JP7457214B2 - 電気化学素子の運転方法 - Google Patents
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Description
[2]上記[1]に記載の電気化学素子の運転方法において、前記電気化学素子に流れる電流値を基準として、前記第1の吸着電圧を前記第2の吸着電圧に切り替えてもよい。
[3]上記[1]または[2]に記載の電気化学素子の運転方法は、前記機能電極に対して前記第2の吸着電圧を印加した後、吸着電圧と逆極性の放出電圧を前記機能電極に印加する工程をさらに含んでいてもよい。
[4]上記[1]から[3]のいずれかに記載の電気化学素子の運転方法において、前記第2の吸着電圧を前記機能電極に印加する工程後に、前記機能電極がさらに前記ガスを吸着し得る第2の吸着残量は、前記第1の吸着電圧を前記機能電極に印加する工程後に、前記機能電極がさらに前記ガスを吸着し得る第1の吸着残量よりも小さくてもよい。
[5]上記[1]から[4]のいずれかに記載の電気化学素子の運転方法において、前記所定のガスは、二酸化炭素であってもよく、前記第1の活物質は、アントラキノンを含んでいてもよく、前記第2の活物質は、ポリビニルフェロセンを含んでいてもよく、前記第1の吸着電圧は、1.2V以上1.6V未満であってもよく、前記第2の吸着電圧は、1.6V以上であってもよい。
[6]上記[1]から[5]のいずれかに記載の電気化学素子の運転方法において、単位時間あたりの平均吸着電圧が、1.4V以下であってもよい。
図1は、本発明の1つの実施形態の電気化学素子の運転方法に係る電気化学素子の概略斜視図であり;図2は、図1の電気化学素子のセルが延びる方向に平行な方向の概略断面図であり;図3は、図1および図2の電気化学素子のセルが延びる方向に直交する方向の要部拡大概略断面図である。図示例の電気化学素子100は、機能電極50と、カウンター電極60とを備える。
機能電極は、第1の活物質を含み、所定のガス(例えば、二酸化炭素)を回収および放出するよう構成されている。第1の活物質としては、代表的には、アントラキノンが挙げられる。アントラキノンは、後述する電気化学反応により、二酸化炭素を回収(捕捉、吸着)および放出することができる。アントラキノンは、ポリアントラキノン(すなわち、重合体)であってもよい。ポリアントラキノンとしては、例えば、下記式(I)で表されるポリ(1,4-アントラキノン)、ポリ(1,5-アントラキノン)、ポリ(1,8-アントラキノン)、ポリ(2,6-アントラキノン)が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく組み合わせて用いてもよい。
カウンター電極は、第1の活物質の還元の電子源として機能することができ、かつ、第1の活物質の酸化の際の電子の受け手として機能することができる。すなわち、カウンター電極は、機能電極が良好に機能するための補助的な役割を果たす。カウンター電極は、第2の活物質を含む。第2の活物質としては、機能電極との間で電子の授受が良好に機能し得る限りにおいて任意の適切な物質が用いられ得る。第2の活物質としては、例えば、ポリビニルフェロセン、ポリ(3-(4-フルオロフェニル))チオフェン等が挙げられる。カウンター電極は、最も高電位となるためガス混合物中の酸素による酸化耐性が求められる。酸化耐性が得られるならば炭素材を用いて第2の活物質としてもよい。
本発明の1つの実施形態においては、機能電極50およびカウンター電極60は、支持体80に支持される。支持体80は、外周壁10と;外周壁10の内側に配設され、第1端面20aから第2端面20bまで延びる複数のセル30、30、・・・を規定する隔壁40と;を有する。
電気化学素子100の動作の概要について説明する。例えば、分離・回収すべきガスが二酸化炭素であり、機能電極50の第1の活物質がアントラキノンを含み、カウンター電極60の第2の活物質がポリビニルフェロセンを含む場合について説明する。機能電極50のアントラキノンは、充電モード(機能電極が負極)において、吸着電圧として正電圧が印加されると還元され得る。
本発明の1つの実施形態による電気化学素子の運転方法は、機能電極に所定のガス(例えば、二酸化炭素)を供給するとともに、第1の吸着電圧を機能電極に印加する工程と;機能電極に対する所定のガス(例えば、二酸化炭素)の供給を維持しながら、第1の吸着電圧を第1の吸着電圧よりも大きな第2の吸着電圧に切り替える工程とを含む。第1の吸着電圧を機能電極に印加する工程、および、第1の吸着電圧を第2の吸着電圧に切り替える工程は、機能電極に所定のガス(例えば、二酸化炭素)を吸着させるガス吸着工程である。このような方法によれば、単位時間あたりの平均吸着電圧の低減を図りながら、きわめて高効率で所定のガス(例えば、二酸化炭素)を分離・回収することができる。例えば、工場や火力発電所の排ガスは10%程度の二酸化炭素を含むところ、そのような排ガスと同様の構成のガス混合物を、本発明の1つの実施形態による電気化学素子の運転方法により、二酸化炭素濃度を0.1%以下まで低減することができる。その結果、電気化学素子の劣化を抑制でき、電気化学素子の長寿命化を図りながら、所定のガス(例えば、二酸化炭素)の分離・回収に必要とされるエネルギーを大幅に削減することができる。
第1の吸着電圧E1がこのような範囲であれば、単位時間あたりの平均吸着電圧の低減を図り、電気化学素子の劣化を抑制できるとともに、所定のガスの吸着工程の前段において、第1の活物質に所定のガスを安定して吸着させることができる。例えば、所定のガスが二酸化炭素であり、機能電極の第1の活物質がアントラキノンを含む場合、第1の吸着電圧E1が機能電極に印加されると、以下の式(1-1)のように、アントラキノンが有する2つのカルボニル基のうち、一方のカルボニル基がアニオン化するとともに他方のカルボニル基がラジカル化し、アニオン化したカルボニル基が二酸化炭素と反応して二酸化炭素を捕捉し得る。
第1の吸着残量は、第1の吸着電圧を機能電極に印加する工程(第1印加工程)における目標値であって、第1印加工程後に機能電極がさらにガスを吸着し得る吸着能を意味する。第1の吸着残量は、機能電極の初期吸着容量(最大吸着容量)から、第1印加工程で使用される機能電極の吸着容量(第1吸着容量)を減算することにより求められる。
所定のガスが二酸化炭素である場合、機能電極の初期吸着容量(最大吸着容量)は、機能電極に5~20体積%の二酸化炭素を含むガス混合物(残ガスをN2バランスさせたもの)を供給するとともに、機能電極に2.0V(上限電圧)を印加し、電圧印加1分後の電流を(i 0)としたときに、(i 0)の1/100まで電流が低下するまでのクーロン量(単位はクーロンC、あるいはアンペアアワーAhでもよい)と定義される。
所定のガスが二酸化炭素である場合、第1の吸着残量は、二酸化炭素の脱離処理が終了した後、第1印加工程で二酸化炭素を吸着させたクーロン量を(i 1)としたときに、(i 0 - i 1)と定義される。測定の誤差により第1の吸着残量がマイナスとなる場合は、残量ゼロと定義される。
第2の吸着電圧E2がこのような範囲であれば、所定のガスの吸着工程の後段において、第1の活物質に所定のガスを十分に吸着させることができる。例えば、所定のガスが二酸化炭素であり、機能電極の第1の活物質がアントラキノンを含む場合、第2の吸着電圧E2が機能電極に印加されると、上記した式(1-1)でラジカル化したカルボニル基は、以下の式(1-2)のように、電子を受容してアニオン化した後、二酸化炭素と反応して二酸化炭素を捕捉し得る。
第2の吸着残量は、第1の吸着電圧を第2の吸着電圧に切り替え、第2の吸着電圧を機能電極に印加する工程(第2印加工程)後に機能電極がさらにガスを吸着し得る吸着能を意味する。第2の吸着残量は、上記した初期吸着容量(最大吸着容量)から、第1印加工程および第2印加工程で使用された機能電極の吸着容量(第2吸着容量)を減算することにより求められる。
所定のガスが二酸化炭素である場合、第2の吸着残量は、二酸化炭素の脱離処理が終了した後、第1印加工程および第2印加工程で二酸化炭素を吸着させたクーロン量の総和を(i 1)としたときに、(i 0 - i 1)と定義される。測定の誤差により第2の吸着残量がマイナスとなる場合は、残量ゼロと定義される。
第2の吸着電圧E2の印加時間は、好ましくは、第1の吸着電圧E1の印加時間以下である。本発明の1つの実施形態において、第2の吸着電圧E2の印加時間の割合は、第1の吸着電圧E1の印加時間と第2の吸着電圧E2の印加時間との総和に対して、例えば、10%~50%、好ましくは、20%~30%である。
ガス吸着工程における単位時間当たりの平均吸着電圧=((第1の吸着電圧E1×第1の吸着電圧E1の印加時間)+(第2の吸着電圧E2×第2の吸着電圧E2の印加時間))/(第1の吸着電圧E1の印加時間と第2の吸着電圧E2の印加時間との総和)
30 セル
30a 第1のセル
30b 第2のセル
40 隔壁
50 機能電極
60 カウンター電極
70 ガス流路
100 電気化学素子
Claims (6)
- 第1の活物質を含む機能電極と、第2の活物質を含むカウンター電極とを備え、所定のガスを吸着および放出するように構成される電気化学素子の運転方法であって、
前記機能電極に前記所定のガスを供給するとともに、第1の吸着電圧を前記機能電極に印加する工程と、
前記機能電極に対する前記所定のガスの供給を維持しながら、前記第1の吸着電圧を前記第1の吸着電圧よりも大きな第2の吸着電圧に切り替える工程と、を含み、
前記機能電極が、前記所定のガスを吸着および放出するように構成されている、
電気化学素子の運転方法。 - 前記電気化学素子に流れる電流値を基準として、前記第1の吸着電圧を前記第2の吸着電圧に切り替える、
請求項1に記載の電気化学素子の運転方法。 - 前記機能電極に対して前記第2の吸着電圧を印加した後、吸着電圧と逆極性の放出電圧を前記機能電極に印加する工程を、さらに含む、
請求項1または2に記載の電気化学素子の運転方法。 - 前記第2の吸着電圧を前記機能電極に印加する工程後に、前記機能電極がさらに前記ガスを吸着し得る第2の吸着残量は、前記第1の吸着電圧を前記機能電極に印加する工程後に、前記機能電極がさらに前記ガスを吸着し得る第1の吸着残量よりも小さい、
請求項1または2に記載の電気化学素子の運転方法。 - 前記所定のガスは、二酸化炭素であり、
前記第1の活物質は、アントラキノンを含み、
前記第2の活物質は、ポリビニルフェロセンを含み、
前記第1の吸着電圧は、1.2V以上1.6V未満であり、
前記第2の吸着電圧は、1.6V以上である、
請求項1または2に記載の電気化学素子の運転方法。 - 単位時間あたりの平均吸着電圧が、1.4V以下である、
請求項5に記載の電気化学素子の運転方法。
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