JP5617048B2 - 二酸化炭素透過装置及び二酸化炭素輸送方法 - Google Patents

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Description

本発明は、酸素発生／酸素還元の電気化学反応を利用して二酸化炭素を透過させ得る二酸化炭素透過装置、並びに酸素発生／酸素還元の電気化学反応を利用して二酸化炭素を透過させる二酸化炭素輸送方法に関する。
二酸化炭素は、大気中の０．０４％を占める、地球上に広く存在する物質であり、産業上広く用いられている化合物である。二酸化炭素の産業利用の具体例としては、炭酸飲料や入浴剤、消火剤などの発泡用ガス、冷却用ドライアイス、自転車の緊急補充用エアー等が、挙げられる。また、超臨界状態の二酸化炭素は、カフェインの抽出溶媒として使用され、さらには、工業分野において加工に使用されるレーザーや医療用レーザーメスとして用いられる炭酸ガスレーザーにも使用されている。さらに、二酸化炭素は、フロン系冷媒の代替品として、ＣＯ2冷媒コンプレッサなどにも用いられている。
また、農業分野においては、二酸化炭素は、イチゴの促成栽培、観賞用水槽の水草など、植物の成長を加速させる二酸化炭素施肥に使用され、鮮農産物のＣＡ貯蔵（controlled atmosphere storage）にも使用されている。
そこで、気体中の二酸化炭素を透過させることで、気体中から二酸化炭素を取り出すための技術が、種々提案されている。
従来、気体中の二酸化炭素を透過させるなどして二酸化炭素の濃度を向上する技術としては、非特許文献１に示されるような多孔質高分子膜の透過速度の違いを利用した二酸化炭素促進輸送膜、特許文献１に示されるような固体溶融塩を用いた技術等が、提案されている。
しかし、非特許文献１における二酸化炭素促進輸送膜に二酸化炭素を透過させるためには、二酸化炭素の供給元である気体を２００ｋＰａ程度以上の高圧まで加圧すると共に、二酸化炭素の供給先である気体を減圧する必要がある。また特許文献１における固体溶融塩を用いる場合、溶融塩を用いる必要があるため、デバイスを駆動させるためには溶融塩の温度を６００℃程度の高温に保持する必要があった。
このように、従来は、エネルギー消費量が低減し、かつ大掛かりな装置を必要とすることなく、二酸化炭素を透過させ得るデバイスが、存在しなかった。
日本国特許公開公報特開平１１−２８３３１号
R.Yegani et. al., J. Membr. Sci., 291, 157 (2007).
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高い二酸化炭素透過性能を有し、かつ駆動時に要するエネルギーを大幅に低減することができる二酸化炭素透過装置、並びにこの二酸化炭素透過装置を用いて、高い効率で二酸化炭素を輸送することができる二酸化炭素輸送方法を提供することにある。
本発明に係る二酸化炭素透過装置は、
第１のガス拡散電極と、
第２のガス拡散電極と、
前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極とに接するようにして、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に介在する電解質膜と、
前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備え、
電気化学反応により前記第１のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速してこの気体中の二酸化炭素濃度を低減すると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第２のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速してこの気体中の二酸化炭素を富化するように構成されていることを特徴とする。
本発明に係る二酸化炭素輸送方法は、
第１のガス拡散電極と、第２のガス拡散電極と、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極とに接するようにして、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に介在する電解質膜と、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備える二酸化炭素透過装置を用意し、
前記直流電源によって、前記第１のガス拡散電極がカソードになると共に前記第２のガス拡散電極がアノードになるように、電圧を印加することで、前記第１のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速させると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第２のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速させることを特徴とする。
本発明によれば、高い二酸化炭素透過性能を有し、かつ駆動時に要するエネルギーを大幅に低減することができる二酸化炭素透過装置が得られる。
また、本発明によれば、二酸化炭素透過装置を用いて、高い効率で二酸化炭素を輸送することができる二酸化炭素輸送方法が得られる。
本発明の一実施形態を示す概略断面図である。 図１に示す実施形態に係る二酸化炭素透過装置が微多孔質層を備える場合の二酸化炭素透過装置の構成例を示す概略断面図である。 本発明の他の実施形態を示す概略断面図である。
本発明に係る二酸化炭素透過装置は、第１のガス拡散電極と、第２のガス拡散電極と、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極とに接するようにして、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に介在する電解質膜と、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備え、電気化学反応により前記第１のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速してこの気体中の二酸化炭素濃度を低減すると共に、前記電解質膜から前記第２のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速してこの気体中の二酸化炭素を富化する。
本発明において、前記電解質膜における、前記第１のガス拡散電極と重なる面上と、前記第２のガス拡散電極と重なる面上とのうち、少なくとも一方に、触媒が担持されていることが好ましい。
本発明において、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極とのうち、少なくとも一方が、前記電解質膜に接する微多孔質層を備えることが好ましい。
本発明の第１の態様に係る二酸化炭素透過装置は、第１のガス拡散電極と、第２のガス拡散電極と、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極とに接するようにして、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に介在する電解質膜と、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備える。本態様に係る二酸化炭素透過装置は、前記直流電源によって電圧が印加されることで、前記第１のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速してこの気体中の二酸化炭素濃度を低減すると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第２のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速してこの気体中の二酸化炭素を富化するように、構成される。
尚、第１のガス拡散電極側の気体とは、第１のガス拡散電極における、電解質膜に接する面とは反対側の面に接する気体のことである。また、第２のガス拡散電極側の気体とは、第２のガス拡散電極における、電解質膜に接する面とは反対側の面に接する気体のことである。
直流電源は、第１のガス拡散電極で酸素の還元反応が起こり、かつ第２のガス拡散電極で水の酸化反応が起こる電圧を印加するように、構成されることが好ましい。
本発明の第２の態様に係る二酸化炭素透過装置では、第１の態様において、前記電解質膜における、前記第１のガス拡散電極と重なる面上と、前記第２のガス拡散電極と重なる面上とのうち、少なくとも一方に、触媒が担持されている。
本発明の第３の態様に係る二酸化炭素透過装置は、第１の態様において、前記電解質膜における、前記第１のガス拡散電極と重なる面上に担持されているＯ2還元触媒を更に備える。
尚、Ｏ2還元触媒とは、次に示すＯ2還元反応を促進させる触媒である。
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ
Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ- → ４ＯＨ-
本発明の第４の態様に係る二酸化炭素透過装置は、第１又は第３の態様において、前記電解質膜における、前記第２のガス拡散電極と重なる面上に担持されているＯ2発生触媒を更に備える。
尚、Ｏ2発生触媒とは、次に示すＯ2発生反応を促進させる触媒である。このＯ2発生反応は、水の酸化反応でもある。
２Ｈ2Ｏ → Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-
本発明の第５の態様に係る二酸化炭素透過装置は、前記電解質膜における、前記第１のガス拡散電極と重なる面上に担持されているＯ2還元触媒及びＯ2発生触媒を更に備え、
前記電解質膜における、前記第２のガス拡散電極と重なる面上に担持されているＯ2還元触媒及びＯ2発生触媒を更に備え、
前記直流電源が、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間への電圧の印加方向を変更可能に構成されている。
本発明の第６の態様に係る二酸化炭素透過装置は、第１乃至第５のいずれか一の態様において、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極とのうち、少なくとも一方が、前記電解質膜に接する微多孔質層を備える。
本発明の第７の態様に係る二酸化炭素透過装置は、第１乃至第６のいずれか一の態様において、前記第１のガス拡散電極に接する気体を保持する第１の気体保持室を更に備える。
本発明の第８の態様に係る二酸化炭素透過装置は、第１乃至第７のいずれか一の態様において、前記第２のガス拡散電極に接する気体を保持する第２の気体保持室を更に備える。
本発明の第９の態様に係る二酸化炭素透過装置は、第１乃至第８のいずれか一の態様において、前記電解質膜へ水を供給する水供給手段を更に備える。
本発明の第１０の態様に係る二酸化炭素輸送方法は、第１のガス拡散電極と、第２のガス拡散電極と、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極とに接するようにして、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に介在する電解質膜と、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備える二酸化炭素透過装置を用意する工程と、前記直流電源によって、前記第１のガス拡散電極がカソードになると共に前記第２のガス拡散電極がアノードになるように、電圧を印加することで、前記第１のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速させると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第２のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速させる工程とを、含むことを特徴とする。
本発明の第１１の態様に係る二酸化炭素輸送方法は、前記直流電源によって、前記第１のガス拡散電極がアノードになると共に前記第２のガス拡散電極がカソードになるように、電圧を印加することで、前記第２のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速させると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第１のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速させる工程を更に含む。
以下、本発明の更に具体的な実施形態について、説明する。
図１に二酸化炭素透過装置１の一例を示す。二酸化炭素透過装置１は、カソードである第１のガス拡散電極２と、アノードである第２のガス拡散電極３と、電解質膜４と、直流電源５とを、備える。
直流電源５は、第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３とに接続される。第１のガス拡散電極２は直流電源５の負極に接続され、第２のガス拡散電極３は直流電源５の正極に接続される。直流電源５は、例えばこの直流電源５による通電のオンオフを切り替えるスイッチを備え、このスイッチにより通電がオンとなった場合に、二酸化炭素透過装置１が作動するように、構成される。
電解質膜４は、第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３との間に介在し、且つ第１のガス拡散電極２及び第２のガス拡散電極３は、電解質膜４と接している。第１のガス拡散電極２及び第２のガス拡散電極３の各々の内部には、電極（固相）、電解質膜４（固相）、並びに二酸化炭素および酸素を含有するガス（気相）の三相界面が形成され、これにより、電極反応が生じ得る。
第１のガス拡散電極２及び第２のガス拡散電極３の各々は、多孔質の導電体から構成されることが好ましい。反応面積を増大させるために、多孔質の導電体の比表面積が、大きいことが好ましい。好ましくは、多孔質の導電体の比表面積は、ＢＥＴ吸着測定において１ｍ2／ｇ以上、より好ましくは１００ｍ2／ｇ以上、さらに好ましくは５００ｍ2／ｇ以上である。多孔質の導電体の比表面積がＢＥＴ吸着測定において１ｍ2／ｇより小さい場合には、三相界面の面積が小さいために、反応量が小さくなり、二酸化炭素の透過性能が十分ではない。また、前記多孔質の導電体の表面抵抗による電圧損失を低減させるために、多孔質の導電体の表面抵抗は、低いほどよいが、好ましくは、表面抵抗は、１ｋΩ／ｓｑ．以下、より好ましくは２００Ω／ｓｑ．以下である。多孔質の導電体の好ましい例としては、カーボンシート、カーボンクロス、カーボンペーパーなどが、挙げられる。
第１のガス拡散電極２及び第２のガス拡散電極３の各々は、微多孔質層（マイクロポーラス層）を備えることが好ましい。微多孔質層は、導電体の、電解質膜４側の面上に積層して形成される。
図２に、図１に示す二酸化炭素透過装置１において、第１のガス拡散電極２が導電体２１と微多孔質層２２とを備え、且つ第二のガス拡散電極３が導電体３１と微多孔質層３２とを備える場合の、二酸化炭素透過装置１の構成の例を示す。
尚、微多孔質層とは、例えば、マイクロサイズ、例えば孔径１０μｍ程度の、複数の空間（孔）を内部に有する層のことを言う。
微多孔質層は、導電性炭素粒子から形成されることが好ましい。この導電性炭素粒子としては、例えば、グラファイト粉、活性炭、カーボンパウダ（例えば、カーボンブラック、バルカンＸＣ−７２Ｒ、アセチレンブラック、ファーネスブラック、デンカブラック、ケッチェンブラック、オイルファーネスブラックを含む）、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスター、金属ドープフラーレン等が挙げられる。上記導電性炭素粒子のうち、１種類のみが用いられてもよいし、２種以上が混合して用いられてもよい。
微多孔質層は、フッ素樹脂を含むことも好ましい。この場合、ガス拡散電極２，３内で生成した水や、ガス拡散電極２，３の近傍で結露した水が、ガス拡散電極２，３から排出されやすくなり、その結果、ガス拡散電極２，３内での二酸化炭素の透過性の低下が抑制される。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等が、挙げられる。これらのフッ素樹脂のうち、１種類のみが用いられてもよいし、２種以上が混合して用いられてもよい。微多孔質層中のフッ素樹脂の割合は、フッ素樹脂／導電性炭素粒子の質量比で０．０５〜０．６の範囲であることが好ましい。このフッ素樹脂の割合は、更に０．１〜０．３の範囲であることが好ましい。
微多孔質層は、たとえば導電体上に導電性炭素粒子を積層することで形成される。この場合、例えば導電性炭素粒子と適宜のバインダーとを含有するスラリーを導電体上に塗布してから、これを乾燥し、更に必要に応じて焼成することで、微多孔質層が形成される。導電体には、スラリーを塗布する前に、予め撥水処理を施しておくことが好ましい。また、バインダーとしては、アニオン型樹脂（例えば株式会社トクヤマ製の、品番ＡＳ−４）が使用されることが好ましい。
また、微多孔質層がフッ素樹脂を含有する場合には、例えば導電性炭素粒子と、フッ素系樹脂と、適宜のバインダーとを含む粉末を使用することで、微多孔質層を形成することができる。バインダーとしては、アニオン型樹脂（例えば株式会社トクヤマ製の、品番ＡＳ−４）が使用されることが好ましい。この粉末を得るにあたっては、例えばまず導電性炭素粒子、フッ素系樹脂、及びバインダーを配合し、更にフッ素樹脂を溶解する親水性有機溶媒（例えばＮ−メチルピロリドン）を添加する。これらの成分を、親水性有機溶媒にフッ素樹脂を溶解させながら混合することで、スラリーを調製する。このスラリーをスプレードライヤー等により造粒することで、導電性炭素粒子と、フッ素系樹脂と、バインダーとを含む粉末を得ることができる。この粉末を導電体上に積層し、ホットプレス等することで、微多孔質層を形成することができる。
微多孔質層の厚みは、適宜設定されるが、１０〜１００μｍの範囲であることが好ましい。
また、第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３の各々の厚みは、適宜設定されるが、気体透過性向上およびロバスト性向上の観点からは、１００〜５００μｍの範囲であることが好ましい。更に、第２のガス拡散電極３から二酸化炭素が排出しやすくなるためには、第２のガス拡散電極３の厚みは、薄い方が好ましく、特に第２のガス拡散電極３の厚みは、１００〜３００μｍの範囲であることが好ましい。
電解質膜４としては、陰イオン伝導性を有する電解質膜が用いられる。電解質膜４は、アニオン型電解質膜であればよい。電解質膜４は、特に陰イオン交換膜から構成されることが好ましい。陰イオン交換膜は、選択的にアニオンを透過させることが可能な膜である。尚、電解質膜４は、必ずしも陰イオンのみを通す膜でなくてもよい。すなわち、例えば電解質膜４は、電気二重層キャパシタ用セパレーターなどの微細な孔を有する絶縁膜に、陰イオン伝導性の樹脂（四級アンモニウム塩の末端を持つ樹脂など）を保持させることで構成されてもよい。
このような電解質膜４を二酸化炭素透過装置が備えることで、電極反応で生じた第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３の間の電荷のアンバランスが、電解質膜４を通したアニオンの移動でのみ補償されることとなる。これにより、第１のガス拡散電極２から第２のガス拡散電極３へのＨＣＯ3 -の移動が、起こりやすくなる。
電解質膜４としては、特に制限されないが、例えば株式会社トクヤマ製のネオセプタＡＭＸ、ＡＨＡ、ＡＣＭ、Ａ２０１、Ａ９０１等が、挙げられる。特に電解質膜４としてトクヤマ社製のアニオン型電解質膜Ａ２０１が用いられることが、好ましい。
電解質膜４の、第１のガス拡散電極２と重なる面上と、第２のガス拡散電極３と重なる面上とのうち、少なくとも一方には、触媒が担持されていることが好ましい。このように触媒が電解質膜４に担持されることで、電解質膜４と触媒との間の良好な接合が形成される。すなわち、触媒と電解質膜４の間の接触抵抗が低減され、これにより電解反応の過電圧が小さくなる。
電解質膜４の、第１のガス拡散電極２と重なる面上に触媒が担持される場合、この触媒には、Ｏ2還元触媒が含まれることが好ましい。Ｏ2還元触媒とは、次に示すＯ2還元反応を促進させる触媒である。
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ
Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ- → ４ＯＨ-
Ｏ2還元触媒の好ましい例としては、酸素の吸着サイトとして作用することができる遷移金属であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも一種類の金属、これらの金属のうち一種以上を含む合金、これらの金属のうち一種以上を含む錯体、これらの金属のうち一種以上をドーパントとした化合物、カーボンアロイ、カーボンナノチューブ、グラファイト等が、挙げられる。
また、Ｏ2還元触媒として、金属原子及び窒素原子がドープされている炭素系材料が用いられることも好ましい。この炭素系材料は、導電性に優れると共に触媒活性が高いため、電気分解の効率が向上する。このような炭素系材料としては、金属原子及び窒素原子がドープされているグラフェン、金属原子及び窒素原子がドープされている酸化グラフェン、金属原子及び窒素原子がドープされているグラファイト、金属原子及び窒素原子がドープされている酸化グラファイト、金属原子及び窒素原子がドープされているアルキル修飾グラファイト等が、挙げられる。
炭素材料にドープされる金属としては、特に限定されないが、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等から選択される一種以上の金属であることが好ましい。
この炭素系材料における、炭素に対する窒素の元素比は、モル比で０．１以上０．２以下であることが好ましい。また、この炭素系材料における、窒素に対する金属の元素比がモル比で０．０３以上であることが好ましく、０．０５以上であれば更に好ましい。この炭素系材料中の炭素、窒素及び金属の含有量は、Ｘ線光電子分光法によって測定される。尚、炭素系材料中の金属の含有量を測定する場合には、炭素系材料に付着している金属及び金属化合物を除去するために、予め炭素系材料を酸洗浄しておくことが好ましい。
また、この炭素系材料において、窒素原子に金属原子が配位していると共に、この窒素原子に配位している金属原子の炭素系材料全体に対する割合が、０．４モル％以上であり、且つ窒素原子の炭素系材料全体に対する割合が、６モル％以上であることも、好ましい。
炭素系材料中の金属原子の種類は、一種のみでもよいが、二種以上であってもよい。
また、触媒性能の向上のためには、炭素系材料の導電率は、０．１Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。また、触媒性能の向上のためには、この炭素系材料の比表面積は、２００ｍ2／ｇ以上であることが好ましい。
また、電解質膜４の、第１のガス拡散電極２と重なる面上に担持される触媒は、次の酸塩基反応を促進するための触媒を含有することも好ましい。
ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ → Ｈ+＋ＨＣＯ3 -
電解質膜４の、第２のガス拡散電極３と重なる面上に触媒が担持される場合、この触媒には、Ｏ2発生触媒が含まれることが好ましい。Ｏ2発生触媒とは、次に示すＯ2発生反応を促進させる触媒である。
２Ｈ2Ｏ → Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-
Ｏ2発生触媒の好ましい例としても、遷移金属であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも一種類の金属、これらの金属のうち一種以上を含む合金、これらの金属のうち一種以上を含む錯体、これらの金属のうち一種以上をドーパントとした化合物、カーボンアロイ、カーボンナノチューブ、グラファイト等が、挙げられる。
また、Ｏ2発生触媒として、Ｏ2還元触媒の場合と同様の、金属原子及び窒素原子がドープされている炭素系材料が用いられることも好ましい。
また、電解質膜４の、第２のガス拡散電極３と重なる面上に担持される触媒は、次の酸塩基反応を促進するための触媒を含有することも好ましい。
Ｈ+＋ＨＣＯ3 - → Ｈ2ＣＯ3 → Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2
電解質膜４への触媒の担持は、適宜の手法によりおこなわれる。例えば、電解質膜４に、触媒を含有する溶液又は分散液（以下、触媒インクという）を直接塗布する方法が、挙げられる。また、適宜の転写基材に触媒インクを塗布することで転写基材上に触媒を含有する膜（触媒膜）を形成し、続いてこの触媒膜を転写基材上から電解質膜４上へ転写する方法（転写法）も、挙げられる。これらの方法のうち、特に転写法が用いられることが好ましい。この場合、電解質膜４が触媒インク中の溶媒又は分散媒によって膨潤することが抑制され、このため、電解質膜４が変形しにくくなる。
転写法において使用される転写基材の材質としては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリプロピレン等の高分子フィルム、塗工紙、ガラス等が挙げられる。これらの中でも、ポリエチレンテレフタレート及びポリエステルが、特に好ましい。
転写基材の、触媒インクが塗布される側の表面上には、離型層が形成されていてもよい。離型層としては、例えばフッ素樹脂系のコーティング材、シリコン系コーティング材等が、挙げられる。
転写基材への触媒インクの塗工は、適宜の手法によりおこなわれる。例えば、インクジェット法、ディップコート法、バーコート法、ドクターブレード法、ダイコート法、スプレー法、ロールコーター法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法等の湿式法が、採用され得る。転写基材へ触媒インクを塗布した後、乾燥することにより、触媒膜が形成される。触媒インクは、好ましくは２０〜１００℃の範囲の温度で乾燥され、更に好ましくは３０〜６０℃の範囲の温度で乾燥される。また、触媒層の膜厚は、１０〜５０μｍの範囲であることが好ましい。
転写基材上から電解質膜４上への触媒層の転写は、転写基材上の触媒膜を電解質膜４に重ね、これらを加圧した状態で加熱することにより、実現できる。加熱及び加圧は、ホットプレス等、一般的な手法を用いておこなうことができる。この場合の圧力および温度は特に限定されないが、圧力は、好ましくは０．１〜２０ＭＰａ、さらに好ましくは１〜５ＭＰａであり、加熱温度は、好ましくは１００〜２００℃である。加熱温度は、電解質膜４のガラス転移点に依存し、通常はガラス転移点よりも１０〜５０℃程度高い温度に設定されることが好ましい。
第１のガス拡散電極２及び第２のガス拡散電極３の間には、外部回路を通じて、直流電源５から、電圧が、印加される。この印加電圧は、第１のガス拡散電極２（カソード）で酸素の還元反応が起こり、かつ第２のガス拡散電極３（アノード）で水の酸化反応が起こる電圧である必要がある。また、印加電圧は、水の電気分解が起こらない条件で設定されることが好ましい。この印加電圧は、電極や電解質で生じるＩＲドロップなどの損失なども考慮して、適宜設定される。例えば、印加電圧は、１〜１０Ｖの範囲で設定される。
二酸化炭素透過装置１は、第１のガス拡散電極２に二酸化炭素を含む気体が接触する状態で、駆動する。このため、第１のガス拡散電極２の外部雰囲気との接触面積が、大きいほど好ましい。
本実施形態では、第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３と電解質膜４の両側の面に接触しているため、第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３との間に生じる電圧降下（ＩＲドロップ）が、非常に小さくなり、このため、ＩＲドロップによる電圧損失が、小さくなる。
本実施形態による二酸化炭素透過装置１は、第１のガス拡散電極２が二酸化炭素と酸素と水蒸気とを含む気体に接触している状態で、第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３との間に直流電源５により電圧が印加されることで、駆動する。この場合、第１のガス拡散電極２側で、まず下記式に示されるような、第１のガス拡散電極２が接する気体中の酸素が第１のガス拡散電２または第２のガス拡散電極３が接する気体中の水蒸気によって還元される反応が、起こる。これにより、第１のガス拡散電極２の近傍に、ＯＨ-が、生じる。
Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ- → ４ＯＨ-
続いて、第１のガス拡散電極２では、第１のガス拡散電極２が接する気体中の二酸化炭素と上記反応で生じた水酸化物イオンＯＨ-とが関与する下記式で示される反応が、起こり、ＨＣＯ3 -が、生成する。
ＣＯ2＋ＯＨ- → ＨＣＯ3 -
この反応と同時に、第１のガス拡散電極２側では、下記式で示されるように、第１のガス拡散電極２が接する気体中の二酸化炭素が電解質膜４中の水と反応して水和、電離する酸塩基反応も、起こる。これにより、ＨＣＯ3 -が、生成する。尚、電解質膜４中の水は、第１のガス拡散電極２または第２のガス拡散電極３と接する気体中の水蒸気に由来するものであり、電解質膜４が膨潤するなどして電解質膜４中に取り込まれたものである。
ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ → Ｈ+＋ＨＣＯ3 -
これらの反応により、第１のガス拡散電極２に接する気体中の二酸化炭素の、電解質膜４への吸収が、加速される。尚、この場合の「加速」とは、第１のガス拡散電２と第２のガス拡散電極３との間に電圧が印加されていない場合に起こり得る二酸化炭素の電解質膜４への吸収と比較して、二酸化炭素の吸収量が増大することを意味する。
電解質膜４の、第１のガス拡散電極２と接する面に、Ｏ2還元触媒が担持されていると、上記の電気化学的なＯ2還元が、著しく促進される。これにより、上記の気体中の二酸化炭素と反応しうるＯＨ-の生成速度が、大きくなるため、二酸化炭素の吸収効率が、更に高くなる。また、電解質膜４の、第１のガス拡散電極２と接する面に、酸塩基反応触媒が担持されていると、上記の水と反応したＣＯ2の電離が、著しく促進される。これにより、上記の気体中の二酸化炭素が水和、電離する酸塩基反応の平衡が、右に偏りやすくなり、このため、二酸化炭素の吸収効率が、更に高くなる。
第１のガス拡散電極２が接する気体中に存在する二酸化炭素濃度が、高いほど、上記反応量は、多くなり、このため、二酸化炭素透過装置１の電流値は、大きくなる。
これらの反応により生成された炭酸水素イオンＨＣＯ3 -は、電解質膜４中を通じて、第２のガス拡散電極３まで達する。第２のガス拡散電極３では、次に示すような、電解質膜４中の水が酸化されてＯ2が発生する反応が、起こる。
２Ｈ2Ｏ → Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-
この反応により第２のガス拡散電極３近傍では水素イオンＨ+濃度が高くなることで、水素イオンＨ+と炭酸水素イオンＨＣＯ3 -とが関与する次の酸塩基反応が、促進され、これにより、二酸化炭素が、生成する。これにより、電解質膜４から第２のガス拡散電極３が接する気体への、二酸化炭素の放出が、加速される。尚、この場合の「加速」とは、第１のガス拡散電２と第２のガス拡散電極３との間に電圧が印加されていない場合に起こり得る二酸化炭素の電解質膜４からの放出と比較して、二酸化炭素の放出量が増大することを、意味する。
Ｈ+＋ＨＣＯ3 - → Ｈ2ＣＯ3 → Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2
電解質膜４における第２のガス拡散電極３と接する面上にＯ2発生触媒が担持されていると、上記の電気化学的な水の酸化によりＯ2が発生する反応も、著しく促進される。これにより、上記の二酸化炭素が生成する酸塩基反応の平衡が、右側に偏りやすくなり、このため、二酸化炭素の放出効率が、更に高くなる。
このようにして、第１のガス拡散電極２が接する気体から、第２のガス拡散電極３が接する気体へと、二酸化炭素が、効率よく透過する。これにより、第１のガス拡散電極２が接する気体中の二酸化炭素濃度が、低減すると共に、第２のガス拡散電極３に接する気体中の二酸化炭素が、富化する。尚、「富化」とは、特定の気体の濃度を初期状態よりも高い状態にすることを、意味する。
尚、第２のガス拡散電極３側の二酸化炭素濃度が高い場合、平衡の逆反応である次の反応が起こりやすくなる。
Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2→Ｈ+＋ＨＣＯ3 -
このため、アノードである第２のガス拡散電極３側での反応が起こるための過電圧が、大きくなる。このため、同一電圧で反応量を大きくするためには、第２のガス拡散電極３側では、二酸化炭素濃度が、希薄であれば希薄である方が良く、好ましくは５％以下である。また、二酸化炭素濃度を希釈するために、第２のガス拡散電極３側に気流を発生させる設備を設けることも、好ましい。
この二酸化炭素透過装置１が用いられると、カソードである第１のガス拡散電極２に供給された常温のガス中の二酸化炭素が、二酸化炭素透過装置１を透過して、アノードである第２のガス拡散電極３から常温のまま放出され得る。また、二酸化炭素透過装置１への二酸化炭素の吸収は、化学的に行われ、更に、二酸化炭素透過装置１中の移動は、電解質膜４中のＨＣＯ3 -の濃度拡散および静電力による泳動で起こる。このため、多大なエネルギーを投入することなく、二酸化炭素を輸送することができる。
このように構成される二酸化炭素透過装置１を用いて、二酸化炭素を含有する気体中から二酸化炭素を取り出して、この二酸化炭素を、産業利用することができる。
また、この二酸化炭素透過装置１を、開口部のない部屋、飛行機、潜水艇、宇宙船などの閉鎖空間からのＣＯ2の排出、工場アルカリ廃水処理などにおけるＣＯ2バブリングによる中和のためのＣＯ2の供給、植物工場・ビニールハウスなどにおける光合成のためのＣＯ2の供給などにも、利用することができる。
本実施形態では、直流電源５が、第１のガス拡散電極２がカソードになると共に第２のガス拡散電極３がアノードになるように電圧を印加するように、構成される。尚、この直流電源５が、更に第１のガス拡散電極２がアノードになると共に第２のガス拡散電極３がカソードになるようにも電圧を印加するように、構成されてもよい。すなわち、直流電源５が、第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３との間への電圧の印加方向を変更可能に構成されてもよい。そのためには，例えば直流電源５が、直流電源５による通電のオンオフ並びに通電方向を切り替えるためのスイッチを備える。この場合、直流電源５が、第１のガス拡散電極２がアノードになると共に第２のガス拡散電極３がカソードになるように電圧を印加すると、第１のガス拡散電極２側の気体から電解質膜４への二酸化炭素の吸収が加速されて、この気体中の二酸化炭素濃度が低減する。また、電解質膜４中の水の酸化反応を利用して、電解質膜４から第２のガス拡散電極３側の気体への二酸化炭素の放出が加速されて、この気体中の二酸化炭素が富化する。これにより、二酸化炭素の透過方向が、逆転する。すなわち、直流電源５による電圧の印加方向が選択されることで、二酸化炭素透過装置１による二酸化炭素の透過方向が選択される。従って、二酸化炭素透過装置１が、二酸化炭素を第１のガス拡散電極２側から第２のガス拡散電極３側へ輸送することも、第２のガス拡散電極３側から第１のガス拡散電極２側へ輸送することも、いずれも可能となる。
直流電源５が、第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３との間への電圧の印加方向を変更可能に構成される場合の、更に好ましい形態について説明する。この場合、電解質膜４における、第１のガス拡散電極２と重なる面上に、Ｏ2還元触媒及びＯ2発生触媒が担持され、更に、この電解質膜４における、第２のガス拡散電極３と重なる面上にも、Ｏ2還元触媒及びＯ2発生触媒が担持されていることが、好ましい。この場合、直流電源５が、第１のガス拡散電極２がカソードになると共に第２のガス拡散電極３がアノードになるように電圧を印加する場合と、第１のガス拡散電極２がアノードになると共に第２のガス拡散電極３がカソードになるように電圧を印加する場合との、いずれにおいても、二酸化炭素が効率良く透過する。尚、この場合、電解質膜４における、第１のガス拡散電極２と重なる面上に、Ｏ2還元触媒とＯ2発生触媒とを兼ねる触媒が担持されていてもよい。また、電解質膜４における、第２のガス拡散電極３と重なる面上に、Ｏ2還元触媒とＯ2発生触媒とを兼ねる触媒が担持されていてもよい。
Ｏ2還元触媒とＯ2発生触媒とを兼ねる触媒としては、遷移金属であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも一種類の金属、これらの金属のうち一種以上を含む合金、これらの金属のうち一種以上を含む錯体、これらの金属のうち一種以上をドーパントとした化合物、カーボンアロイ、カーボンナノチューブ、グラファイト等が、挙げられる。また、触媒として、金属原子及び窒素原子がドープされている炭素系材料が用いられることも好ましい。このような炭素系材料としては、金属原子及び窒素原子がドープされているグラフェン、金属原子及び窒素原子がドープされている酸化グラフェン、金属原子及び窒素原子がドープされているグラファイト、金属原子及び窒素原子がドープされている酸化グラファイト、金属原子及び窒素原子がドープされているアルキル修飾グラファイト等が、挙げられる。炭素材料にドープされる金属としては、特に限定されないが、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等から選択される一種以上の金属であることが好ましい。
二酸化炭素透過装置は、第１の気体保持室と、第２の気体保持室とのうち、少なくとも一方を更に備えてもよい。第１の気体保持室は、第１のガス拡散電極に接する気体を保持するように構成される。また、第２の気体保持室は、第２のガス拡散電極に接する気体を保持するように構成される。
図３に示す二酸化炭素透過装置１１は、図１に示す二酸化炭素透過装置１において、更に第１の気体保持室６と、第２の気体保持室７とを備える。この二酸化炭素透過装置１１において、直流電源５によって第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３との間に電圧が印加されると、第１の気体保持室６から第２の気体保持室７へ、二酸化炭素が輸送される。これにより、第１の気体保持室６内の二酸化炭素濃度が低減されると共に第２の気体保持室７内の二酸化炭素濃度が増大されうる。
この二酸化炭素透過装置１１は、適宜の用途に適用されうる。例えば、二酸化炭素透過装置１１によって、第２の気体保持室７内で二酸化炭素濃度の高い気体が生成され、これが適宜産業利用されうる。
また、第１の気体保持室６が開口部のない部屋、飛行機、潜水艇、宇宙船などの、二酸化炭素濃度が増大しやすい閉鎖された施設である場合には、二酸化炭素透過装置１１が駆動されると、第１の気体保持室６内の二酸化炭素濃度が低減される。これにより、第１の気体保持室６内の二酸化炭素濃度が、適切な条件に維持されうる。この場合、二酸化炭素透過装置１１は、第２の気体保持室７を備えずに、第２のガス拡散電極３が外気に曝露されていてもよい。
また、第２の気体保持室７が、植物工場、ビニールハウスなどの、二酸化炭素が消費される設備である場合には、二酸化炭素透過装置１１が駆動されると、第２の気体保持室７内の二酸化炭素濃度が増大されうる。これにより第２の気体保持室７内へ二酸化炭素濃度が供給されうる。この場合、二酸化炭素透過装置１１は、第１の気体保持室６を備えずに、第１のガス拡散電極２が外気に曝露されていてもよい。
二酸化炭素透過装置１１が、電解質膜４へ水を供給するように構成されている水供給手段を備えることも好ましい。この場合、電解質膜４内で、電気化学反応に関与する水が不足することが抑制される。このため、二酸化炭素透過装置１１によって、二酸化炭素が、更に効率良く輸送される。
尚、図１に示す二酸化炭素透過装置１が、更に水供給手段を備えてもよい。
水供給手段としては、水を気化又は霧化させて放散するように構成された装置が挙げられる。このような装置としては、水をスプレー噴射する装置、水を超音波によって霧化させて放散する超音波霧化装置、水を放電によって霧化させて放散する静電霧化装置、水を加熱することで蒸発させて放散する装置など、公知の装置が採用されうる。
このような水供給手段は、例えば気化又は霧化された水を、第１のガス拡散電極２に接する気体中又は第２のガス拡散電極３に接する気体中に放散するように、構成される。これにより、水が、電解質膜４へ供給される。
図３に示す二酸化炭素透過装置１１は、水供給手段として、第１の気体保持室６内に水を気化又は霧化させて放散するように構成された装置８を備える。このため、気化又は霧化された水が、第１のガス拡散電極２に接する気体中に放散され、この水が、電解質膜４へ供給される。このような装置８が、第２の気体保持室７内に設けられてもよい。
また、水供給手段としては、電解質膜４を冷却するように構成された冷却装置が採用されてもよい。この場合、冷却装置によって電解質膜４が冷却されることで、電解質膜４上に結露水が付着し、これにより、電解質膜４に水が供給される。冷却装置として、公知の適宜の装置が用いられうる。
また、水供給手段としては、電解質膜４へ液状の水を直接輸送するように構成された装置が採用されてもよい。例えば、水を保持するタンク等からなる水の供給源と、この供給源と電解質膜とを接続する管路とから、水供給手段が構成されてもよい。この場合、管路を介して、供給源から電解質膜４へ水が供給される。
図３に示す形態においても、直流電源５が、第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３との間への電圧の印加方向を変更可能に構成されてもよい。この場合、直流電源５が、第１のガス拡散電極２がアノード、第２のガス拡散電極３がカソードとなるように電圧を印加することにより、第２のガス拡散電極３で酸素の還元反応が起こり、かつ第１のガス拡散電極２で水の酸化反応が起こる。このように、二酸化炭素透過装置１１に逆のバイアスをかけることにより、カソードである第２のガス拡散電極３に供給された二酸化炭素透過装置１中の二酸化炭素が、アノードである第１のガス拡散電極２から外部に放出され得る。これにより、二酸化炭素透過装置１１が、二酸化炭素を第１の気体保持室６から第２の気体保持室７へ輸送することも、第２の気体保持室７から第１の気体保持室６へ輸送することも、いずれも可能となる。
また、図３に示す形態において、二酸化炭素透過装置１１が、第一の気体保持室６内と第二の保持室７内とのうち少なくとも一方に設置されているＣＯ2ガスセンサと、このＣＯ2ガスセンサによる二酸化炭素濃度の測定結果に基づいて直流電源５の動作を制御する制御装置とを備えてもよい。この場合、例えば、直流電源５が、直流電源５による通電のオンオフを切り替えるためのスイッチを備え、このスイッチの動作が、制御装置によって制御されるように構成されてもよい。この場合、ＣＯ2ガスセンサによる測定結果に基づいて、第一の気体保持室６内又は第二の保持室７内の二酸化炭素濃度が、調整されうる。ＣＯ2ガスセンサとしては、固体電解質型ガスセンサ、電解液型ガスセンサなどの、公知の方式のガスセンサが採用されうる。
図３に示す形態では、第一の気体保持室６内にＣＯ2ガスセンサ９が設置される。この場合、制御装置１０は、例えばＣＯ2ガスセンサ９による二酸化炭素濃度の測定値が一定値以上である場合に直流電源５を作動させ、二酸化炭素濃度の測定値が一定値未満である場合に直流電源５を停止させる制御をするように、構成される。この場合、第一の気体保持室６内の二酸化炭素濃度が上昇した場合にのみ二酸化炭素透過装置１１を作動させることで、第一の気体保持室６内の二酸化炭素濃度が、一定の濃度以下に調整されうる。
第二の気体保持室６内にＣＯ2ガスセンサが設置される場合は、制御装置は、例えばＣＯ2ガスセンサによる二酸化炭素濃度の測定値が一定値未満である場合に直流電源５を作動させ、二酸化炭素濃度の測定値が一定値以上である場合に直流電源５を停止させる制御をするように、構成される。この場合、第二の気体保持室７内の二酸化炭素濃度が低下した場合にのみ二酸化炭素透過装置１１を作動させることで、第二の気体保持室７内の二酸化炭素濃度が、一定の濃度以上に調整されうる。
また、直流電源５が、第１のガス拡散電極２と第２のガス拡散電極３との間への電圧の印加方向を変更可能に構成される場合において、更に図３に示すように二酸化炭素透過装置１１が、第一の気体保持室６内に設置されているＣＯ2ガスセンサ９と、このＣＯ2ガスセンサ９による二酸化炭素濃度の測定結果に基づいて直流電源５の動作を制御する制御装置１０とを備えてもよい。この場合の制御装置１０は、例えば二酸化炭素濃度の測定値が一定の範囲より低い場合に第１のガス拡散電極２がカソードになると共に第２のガス拡散電極３がアノードになるように電圧を印加し、二酸化炭素濃度の測定値が一定の範囲より高い場合に第１のガス拡散電極２がアノードになると共に第２のガス拡散電極３がカソードになるように電圧を印加し、二酸化炭素濃度の測定値が一定の範囲内である場合に電圧の印加を停止する制御をするように、構成される。この場合、二酸化炭素透過装置１１によって、第一の気体保持室６内の二酸化炭素濃度が、一定の範囲に維持される。
１．５ｃｍ角の、ＰＴＦＥによって撥水処理が施されたカーボンペーパー（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０）を二つ用意し、これらをそれぞれ、第１のガス拡散電極及び第２のガス拡散電極とした。
アニオン型樹脂溶液（株式会社トクヤマ製、ＡＳ−４）、カーボンブラック（バルカンＸＣ−７２Ｒ）、及びＰＴＦＥを、固形分重量比で１：２：１となるように混合することで、混合物を得た。この混合物に、この混合物中の固形分に対する質量比で２５％の割合でＮ−メチルピロリドンを添加することで、混合液を調製した。この混合液を、スプレードライヤー（ヤマト科学株式会社製、ＤＬ４１０）を用いて造粒することで、粉末を得た。この粉末を、第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極の各々の上にのせて、１４０℃、３ＭＰａでホットプレスすることにより、膜厚が２０μｍの微多孔質層を形成した。
また、アニオン型電解質膜として、株式会社トクヤマ製のアニオン型電解質膜Ａ２０１（膜厚２８μｍ）を用意した。このアニオン型電解質膜の両面の各々に、白金触媒を、面積あたりの担持量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように担持させた。白金触媒の担持にあたっては、まず、白金担持カーボンブラック（白金割合２０質量％、田中貴金属製）と、アニオン型樹脂溶液（株式会社トクヤマ製、ＡＳ−４）とを、固形分重量比で１：０．４の割合で混合することで、触媒インクを調製した。この触媒インクを、バーコーター法により、ポリエステル系転写基材（東レ製、ルミラー＃５０−Ｓ１０５）に塗布した。続いて、この触媒インクを、大気中で１２時間乾燥させることで、触媒膜を形成した。続いて、転写基材上の触媒膜を、アニオン型電解質膜の両面の各々に重ね、これらをホットプレスにより１４０℃、３ＭＰａで５分間保持することで、触媒膜をアニオン型電解質膜上に転写した。
更に、直流電源を用意し、第１のガス拡散電極を直流電源の負極に接続すると共に、第２のガス拡散電極を直流電源の正極に接続した。これにより、二酸化炭素透過装置を構成した。
この二酸化炭素透過装置における第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極の各々を、密閉空間に臨むように配置した。二つの密閉空間の各々には、２５℃で相対湿度８５％の気体（初期の酸素割合２０．９％、初期の二酸化炭素割合０．０４％）を満たした。また、第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極の各々には、プレートを重ねた。このプレートには、ガス拡散電極と重なる面に蛇行状の溝を形成すると共に、この溝の両端と密閉空間内とを連通する開口を形成しておいた。この状態で、前記開口を通じて、各プレートにおける溝に密閉空間内の気体を、第１のガス拡散層および第２のガス拡散層の単位面積あたりの流速が２００ｍＬ／ｍｉｎ・ｃｍ2となるように流通させた。
この状態で、直流電源により、第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極との間に５Ｖの電圧を印加することにより二酸化炭素透過装置を駆動させると共に、各プレートから排出される気流中の二酸化炭素濃度の経時変化を、二酸化炭素ガスセンサモジュール（浜松ホトニクス株式会社製）を用いて測定した。この測定結果に基づいて、二酸化炭素透過装置を透過する二酸化炭素の透過速度を導出した。
その結果、この二酸化炭素透過装置における二酸化炭素の、面積当たりの透過速度は、７０μＬ／ｍｉｎ・ｃｍ2であった。これにより、本実施例による二酸化炭素透過装置の、優れた二酸化炭素透過性能が、確認された。
１ 二酸化炭素透過装置
２ 第１のガス拡散電極
３ 第２のガス拡散電極
４ 電解質膜
５ 直流電源

Claims (12)

  1. 第１のガス拡散電極と、
    第２のガス拡散電極と、
    前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極とに接するようにして、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に介在し、陰イオン伝導性の樹脂を含む電解質膜と、
    前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備え、
    前記第１のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速してこの気体中の二酸化炭素濃度を低減すると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第２のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速してこの気体中の二酸化炭素を富化するように構成されている二酸化炭素透過装置。
  2. 前記電解質膜における、前記第１のガス拡散電極と重なる面上と、前記第２のガス拡散電極と重なる面上とのうち、少なくとも一方に、触媒が担持されている請求項１に記載の二酸化炭素透過装置。
  3. 前記電解質膜における、前記第１のガス拡散電極と重なる面上に担持されているＯ２還元触媒を更に備える請求項１に記載の二酸化炭素透過装置。
  4. 前記電解質膜における、前記第２のガス拡散電極と重なる面上に担持されているＯ２発生触媒を更に備える請求項１又は３に記載の二酸化炭素透過装置。
  5. 前記電解質膜における、前記第１のガス拡散電極と重なる面上に担持されているＯ２還元触媒及びＯ２発生触媒を更に備え、
    前記電解質膜における、前記第２のガス拡散電極と重なる面上に担持されているＯ２還元触媒及びＯ２発生触媒を更に備え、
    前記直流電源が、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間への電圧の印加方向を変更可能に構成されている請求項１に記載の二酸化炭素透過装置。
  6. 前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極とのうち、少なくとも一方が、前記電解質膜に接する微多孔質層を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の二酸化炭素透過装置。
  7. 前記第１のガス拡散電極に接する気体を保持する第１の気体保持室を更に備える請求項１乃至６のいずれか一項に記載の二酸化炭素透過装置。
  8. 前記第２のガス拡散電極に接する気体を保持する第２の気体保持室を更に備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載の二酸化炭素透過装置。
  9. 前記電解質膜へ水を供給する水供給手段を更に備える請求項１乃至８のいずれか一項に記載の二酸化炭素透過装置。
  10. 第１のガス拡散電極と、第２のガス拡散電極と、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極とに接するようにして、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に介在し、陰イオン伝導性の樹脂を含む電解質膜と、前記第１のガス拡散電極と前記第２のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備える二酸化炭素透過装置を用意する工程と、
    前記直流電源によって、前記第１のガス拡散電極がカソードになると共に前記第２のガス拡散電極がアノードになるように、電圧を印加することで、前記第１のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速させると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第２のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速させる工程とを含む二酸化炭素輸送方法。
  11. 前記直流電源によって、前記第１のガス拡散電極がアノードになると共に前記第２のガス拡散電極がカソードになるように、電圧を印加することで、前記第２のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速させると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第１のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速させる工程を更に含む請求項１０に記載の二酸化炭素輸送方法。
  12. 前記第１のガス拡散電極に供給された常温のガス中の二酸化炭素を透過させて前記第２のガス拡散電極から常温のまま放出するように構成されている請求項１乃至９のいずれか一項に記載の二酸化炭素透過装置。
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