JP7543189B2 - Solid electrolyte electrolyzer - Google Patents

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Description

本開示は、固体電解質形電解装置に関する。 This disclosure relates to a solid electrolyte electrolysis device.

電気エネルギーを利用した二酸化炭素還元の研究は世界中で広く行われている。二酸化炭素を還元する固体子電解質形電解装置では、陰極(以降、カソードと記載する場合がある)に供給される電解質を含んだ水溶液に二酸化炭素を溶解させるとともに、陽極(以降、アノードと記載する場合がある)に電解質を含んだ水溶液を供給する形が一般的である。一般に陰極と陽極との間にはイオンを交換するための電解質が設けられ、その部材としてはイオン交換膜が用いられることがある。このような固体電解質形電解装置として、特許文献1に開示されている二酸化炭素電解装置を挙げることができる(特許文献1)。 Research into carbon dioxide reduction using electrical energy is being conducted widely around the world. In solid electrolyte electrolysis devices that reduce carbon dioxide, carbon dioxide is generally dissolved in an aqueous solution containing an electrolyte that is supplied to the negative electrode (hereinafter sometimes referred to as the cathode), and an aqueous solution containing the electrolyte is supplied to the positive electrode (hereinafter sometimes referred to as the anode). Generally, an electrolyte for exchanging ions is provided between the negative electrode and the anode, and an ion exchange membrane may be used as a material for this. An example of such a solid electrolyte electrolysis device is the carbon dioxide electrolysis device disclosed in Patent Document 1 (Patent Document 1).

特開2018-154901号公報JP 2018-154901 A

特許文献1に開示されている二酸化炭素電解装置では、セパレータ(固体電解質)として用いられているイオン交換膜は陽極と陰極の間に配置されている。このような二酸化炭素電解装置の陽極では水溶液中の水を酸素に酸化する反応が起こる。しかしながら水は酸化されにくく、酸化反応を促進させるため、陽極において、高い酸化性能の触媒が用いられる。また二酸化炭素電解装置において、高い電解性能を引き出すためには、陽極がセパレータと接する必要があり、陽極による固体電解質の酸化が生じるおそれがあった。その結果、固体電解質が酸化により劣化され、二酸化炭素電解装置の電解効率(二酸化炭素の電解効率、一酸化炭素の生成効率)が低下したり、固体電解質が破損したりするなどの不具合が生じる可能性があった。そこで、本開示は、固体電解質形電解装置における固体電解質の酸化による劣化を抑制し、装置の長寿命化可能な固体電解質形電解装置を提供することを課題とする。 In the carbon dioxide electrolysis device disclosed in Patent Document 1, the ion exchange membrane used as a separator (solid electrolyte) is disposed between the anode and the cathode. In the anode of such a carbon dioxide electrolysis device, a reaction occurs in which water in an aqueous solution is oxidized to oxygen. However, water is not easily oxidized, and a catalyst with high oxidation performance is used in the anode to promote the oxidation reaction. In addition, in order to obtain high electrolysis performance in a carbon dioxide electrolysis device, the anode needs to be in contact with the separator, and there is a risk of oxidation of the solid electrolyte by the anode. As a result, the solid electrolyte is deteriorated by oxidation, and there is a possibility that problems such as a decrease in the electrolysis efficiency of the carbon dioxide electrolysis device (electrolysis efficiency of carbon dioxide, generation efficiency of carbon monoxide) or damage to the solid electrolyte may occur. Therefore, the present disclosure aims to provide a solid electrolyte electrolysis device that suppresses deterioration due to oxidation of the solid electrolyte in a solid electrolyte electrolysis device and can extend the life of the device.

本発明者らは、前記目的の実現に向け鋭意検討した結果、特定の電極材料(A)を有するアノードと、固体電解質の間に特定の多孔質層を含む保護層を設け、アノードと固体電解質を隔離することで、固体電解質の酸化劣化を抑制できることを見出し、本開示技術を完成させるに至った。即ち、本開示技術は以下の通りである。 As a result of intensive research aimed at achieving the above object, the inventors discovered that by providing a protective layer including a specific porous layer between an anode having a specific electrode material (A) and a solid electrolyte, and isolating the anode from the solid electrolyte, it is possible to suppress oxidative deterioration of the solid electrolyte, and thus completed the disclosed technology. That is, the disclosed technology is as follows.

本開示技術の一態様によれば、
還元反応を行うカソードと、
前記カソードと1対の電極を構成し、水または水溶液を用いた酸素生成反応を促進する電極材料(A)を有するアノードと、
前記カソードと接触状態にて着設される固体電解質層と、
前記アノードと前記固体電解質層との間に接触状態にて着設されて前記アノードと固体電解質とを隔離する保護層と、
を有する固体電解質形電解装置であって、
前記電極材料(A)は、Ir、IrO、Ru、RuO、IrRuOのいずれか1つまたは2種以上を含み、
前記保護層は、複数の連続気孔を有する多孔質であり、
前記多孔質は、M/Mの酸化電位が1V vs NHEより貴側である金属;Fe、Ni、Co、Mn、Cr、V、Ti、Ta、Nb、Zr、W、Moのいずれか1つまたは2種以上を含む合金;または電気伝導性化合物;であることを特徴とする、固体電解質形電解装置を提供することができる。
According to one aspect of the disclosed technique,
A cathode for carrying out a reduction reaction;
an anode that forms a pair of electrodes with the cathode and has an electrode material (A) that promotes an oxygen generation reaction using water or an aqueous solution;
a solid electrolyte layer disposed in contact with the cathode;
a protective layer disposed between the anode and the solid electrolyte layer in contact therewith to separate the anode and the solid electrolyte;
A solid electrolyte electrolysis device having
the electrode material (A) contains one or more of Ir, IrO x , Ru, RuO x , and IrRuO x ;
the protective layer is porous and has a plurality of continuous pores;
It is possible to provide a solid electrolyte electrolysis device, characterized in that the porous material is a metal having an oxidation potential of M + /M that is more noble than 1 V vs. NHE; an alloy containing one or more of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, V, Ti, Ta, Nb, Zr, W, and Mo; or an electrically conductive compound.

本開示によれば、固定電解質の酸化劣化を抑制し、装置寿命に優れた固体電解質形電解装置を提供することが可能となる。 This disclosure makes it possible to provide a solid electrolyte electrolysis device that suppresses oxidative degradation of the solid electrolyte and has an excellent device life.

本開示における実施形態で好適に用いられる固体電解質形電解装置である。1 is a solid electrolyte electrolysis device preferably used in an embodiment of the present disclosure. 本開示における実施形態で好適に用いられる固体電解質形電解装置において、カソード表面に固体塩基を添加することで、局所的に効率よくCOを吸着できる様子を示した概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing how CO 2 can be locally and efficiently adsorbed by adding a solid base to the cathode surface in a solid electrolyte electrolysis device suitably used in an embodiment of the present disclosure. 本開示における実施形態で好適に用いられる固体電解質形電解装置を用いた合成ガス生成方法を示したフローチャートである。1 is a flowchart showing a method for producing synthetic gas using a solid electrolyte electrolysis device preferably used in an embodiment of the present disclosure. 本開示における実施形態で好適に用いられる固体電解質形電解装置の用途例である。1 is an example of an application of a solid electrolyte electrolysis device preferably used in an embodiment of the present disclosure. 本開示における実施例及び比較例の電極性能維持率を示す評価結果である。1 shows evaluation results showing electrode performance maintenance rates of examples and comparative examples in the present disclosure.

以下、本開示における固体電解質形電解装置について、図1、図2を用いて具体的に説明する。なお、本開示にかかる技術は、以下で説明する該形態に限定されるものではない。また、本開示において、数値の記載に関する「~」という用語は、その下限値以上、上限値以下を示す用語である。 The solid electrolyte electrolysis device in this disclosure will be specifically described below with reference to Figures 1 and 2. Note that the technology in this disclosure is not limited to the form described below. In addition, in this disclosure, the term "~" in describing a numerical value indicates a value equal to or greater than the lower limit and equal to or less than the upper limit.

≪固体電解質形電解装置100≫
図1を参照しながら、本実施形態にかかる固体電解質形電解装置(電解セル、電解モジュールとも称される)を説明する。図1に示すように、本実施形態にかかる固体電解質形電解装置100は、カソード(陰極)101と、前記カソード101と1対の電極を構成するアノード(陽極)102と、前記アノード102と接触状態にて着設される保護層108と、前記カソード101と前記保護層108との間に少なくとも一部が接触している状態にて着設する固体電解質103と、前記カソード101の前記固体電解質103との接触面101-1とは反対側の面101-2で接触している集電板104と、前記アノード102の前記保護層108との接触面102-2とは反対側の面102-1で接触している支持板105と、前記集電板104と前記支持板105との間(即ち、前記カソードと前記アノードとの間)に電圧を印加する電圧印加部106と、を有している。また、前記アノード102と、固体電解質103とは保護層108により隔離されている。更に、図示しない供給源及び供給装置によって、気相状態でのCOや、支持電解質を含む水溶液を供給することとしている。なお、図1に記載した固体電解質形電解装置100は、説明のためにカソード101やアノード102などの各部品を離した状態で図示しているが、実際には、集電板104、カソード101、固体電解質103、保護層108、アノード102、支持板105のそれぞれは所定の方法によって接着され、一体化して構成されている。各部品が、着脱可能に構成されて1つの固体電解質形電解装置100を構成していてもよい。以下、各構成要素を詳述する。
<<Solid electrolyte electrolyzer 100>>
A solid electrolyte electrolysis device (also called an electrolysis cell or an electrolysis module) according to this embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the solid electrolyte electrolysis device 100 according to this embodiment includes a cathode 101, an anode 102 which constitutes a pair of electrodes together with the cathode 101, and a cathode 102 which is in contact with the anode 102. a protective layer 108 that is applied in a state in which the cathode 101 and the protective layer 108 are in contact with each other; a solid electrolyte 103 that is applied between the cathode 101 and the protective layer 108 in a state in which at least a part of the solid electrolyte 103 is in contact with the cathode 101; A current collector 104 is in contact with the anode 102 at a surface 101-2 opposite to a contact surface 101-1 with the protective layer 108 of the anode 102. A support plate 105 contacting the collector plate 104 at −1 and a voltage application unit 106 for applying a voltage between the collector plate 104 and the support plate 105 (i.e., between the cathode and the anode). is doing. The anode 102 and the solid electrolyte 103 are separated by a protective layer 108. Furthermore, a supply source and a supply device (not shown) can be used to supply CO2 in a gaseous state and an aqueous solution containing a supporting electrolyte. In addition, the solid electrolyte electrolysis device 100 shown in FIG. 1 is illustrated in a state in which each component such as the cathode 101 and the anode 102 is separated for the sake of explanation. The cathode 101, the solid electrolyte 103, the protective layer 108, the anode 102, and the support plate 105 are each bonded by a predetermined method and integrated into one body. The electrolysis device 100 may be configured as a refrigerant-type electrolysis device 100. Each of the components will be described in detail below.

<カソード101>
(カソード101での還元反応)
カソード101での還元反応は、固体電解質形電解装置100で用いる固体電解質103の種類によって変化する。固体電解質103として陽イオン交換膜を使用した場合には、下記式(1)と(2)の還元反応が起き、固体電解質として陰イオン交換膜を使用した場合には、下記式(3)と(4)の還元反応が起きる。

Figure 0007543189000001
<Cathode 101>
(Reduction reaction at cathode 101)
The reduction reaction in the cathode 101 varies depending on the type of solid electrolyte 103 used in the solid electrolyte electrolysis device 100. When a cation exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the reduction reactions of the following formulas (1) and (2) occur, and when an anion exchange membrane is used as the solid electrolyte, the reduction reactions of the following formulas (3) and (4) occur.
Figure 0007543189000001

(カソード101の基本構造・材質)
カソード101は、ガス拡散層を含むガス拡散電極である。ガス拡散層は、例えば、カーボン紙若しくは不織布、または金属メッシュ等、伝導性や多孔性を有する材料を含む。カソード101の電極材料(B)には、例えば、グラファイトカーボン、ガラス状カーボン、チタン、SUSを挙げることができる。また、カソード101が有する、二酸化炭素(以降、COと記載する場合がある)を一酸化炭素(以降、COと記載する場合がある)に還元可能なカソードの触媒は、例えば、銀、金、銅またはそれらの組合せから選択される金属を含む。触媒は、より詳細には、例えば、金、金合金、銀、銀合金、銅、銅合金、または、それらのいずれか1種以上を含む混合金属を含む。触媒の種類は、触媒としての機能を有するものであれば特に限定されず、耐腐食性等を考慮して決定することができる。例えば、触媒が、Al、Sn、Zn等の両性金属を含まないことで、耐腐食性を向上させることができる。蒸着、析出、吸着、堆積、接着、溶接、物理混合、噴霧等の公知の方法を実施することで、カソード101(乃至は電極材料(B))に対して、触媒を担持させることができる。
(Basic structure and materials of cathode 101)
The cathode 101 is a gas diffusion electrode including a gas diffusion layer. The gas diffusion layer includes a material having conductivity or porosity, such as carbon paper or nonwoven fabric, or a metal mesh. Examples of the electrode material (B) of the cathode 101 include graphite carbon, glassy carbon, titanium, and SUS. The catalyst of the cathode 101 capable of reducing carbon dioxide (hereinafter, may be referred to as CO 2 ) to carbon monoxide (hereinafter, may be referred to as CO) includes, for example, a metal selected from silver, gold, copper, or a combination thereof. More specifically, the catalyst includes, for example, gold, gold alloy, silver, silver alloy, copper, copper alloy, or a mixed metal including any one or more of them. The type of catalyst is not particularly limited as long as it has a catalytic function, and can be determined in consideration of corrosion resistance and the like. For example, the catalyst does not include amphoteric metals such as Al, Sn, and Zn, thereby improving corrosion resistance. The catalyst can be supported on the cathode 101 (or the electrode material (B)) by carrying out a known method such as vapor deposition, deposition, adsorption, accumulation, adhesion, welding, physical mixing, spraying, or the like.

(固体塩基107)
ここで、図2に示すようにカソード101は、固体塩基107を有する。固体塩基107としては、常温(25℃)で固体である塩基であれば特に限定されず、例えば、炭酸水素カリウム(KHCO)、水酸化ナトリウム(NaOH)、アルカリ土類金属の酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物またはアルカリ土類金属の炭酸物{例えば、酸化マグネシウム(MgO)、水酸化マグネシウム(Mg(OH))、炭酸マグネシウム(MgCO)、酸化カルシウム(CaO)、水酸化カルシウム(Ca(OH))、炭酸カルシウム(CaCO)、酸化ストロンチウム(SrO)、水酸化ストロンチウム(Sr(OH))、炭酸ストロンチウム(SrCO)、酸化バリウム(BaO)、水酸化バリウム(Ba(OH))、炭酸バリウム(BaCO)など}、希土類金属の酸化物、希土類金属の水酸化物または希土類金属の炭酸塩{例えば、酸化イットリウム(Y)、酸化ランタン(La2)など}、ハイドロタルカイト(例えば、金属複合水酸、炭酸塩、LDH、HT-CO、HT-OHなど)、表面塩基処理したゼオライト、塩基処理したモレキュラーシーブ、表面塩基処理した多孔質アルミナ(KF-Al)などを用いることが好ましい。特に、原子番号の小さい弱塩基性の固体塩基がより好ましい。また、水不溶性の固体塩基であるアルカリ土類金属の酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物またはアルカリ土類金属の炭酸物、希土類金属の酸化物、希土類金属の水酸化物または希土類金属の炭酸塩を用いることがガス中の水や反応で発生する水により流されず、固体塩基107を有するカソードとしての耐久性が低下しないため、更により好ましい。ここで、「水不溶性」とは、10mgが20℃の水100mLに溶解しないものをいう。なお、固体塩基107は、カソード101の、固体電解質103との接触面101-1側に存在することが好適である。このように構成する理由は、カソード101と固体電解質103との界面が反応サイトであるからである。また、固体塩基107は、カソード101の材料との混合物として存在しても良く、また、化合物として一体化された状態で存在してもよい。塗布、蒸着、析出、物理混合等の公知の方法を実施することで、カソード101(乃至は電極材料(B))に対して固体塩基107を担持させることができる。固体塩基の単位面積あたりの質量は、特に限定されないが、例えば、0.1~10mg/cm、好ましくは0.1~6mg/cmである。
(Solid Base 107)
Here, as shown in FIG. 2, the cathode 101 has a solid base 107 . The solid base 107 is not particularly limited as long as it is a base that is solid at room temperature (25° C.), and examples thereof include potassium bicarbonate (KHCO 3 ), sodium hydroxide (NaOH), an oxide of an alkaline earth metal, a hydroxide of an alkaline earth metal, or a carbonate of an alkaline earth metal {e.g., magnesium oxide (MgO), magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ), magnesium carbonate (MgCO 3 ), calcium oxide (CaO), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), strontium oxide (SrO), strontium hydroxide (Sr(OH) 2 ), strontium carbonate (SrCO 3 ), barium oxide (BaO), barium hydroxide (Ba(OH) 2 ), barium carbonate (BaCO 3 ), etc.}, an oxide of a rare earth metal, a hydroxide of a rare earth metal, or a carbonate of a rare earth metal {e.g., yttrium oxide (Y 2 O 3 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), etc.}, hydrotalcite (e.g., metal complex hydroxide, carbonate, LDH, HT-CO 3 , HT-OH, etc.), surface-treated zeolite, base-treated molecular sieve, surface-treated porous alumina (KF-Al 2 O 3 ), etc. are preferably used. In particular, weakly basic solid bases with small atomic numbers are more preferable. Furthermore, it is even more preferable to use water-insoluble solid bases such as alkaline earth metal oxides, alkaline earth metal hydroxides or alkaline earth metal carbonates, rare earth metal oxides, rare earth metal hydroxides or rare earth metal carbonates, because they are not washed away by water in the gas or water generated by the reaction, and the durability of the cathode having the solid base 107 is not reduced. Here, "water-insoluble" refers to a material that does not dissolve in 100 mL of water at 20°C per 10 mg. The solid base 107 is preferably present on the contact surface 101-1 side of the cathode 101 with the solid electrolyte 103. The reason for this configuration is that the interface between the cathode 101 and the solid electrolyte 103 is a reaction site. The solid base 107 may be present as a mixture with the material of the cathode 101, or may be present in an integrated state as a compound. The solid base 107 can be supported on the cathode 101 (or the electrode material (B)) by carrying out a known method such as coating, vapor deposition, precipitation, physical mixing, etc. The mass per unit area of the solid base is not particularly limited, but is, for example, 0.1 to 10 mg/cm 2 , preferably 0.1 to 6 mg/cm 2 .

ここで、固体塩基107を用いると効率が上がる理由については、以下の作用機序が推定される。まず、例えば、工場における排出ガスといったような含有濃度が10~20%となる低濃度COガスを固体電解質形電解装置100に供給した場合、COが低濃度であるが故にカソード101表面に吸着されにくい。そこで、図2に示すように、カソード101表面に固体塩基107を添加することで、固体塩基が存在している箇所に対して局所的に効率よくCOを吸着でき、CO還元を進行させることができると理解される。また、固体電解質103として陽イオン交換膜を採用した場合、カソード101表面にHが多いと、COが十分に吸着できないと理解される。この際、固体塩基107が存在すると反応が進行すると考えられる(例えば上述した水不溶性の固体塩基を用いた場合にはpH>2となるようにpHを制御することが好ましい)。他方、固体電解質として陰イオン交換膜を採用した場合、カソード表面にOHが存在しているため、COが吸着され、CO還元には適している。しかし、OHが多すぎると安定なCO 2-で吸着されてしまい、CO還元反応が十分に進まないと理解される。この際、強塩基性の固体塩基よりも弱塩基性の固体塩基107が存在すると、CO還元反応がより進行すると考えられる(例えば上述した水不溶性の固体塩基を用いた場合にはpH<12となるようにpHを制御することが好ましい)。本開示において、このような固体塩基及び触媒を有する電極を、「触媒と、触媒を有する電極材料と、少なくとも電極材料に設けられた固体塩基と、を有する電極」(換言すれば、触媒及び固体塩基を有する電極材料、を有する電極)、または、「触媒を有し、固体塩基を更に有するカソード」等と表現することができる。 Here, the reason why the efficiency is improved by using the solid base 107 is presumed to be the following mechanism of action. First, when a low-concentration CO 2 gas with a content concentration of 10 to 20%, such as exhaust gas from a factory, is supplied to the solid electrolyte electrolysis device 100, the CO 2 is not easily adsorbed on the surface of the cathode 101 due to its low concentration. Therefore, as shown in FIG. 2, it is understood that by adding the solid base 107 to the surface of the cathode 101, CO 2 can be locally and efficiently adsorbed to the area where the solid base exists, and CO 2 reduction can be promoted. In addition, when a cation exchange membrane is adopted as the solid electrolyte 103, it is understood that if there is a lot of H + on the surface of the cathode 101, CO 2 cannot be sufficiently adsorbed. At this time, it is considered that the reaction proceeds when the solid base 107 is present (for example, when the above-mentioned water-insoluble solid base is used, it is preferable to control the pH so that pH>2). On the other hand, when an anion exchange membrane is adopted as the solid electrolyte, OH - exists on the cathode surface, so that CO 2 is adsorbed, which is suitable for CO 2 reduction. However, if there is too much OH- , it is adsorbed as stable CO3 2- , and it is understood that the CO2 reduction reaction does not proceed sufficiently. In this case, it is considered that the CO2 reduction reaction proceeds more when a weakly basic solid base 107 is present than a strongly basic solid base (for example, when the above-mentioned water-insoluble solid base is used, it is preferable to control the pH so that the pH is less than 12). In the present disclosure, an electrode having such a solid base and catalyst can be expressed as "an electrode having a catalyst, an electrode material having a catalyst, and at least a solid base provided on the electrode material" (in other words, an electrode having an electrode material having a catalyst and a solid base), or "a cathode having a catalyst and further having a solid base", etc.

<アノード102>
(アノード102での酸素生成反応)
アノード102での水または水溶液を用いた酸素生成反応は、固体電解質形電解装置100で用いる固体電解質103の種類によって変化する。固体電解質103として陽イオン交換膜を使用した場合には、下記式(5)の酸化反応が起き、固体電解質103として陰イオン交換膜を使用した場合には、下記式(6)の酸化反応が起きる。

Figure 0007543189000002
<Anode 102>
(Oxygen Evolution Reaction at the Anode 102)
The oxygen generation reaction using water or an aqueous solution at the anode 102 varies depending on the type of solid electrolyte 103 used in the solid electrolyte electrolysis device 100. When a cation exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the oxidation reaction of the following formula (5) occurs, and when an anion exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the oxidation reaction of the following formula (6) occurs.
Figure 0007543189000002

(アノード102の基本構造・材質)
アノード102は、多孔質基板を含む多孔質電極である。多孔質基板は、例えば、金属製またはカーボン製メッシュ、不織布を含む。アノード102の電極材料(A)は、例えば、Ir、IrO、Ru、RuO、IrRuOのいずれかを含む。これらの電極材料は、アノード102における水または水溶液を用いた酸素生成反応を促進することができる。
(Basic structure and material of anode 102)
The anode 102 is a porous electrode including a porous substrate. The porous substrate includes, for example, a metal or carbon mesh or a nonwoven fabric. The electrode material (A) of the anode 102 includes, for example, any one of Ir, IrO x , Ru, RuO x , and IrRuO x . These electrode materials can promote an oxygen production reaction in the anode 102 using water or an aqueous solution.

<保護層108>
保護層108は、アノード102と固体電解質103との間に接触状態にて介在する。また、保護層108は、アノード102と固体電解質103とを離隔する。更に、保護層108は、複数の連続気孔を有する多孔質である。ここで連続気孔は、保護層108の一方の面と、他方の面とに通じている孔であればよく、パンチ穴のような貫通孔、メッシュ、不織布が有する通気構造を含む。また、保護層108の開孔率は、特に限定されないが、例えば、40~95%とすることができ、50~80%が好ましい。これにより、保護層108は、水酸化イオンや原料となるガスや液体などを通過することが可能となる。ここで開孔率は、保護層の表面を走査型電子顕微鏡で撮影し、その画像の観察面積に対する、画像表面における、すべての孔部面積の割合を、市販のソフトを用いて算出する。
このような保護層108を設けることで、アノード102における酸素生成反応の影響から固体電解質103の酸化劣化を抑制することが可能となり、装置寿命の長い固体電解質形電解装置100を提供することができる。また、固体電解質103の性能の低下が抑制できることから、電解効率の低下の抑制ができ、メンテンナンスの時間の短縮による稼働率の向上できる固体電解質形電解装置100の提供が可能となる。
<Protective Layer 108>
The protective layer 108 is interposed between the anode 102 and the solid electrolyte 103 in contact with each other. The protective layer 108 separates the anode 102 and the solid electrolyte 103. The protective layer 108 is porous and has a plurality of continuous pores. The continuous pores may be holes that connect one surface of the protective layer 108 to the other surface, and include through holes such as punch holes, meshes, and ventilation structures of nonwoven fabrics. The porosity of the protective layer 108 is not particularly limited, but may be, for example, 40 to 95%, and preferably 50 to 80%. This allows the protective layer 108 to pass hydroxide ions, raw gases, liquids, and the like. The porosity is calculated by photographing the surface of the protective layer with a scanning electron microscope, and calculating the ratio of the area of all holes on the surface of the image to the observation area of the image using commercially available software.
By providing such a protective layer 108, it is possible to suppress oxidation deterioration of the solid electrolyte 103 due to the influence of the oxygen generation reaction in the anode 102, and it is possible to provide a solid electrolyte electrolysis device 100 having a long device life. In addition, since deterioration in the performance of the solid electrolyte 103 can be suppressed, it is possible to provide a solid electrolyte electrolysis device 100 that can suppress deterioration in electrolysis efficiency and improve the operation rate by shortening the maintenance time.

保護層108の材質は、(1)M/Mの酸化電位が1V vs NHEより貴側である金属、(2)Fe、Ni、Co、Mn、Cr、V、Ti、Ta、Nb、Zr、W、Moのいずれか1つまたは2種以上を含む合金、(3)電気伝導性化合物である。
ここで、(1)M/Mの酸化電位が1V vs NHEより貴側である金属は、いわゆる酸化されにくい金属を示しており、例えば、Pt、Au、Ru、Pd、Rh、Ti、Ta、Nb、Zr、W、Moなどの金属を挙げることができる。ここで、Mは、金属イオンを、Mは金属を示し、M/Mは金属イオンと金属の酸化還元反応が平衡に達している状態下の電極電位のことを示している。1V vs NHEとは、水素標準電極を用いて測定した電極電位が1Vであることを示している。
また、(2)Fe、Ni、Co、Mn、Cr、V、Ti、Ta、Nb、Zr、W、Moのいずれか1つまたは2種以上を含む合金は、不動態を形成しやすい合金を示しており、これらの合金は、表層が容易に酸化された後は、表面に不動態が形成され、それ以上酸化され難い合金である。
また、(3)電気伝導性化合物は、電気伝導性の、ガラス、セラミック及び炭素材料を含み、例えば、ITO、FTO、AZO、IGZOなどの電気伝導性セラミック;電気伝導性ガラス;グラファイトカーボン、ガラス状カーボン、グラフェン、カーボンナノチューブなどの電気伝導性炭素材料;などを挙げることができる。ここで本開示における電気伝導性とは、導電率が1×10-9S/cm以上であることをいう。
The material of the protective layer 108 is (1) a metal whose oxidation potential of M + /M is more noble than 1 V vs. NHE, (2) an alloy containing one or more of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, V, Ti, Ta, Nb, Zr, W, and Mo, or (3) an electrically conductive compound.
Here, (1) a metal having an oxidation potential of M + /M more noble than 1V vs. NHE indicates a metal that is difficult to oxidize, and examples thereof include metals such as Pt, Au, Ru, Pd, Rh, Ti, Ta, Nb, Zr, W, and Mo. Here, M + indicates a metal ion, M indicates a metal, and M + /M indicates an electrode potential under a state in which the oxidation-reduction reaction between the metal ion and the metal reaches equilibrium. 1V vs. NHE indicates that the electrode potential measured using a hydrogen standard electrode is 1V.
In addition, (2) an alloy containing one or more of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, V, Ti, Ta, Nb, Zr, W, or Mo is an alloy that is likely to form a passive state, and after the surface layer of these alloys is easily oxidized, a passive state is formed on the surface and the alloy is difficult to oxidize further.
In addition, (3) the electrically conductive compound includes electrically conductive glass, ceramic, and carbon materials, and examples thereof include electrically conductive ceramics such as ITO, FTO, AZO, and IGZO; electrically conductive glass; and electrically conductive carbon materials such as graphite carbon, glassy carbon, graphene, and carbon nanotubes. Here, the term "electrically conductive" in the present disclosure refers to a conductivity of 1×10 −9 S/cm or more.

保護層108の厚さは、特に限定されないが、例えば、0.5~500μmであり、1~100μmが好ましい。保護層の厚みが、かかる範囲にある場合には、固体電解質103の酸化劣化を抑制できる。 The thickness of the protective layer 108 is not particularly limited, but is, for example, 0.5 to 500 μm, and preferably 1 to 100 μm. When the thickness of the protective layer is within this range, oxidation deterioration of the solid electrolyte 103 can be suppressed.

<固体電解質103>
固体電解質103は、カソード101と保護層108との間に接触状態にて介在する。ここで、固体電解質103は、特に高分子膜に限定される訳ではないが、陽イオン交換膜または陰イオン交換膜が好適であり、陰イオン交換膜がより好適である。陽イオン交換膜としては、例えば、フッ素樹脂母体にスルホン基を導入した強酸性陽イオン交換膜、Nafion117、Nafion115、Nafion212やNafion350(デュポン社製)、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体母体にスルホン基を導入した強酸性陽イオン交換膜、またはネオセプタCMX(徳山曹達社製)等を用いることができる。また、陰イオン交換膜としては、例えば、第四級アンモニウム基、第1級アミノ基、第2級アミノ基、第3級アミノ基、更にこれらのイオン交換基が複数混在した陰イオン交換膜が挙げられる。具体例としては、例えば、ネオセプタ(登録商標)ASE、AHA、AMX、ACS、AFN、AFX(トクヤマ社製)、セレミオン(登録商標) AMV、AMT、DSV、AAV、ASV、AHO、AHT、APS4(旭硝子社製)等を用いることができる。
<Solid electrolyte 103>
The solid electrolyte 103 is interposed between the cathode 101 and the protective layer 108 in a contact state. The solid electrolyte 103 is not particularly limited to a polymer membrane, but may be a cation exchange membrane or an anion exchange membrane. Anion exchange membranes are preferred, and anion exchange membranes are more preferred. Examples of cation exchange membranes include strongly acidic cation exchange membranes in which sulfonic groups are introduced into a fluororesin matrix, such as Nafion 117, Nafion 115, Nafion 212, and Nafion 350 ( As an anion exchange membrane, a strong acid cation exchange membrane having a sulfone group introduced into a styrene-divinylbenzene copolymer matrix, or NeoSepta CMX (Tokuyama Soda Co., Ltd.) can be used. Examples of the anion exchange membrane include a membrane having a quaternary ammonium group, a primary amino group, a secondary amino group, a tertiary amino group, and further an anion exchange membrane having a mixture of a plurality of these ion exchange groups. Specific examples include Neocepta (registered trademark) ASE, AHA, AMX, ACS, AFN, and AFX (manufactured by Tokuyama Corporation), Selemion (registered trademark) AMV, AMT, DSV, AAV, ASV, AHO, AHT, and APS4 ( (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) can be used.

<集電板104>
集電板104としては、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、ステンレス鋼(SUS)、ニッケルメッキ鋼、真鍮等の金属材料が挙げられ、中でも加工し易さとコストの点から銅が好ましい。負極集電板の形状は、集電板104が金属材料の場合は、例えば、金属箔、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチングメタル、発泡メタル等が挙げられる。
<Current collector plate 104>
Examples of the current collector 104 include metal materials such as copper (Cu), nickel (Ni), stainless steel (SUS), nickel-plated steel, and brass, and among these, copper is preferred from the viewpoints of ease of processing and cost. When the current collector 104 is made of a metal material, examples of the shape of the negative electrode current collector include metal foil, metal plate, metal thin film, expanded metal, punched metal, and foamed metal.

ここで、図1に示すように、集電板104には、カソード101にガス(原料ガスや生成ガス)を供給及び回収するためのガス供給孔104-1及びガス回収孔104-2が設けられている。当該ガス供給孔104-1及び当該ガス回収孔104-2により、カソード101に均一且つ効率よく原料ガスを送り込み生成ガス(未反応原料ガスを含む)を排出することが可能となる。なお、当該図では、ガス供給孔及びガス回収孔がそれぞれ1個ずつ設けられているが、その数・場所・大きさは限定されず、適宜設定される。加えて、集電板104が通気性のあるものである場合には、ガス供給孔及びガス回収孔は必ずしも必要無い。 As shown in FIG. 1, the current collector 104 is provided with a gas supply hole 104-1 and a gas recovery hole 104-2 for supplying and recovering gas (raw material gas and generated gas) to the cathode 101. The gas supply hole 104-1 and the gas recovery hole 104-2 make it possible to uniformly and efficiently feed raw material gas to the cathode 101 and discharge generated gas (including unreacted raw material gas). In the figure, one gas supply hole and one gas recovery hole are provided, but the number, location, and size are not limited and are set appropriately. In addition, if the current collector 104 is breathable, the gas supply hole and the gas recovery hole are not necessarily required.

なお、カソード101が電子を伝達する役割を持っている場合には、集電板104は必ずしも必要無い。 If the cathode 101 has the role of transmitting electrons, the current collector 104 is not necessarily required.

<支持板105>
支持板105は、アノード102を支持する役割を果たす。したがって、アノード102の厚み・剛性等により、求められる支持板105の剛性も変わる。また、当該支持板105は、アノード102からの電子を受け取るべく、電気伝導性を有している必要がある。支持板105の材料としては、例えば、Ti、SUS、Niを挙げることができる。
<Support Plate 105>
The support plate 105 plays a role in supporting the anode 102. Therefore, the required rigidity of the support plate 105 varies depending on the thickness, rigidity, etc. of the anode 102. In addition, the support plate 105 needs to have electrical conductivity so as to receive electrons from the anode 102. Examples of materials for the support plate 105 include Ti, SUS, and Ni.

ここで、図1に示すように、支持板105には、アノード102に酸化反応の原料(HO等)を送り込むための流路105-1が設けられている。当該流路により、アノード102に均一且つ効率よく酸化反応の原料(ガスや液体)を送り込むことが可能となる。なお、当該図では、9個の流路が設けられているが、その数・場所・大きさは限定されず、適宜設定される。 1, the support plate 105 is provided with a flow path 105-1 for feeding raw materials (H 2 O, etc.) for the oxidation reaction to the anode 102. This flow path makes it possible to feed raw materials (gas or liquid) for the oxidation reaction uniformly and efficiently to the anode 102. Note that, in this figure, nine flow paths are provided, but the number, locations, and sizes of the flow paths are not limited and may be set appropriately.

なお、本形態では、アノード102と支持板105を別体のものとして説明したが、アノード102と支持板105とが一体構造であってもよい(即ち、支持機能を持った、一体型アノードとして構成してもよい)。 In this embodiment, the anode 102 and the support plate 105 are described as separate entities, but the anode 102 and the support plate 105 may be integral (i.e., may be configured as an integrated anode with a support function).

<電圧印加部106>
電圧印加部106は、図1に示すように、集電板104と支持板105に電圧を印加することを通じ、カソード101とアノード102との間に電圧を印加する役割を担う。ここで、前記のように、集電板104は導電体であるため、カソード101に電子を供給する一方、支持板105も導電体であるため、アノード102からの電子を受け取ることになる。なお、前記のように集電板104が必要無い場合においては、カソード101と支持板105との間に電圧は印加される。また、電圧印加部106には、適切な電圧を印加するために、図示しない制御部が電気的に接続されていてもよい。
<Voltage application unit 106>
1, the voltage application unit 106 applies a voltage between the cathode 101 and the anode 102 by applying a voltage to the current collector 104 and the support plate 105. As described above, the current collector 104 is a conductor and therefore supplies electrons to the cathode 101, while the support plate 105 is also a conductor and therefore receives electrons from the anode 102. In addition, in the case where the current collector 104 is not required as described above, a voltage is applied between the cathode 101 and the support plate 105. In addition, a control unit (not shown) may be electrically connected to the voltage application unit 106 in order to apply an appropriate voltage.

<反応ガス供給部>
本開示における固体電解質形電解装置100には、図示しない反応ガス供給部が、固体電解質形電解装置100の外側に備えられていてもよい。すなわち、面101-2に反応ガスであるCOが供給されればよく、図示しない配管などを介して反応ガス供給部からガス供給孔104-1に反応ガスが供給されてもよいし、集電板104の、カソード101との接触面104-Bとは反対側の面104-Aに反応ガスが吹付けられるように設けられていてもよい。また、この反応ガスは、工場から排出される工場排出ガスを用いることが、環境面から好適である。
<Reaction gas supply unit>
The solid electrolyte electrolysis device 100 in the present disclosure may be provided with a reaction gas supply unit (not shown) outside the solid electrolyte electrolysis device 100. That is, it is sufficient that CO 2 , which is a reaction gas, is supplied to the surface 101-2, and the reaction gas may be supplied from the reaction gas supply unit to the gas supply hole 104-1 via a pipe (not shown) or the like, or the reaction gas may be sprayed onto the surface 104-A of the current collector 104 opposite to the contact surface 104-B with the cathode 101. From an environmental perspective, it is preferable to use factory exhaust gas discharged from a factory as the reaction gas.

≪CO生成方法≫
次に、上述した固体電解質形電解装置100を用いたCO生成方法について、図3を用いて説明する。
<CO generation method>
Next, a method for producing CO using the above-mentioned solid electrolyte electrolysis device 100 will be described with reference to FIG.

<反応ガス供給工程S301>
まず、図示しない反応ガス供給部によって、原料としての反応ガスであるCOが気相状態にて固体電解質形電解装置100へ供給される。このとき、COは集電板104に設けられたガス供給孔104-1を介してカソード101に供給される(S301)。
<Reaction gas supply step S301>
First, CO2 , which is a reactant gas serving as a raw material, is supplied in a gas phase state by a reactant gas supply unit (not shown) to the solid electrolyte electrolysis device 100. At this time, CO2 is supplied to the cathode 101 through the gas supply hole 104-1 provided in the current collector plate 104 (S301).

<CO,H生成工程S302>
次に、カソード101に供給されたCOは、カソード101表面において、還元反応により、固体電解質103として陽イオン交換膜を使用した場合には、上述した式(1)及び式(2)の還元反応が起き、固体電解質として陰イオン交換膜を使用した場合には、上述した式(3)及び式(4)の還元反応が起きることで、COとHを少なくとも含んだ合成ガスを生成する(S302)。
<CO, H 2 generation step S302>
Next, the CO 2 supplied to the cathode 101 undergoes a reduction reaction on the surface of the cathode 101. When a cation exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the reduction reactions represented by the above formulas (1) and (2) are carried out. When an anion exchange membrane is used as the solid electrolyte, the reduction reactions of the above-mentioned formulas (3) and (4) occur, producing a synthesis gas containing at least CO and H2. (S302).

<生成ガス回収工程S303>
次に、生成されたCOとHを含んだ合成ガスは、集電板104に設けられたガス回収孔104-2を介して図示しないガス回収装置に送られ、所定のガス毎に回収されることとなる(S303)。
<Produced gas recovery step S303>
Next, the synthesis gas containing the generated CO and H2 is sent to a gas recovery device (not shown) through gas recovery holes 104-2 provided in the current collector 104, and is recovered in predetermined gas fractions (S303).

≪用途≫
図4に示すように、上述したような本開示にかかる固体電解質形電解装置に対して、例えば工場より排出されたCOガスを原料として、電圧印加部106への太陽電池等の再生可能エネルギーを利用することで、所望の生成割合による少なくともCOとHを含有した合成ガスを生成することが可能となる。このようにして生成された合成ガスは、FT合成やメタネーション等の手法により燃料基材や、化学品原料を生成することができる。
<Application>
As shown in Fig. 4, for the solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure as described above, it is possible to generate a synthesis gas containing at least CO and H2 in a desired production ratio by using, for example, CO2 gas discharged from a factory as a raw material and utilizing renewable energy such as a solar cell for the voltage application unit 106. The synthesis gas thus generated can be used to produce a fuel base material or a chemical raw material by a method such as FT synthesis or methanation.

以下に、上述した本実施形態を用いた場合の実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。 The following provides a detailed explanation of the above-described embodiment using examples and comparative examples.

以下の部材を用いて、固体電解質形電解装置を組み立てた。カソードは導電性を有するカーボンブラックと、銀ナノ触媒を混合したものをカーボン紙に付着してカソードとして用いた。アノードは酸化イリジウムを担持したチタンメッシュを用いた。固体電解質としては、塩基点密度が1.0mmol/cmであるアイオノマー製のフッ素樹脂系アイオノマー(第1級アミノ基)の陰イオン交換膜を用いた。また、電解質溶液(電解液)として、0.5M KHCO水溶液を用いた。また、実施例として保護層として、チタンメッシュ(厚さ100μm、開口率83%)を用い、比較例としては保護層を用いずに評価を行った。評価は、カソードの印加電圧をアノード電極に対して、-3.5Vとして、固体電解質形電解装置を稼働させ、CO還元反応を発生させた。CO還元反応を継続させ、CO発生量の経時変化を測定した。初期のCO発生量を100%とし、測定時のCO発生量を初期のCO発生量で除した数値を電極性能維持率として評価した。実施例及び比較例の電極性能維持率の測定結果を図5に示した。その結果、比較例の固体電解質形電解装置では、急速に電極性能が低下し、約20時間を超えると酸化劣化が激しく固体電解質が破れてしまいデータ取得できないのに対し、実施例の電極性能は極わずかな劣化が認められるだけで本開示技術の効果である装置の長寿命化の効果を得られていることが把握できる。 The solid electrolyte electrolysis device was assembled using the following components. The cathode was a mixture of conductive carbon black and silver nano catalyst attached to carbon paper and used as the cathode. The anode was a titanium mesh carrying iridium oxide. The solid electrolyte was an anion exchange membrane of fluorine resin-based ionomer (primary amino group) made of ionomer with a base point density of 1.0 mmol/cm 3. In addition, a 0.5 M KHCO 3 aqueous solution was used as the electrolyte solution (electrolyte). In addition, a titanium mesh (thickness 100 μm, aperture ratio 83%) was used as the protective layer as an example, and an evaluation was performed without using a protective layer as a comparative example. For the evaluation, the applied voltage of the cathode was set to -3.5 V with respect to the anode electrode, and the solid electrolyte electrolysis device was operated to generate a CO 2 reduction reaction. The CO 2 reduction reaction was continued, and the change over time in the amount of CO generated was measured. The initial amount of CO generation was taken as 100%, and the value obtained by dividing the amount of CO generation during measurement by the initial amount of CO generation was evaluated as the electrode performance maintenance rate. The measurement results of the electrode performance maintenance rates of the example and the comparative example are shown in Figure 5. As a result, in the solid electrolyte electrolysis device of the comparative example, the electrode performance rapidly deteriorated, and after about 20 hours, oxidation deterioration was severe and the solid electrolyte was broken, making it impossible to obtain data, whereas in the example, only very slight deterioration was observed in the electrode performance, and it can be seen that the effect of the disclosed technology, which is to extend the life of the device, was obtained.

100 固体電解質形電解装置
101 陰極(カソード)
101-1 陰極の固体電解質と接する面
101-2 陰極の集電板と接する面
102 陽極(アノード)
102-1 陽極の支持板と接する面
102-2 陽極の固体電解質と接する面
103 固体電解質
104 集電板
104-1 集電板のガス供給孔
104-2 集電板のガス回収孔
105 支持板
105-1 支持板の原料流路
106 電圧印加部
107 固体塩基
108 保護層

100 Solid electrolyte electrolytic device 101 Cathode
101-1: Surface of cathode in contact with solid electrolyte 101-2: Surface of cathode in contact with current collector 102: Anode
102-1: Anode surface in contact with support plate 102-2: Anode surface in contact with solid electrolyte 103: Solid electrolyte 104: Current collector plate 104-1: Gas supply hole in current collector plate 104-2: Gas recovery hole in current collector plate 105: Support plate 105-1: Raw material flow path in support plate 106: Voltage application section 107: Solid base 108: Protective layer

Claims (3)

還元反応を行うカソードと、
前記カソードと1対の電極を構成し、水または水溶液を用いた酸素生成反応を促進する電極材料(A)を有するアノードと、
前記カソードと接触状態にて着設される固体電解質層と、
前記アノードと前記固体電解質層との間に接触状態にて着設されて前記アノードと固体電解質とを隔離する保護層と、
を有する固体電解質形電解装置であって、
前記電極材料(A)は、Ir、IrOx、Ru、RuOx、IrRuOxのいずれか1つまたは2種以上を含み、
前記固体電解質層は陰イオン交換膜を有し、
前記保護層は、複数の連続気孔を有する多孔質であり、
前記多孔質は、M+/Mの酸化電位が1V vs NHEより貴側である金属;Fe、Ni、Co、Mn、Cr、V、Ti、Ta、Nb、Zr、W、Moのいずれか1つまたは2種以上を含む合金;または電気伝導性化合物;であることを特徴とする、固体電解質形電解装置。
A cathode for carrying out a reduction reaction;
an anode that forms a pair of electrodes with the cathode and has an electrode material (A) that promotes an oxygen generation reaction using water or an aqueous solution;
a solid electrolyte layer disposed in contact with the cathode;
a protective layer disposed between the anode and the solid electrolyte layer in contact therewith to separate the anode and the solid electrolyte;
A solid electrolyte electrolysis device having
The electrode material (A) contains one or more of Ir, IrOx, Ru, RuOx, and IrRuOx,
The solid electrolyte layer has an anion exchange membrane,
the protective layer is porous and has a plurality of continuous pores;
The porous material is a metal having an oxidation potential of M+/M that is more noble than 1 V vs. NHE; an alloy containing one or more of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, V, Ti, Ta, Nb, Zr, W, and Mo; or an electrically conductive compound.
前記多孔質の開孔率は、40~95%であることを特徴とする請求項1に記載の固体電解質形電解装置。 The solid electrolyte electrolytic device according to claim 1, characterized in that the porosity of the porous material is 40 to 95%. 前記保護層の厚みは、0.5~500μmであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の固体電解質形電解装置。
3. The solid electrolyte electrolytic device according to claim 1, wherein the protective layer has a thickness of 0.5 to 500 μm.
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