、加湿器３０２に戻され、カソード排液は、アノード収集器２０１に戻される。これにより、反応系全体からの水の減少を抑制し、冷却した温度の飽和水蒸気量分だけの水を加湿器３０２やアノード収集器２０１に補充すればよく、かつ電解液濃度を一定に保つことができる。

カソード流体は、カソード収集器４０１によりカソード排気とカソード排液に分離される。その後、カソード排気を冷却してカソード凝縮水を生成する。カソード排液は、アノード収集器２０１に戻される。カソード凝縮水は、電解液成分を含まず、加湿器３０２に戻すと電解液成分が加湿器３０２に混入しないため、加湿器３０２の腐食を抑制できる。また、カソード流路１２２に移動する電解液成分をアノード流路１１２に戻すため、電解液濃度を安定化させることができる。加湿器３０２の温度は、電解セルよりも０℃から２０℃程度低い温度で動作させる。一方、カソード排気の温度もセル温度より０℃から２０℃程度低い温度である。電解反応によりガス成分は変化するが、おおよそのガス量に大きな変化はなく、排出される水蒸気量と加湿器３０２で気化した水の量は本実施形態のようにカソード流体を直接気液分離する場合、おおよそ同じ程度の量である。カソード排気を冷却することにより生成されるカソード凝縮水の量と加湿器３０２で減少した水の量はおおよそ同じ量のため、電解液成分量の変化を防ぐことができ、電解液濃度の安定性を保つことができる。

制御装置７０１は、第１の実施形態と同様に、検知信号の解析結果に基づいて制御信号を、例えば流量制御器２０２、バルブ４０２、流量制御器６０２に送信することにより、流量制御器２０２によりアノード溶液の流量を調整でき、バルブ４０２によりアノード収集器２０１に戻されるカソード排液の流量を調整でき、流量制御器６０２により加湿器３０２に供給するアノード凝縮水やカソード凝縮水の流量を調整できる。制御装置７０１により、セル出力の向上や低コスト運転、長寿命運転等の目的を自由に設定して電解装置１を運転することができる。また、電解液濃度と量の調節の自由度が向上し、長時間安定して運転することができる。

以上のように、第２の実施形態の電解装置は、電解セルを冷却する冷却用流路１４１を設け、冷却用流路１４１にカソード凝集水を供給することにより、電解セルを冷却することができる。この場合、アノード溶液の温度は電解セルの温度よりも低い。アノード収集器２０１では、酸素等の酸化生成物をアノード排気として分離するが、高温のアノード溶液の飽和水蒸気量分の水が排出される。このような構成にすると電解液量が減少し、アノード溶液への大量の水の追加を必要とする場合がある。

アノード溶液で電解セルを冷却する場合、例えばアノード収集器２０１の前段に冷却器を設けることにより、水の排出量を低減できる。一方アノード収集器２０１の後段に冷却器を設けると、排出される水蒸気量が増加し、電解液量が大きく減少する。

前述のとおり、アノード流路１１２からカソード流路１２２に電解液成分が移動するが、電解反応に伴って、その移動量は増加する。このため、電解反応に伴って電解液濃度は低下し、セル抵抗が増加するため、次第に反応効率が低下する。電解液濃度の最適化のためには電解液の量は常に安定させて動作を行うことが好ましい。しかしながら、冷却器の位置やセル冷却のために別の冷却機構を設けた場合は、セルの運転条件により、電解液温度や冷却熱量により非常に不安定である。

これに対し、第２の実施形態の電解装置は、カソード凝縮水を冷却用流路１４１に供給して電解セルを冷却することにより、反応系全体での水の減少量を低減できるため、電解液量を安定に保つことができる。さらに、カソード凝縮水とアノード溶液との間で熱交換を行い、加湿器３０２に戻すことにより、第１の実施形態と同様に、電解セルの冷却と凝縮水の加温を同時に行うことができ、セル冷却のエネルギーと加湿器３０２への投入エネルギーが減少し、システム効率を向上できる。

なお、本実施形態は、他の実施形態と適宜組み合わせることができる。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態の電解装置１の構成例を説明するための模式図である。電解装置１は、第１の実施形態と同様に、電解部１００と、アノード供給部２００と、カソード供給部３００と、カソード排出部４００と、冷却部５００と、循環部６００と、制御部７００と、を具備する。なお、以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、それ以外の部分については、第１の実施形態の電解装置の説明を適宜援用できる。

図９に示す電解装置１は、図１に示す電解装置１と比較してカソード排出部４００において、冷却器４０３をさらに有し、電解部において冷却用流路１４１を有しない点が異なる。

冷却器４０３は、カソード収集器４０１により分離されたカソード排気を冷却することにより、カソード排気中に含まれる水蒸気を凝縮してカソード凝縮水を生成する。

冷却器４０３は、循環流路Ｐ８の途中に設けられる。カソード排気は、アノード凝縮水を用いて冷却される。カソード凝縮水は、アノード凝縮水とともに第１の実施形態と同様に循環流路Ｐ８および熱交換器６０１を介して加湿器３０２に供給される。

以上のように、第３の実施形態の電解装置は、カソード排気中の水蒸気を冷却器４０３により凝縮してカソード凝縮水を生成する。カソード排液は、アノード流路１１２からカソード流路１２２に移動した電解液成分を含む。カソード凝縮水は、循環流路Ｐ８を介して加湿器３０２に戻され、カソード排液は、アノード収集器２０１に戻される。これにより、反応系全体からの水の減少を抑制し、冷却したアノード溶液の温度の飽和水蒸気量分だけの水を加湿器３０２やアノード収集器２０１に補充すればよく、かつ電解液濃度を一定に保つことができる。

さらに、第３の実施形態の電解装置は、アノード凝縮水を第１の実施形態のように熱交換器６０１においてアノード排液と熱交換を行う前に、カソード排気の冷却に用いる。これにより、加湿器３０２に戻すアノード凝縮水の温度がより上昇するため、より好ましい。このときの熱交換の順番はカソード排気とアノード排液のどちらでもよい。セル冷却のためにはアノード排液との熱交換を先に行うことが好ましいが、カソード排気を優先的に冷却したい場合、カソード排気と先に熱交換することが好ましい。これらの熱交換の好適な順番は、電解セルの運転温度や排出エネルギー量、カソード排気の冷却の優先度により異なり、特に限定されない。

本実施形態は、他の実施形態と適宜組み合わせることができる。

（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態の電解装置１の構成例を説明するための模式図である。電解装置１は、第２の実施形態と同様に、電解部１００と、アノード供給部２００と、カソード供給部３００と、カソード排出部４００と、冷却部５００と、循環部６００と、制御部７００と、を具備する。なお、以下では、第２の実施形態と異なる部分について説明し、それ以外の部分については、第２の実施形態の電解装置の説明を適宜援用できる。

図１０に示す電解装置は、図８に示す電解装置と比較して、冷却器４０３がカソード収集器４０１に直接的に接続されない点が異なる。

カソード収集器４０１は、カソード流路１２２のから排出されたカソード排液をカソード排液とカソード排気に分離する。カソード排液は、循環流路Ｐ５を介してアノード収集器２０１に戻される。カソード排気は、気体のまま外部に回収されてもよい。

冷却器４０３は、供給流路Ｐ９の途中に設けられる。冷却器４０３は、凝縮水収集器５０２から供給されるアノード凝集水を冷却する。冷却されたアノード凝縮水は、供給流路Ｐ９を介して冷却用流路１４１に冷却水として供給される。

冷却用流路１４１は、第２の実施形態と同様に、電解セルとともに、冷却用流路１４１を流れるアノード凝縮水とアノード流路１１２を流れるアノード溶液との間で熱交換を行う熱交換構造を形成する。これにより、アノード溶液を冷却するとともに、冷却用流路１４１を流れるアノード凝縮水を加熱することができる。熱交換構造は、例えば冷却用流路１４１とアノード流路１１２とを熱交換部材として機能する流路板１１４および流路板１２４を介して接続することにより形成できる。

冷却用流路１４１の出口から排出される熱交換されたアノード凝縮水は、冷却用流路１４１と加湿器３０２とを接続する排出流路Ｐ１０を流れる。これにより、排出流路Ｐ１０を流れるアノード凝縮水は、加湿器３０２に供給される。流量制御器６０２は、加湿器３０２に供給するアノード凝縮水の流量を制御できる。

第４の実施形態の電解装置は、アノード凝縮水を冷却して冷却用流路１４１に冷却水として供給する。これにより、アノード溶液を冷却するよりも電解セルを直接的に冷却できるため、電解セル内部の温度分布や、アノード溶液の流量変化等による影響がなく、電解セルの冷却性能のみの観点で設計・運転ができる。また、電解動作に伴う温度変化や発熱量変化によらず電解セルを冷却できる。また、電解セル内部の温度分布を小さくするように冷却用流路１４１を自由に設計できる。なお、複数の冷却用流路を設け、電解セルの温度や発熱量、温度分布を少なくするように冷却水の流量をそれぞれ変化させてもよい。

さらに、第４の実施形態の電解装置は、アノード凝縮水とアノード溶液との間で熱交換を行い、熱交換されたアノード凝縮水を加湿器３０２に戻すことにより、第２の実施形態と同様に、電解セルの冷却と凝縮水の加温を同時に行うことができ、セル冷却のエネルギーと加湿器３０２への投入エネルギーが減少し、システム効率を向上させることができる。

（第５の実施形態）
図１１は、第５の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。電解装置１は、第２の実施形態と同様に、電解部１００と、アノード供給部２００と、カソード供給部３００と、カソード排出部４００と、冷却部５００と、循環部６００と、制御部７００と、を具備する。なお、以下では、第２の実施形態と異なる部分について説明し、それ以外の部分については、第２の実施形態の電解装置の説明を適宜援用できる。

図１１に示す電解装置は、図８に示す電解装置と比較して、循環部６００においてバルブ６０３およびバルブ６０４をさらに有し、循環流路Ｐ８を有する点が異なる。

凝縮水収集器５０２は、タンクに収容されるアノード凝縮水を冷却する冷却器５１２と、凝縮水収集器５０２に収容されるアノード凝縮水のタンクの底面からの水位、凝縮水収集器５０２の温度を検出する少なくとも一つの検出器５１３と、を有する。

冷却器５０１は、冷却されたアノード凝縮水を用いてアノード排気を冷却することができる。冷却器５０１は、例えば二重管を有し、一方の管にはアノード排気が流れ、他方の管には冷却されたアノード凝縮水が流れる。アノード排気の冷却に用いられるアノード凝縮水は、冷却器５０１を経て冷却器４０３に供給されて冷却される。

図１１に示すように、冷却用流路１４１の入口と凝縮水収集器５０２とを接続する供給流路Ｐ９の途中に冷却器４０３を設け、カソード凝縮水とともに冷却されたアノード凝縮水を冷却用流路１４１に供給してもよい。これに限定されず、供給流路Ｐ９は、凝縮水収集器５０２に接続されなくてもよい。

冷却用流路１４１の出口から排出されるアノード凝縮水、カソード凝縮水の熱交換された混合水は、冷却用流路１４１の出口と加湿器３０２とを接続する排出流路Ｐ１０を流れる。排出流路Ｐ１０は、循環流路Ｐ８に接続される。循環流路Ｐ８の説明は、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

バルブ６０３は、排出流路Ｐ１０と凝縮水収集器５０２とを接続する循環流路Ｐ８の途中に設けられる。バルブ６０４は、排出流路Ｐ１０の途中であって循環流路Ｐ８と排出流路Ｐ１０との接続箇所の後段に設けられる。バルブ６０３を開けてバルブ６０４を閉じることにより、排出流路Ｐ１０を流れるアノード凝縮水、カソード凝縮水の混合水を凝縮水収集器５０２に供給して戻すことができる。バルブ６０３を閉じてバルブ６０４を開けることにより、凝縮水収集器５０２から加湿器３０２へのアノード凝縮水、カソード凝縮水の混合水を供給することができる。流量制御器６０２は、排出流路Ｐ１０の途中に設けられる。流量制御器６０２は、加湿器３０２に供給するアノード凝縮水、カソード凝縮水の混合水の流量を制御できる。

第５の実施形態の電解装置は、カソード排気中の水蒸気を冷却器４０３により凝縮してカソード凝縮水を生成する。カソード排液は、アノード流路１１２からカソード流路１２２に移動した電解液成分を含む。カソード凝縮水は、加湿器３０２に戻され、カソード排液は、アノード収集器２０１に戻される。これにより、反応系全体からの水の減少を抑制し、冷却した温度の飽和水蒸気量分だけの水を加湿器３０２やアノード収集器２０１に補充すればよく、かつ電解液濃度を一定に保つことができる。

制御装置７０１は、第１の実施形態と同様に、検知信号の解析結果に基づいて制御信号を、例えば流量制御器２０２、バルブ４０２、流量制御器６０２、バルブ６０３、バルブ６０４に送信することにより、流量制御器２０２によりアノード溶液の流量を調整でき、バルブ４０２によりアノード収集器２０１に戻されるカソード排液の流量を調整でき、流量制御器６０２、バルブ６０３、バルブ６０４によりアノード凝縮水やカソード凝縮水の供給先の選択や流量を調整できる。制御装置７０１により、セル出力の向上や低コスト運転、長寿命運転等の目的を自由に設定して電解装置１を運転することができる。また、電解液濃度と量の調節の自由度が向上し、長時間安定して運転することができる。

以上のように、第５の実施形態の電解装置は、アノード凝縮水をアノード排気の冷却に用いるとともに、カソード排気の冷却および電解セルを冷却する冷却水として用い、アノード凝縮水の少なくとも一部を加湿器３０２に戻し、少なくとも一部を凝縮水収集器５０２に戻す。さらに、検出器３１１および検出器５１３の検知信号を用いて、制御装置７０１によりアノード凝縮水の供給先を選択することにより、例えばアノード排気に含まれるアノード凝縮水が少なくても電解セルを冷却することができる。また、検知信号を用いてアノード凝縮水の流量を調整することにより、電解セルの冷却効率を調整したり、電解セルの温度を調整できる。さらに、検知信号を用いてアノード凝縮水の流量を変えることで、電解セル内部の温度分布を小さくできる。

（第６の実施形態）
図１２は、第６の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。電解装置１は、第２の実施形態と同様に、電解部１００と、アノード供給部２００と、カソード供給部３００と、カソード排出部４００と、冷却部５００と、循環部６００と、制御部７００と、を具備する。なお、以下では、第２の実施形態と異なる部分について説明し、それ以外の部分については、第２の実施形態の電解装置の説明を適宜援用できる。

図１２に示す電解装置は、図８に示す電解装置と比較して、循環部６００においてバルブ６０３およびバルブ６０４をさらに有し、循環流路Ｐ８を有する点が異なる。また、冷却部５００において冷却器５０１を有しない点が異なる。バルブ６０３およびバルブ６０４については、第５の実施形態と同様であるため、第５の実施形態の説明を適宜援用できる。循環流路Ｐ８の説明は、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

凝縮水収集器５０２は、アノード収集器２０１から供給されるアノード排気を冷却することにより、アノード排気に含まれる水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する冷却器５１２と、凝縮水収集器５０２に収容されるアノード凝縮水の凝縮水収集器５０２の底面からの水位、凝縮水収集器５０２の温度、アノード排気に含まれる少なくとも一つのイオンの濃度を検出する少なくとも一つの検出器５１３と、を有する。

冷却器４０３は、アノード凝縮水を用いてカソード排気を冷却してカソード凝縮水を生成することができる。カソード凝縮水は、冷却器４０３を経て冷却用流路１４１に供給される。カソード凝縮水とともにアノード凝縮水を冷却用流路１４１に供給する。

以上のように、第６の実施形態の電解装置は、アノード排気を直接的に凝縮水収集器５０２に供給して冷却することにより、アノード凝縮水を生成するとともに、アノード凝縮水を用いてカソード凝縮水を冷却する。アノード凝縮水およびカソード凝縮水を冷却用流路１４１に供給し、一部を加湿器３０２に戻し、他の一部を凝縮水収集器５０２に戻して循環させる。

第６の実施形態のように、冷却器４０３および冷却器５１２を設けることにより、アノード排気を直接冷却することができ、冷却水の温度を容易に制御できる。また、アノード排気の量や水蒸気量が少なくても冷却水の温度を制御することができ、その冷却水の一部をカソード排気の冷却に用い、他の一部を電解セルの冷却に用いることができるため、それぞれの温度を任意に制御できる。

（第７の実施形態）
図１３は、第７の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。電解装置１は、第６の実施形態と同様に、電解部１００と、アノード供給部２００と、カソード供給部３００と、カソード排出部４００と、冷却部５００と、循環部６００と、制御部７００と、を具備する。なお、以下では、第６の実施形態と異なる部分について説明し、それ以外の部分については、第６の実施形態の電解装置の説明を適宜援用できる。

図１３に示す電解装置は、図１２に示す電解装置と比較して、冷却器４０３により生成されるカソード凝縮水を凝縮水収集器５０２に供給する供給流路Ｐ１１を有する点が異なる。

供給流路Ｐ１１は、冷却器４０３と凝縮水収集器５０２とを接続する。冷却器４０３により生成されるカソード凝縮水は、凝縮水収集器５０２に収容され、アノード凝縮水とともに冷却器４０３により冷却されて供給流路Ｐ９に供給される。供給流路Ｐ１１は、例えば配管により構成される。

冷却器４０３は、アノード凝縮水およびカソード凝縮水を用いてカソード排気を冷却することができる。

以上のように、第７の実施形態の電解装置は、カソード排液をアノード収集器２０１に供給し、アノード排液をアノード収集器２０１に供給し、アノード排気を凝縮水収集器５０２に供給する。アノード凝縮水は、カソード凝縮水とともに凝縮水収集器５０２から冷却器４０３に供給される。これ以外は第６の実施形態と同様に、アノード凝縮水およびカソード凝縮水を冷却用流路１４１に冷却水として供給する。アノード凝縮水およびカソード凝縮水は、カソード排気の冷却、および電解セルの冷却に用いられ、一部を加湿器３０２に供給し、他の一部を凝縮水収集器５０２に戻し、循環させる。これにより、電解装置の反応系全体から排出される水を低減して循環させることが可能で、外部から電解装置に水を供給することなく電解装置を運転することができる。

（第８の実施形態）
図１４は、第８の実施形態の電解装置の構成例を説明するための模式図である。電解装置１は、第１の実施形態と同様に、電解部１００と、アノード供給部２００と、カソード供給部３００と、カソード排出部４００と、冷却部５００と、循環部６００と、制御部７００と、を具備する。なお、以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、それ以外の部分については、第１の実施形態の電解装置の説明を適宜援用できる。

図１４に示す電解装置は、図１に示す電解装置１と比較して、カソード排出部４００において冷却器４０３をさらに有し、冷却部５００においてバルブ５０３とバルブ５０４をさらに有し、循環部６００において流量制御器６０５および排出流路Ｐ１０をさらに有する点が異なる。冷却器４０３および循環流路Ｐ１０の説明は、第２の実施形態の説明を適宜援用できる。

流量制御器６０５は、排出流路Ｐ１０の途中に設けられる。流量制御器６０５は、排出流路Ｐ１０から加湿器３０２に供給するアノード凝縮水の流量を制御できる。なお、アノード凝縮水とともにカソード凝縮水を排出流路Ｐ１０から加湿器３０２に供給してもよい。

バルブ５０３は、加湿器３０２と凝縮水収集器５０２とを接続する循環流路Ｐ８の途中に設けられる。バルブ５０４は、凝縮水収集器５０２と冷却用流路１４１の入口とを接続する供給流路Ｐ９の途中であって冷却器４０３の前段に設けられる。バルブ５０３を開けてバルブ５０４を閉じることにより、アノード凝縮水および／またはカソード凝縮水を熱交換器６０１に供給してアノード排液と熱交換を行うことができる。バルブ５０３を閉じてバルブ５０４を開けることにより、アノード凝縮水および／またはカソード凝縮水を冷却用流路１４１に供給して電解セルまたはアノード溶液を冷却することができる。これに限定されず、バルブ５０３およびバルブ５０４を開けることにより、アノード凝縮水および／またはカソード凝縮水を熱交換器６０１および冷却用流路１４１に供給してもよい。また、図１４に示す構成に限定されず、アノード凝縮水を熱交換器６０１に供給し、カソード凝縮水を冷却用流路１４１に供給してもよい。

制御装置７０１は、第１の実施形態と同様に、検知信号の解析結果に基づいて制御信号を、例えば流量制御器２０２、バルブ４０２、流量制御器６０２、流量制御器６０５、バルブ５０３、バルブ５０４に送信することにより、流量制御器２０２によりアノード溶液の流量を調整でき、バルブ４０２によりアノード収集器２０１に戻されるカソード排液の流量を調整でき、バルブ５０３、バルブ５０４、流量制御器６０２、流量制御器６０５によりアノード凝縮水やカソード凝縮水の供給先の選択や流量を調整できる。制御装置７０１により、セル出力の向上や低コスト運転、長寿命運転等の目的を自由に設定して電解装置１を運転することができる。また、電解液濃度と量の調節の自由度が向上し、長時間安定して運転することができる。

以上のように、第８の実施形態の電解装置は、アノード凝縮水および／またはカソード凝縮水を電解セルの冷却およびアノード排液の冷却に用い、循環させる。これにより、電解装置の反応系全体から排出される水を低減して循環させることが可能で、外部から電解装置に水を供給することなく電解装置を運転することができる。

（実施例１）
図１に示す電解装置を組み立てて、二酸化炭素の電解性能を調べた。まず、多孔質層が設けられたカーボンペーパ上に、金ナノ粒子が担持されたカーボン粒子を塗布したカソード１２１を、以下の手順により作製した。金ナノ粒子が担持されたカーボン粒子と純水、ナフィオン溶液、エチレングリコールとを混合した塗布溶液を作製した。金ナノ粒子の平均粒径は８．７ｎｍであり、担持量は１８．９質量％であった。この塗布溶液をエアーブラシに充填し、窒素ガスを用いて多孔質層が設けられたカーボンペーパ上にスプレー塗布した。塗布後に純水で３０分間流水洗浄し、その後に過酸化水素水に浸漬してエチレングリコール等の有機物を酸化除去した。これを１０ｃｍ×１０ｃｍの大きさに切り出してカソード１２１とした。なお、金の塗布量は塗布溶液の金ナノ粒子とカーボン粒子の混合量から約０．４ｍｇ／ｃｍ^２と見積もられた。アノード１１１には、Ｔｉメッシュにアノード触媒のＩｒＯ_２ナノ粒子を塗布した電極を用いた。アノード１１１としてＩｒＯ_２／Ｔｉメッシュの電極を１０ｃｍ×１０ｃｍに切り出して使用した。

電解部１００は、電解セルの触媒面積を１００ｃｍ^２、電流密度を２００ｍＡ／ｃｍ^２とした、１０個の電解セルのスタックに冷却用流路１４１を形成して電解反応を行った。１個の電解セルの厚さは２ｍｍである。冷却用流路１４１を有する流路板１５３の厚さは、６ｍｍである。アノード流路１１２の深さは１．０ｍｍである。冷却用流路１４１の深さは５ｍｍである。

締め付け板には冷却用流路を設けず、締め付け板、絶縁板、１ｍｍの集電板、冷却用流路１４１を有する流路板１５３と電解セルの積層体、１ｍｍの集電板、絶縁板、締め付け板を順に積層した。

上記した電解部１００を用いて電解装置を組み立て、以下の条件で運転した。アノード流路１１２に電解液の炭酸水素カリウム水溶液（濃度０．１ＭＫＨＣＯ_３）を一つの電解セルあたり１０ｃｃｍの流量で供給させた。電流密度２００ｍＡ／ｃｍ^２で、２５℃の温度に冷却した上記電解液を流して行った。アノード流路１１２には電解液を２．５ｃｃｍ／セルの流量で流して反応させた。

冷却用流路１４１には電解セルの温度が５０℃から６０℃までの範囲になるように冷却水を外部の冷却水供給源から流した。冷却水として温度２５℃の水を流して冷却し、流量を調整することにより温度を制御した。

カソード流路１２２に二酸化炭素ガスを一つの電解セルあたり５００ｓｃｃｍの流量で供給した。二酸化炭素ガスは、加湿器３０２を通して加湿された。加湿器３０２に供給された二酸化炭素ガスは、温水中にバブリングすることにより加湿された。加湿器３０２全体を保温し、加湿器３０２と温水温度により二酸化炭素ガスの温度を制御して電解部１００に供給した。加湿された二酸化炭素ガスの温度は、４０℃から５０℃までの範囲で電解セルの温度より低くなるように制御した。

カソード収集器４０１として、容積１Ｌの第１のガラス瓶を設置し、液体（カソード排液）と発生したＣＯと未反応のＣＯガス（カソード排気）と、を分離した。カソード排気の一部を収集し、二酸化炭素の還元反応または水の還元反応により生成された一酸化炭素または水素ガスの生成量を、ガスクロマトグラフにより分析した。制御部７００によりガス生成量から一酸化炭素と水素との部分電流密度および全電流密度と部分電流密度の比であるファラデー効率を算出した。結果を表１に示す。表１は、セル電圧、セル抵抗、一酸化炭素のファラデー効率（Ｆ．Ｅ．（ＣＯ））、水素のファラデー効率（Ｆ．Ｅ．（Ｈ_２））を示す。なお、Ｆ．Ｅ．（ＣＯ）とＦ．Ｅ．（Ｈ_２）は、流量等の影響により生じる測定誤差によって合計が１００％を超える場合もある。

アノード収集器２０１として、容積５Ｌの第２のガラス瓶を設置し、アノード排液とアノード排気とを分離した。分離したアノード排気を冷却し、水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成し、凝縮水収集器５０２として容積１Ｌの第３のガラス瓶にアノード凝縮水を捕捉した。

第３のガラス瓶を配管により熱交換器を経て加湿器３０２に接続し、第３のガラス瓶に蓄えられたアノード凝縮水をポンプにより送液した。熱交換器はアノード収集器２０１と電解セルとの間にも接続し、第３のガラス瓶中のアノード凝縮水と、高温のアノード収集器２０１のアノード排液との間で熱交換を行い、アノード排液を冷却した。第３のガラス瓶のアノード凝縮水は一定期間ごとにアノード凝縮水が蓄えられた段階でポンプにより供給した。さらに、２００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で電解装置１を運転した。

アノード凝縮水を第３のガラス瓶から移動させるポンプの動作時、第３のガラス瓶の温度は１８℃で、加湿器３０２に供給されるアノード凝縮水の温度（排出流路Ｐ１０を流れるアノード凝縮水の温度）は３５℃であった。このとき、冷却用流路１４１を流れる冷却水の流量は、平均２０ｃｃ／分程度から５ｃｃ／分に減少した。

アノード収集器２０１のアノード排液中のカリウム濃度とアノード排液の増減量を一定時間ごとに測定した。アノード排液中のカリウム濃度とアノード排液の増減量の結果を表１に示す。運転時間が経過するにつれてアノード排液の増減量（アノード排液が増加）が上昇し、アノード収集器２０１から排水しないと動作できなかったため、４００時間を過ぎたところで反応を停止した。

（比較例１）
電解セルのアノード流路１１２の出口からアノード収集器２０１の間に冷却器を設けた。第３のガラス瓶を設けることなく、アノード収集器２０１から直接アノード排気が排出される。加湿器３０２に水もしくは電解液を供給する機構を有していない。これ以外は実施例１と同様である。結果を表１に示す。

２００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度での運転時にアノード収集器２０１中のアノード排液の温度は５５℃であった。このとき、冷却用流路１４１を流れる冷却水の流量は常に２０±５ｃｃ／分程度で推移した。アノード排液中のカリウム濃度とアノード排液の増減量の結果を表１に示す。運転時間が経過するにつれてアノード排液の増減量（アノード排液が増加）が上昇し、アノード収集器２０１から排水しないと動作できなかったため、２５０時間を過ぎたところで反応を停止した。

（比較例２）
電解セルのアノード流路１１２の出口からアノード収集器２０１の間に冷却器を設けた。第３のガラス瓶から加湿器３０２にアノード凝縮水を一定時間ごとに供給した。これ以外は実施例１と同様である。結果を表１に示す。

（比較例３）
循環流路Ｐ７の途中に冷却器を設け、アノード排液を冷却して反応を行った。これ以外は実施例１と同様である。結果を表１に示す。運転時間が経過するにつれて加湿器３０２の温水の減少量が上昇し、加湿動作できず、また、アノード排液の増減量が上昇（アノード排液が増加）し、アノード収集器２０１から排水しないと動作できなかったため、２１０時間を過ぎたところで反応を停止した。

（実施例２）
第１のガラス瓶と第２のガラス瓶とを配管により接続し、配管の途中にポンプを接続し、カソード排液をアノード収集器２０１に移動した。これ以外は実施例１と同様である。結果を表１に示す。

第３のガラス瓶からアノード凝縮水を移動させるポンプの動作時、第３のガラス瓶の温度は１８℃で、加湿器３０２に供給されるアノード凝縮水の温度は３５℃であった。このとき、冷却用流路１４１を流れる冷却水の流量が平均２０ｃｃ／分程度が５ｃｃ／分に減少した。アノード収集器２０１のアノード排液中のカリウム濃度とアノード排液の増減量を一定時間ごとに測定した。アノード排液中のカリウム濃度とアノード排液の増減量（増加量）の結果を表１に示す。実施例２では、５００時間まで運転を継続することができた。

（実施例３）
第１のガラス瓶から排出されるカソード排気を冷却する冷却器を設け、水蒸気を凝縮してカソード凝縮水を生成し、容積１Ｌの第４のガラス瓶で捕捉した。冷却器は二重管を有し、外側の管に冷却水が流れ、内側の管にカソード排気が流れる。

第４のガラス瓶を冷却器の外側の管に接続した。さらに外側の管の出口と冷却用流路１４１の入口とを接続してカソード凝縮水を冷却用流路１４１に供給した。カソード排気および電解セルにより温められたカソード凝縮水は、加湿器３０２にポンプにより一定時間ごとに供給された。これ以外は実施例１と同様である。結果を表１に示す。

第３のガラス瓶のアノード凝縮水を移動させるポンプの動作時、第３のガラス瓶の温度は１８℃で、加湿器３０２に供給されるアノード凝縮水の温度は４０℃であった。このとき、冷却用流路１４１を流れる冷却水の流量が平均２０ｃｃ／分程度が５ｃｃ／分へと減少した。アノード収集器２０１のアノード排液中のカリウム濃度とアノード排液の増減量を一定時間ごとに測定した。アノード排液中のカリウム濃度とアノード排液の増減量（増加量）の結果を表１に示す。実施例３では、５００時間まで運転を継続することができた。

（実施例４）
アノード収集器２０１として、容積５Ｌの第２のガラス瓶を設置し、アノード排液とアノード排気とを分離した。アノード排気を冷却して水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成し、容積１Ｌの第３のガラス瓶で捕捉した。第３のガラス瓶中に冷却器を設け、内部のアノード凝縮水を冷却した。内部のアノード凝縮水の温度を１８℃±１℃で制御した。

カソード収集器４０１として、容積５Ｌの第１のガラス瓶を設置し、カソード排液とカソード排気とを分離した。冷却器により、カソード排気中の水蒸気を凝縮してカソード凝縮水を生成し、容積１Ｌの第４のガラス瓶で捕捉した。冷却器は二重管を有し、外側の管に冷却水が流れ、内側の管にカソード排気が流れる。

第３のガラス瓶に蓄えられたアノード凝縮水を配管により、一部をカソード排気の冷却管に供給し、他の一部を冷却用流路１４１に供給した。そして残りを排出流路Ｐ１０に供給した。この冷却水の３か所への接続は、それぞれバルブにより切り替え可能であり、電解セル温度が高い場合は冷却水を電解セルに多く供給し、電解セル温度が低い場合は冷却水を電解セルに少なく供給して電解セルの温度を５０℃から６０℃までの範囲になるように制御した。カソード排気の温度を２０℃程度になるように制御した。電解セル、カソード排気のいずれも高温の場合は排出流路Ｐ１０にアノード凝縮水を供給した。アノード凝縮水は、排出流路Ｐ１０からポンプによりその一部は加湿器３０２に、残りを第３のガラス瓶に配管とバルブを用いて供給した。また、第３のガラス瓶中の水位計と加湿器３０２の水位計によりアノード凝縮水の供給先を制御した。これ以外は、実施例１と同様である。結果を表１に示す。

加湿器３０２に供給されるアノード凝縮水の温度は３８℃であった。このとき、冷却用流路１４１を流れる冷却水の流量が常時３±２ｃｃ／分程であった。アノード収集器２０１のアノード排液中のカリウム濃度とアノード排液の増減量（増加量）を一定時間ごとに測定した。アノード排液中のカリウム濃度とアノード排液の増減量の結果を表１に示す。実施例４では、５００時間まで運転を継続することができた。

実施例１、２、３、４、および比較例１、２、３の結果から、アノード凝縮水やカソード凝縮水を生成し、これらの凝縮水とアノード溶液またはアノード排液との間で熱交換を行うことにより、アノード排液の増加を抑制することができ、運転時間の増加に伴う電解効率の低下を抑制できることがわかる。

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。

上記の実施形態を、以下の技術案にまとめることができる。
（技術案１）
第１の物質を酸化して酸化生成物を生成するアノードと、
第２の物質を還元して還元生成物を生成するカソードと、
前記アノードに面するアノード流路と、
前記カソードに面するカソード流路と、
前記アノード流路の入口に接続され、前記第１の物質を含むアノード溶液を前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、
前記アノード流路の出口から排出されるとともに前記アノード溶液と前記酸化生成物とを含むアノード流体が流れるアノード排出流路と、
前記第２の物質を含むカソードガスを供給するカソードガス供給源と、
前記カソードガスを加湿する加湿器と、
前記カソード流路の入口に接続され、加湿された前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、
前記カソード流路の出口から排出されるとともに前記カソードガスと前記還元生成物とを含むカソード流体が流れるカソード排出流路と、
前記アノード排出流路から供給される前記アノード流体を、前記アノード溶液を含むアノード排液と前記酸化生成物を含むアノード排気に分離するアノード収集器と、
前記アノード収集器から供給される前記アノード排気を冷却することにより、前記アノード排気に含まれる第１の水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する第１の冷却器と、
前記アノード凝縮水を収容する凝縮水収集器と、
前記アノード収集器と前記アノード供給流路とを接続し、前記アノード収集器から前記アノード供給流路に前記アノード溶液が流れる第１の流路と、
前記凝縮水収集器と前記加湿器とを接続し、前記凝縮水収集器から前記加湿器に前記アノード凝縮水が流れる第２の流路と、
前記第１の流路を流れる前記アノード溶液と前記第２の流路を流れる前記アノード凝縮水との間で熱交換を行う第１の熱交換構造と、
を具備する、電解装置。
（技術案２）
第１の物質を酸化して酸化生成物を生成するアノードと、
第２の物質を還元して還元生成物を生成するカソードと、
前記アノードに面するアノード流路と、
前記カソードに面するカソード流路と、
前記アノード流路の入口に接続され、前記第１の物質を含むアノード溶液を前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、
前記アノード流路の出口から排出されるとともに前記アノード溶液と前記酸化生成物とを含むアノード流体が流れるアノード排出流路と、
前記第２の物質を含むカソードガスを供給するカソードガス供給源と、
前記カソードガスを加湿する加湿器と、
前記カソード流路の入口に接続され、加湿された前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、
前記カソード流路の出口から排出されるとともに前記カソードガスと前記還元生成物とを含むカソード流体が流れるカソード排出流路と、
前記アノード排出流路から供給される前記アノード流体を、前記アノード溶液を含むアノード排液と前記酸化生成物を含むアノード排気に分離するアノード収集器と、
前記アノード収集器から供給される前記アノード排気を冷却して前記アノード排気に含まれる第１の水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する第１の冷却器と、
前記アノード凝縮水を収容する凝縮水収集器と、
前記アノード収集器と前記アノード供給流路とを接続し、前記アノード収集器から前記アノード供給流路に前記アノード溶液が流れる第１の流路と、
前記凝縮水収集器から供給される前記アノード凝縮水を冷却する第２の冷却器と、
前記アノード流路または前記カソード流路に対抗して配置され、前記第２の冷却器を介して供給される前記アノード凝縮水が流れる冷却用流路と、
前記冷却用流路の出口と前記加湿器とを接続し、前記冷却用流路から前記加湿器に前記アノード凝縮水が流れる第３の流路と、
前記アノード流路を流れる前記アノード溶液と前記冷却用流路を流れる前記アノード凝縮水との間で熱交換を行う第２の熱交換構造と、
を具備する、電解装置。
（技術案３）
前記カソード排出流路から供給される前記カソード流体を、前記アノード溶液を含むカソード排液と前記還元生成物を含むカソード排気に分離するカソード収集器と、をさらに具備し、
前記第２の冷却器は、前記カソード排気を冷却することにより、前記カソード排気に含まれる第２の水蒸気を凝縮してカソード凝縮水を生成し、
前記冷却用流路は、前記アノード凝縮水とともに前記第２の冷却器を介して供給される前記カソード凝縮水が流れる、技術案２に記載の電解装置。
（技術案４）
前記カソード収集器から前記アノード収集器に供給される前記カソード排液が流れる第４の流路をさらに具備する、技術案３に記載の電解装置。
（技術案５）
前記凝縮水収集器から前記第２の冷却器に供給される前記アノード凝縮水が流れる第５の流路を有し、
前記第２の冷却器は、前記アノード凝縮水を用いて前記カソード排気を冷却する、技術案３または技術案４に記載の電解装置。
（技術案６）
前記凝縮水収集器は、前記アノード凝縮水を冷却する第３の冷却器を有し、
前記第１の冷却器は、前記第３の冷却器により冷却された前記アノード凝縮水を用いて前記アノード排気を冷却する、技術案１ないし技術案５のいずれか一つに記載の電解装置。
（技術案７）
前記第１の冷却器は、前記凝縮水収集器に設けられる、技術案２ないし技術案６のいずれか一つに記載の電解装置。
（技術案８）
前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を制御する流量制御器と、
前記加湿器に設けられ、前記加湿器に収容され、前記アノード凝縮水を含む温水の水位を検出して第１の検知信号を送信する第１の検出器と、
前記第１の検知信号に基づいて前記流量制御器を制御することにより前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を調整する制御装置と、をさらに具備する、技術案１ないし技術案７のいずれか一つに記載の電解装置。
（技術案９）
前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を制御する流量制御器と、
前記加湿器に設けられ、前記加湿器に収容され、前記アノード凝縮水を含む温水の水位を検出して第１の検知信号を送信する第１の検出器と、
前記第１の検知信号に基づいて前記流量制御器を制御することにより前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を調整する制御装置と、
前記第３の流路と前記凝縮水収集器とを接続する第６の流路と、
前記第６の流路の途中に設けられた第１のバルブと、
前記第３の流路の途中に設けられた第２のバルブと、
前記凝縮水収集器に収容される前記アノード凝縮水の水位を検出して第２の検知信号を送信する第２の検出器をさらに具備し、
前記制御装置は、前記第２の検知信号に基づいて前記１のバルブと前記第２のバルブを制御する前記アノード凝縮水を前記加湿器に供給するか前記凝縮水収集器に供給するかを選択する、技術案２ないし技術案８のいずれか一つに記載の電解装置。
（技術案１０）
前記アノード収集器に収容される前記アノード排液に電解液を補充する電解液供給源をさらに具備する、技術案１ないし技術案９のいずれか一つに記載の電解装置。
（技術案１１）
前記加湿器に水を供給する水供給源をさらに具備する、技術案１ないし技術案１０のいずれか一つに記載の電解装置。

１…電解装置、１００…電解部、１１１…アノード、１１２…アノード流路、１１３…アノード集電体、１１４…流路板、１２１…カソード、１２２…カソード流路、１２３…カソード集電体、１２４…流路板、１３１…セパレータ、１３２…流路板、１４１…冷却用流路、１４２…冷却用流路、１４３…冷却用流路、１５０…電源、１５１…検出器、１５２…流路板、１５３…流路板、２００…アノード供給部、２０１…アノード収集器、２０２…流量制御器、２０４…圧力制御器、２０５…流量制御器、２０６…熱交換器、２０７…流量制御器、２１１…検出器、２１２…電解液供給源、３００…カソード供給部、３０１…カソードガス供給源、３０２…加湿器、３０３…水供給源、３０４…流量制御器、３０５…圧力制御器、３１１…検出器、４００…カソード排出部、４０１…カソード収集器、４０２…バルブ、４０３…冷却器、５００…冷却部、５０１…冷却器、５０２…凝縮水収集器、５０３…バルブ、５０４…バルブ、５１１…検出器、５１２…冷却器、５１３…検出器、６００…循環部、６０１…熱交換器、６０２…流量制御器、６０３…バルブ、６０４…バルブ、６０５…流量制御器、７００…制御部、７０１…制御装置、Ｐ１…アノード供給流路、Ｐ２…アノード排出流路、Ｐ３…カソード供給流路、Ｐ４…カソード排出流路、Ｐ５…循環流路、Ｐ６…流路、Ｐ７…循環流路、Ｐ８…循環流路、Ｐ９…供給流路、Ｐ１０…排出流路、Ｐ１１…供給流路。

Claims

第１の物質を酸化して酸化生成物を生成するアノードと、
第２の物質を還元して還元生成物を生成するカソードと、
前記アノードに面するアノード流路と、
前記カソードに面するカソード流路と、
前記アノード流路の入口に接続され、前記第１の物質を含むアノード溶液を前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、
前記アノード流路の出口から排出されるとともに前記アノード溶液と前記酸化生成物とを含むアノード流体が流れるアノード排出流路と、
前記第２の物質を含むカソードガスを供給するカソードガス供給源と、
前記カソードガスを加湿する加湿器と、
前記カソード流路の入口に接続され、加湿された前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、
前記カソード流路の出口から排出されるとともに前記カソードガスと前記還元生成物とを含むカソード流体が流れるカソード排出流路と、
前記アノード排出流路から供給される前記アノード流体を、前記アノード溶液を含むアノード排液と前記酸化生成物を含むアノード排気に分離するアノード収集器と、
前記アノード収集器から供給される前記アノード排気を冷却して前記アノード排気に含まれる第１の水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する第１の冷却器と、
前記アノード凝縮水を収容する凝縮水収集器と、
前記アノード収集器と前記アノード供給流路とを接続し、前記アノード収集器から前記アノード供給流路に前記アノード溶液が流れる第１の流路と、
前記凝縮水収集器と前記加湿器とを接続し、前記凝縮水収集器から前記加湿器に前記アノード凝縮水が流れる第２の流路と、
前記第１の流路を流れる前記アノード溶液と前記第２の流路を流れる前記アノード凝縮水との間で熱交換を行う第１の熱交換構造と、
を具備する、電解装置。
第１の物質を酸化して酸化生成物を生成するアノードと、
第２の物質を還元して還元生成物を生成するカソードと、
前記アノードに面するアノード流路と、
前記カソードに面するカソード流路と、
前記アノード流路の入口に接続され、前記第１の物質を含むアノード溶液を前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、
前記アノード流路の出口から排出されるとともに前記アノード溶液と前記酸化生成物とを含むアノード流体が流れるアノード排出流路と、
前記第２の物質を含むカソードガスを供給するカソードガス供給源と、
前記カソードガスを加湿する加湿器と、
前記カソード流路の入口に接続され、加湿された前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、
前記カソード流路の出口から排出されるとともに前記カソードガスと前記還元生成物とを含むカソード流体が流れるカソード排出流路と、
前記アノード排出流路から供給される前記アノード流体を、前記アノード溶液を含むアノード排液と前記酸化生成物を含むアノード排気に分離するアノード収集器と、
前記アノード収集器から供給される前記アノード排気を冷却して前記アノード排気に含まれる第１の水蒸気を凝縮してアノード凝縮水を生成する第１の冷却器と、
前記アノード凝縮水を収容する凝縮水収集器と、
前記アノード収集器と前記アノード供給流路とを接続し、前記アノード収集器から前記アノード供給流路に前記アノード溶液が流れる第１の流路と、
前記凝縮水収集器から供給される前記アノード凝縮水を冷却する第２の冷却器と、
前記アノード流路または前記カソード流路に対抗して配置され、前記第２の冷却器を介して供給される前記アノード凝縮水が流れる冷却用流路と、
前記冷却用流路の出口と前記加湿器とを接続し、前記冷却用流路から前記加湿器に前記アノード凝縮水が流れる第３の流路と、
前記アノード流路を流れる前記アノード溶液と前記冷却用流路を流れる前記アノード凝縮水との間で熱交換を行う第２の熱交換構造と、
を具備する、電解装置。
前記カソード排出流路から供給される前記カソード流体を、前記アノード溶液を含むカソード排液と前記還元生成物を含むカソード排気に分離するカソード収集器と、をさらに具備し、
前記第２の冷却器は、前記カソード排気を冷却することにより、前記カソード排気に含まれる第２の水蒸気を凝縮してカソード凝縮水を生成し、
前記冷却用流路は、前記アノード凝縮水とともに前記第２の冷却器を介して供給される前記カソード凝縮水が流れる、請求項２に記載の電解装置。
前記カソード収集器から前記アノード収集器に供給される前記カソード排液が流れる第４の流路をさらに具備する、請求項３に記載の電解装置。
前記凝縮水収集器から前記第２の冷却器に供給される前記アノード凝縮水が流れる第５の流路を有し、
前記第２の冷却器は、前記アノード凝縮水を用いて前記カソード排気を冷却する、請求項３に記載の電解装置。
前記凝縮水収集器は、前記アノード凝縮水を冷却する第３の冷却器を有し、
前記第１の冷却器は、前記第３の冷却器により冷却された前記アノード凝縮水を用いて前記アノード排気を冷却する、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の電解装置。
前記第１の冷却器は、前記凝縮水収集器に設けられる、請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の電解装置。
前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を制御する流量制御器と、
前記加湿器に設けられ、前記加湿器に収容されるとともに前記アノード凝縮水を含む温水の水位を検出して第１の検知信号を送信する第１の検出器と、
前記第１の検知信号に基づいて前記流量制御器を制御することにより前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を調整する制御装置と、をさらに具備する、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の電解装置。
前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を制御する流量制御器と、
前記加湿器に設けられ、前記加湿器に収容され、前記アノード凝縮水を含む温水の水位を検出して第１の検知信号を送信する第１の検出器と、
前記第１の検知信号に基づいて前記流量制御器を制御することにより前記加湿器に供給する前記アノード凝縮水の流量を調整する制御装置と、
前記第３の流路と前記凝縮水収集器とを接続する第６の流路と、
前記第６の流路の途中に設けられた第１のバルブと、
前記第３の流路の途中に設けられた第２のバルブと、
前記凝縮水収集器に収容される前記アノード凝縮水の水位を検出して第２の検知信号を送信する第２の検出器をさらに具備し、
前記制御装置は、前記第２の検知信号に基づいて前記１のバルブと前記第２のバルブを制御する前記アノード凝縮水を前記加湿器に供給するか前記凝縮水収集器に供給するかを選択する、請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の電解装置。
前記アノード収集器に収容される前記アノード排液に電解液を補充する電解液供給源をさらに具備する、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の電解装置。
前記加湿器に水を供給する水供給源をさらに具備する、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の電解装置。