JP7203875B2 - 電気化学反応装置、二酸化炭素の還元方法、及び炭素化合物の製造方法 - Google Patents

電気化学反応装置、二酸化炭素の還元方法、及び炭素化合物の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、電気化学反応装置、二酸化炭素の還元方法、及び炭素化合物の製造方法
に関する。
二酸化炭素を原料として有用物質を得る技術は、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。特に二酸化炭素を電気化学的に還元する技術は非常に有用である。特許文献１には、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てカソードとし、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ことが開示されている。
国際公開第２０１８／２３２５１５号
しかし、特許文献１のように、カソードに二酸化炭素ガスを供給する従来の技術では、二酸化炭素の還元によって生成するエチレン等のガス状の炭素化合物に未反応の二酸化炭素ガスが混入しやすい。そのため、得られた炭素化合物を利用する場合には、未反応の二酸化炭素ガスを分離する必要があるため、コストが高くなり、エネルギー効率が悪くなる。このことから、還元によって生成する炭素化合物に未反応の二酸化炭素ガスが混入しにくい電気化学反応装置を開発することは、コスト、省エネルギーの観点で意義深いと言える。
本発明は、未反応の二酸化炭素ガスが混入しにくく、還元により生成する炭素化合物の純度を高くできる電気化学反応装置、二酸化炭素の還元方法、及び炭素化合物の製造方法を提供することを目的とする。
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電気化学反応装置（例えば、実施形態の電気化学反応装置１００）は、二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置であって、第１反応部（例えば、実施形態の第１反応部１１０）と、前記第１反応部の下流側に設けられた第２反応部（例えば、実施形態の第２反応部１２０）と、を備え、前記第１反応部が、第１カソード（例えば、実施形態の第１カソード１１１）と、第１アノード（例えば、実施形態の第１アノード１１２）と、前記第１カソードと前記第１アノードの間に設けられ、強アルカリ水溶液からなる電解液が供給される第１液流路（例えば、実施形態の第１液流路１１３）と、前記第１カソードの前記第１アノードとは反対側に設けられ、二酸化炭素ガスが供給される第１ガス流路（例えば、実施形態の第１ガス流路１１４）と、前記第１液流路の出入口を開閉自在に閉鎖する第１液流路閉鎖手段（例えば、実施形態の第１液流路閉鎖手段１１６）と、前記第１ガス流路の出入口を開閉自在に閉鎖する第１ガス流路閉鎖手段（例えば、実施形態の第１ガス流路閉鎖手段１１７）と、を備え、前記第２反応部が、第２カソード（例えば、実施形態の第２カソード１２１）と、第２アノード（例えば、実施形態の第２アノード１２２）と、前記第２カソードと前記第２アノードの間に設けられ、前記第１液流路から前記電解液が供給される第２液流路（例えば、実施形態の第２液流路１２３）と、前記第２カソードの前記第２アノードとは反対側に設けられた第２ガス流路（例えば、実施形態の第２ガス流路１２４）と、前記第２液流路の出入口を開閉自在に閉鎖する第２液流路閉鎖手段（例えば、実施形態の第２液流路閉鎖手段１２６）と、前記第２ガス流路の出入口を開閉自在に閉鎖する第２ガス流路閉鎖手段（例えば、実施形態の第２ガス流路閉鎖手段１２７）と、を備えている。
（２）本発明の一態様に係る二酸化炭素の還元方法は、二酸化炭素を電気化学的に還元する方法であって、第１カソードと第１アノードの間の出入口が閉鎖されている第１液流路内に強アルカリ水溶液からなる電解液が収容され、かつ前記第１カソードの前記第１アノードとは反対側の出入口が閉鎖されている第１ガス流路内に二酸化炭素ガスが収容された状態で、前記二酸化炭素ガスを電気化学的に還元し、未反応の前記二酸化炭素ガスを前記電解液に溶解させる工程と、二酸化炭素が溶解した前記電解液を前記第１液流路から第２カソードと第２アノードの間の第２液流路に移動させ、前記第２液流路内で前記電解液中の溶存二酸化炭素を電気化学的に還元する工程と、を含む。
（３）前記二酸化炭素ガスの還元時に前記第１カソードと前記第１アノードの間に印加する電圧の平均値は、前記溶存二酸化炭素の還元時に前記第２カソードと前記第２アノードの間に印加する電圧の平均値よりも低くしてもよい。
（４）本発明の一態様に係る炭素化合物の製造方法は、（２）又は（３）に記載の二酸化炭素の還元方法を用いて、二酸化炭素を電気化学的に還元して炭素化合物を製造する方法である。
（１）～（４）の態様によれば、未反応の二酸化炭素ガスが混入しにくく、還元により生成する炭素化合物の純度を高くできる電気化学反応装置、二酸化炭素の還元方法、及び炭素化合物の製造方法を提供できる。
実施態様の電気化学反応装置を示した断面図である。 図１の電気化学反応装置の二酸化炭素還元の手順を説明する断面図である。 図１の電気化学反応装置の二酸化炭素還元の手順を説明する断面図である。 図１の電気化学反応装置の二酸化炭素還元の手順を説明する断面図である。 図１の電気化学反応装置の二酸化炭素還元の手順を説明する断面図である。 図１の電気化学反応装置の二酸化炭素還元の手順を説明する断面図である。 実施態様の電気化学反応装置を備える二酸化炭素処理装置の一例を示したブロック図である。 図７の二酸化炭素処理装置の第１電気化学反応装置を示した断面図である。 図７の二酸化炭素処理装置の貯蔵部の一例であるニッケル水素電池を示した断面図である。
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。
［電気化学反応装置］
図１に例示した本発明の一態様に係る電気化学反応装置１００は、二酸化炭素を電気化学的に還元する装置である。電気化学反応装置１００は、第１反応部１１０と、第１反応部１１０の下流側に設けられた第２反応部１２０と、を備えている。
第１反応部１１０は、第１カソード１１１と、第１アノード１１２と、第１液流路１１３と、第１ガス流路１１４と、第１ガス排出路１１５と、第１液流路閉鎖手段１１６と、第１ガス流路閉鎖手段１１７と、を備えている。第２反応部１２０は、第２カソード１２１と、第２アノード１２２と、第２液流路１２３と、第２ガス流路１２４と、第２ガス排出路１２５と、第２液流路閉鎖手段１２６と、第２ガス流路閉鎖手段１２７と、を備えている。
電気化学反応装置１００では、給電体１３１と、ガス流路構造体１３２と、第１カソード１１１及び第２カソード１２１と、液流路構造体１３５と、第１アノード１１２及び第２アノード１２２と、ガス流路構造体１３３と、給電体１３４と、がこの順に積層されている。第１カソード１１１と第１アノード１１２は互いの面が対向するように離間して配置されている。同様に、第２カソード１２１と第２アノード１２２は互いの面が対向するように離間して配置されている。
ガス流路構造体１３２の第１カソード１１１及び第２カソード１２１が配置される側には溝が形成されており、溝の長さ方向に第１カソード１１１と第２カソード１２１が並ぶように配置されている。これにより、ガス流路構造体１３２の溝の一部と第１カソード１１１で囲まれた部分が第１ガス流路１１４となり、ガス流路構造体１３２の溝の残部と第２カソード１２１で囲まれた部分が第２ガス流路１２４となっている。第１ガス流路１１４と第２ガス流路１２４は連通している。
ガス流路構造体１３３の第１アノード１１２及び第２アノード１２２が配置される側には溝が形成されており、溝の長さ方向に第１アノード１１２と第２アノード１２２が並ぶように配置されている。これにより、ガス流路構造体１３３の溝の一部と第１アノード１１２で囲まれた部分が第１ガス排出路１１５となり、ガス流路構造体１３３の溝の残部と第２アノード１２２で囲まれた部分が第２ガス排出路１２５となっている。第１ガス排出路１１５と第２ガス排出路１２５は連通している。
また、第１カソード１１１及び第２カソード１２１と、第１アノード１１２及び第２アノード１２２の間に、ガス流路構造体１３２，１３３の溝の長さ方向と平行するように複数の液流路構造体１３５が並列して配置されている。これにより、第１カソード１１１と第１アノード１１２と液流路構造体１３５の一部で囲まれた部分が第１液流路１１３となり、第２カソード１２１と第２アノード１２２と液流路構造体１３５の残部で囲まれた部分が第２液流路１２３となっている。第１液流路１１３と第２液流路１２３は連通している。
このように、電気化学反応装置１００は第１反応部１１０と第２反応部１２０が一体となった１つのセルになっている。
電気化学反応装置１００の第１反応部１１０では、第１カソード１１１と第１アノード１１２の間に第１液流路１１３が形成され、第１カソード１１１と給電体１３１の間に第１ガス流路１１４が形成され、第１アノード１１２と給電体１３４の間に第１ガス排出路１１５が形成されている。同様に、第２反応部１２０では、第２カソード１２１と第２アノード１２２の間に第２液流路１２３が形成され、第２カソード１２１と給電体１３１の間に第２ガス流路１２４が形成され、第２アノード１２２と給電体１３４の間に第２ガス排出路１２５が形成されている。
給電体１３１と給電体１３４は、図示しない電源と電気的に接続されている。また、ガス流路構造体１３２とガス流路構造体１３３は導電体であり、電源から給電体１３１と給電体１３４に電力が供給されることによって、第１カソード１１１と第１アノード１１２の間と、第２カソード１２１と第２アノード１２２の間のそれぞれに電圧を印加できるようになっている。
第１カソード１１１及び第２カソード１２１は、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成するともに、水を還元して水素を生成する電極である。第１カソード１１１及び第２カソード１２１としては、二酸化炭素を電気化学的に還元でき、かつ二酸化炭素ガスや還元によって生成したガス状生成物が透過するものであればよい。第１カソード１１１としては、例えば、ガス拡散層の第１液流路１１３側にカソード触媒層が形成された電極を例示できる。第２カソード１２１としては、例えば、ガス拡散層の第２液流路１２３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、二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成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。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、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。
第１カソード１１１に用いるカソード触媒としては、二酸化炭素ガスの還元が促進される点から、銅が好ましい。
第２カソード１２１に用いるカソード触媒としては、電解液中の溶存二酸化炭素の還元が促進される点から、銅が好ましい。
第１カソード１１１及び第２カソード１２１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。
第１カソード１１１及び第２カソード１２１の製造方法は、特に限定されず、例えば、カソード触媒を含む液状組成物をガス拡散層の表面にスパッタリング等で塗布して乾燥する方法、アークプラズマガンを用いてカソード触媒となる金属をガス拡散層の表面に蒸着する方法を例示できる。
第１アノード１１２及び第２アノード１２２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。第１アノード１１２及び第２アノード１２２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透過するものであればよい。第１アノード１１２としては、例えば、ガス拡散層の第１液流路１１３側にアノード触媒層が形成された電極を例示できる。第２アノード１２２としては、例えば、ガス拡散層の第２液流路１２３側にアノード触媒層が形成された電極を例示できる。第１アノード１１２と第２アノード１２２は、互いに繋がった１つのアノードであってもよい。
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。
第１アノード１１２及び第２アノード１２２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１３５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１３２，１３３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１３１，１３４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１３１，１３４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。
第１液流路閉鎖手段１１６は、第１液流路１１３の出入口を開閉自在に閉鎖する第１液電磁弁１４１と第２液電磁弁１４２とを備えている。第２液流路閉鎖手段１２６は、第２液流路１２３の出入口を開閉自在に閉鎖する第２液電磁弁１４２と第３液電磁弁１４３とを備えている。第２液電磁弁１４２は、第１液流路閉鎖手段１１６と第２液流路閉鎖手段１２６で共用されている。
より具体的には、第１液電磁弁１４１は第１液流路１１３の入口に設けられている。第２液電磁弁１４２は第１液流路１１３と第２液流路１２３との境界部分、すなわち第１液流路１１３の出口であり、かつ第２液流路１２３の入口である部分に設けられている。第３液電磁弁１４３は第２液流路１２３の出口に設けられている。第１液電磁弁１４１と第２液電磁弁１４２を閉じることで、第１液流路１１３の出入口を閉鎖できる。また、第２液電磁弁１４２と第３液電磁弁１４３を閉じることで、第２液流路１２３の出入口を閉鎖できる。
第１ガス流路閉鎖手段１１７は、第１ガス流路１１４の出入口を開閉自在に閉鎖する第１ガス電磁弁１４４と第２ガス電磁弁１４５とを備えている。第２ガス流路閉鎖手段１２７は、第２ガス流路１２４の出入口を開閉自在に閉鎖する第２ガス電磁弁１４５と第３ガス電磁弁１４６とを備えている。第２ガス電磁弁１４５は、第１ガス流路閉鎖手段１１７と第２ガス流路閉鎖手段１２７で共用されている。
より具体的には、第１ガス電磁弁１４４は第１ガス流路１１４の入口に設けられている。第２ガス電磁弁１４５は第１ガス流路１１４と第２ガス流路１２４との境界部分、すなわち第１ガス流路１１４の出口であり、かつ第２ガス流路１２４の入口である部分に設けられている。第３ガス電磁弁１４６は第２ガス流路１２４の出口に設けられている。第１ガス電磁弁１４４と第２ガス電磁弁１４５を閉じることで、第１ガス流路１１４の出入口を閉鎖できる。また、第２ガス電磁弁１４５と第３ガス電磁弁１４６を閉じることで、第２ガス流路１２４の出入口を閉鎖できる。
第１ガス排出路１１５の入口には、第４ガス電磁弁１４７が設けられている。
第１ガス流路１１４には、第１ガス流路１１４内の圧力をモニタリングする圧力センサ１５１と、二酸化炭素濃度をモニタリングする二酸化炭素センサ１５２と、が設けられている。第２ガス流路１２４には、第２ガス流路１２４内のエチレン濃度をモニタリングするエチレンセンサ１５３が設けられている。
電気化学反応装置１００では、図２に示すように、第２液電磁弁１４２を閉じ、第１液電磁弁１４１を開いた状態で、第１液流路１１３に強アルカリ水溶液からなる電解液Ａを供給できる。そして、図３に示すように、第１液電磁弁１４１を閉じることで、電解液Ａを収容した状態で第１液流路１１３の出入口を閉鎖した状態にすることができる。また、図３に示すように、第２ガス電磁弁１４５を閉じ、第１ガス電磁弁１４４を開いた状態で、二酸化炭素ガスＧを第１ガス流路１１４に供給できる。そして、図４に示すように、第１ガス電磁弁１４４を閉じることで、二酸化炭素ガスＧを収容した状態で第１ガス流路１１４の出入口を閉鎖した状態にすることができる。
また、第３液電磁弁１４３を閉じた状態で、第２液電磁弁１４２を開くことで、第１反応部１１０における反応後の電解液Ｂを第１液流路１１３から第２液流路１２３に移動させることができる。電解液Ｂを第１液流路１１３から第２液流路１２３に移動させる方法は、特に限定されず、例えば、第１液流路１１３よりも第２液流路１２３が低くなるように電気化学反応装置１００全体を傾斜させる方法を例示できる。
［二酸化炭素の還元方法］
本発明の一態様に係る二酸化炭素の還元方法は、二酸化炭素を電気化学的に還元する方法であって、以下の工程（ａ）及び工程（ｂ）を含む。
工程（ａ）：第１カソードと第１アノードの間の出入口が閉鎖されている第１液流路内に強アルカリ水溶液からなる電解液が収容され、かつ前記第１カソードの前記第１アノードとは反対側の出入口が閉鎖されている第１ガス流路内に二酸化炭素ガスが収容された状態で、前記二酸化炭素ガスを電気化学的に還元し、未反応の前記二酸化炭素ガスを前記電解液に溶解させる。
工程（ｂ）：二酸化炭素が溶解した前記電解液を前記第１液流路から第２カソードと第２アノードの間の第２液流路に移動させ、前記第２液流路内で前記電解液中の溶存二酸化炭素を電気化学的に還元する。
本発明の二酸化炭素の還元方法は、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の還元方法を用いて、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合成できる炭素化合物を製造することができる。例えば、本発明の二酸化炭素の還元方法を用いて、エチレンを製造することができる。
以下、二酸化炭素の還元方法について、前記した電気化学反応装置１００を用いる場合を例にして説明する。
（工程（ａ））
例えば、図１に示すように、電気化学反応装置１００における第１液電磁弁１４１、第２液電磁弁１４２、第３液電磁弁１４３、第１ガス電磁弁１４４、第２ガス電磁弁１４５、第３ガス電磁弁１４６をすべて閉じた状態とする。図２に示すように、第１液電磁弁１４１を開き、強アルカリ水溶液からなる電解液Ａを第１液流路１１３に供給する。そして、図３に示すように、第１液電磁弁１４１を閉じ、電解液Ａを収容した状態で第１液流路１１３の出入口を閉鎖した状態にする。
また、図３に示すように、第１ガス電磁弁１４４を開き、圧力センサ１５１と二酸化炭素センサ１５２によって第１ガス流路１１４内の圧力と二酸化炭素濃度をモニタリングしつつ、二酸化炭素ガスＧを第１ガス流路１１４に供給する。そして、第１ガス流路１１４内の二酸化炭素濃度が所定の値に到達したときに第１カソード１１１と第１アノード１１２の間に電圧を印加する。また、第１ガス流路１１４内の圧力が所定の値（例えば供給圧の８０％）に到達したときに第１ガス電磁弁１４４を閉じ、図４に示すように、二酸化炭素ガスＧを収容した状態で第１ガス流路１１４の出入口を閉鎖した状態にする。
この状態で第１カソード１１１と第１アノード１１２への電圧印加を継続し、第１ガス流路１１４内の二酸化炭素濃度の減少に応じて電圧を調節しつつ、第１反応部１１０の第１カソード１１１で二酸化炭素ガスＧを電気化学的に還元する。第１カソード１１１で二酸化炭素が還元されると、炭素化合物として以下の反応で主に一酸化炭素とエチレンが生成する。また、第１カソード１１１では以下の反応で水素も生成する。これらのガス状生成物は、第１カソード１１１のガス拡散層を第１ガス流路１１４側へと透過する。
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋２ＯＨ－
２ＣＯ＋８Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ４＋８ＯＨ－＋２Ｈ２Ｏ
２Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋２ＯＨ－
また、第１カソード１１１で生じた水酸化物イオンは電解液Ａ中を第１アノード１１２へと移動し、以下の反応で酸化されて酸素が生成する。第４ガス電磁弁１４７を閉じ、第１ガス排出路１１５を負圧にしておくことで、生成した酸素は第１アノード１１２のガス拡散層を速やかに透過し、第１ガス排出路１１５及び第２ガス排出路１２５を通じて排出される。
４ＯＨ－→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ
二酸化炭素は、エチレン、水素等の還元によって生成するガス状生成物に比べてアルカリ水溶液に溶解しやすい性質がある。そのため、電解液Ａが収容された第１液流路１１３の出入口と、二酸化炭素ガスＧが収容された第１ガス流路１１４の出入口が閉鎖されていることで、未反応の二酸化炭素ガスＧは電解液Ａ中に選択的に溶解され、エチレンを含むガス状生成物Ｃは第１ガス流路１１４に残る。その結果、反応後の第１ガス流路１１４内のガス状生成物Ｃは、二酸化炭素濃度が低く、エチレン濃度が高いガスとなる。
電解液Ａに用いる強アルカリ水溶液としては、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、二酸化炭素の溶解性に優れ、また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。
（工程（ｂ））
未反応の二酸化炭素が溶解した電解液Ｂは、弱アルカリ状態になっている。例えば、第１ガス流路１１４内の二酸化炭素濃度が最低値になった後に、図５に示すように第２液電磁弁１４２を開き、電解液Ｂを第１液流路１１３から第２液流路１２３に移動させる。そして、第２カソード１２１と第２アノード１２２の間に電圧を印加し、その電圧を適宜調節しつつ、第２反応部１２０において電解液Ｂ中の溶存二酸化炭素を電気化学的に還元する。
第２カソード１２１で二酸化炭素が還元されると、第１カソード１１１での還元と同様に、一酸化炭素、エチレン、水素等が生成する。これらのガス状生成物は、第２カソード１２１のガス拡散層を第２ガス流路１２４側へと透過する。電解液Ｂ中の溶存二酸化炭素が十分に還元されると、電解液は強アルカリ状態（電解液Ａ）に戻る。また、第２アノード１２２では水酸化物イオンが酸化されて酸素が生成する。第２ガス排出路１２５を負圧にしておくことで、生成した酸素は第２アノード１２２のガス拡散層を速やかに透過し、第２ガス排出路１２５を通じて排出される。
第２反応部１２０の反応では、還元される二酸化炭素が電解液Ｂに溶解しているため、第２ガス流路１２４内に流入することが抑制されている。そのため、反応後の第２ガス流路１２４内のガス状生成物Ｃも、二酸化炭素濃度が低く、エチレン濃度が高いガスとなる。第２ガス流路１２４内のエチレン濃度をエチレンセンサ１５３でモニタリングしておき、エチレン濃度が一定値に到達した後、図６に示すように、第３液電磁弁１４３、第２ガス電磁弁１４５及び第３ガス電磁弁１４６を開き、第１ガス流路１１４及び第２ガス流路１２４のガス状生成物Ｃと、第２液流路１２３の電解液Ａを排出する。
工程（ａ）の二酸化炭素ガスの還元時に第１カソード１１１と第１アノード１１２の間に印加する電圧と、工程（ｂ）の溶存二酸化炭素の還元時に第２カソード１２１と第２アノード１２２の間に印加する電圧は、それぞれ適宜調節することができる。二酸化炭素の電気化学的な還元は、弱アルカリの電解液に比べて、水酸化物イオンの量が多い強アルカリの電解液の方が進行しやすい。そのため、弱アルカリの電解液Ｂを用いる工程（ｂ）に比べて、強アルカリの電解液Ａを用いる工程（ａ）の方が二酸化炭素の還元が進行しやすく、印加電圧を低くできる。このことから、工程（ａ）で第１カソード１１１と第１アノード１１２の間に印加する電圧の平均値を、工程（ｂ）で第２カソード１２１と第２アノード１２２の間に印加する電圧の平均値よりも低くすることで、エネルギー効率を高くしつつ、二酸化炭素を十分に還元することができる。なお、工程（ａ）で第１カソード１１１と第１アノード１１２の間に印加する電圧の平均値と、工程（ｂ）で第２カソード１２１と第２アノード１２２の間に印加する電圧の平均値は、どちらが高くてもよい。
以上説明したように、実施態様の電気化学反応装置、及び二酸化炭素の還元方法では、出入口を閉鎖した第１液流路１１３に電解液Ａを収容し、出入口が閉鎖された第１ガス流路１１４に二酸化炭素ガスＧを収容した状態で、二酸化炭素ガスＧを電気化学的に還元する。そのため、未反応の二酸化炭素ガスＧが電解液Ａに溶解し、第１ガス流路１１４に残留しにくいため、還元によって得られる炭素化合物の純度が高くなる。また、二酸化炭素が溶解した電解液Ｂは第２液流路１２３に移動させ、溶存二酸化炭素のまま電気化学的に還元するため、このときにも二酸化炭素ガスが混入しにくく、還元によって得られる炭素化合物の純度が高くなる。これらのことから、低いコスト、かつ高いエネルギー効率で、二酸化炭素から有価物を得ることができる。
なお、本発明は、前記した電気化学反応装置１００、及びそれを用いた二酸化炭素の還元方法には限定されない。例えば、電気化学反応装置１００では第１反応部１１０と第２反応部１２０が互いに繋がって１つのセルとなっていたが、第２反応部が第１反応部とは別のセルとして第１反応部の下流側に設けられている電気化学反応装置であってもよい。
［二酸化炭素処理装置］
以下、実施形態の電気化学反応装置を利用する一例を示す。実施形態の電気化学反応装置１００は、例えば、図７に例示した二酸化炭素処理装置２００に用いることができる。
二酸化炭素処理装置２００は、回収装置１と、電気化学反応装置（第１電気化学反応装置）２と、電気化学反応装置（第２電気化学反応装置）１００と、電源貯蔵装置３と、増炭反応装置４と、熱交換器５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２００では、濃縮部１１と吸収部１２はガス流路６１で接続されている。濃縮部１１と濃縮部１３はガス流路６２で接続されている。吸収部１２と貯蔵部３２は液流路６３と液流路６８で接続されている。貯蔵部３２と熱交換器５は液流路６４で接続されている。熱交換器５と電気化学反応装置２は液流路６５で接続されている。電気化学反応装置２と電気化学反応装置１００は液流路６６で接続されている。電気化学反応装置１００と貯蔵部３２は液流路６７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７０で接続されている。電気化学反応装置１００と反応器４１はガス流路７１で接続されている。反応器４１と気液分離器４２はガス流路７１とガス流路７２とガス流路７３で接続されている。反応器４１と熱交換器５の間には熱媒の循環流路７４が設けられている。濃縮部１１，１３と気液分離器４２はガス流路７５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６１，６２，７０～７３，７５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。また、液流路６３～６８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。
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では、ガスＧ１の二酸化炭素が濃縮される。濃縮部１１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、エネルギー効率の点から、濃縮部１１としては膜分離装置が好ましい。
濃縮部１１で二酸化炭素が濃縮された濃縮ガスＧ２は、一部がガス流路６１を通じて吸収部１２に送られ、残部がガス流路６２を通じて濃縮部１３に送られる。濃縮部１３では、濃縮部１１から供給される濃縮ガスＧ２の二酸化炭素がさらに濃縮される。濃縮部１３としては、特に限定されず、濃縮部１１で例示したものと同じものを例示でき、膜分離装置が好ましい。濃縮部１３で二酸化炭素がさらに濃縮された濃縮ガスＧ３は、ガス流路６９を通じて、電気化学反応装置１００の第１反応部１１０の第１ガス流路１１４に供給される。また、濃縮部１１，１３で濃縮ガスＧ２，Ｇ３と分離された分離ガスＧ４は、ガス流路７５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電解液Ａと接触し、二酸化炭素が電解液Ａに溶解されて吸収される。二酸化炭素ガスと電解液Ａとを接触させる手法としては、特に限定されず、例えば、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、強アルカリ水溶液からなる電解液Ａを用いる。前述のとおり、二酸化炭素は強アルカリ水溶液に溶解しやすいため、吸収部１２では濃縮ガスＧ２中の二酸化炭素が選択的に電解液Ａに吸収される。このように、吸収部１２で電解液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電解液Ｂは、液流路６３、貯蔵部３２、液流路６４、熱交換器５、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から流れ出た電解液Ａは、液流路６６を通じて電気化学反応装置１００へと送られる。さらに、電気化学反応装置１００から流れ出た電解液Ａは、液流路６７、貯蔵部３２、液流路６８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２００では、吸収部１２、貯蔵部３２、電気化学反応装置２及び電気化学反応装置１００の間で電解液が循環されて共用される。
電解液Ａに用いる強アルカリ水溶液としては、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８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、液流路２３ａを形成するための液流路構造体２３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２３、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２３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２３とで囲まれた領域が液流路２３ａ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とアノード２２の間に液流路２３ａ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及びアノード２２としては、例えば、電気化学反応装置１００で例示した第２カソード１２１、第２アノード１２２と同じものを例示できる。液流路構造体２３、ガス流路構造体２４，２５、給電体２６，２７としては、例えば、電気化学反応装置１００で例示した液流路構造体１３５、ガス流路構造体１３２，１３３、給電体１３１，１３４と同じものを例示できる。
電気化学反応装置２は、吸収部１２から供給されてくる電解液Ｂが液流路２３ａを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、液流路２３ａを流れる電解液Ｂ中の溶存二酸化炭素がカソード２１で電気化学的に還元され、炭素化合物及び水素が生成する。液流路２３ａの入り口の電解液Ｂは、二酸化炭素が溶解されているため、ＣＯ３ ２－の存在比率が高い弱アルカリの状態になっている。一方、還元が進行するにつれて溶存二酸化炭素の量が低下し、液流路２３ａの出口では強アルカリ状態の電解液Ａとなる。
このように、二酸化炭素処理装置２００では、電気化学反応装置２に用いる電解液を吸収部１２の吸収液として共用し、電解液Ｂに溶解させたまま二酸化炭素を電気化学反応装置２に供給して電気化学的に還元する。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。
二酸化炭素処理装置２００では、電気化学反応装置２の液流路２３ａと、電気化学反応装置１００の第１液流路１１３とが液流路６６で接続されている。また、電気化学反応装置１００の第２液流路１２３に液流路６７が接続されている。そのため、電気化学反応装置２の液流路２３ａから流出した電解液Ａは、液流路６６を通じて、電気化学反応装置１００における第１反応部１１０の第１液流路１１３に供給される。そして、第１反応部１１０と第２反応部１２０での反応後の電解液Ａが、第２反応部１２０の第２液流路１２３から液流路６７へと流出される。
電源貯蔵装置３は、電気化学反応装置２と電気化学反応装置１００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。
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９（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３５と、正極３３とセパレータ３５の間に形成された正極側流路３６と、負極３４とセパレータ３５の間に形成された負極側流路３７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３７は、例えば、電気化学反応装置１００の液流路構造体１３５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。
負極３４としては、例えば、負極集電体の負極側流路３７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。
セパレータ３５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３５の正極３３側の正極側流路３６と、セパレータ３５の負極３４側の負極側流路３７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２００では、吸収部１２から液流路６３を通じて供給される電解液Ｂと、電気化学反応装置１００から液流路６７を通じて供給される電解液Ａが、正極側流路３６と負極側流路３７のそれぞれに流される。また、液流路６３，６４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３７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６７，６８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３７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を流れる電解液は弱アルカリ状態であることが有利であり、負極側流路３７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、放電時には、図９（Ａ）に示すように、液流路６３，６４を正極側流路３６に接続し、液流路６７，６８を負極側流路３７に接続して、吸収部１２から供給される電解液Ｂ（弱アルカリ）が正極側流路３６を流れ、電気化学反応装置１００から供給される電解液Ａ（強アルカリ）が負極側流路３７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の正極側流路３６、電気化学反応装置２、電気化学反応装置１００、貯蔵部３２の負極側流路３７、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を流れる電解液は強アルカリ状態であることが有利であり、負極側流路３７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、充電時には、図９（Ｂ）に示すように、液流路６３，６４を負極側流路３７に接続し、液流路６７，６８を正極側流路３６に接続して、吸収部１２から供給される電解液Ｂ（弱アルカリ）が負極側流路３７を流れ、電気化学反応装置１００から供給される電解液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、充電時には、吸収部１２、貯蔵部３２の負極側流路３７、電気化学反応装置２、電気化学反応装置１００、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。
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と電気化学反応装置１００の前後の電解液Ａと電解液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３７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と電気化学反応装置１００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と電気化学反応装置１００で還元によって生成したエチレンガスを含むガス状生成物Ｃは、ガス流路７０，７１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、ゼオライトを用いた固体酸触媒、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Ｄ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Ｅ１）と炭素数６未満のオレフィン（オレフィンガスＥ２）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Ｅ１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１１，１３からガス流路７５を通じて送られてくる分離ガスＧ４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Ｇ４を通し、冷却管外に生成ガスＤを通して、冷却管の表面で凝集させてオレフィン液Ｅ１とする。また、気液分離器４２で分離されたオレフィンガスＥ２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７０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２００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Ｆを加熱し、循環流路７４を通じて熱媒Ｆを熱交換器５に循環させ、熱交換器５において熱媒Ｆと電解液Ｂとの間で熱交換させるようになっている。これにより、電気化学反応装置２に供給される電解液Ｂが加熱される。強アルカリ水溶液を用いた電解液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、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２，１００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や、オレフィンやパラフィンの異性化反応を行う公知の反応器をさらに備えていてもよい。
（二酸化炭素処理方法）
以下、二酸化炭素処理装置２００を用いた二酸化炭素処理方法について説明する。この二酸化炭素処理方法は、例えば１－ヘキセン等のオレフィンや、ｉ－ヘキサン等のパラフィン等の炭素化合物の製造方法に利用できる。
二酸化炭素処理装置２００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。
濃縮部１１から濃縮ガスＧ２の一部を吸収部１２に供給して電解液Ａと接触させ、濃縮ガスＧ２中の二酸化炭素を電解液Ａに溶解させて吸収させる。二酸化炭素が溶解された電解液Ｂは弱アルカリ状態となる。また、電解液Ｂを吸収部１２から貯蔵部３２を介して熱交換器５へと供給し、熱媒Ｆとの熱交換によって加熱した電解液Ｂを電気化学反応装置２に供給する。電気化学反応装置２に供給する電解液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。
電気化学反応装置２の液流路２３ａに電解液Ｂ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。そして、カソード２１で電解液Ｂ中の溶存二酸化炭素を電気化学的に還元して炭素化合物と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。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２３ａの出口からは強アルカリ状態の電解液Ａが流出する。還元によって生成したガス状生成物Ｃ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。
また、濃縮部１１から濃縮ガスＧ２の一部を濃縮部１３へと供給する。電気化学反応装置１００には二酸化炭素をガスとして供給するため、吸収部１２のような電解液Ａへの吸収による濃縮アシストがないことから、濃縮部１１で得た濃縮ガスＧ２の二酸化炭素を濃縮部１３でさらに濃縮して濃縮ガスＧ３とする。濃縮ガスＧ３の二酸化炭素濃度は、適宜設定することができ、例えば、８０～１００体積％とすることができる。
電気化学反応装置１００では、前述のように、第１反応部１１０と第２反応部１２０で二酸化炭素ガスと溶存二酸化炭素を電気化学的に還元する。これにより、ガス状生成物Ｃ中のエチレン濃度を高くすることができる。
電気化学反応装置２と電気化学反応装置１００で二酸化炭素を還元して生成したエチレンを含むガス状生成物Ｃ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Ｄ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Ｅ１（目的の炭素化合物）とオレフィンガスＥ２として容易に分離できる。気液分離するオレフィン液Ｅ１とオレフィンガスＥ２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Ｅ２は、反応器４１に返送して多層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（ガス状生成物ＣとオレフィンガスＥ２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回の多層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Ｅ１）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。
なお、本発明の一態様に係る電気化学反応装置を利用する態様は、前記した二酸化炭素処理装置２００には限定されない。電気化学反応装置の二酸化炭素還元では、エタノールも生成する。そのため、例えば、二酸化炭素処理装置２００において、増炭反応装置４及び熱交換器５の代わりにエタノール精製装置を備える態様としてもよく、増炭反応装置４及び熱交換器５に加えてさらにエタノール精製装置を備える態様としてもよい。この場合、電気化学反応装置からはエタノールが電解液Ａとの混合液として排出されることから、エタノール精製装置において、蒸留塔と気液分離器によってエタノールと電解液Ａを分離する態様とすることができる。
また、二酸化炭素処理装置２００において、増炭反応装置、熱交換器を備えていない態様としてもよい。また、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。
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、５…熱交換器、１００…電気化学反応装置、１１０…第１反応部、１１１…第１カソード、１１２…第１アノード、１１３…第１液流路、１１４…第１ガス流路、１１５…第１ガス排出路、１１６…第１液流路閉鎖手段、１１７…第１ガス流路閉鎖手段、１２０…第２反応部、１２１…第２カソード、１２２…第２アノード、１２３…第２液流路、１２４…第２ガス流路、１２５…第２ガス排出路、１２６…第２液流路閉鎖手段、１２７…第２ガス流路閉鎖手段、１４１…第１液電磁弁、１４２…第２液電磁弁、１４３…第３液電磁弁、１４４…第１ガス電磁弁、１４５…第２ガス電磁弁、１４６…第３ガス電磁弁、１５１…圧力センサ、１５２…二酸化炭素センサ、１５３…エチレンセンサ、２００…二酸化炭素処理装置。

Claims (4)

  1. 二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置であって、
    第１反応部と、前記第１反応部の下流側に設けられた第２反応部と、を備え、
    前記第１反応部が、第１カソードと、第１アノードと、前記第１カソードと前記第１アノードの間に設けられ、強アルカリ水溶液からなる電解液が供給される第１液流路と、前記第１カソードの前記第１アノードとは反対側に設けられ、二酸化炭素ガスが供給される第１ガス流路と、前記第１液流路の出入口を開閉自在に閉鎖する第１液流路閉鎖手段と、前記第１ガス流路の出入口を開閉自在に閉鎖する第１ガス流路閉鎖手段と、を備え、
    前記第２反応部が、第２カソードと、第２アノードと、前記第２カソードと前記第２アノードの間に設けられ、前記第１液流路から前記電解液が供給される第２液流路と、前記第２カソードの前記第２アノードとは反対側に設けられた第２ガス流路と、前記第２液流路の出入口を開閉自在に閉鎖する第２液流路閉鎖手段と、前記第２ガス流路の出入口を開閉自在に閉鎖する第２ガス流路閉鎖手段と、を備え、
    出入口が閉鎖された前記第１液流路に電解液が収容され、出入口が閉鎖された前記第１ガス流路に二酸化炭素ガスが収容された状態で、前記第１カソードと前記第１アノードに電圧を印可することにより、二酸化炭素ガスが電気化学的に還元され、未反応の二酸化炭素ガスは前記電解液に溶解され、
    未反応の二酸化炭素ガスが溶解した前記電解液が前記第１液流路から前記第２液流路に移動され、前記第２カソードと前記第２アノードに電圧を印可することにより、前記電解液の溶存二酸化炭素が電気化学的に還元される、電気化学反応装置。
  2. 二酸化炭素を電気化学的に還元する方法であって、
    第１カソードと第１アノードの間の出入口が閉鎖されている第１液流路内に強アルカリ水溶液からなる電解液が収容され、かつ前記第１カソードの前記第１アノードとは反対側の出入口が閉鎖されている第１ガス流路内に二酸化炭素ガスが収容された状態で、前記二酸化炭素ガスを電気化学的に還元し、未反応の前記二酸化炭素ガスを前記電解液に溶解させる工程と、
    二酸化炭素が溶解した前記電解液を前記第１液流路から第２カソードと第２アノードの間の第２液流路に移動させ、前記第２液流路内で前記電解液中の溶存二酸化炭素を電気化学的に還元する工程と、を含む、二酸化炭素の還元方法。
  3. 前記二酸化炭素ガスの還元時に前記第１カソードと前記第１アノードの間に印加する電圧の平均値を、前記溶存二酸化炭素の還元時に前記第２カソードと前記第２アノードの間に印加する電圧の平均値よりも低くする、請求項２に記載の二酸化炭素の還元方法。
  4. 請求項２又は３に記載の二酸化炭素の還元方法を用いて、二酸化炭素を電気化学的に還元して炭素化合物を製造する、炭素化合物の製造方法。
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