JP6672211B2 - 二酸化炭素電解装置および二酸化炭素電解方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、二酸化炭素電解装置および二酸化炭素電解方法に関する。

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。そのため、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）に変換する技術が注目されている。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。

二酸化炭素の電解装置としては、例えばカソードにカソード溶液とＣＯ_２ガスを接触させると共に、アノードにアノード溶液を接触させる構造が検討されている。電解装置の具体的な構成としては、例えばカソードの一方の面に沿って配置されたカソード溶液流路と、カソードの他方の面に沿って配置されたＣＯ_２ガス流路と、アノードの一方の面に沿って配置されたアノード溶液流路と、カソード溶液流路とアノード溶液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、ＣＯ_２から例えばＣＯを生成する反応を長時間実施した場合、ＣＯの生成量が低下したり、セル電圧が増加したりする等といった経時的なセル出力の劣化が生じるという課題がある。このため、経時的なセル出力の劣化を抑制することを可能にした二酸化炭素の電解装置が求められている。

Ｚｅｎｇｃａｌ Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣＯ２ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ， １５， ｐ．５０−５６（２０１５） Ｓｉｎｃｈａｏ Ｍａ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， １６１（１０）， Ｆ１１２４−Ｆ１１３１（２０１４）

本発明が解決しようとする課題は、長時間にわたってセル出力を維持することを可能にした二酸化炭素電解装置および二酸化炭素電解方法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、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成するためのカソードと、水または水酸化物イオンを酸化して酸素を生成するためのアノードと、前記カソードに二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部と、前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に水を含む電解溶液を供給する溶液供給部と、前記アノードと前記カソードとを分離するセパレータとを備える電解セルと、前記アノードと前記カソードとに接続された電源と、前記電源から前記アノードおよび前記カソードに電流を流し、前記カソードにおける前記二酸化炭素の還元反応および前記アノードにおける前記水または水酸化物イオンの酸化反応を生起する反応制御部と、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方にガス状物質を供給するガス供給部を備えるリフレッシュ材供給部と、前記電解セルのセル出力の要求基準に基づいて、前記反応制御部による前記電源からの電流供給、および前記二酸化炭素および前記電解溶液の供給を停止すると共に、前記リフレッシュ材供給部を動作させるリフレッシュ制御部とを具備し、前記ガス状物質は窒素およびアルゴンから選ばれる少なくとも１つを含む。

第１の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の電解セルを示す断面図である。 図２に示す電解セルにおけるアノード溶液流路の一例を示す図である。 図２に示す電解セルにおけるカソード溶液流路の一例を示す図である。 図２に示す電解セルにおけるカソード溶液流路の他の例を示す図である。 図２に示す電解セルにおけるＣＯ_２ガス流路の一例を示す図である。 図２に示す電解セルにおけるカソードの一例を示す図である。 図２に示す電解セルにおけるカソードの他の例を示す図である。 図２に示す電解セルにおけるカソードでの反応を模式的に示す図である。 第１の実施形態の二酸化炭素電解装置の運転工程を示す図である。 第１の実施形態の二酸化炭素電解装置のリフレッシュ工程を示す図である。 第２の実施形態の二酸化炭素電解装置を示す図である。 図１２に示す二酸化炭素電解装置の電解セルを示す断面図である。 第３の実施形態の二酸化炭素電解装置を示す図である。 図１４に示す二酸化炭素電解装置の電解セルを示す断面図である。

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。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による二酸化炭素の電解装置の構成を示す図であり、図２は図１に示す電解装置における電解セルの構成を示す断面図である。図１に示す二酸化炭素の電解装置１は、電解セル２と、電解セル２にアノード溶液を供給するアノード溶液供給系統１００と、電解セル２にカソード溶液を供給するカソード溶液供給系統２００と、電解セル２に二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを供給するガス供給系統３００と、電解セル２における還元反応により生成した生成物を収集する生成物収集系統４００と、収集した生成物の種類や生成量を検出すると共に、生成物の制御やリフレッシュ動作の制御を行う制御系５００と、カソード溶液やアノード溶液の廃液を収集する廃液収集系統６００と、電解セル２のアノードやカソード等を回復させるリフレッシュ材供給部７００とを具備している。

電解セル２は、図２に示すように、アノード部１０とカソード部２０とセパレータ３０とを具備している。アノード部１０は、アノード１１、アノード溶液流路１２、およびアノード集電板１３を備えている。カソード部２０は、カソード溶液流路２１、カソード２２、ＣＯ_２ガス流路２３、およびカソード集電板２４を備えている。セパレータ３０は、アノード部１０とカソード部２０とを分離するように配置されている。電解セル２は、図示し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る。図１および図２において、符号４０はアノード１１およびカソード２２に電流を流す電源である。電源４０は電流導入部材を介してアノード１１およびカソード２２と接続されている。電源４０は、通常の系統電源や電池等に限られるものではなく、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であってもよい。

アノード１１は、電解溶液としてのアノード溶液中の水（Ｈ_２Ｏ）の酸化反応を生起し、酸素（Ｏ_２）や水素イオン（Ｈ^＋）を生成する、もしくはカソード部２０で生じた水酸化物イオン（ＯＨ⁻）の酸化反応を生起し、酸素（Ｏ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）を生成する電極（酸化電極）である。アノード１１は、セパレータ３０と接する第１の面１１ａと、アノード溶液流路１２に面する第２の面１１ｂとを有することが好ましい。アノード１１の第１の面１１ａは、セパレータ３０と密着している。アノード溶液流路１２は、アノード１１にアノード溶液を供給するものであり、第１の流路板１４に設けられたピット（溝部／凹部）により構成されている。アノード溶液は、アノード１１と接するようにアノード溶液流路１２内を流通する。アノード集電板１３は、アノード溶液流路１２を構成する第１の流路板１４のアノード１１とは反対側の面と電気的に接している。

上述したように、実施形態の電解セル２においては、アノード１１とセパレータ３０とを密着させている。アノード１１では酸素（Ｏ_２）が生成されるが、この際にセパレータをカソード溶液流路とアノード溶液流路とで挟み込んだセル構造では、アノード１１で発生した酸素（Ｏ_２）ガスの気泡がアノード溶液流路に滞留し、アノードとセパレータ（イオン交換膜等）との間のセル抵抗が増加し、これによりアノードの電圧変動が大きくなることがある。このような点に対して、アノード１１とセパレータ３０との間にアノード溶液流路１２を配置せず、アノード１１とセパレータ３０とを密着させることで、アノード１１で発生した酸素ガスはアノード溶液と共にアノード溶液流路１２に排出される。これによって、アノード１１とセパレータ３０との間における酸素ガスの滞留が防止され、アノードの電圧変動によるセル電圧の変動を抑制することが可能になる。

第１の流路板１４には、図示を省略した溶液導入口と溶液導出口とが設けられており、これら溶液導入口および溶液導出口を介して、アノード溶液供給系統１００によりアノード溶液が導入および排出される。第１の流路板１４には、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。そのような材料としては、ＴｉやＳＵＳ等の金属材料、カーボン等が挙げられる。アノード溶液流路１２には、図３に示すように、複数のランド（凸部）１５が設けられていることが好ましい。ランド１５は、機械的な保持と電気的な導通のために設けられている。ランド１５は、アノード溶液の流れを均一化させるために、互い違いに設けることが好ましい。このようなランド１５によって、アノード溶液流路１２は蛇行している。さらに、酸素（Ｏ_２）ガスが混在するアノード溶液を良好に排出するためにも、アノード溶液流路１２にランド１５を互い違いに設け、アノード溶液流路１２を蛇行させることが好ましい。

アノード１１は、水（Ｈ_２Ｏ）を酸化して酸素や水素イオンを生成する、もしくは水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を酸化して水や酸素を生成することが可能で、そのような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）で主として構成されることが好ましい。そのような触媒材料としては、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錯体等の金属錯体が挙げられる。

アノード１１は、セパレータ３０とアノード溶液流路１２との間でアノード溶液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２２は、二酸化炭素（ＣＯ_２）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を生起し、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、エチレングリコール（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ_２）等の炭素化合物を生成する電極（還元電極）である。カソード２２においては、二酸化炭素（ＣＯ_２）の還元反応と同時に、水（Ｈ_２Ｏ）の還元反応により水素（Ｈ_２）を発生する副反応が生起される場合がある。カソード２２は、カソード溶液流路２１に面する第１の面２２ａと、ＣＯ_２ガス流路２３に面する第２の面２２ｂとを有する。カソード溶液流路２１は、電解溶液としてのカソード溶液がカソード２２およびセパレータ３０と接するように、カソード２２とセパレータ３０との間に配置されている。

カソード溶液流路２１は、第２の流路板２５に設けられた開口部により構成されている。第２の流路板２５には、図示を省略した溶液導入口と溶液導出口とが設けられており、これら溶液導入口および溶液導出口を介して、カソード溶液供給系統２００によりカソード溶液が導入および排出される。カソード溶液は、カソード２２およびセパレータ３０と接するようにカソード溶液流路２１内を流通する。カソード溶液流路２１を構成する第２の流路板２５には、化学反応性が低く、かつ導電性を有しない材料を用いることが好ましい。そのような材料としては、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が挙げられる。

カソード２２においては、主としてカソード溶液に接している部分でＣＯ_２の還元反応が生じる。このため、カソード溶液流路２１には、図４に示すように、開口面積が広い開口部を適用することが好ましい。ただし、機械的な保持や電気的な接続性を高めるために、図５に示すように、カソード溶液流路２１にランド（凸部）２６を設けてもよい。カソード溶液流路２１のランド２６は、カソード溶液流路２１の中央部に設けられており、カソード溶液流路２１内のカソード溶液の流通を妨げないように、ランド２６より薄いブリッジ部２７で第２の流路板２５に保持されている。カソード溶液流路２１にランド２６を設ける場合、セル抵抗を低減するために、ランド２６の数は少ない方が好ましい。

ＣＯ_２ガス流路２３は、第３の流路板２８に設けられたピット（溝部／凹部）により構成されている。ＣＯ_２ガス流路を構成する第３の流路板２８には、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。そのような材料としては、ＴｉやＳＵＳ等の金属材料、カーボン等が挙げられる。なお、第１の流路板１４、第２の流路板２５、および第２の流路板２８には、図示を省略した溶液やガスの導入口および導出口、また締め付けのためのネジ穴等が設けられている。また、各流路板１４、２５、２８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。

第３の流路板２８には、図示を省略したガス導入口とガス導出口とが設けられており、これらガス導入口およびガス導出口を介して、ガス供給系統３００によりＣＯ_２ガスもしくはＣＯ_２を含むガス（総称して、単にＣＯ_２ガスと呼称する場合もある。）が導入および排出される。ＣＯ_２ガスは、カソード２２と接するようにＣＯ_２ガス流路２３内を流通する。ＣＯ_２ガス流路２３には、図６に示すように、複数のランド（凸部）２９が設けられていることが好ましい。ランド２９は、機械的な保持と電気的な導通のために設けられている。ランド２９は互い違いに設けることが好ましく、これによりＣＯ_２ガス流路２３はアノード溶液流路１２と同様に蛇行している。カソード集電板２４は、第３の流路板２８のカソード２２とは反対側の面と電気的に接している。

実施形態の電解セル２においては、アノード溶液流路１２およびＣＯ_２ガス流路２３にランド１５、２９を設けることで、アノード１１とアノード溶液流路１２を構成する第１の流路板１４との接触面積、およびカソード２２とＣＯ_２ガス流路２３を構成する第３の流路板２８との接触面積を増やすことができる。また、カソード溶液流路２１にランド２６を設けることで、カソード２２とカソード溶液流路２１を構成する第２の流路板２５との接触面積を増やすことができる。これらによって、電解セル２の機械的な保持性を高めつつ、アノード集電板１３とカソード集電板２４との間の電気的な導通が良好になり、ＣＯ_２の還元反応効率等を向上させることが可能になる。

カソード２２は、図７に示すように、ガス拡散層２２Ａとその上に設けられたカソード触媒層２２Ｂとを有している。ガス拡散層２２Ａとカソード触媒層２２Ｂとの間には、図８に示すように、ガス拡散層２２Ａより緻密な多孔質層２２Ｃを配置してもよい。図９に示すように、ガス拡散層２２ＡはＣＯ_２ガス流路２３側に配置され、カソード触媒層２２Ｂはカソード溶液流路２１側に配置される。カソード触媒層２２Ｂは、ガス拡散層２２Ａ中に入り込んでいてもよい。カソード触媒層２２Ｂ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２２Ａ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る。多孔質層２２Ｃ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。

図９の模式図に示すように、カソード触媒層２２Ｂにおいてはカソード溶液流路２１からカソード溶液やイオンが供給および排出される。ガス拡散層２２Ａにおいては、ＣＯ_２ガス流路２３からＣＯ_２ガスが供給され、またＣＯ_２ガスの還元反応の生成物が排出される。ガス拡散層２２Ａに適度な撥水処理を施しておくことによって、カソード触媒層２２Ｂには主としてガス拡散によりＣＯ_２ガスが到達する。ＣＯ_２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２２Ａとカソード触媒層２２Ｂとの境界近傍、もしくはガス拡散層２２Ａ中に入り込んだカソード触媒層２２Ｂ近傍で生起し、ガス状の生成物はＣＯ_２ガス流路２３から主として排出され、液状の生成物はカソード溶液流路２１から主として排出される。

カソード触媒層２２Ｂは、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する、また必要に応じてそれにより生成した炭素化合物を還元して炭素化合物を生成することが可能で、そのような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。そのような材料としては、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錯体等の金属錯体が挙げられる。カソード触媒層２２Ｂ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２２Ｂ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って、カソード２２における二酸化炭素の還元反応の反応効率を高めることができる。

セパレータ３０は、アノード１１とカソード２２との間でイオンを移動させることができ、かつアノード部１０とカソード部２０とを分離することが可能なイオン交換膜等で構成される。イオン交換膜としては、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使用することができる。後述するように、アノード溶液やカソード溶液としてアルカリ溶液を使用し、主として水酸化物イオン（ＯＨ⁻）の移動を想定した場合、セパレータ３０はアニオン交換膜で構成することが好ましい。ただし、イオン交換膜以外にもアノード１１とカソード２２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、多孔質絶縁材料等をセパレータ３０に適用してもよい。

電解溶液としてのアノード溶液およびカソード溶液は、少なくとも水（Ｈ_２Ｏ）を含む溶液であることが好ましい。二酸化炭素（ＣＯ_２）は、ＣＯ_２ガス流路２３から供給されるため、カソード溶液は二酸化炭素（ＣＯ_２）を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。アノード溶液とカソード溶液には、同一の溶液を適用してもよいし、異なる溶液を適用してもよい。アノード溶液およびカソード溶液として用いるＨ_２Ｏを含む溶液としては、任意の電解質を含む水溶液が挙げられる。電解質を含む水溶液としては、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。電解溶液の電気的な抵抗を低減するためには、アノード溶液およびカソード溶液として、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。

カソード溶液には、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、ＢＦ_４ ⁻やＰＦ_６ ⁻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てもよい。その他のカソード溶液としては、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。アミンは、一級アミン、二級アミン、三級アミンのいずれでもかまわない。

アノード部１０のアノード溶液流路１２には、アノード溶液供給系統１００からアノード溶液が供給される。アノード溶液供給系統１００は、アノード溶液がアノード溶液流路１２内を流通するように、アノード溶液を循環させる。アノード溶液供給系統１００は、圧力制御部１０１、アノード溶液タンク１０２、流量制御部（ポンプ）１０３、基準電極１０４、および圧力計１０５を有しており、アノード溶液がアノード溶液流路１２を循環するように構成されている。アノード溶液タンク１０２は、循環するアノード溶液中に含まれる酸素（Ｏ_２）等のガス成分を収集する、図示しないガス成分収集部に接続されている。アノード溶液は、圧力制御部１０１および流量制御部１０３において、流量や圧力が制御されてアノード溶液流路１２に導入される。

カソード部２０のカソード溶液流路２１には、カソード溶液供給系統２００からカソード溶液が供給される。カソード溶液供給系統２００は、カソード溶液がカソード溶液流路２１内を流通するように、カソード溶液を循環させる。カソード溶液供給系統２００は、圧力制御部２０１、カソード溶液タンク２０２、流量制御部（ポンプ）２０３、基準電極２０４、および圧力計２０５を有しており、カソード溶液がカソード溶液流路２１を循環するように構成されている。カソード溶液タンク２０２は、循環するカソード溶液中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）等のガス成分を収集するガス成分収集部２０６に接続されている。カソード溶液は、圧力制御部２０１および流量制御部２０３において、流量や圧力が制御されてカソード溶液流路２１に導入される。

ＣＯ_２ガス流路２３には、ガス供給系統３００からＣＯ_２ガスが供給される。ガス供給系統３００は、ＣＯ_２ガスボンベ３０１、流量制御部３０２、圧力計３０３、および圧力制御部３０４を有している。ＣＯ_２ガスは、流量制御部３０２および圧力制御部３０４において、流量や圧力が制御されてＣＯ_２ガス流路２３に導入される。ガス供給系統３００は、ＣＯ_２ガス流路２３を流通したガス中の生成物を収集する生成物収集系統４００と接続されている。生成物収集系統４００は、気液分離部４０１と生成物収集部４０２とを有している。ＣＯ_２ガス流路２３を流通したガス中に含まれるＣＯやＨ_２等の還元生成物は、気液分離部４０１を介して生成物収集部４０２に蓄積される。

アノード溶液やカソード溶液は、上述したように電解反応動作時においてはアノード溶液流路１２やカソード溶液流路２１を循環する。後述する電解セル２のリフレッシュ動作時には、アノード１１、アノード溶液流路１２、カソード２２、カソード溶液流路２１等がアノード溶液やカソード溶液から露出するように、アノード溶液やカソード溶液は廃液収集系統６００に排出される。廃液収集系統６００は、アノード溶液流路１２およびカソード溶液流路２１に接続された廃液収集タンク６０１を有する。アノード溶液やカソード溶液の廃液は、図示しないバルブを開閉することによって、廃液収集タンク６０１に収集される。バルブの開閉等は制御系５００により一括して制御される。廃液収集タンク６０１は、リフレッシュ材供給部７００から供給されるリンス液の収集部としても機能する。さらに、リフレッシュ材供給部７００から供給され、液状物質を一部含むガス状物質も、必要に応じて廃液収集タンク６０１で収集される。

リフレッシュ材供給部７００は、ガス状物質の供給系７１０とリンス液の供給系７２０とを備えている。なお、リンス液の供給系７２０は、場合によっては省くことも可能である。ガス状物質の供給系７１０は、空気、二酸化炭素、酸素、窒素、アルゴン等のガス状物質の供給源となるガスタンク７１１と、ガス状物質の供給圧力を制御する圧力制御部７１２とを有している。リンス液の供給系７２０は、水等のリンス液の供給源となるリンス液タンク７２１と、リンス液の供給流量等を制御する流量制御部（ポンプ）７２２とを有している。ガス状物質およびリンス液の供給系７１０、７２０は、配管を介してアノード溶液流路１２、カソード溶液流路２１、およびＣＯ_２ガス流路２３に接続されている。ガス状物質やリンス液は、図示しないバルブを開閉することによって、各流路１２、２１、２３に供給される。バルブの開閉等は制御系５００により一括して制御される。

生成物収集部４０２に蓄積された還元生成物の一部は、生成物制御系５００の還元性能検出部５０１に送られる。還元性能検出部５０１においては、還元生成物中のＣＯやＨ_２等の各生成物の生成量や比率が検出される。検出された各生成物の生成量や比率は、制御系５００のデータ収集・制御部５０２に入力される。さらに、データ収集・制御部５０２は電解セル２のセル出力の一部として、セル電圧、セル電流、カソード電位、アノード電位等の電気的なデータを収集する。データ収集・制御部５０２は、還元性能検出部５０１に加えて、アノード溶液供給系統１００の圧力制御部１０１や流量制御部１０３、カソード溶液供給系統２００の圧力制御部２０１や流量制御部２０３、ガス供給系統３００の流量制御部３０２や圧力制御部３０４、およびリフレッシュ材供給部７００の圧力制御部７１２や流量制御部７２２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データ収集・制御部５０２からの信号により制御される。

実施形態の二酸化炭素の電解装置１の運転動作について説明する。まず、図１０に示すように、電解装置１の立上げ工程Ｓ１０１が実施される。電解装置１の立上げ工程Ｓ１０１においては、以下の動作が実施される。アノード溶液供給系統１００においては、圧力制御部１０１や流量制御部１０３で流量や圧力を制御して、アノード溶液をアノード溶液流路１２に導入する。カソード溶液供給系統２００においては、圧力制御部２０１や流量制御部２０３で流量や圧力を制御して、カソード溶液をカソード溶液流路２１に導入する。ガス供給系統３００においては、流量制御部３０２や圧力制御部３０４で流量や圧力を制御して、ＣＯ_２ガスをＣＯ_２ガス流路２３に導入する。

次に、ＣＯ_２の電解動作工程Ｓ１０２が実施される。ＣＯ_２の電解動作工程Ｓ１０２においては、立上げ工程Ｓ１０１が実施された電解装置１の電源４０からの出力を開始し、アノード１１とカソード２２との間に電圧を印加して電流が供給される。アノード１１とカソード２２との間に電流を流すと、以下に示すアノード１１付近での酸化反応およびカソード２２付近での還元反応が生じる。ここでは、炭素化合物として一酸化炭素（ＣＯ）を生成する場合について、主として説明するが、二酸化炭素の還元生成物としての炭素化合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であってもよい。また、電解セル２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るものではない。

まず、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１１とカソード２２との間に電源４０から電流を供給すると、アノード溶液と接するアノード１１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１１で生成されたＨ^＋は、アノード１１内に存在するアノード溶液、セパレータ３０、およびカソード溶液流路２１内のカソード溶液中を移動し、カソード２２付近に到達する。電源４０からカソード１１に供給される電流に基づく電子（ｅ⁻）とカソード２２付近に移動したＨ^＋とによって、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、ＣＯ_２ガス流路２３からカソード２２に供給された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１１とカソード２２との間に電源４０から電流を供給すると、カソード２２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１１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）

上述したカソード２２における反応過程において、ＣＯ_２の還元反応は前述したように、ガス拡散層２２Ａとカソード触媒層２２Ｂとの境界近傍で生起すると考えられる。この際、カソード溶液流路２１を流れるカソード溶液がガス拡散層２２Ａまで侵入したり、カソード触媒層２２Ｂが水分過剰になったりすることによって、ＣＯ_２の還元反応によるＣＯの生成量が低下したり、セル電圧が増加する等といった不都合が生じる。このような電解セル２のセル出力の低下は、アノード１１およびカソード２２付近におけるイオンや残存ガスの分布の偏り、カソード２２やアノード１１における電解質の析出、さらにアノード溶液流路１２やカソード溶液流路２１における電解質の析出等によっても引き起こされる。このようなセル出力の低下を検知するために、セル出力が要求基準を満たしているかどうかを判定する工程Ｓ１０３を実施する。

データ収集・制御部５０２は前述したように、例えば定期にまたは連続的に各生成物の生成量や比率、セル電圧、セル電流、カソード電位、アノード電位等のセル出力を収集する。さらに、データ収集・制御部５０２には、セル出力の要求基準が予め設定されており、収集したデータが設定された要求基準を満たしているかどうかが判定される。収集データが設定された要求基準を満たしている場合には、ＣＯ_２の電解停止（Ｓ１０４）を行うことなく、ＣＯ_２の電解動作Ｓ１０２が継続される。収集データが設定された要求基準を満たしていない場合には、リフレッシュ動作工程Ｓ１０５が実施される。

データ収集・制御部５０２で収集するセル出力の要求基準としては、電解セル２に定電流を流した際のセル電圧の上限値、電解セル２に定電圧を印加した際のセル電流の下限値、ＣＯ_２の還元反応により生成した炭素化合物のファラデー効率等が挙げられる。ここで、ファラデー効率は電解セル２に流れた全電流に対し、目的とする炭素化合物の生成に寄与した電流の比率と定義する。電解効率を維持するためには、定電流を流した際のセル電圧の上限値は設定値の１５０％以上、好ましくは１２０％以上に達した際にリフレッシュ動作工程Ｓ１０５を実施するとよい。また、定電圧を印加した際のセル電流の下限値は設定値の５０％以下、好ましくは８０％以下に達した際にリフレッシュ動作工程Ｓ１０５を実施するとよい。炭素化合物等の還元生成物の生産量を維持するためには、炭素化合物のファラデー効率が設定値より５０％以下、好ましくは８０％以下になった場合にリフレッシュ動作工程Ｓ１０５を実施するとよい。

セル出力の判定は、例えばセル電圧、セル電流、および炭素化合物のファラデー効率のいずれか１つが要求基準を満たしていない場合に、セル出力が要求基準を満たしていないと判定し、リフレッシュ動作工程Ｓ１０５を実施する。また、セル電圧、セル電流、および炭素化合物のファラデー効率の２つ以上を組み合わせて、セル出力の要求基準を設定してもよい。例えば、セル電圧および炭素化合物のファラデー効率が共に要求基準を満たしていない場合に、リフレッシュ動作工程Ｓ１０５を実施するようにしてもよい。リフレッシュ動作工程Ｓ１０５は、セル出力の少なくとも１つが要求基準を満たしていない場合に実施する。ＣＯ_２電解動作工程Ｓ１０２を安定して実施するために、リフレッシュ動作工程Ｓ１０５は例えば１時間以上間隔を開けて実施することが好ましい。

リフレッシュ動作工程Ｓ１０５は、例えば図１１に示すフロー図にしたがって実施される。まず、電源４０の出力を停止（Ｓ２０１）して、ＣＯ_２の還元反応を停止させる。次に、カソード溶液流路２１およびアノード溶液流路１２からカソード溶液およびアノード溶液を排出（Ｓ２０２）させる。次に、リンス液をカソード溶液流路２１およびアノード溶液流路１２に供給（Ｓ２０３）して洗浄を行う。次に、カソード溶液流路２１およびアノード溶液流路１２にガスを供給（Ｓ２０４）し、カソード２２およびアノード１１を乾燥させる。以上のリフレッシュ動作が終了したら、カソード溶液流路２１にカソード溶液を、アノード溶液流路１２にアノード溶液を、ＣＯ_２ガス流路２３にＣＯ_２ガスを導入（Ｓ２０５）する。そして、電源４０の出力を開始（Ｓ２０６）し、ＣＯ_２電解動作を再開する。各流路１２、２１からのカソード溶液およびアノード溶液の排出には、ガスを用いてもよいし、リンス液を用いてもよい。

リンス液の供給およびフロー（Ｓ２０３）は、カソード溶液およびアノード溶液に含まれる電解質の析出を防止し、カソード２２、アノード１１、および各流路１２、２１を洗浄するために実施される。そのため、リンス液は水が好ましく、電気伝導率が１ｍＳ／ｍ以下の水がより好ましく、０．１ｍＳ／ｍ以下の水がさらに好ましい。カソード２２やアノード１１等における電解質等の析出物を除去するためには、低濃度の硫酸、硝酸、塩酸等の酸性リンス液を供給してもよく、これにより電解質を溶解させるようにしてもよい。低濃度の酸性リンス液を用いた場合、その後工程で水のリンス液を供給する工程を実施する。ガスの供給工程の直前は、リンス液中に含まれる添加剤が残留することを防止するために、水のリンス液の供給工程を実施することが好ましい。図１は１つのリンス液タンク７２１を有するリンス液供給系７２０を示したが、水と酸性リンス液というように複数のリンス液を用いる場合には、それに応じた複数のリンス液タンク７２１が用いられる。

ガスの供給およびフロー工程Ｓ２０４に用いるガスは、空気、二酸化炭素、酸素、窒素、およびアルゴンの少なくとも１つを含むことが好ましい。さらに、化学反応性の低いガスを用いることが好ましい。このような点から、空気、窒素、およびアルゴンが好ましく用いられ、さらには窒素およびアルゴンがより好ましい。リフレッシュ用のリンス液およびガスの供給は、カソード溶液流路２１およびアノード溶液流路１２のみに限らず、カソード２２のＣＯ_２ガス流路２３と接する面を洗浄するため、ＣＯ_２ガス流路２３にリンス液およびガスを供給してもよい。ＣＯ_２ガス流路２３と接する面側からもカソード２２を乾燥させるために、ＣＯ_２ガス流路２３にガスを供給することは有効である。

以上ではリフレッシュ用のリンス液およびガスをアノード部１０およびカソード部２０の両方に供給する場合について説明したが、アノード部１０またはカソード部２０の一方のみにリフレッシュ用のリンス液およびガスを供給してもよい。例えば、炭素化合物のファラデー効率は、カソード２２のガス拡散層２２Ａとカソード触媒層２２Ｂにおけるカソード溶液とＣＯ_２との接触領域により変動する。このような場合、カソード２０のみにリフレッシュ用のリンス液やガスを供給しただけで、炭素化合物のファラデー効率が回復することもある。使用する電解溶液（アノード溶液およびカソード溶液）の種類によっては、アノード部１０またはカソード２０の一方に析出しやすい傾向を有することがある。このような電解装置１の傾向に基づいて、アノード部１０またはカソード部２０の一方のみにリフレッシュ用のリンス液およびガスを供給してもよい。さらに、電解装置１の運転時間等によっては、アノード１１およびカソード２２を乾燥させるだけでセル出力が回復する場合もある。そのような場合には、アノード部１０およびカソード部２０の少なくとも一方にリフレッシュ用のガスのみを供給するようにしてもよい。リフレッシュ動作工程Ｓ１０５は、電解装置１の動作状況や傾向等に応じて種々に変更が可能である。

上述したように、第１の実施形態の電解装置１においては、電解セル２のセル出力が要求基準を満たしているかどうかに基づいて、ＣＯ_２の電解動作工程Ｓ１０２を継続するか、もしくはリフレッシュ動作工程Ｓ１０５を実施するかが判定される。リフレッシュ動作工程Ｓ１０５でリフレッシュ用のリンス液やガスを供給することによって、セル出力の低下要因となるカソード溶液のガス拡散層２２Ａへの侵入、カソード触媒層２２Ｂの水分過剰、アノード１１およびカソード２２付近におけるイオンや残存ガスの分布の偏り、カソード２２、アノード１１、アノード溶液流路１２、およびカソード溶液流路２１における電解質の析出等が取り除かれる。従って、リフレッシュ動作工程Ｓ１０５後にＣＯ_２の電解動作工程Ｓ１０２を再開することによって、電解セル２のセル出力を回復させることができる。このようなＣＯ_２の電解動作工程Ｓ１０２およびリフレッシュ動作工程Ｓ１０５をセル出力の要求基準に基づいて繰り返すことによって、電解装置１によるＣＯ_２の電解性能を長時間にわたって維持することが可能になる。

（第２の実施形態）
図１２は第２の実施形態による二酸化炭素の電解装置の構成を示す図であり、図１３は図１２に示す電解装置における電解セルの構成を示す断面図である。図１２に示す二酸化炭素の電解装置１Ｘは、第１の実施形態による二酸化炭素の電解装置１と同様に、電解セル２Ｘと、電解セル２Ｘにアノード溶液を供給するアノード溶液供給系統１００と、電解セル２Ｘにカソード溶液を供給するカソード溶液供給系統２００と、電解セル２Ｘに二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを供給するガス供給系統３００と、電解セル２Ｘにおける還元反応により生成した生成物を収集する生成物収集系統４００と、収集した生成物の種類や生成量を検出すると共に、生成物の制御やリフレッシュ動作の制御を行う制御系５００と、カソード溶液やアノード溶液の廃液を収集する廃液収集系統６００と、電解セル２Ｘのアノードやカソード等を回復させるリフレッシュ材供給部７００とを具備している。

図１２に示す二酸化炭素の電解装置１Ｘは、電解セル２Ｘの構成が相違することを除いて、基本的には図１に示した電解装置１と同様な構成を備えている。電解セル２Ｘは、図１３に示すように、アノード溶液槽５１と、カソード溶液槽５２と、これらアノード溶液槽５１とカソード溶液槽５２とを分離するセパレータ３０とを有する反応槽５３を備えている。アノード溶液槽５１は、アノード溶液供給系統１００に接続された溶液導入口５４Ａおよび溶液排出口５５Ａと、ガス導入口５６Ａおよびガス排出口５７Ａとを有している。アノード溶液槽５１には、アノード溶液供給系統１００からアノード溶液が導入および排出される。アノード溶液槽５１には、アノード溶液に浸漬するようにアノード１１が配置されている。アノード１１は電流導入部５８Ａを介して電源４０と接続されている。

カソード溶液槽５２は、カソード溶液供給系統２００に接続された溶液導入口５４Ｂおよび溶液排出口５５Ｂと、ガス供給系統３００に接続されたガス導入口５６Ｂおよびガス排出口５７Ｂとを有している。カソード溶液槽５２には、カソード溶液供給系統２００からカソード溶液が導入および排出される。さらに、カソード溶液槽５２にはガス供給系統３００からＣＯ_２ガスが導入され、ガス状生成物を含むガスは生成物収集系統４００に送られる。カソード溶液中のＣＯ_２ガスの溶解度を高めるために、ガス導入口５６ＢからＣＯ_２ガスをカソード溶液中に放出させることが好ましい。カソード溶液槽５２には、カソード溶液に浸漬するようにカソード２２が配置されている。カソード２２は電流導入部５８Ｂを介して電源４０と接続されている。

リフレッシュ材供給部７００のガス状物質の供給系７１０は、配管を介してアノード溶液槽５１のガス導入口５６Ａおよびカソード溶液槽５２ガス導入口５６Ｂと接続されている。リフレッシュ材供給部７００のリンス液の供給系７２０は、配管を介してアノード溶液槽５１の溶液導入口５４Ａおよびカソード溶液槽５２の溶液導入口５４Ｂと接続されている。アノード溶液槽５１の溶液排出口５５Ａおよびカソード溶液槽５２の溶液排出口５５Ｂは、配管を介して廃液収集系統６００と接続されている。アノード溶液槽５１のガス排出口５７Ａおよびカソード溶液槽５２のガス排出口５７Ｂは、配管を介して廃液収集系統６００と接続されており、廃液収集系統６００を介して図示しない廃ガス収集タンクに回収されるか、もしくは大気中に放出される。各部の構成材料等は、第１の実施形態の電解装置１と同様であり、詳細は前述した通りである。

第２の実施形態の電解装置１Ｘにおいて、電解装置１Ｘの立上げ工程Ｓ１０１およびＣＯ_２の電解動作工程Ｓ１０２は、アノード溶液、カソード溶液、およびＣＯ_２ガスの供給形態が異なることを除いて、第１の実施形態の電解装置１と同様に実施される。セル出力の要求基準を満たしているかどうかの判定工程Ｓ１０３についても、第１の実施形態の電解装置１と同様に実施される。すなわち、セル電圧、セル電流、および炭素化合物のファラデー効率の少なくとも１つが要求基準を満たしていない場合に、セル出力が要求基準を満たしていないと判定し、リフレッシュ動作工程Ｓ１０５を実施する。第２の実施形態の電解装置１Ｘにおいて、リフレッシュ動作工程Ｓ１０５は以下のようにして実施される。

まず、電源４０の出力を停止してＣＯ_２還元反応を停止させる。次に、アノード溶液槽５１およびカソード溶液槽５２からアノード溶液およびカソード溶液を排出させる。次に、リンス液供給系７２０からリンス液をアノード溶液槽５１およびカソード溶液槽５２に供給し、アノード１１およびカソード２２を洗浄する。次に、ガス状物質供給系７１０からガスをアノード溶液槽５１およびカソード溶液槽５２に供給し、アノード１１およびカソード２２を乾燥させる。フレッシュ動作工程Ｓ１０５に使用するガスやリンス液は、第１の実施形態と同様である。以上のリフレッシュ動作が終了したら、アノード溶液槽５１にアノード溶液を、カソード溶液槽５２にカソード溶液を導入し、さらにカソード溶液中にＣＯ_２ガスを供給する。そして、電源４０の出力を開始（Ｓ２０６）し、ＣＯ_２電解動作を再開する。各溶液槽５１、５２からのカソード溶液およびアノード溶液の排出には、ガスを用いてもよいし、リンス液を用いてもよい。ただし、カソード溶液およびアノード溶液の量が第１の実施形態に比べて多い。リフレッシュ動作の時間を短縮するために、ガスを用いて溶液を排出した後、リンス液を供給することが好ましい。

第２の実施形態の電解装置１Ｘにおいて、リフレッシュ動作は次のように実施してもよい。電解セル２Ｘの上部に設けられた電流導入部５８（５８Ａ、５８Ｂ）を取り外し、アノード１１およびカソード２２を外部に取り出してアノード溶液およびカソード溶液から露出させる。次に、アノード１１およびカソード２２をリンス液に浸して洗浄する。次に、アノード１１およびカソード２２をリンス液から取り出して、ガスを吹き付けて乾燥させる。次に、電流導入部５８（５８Ａ、５８Ｂ）を取り付け、アノード１１およびカソード２２をアノード溶液およびカソード溶液に浸漬する。そして、電源出力を開始してＣＯ_２電解動作を再開する。これによって、アノード溶液槽５１およびカソード溶液槽５２からのアノード溶液およびカソード溶液の排出および導入が省略されるため、リフレッシュ動作の時間を短縮することができる。

第２の実施形態の電解装置１Ｘにおいても、電解セル２Ｘのセル出力が要求基準を満たしているかどうかに基づいて、ＣＯ_２電解動作を継続するか、もしくはリフレッシュ動作を実施するかが判定される。リフレッシュ動作工程でリンス液やガスを供給することによって、セル出力の低下要因となるアノード１１およびカソード２２付近におけるイオンや残存ガスの分布の偏りが解消され、アノード１１およびカソード２２における電解質の析出等が取り除かれる。従って、リフレッシュ動作工程後にＣＯ_２の電解動作を再開することによって、電解セル２Ｘのセル出力を回復させることができる。ＣＯ_２の電解動作およびリフレッシュ動作をセル出力の要求基準に基づいて繰り返すことによって、電解装置１ＸによるＣＯ_２の電解性能を長時間にわたって維持することが可能になる。

（第３の実施形態）
図１４は第３の実施形態による二酸化炭素の電解装置の構成を示す図であり、図１５は図１４に示す電解装置における電解セルの構成を示す断面図である。図１４に示す二酸化炭素の電解装置１Ｙは、第１の実施形態による二酸化炭素の電解装置１と同様に、電解セル２Ｙと、電解セル２Ｙにアノード溶液を供給するアノード溶液供給系統１００と、電解セル２Ｙに二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを供給するガス供給系統３００と、電解セル２Ｙにおける還元反応により生成した生成物を収集する生成物収集系統４００と、収集した生成物の種類や生成量を検出すると共に、生成物の制御やリフレッシュ動作の制御を行う制御系５００と、アノード溶液の廃液を収集する廃液収集系統６００と、電解セル２Ｙのアノードやカソード等を回復させるリフレッシュ材供給部７００とを具備している。

図１４に示す二酸化炭素の電解装置１Ｙは、電解セル２Ｘの構成が相違すると共に、カソード溶液供給系統２００を備えていないことを除いて、基本的には図１に示した電解装置１と同様な構成を具備している。電解セル２Ｙは、図１５に示すように、アノード部１０とカソード部２０とセパレータ３０とを具備している。アノード部１０は、アノード１１、アノード溶液流路１２、およびアノード集電板１３を備えている。カソード部２０は、カソード２２、ＣＯ_２ガス流路２３、およびカソード集電板２４を備えている。電源４０は電流導入部材を介してアノード１１およびカソード２２と接続されている。

アノード１１は、セパレータ３０と接する第１の面１１ａと、アノード溶液流路１２に面する第２の面１１ｂとを有することが好ましい。アノード１１の第１の面１１ａは、セパレータ３０と密着している。アノード溶液流路１２は、流路板１４に設けられたピット（溝部／凹部）により構成されている。アノード溶液は、アノード１１と接するようにアノード溶液流路１２内を流通する。アノード集電板１３は、アノード溶液流路１２を構成する流路板１４のアノード１１とは反対側の面と電気的に接している。カソード２２は、セパレータ３０と接する第１の面２２ａと、ＣＯ_２ガス流路２３に面する第２の面２２ｂとを有する。ＣＯ_２ガス流路２３は、流路板２８に設けられたピット（溝部／凹部）により構成されている。カソード集電板２４は、ＣＯ_２ガス流路２３を構成する流路板２８のカソード２２とは反対側の面と電気的に接している。

リフレッシュ材供給部７００のガス状物質の供給系７１０およびリンス液の供給系７２０は、配管を介してアノード溶液流路１２およびＣＯ_２ガス流路２３と接続されている。アノード溶液流路１２およびＣＯ_２ガス流路２３は、配管を介して廃液収集系統６００と接続されている。アノード溶液流路１２およびＣＯ_２ガス流路から排出されたリンス液は、廃液収集系統６００との廃液収集タンク６０１に回収される。アノード溶液流路１２およびＣＯ_２ガス流路から排出されたリフレッシュ用のガスは、廃液収集系統６００を介して図示しない廃ガス収集タンクに回収されるか、もしくは大気中に放出される。各部の構成材料等は、第１の実施形態の電解装置１と同様であり、詳細は前述した通りである。

第３の実施形態の電解装置１Ｙにおいて、電解装置１Ｙの立上げ工程Ｓ１０１およびＣＯ_２の電解動作工程Ｓ１０２は、カソード溶液の供給を実施しないことを除いて、第１の実施形態の電解装置１と同様に実施される。なお、カソード部３０におけるＣＯ_２の還元反応は、ＣＯ_２ガス流路２３から供給されたＣＯ_２とセパレータ３０を介してカソード２２に浸透したアノード溶液とにより行われる。セル出力の要求基準を満たしているかどうかの判定工程Ｓ１０３についても、第１の実施形態の電解装置１と同様に実施される。すなわち、セル電圧、セル電流、および炭素化合物のファラデー効率の少なくとも１つが要求基準を満たしていない場合に、セル出力が要求基準を満たしていないと判定し、リフレッシュ動作工程Ｓ１０５を実施する。第３の実施形態の電解装置１Ｙにおいて、リフレッシュ動作工程Ｓ１０５は以下のようにして実施される。

まず、電源４０の出力を停止してＣＯ_２還元反応を停止させる。次に、アノード溶液流路１２からアノード溶液を排出させる。次に、リンス液供給系７２０からリンス液をアノード溶液流路１２およびＣＯ_２ガス流路２３に供給し、アノード１１およびカソード２２を洗浄する。次に、ガス状物質供給系７１０からガスをアノード溶液流路１２およびＣＯ_２ガス流路２３に供給し、アノード１１およびカソード２２を乾燥させる。フレッシュ動作工程に使用するガスやリンス液は、第１の実施形態と同様である。以上のリフレッシュ動作が終了したら、アノード溶液流路１２にアノード溶液を、ＣＯ_２ガス流路２３にＣＯ_２ガスを導入する。そして、電源４０の出力を開始し、ＣＯ_２電解動作を再開する。

第３の実施形態の電解装置１Ｙにおいても、電解セル２Ｙのセル出力が要求基準を満たしているかどうかに基づいて、ＣＯ_２電解動作を継続するか、もしくはリフレッシュ動作を実施するかが判定される。リフレッシュ動作工程でリンス液やガスを供給することによって、セル出力の低下要因となるアノード１１およびカソード２２付近におけるイオンの分布の偏りが解消され、またカソード２２における水分過剰やアノード１１およびカソード２２における電解質の析出、それによる流路閉塞等が取り除かれる。従って、リフレッシュ動作工程後にＣＯ_２の電解動作を再開することによって、電解セル２Ｙのセル出力を回復させることができる。このようなＣＯ_２の電解動作およびリフレッシュ動作をセル出力の要求基準に基づいて繰り返すことによって、電解装置１ＹによるＣＯ_２の電解性能を長時間にわたって維持することが可能になる。

次に、実施例およびその評価結果について述べる。

（実施例１）
図１および図２に示した電解装置を以下のようにして組み立てて、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、Ａｒ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２×２ｃｍの大きさに切り出してカソードとした。なお、Ａｕ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０．２ｍｇ／ｃｍ^２と見積もられた。

アノードには、Ｔｉメッシュに触媒となるＩｒＯ_２ナノ粒子を塗布した電極を用いた。アノードとしてＩｒＯ_２／Ｔｉメッシュを２×２ｃｍに切り出したものを使用した。

電解セル２は、図２に示したように、上からカソード集電板２４、ＣＯ_２ガス流路２３（第３の流路板２８）、カソード２２、カソード溶液流路２１（第２の流路板２５）、セパレータ３０、アノード１１、アノード溶液流路１２（第１の流路板１４）、アノード集電板１３の順で積層し、図示しない支持板により挟み込み、さらにボルトで締め付けて作製した。セパレータ３０には、アニオン交換膜（商品名：セレミオン、旭硝子社製）を用いた。アノード１１のＩｒＯ_２／Ｔｉメッシュは、アニオン交換膜に密着させた。カソード溶液流路２１の厚さは１ｍｍとした。なお、評価温度は室温とした。

上記した電解セル２を用いて図１に示した電解装置１を組み立て、電解装置を以下の条件で運転した。電解セルのＣＯ_２ガス流路にＣＯ_２ガスを２０ｓｃｃｍで供給し、カソード溶液流路に水酸化カリウム水溶液（濃度１Ｍ ＫＯＨ）を５ｍＬ／ｍｉｎ、アノード溶液流路に水酸化カリウム水溶液（濃度１Ｍ ＫＯＨ）を２０ｍＬ／ｍｉｎの流量で導入した。次に、電源を用いて、アノードとカソードの間に定電流６００ｍＡ（定電流密度１５０ｍＡ／ｃｍ^２）を流し、ＣＯ_２の電解反応を行い、その際のセル電圧を計測してデータ収集・制御部で収集した。さらに、ＣＯ_２ガス流路から出力されるガスの一部を収集し、ＣＯ_２の還元反応により生成されるＣＯガス、および水の還元反応により生成されるＨ_２ガスの生成量をガスクロマトグラフにより分析した。データ収集・制御部でガス生成量からＣＯもしくはＨ_２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て収集した。リフレッシュ動作のセル出力の要求基準として、ＣＯファラデー効率が５０％以下、定電流を流した際のセル電圧を初期値２．５Ｖの１２０％以上に相当する３Ｖ以上に設定した。

表１に約２０分毎に収集したセル電圧とＣＯのファラデー効率、Ｈ_２ファラデー効率を示す。５５分後にＣＯファラデー効率が２４％と５０％以下の値を検出したため、リフレッシュ動作を実施した。電解セルのカソード溶液流路およびアノード溶液流路に純水をフローさせ、カソード、カソード溶液流路、アノード、アノード溶液流路を洗浄した。次に、カソード溶液流路およびアノード溶液流路に空気ガスをフローさせて乾燥させた。以上のリフレッシュ動作が終了した後、カソード溶液流路およびアノード溶液流路に１Ｍ ＫＯＨ水溶液をフローさせてＣＯ_２電解反応を再開した。表２にリフレッシュ動作後のセル出力を示す。表２に示すように、ＣＯファラデー効率は８４％となり、リフレッシュ動作によりセル出力が回復することが確認された。

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。

１，１Ｘ，１Ｙ…二酸化炭素電解装置、２，２Ｘ，２Ｙ…電解セル、１０…アノード部、１１…アノード、１２…アノード溶液流路、２１…カソード溶液流路、２２…カソード、２３…ＣＯ_２ガス流路、５１…アノード溶液槽、５２…カソード溶液槽、５４…溶液導入口、５５…溶液排出口、５６…ガス導入口、５７…ガス排出口、１００…アノード溶液供給系統、２００…カソード溶液供給系統、３００…ガス供給系統、４００…生成物収集系統、５００…制御系、５０１…還元性能検出部、５０２…データ収集・制御部、６００…廃液収集系統、７００…リフレッシュ材供給部、７１０…ガス状物質供給系、７２０…リンス液供給系。

Claims (13)

1. 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、水または水酸化物イオンを酸化して酸素を生成するためのアノードと、前記カソードに二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部と、前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に水を含む電解溶液を供給する溶液供給部と、前記アノードと前記カソードとを分離するセパレータとを備える電解セルと、
   前記アノードと前記カソードとに接続された電源と、
   前記電源から前記アノードおよび前記カソードに電流を流し、前記カソードにおける前記二酸化炭素の還元反応および前記アノードにおける前記水または水酸化物イオンの酸化反応を生起する反応制御部と、
   前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方にガス状物質を供給するガス供給部を備えるリフレッシュ材供給部と、
   前記電解セルのセル出力の要求基準に基づいて、前記反応制御部による前記電源からの電流供給、および前記二酸化炭素および前記電解溶液の供給を停止すると共に、前記リフレッシュ材供給部を動作させるリフレッシュ制御部とを具備し、
   前記ガス状物質は窒素およびアルゴンから選ばれる少なくとも１つを含む、二酸化炭素電解装置。
2. 前記リフレッシュ材供給部は、さらに前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方にリンス液を供給する液供給部を備える、請求項１に記載の二酸化炭素電解装置。
3. 前記液供給部は、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方に酸性リンス液を供給する第１の液供給部と、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方に水を供給する第２の液供給部とを備える、請求項２に記載の二酸化炭素電解装置。
4. 前記リフレッシュ制御部は、前記電解溶液から露出された前記カソードと前記アノードの少なくとも一方に、前記液供給部から前記リンス液を供給し、さらに前記ガス供給部から前記ガス状物質を供給するように、前記リフレッシュ材供給部の動作を制御する、請求項２または請求項３に記載の二酸化炭素電解装置。
5. 前記リフレッシュ制御部は、セル電圧、セル電流、および前記炭素化合物のファラデー効率の少なくとも１つからなる前記セル出力を収集し、収集した前記セル出力が要求基準を満たさないときに、前記リフレッシュ材供給部を動作させる、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. 前記二酸化炭素供給部は、前記二酸化炭素を前記カソードと接するように流通させるガス流路を有し、
   前記溶液供給部は、前記電解溶液としてのカソード溶液を前記カソードと接するように流通させるカソード溶液流路と、前記電解溶液としてのアノード溶液を前記アノードと接するように流通させるアノード溶液流路とを有する、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の二酸化炭素電解装置。
7. 前記アノードは、前記セパレータと接する第１の面と、前記アノード溶液が前記アノードと接するように、前記アノード溶液流路に面する第２の面とを有し、
   前記カソードは、前記カソード溶液流路に面する第１の面と、前記ガス流路に面する第２の面とを有し、前記カソード溶液流路は前記カソード溶液が前記セパレータおよび前記カソードと接するように、前記セパレータと前記カソードとの間に配置されている、請求項６に記載の二酸化炭素電解装置。
8. 前記溶液供給部は、前記カソードが浸漬される前記電解溶液としてのカソード溶液を収容するカソード溶液槽と、前記アノードが浸漬される前記電解溶液としてのアノード溶液を収容するアノード溶液槽とを有し、
   前記二酸化炭素供給部は、前記カソード溶液に前記二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給系を有する、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の二酸化炭素電解装置。
9. 前記二酸化炭素供給部は、前記二酸化炭素を前記カソードと接するように流通させるガス流路を有し、
   前記溶液供給部は、前記電解溶液としてのアノード溶液を前記アノードと接するように流通させるアノード溶液流路を有し、
   前記カソードと前記アノードは前記セパレータと接している、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の二酸化炭素電解装置。
10. アノードおよびカソードを有する電解セルにおける前記カソードに二酸化炭素を供給すると共に、前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に水を含む電解溶液を供給する工程と、
    前記アノードと前記カソードに接続された電源から電流を供給し、前記電解セルの前記カソード付近で二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成すると共に、前記アノード付近で水または水酸化物イオンを酸化して酸素を生成する工程と、
    前記電解セルのセル出力の要求基準に基づいて、前記電源からの電流供給および前記二酸化炭素および前記電解溶液の供給を停止すると共に、前記電解溶液から露出された前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方に、窒素およびアルゴンから選ばれる少なくとも１つを含むガス状物質を供給するリフレッシュ工程と
    を具備する二酸化炭素電解方法。
11. 前記炭素化合物および前記酸素の生成工程において、セル電圧、セル電流、および前記炭素化合物のファラデー効率の少なくとも１つからなる前記セル出力を収集し、
    前記リフレッシュ工程は、収集した前記セル出力が要求基準を満たさないときに、前記ガス状物質を前記カソードと前記アノードの少なくとも一方に供給する、請求項１０に記載の二酸化炭素電解方法。
12. 前記リフレッシュ工程は、前記ガス状物質の供給に先立って、前記電解溶液から露出された前記カソードと前記アノードの少なくとも一方にリンス液を供給する、請求項１０に記載の二酸化炭素電解方法。
13. 前記炭素化合物および前記酸素の生成工程において、セル電圧、セル電流、および前記炭素化合物のファラデー効率の少なくとも１つからなる前記セル出力を収集し、
    前記リフレッシュ工程は、収集した前記セル出力が要求基準を満たさないときに、前記リンス液および前記ガス状物質を前記カソードと前記アノードの少なくとも一方に供給する、請求項１２に記載の二酸化炭素電解方法。

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