JP7145264B1 - 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法 - Google Patents
二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7145264B1 JP7145264B1 JP2021048648A JP2021048648A JP7145264B1 JP 7145264 B1 JP7145264 B1 JP 7145264B1 JP 2021048648 A JP2021048648 A JP 2021048648A JP 2021048648 A JP2021048648 A JP 2021048648A JP 7145264 B1 JP7145264 B1 JP 7145264B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- carbon dioxide
- anode
- cathode
- gas
- carbon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 342
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 171
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 168
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 title claims abstract description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 84
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 45
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000003002 pH adjusting agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 149
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 85
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 56
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 43
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 39
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 29
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 23
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 claims description 22
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 claims description 22
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 21
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 19
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 claims description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 2
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims 4
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 37
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 36
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 30
- JRZJOMJEPLMPRA-UHFFFAOYSA-N olefin Natural products CCCCCCCC=C JRZJOMJEPLMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 30
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 18
- -1 hydroxide ions Chemical class 0.000 description 16
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 12
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 11
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 6
- 239000000047 product Substances 0.000 description 6
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- LIKMAJRDDDTEIG-UHFFFAOYSA-N 1-hexene Chemical compound CCCCC=C LIKMAJRDDDTEIG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 4
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000006317 isomerization reaction Methods 0.000 description 3
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 239000011973 solid acid Substances 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 3
- VXNZUUAINFGPBY-UHFFFAOYSA-N 1-Butene Chemical compound CCC=C VXNZUUAINFGPBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KWKAKUADMBZCLK-UHFFFAOYSA-N 1-octene Chemical compound CCCCCCC=C KWKAKUADMBZCLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 2
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 2
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N lanthanum(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[La+3].[La+3] MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 2
- 150000003281 rhenium Chemical class 0.000 description 2
- 150000003303 ruthenium Chemical class 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OSOVKCSKTAIGGF-UHFFFAOYSA-N [Ni].OOO Chemical compound [Ni].OOO OSOVKCSKTAIGGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000274 adsorptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000428 cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N cobalt(ii) oxide Chemical compound [Co]=O IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N heavy water Substances [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N lithium oxide Chemical compound [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001947 lithium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N n-Octanol Natural products CCCCCCCC TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000483 nickel oxide hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- BFDHFSHZJLFAMC-UHFFFAOYSA-L nickel(ii) hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ni+2] BFDHFSHZJLFAMC-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 238000010979 pH adjustment Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000003348 petrochemical agent Substances 0.000 description 1
- 239000002685 polymerization catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 1
- 239000013076 target substance Substances 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
- C25B3/01—Products
- C25B3/03—Acyclic or carbocyclic hydrocarbons
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/02—Process control or regulation
- C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/02—Process control or regulation
- C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
- C25B15/025—Measuring, analysing or testing during electrolytic production of electrolyte parameters
- C25B15/029—Concentration
- C25B15/031—Concentration pH
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
- C25B3/20—Processes
- C25B3/25—Reduction
- C25B3/26—Reduction of carbon dioxide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
- C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/60—Constructional parts of cells
- C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/60—Constructional parts of cells
- C25B9/67—Heating or cooling means
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Filling, Topping-Up Batteries (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
【課題】二酸化炭素の回収及び還元のエネルギー効率、及び二酸化炭素の損失低減効果が高い二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法の提供。【解決手段】二酸化炭素を回収する回収装置１と、二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置２と、ｐＨ調整器５２と、を備え、カソード側電解液のｐＨがアノード側電解液のｐＨよりも高く、濃縮部１１からカソード２１のアノード２２とは反対側のガス流路に二酸化炭素ガスが供給され、カソード２１で二酸化炭素ガスが還元される、二酸化炭素処理装置１００。【選択図】図１
Description
本発明は、二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法に関する。
排気ガスや大気中の二酸化炭素を回収し、電気化学的に還元して有価物を得る技術は、カーボンニュートラルを達成する可能性のある有望な技術であるが、経済性が最大の課題である。経済性を改善するためには、二酸化炭素の回収及び還元において、エネルギー効率を高め、また二酸化炭素の損失を小さくすることが重要である。
二酸化炭素を回収する技術としては、ガス中の二酸化炭素を固体又は液体の吸着剤に物理的又は化学的に吸着させた後、熱等のエネルギーによって脱離させて利用する技術が知られている。また、二酸化炭素を電気化学的に還元する技術としては、ガス拡散層の電解液と接する側に二酸化炭素還元触媒を用いて触媒層を形成したカソードに対し、ガス拡散層の触媒層とは反対側から二酸化炭素ガスを供給して電気化学的に還元する技術が知られている（特許文献１）。
二酸化炭素還元はカーボンニュートラルを達成する可能性のある有望な技術であるが経済性が最大の課題である。経済性を改善するためにはエネルギー効率よく二酸化炭素を回収し、損失無く変換することが重要になる。
二酸化炭素電解においてエネルギー損失の一因となるのが目的の二酸化炭素還元反応が関与しない副反応の水電解による水素発生である。カソード／アノードそれぞれの触媒の劣化状態によっては電圧を制御するだけでは水素の生成を抑制できない。
二酸化炭素電解においてエネルギー損失の一因となるのが目的の二酸化炭素還元反応が関与しない副反応の水電解による水素発生である。カソード／アノードそれぞれの触媒の劣化状態によっては電圧を制御するだけでは水素の生成を抑制できない。
本発明は、二酸化炭素の回収及び還元のエネルギー効率、及び二酸化炭素の損失低減効果が高い二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法を提供することを課題とする。
本発明は、以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る二酸化炭素処理装置（例えば、実施形態の二酸化炭素処理装置１００）は、二酸化炭素を回収する回収装置（例えば、実施形態の回収装置１）と、二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置（例えば、実施形態の電気化学反応装置２）と、ｐＨ調整器（例えば、実施形態のｐＨ調整器５２）と、を備え、前記回収装置は、強アルカリ性水溶液からなるアノード側電解液と二酸化炭素ガスとを接触させ、二酸化炭素を前記アノード側電解液に溶解させて吸収させる吸収部（例えば、実施形態の吸収部１２）と、二酸化炭素を濃縮する濃縮部（例えば、実施形態の濃縮部１１，１３）とを備え、前記電気化学反応装置は、アノード（例えば、実施形態のアノード２２）と、カソード（例えば、実施形態のカソード２１）と、前記アノードと前記カソードとの間に設けられたアニオン交換膜（例えば、実施形態のアニオン交換膜２３）と、前記アノードと前記アニオン交換膜との間に設けられ、前記吸収部で二酸化炭素を吸収した前記アノード側電解液が流れる液流路（例えば、実施形態の液流路２９ａ）と、前記カソードと前記アニオン交換膜との間に設けられ、前記ｐＨ調整器でｐＨを調整した強アルカリ性水溶液からなるカソード側電解液が流れる液流路（例えば、実施形態の液流路２８ａ）と、を備え、前記カソード側電解液のｐＨが前記アノード側電解液のｐＨよりも高く、前記濃縮部から前記カソードの前記アノードとは反対側のガス流路（例えば、実施形態のガス流路２４ａ）に二酸化炭素ガスが供給され、前記カソードで二酸化炭素ガスが還元される。
（１）本発明の一態様に係る二酸化炭素処理装置（例えば、実施形態の二酸化炭素処理装置１００）は、二酸化炭素を回収する回収装置（例えば、実施形態の回収装置１）と、二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置（例えば、実施形態の電気化学反応装置２）と、ｐＨ調整器（例えば、実施形態のｐＨ調整器５２）と、を備え、前記回収装置は、強アルカリ性水溶液からなるアノード側電解液と二酸化炭素ガスとを接触させ、二酸化炭素を前記アノード側電解液に溶解させて吸収させる吸収部（例えば、実施形態の吸収部１２）と、二酸化炭素を濃縮する濃縮部（例えば、実施形態の濃縮部１１，１３）とを備え、前記電気化学反応装置は、アノード（例えば、実施形態のアノード２２）と、カソード（例えば、実施形態のカソード２１）と、前記アノードと前記カソードとの間に設けられたアニオン交換膜（例えば、実施形態のアニオン交換膜２３）と、前記アノードと前記アニオン交換膜との間に設けられ、前記吸収部で二酸化炭素を吸収した前記アノード側電解液が流れる液流路（例えば、実施形態の液流路２９ａ）と、前記カソードと前記アニオン交換膜との間に設けられ、前記ｐＨ調整器でｐＨを調整した強アルカリ性水溶液からなるカソード側電解液が流れる液流路（例えば、実施形態の液流路２８ａ）と、を備え、前記カソード側電解液のｐＨが前記アノード側電解液のｐＨよりも高く、前記濃縮部から前記カソードの前記アノードとは反対側のガス流路（例えば、実施形態のガス流路２４ａ）に二酸化炭素ガスが供給され、前記カソードで二酸化炭素ガスが還元される。
（２）本発明の一態様に係る二酸化炭素処理装置は、前記電気化学反応装置に電力を供給する電源貯蔵装置（例えば、実施形態の電源貯蔵装置３）をさらに備え、前記電源貯蔵装置は、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部（例えば、実施形態の変換部３１）と、前記変換部で変換した電気エネルギーを貯蔵する貯蔵部（例えば、実施形態の貯蔵部３２）と、を備えていてもよい。
（３）前記貯蔵部がニッケル水素電池であり、前記ニッケル水素電池は、正極（例えば、実施形態の正極３３）と、負極（例えば、実施形態の負極３４）と、正極と負極の間に設けられたセパレータ（例えば、実施形態のセパレータ３７）と、前記正極と前記セパレータとの間に設けられた正極側流路（例えば、実施形態の正極側流路３６）と、前記負極と前記セパレータとの間に設けられた負極側流路（例えば、実施形態の負極側流路３５）と、を備え、前記ニッケル水素電池の放電時には、前記吸収部、前記負極側流路、前記電気化学反応装置、前記吸収部の順で前記アノード側電解液が循環され、前記ニッケル水素電池の充電時には、前記吸収部、前記負極側流路、前記電気化学反応装置、前記正極側流路、前記吸収部の順で前記アノード側電解液が循環されてもよい。
（４）前記ｐＨ調整器は前記カソード側電解液と二酸化炭素ガスとを接触させてもよい。
（５）本発明の一態様に係る二酸化炭素処理装置は、前記電気化学反応装置で二酸化炭素が還元されて生成したエチレンを多量化して増炭する増炭反応装置（例えば、実施形態の増炭反応装置４）をさらに備えていてもよい。
（６）本発明の一態様に係る二酸化炭素処理装置は、前記増炭反応装置における反応で発生した熱によって加熱された熱媒と、前記アノード側電解液との間で熱交換させて前記アノード側電解液を加熱する熱交換器（例えば、実施形態の熱交換器４３）をさらに備えていてもよい。
（７）本発明の一態様に係る二酸化炭素処理方法は、強アルカリ性水溶液からなるアノード側電解液に二酸化炭素ガスを接触させ、二酸化炭素を前記アノード側電解液に溶解させて吸収させる工程と、カソード側電解液のｐＨをアノード側電解液のｐＨよりも高く調整する工程と、前記カソード側電解液をカソードとアニオン交換膜との間に供給し、前記アノード側電解液をアノードとアニオン交換膜との間に供給し、二酸化炭素ガスを前記カソードの前記アノードとは反対側に供給し、二酸化炭素ガスを電気化学的に還元して炭素化合物と水素を発生させる工程と、を含む。
（８）前カソード側電解液のｐＨを調整する工程において、前記カソード側電解液と二酸化炭素とを接触させ、二酸化炭素を前記カソード側電解液に溶解させてもよい。
（９）本発明の一態様に係る炭素化合物の製造方法は、前記（７）又は（８）に記載の二酸化炭素処理方法を用いて、二酸化炭素が還元された炭素化合物を製造する。
（１０）本発明の一態様に係る炭素化合物の製造方法は、前記溶存二酸化炭素が還元されて生成したエチレンを多量化する工程をさらに含んでもよい。
（１）～（１０）の態様によれば、二酸化炭素の回収及び還元のエネルギー効率、及び二酸化炭素の損失低減効果が高い二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法を提供できる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において例示される図の寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
［二酸化炭素処理装置］
図１に示すように、本発明の一態様に係る二酸化炭素処理装置１００は、回収装置１と、電気化学反応装置２と、電源貯蔵装置３と、増炭反応装置４と、熱交換器４３と、ｐＨ調整器５２と、を備えている。回収装置１は、濃縮部１１と、吸収部１２と、濃縮部１３と、を備えている。電源貯蔵装置３は、変換部３１と、変換部３１と電気的に接続された貯蔵部３２と、を備えている。増炭反応装置４は、反応器４１と、気液分離器４２と、を備えている。
図１に示すように、本発明の一態様に係る二酸化炭素処理装置１００は、回収装置１と、電気化学反応装置２と、電源貯蔵装置３と、増炭反応装置４と、熱交換器４３と、ｐＨ調整器５２と、を備えている。回収装置１は、濃縮部１１と、吸収部１２と、濃縮部１３と、を備えている。電源貯蔵装置３は、変換部３１と、変換部３１と電気的に接続された貯蔵部３２と、を備えている。増炭反応装置４は、反応器４１と、気液分離器４２と、を備えている。
二酸化炭素処理装置１００では、濃縮部１１と吸収部１２はガス流路７５で接続されている。濃縮部１１と濃縮部１３はガス流路７７で接続されている。吸収部１２と貯蔵部３２は液流路６２で接続されている。電気化学反応装置２と貯蔵部３２は液流路６５で接続されている。電気化学反応装置２と吸収部１２とは液流路６６で接続されている。電気化学反応装置２と反応器４１はガス流路７４で接続されている。反応器４１と気液分離器４２はガス流路７２とガス流路７３で接続されている。反応器４１と熱交換器４３の間には熱媒の循環流路６９が設けられている。濃縮部１１及び濃縮部１３と気液分離器４２はガス流路７１で接続されている。濃縮部１３と電気化学反応装置２はガス流路７６で接続されている。ｐＨ調整器５２と電気化学反応装置２は液流路６３と液流路６４で接続されている。
これら各流路は特に限定されず、公知の配管等を適宜使用できる。ガス流路７１～７７には、コンプレッサー等の送気手段、減圧弁や、圧力計等の計測機器等を適宜設置することができる。図１ではガス流路７１に冷却器５０を設置している。また、液流路６２～６６には、ポンプ等の送液手段や、流量計等の計測機器等を適宜設置することができる。図１では、液流路６６にｐＨ測定器５１を、液流路６３にｐＨ測定器５３を、それぞれ設置している。
回収装置１は、二酸化炭素を回収する装置である。
濃縮部１１及び濃縮部１３には、大気、排気ガス等の二酸化炭素を含むガスＧ１が供給される。濃縮部１１及び濃縮部１３では、ガスＧ１の二酸化炭素が濃縮される。濃縮部１１及び濃縮部１３としては、二酸化炭素を濃縮できるものであれば公知の濃縮装置を採用でき、例えば、膜に対する透過速度の違いを利用した膜分離装置、化学的又は物理的な吸着、脱離を利用する吸着分離装置を利用できる。なかでも、分離性能に優れる点から、化学吸着の特に温度スイング吸着を利用する吸着が好ましい。
濃縮部１１及び濃縮部１３には、大気、排気ガス等の二酸化炭素を含むガスＧ１が供給される。濃縮部１１及び濃縮部１３では、ガスＧ１の二酸化炭素が濃縮される。濃縮部１１及び濃縮部１３としては、二酸化炭素を濃縮できるものであれば公知の濃縮装置を採用でき、例えば、膜に対する透過速度の違いを利用した膜分離装置、化学的又は物理的な吸着、脱離を利用する吸着分離装置を利用できる。なかでも、分離性能に優れる点から、化学吸着の特に温度スイング吸着を利用する吸着が好ましい。
濃縮部１１で二酸化炭素が濃縮された濃縮ガスＧ２は、ガス流路７５を通じて吸収部１２に送られる。また、濃縮ガスＧ２と分離された分離ガスＧ３は、ガス流路７１を通じて気液分離器４２に送られる。
濃縮部１３で二酸化炭素が濃縮された濃縮ガスＧ４は、ガス流路７５を通じて電気化学反応装置２に送られる。また、濃縮ガスＧ４と分離された分離ガスは、分離ガスＧ３とともに、ガス流路７１を通じて気液分離器４２に送られる。
吸収部１２では、濃縮部１１から供給される濃縮ガスＧ２中の二酸化炭素ガスがアノード側電解液Ａと接触し、二酸化炭素がアノード側電解液Ａに溶解されて吸収される。二酸化炭素ガスとアノード側電解液Ａとを接触させる手法としては、特に限定されず、例えば、アノード側電解液Ａ中に濃縮ガスＧ２を吹き込んでバブリングする手法を例示できる。
吸収部１２では、二酸化炭素を吸収する吸収液として、強アルカリ性水溶液からなるアノード側電解液Ａを用いる。二酸化炭素は、酸素原子が電子を強く引きつけるために炭素原子が正の電荷（δ＋）を帯びる。そのため、水酸化物イオンが多量に存在する強アルカリ性水溶液では、二酸化炭素は水和状態からＨＣＯ３
－を経てＣＯ３
２－まで溶解反応が進行しやすく、ＣＯ３
２－の存在比率が高い平衡状態となる。このことから、二酸化炭素は窒素、水素、酸素といった他のガスに比べて強アルカリ性水溶液に溶解しやすく、吸収部１２では濃縮ガスＧ２中の二酸化炭素が選択的にアノード側電解液Ａに吸収される。このように、吸収部１２でアノード側電解液Ａを用いることで二酸化炭素の濃縮をアシストできる。そのため、濃縮部１１では二酸化炭素を高濃度まで濃縮する必要はなく、濃縮部１１での濃縮に必要なエネルギーを低減できる。
吸収部１２で二酸化炭素が吸収されたアノード側電解液Ｂは、液流路６２、貯蔵部３２、液流路６５を通じて電気化学反応装置２へと送られる。また、電気化学反応装置２から流れ出たアノード側電解液Ａは、液流路６６を通じて吸収部１２へと送られる。このように、二酸化炭素処理装置１００では、吸収部１２、貯蔵部３２及び電気化学反応装置２の間でアノード側電解液が循環されて共用される。
アノード側電解液Ａに用いる強アルカリ性水溶液としては、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液を例示できる。なかでも、吸収部１２における二酸化炭素の溶解性に優れ、電気化学反応装置２における二酸化炭素の還元が促進される点から、水酸化カリウム水溶液が好ましい。
電気化学反応装置２は、二酸化炭素を電気化学的に還元する装置である。図２に示すように、電気化学反応装置２は、カソード２１と、アノード２２と、アニオン交換膜２３と、液流路２８ａを形成するための液流路構造体２８と、液流路２９ａを形成するための液流路構造体２９と、ガス流路２４ａが形成されたガス流路構造体２４と、ガス流路２５ａが形成されたガス流路構造体２５と、給電体２６と、給電体２７と、を備えている。
電気化学反応装置２では、給電体２６、ガス流路構造体２４、カソード２１、液流路構造体２８、アニオン交換膜２３、液流路構造体２９、アノード２２、ガス流路構造体２５、給電体２７がこの順に積層されている。液流路構造体２８，２９にはスリットが形成されており、スリットにおけるカソード２１とアノード２２と液流路構造体２８，２９とで囲まれた領域がそれぞれ液流路２８ａ，２９ａになっている。ガス流路構造体２４のカソード２１側には溝が形成されており、その溝のガス流路構造体２４とカソード２１に囲まれた部分がガス流路２４ａとなっている。ガス流路構造体２５のアノード２２側には溝が形成されており、その溝のガス流路構造体２５とアノード２２に囲まれた部分がガス流路２５ａとなっている。
このように、電気化学反応装置２では、カソード２１とアニオン交換膜２３との間に液流路２８ａが形成され、アノード２２とアニオン交換膜２３との間に液流路２９ａが形成され、カソード２１と給電体２６の間にガス流路２４ａが形成され、アノード２２と給電体２７の間にガス流路２５ａが形成されている。給電体２６と給電体２７は、電源貯蔵装置３の貯蔵部３２と電気的に接続されている。また、ガス流路構造体２４とガス流路構造体２５は導電体であり、貯蔵部３２から供給される電力によってカソード２１とアノード２２の間に電圧を印加できるようになっている。
カソード２１は、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成し、また水を還元して水素を生成する電極である。カソード２１としては、二酸化炭素を電気化学的に還元でき、かつ生成したガス状の炭素化合物と水素がガス流路２４ａまで透過するものであればよく、例えば、ガス拡散層の液流路２３ａ側にカソード触媒層が形成された電極を例示できる。カソード触媒層は、一部がガス拡散層中に入り込んでいてもよい。ガス拡散層とカソード触媒層の間には、ガス拡散層よりも緻密な多孔質層を配置してもよい。
カソード触媒層を形成するカソード触媒としては、二酸化炭素の還元を促進する公知の触媒を使用できる。カソード触媒の具体例としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、チタン、カドミウム、亜鉛、インジウム、ガリウム、鉛、錫等の金属、それらの合金や金属間化合物、ルテニウム錯体、レニウム錯体等の金属錯体を例示できる。なかでも、二酸化炭素の還元が促進される点から、銅、銀が好ましく、銅がより好ましい。カソード触媒としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
カソード触媒としては、金属粒子が炭素材料（カーボン粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン等）に担持された担持触媒を用いてもよい。
カソード触媒としては、金属粒子が炭素材料（カーボン粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン等）に担持された担持触媒を用いてもよい。
カソード２１のガス拡散層としては、特に限定されず、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスを例示できる。
カソード２１の製造方法は、特に限定されず、例えば、ガス拡散層の液流路２３ａ側となる面に、カソード触媒を含む液状組成物を塗布して乾燥する方法を例示できる。
カソード２１の製造方法は、特に限定されず、例えば、ガス拡散層の液流路２３ａ側となる面に、カソード触媒を含む液状組成物を塗布して乾燥する方法を例示できる。
アノード２２は、水酸化物イオンを酸化して酸素を生成するための電極である。アノード２２としては、水酸化物イオンを電気化学的に酸化でき、かつ生成した酸素がガス流路２５ａまで透過するものであればよく、例えば、ガス拡散層の液流路２３ａ側にアノード触媒層が形成された電極を例示できる。
アノード触媒層を形成するアノード触媒としては、特に限定されず、公知のアノード触媒を使用できる。具体的には、例えば、白金、パラジウム、ニッケル等の金属、それらの合金や金属間化合物、酸化マンガン、酸化イリジウム、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化スズ、酸化インジウム、酸化ルテニウム、酸化リチウム、酸化ランタン等の金属酸化物、ルテニウム錯体、レニウム錯体等の金属錯体を例示できる。アノード触媒としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
アノード２２のガス拡散層としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスを例示できる。また、ガス拡散層としては、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質体を用いてもよい。多孔質体の材質としては、例えば、チタン、ニッケル、鉄等の金属、これらの合金（例えばＳＵＳ）を例示できる。
液流路構造体２８，２９の材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂を例示できる。
ガス流路構造体２４，２５の材質としては、例えば、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。
給電体２６，２７の材質としては、例えば、銅、金、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。給電体２６，２７としては、銅基材の表面に金メッキ等のメッキ処理を施したものを使用してもよい。
アニオン交換膜２３としては、特に限定されず、従来公知のアニオン交換膜を使用できる。
ガス流路構造体２４，２５の材質としては、例えば、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。
給電体２６，２７の材質としては、例えば、銅、金、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。給電体２６，２７としては、銅基材の表面に金メッキ等のメッキ処理を施したものを使用してもよい。
アニオン交換膜２３としては、特に限定されず、従来公知のアニオン交換膜を使用できる。
電気化学反応装置２は、吸収部１２から供給されてくるアノード側電解液Ｂが液流路２９ａを、ｐＨ調整器５２から供給されてくるカソード側電解液Ｄが液流路２８ａを、濃縮部１３から供給されてくる濃縮ガスＧ４がガス流路２４ａを、それぞれ流れるフローセルである。そして、カソード２１とアノード２２に電圧が印加されることで、ガス流路２４ａを流れる濃縮ガスＧ４中の二酸化炭素が還元され、炭素化合物及び水素が生成する。電気化学反応装置２の電気化学セルにおける電気化学反応を図３に示す。カソードではＣＯ３
２－を消費するので、カソード側電解液は液流路２８ａの入口側よりも出口側が高ｐＨになる。アノードは水酸化物イオンを消費するが、等量の水酸化物イオンがカソード側から供給されるので、アノード側電解液は液流路２９ａの入口側と出口側でｐＨが変化しない。ｐＨ調整器５２ではカソード側電解液ＣのｐＨを調整してカソード側電解液Ｄを生成するが、ｐＨの調整には、ＫＯＨ等のアルカリやアルカリ水溶液を用いてｐＨを上げたり、二酸化炭素ガスを用いてｐＨを下げたりすることができる。ｐＨ調整器５２に供給する二酸化炭素は、例えば、濃縮部１１又は濃縮部１３で生成した濃縮ガス中の二酸化炭素を用いることができる。
カソード２１で二酸化炭素が還元されて生成する炭素化合物としては、一酸化炭素、エチレン、エタノール等を例示できる。例えば、図３に示すように、以下の反応で、ガス状生成物として一酸化炭素及びエチレンが生成する。カソード２１では以下の反応で水素も生成する。生成したガス状の炭素化合物及び水素は、カソード２１のガス拡散層を透過し、ガス流路２４ａから流出する。
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋２ＯＨ－
２ＣＯ＋８Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ４＋８ＯＨ－＋２Ｈ２Ｏ
２Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋２ＯＨ－
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋２ＯＨ－
２ＣＯ＋８Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ４＋８ＯＨ－＋２Ｈ２Ｏ
２Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋２ＯＨ－
また、カソード２１で生じた水酸化物イオンはアノード側電解液Ｂ中をアノード２２へと移動し、以下の反応で酸化されて酸素が生成する。生成した酸素は、アノード２２のガス拡散層を透過し、ガス流路２５ａから排出される。
４ＯＨ－→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ
４ＯＨ－→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ
カソード２１では目的のＣＯ２還元反応が関与しない副反応の水電解によるＨ２発生がＣＯ２電解におけるエネルギー損失の一因となっている。
実施形態においてカソードでのＨ２発生を抑制するには、アノード及びカソードの触媒活性のバランスが非常に重要である。例えば、アノードが高活性でカソードが低活性の場合はアノードでのＯ２発生が活発に起こり、それと同じ電子数の反応がカソードでも起こらなければならないが、カソードにおけるＣＯ２電解反応速度が十分に得られなければ、副反応である水電解Ｈ２生成反応が起こる。そしてその事象は、二酸化炭素処理装置運用中の両極それぞれの触媒の劣化のレベル・バランスによっても最適な反応速度マネジメントの解が変化してくる。そのため両極において反応速度をフレキシブルにマネジメントできる手段があれば有用である。実施形態では、反応速度をフレキシブルにマネジメントする手段として電解液のｐＨを用いる。より詳細には、アノード側電解液のｐＨをカソード側電解液のｐＨよりも低くする。電解液のｐＨを調整する手段としては、ＫＯＨ等のアルカリ又はＫＯＨ水溶液等のアルカリ水溶液を電解液に添加する（ｐＨ上昇）、アルカリ性水溶液である電解液に二酸化炭素を溶解させる（ｐＨ低下）等の手段が挙げられる。通常、強アルカリ性水溶液である電解液に二酸化炭素を吹き込む等して溶解させることにより、ｐＨを低下させるので、強アルカリ性水溶液である電解液に溶解させる二酸化炭素量を制御することによりｐＨを調整できる。また、生成物は、通常、気体であり、二酸化炭素処理装置１００出口のガス流量、Ｈ２濃度、目的物濃度をセンシングすることで目的物である炭素化合物及び副生Ｈ２の生成速度が定量できる。その定量結果から、［目的物生成速度を最大化］、［副生Ｈ２の生成速度を最小化］を目的変数として［カソード側電解液へのＣＯ２溶解量］、［アノード側電解液へのＣＯ２溶解量］にフィードバックすることでどの触媒劣化条件でもその時の最適な反応速度が得られる。
具体的なｐＨとしては、アノード側電解液のｐＨを１４以下、例えば、８～１４の範囲とし、カソード側電解液のｐＨを１４超とすることが挙げられる。
実施形態においてカソードでのＨ２発生を抑制するには、アノード及びカソードの触媒活性のバランスが非常に重要である。例えば、アノードが高活性でカソードが低活性の場合はアノードでのＯ２発生が活発に起こり、それと同じ電子数の反応がカソードでも起こらなければならないが、カソードにおけるＣＯ２電解反応速度が十分に得られなければ、副反応である水電解Ｈ２生成反応が起こる。そしてその事象は、二酸化炭素処理装置運用中の両極それぞれの触媒の劣化のレベル・バランスによっても最適な反応速度マネジメントの解が変化してくる。そのため両極において反応速度をフレキシブルにマネジメントできる手段があれば有用である。実施形態では、反応速度をフレキシブルにマネジメントする手段として電解液のｐＨを用いる。より詳細には、アノード側電解液のｐＨをカソード側電解液のｐＨよりも低くする。電解液のｐＨを調整する手段としては、ＫＯＨ等のアルカリ又はＫＯＨ水溶液等のアルカリ水溶液を電解液に添加する（ｐＨ上昇）、アルカリ性水溶液である電解液に二酸化炭素を溶解させる（ｐＨ低下）等の手段が挙げられる。通常、強アルカリ性水溶液である電解液に二酸化炭素を吹き込む等して溶解させることにより、ｐＨを低下させるので、強アルカリ性水溶液である電解液に溶解させる二酸化炭素量を制御することによりｐＨを調整できる。また、生成物は、通常、気体であり、二酸化炭素処理装置１００出口のガス流量、Ｈ２濃度、目的物濃度をセンシングすることで目的物である炭素化合物及び副生Ｈ２の生成速度が定量できる。その定量結果から、［目的物生成速度を最大化］、［副生Ｈ２の生成速度を最小化］を目的変数として［カソード側電解液へのＣＯ２溶解量］、［アノード側電解液へのＣＯ２溶解量］にフィードバックすることでどの触媒劣化条件でもその時の最適な反応速度が得られる。
具体的なｐＨとしては、アノード側電解液のｐＨを１４以下、例えば、８～１４の範囲とし、カソード側電解液のｐＨを１４超とすることが挙げられる。
二酸化炭素処理装置１００では、電気化学反応装置２に用いるカソード側電解液のｐＨをアノード側電解液のｐＨよりも高くすることで、カソード２１での水素発生を抑制する。これにより、例えば二酸化炭素を吸着剤に吸着させ、加熱によって脱離させて還元する場合に比べて、二酸化炭素の脱離に要するエネルギーが低減され、エネルギー効率を高くできるうえ、二酸化炭素の損失も低減できる。
電源貯蔵装置３は、電気化学反応装置２に電力を供給する装置である。
変換部３１では、再生可能エネルギーが電気エネルギーに変換される。変換部３１としては、特に限定されず、例えば、風力発電機、太陽光発電機、地熱発電機を例示できる。電源貯蔵装置３が備える変換部３１は、１つであってもよく、２つ以上であってもよい。
変換部３１では、再生可能エネルギーが電気エネルギーに変換される。変換部３１としては、特に限定されず、例えば、風力発電機、太陽光発電機、地熱発電機を例示できる。電源貯蔵装置３が備える変換部３１は、１つであってもよく、２つ以上であってもよい。
貯蔵部３２では、変換部３１で変換された電気エネルギーが貯蔵される。変換した電気エネルギーを貯蔵部３２で貯蔵することで、変換部が発電していない時間帯も電気化学反応装置２に安定して電力を供給できる。また、再生可能エネルギーを利用する場合、一般に電圧変動が大きくなりやすいが、貯蔵部３２で一旦貯蔵することで、電気化学反応装置２に安定した電圧で電力を供給できる。
この例の貯蔵部３２はニッケル水素電池である。なお、貯蔵部３２は、充放電が可能なものであればよく、例えば、リチウムイオン二次電池等であってもよい。
貯蔵部３２は、図４（Ａ）に示すように、正極３３と、負極３４と、正極３３と負極３４の間に設けられたセパレータ３７と、正極３３とセパレータ３７の間に形成された正極側流路３６と、負極３４とセパレータ３７の間に形成された負極側流路３５と、を備えるニッケル水素電池である。正極側流路３６と負極側流路３５は、例えば、電気化学反応装置２の液流路２８ａ（２９ａ）と同様の液流路構造体を用いて形成できる。
貯蔵部３２は、図４（Ａ）に示すように、正極３３と、負極３４と、正極３３と負極３４の間に設けられたセパレータ３７と、正極３３とセパレータ３７の間に形成された正極側流路３６と、負極３４とセパレータ３７の間に形成された負極側流路３５と、を備えるニッケル水素電池である。正極側流路３６と負極側流路３５は、例えば、電気化学反応装置２の液流路２８ａ（２９ａ）と同様の液流路構造体を用いて形成できる。
正極３３としては、例えば、正極集電体の正極側流路３６側に正極活物質が塗布されたものを例示できる。
正極集電体としては、特に限定されず、例えば、ニッケル箔、ニッケルメッキ金属箔を例示できる。
正極活物質としては、特に限定されず、例えば、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルを例示できる。
正極集電体としては、特に限定されず、例えば、ニッケル箔、ニッケルメッキ金属箔を例示できる。
正極活物質としては、特に限定されず、例えば、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルを例示できる。
負極３４としては、例えば、負極集電体の負極側流路３５側に負極活物質が塗布されたものを例示できる。
負極集電体としては、特に限定されず、例えば、ニッケルメッシュを例示できる。
負極活物質としては、特に限定されず、例えば、公知の水素吸蔵合金を例示できる。
負極集電体としては、特に限定されず、例えば、ニッケルメッシュを例示できる。
負極活物質としては、特に限定されず、例えば、公知の水素吸蔵合金を例示できる。
セパレータ３７としては、特に限定されず、例えば、イオン交換膜を例示できる。
貯蔵部３２のニッケル水素電池は、セパレータ３７の正極３３側の正極側流路３６と、セパレータ３７の負極３４側の負極側流路３５のそれぞれに電解液が流れるフローセルである。二酸化炭素処理装置１００では、吸収部１２から液流路６２を通じて供給されるアノード側電解液Ｂと、電気化学反応装置２から液流路６６ａを通じて供給されるアノード側電解液Ａが、負極側流路３５と正極側流路３６とのそれぞれに流される。また、液流路６２，６５の貯蔵部３２への接続はそれぞれ、負極側流路３５に接続された状態と、正極側流路３６に接続された状態が切り替えられるようになっている。同様に、液流路６６ａ，６６ｂの貯蔵部３２への接続はそれぞれ、正極側流路３６に接続された状態と、負極側流路３５に接続された状態が切り替えられるようになっている。
ニッケル水素電池の放電時には、正極で水分子から水酸化物イオンが発生し、負極へ移動した水酸化物イオンが水素吸蔵合金から水素イオンを受け取って水分子が発生する。そのため、放電効率の観点では、正極側流路３６を流れる電解液は強アルカリ状態であることが有利であり、負極側流路３５を流れる電解液は弱アルカリ状態であることが有利である。そのため、放電時には、図４（Ａ）に示すように、液流路６２，６５を負極側流路３５に接続し、液流路６６ａ，６６ｂを正極側流路３６に接続して、吸収部１２から供給されるアノード側電解液Ｂ（弱アルカリ）が負極側流路３５を流れ、電気化学反応装置２から供給されるアノード側電解液Ａ（強アルカリ）が正極側流路３６を流れるようにすることが好ましい。すなわち、放電時には、吸収部１２、貯蔵部３２の負極側流路３５、電気化学反応装置２、貯蔵部３２の正極側流路３６、吸収部１２の順で電解液が循環されることが好ましい。
また、ニッケル水素電池の充電時には、正極で水酸化物イオンから水分子が発生し、負極で水分子が水素原子と水酸化物イオンに分解され、水素原子が水素吸蔵合金に吸蔵される。そのため、充電効率の観点では、正極側流路３６を流れる電解液は弱アルカリ状態であることが有利であり、負極側流路３５を流れる電解液は強アルカリ状態であることが有利である。そのため、充電時には、図４（Ｂ）に示すように、液流路６２，６５を正極側流路３６に接続し、液流路６６ａ，６６ｂを負極側流路３５に接続して、吸収部１２から供給されるアノード側電解液Ｂ（弱アルカリ）が正極側流路３６を流れ、電気化学反応装置２から供給されるアノード側電解液Ａ（強アルカリ）が負極側流路３５を流れるようにすることが好ましい。すなわち、充電時には、吸収部１２、貯蔵部３２の正極側流路３６、電気化学反応装置２、貯蔵部３２の負極側流路３５、吸収部１２の順で電解液が循環されることが好ましい。
一般的には、二次電池を装置に組み込むと充放電効率の分だけ総合的なエネルギー効率が低下する傾向がある。しかし、前述のように、電気化学反応装置２の前後のアノード側電解液Ａとアノード側電解液ＢのｐＨ勾配を利用し、貯蔵部３２の正極側流路３６と負極側流路３５に流す電解液を適切に入れ替えることで、Ｎｅｒｎｓｔの式で表される電極反応の「濃度過電圧」分の充放電効率を改善できる。
増炭反応装置４は、電気化学反応装置２で二酸化炭素が還元されて生成したエチレンを多量化して増炭する装置である。
電気化学反応装置２のカソード２１での還元によって生成したエチレンガスＥは、ガス流路７４を通じて反応器４１に送られる。反応器４１では、オレフィン多量化触媒の存在下、エチレンの多量化反応を行う。これにより、例えば、１－ブテン、１－ヘキセン、１－オクテン等の増炭されたオレフィンを製造できる。
電気化学反応装置２のカソード２１での還元によって生成したエチレンガスＥは、ガス流路７４を通じて反応器４１に送られる。反応器４１では、オレフィン多量化触媒の存在下、エチレンの多量化反応を行う。これにより、例えば、１－ブテン、１－ヘキセン、１－オクテン等の増炭されたオレフィンを製造できる。
オレフィン多量化触媒としては、特に限定されず、多量化反応に用いられる公知の触媒を使用でき、例えば、シリカアルミナやゼオライトを担体に用いた固体酸触媒、遷移金属錯体化合物を例示できる。
この例の増炭反応装置４では、反応器４１から流出する多量化反応後の生成ガスＦは、ガス流路７２を通じて気液分離器４２に送られる。炭素数６以上のオレフィンは常温で液体である。そのため、例えば炭素数６以上のオレフィンを目的の炭素化合物とする場合、気液分離器４２の温度を３０℃程度にすることで、炭素数６以上のオレフィン（オレフィン液Ｊ１）と炭素数６未満のオレフィン（オレフィンガスＪ２）とを容易に気液分離できる。また、気液分離器４２の温度を上げることで、得られるオレフィン液Ｊ１の炭素数を大きくすることができる。
回収装置１の濃縮部１１に供給するガスＧ１が大気であれば、気液分離器４２における生成ガスＤの冷却には、濃縮部１１からガス流路７１を通じて送られてくる分離ガスＧ３を利用してもよい。例えば冷却管を備える気液分離器４２を用い、冷却管内に分離ガスＧ３を通し、冷却管外に生成ガスＦを通して、冷却管の表面で凝集させてオレフィン液Ｊ１とする。また、気液分離器４２で分離されたオレフィンガスＪ２は、エチレン等の未反応成分や、目的のオレフィンよりも炭素数が少ないオレフィンを含むため、ガス流路７３を通じて反応器４１に返送して多量化反応に再利用することができる。
反応器４１におけるエチレンの多量化反応は、供給物質の方が生成物質よりもエンタルピーが高く、反応エンタルピーが負となる発熱反応である。二酸化炭素処理装置１００では、増炭反応装置４の反応器４１で発生した反応熱を利用して熱媒Ｋを加熱し、循環流路６９を通じて熱媒Ｋを熱交換器４３に循環させ、熱交換器４３において熱媒Ｋとアノード側電解液Ｂとの間で熱交換させるようにしてもよい。この場合、電気化学反応装置２に供給されるアノード側電解液Ｂが加熱される。強アルカリ性水溶液を用いたアノード側電解液Ｂでは、昇温されても溶存二酸化炭素はガスとして分離しにくく、アノード側電解液Ｂの温度が上がることで電気化学反応装置２における酸化還元の反応速度が向上する。
増炭反応装置４は、電気化学反応装置２で生成する水素を利用して、エチレンを多量化して得たオレフィンの水素化反応を行う反応器や、オレフィンやパラフィンの異性化反応を行う反応器をさらに備えていてもよい。
［二酸化炭素処理方法］
本発明の一態様に係る二酸化炭素処理方法は、以下の工程（ａ）及び工程（ｂ）を含む方法である。本発明の二酸化炭素処理方法は、炭素化合物の製造方法に利用できる。すなわち、本発明の二酸化炭素処理方法を用いて、二酸化炭素が還元された炭素化合物や、二酸化炭素が還元された炭素化合物を原料として得られる炭素化合物を製造することができる。
工程（ａ）：強アルカリ性水溶液からなるアノード側電解液に二酸化炭素ガスを接触させ、二酸化炭素を前記アノード側電解液に溶解させて吸収させる。
工程（ｂ）：カソード側電解液のｐＨをアノード側電解液のｐＨよりも高く調整する。
工程（ｃ）：カソード側電解液をカソードとアニオン交換膜との間に供給し、アノード側電解液をアノードとアニオン交換膜との間に供給し、二酸化炭素ガスをカソードのアノードとは反対側に供給し、二酸化炭素ガスを電気化学的に還元して炭素化合物と水素を発生させる。
本発明の一態様に係る二酸化炭素処理方法は、以下の工程（ａ）及び工程（ｂ）を含む方法である。本発明の二酸化炭素処理方法は、炭素化合物の製造方法に利用できる。すなわち、本発明の二酸化炭素処理方法を用いて、二酸化炭素が還元された炭素化合物や、二酸化炭素が還元された炭素化合物を原料として得られる炭素化合物を製造することができる。
工程（ａ）：強アルカリ性水溶液からなるアノード側電解液に二酸化炭素ガスを接触させ、二酸化炭素を前記アノード側電解液に溶解させて吸収させる。
工程（ｂ）：カソード側電解液のｐＨをアノード側電解液のｐＨよりも高く調整する。
工程（ｃ）：カソード側電解液をカソードとアニオン交換膜との間に供給し、アノード側電解液をアノードとアニオン交換膜との間に供給し、二酸化炭素ガスをカソードのアノードとは反対側に供給し、二酸化炭素ガスを電気化学的に還元して炭素化合物と水素を発生させる。
二酸化炭素処理装置１００のように、増炭反応装置を備える二酸化炭素処理装置を用いる場合、二酸化炭素処理方法は、工程（ａ）乃至工程（ｃ）に加えて、以下の工程（ｄ）をさらに含む。以下、二酸化炭素処理方法の一例として、前記した二酸化炭素処理装置１００を用いる場合について説明する。
工程（ｄ）：二酸化炭素が還元されて生成したエチレンを多量化する。
工程（ｄ）：二酸化炭素が還元されて生成したエチレンを多量化する。
二酸化炭素処理装置１００を用いた二酸化炭素処理方法では、まず排気ガス、大気等をガスＧ１として濃縮部１１に供給し、二酸化炭素を濃縮して濃縮ガスＧ２とする。前述のように、吸収部１２で二酸化炭素をアノード側電解液Ａに吸収させることが濃縮アシストになるため、濃縮部１１では二酸化炭素を高濃度まで濃縮する必要はない。濃縮ガスＧ２の二酸化炭素濃度は、適宜設定することができ、例えば、２５～８５体積％とすることができる。
工程（ａ）では、濃縮部１１から濃縮ガスＧ２を吸収部１２に供給し、濃縮ガスＧ２をアノード側電解液Ａと接触させ、濃縮ガスＧ２中の二酸化炭素をアノード側電解液Ａに溶解させて吸収させる。二酸化炭素が溶解されたアノード側電解液Ｂは弱アルカリ状態となる。また、アノード側電解液Ｂを吸収部１２から貯蔵部３２を介して熱交換器４３へと供給し、熱媒Ｋとの熱交換によって加熱したアノード側電解液Ｂを電気化学反応装置２に供給してもよい。電気化学反応装置２に供給するアノード側電解液Ｂの温度は、適宜設定することができ、例えば、６５～１０５℃とすることができる。
工程（ｂ）では、カソード側電解液のｐＨをアノード側電解液のｐＨよりも高く調整する。カソード側電解液のｐＨの調整は、アルカリ又はアルカリ水溶液の添加（ｐＨ上昇）、二酸化炭素との接触（ｐＨ低下）等の方法により行うことができる。例えば、カソード側電解液のｐＨを１４超とし、アノード側電解液のｐＨを１４以下、具体的には８～１４の範囲内とすることが挙げられる。
工程（ｃ）では、電気化学反応装置２の液流路２９ａにアノード側電解液Ｂ流し、液流路２８ａにカソード側電解液Ｄを流し、ガス流路２４ａに濃縮部１３で発生した濃縮ガスＧ４を流し、電源貯蔵装置３から電気化学反応装置２に電力を供給してカソード２１とアノード２２の間に電圧を印加する。濃縮ガスＧ４に含まれる二酸化炭素ガスを電気化学的に還元して炭素化合物を生成させるとともに、水を還元して水素を生成させる。このとき、アノード２２ではアノード側電解液Ｂ中の水酸化物イオンが酸化されて酸素が発生する。アノード側電解液Ｂ中の溶存二酸化炭素の量は還元が進行するにつれて少なくなり、液流路２９ａの出口からは強アルカリ状態のアノード側電解液Ａが流出する。二酸化炭素の還元によって生成したガス状の炭素化合物と水素は、カソード２１のガス拡散層を透過し、ガス流路２４ａを通じて電気化学反応装置２から流出し、増炭反応装置４へと送られる。
工程（ｄ）では、二酸化炭素の還元によって生成したエチレンガスＥを反応器４１に送り、反応器４１内でオレフィン多量化触媒と気相接触させ、エチレンを多量化する。これにより、エチレンが多量化されたオレフィンが得られる。例えば炭素数６以上のオレフィンを目的の炭素化合物とする場合、反応器４１から出た生成ガスＦを気液分離器４２に送り、３０℃程度まで冷却する。そうすると、目的の炭素数６以上のオレフィン（例えば１－ヘキセン）が液化し、炭素数６未満のオレフィンはガスのままとなるため、オレフィン液Ｊ１（目的の炭素化合物）とオレフィンガスＪ２として容易に分離できる。気液分離するオレフィン液Ｊ１とオレフィンガスＪ２の炭素数は、気液分離の温度によって調節できる。
気液分離後のオレフィンガスＪ２は、反応器４１に返送して多量化反応に再利用することができる。このように、目的のオレフィンよりも炭素数が少ないオレフィンを反応器４１と気液分離器４２の間で循環させる場合、反応器４１では原料ガス（エチレンガスＥとオレフィンガスＪ２との混合ガス）と触媒との接触時間を調節し、各分子が平均１回の多量化反応を起こす条件に制御することが好ましい。これにより、反応器４１で生成するオレフィンの炭素数が意図せず大きくなることが抑制されるため、気液分離器４２において目的の炭素数のオレフィン（オレフィン液Ｊ１）を選択的に分離できる。
このような方法によれば、再生可能な炭素源から有価物を高い選択性で効率良く得ることができる。そのため、フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成法やＭｔＧ法を利用する従来の石油化学において必要な蒸留塔等の大型の精製設備を必要とせず、総合的に見て経済面で優位である。
多量化反応の反応温度は、２００～３５０℃が好ましい。
多量化反応の反応時間、すなわち原料ガスとオレフィン多量化触媒との接触時間は、過度な多量化反応が抑制されて目的の炭素化合物の選択率が向上する点から、Ｗ／Ｆで１０～２５０ｇ・ｍｉｎ．／ｍｏｌが好ましい。
多量化反応の反応時間、すなわち原料ガスとオレフィン多量化触媒との接触時間は、過度な多量化反応が抑制されて目的の炭素化合物の選択率が向上する点から、Ｗ／Ｆで１０～２５０ｇ・ｍｉｎ．／ｍｏｌが好ましい。
目的のオレフィンよりも炭素数が少ないオレフィンを反応器４１と気液分離器４２の間で循環させ、原料ガスと触媒との接触時間を調節して製造する炭素化合物の選択性を高めてもよい。
さらに、エチレンを多量化して得たオレフィンを水素化してパラフィンを得る場合や、さらに異性化させてもよい。
オレフィンの水素化反応としては、公知の方法を採用でき、例えば、シリカアルミナやゼオライトといった固体酸触媒を用いて水素化反応する方法を例示できる。
異性化反応としては、公知の方法を採用でき、例えば、シリカアルミナやゼオライトといった固体酸触媒を用いて異性化反応する方法を例示できる。
反応器８４の反応温度は、２００～３５０℃が好ましい。
異性化反応としては、公知の方法を採用でき、例えば、シリカアルミナやゼオライトといった固体酸触媒を用いて異性化反応する方法を例示できる。
反応器８４の反応温度は、２００～３５０℃が好ましい。
以上説明したように、本発明の一態様では、強アルカリ性水溶液からなる電解液を用い、回収装置で二酸化炭素を溶解させた電解液をカソードとアノードの間に供給し、電解液中の溶存二酸化炭素を電気化学的に還元する。そのため、二酸化炭素の回収及び還元のエネルギー効率が高く、また二酸化炭素の損失も低減される。
なお、本発明は、前記した態様には限定されない。
また、実施態様の二酸化炭素処理装置は、増炭反応装置、熱交換器及びｐＨ調整器をすべて備えていない二酸化炭素処理装置であってもよい。例えば、この二酸化炭素処理装置を用いた二酸化炭素処理方法を利用して、エチレンを製造してもよい。
また、実施態様の二酸化炭素処理装置では、電気化学反応装置と電源貯蔵装置が電解液を共用せず、回収装置の吸収部と電気化学反応装置との間だけで電解液を循環させてもよい。
また、実施態様の二酸化炭素処理装置では、電気化学反応装置と電源貯蔵装置が電解液を共用せず、回収装置の吸収部と電気化学反応装置との間だけで電解液を循環させてもよい。
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
図１に示す二酸化炭素処理装置１００において、カソード側電解液及びアノード側電解液の水酸化カリウム濃度（モル濃度）の組合せを変更して、ＣＯ２電解試験を行った。
ＣＯ２電解試験の結果（エチレン、一酸化炭素、メタン及び水素のファラデー効率（％））を図５のグラフに示す。
ＣＯ２電解試験の結果（エチレン、一酸化炭素、メタン及び水素のファラデー効率（％））を図５のグラフに示す。
＜実施例１＞
カソード側電解液のＫＯＨ濃度を７Ｍ、アノード側電解液のＫＯＨ濃度を１Ｍとした。
カソード側電解液のＫＯＨ濃度を７Ｍ、アノード側電解液のＫＯＨ濃度を１Ｍとした。
＜比較例１＞
カソード側電解液及びアノード側電解液のＫＯＨ濃度をいずれも１Ｍとした。
カソード側電解液及びアノード側電解液のＫＯＨ濃度をいずれも１Ｍとした。
＜比較例２＞
カソード側電解液及びアノード側電解液のＫＯＨ濃度をいずれも７Ｍとした。
カソード側電解液及びアノード側電解液のＫＯＨ濃度をいずれも７Ｍとした。
＜比較例３＞
カソード側電解液及びアノード側電解液のＫＯＨ濃度をいずれも１０Ｍとした。
カソード側電解液及びアノード側電解液のＫＯＨ濃度をいずれも１０Ｍとした。
＜結果＞
実施例１が最も高いエチレンファラデー効率を示した。このことより電解液のｐＨを、カソード側電解液のｐＨをアノード側電解液のｐＨよりも高くする、すなわち水素イオン濃度勾配をつくることによってＣＯ２電解効率を向上できることがわかった。
実施例１では、アノード側電解液のＫＯＨ濃度を１Ｍにしたことで、酸素発生がＫＯＨ濃度が７Ｍの場合よりもマイルドになり、両極の反応速度バランスが向上したと考えられる。その結果、カソードでも問題なく電荷補償出来、ＣＯ２電解が主な反応になったと考えられる。
比較例２では、酸素発生が有利になり、カソードが律速になる。そのため、カソードにおいて無理に電荷補償を行おうとして、電子が供給されやすい領域で局所的に過電圧がかかり水素発生有利の電位領域までシフトしたと考えられる。
実施例１が最も高いエチレンファラデー効率を示した。このことより電解液のｐＨを、カソード側電解液のｐＨをアノード側電解液のｐＨよりも高くする、すなわち水素イオン濃度勾配をつくることによってＣＯ２電解効率を向上できることがわかった。
実施例１では、アノード側電解液のＫＯＨ濃度を１Ｍにしたことで、酸素発生がＫＯＨ濃度が７Ｍの場合よりもマイルドになり、両極の反応速度バランスが向上したと考えられる。その結果、カソードでも問題なく電荷補償出来、ＣＯ２電解が主な反応になったと考えられる。
比較例２では、酸素発生が有利になり、カソードが律速になる。そのため、カソードにおいて無理に電荷補償を行おうとして、電子が供給されやすい領域で局所的に過電圧がかかり水素発生有利の電位領域までシフトしたと考えられる。
１…回収装置、２…電気化学反応装置、３…電源貯蔵装置、４…増炭反応装置、６…炭素数、１１…濃縮部、１２…吸収部、１３…濃縮部、２１…カソード、２２…アノード、２３…アニオン交換膜、２３ａ…液流路、２４…ガス流路構造体、２４ａ…ガス流路、２５…ガス流路構造体、２５ａ…ガス流路、２６…給電体、２７…給電体、２８…液流路構造体、２８ａ…液流路、２９…液流路構造体、２９ａ…液流路、３１…変換部、３２…貯蔵部、３３…正極、３４…負極、３５…負極側流路、３６…正極側流路、３７…セパレータ、４１…反応器、４２…気液分離器、４３…熱交換器、５０…冷却器、５１…ｐＨ測定器、５２…ｐＨ調整器、５３…ｐＨ測定器、６２…液流路、６３…液流路、６４…液流路、６５…液流路、６６…液流路、６６ａ…液流路、６６ｂ…液流路、６９…循環流路、７０…ガス流路、７１…ガス流路、７２…ガス流路、７３…ガス流路、７４…ガス流路、７５…ガス流路、７６…ガス流路、７７…ガス流路、８４…反応器、１００…二酸化炭素処理装置、Ａ…アノード側電解液、Ｂ…アノード側電解液、Ｃ…カソード側電解液、Ｄ…カソード側電解液、Ｅ…エチレンガス、Ｆ…生成ガス、Ｇ１…ガス、Ｇ２…濃縮ガス、Ｇ３…分離ガス、Ｇ４…濃縮ガス、Ｇ５…濃縮ガス、Ｊ１…オレフィン液、Ｊ２…オレフィンガス、Ｋ…熱媒。
Claims (10)
- 二酸化炭素を回収する回収装置と、二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置と、ｐＨ調整器と、を備え、
前記回収装置は、強アルカリ性水溶液からなるアノード側電解液と二酸化炭素ガスとを接触させ、二酸化炭素を前記アノード側電解液に溶解させて吸収させる吸収部と、二酸化炭素を濃縮する濃縮部とを備え、
前記電気化学反応装置は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられたアニオン交換膜と、前記アノードと前記アニオン交換膜との間に設けられ、前記吸収部で二酸化炭素を吸収した前記アノード側電解液が流れる液流路と、前記カソードと前記アニオン交換膜との間に設けられ、前記ｐＨ調整器でｐＨを調整した強アルカリ性水溶液からなるカソード側電解液が流れる液流路と、を備え、前記カソード側電解液のｐＨが前記アノード側電解液のｐＨよりも高く、
前記濃縮部から前記カソードの前記アノードとは反対側のガス流路に二酸化炭素ガスが供給され、前記カソードで二酸化炭素ガスが還元される、二酸化炭素処理装置。 - 前記電気化学反応装置に電力を供給する電源貯蔵装置をさらに備え、
前記電源貯蔵装置は、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、前記変換部で変換した電気エネルギーを貯蔵する貯蔵部と、を備えている、請求項１に記載の二酸化炭素処理装置。 - 前記貯蔵部がニッケル水素電池であり、
前記ニッケル水素電池は、正極と、負極と、正極と負極の間に設けられたセパレータと、前記正極と前記セパレータとの間に設けられた正極側流路と、前記負極と前記セパレータとの間に設けられた負極側流路と、を備え、
前記ニッケル水素電池の放電時には、前記吸収部、前記負極側流路、前記電気化学反応装置、前記吸収部の順で前記アノード側電解液が循環され、
前記ニッケル水素電池の充電時には、前記吸収部、前記負極側流路、前記電気化学反応装置、前記正極側流路、前記吸収部の順で前記アノード側電解液が循環される、
請求項２に記載の二酸化炭素処理装置。 - 前記ｐＨ調整器は前記カソード側電解液と二酸化炭素ガスとを接触させる、請求項１～３のいずれか一項に記載の二酸化炭素処理装置。
- 前記電気化学反応装置で二酸化炭素が還元されて生成したエチレンを多量化して増炭する増炭反応装置をさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の二酸化炭素処理装置。
- 前記増炭反応装置における反応で発生した熱によって加熱された熱媒と、前記アノード側電解液との間で熱交換させて前記アノード側電解液を加熱する熱交換器をさらに備える、請求項５に記載の二酸化炭素処理装置。
- 強アルカリ性水溶液からなるアノード側電解液に二酸化炭素ガスを接触させ、二酸化炭素を前記アノード側電解液に溶解させて吸収させる工程と、
カソード側電解液のｐＨをアノード側電解液のｐＨよりも高く調整する工程と、
前記カソード側電解液をカソードとアニオン交換膜との間に供給し、前記アノード側電解液をアノードとアニオン交換膜との間に供給し、二酸化炭素ガスを前記カソードの前記アノードとは反対側に供給し、二酸化炭素ガスを電気化学的に還元して炭素化合物と水素を発生させる工程と、
を含む、二酸化炭素処理方法。 - 前記カソード側電解液のｐＨを調整する工程において、前記カソード側電解液と二酸化炭素とを接触させ、二酸化炭素を前記カソード側電解液に溶解させる、請求項７に記載の二酸化炭素処理方法。
- 請求項７又は８に記載の二酸化炭素処理方法を用いて、二酸化炭素が還元された炭素化合物を製造する、炭素化合物の製造方法。
- 前記二酸化炭素が還元されて生成したエチレンを多量化する工程をさらに含む、請求項９に記載の炭素化合物の製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021048648A JP7145264B1 (ja) | 2021-03-23 | 2021-03-23 | 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法 |
| US17/671,627 US11655549B2 (en) | 2021-03-23 | 2022-02-15 | Carbon dioxide treatment apparatus, carbon dioxide treatment method, and method for producing carbon compound |
| CN202210183867.XA CN115181986A (zh) | 2021-03-23 | 2022-02-25 | 二氧化碳处理装置、二氧化碳处理方法及碳化合物的制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021048648A JP7145264B1 (ja) | 2021-03-23 | 2021-03-23 | 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP7145264B1 true JP7145264B1 (ja) | 2022-09-30 |
| JP2022151886A JP2022151886A (ja) | 2022-10-11 |
Family
ID=83363115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021048648A Active JP7145264B1 (ja) | 2021-03-23 | 2021-03-23 | 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11655549B2 (ja) |
| JP (1) | JP7145264B1 (ja) |
| CN (1) | CN115181986A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7316309B2 (ja) * | 2021-02-26 | 2023-07-27 | 本田技研工業株式会社 | 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019183286A (ja) | 2019-08-05 | 2019-10-24 | 千代田化工建設株式会社 | 有機物生成方法および有機物生成システム |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104722466A (zh) * | 2008-07-16 | 2015-06-24 | 卡勒拉公司 | 使用二氧化碳气体的低能量4-电池电化学系统 |
| US7993511B2 (en) * | 2009-07-15 | 2011-08-09 | Calera Corporation | Electrochemical production of an alkaline solution using CO2 |
| US9175407B2 (en) * | 2012-07-26 | 2015-11-03 | Liquid Light, Inc. | Integrated process for producing carboxylic acids from carbon dioxide |
| JP2017020094A (ja) * | 2015-07-15 | 2017-01-26 | 日本電信電話株式会社 | 反応処理方法および装置 |
| JP6768269B2 (ja) * | 2015-07-31 | 2020-10-14 | 株式会社東芝 | 光電気化学反応装置 |
| DE102016203946A1 (de) * | 2016-03-10 | 2017-09-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren und Vorrichtung zur elektrochemischen Nutzung von Kohlenstoffdioxid |
| JP6672211B2 (ja) * | 2017-03-21 | 2020-03-25 | 株式会社東芝 | 二酸化炭素電解装置および二酸化炭素電解方法 |
| EP3642393A4 (en) | 2017-06-21 | 2021-03-17 | The Governing Council of the University of Toronto | CATALYSTS WITH NET REACTION INTERFACE FOR ELECTROCHEMICAL CO2 REDUCTION WITH IMPROVED SELECTIVITY |
| DE102017212278A1 (de) * | 2017-07-18 | 2019-01-24 | Siemens Aktiengesellschaft | CO2-Elektrolyseur |
| DE102018202337A1 (de) * | 2018-02-15 | 2019-08-22 | Linde Aktiengesellschaft | Elektrochemische Herstellung eines Gases umfassend CO mit Zwischenkühlung des Elektrolytstroms |
| JP7316309B2 (ja) * | 2021-02-26 | 2023-07-27 | 本田技研工業株式会社 | 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法 |
| EP4301901A2 (en) * | 2021-03-04 | 2024-01-10 | Totalenergies Onetech | <sup2/>? <sub2/>?2?coelectroreduction to multi-carbon products in strong acid |
| CA3219519A1 (en) * | 2021-06-15 | 2022-12-22 | David Sinton | System for electrocatalytic conversion of carbon oxides to multicarbon products using a stationary catholyte layer and related process |
-
2021
- 2021-03-23 JP JP2021048648A patent/JP7145264B1/ja active Active
-
2022
- 2022-02-15 US US17/671,627 patent/US11655549B2/en active Active
- 2022-02-25 CN CN202210183867.XA patent/CN115181986A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019183286A (ja) | 2019-08-05 | 2019-10-24 | 千代田化工建設株式会社 | 有機物生成方法および有機物生成システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022151886A (ja) | 2022-10-11 |
| US11655549B2 (en) | 2023-05-23 |
| CN115181986A (zh) | 2022-10-14 |
| US20220307145A1 (en) | 2022-09-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11904275B2 (en) | Carbon dioxide treatment apparatus, carbon dioxide treatment method, and method of producing carbon compound | |
| JP7145264B1 (ja) | 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法 | |
| He et al. | Advances in electrolyzer design and development for electrochemical CO2 reduction | |
| JP7316339B2 (ja) | 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法 | |
| US20220282384A1 (en) | Electrochemical reaction device, method of reducing carbon dioxide, and method of producing carbon compounds | |
| CN115074764B (zh) | 电化学反应装置、二氧化碳的还原方法及碳化合物的制造方法 | |
| JP7176027B2 (ja) | 二酸化炭素処理装置及び炭素化合物の製造方法 | |
| JP7176025B2 (ja) | 発電装置 | |
| JP7282725B2 (ja) | 化学反応システム、化学反応方法、および有価物製造システム | |
| JP7490006B2 (ja) | 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及び炭素化合物の製造方法 | |
| Dong et al. | Ion-conducting ceramic membranes for renewable energy technologies | |
| JP7478769B2 (ja) | 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法及びエチレンの製造方法 | |
| JP7265571B2 (ja) | 炭素化合物の製造装置及び炭素化合物の製造方法 | |
| JP2004349029A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2023133899A (ja) | 二酸化炭素電解装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20211129 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220830 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220916 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7145264 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |