JP7207672B1

JP7207672B1 - 蟻酸生成装置

Info

Publication number: JP7207672B1
Application number: JP2022006030A
Authority: JP
Inventors: 和彦森; 雅史兼井; 弘西野; 寛富島; 敦士廣川; 博緋田; 雅之山田; 豊天尾; 康郎松原
Original assignee: University Public Corporation Osaka; Iida Group Holdings Co Ltd
Current assignee: University Public Corporation Osaka; Iida Group Holdings Co Ltd
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2042-01-18
Also published as: JP2023104814A

Abstract

【課題】炭素材料を電極に使用して電力損失を減少させるとともに、耐久性を有する蟻酸生成装置を提供する。【解決手段】二酸化炭素を還元して蟻酸を生成するための蟻酸生成装置１は、電解液１００を収容する第１収容室１１と、前記電解液１００及び二酸化炭素を収容する第２収容室１２と、前記電解液１００に接した状態で前記第１収容室１１に配置されるアノード電極２１と、前記電解液１００に接した状態で前記第２収容室１２に配置されるカソード電極２２と、前記アノード電極２１及び前記カソード電極２２に電圧を印加するための外部電源と、を備え、前記カソード電極２２は、二酸化炭素還元触媒を担持するための多孔質の導電性を有する炭素材料と、該炭素材料を挟む一対の集電板とを有して構成され、前記一対の集電板は、複数の開口が形成された開口領域と、該開口領域を取り囲む位置に設けられる非開口領域を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、蟻酸生成装置に関し、特に炭素材料を用いた電極を有する蟻酸生成装置に関する。

近年、石炭や石油等の化石燃料に代わる代替エネルギーとして水素エネルギーや太陽光エネルギーが注目されている。具体的には、蟻酸を分解して得られる水素を外部装置に供給することにより、太陽光エネルギーを有効に利用して、水素をエネルギー源として安全且つ効率よく供給することが行われている。

例えば、特許文献１には、電解液中に配置されるアノード電極と、一方側が電解液、他方側がＣＯ_２含有ガスに接するように配置され、気液分離膜として機能するとともに、多孔質であって導電性を有するカソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に電圧を印加する電源とを含み、カソード電極は、多孔質導電体からなる基材にＲｕ錯体又はＲｕ錯体ポリマーを還元触媒として担持して構成され、電解液中のプロトンとカソード電極からの電子と他方側からのＣＯ_２との間でＣＯ_２還元反応が起こり、有機物が合成されるＣＯ_２還元反応装置が記載されている。このようなＣＯ_２還元反応装置によれば、アノード電極とカソード電極との間に所定の電圧を印加することで、カソード電極においてＣＯ_２還元反応が生起される。すなわち、電解液中のプロトンと、前記カソード電極からの電子と、前記他方側からのＣＯ_２との間でＣＯ_２還元反応が起こり、蟻酸が合成される。

特開２０２１－５９７６０号公報

ところで、上記特許文献１に記載のＣＯ_２還元反応装置では、カソード電極の基材としてカーボンペーパーを用い、ここにＲｕ錯体又はＲｕ錯体ポリマーを担持することで、広いＣＯ_２濃度範囲で高い蟻酸生成選択性能を得ることができ、高いファラデー効率で蟻酸を生成することができることが指摘されている。しかしながら、電極に炭素材料を用いる場合、様々な不都合があった。

具体的には、電気抵抗率に関し炭素材料は金属材料と比べると素材そのものであったとしても１００倍から１０００倍程度高い。ガス拡散電極に使用されるような、テフロン樹脂などとの複合材料においては、電気抵抗率はより高くならざるを得ず、その値は製作手法に強く依存する。このような抵抗率の高さは、大電流を流す場合に、オーミック損失の原因となる。

また、炭素材料は材料として脆いという不都合がある。カーボンファイバーなどの均一な炭素材料では、その強度は金属単体を凌ぐものもあるが、ガス拡散電極に使用されるような複合炭素材料をベースとした薄膜は、一般に脆く、取り扱いには注意を要する。実用的に重要な大面積での使用にあたっては、簡便な方法は確立されていない。

これらの不都合を解消する方法として、２つの方法がある。１つ目の方法は、ガラス基板上に金属細線を施し、その上に複合炭素材料薄膜を貼り付けるという方法である。しかしながら、この方法は、ガラス基板に細線を焼き付ける必要があるため、煩雑であり、大面積化に向いているとはいえない。また、構造的にガス拡散層を導入することはできないため、ガス拡散電極に転用することはできない。

また、２つ目の方法は、薄膜を金属製の集電体で挟む（もしくは押さえつける）方法である。この方法は燃料電池で広く用いられているが、その利用は次の２点が満たす場合に限られる：（１）金属が目的の反応を阻害しない、（２）ガス拡散電極自体の剛性はなくてもよい。条件（１）を満たすために、化学的に不活性なチタンなどの材料が用いられるが、調達コストや環境負荷コストが嵩むという問題は残される。また、燃料電池では、複合炭素材料薄膜は負極、セパレーター、及び正極の間に挟みこまれ、燃料は、その薄膜内部で反応するという構造が一般的であるので、条件（２）は自動的に満たされる。しかし、目的の化学反応によっては、負極、セパレーター、及び正極の間に意図的に隙間を設け、脆い複合炭素材料薄膜を保持しなければならないので、万能な方法とは言えない。

そこで、炭素材料を電極に使用して電力損失を減少させるとともに、耐久性を有する蟻酸生成装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、二酸化炭素を還元して蟻酸を生成するための蟻酸生成装置であって、電解液を収容する第１収容室と、前記電解液及び二酸化炭素を収容する第２収容室と、前記電解液に接した状態で前記第１収容室に配置されるアノード電極と、前記電解液に接した状態で前記第２収容室に配置されるカソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極に電圧を印加するための外部電源と、を備え、前記カソード電極は、二酸化炭素還元触媒を担持するための多孔質の導電性を有する炭素材料と、該炭素材料を挟む同一の一対の集電板とを有して構成され、前記一対の集電板は、複数の開口が形成された開口領域と、該開口領域を取り囲む位置に設けられる非開口領域を有し、前記一対の集電板は、前記電解液に対し電気化学的に不活性な樹脂材料により形成され、前記炭素材料は、前記開口領域と重なる位置に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る蟻酸生成装置において、前記カソード電極は、一方側が前記電解液に接するとともに他方側が前記二酸化炭素に接した状態で前記第２収容室に配置されてもよい。

本発明に係る蟻酸生成装置において、前記一対の集電板のそれぞれは、前記開口領域において前記炭素材料と電気的に接続される導電性のメッシュ状部材を有し、前記メッシュ状部材は、複数の開口から構成されたハニカム構造を有してもよい。

本発明に係る蟻酸生成装置において、前記カソード電極は、気体透過性膜と、第１ガスケット、第２ガスケット及び第３ガスケットからなる複数のガスケットと、第１炭素材料と第２炭素材料からなる一対の炭素材料と、第１集電板と第２集電板からなる一対の集電板とを有し、前記第１集電板と前記第２集電板との間には前記第１ガスケットに支持された前記第１炭素材料と前記第２ガスケットに支持された前記第２炭素材料が配置され、前記第１炭素材料と前記第２炭素材料との間には前記第３ガスケットに支持された前記気体透過性膜が配置されてもよい。

本発明に係る蟻酸生成装置において、前記カソード電極は、半透膜と、第１枠体と第２枠体からなる一対の枠体と、集電板と、仕切板とを有するとともに、前記半透膜、前記第１枠体、前記集電板、前記第２枠体、前記仕切板がこの順に配置され、前記第１枠体は、平面視で矩形状に形成されるとともに中央部に第１貫通孔が形成され、上下に第１切欠き部と第２切欠き部が形成され、前記第２枠体は、一対の垂直部と該垂直部に略直交する一対の水平部を有するとともに、前記一対の垂直部と前記一対の水平部により第２貫通孔が形成され、前記一対の水平部にはそれぞれ流入口と流出口が形成され、前記一対の垂直部の一方には吸気孔が形成されるとともに前記一対の垂直部の他方には排気孔が形成され、前記集電板には、上下に一対の第１開口と第２開口が形成され、前記半透膜、前記一対の枠体、前記集電板及び前記仕切板に封止された状態で、前記電解液が前記流入口、前記第１開口、前記第１切欠き部、前記第１貫通孔、前記第２切欠き部、前記第２開口、前記流出口をこの順に通過し、前記二酸化炭素は前記吸気孔、第２貫通孔及び前記排気孔をこの順に通過してもよい。

本発明によれば、電力損失を減少させるとともに、耐久性を有する蟻酸生成装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る蟻酸生成装置の構成例を表す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る蟻酸生成装置の構成例を表す模式図である。本発明の第１の実施形態に炭素材料及び集電板の斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る集電板の平面図である。本発明の第３の実施形態に係る蟻酸生成装置のカソード電極の分解斜視図である。本発明の第４の実施形態に係る蟻酸生成装置の電解ユニットの構成例を表す模式図である。

まず本発明の実施形態に係る蟻酸生成装置について説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

図１は、本発明の実施形態に係る蟻酸生成装置１の構成例を表す模式図である。蟻酸生成装置１は、水と大気中あるいは排気二酸化炭素から人工光合成により蟻酸を生成するものである。蟻酸生成装置１は、第１収容室１１と、第２収容室１２と、第１収容室１１に配置されるアノード電極２１と、第２収容室１２に配置されるカソード電極２２と、アノード電極２１及びカソード電極２２に電圧を印加するための外部電源（不図示）とを備える。蟻酸生成装置１は、例えば図示しない太陽電池に接続して使用されてもよい。なお、水に代えて、炭酸水素カリウム水溶液を使用してもよい。

第１収容室１１には、電解液１００が収容されるとともに、電解液１００に接した状態でアノード電極２１が配置される。アノード電極２１では、水を分解して水素イオンと電子が得られる。第１収容室１１と第２収容室１２との間には、水素イオンを選択的に透過するような半透膜（ナフィオン膜）２３が配置されている。

第２収容室１２には、電解液１００及び二酸化炭素が収容される。第２収容室１２には、二酸化炭素が溶解した電解液１００に接した状態でカソード電極２２が配置される。カソード電極２２では、アノード電極２１により水を分解して得られる水素イオンと電子を利用して、カソード電極２２に担持された二酸化炭素還元触媒（例えば、Ｒｕ錯体等）において、大気中の二酸化炭素及び／又は排気二酸化炭素から人工光合成により蟻酸が生成される。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る蟻酸生成装置１の構成例を表す模式図である。図２に示すように、第２収容室１２を電解液１００が収容される第１収容空間１２ａと二酸化炭素が供給される第２収容空間１２ｂとに分割し、カソード電極２２の一方側が電解液１００に接するとともに他方側が二酸化炭素に接することとしてもよい。

蟻酸生成装置１では、水と大気中あるいは排気二酸化炭素から人工光合成により蟻酸が生成される。以下、蟻酸の生成過程について説明する。

アノード電極２１では、水を分解して水素イオンと電子が得られる。アノード電極２１とカソード電極２２は導線で接続されており、アノード電極２１で生成された電子はカソード電極２２へと送られる。アノード電極２１で生成された水素イオンは、半透膜２３を透過してカソード電極２２側へ移動する。カソード電極２２は、アノード電極２１により水を分解して得られる水素イオンと電子を利用して、大気中の二酸化炭素及び／又は排気二酸化炭素から人工光合成により蟻酸を生成する。

蟻酸生成装置１は、光化学反応装置として使用される。使用時には、カソード電極２２に光が照射される構造とすることが好ましい。カソード電極２２に光を照射する光源としては、太陽、人工光源等を用いることができる。

蟻酸生成装置１では、まずアノード電極２１において下記（１）式に示すように、水が分解され酸素と水素イオンと電子が生成される。
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－・・・（１）

アノード電極２１は上記反応が生じる手段であれば特に限定はされないが、例えば、光触媒を担持した基板のような水分解デバイスが用いられる。

カソード電極２２では、光反応（人工光合成）プロセスを経て水素イオンと電子、及び二酸化炭素から蟻酸が生成される（下記式（２））。この時、アノード電極２１で生成した水素イオンと電子が消費される。また、二酸化炭素は、大気中及び／又は他の機関からの排ガス中に存在するものを利用することができる。
ＣＯ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－→ＨＣＯＯＨ・・・（２）

カソード電極２２は、炭素材料４０と、炭素材料４０を挟む一対の集電板５０とを有して構成されている。図３は、炭素材料４０及び集電板５０の斜視図である。

炭素材料４０は、二酸化炭素還元触媒を担持するための多孔質の導電性を有している。具体的には、炭素材料４０は、カーボンファイバーなどの均一な薄膜によって構成され、二酸化炭素を還元するための導電性材料である。炭素材料４０の厚みは特に限定されるものではないが、薄い方が望ましい。

一対の集電板５０は、同一の構成を有している。各集電板５０は、正面視で矩形状に形成された板状部材である。集電板５０は、炭素材料４０を覆うことができる程度の大きさであることが好ましい。各集電板５０は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ガラスエポキシ等の電解液１００に対し電気化学的に不活性な樹脂材料により形成されていることが望ましい。集電板５０における両側の面のうち炭素材料４０側の面は第１面５１とされ、反対側の面は第２面５２とされる。電気化学的に不活性な樹脂材料により形成された２枚の集電板５０により炭素材料４０を挟み込むことで、カソード電極２２は構造体として高い剛性を確保することができる。また、集電板５０の面積を大きくすれば、体積抵抗率が高くても大面積化時の電極全体としての抵抗は、小面積時の抵抗に保ったままにすることができる。すなわち、オーミック損失を抑えて大電流を流すことができる。なお、２枚の集電板５０を、螺子や磁石等により結合することにより、更に剛性を高めることができる。

ここで、例えば炭素薄膜が円形に形成されていると仮定した場合、直径Ｄを有する炭素薄膜（表面抵抗率：ρｓ）の中心から外径迄の２点間抵抗Ｒｓは、中心に配置した単芯棒（直径ｄ）で測定したとして、以下の（３）式により算出される。

炭素薄膜の直径Ｄが１００ｃｍ、探針棒の直径ｄが１ｍｍの場合、抵抗値Ｒｓは１．１０ρｓとなる。一方、本実施形態では、どのような直径の炭素薄膜でも、その抵抗値は、各開口部の大きさによってのみ決まり、円形開口部の直径が１ｃｍの場合、抵抗値Ｒｓは０．３７ρｓに低減される。

図４は、集電板５０の構成を示す図である。図４（ａ）は、集電板５０の第１面５１の構成を示し、図４（ｂ）は、集電板５０の第２面５２の構成を示している。図示するように、集電板５０には開口領域５０ａと、非開口領域５０ｂが設けられている。開口領域５０ａは集電板５０の中央部分に形成され、非開口領域５０ｂは開口領域５０ａを取り囲む位置に設けられている。開口領域５０ａは、炭素材料４０が配置される場所である。電解液１００及び二酸化炭素との接触面積を増加させることが望ましいことを考慮すると、開口領域５０ａは、炭素材料４０よりも広い面積を有するように形成されていることが望ましい。

開口領域５０ａは、複数の開口により構成されており、各開口の形状は、円形状、多角形状等、特に限定されるものではない。集電板５０における開口領域５０ａが占める面積の割合は、特に限定されるものではないが、開口領域５０ａが占める割合が低いほうが望ましい。

図４（ａ）に示すように、第１面５１側にはメッシュ状部材６１と、メッシュ状部材６１の周囲に設けられる接続部材６２と、複数の電極６３が設けられている。メッシュ状部材６１は、集電板５０において開口領域５０ａに対応する箇所に設けられている。各電極６３は、第１面５１側における集電板５０の両側において設けられ、外部電源に接続される。接続部材６２は、非開口領域５０ｂにおいてメッシュ状部材６１と複数の電極６３とを接続するように設けられている。メッシュ状部材６１、接続部材６２及び複数の電極６３は、それぞれ薄膜程度の厚みを有していればよく、例えばメッキによって製造されている。このようにすることで、金属の使用量を大幅に削減することができ、調達コストや環境負荷コストを削減することができる。

メッシュ状部材６１は、開口領域５０ａ全体に亘って配置されている。具体的には、メッシュ状部材６１は、開口領域５０ａを構成する複数の開口それぞれの周囲に設けられる導電性の配線パターンである。なお、一部の開口の周囲にはメッシュ状部材６１が設けられなくてもよい。メッシュ状部材６１が設けられる位置には炭素材料４０が配置され、メッシュ状部材６１と炭素材料４０は電気的に接続される。

メッシュ状部材６１は、開口領域５０ａを構成する開口の形状と同じ形状であればよく、例えば開口領域５０ａが六角形の複数の開口から構成されたハニカム構造を有しているのであれば、メッシュ状部材６１も複数の開口から構成された導電性のハニカム構造を有していればよい。開口領域５０ａがハニカム構造を有することにより、集電板５０の強度を高めることができる。但し、導電性を有し、複数の開口が形成されているのであれば、メッシュ状部材６１はハニカム構造に限定されるものではない。

炭素材料４０が一対の集電板５０に挟まれた状態では、炭素材料４０は集電板５０のうち開口領域５０ａと重なる位置に配置される。このため、炭素材料４０が効率よく電解液１００及び二酸化炭素と接することができる。また、炭素材料４０の全体が、導電性の配線パターンであるメッシュ状部材６１と接した状態で集電板５０と電気的に接続されている。このため、炭素材料４０に対し電気を効率良く供給することができる。従って、蟻酸生成装置１において蟻酸を効率よく生成することができる。なお、一対の集電板５０には、複数の炭素材料４０が挟まれてもよい。また、炭素材料４０は、一部にメッシュ状部材６１と接しない範囲があってもよい。

このように、カソード電極２２は、二酸化炭素還元触媒を担持するための多孔質の導電性を有する炭素材料４０と、この炭素材料４０を挟む一対の集電板５０とを有して構成され、一対の集電板５０は、複数の開口が形成された開口領域５０ａと、開口領域を取り囲む位置に設けられる非開口領域５０ｂを有している。このため、炭素材料４０を電極に使用して、電力損失を減少させるとともに、蟻酸生成装置１の耐久性を確保することができる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係るカソード電極２２の構成を示す図である。なお、以下に記載する第３の実施形態の説明においては、上述した実施形態と共通する点については説明を省略し、第１の実施形態と異なる事項について説明を行う。

図５に示すように、カソード電極２２は気体透過性膜７０と、複数のガスケット８０と、一対の炭素材料１４０と、一対の集電板１５０とを有している。具体的には、一対の炭素材料１４０は、第１炭素材料１４１と第２炭素材料１４２により構成されている。一対の集電板１５０は、第１集電板１５１と第２集電板１５２により構成されている。第１炭素材料１４１と第２炭素材料１４２との間には、気体透過性膜７０が配置され、第１炭素材料１４１と第２炭素材料１４２は第１集電板１５１と第２集電板１５２との間に配置されている。本実施形態において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を水平方向とし、Ｚ軸方向を上下方向とした場合、第１集電板１５１、第１炭素材料１４１、気体透過性膜７０、第２炭素材料１４２、第２集電板１５２は、Ｘ軸方向においてこの順に配置されている。

気体透過性膜７０は、本体部７０ａと、本体部７０ａと一体的に形成されている第１突出片７０ｂとを有している。本体部７０ａは、平面視四角形状に形成され、炭素材料１４０とほぼ同じ寸法を有している。気体透過性膜７０は、二酸化炭素等の気体を透過し、液体は透過させないように構成されている。気体透過性膜７０は、撥水性の多孔質材料により形成されていることが望ましく、更には多孔性テフロンにより形成されていることが望ましい。

複数のガスケット８０は、第１炭素材料１４１を支持する第１ガスケット８１と、第２炭素材料１４２を支持する第２ガスケット８２と、気体透過性膜７０を支持する第３ガスケット８３とを有して構成されている。第１ガスケット８１は第１突出片７０ｂと同じ側に第２突出片８１ａを有し、第２突出片８１ａには第１通気孔８１ｂが形成されている。

第１集電板１５１には開口領域１５１ａと、開口領域１５１ａを取り囲む位置に非開口領域１５１ｂが設けられている。非開口領域１５１ｂには、二酸化炭素の通過を許容する第２通気孔１５３が形成されている。第２通気孔１５３は、非開口領域１５１ｂにおいて、第１通気孔８１ｂと重なる位置に形成されているのであれば、場所は特に限定されるものではない。

カソード電極２２において、気体透過性膜７０の一方の面側には第１通気孔８１ｂが形成された第１ガスケット８１及び第２通気孔１５３が形成された第１集電板１５１が配置され、第１突出片７０ｂ、第１通気孔８１ｂ及び第２通気孔１５３及が重なる位置に配置されている。即ち、気体透過性膜７０の一方側において、ガスケット８０及び集電板１５０に気体の通過を許容する通気孔が形成され、これらの通気孔が連通するように配置されている。このため、供給した二酸化炭素が第２通気孔１５３及び第１通気孔８１ｂを介して気体透過性膜７０に到達する。一般的に、ガス拡散電極の構造は、セルの壁が気体と液体との相分離の役割を担うが、この制約のため実装密度はセルの内壁面積で決まってしまう。一方、本実施形態では、電流のみならず気体（二酸化炭素）も炭素材料１４０に直接供給することができるため、複数の集電板１５０を設けることができる。これにより、カソード電極２２の実装密度を高めることができる。

図６は、第４の実施形態に係る蟻酸生成装置の電解ユニット２００の分解斜視図である。なお、以下に記載する第４の実施形態の説明においては、上述した実施形態と共通する点については説明を省略し、第１の実施形態と異なる事項について説明を行う。電解ユニット２００は、半透膜２３、第１枠体２１０、集電板２３０、第２枠体２２０、仕切板２４０をこの順に有している。本実施形態では、Ｘ軸方向及びＹ軸方向が水平方向であり、Ｚ軸方向が上下方向である。

第１枠体２１０は、板厚が薄い平面視で矩形状に形成され、中央部に第１貫通孔２１０ａを有している。第１枠体２１０は、半透膜２３と集電板２３０との間に配置される。第１枠体２１０には、上下に一対の第１切欠き部２１１と第２切欠き部２１２が形成されている。以下の説明では、第１枠体２１０の厚みをＴとする。

集電板２３０は、上下に一対の第１開口２３１と第２開口２３２が形成されている。第１開口２３１はＸ軸方向において第１切欠き部２１１と重なる位置に形成され、第２開口２３２はＸ軸方向において第２切欠き部２１２と重なる位置に形成されている。以下の説明では、集電板２３０のＹ軸方向における寸法（幅）をＷ１とする。

第２枠体２２０は、Ｘ軸方向に厚みを有する平面視で矩形状に形成されている。第２枠体２２０は、Ｚ軸方向に延びる一対の垂直部２２０ａと、Ｙ軸方向に延びる一対の水平部２２０ｂを有して構成されている。一対の垂直部２２０ａと一対の水平部２２０ｂにより、第２貫通孔２２０ｃが形成されている。一対の垂直部２２０ａのうち、一方にはＹ軸方向に連通された吸気孔２２３が形成され、他方にはＹ軸方向に連通された排気孔２２４が形成されている。一対の水平部２２０ｂのうち、上方にはＸ軸方向及びＺ軸方向に貫通する流入口２２１が形成され、下方にはＸ軸方向及びＺ軸方向に貫通する流出口２２２が形成されている。流入口２２１はＸ軸方向において第１開口２３１と重なる位置に形成され、流出口２２２はＸ軸方向において第２開口２３２と重なる位置に形成されている。

電解ユニット２００は、第１枠体２１０、集電板２３０及び第２枠体２２０が半透膜２３と仕切板２４０により封止された状態である。即ち、第１貫通孔２１０ａは半透膜２３により封止され、第２貫通孔２２０ｃは仕切板２４０により封止され、集電板２３０が閉じ込められた状態となる。この状態で、電解液は流入口２２１、第１開口２３１、第１切欠き部２１１、第１貫通孔２１０ａ、第２切欠き部２１２、第２開口２３２及び流出口２２２を通過して電解ユニット２００の外部に排出される。また、二酸化炭素等の気体は、吸気孔２２３、第２貫通孔２２０ｃ及び排気孔２２４を通過して電解ユニット２００の外部に排出される。

このように、簡易な構成を有する電解ユニット２００に集電板２３０を閉じ込めることで、第１枠体２１０の厚みＴと集電板２３０の幅Ｗ１を自在に設定することができる。第１枠体２１０の厚みＴの寸法が小さいほど溶液抵抗による電力損失を低減することができる。また、電解ユニット２００の体積が小さいほど、高濃度の生成物を含む電解液が第２収容室１２から排出されることを期待することができる。

なお、上記のように本発明の一実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、蟻酸生成装置の構成も本発明の一実施形態及び実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１蟻酸生成装置、１１第１収容室、１２第２収容室、２１アノード電極、２２カソード電極、４０炭素材料、５０集電板、５０ａ開口領域、５０ｂ非開口領域、６１メッシュ状部材、７０気体透過性膜、８１第１ガスケット、８２第２ガスケット、８３第３ガスケット、１００電解液、１４１第１炭素材料、１４２第２炭素材料、１５１第１集電板、１５２第２集電板、２１０第１枠体、２１０ａ第１貫通孔、２１１第１切欠き部、２１２第２切欠き部、２２０第２枠体、２２０ａ垂直部、２２０ｂ水平部、２２０ｃ第２貫通孔、２２１流入口、２２２流出口、２２３吸気孔、２２４排気孔、２３０集電板、２３１第１開口、２３２第２開口、２４０仕切板、

Claims

二酸化炭素を還元して蟻酸を生成するための蟻酸生成装置であって、
電解液を収容する第１収容室と、
前記電解液及び二酸化炭素を収容する第２収容室と、
前記電解液に接した状態で前記第１収容室に配置されるアノード電極と、
前記電解液に接した状態で前記第２収容室に配置されるカソード電極と、
前記アノード電極及び前記カソード電極に電圧を印加するための外部電源と、を備え、
前記カソード電極は、二酸化炭素還元触媒を担持するための多孔質の導電性を有する炭素材料と、該炭素材料を挟む同一の一対の集電板とを有して構成され、
前記一対の集電板は、複数の開口が形成された開口領域と、該開口領域を取り囲む位置に設けられる非開口領域を有し、
前記一対の集電板は、前記電解液に対し電気化学的に不活性な樹脂材料により形成され、
前記炭素材料は、前記開口領域と重なる位置に配置されていることを特徴とする蟻酸生成装置。
前記カソード電極は、一方側が前記電解液に接するとともに他方側が前記二酸化炭素に接した状態で前記第２収容室に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蟻酸生成装置。
前記一対の集電板のそれぞれは、前記開口領域において前記炭素材料と電気的に接続される導電性のメッシュ状部材を有し、
前記メッシュ状部材は、複数の開口から構成されたハニカム構造を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蟻酸生成装置。
前記カソード電極は、気体透過性膜と、第１ガスケット、第２ガスケット及び第３ガスケットからなる複数のガスケットと、第１炭素材料と第２炭素材料からなる一対の炭素材料と、第１集電板と第２集電板からなる一対の集電板とを有し、
前記第１集電板と前記第２集電板との間には前記第１ガスケットに支持された前記第１炭素材料と前記第２ガスケットに支持された前記第２炭素材料が配置され、
前記第１炭素材料と前記第２炭素材料との間には前記第３ガスケットに支持された前記気体透過性膜が配置されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の蟻酸生成装置。
前記カソード電極は、半透膜と、第１枠体と第２枠体からなる一対の枠体と、集電板と、仕切板とを有するとともに、前記半透膜、前記第１枠体、前記集電板、前記第２枠体、前記仕切板がこの順に配置され、
前記第１枠体は、平面視で矩形状に形成されるとともに中央部に第１貫通孔が形成され、上下に第１切欠き部と第２切欠き部が形成され、
前記第２枠体は、一対の垂直部と該垂直部に略直交する一対の水平部を有するとともに、前記一対の垂直部と前記一対の水平部により第２貫通孔が形成され、前記一対の水平部にはそれぞれ流入口と流出口が形成され、前記一対の垂直部の一方には吸気孔が形成されるとともに前記一対の垂直部の他方には排気孔が形成され、
前記集電板には、上下に一対の第１開口と第２開口が形成され、
前記半透膜、前記一対の枠体、前記集電板及び前記仕切板に封止された状態で、前記電解液が前記流入口、前記第１開口、前記第１切欠き部、前記第１貫通孔、前記第２切欠き部、前記第２開口、前記流出口をこの順に通過し、前記二酸化炭素は前記吸気孔、第２貫通孔及び前記排気孔をこの順に通過することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の蟻酸生成装置。