WO2012011489A1 - 二酸化炭素分離装置およびその使用方法 - Google Patents

二酸化炭素分離装置およびその使用方法 Download PDF

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mixed gas
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cathode electrode
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宏隆 水畑
俊輔 佐多
吉田　章人
智寿 吉江
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シャープ株式会社
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    • B01D53/326—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00 in electrochemical cells
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide separator for separating carbon dioxide gas from a mixed gas containing oxygen gas such as air and carbon dioxide gas, and a method of using the same.
  • regenerator for example, a high-temperature treatment apparatus
  • the present invention does not require the regenerating operation as described above and the accompanying regenerator, has a simple structure, can be downsized, a method for using the same, and an alkali type using the same.
  • An object is to provide a fuel cell system.
  • the present invention is an apparatus for separating carbon dioxide gas from a mixed gas containing oxygen gas and carbon dioxide gas, and comprises an anode electrode, an anion exchange polymer electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order.
  • a laminated body for supplying a reducing agent to the anode electrode, which is disposed on the outer surface of the anode electrode and is open at least partially on the anode electrode side; and on the outer surface of the cathode electrode
  • a mixed gas supply chamber for supplying a mixed gas to the cathode electrode, wherein the anode electrode and the cathode electrode are electrically connected to each other.
  • a carbon separator is provided.
  • the anode electrode and the cathode electrode can be electrically connected via a power generator together with a resistor (preferably a variable resistor) or, if necessary, the resistor.
  • a resistor preferably a variable resistor
  • the anode electrode has an anode catalyst layer laminated on one surface of the anion exchange polymer electrolyte membrane, and the cathode electrode is the other surface of the anion exchange polymer electrolyte membrane. It is preferable to have a cathode catalyst layer laminated on the substrate. At this time, the anode catalyst layer preferably has a volume larger than that of the cathode catalyst layer. For example, by making the area of the anion exchange polymer electrolyte membrane side surface of the anode catalyst layer larger than the area of the anion exchange polymer electrolyte membrane side surface of the cathode catalyst layer, the volume of the anode catalyst layer is reduced to the cathode catalyst layer. It can be larger than the volume of the layer.
  • the carbon dioxide separator according to the present invention may further include a temperature control device for increasing the temperature of the anode electrode.
  • a temperature control device for increasing the temperature of the anode electrode.
  • this resistor may also serve as a temperature control device.
  • the carbon dioxide separation laminate provided in the carbon dioxide separation apparatus of the present invention may be a cylindrical laminate comprising a cathode electrode, an anion exchange polymer electrolyte membrane, and an anode electrode in order from the inside.
  • the mixed gas supply chamber can be formed of a hollow portion of such a carbon dioxide separation laminate.
  • the mixed gas supply chamber includes a first mixed gas supply chamber and a second mixed gas supply chamber that are spatially separated from each other, and the cathode electrode includes 2 is in contact with only the space forming the mixed gas supply chamber, and the space forming the first mixed gas supply chamber is in contact with the anion exchange polymer electrolyte membrane.
  • the total area of the area where the space that forms the first mixed gas supply chamber and the anion exchange polymer electrolyte membrane is in contact with the space that forms the second mixed gas supply chamber and the cathode electrode It is preferable that the total area is larger than the total area of the regions in contact with each other.
  • the reducing agent supply chamber has a reducing agent inlet for introducing the reducing agent and a reducing agent outlet for discharging a gas containing the reducing agent and carbon dioxide gas.
  • the mixed gas supply chamber preferably has a mixed gas inlet for introducing the mixed gas and a processing gas outlet for discharging the processing gas from which carbon dioxide has been reduced or removed.
  • the present invention also includes the carbon dioxide separator and an alkaline fuel cell having at least an anode electrode, an electrolyte layer, and a cathode electrode in this order, and the processing gas discharged from the processing gas discharge port of the carbon dioxide separator is
  • the alkaline fuel is supplied to the cathode electrode of the alkaline fuel cell and the reducing agent discharged from the anode electrode of the alkaline fuel cell is introduced into the reducing agent supply chamber from the reducing agent inlet of the carbon dioxide separator.
  • a battery system is provided.
  • the present invention provides a method for using the carbon dioxide separator.
  • the method of using the carbon dioxide separator according to the present invention is characterized in that the pressure in the mixed gas supply chamber is made higher than the pressure in the reducing agent supply chamber.
  • the pressure in the mixed gas supply chamber can be made higher than the pressure in the reducing agent supply chamber by pressurizing the mixed gas and introducing it into the mixed gas supply chamber.
  • the present invention also relates to a method of using the carbon dioxide separator in which an anode electrode and a cathode electrode are electrically connected via a variable resistor, wherein the amount of current flowing between the anode electrode and the cathode electrode is a predetermined amount.
  • the method of using the carbon dioxide separator characterized by reducing the resistance value of the variable resistance when the value is lower than the above, and the carbon dioxide in which the anode electrode and the cathode electrode are electrically connected via the power generator
  • a method for using a carbon dioxide separator characterized in that when the amount of current flowing between an anode electrode and a cathode electrode falls below a predetermined amount, the output voltage of the power generator is increased. I will provide a.
  • the present invention since it is not necessary to provide an adsorbent or absorbent regenerator which is essential for a carbon dioxide separator using a carbon dioxide adsorbent or absorbent, it has a simple structure and can be downsized. A possible carbon dioxide separator can be provided.
  • the system according to the alkaline fuel cell system of the present invention to which the carbon dioxide separator of the present invention is applied as an apparatus for separating carbon dioxide in the oxidant supplied to the alkaline fuel cell, the system is similarly miniaturized. The power generation efficiency of the alkaline fuel cell can be improved.
  • FIG. 6 is a schematic view showing a carbon dioxide separator produced in Example 4.
  • the carbon dioxide separator of the present invention is a device for separating carbon dioxide gas from a mixed gas (such as air) containing oxygen gas and carbon dioxide gas.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a carbon dioxide separator according to this embodiment.
  • a carbon dioxide separator 100 of the present embodiment shown in FIG. 1 includes a flat carbon dioxide separation laminate 10 including an anode electrode 13, an anion exchange polymer electrolyte membrane 11, and a cathode electrode 12 in this order;
  • a reducing agent which is disposed on the outer surface of 13 (the surface opposite to the anion exchange polymer electrolyte membrane 11) and has a space in which at least a part (all in FIG. 1) on the anode electrode 13 side is open.
  • Reducing agent supply chamber 30 for supplying to the anode electrode 13; disposed on the outer surface of the cathode electrode 12 (surface opposite to the anion exchange polymer electrolyte membrane 11), and at least a part of the cathode electrode 12 side (FIG.
  • an electrode 12 is a plate-like device composed of wiring 40 serving as connection means are electrically connected.
  • the reducing agent supply chamber 30 disposed on the anode side is formed of a reducing agent supply plate 31 having a recess that forms the reducing agent supply chamber 30.
  • 33 is provided on the opposite side surfaces of the reducing agent supply plate 31.
  • the reducing agent inlet 32 and the reducing agent outlet 33 communicate with the reducing agent supply chamber 30.
  • the mixed gas supply chamber 20 disposed on the cathode side is formed of a mixed gas supply plate 21 having a recess that forms the mixed gas supply chamber 20.
  • a mixed gas inlet 22 for introducing the mixed gas into the mixed gas supply chamber 20 and a processing gas in which carbon dioxide is separated or reduced or removed.
  • a processing gas discharge port 23 is provided for discharging gas. The mixed gas introduction port 22 and the processing gas discharge port 23 communicate with the mixed gas supply chamber 20.
  • the anode electrode 13 has an anode catalyst layer laminated on one surface of the anion exchange polymer electrolyte membrane 11, and the cathode electrode 12 is on the other surface of the anion exchange polymer electrolyte membrane 11.
  • the cathode catalyst layer is laminated.
  • carbon dioxide can be efficiently removed or reduced from a mixed gas containing oxygen gas and carbon dioxide gas. That is, when a mixed gas such as air is introduced into the mixed gas supply chamber 20 through the mixed gas inlet 22, the following formula (1) is obtained in the cathode catalyst layer of the cathode electrode 12.
  • OH ⁇ is generated by the catalytic reaction represented by the following formula, and CO 2 in the mixed gas is represented by the following formula (2): CO 2 + 2OH ⁇ ⁇ CO 3 2 ⁇ + H 2 O (2)
  • the neutralization reaction represented by the formula (1) is caused and taken into the cathode electrode 12 and the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 as anions (CO 3 2 ⁇ ).
  • Such absorption of carbon dioxide at the cathode side separates carbon dioxide in the mixed gas.
  • OH ⁇ which is a charge carrier from the cathode side to the anode side plays a role as a neutralizing agent for CO 2 .
  • the processing gas (oxygen-containing gas) from which CO 2 has been reduced or removed is discharged from the processing gas discharge port 23.
  • regeneration of OH ⁇ that functions as a neutralizing agent is performed in parallel with absorption of carbon dioxide on the cathode side.
  • a separate device for regenerating the neutralizing agent is not required, and the device can be simplified and downsized.
  • the term “regeneration of OH ⁇ ” as used herein means that the OH ⁇ concentration decreased by substitution of OH ⁇ with CO 3 2 ⁇ according to the above formula (2) is the production of OH ⁇ according to the above formula (1) and the above. It means recovery by CO 3 2- emission (emission as CO 2 ) according to equation (3).
  • the anion exchange type polymer electrolyte membrane 11 has a gas barrier property, can conduct OH 2 ⁇ ions, and prevents a short circuit between the anode electrode 13 and the cathode electrode 12.
  • the electrolyte is not particularly limited as long as it is made of an anion conductive solid polymer electrolyte having electrical insulation, and examples of such an electrolyte include hydrocarbon polymer electrolytes and fluororesin polymer electrolytes.
  • hydrocarbon polymer electrolyte examples include an electrolyte obtained by amination of a chloromethylated product of a copolymer of aromatic polyether sulfonic acid and aromatic polythioether sulfonic acid.
  • chloromethylating agent chloromethoxymethane, 1,4-bis (chloromethoxy) butane, 1-chloromethoxy-4-chlorobutane, formaldehyde-hydrogen chloride, paraformaldehyde-hydrogen chloride and the like can be used.
  • the chloromethylated product thus obtained is reacted with an amine compound to introduce an anion exchange group.
  • amine compound a monoamine, a polyamine compound having two or more amino groups in one molecule, and the like can be used.
  • ammonia monoalkylamines such as methylamine, ethylamine, propylamine, and butylamine
  • dialkylamines such as dimethylamine and diethylamine
  • aromatic amines such as aniline and N-methylaniline
  • pyrrolidine piperazine, morpholine, and the like
  • Monoamines such as heterocyclic amines
  • polyamine compounds such as m-phenylenediamine, pyridazine, and pyrimidine can be used.
  • examples of the fluororesin-based polymer electrolyte include a polymer in which the terminal of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group is quaternized by treatment with diamine.
  • the anion exchange polymer electrolyte membrane can be formed by applying and drying a paste containing the above electrolyte and a solvent.
  • a commercially available anion exchange type polymer electrolyte membrane may be used.
  • Examples of commercially available anion-exchange polymer electrolyte membranes include fluorine resin polymer electrolytes such as “Tosflex IE-SF34” (manufactured by Tosoh Corporation); for example, “Aciplex A-201”.
  • the thickness of the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 is preferably 10 to 200 ⁇ m, more preferably 25 to 100 ⁇ m, considering both the miniaturization of the device and the mechanical strength.
  • the anode electrode 13 formed on one surface of the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 and the cathode electrode 12 formed on the other surface are usually provided with at least a catalyst (respectively an anode catalyst, A catalyst layer (respectively an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer) comprising a porous layer containing a cathode catalyst) and an electrolyte (respectively an anode electrolyte and a cathode electrolyte) is provided.
  • a catalyst (respectively an anode catalyst, A catalyst layer (respectively an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer) comprising a porous layer containing a cathode catalyst) and an electrolyte (respectively an anode electrolyte and a cathode electrolyte) is provided.
  • catalyst layers are laminated in contact with the surface of the anion exchange polymer electrolyte membrane 11.
  • the cathode catalyst contained in the cathode catalyst layer causes a catalytic reaction to generate OH ⁇ from the mixed gas and water supplied to the cathode electrode 12 and the electrons transferred from the anode electrode 13 (the above formula (1) )).
  • the cathode electrolyte has a function of conducting CO 3 2 ⁇ generated by the neutralization reaction of the above formula (2) and OH ⁇ generated by the catalytic reaction of the above formula (1) to the anion exchange type polymer electrolyte membrane 11.
  • the anode catalyst contained in the anode catalyst layer is a catalytic reaction that generates free CO 2 from the reducing agent supplied to the anode electrode 13 and CO 3 2 ⁇ transmitted from the cathode electrode 12 side (the above formula).
  • the catalytic reaction represented by is produced.
  • the anode electrolyte has a function of conducting CO 3 2 ⁇ or OH ⁇ transmitted from the cathode electrode 12 side to the catalytic reaction site (three-phase interface).
  • anode catalyst and the cathode catalyst conventionally known catalysts capable of causing the above catalytic reaction can be used, and for example, those used in alkaline fuel cells can be employed.
  • Specific examples of the anode catalyst and the cathode catalyst include, for example, platinum, iron, cobalt, nickel, palladium, silver, ruthenium, iridium, molybdenum, manganese, a metal compound thereof, and an alloy containing two or more of these metals. And the like.
  • the alloy is preferably an alloy containing at least two of platinum, iron, cobalt, and nickel.
  • the anode catalyst and the cathode catalyst may be the same or different.
  • the anode catalyst and the cathode catalyst are preferably those supported on a carrier, preferably a conductive carrier.
  • a carrier preferably a conductive carrier.
  • the conductive carrier include carbon black such as acetylene black, furnace black, channel black, and ketjen black, and conductive carbon particles such as graphite and activated carbon.
  • carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube, carbon nanowire, and the like can be used.
  • the supported amount of the catalyst is usually 1 to 80 parts by weight, preferably 3 to 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carrier.
  • the same electrolytes as those constituting the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 such as the above-mentioned hydrocarbon polymer electrolyte and fluororesin polymer electrolyte can be used.
  • the content ratio of the catalyst and the electrolyte in the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is usually 5/1 to 1/4, preferably 3/1 to 1/3, based on weight.
  • a catalyst paste containing a catalyst (which may be supported on a carrier), an electrolyte and a solvent is prepared, and this is used as an anion exchange polymer electrolyte membrane 11 or an anode gas diffusion layer described later. It can be formed by applying to the surface of the cathode gas diffusion layer and drying.
  • the anode electrode 13 and the cathode electrode 12 may each include an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer laminated on the catalyst layer. These gas diffusion layers have a function of diffusing a gas (reducing agent or mixed gas) supplied to the anode electrode 13 and the cathode electrode 12 in the plane, and a function of transferring electrons to and from the catalyst layer.
  • a gas reducing agent or mixed gas
  • anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer since the specific resistance is small and the voltage drop is suppressed, carbon materials; conductive polymers; noble metals such as Au, Pt, Pd; Ti, Ta, W, It is possible to use a porous material composed of transition metals such as Nb, Ni, Al, Cu, Ag, Zn; nitrides or carbides of these metals; and alloys containing these metals typified by stainless steel. preferable. More specifically, as the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer, for example, a foam metal, a metal fabric and a metal sintered body made of the above-mentioned noble metal, transition metal or alloy; and carbon paper, carbon cloth, carbon particles are used. The containing epoxy resin film etc. can be used conveniently.
  • the reducing agent supply chamber 30 is disposed on the outer surface of the anode electrode 13 (the surface opposite to the anion exchange polymer electrolyte membrane 11), and the reducing agent is supplied to the anode electrode. 13, and can be formed using a reducing agent supply plate 31.
  • the reducing agent supply plate 31 can be, for example, a member having a recess that forms a space constituting the reducing agent supply chamber 30, and the reducing agent supply plate 31 so that the opening of the recess faces the anode electrode 13. Can be formed on the anode electrode 13 to form the reducing agent supply chamber 30.
  • the reducing agent supply chamber 30 formed in this way is a space in which at least a part on the anode electrode 13 side is open to the anode electrode 13.
  • a reducing agent introduction port 32 communicating with the reducing agent supply chamber 30 for introducing the reducing agent into the reducing agent supply chamber 30, and the inside of the reducing agent supply chamber 30.
  • the reducing agent discharge port 33 communicating with the reducing agent supply chamber 30 for discharging gas, the reducing agent can be circulated in the reducing agent supply chamber 30.
  • the gas discharged from the reducing agent discharge port 33 is a gas containing free CO 2 generated at the anode electrode 13 and an unreacted reducing agent.
  • the mixed gas supply chamber 20 is disposed on the outer surface of the cathode electrode 12 (the surface opposite to the anion exchange polymer electrolyte membrane 11), and supplies the mixed gas to the cathode electrode 12. It can be formed using the supply plate 21.
  • the mixed gas supply plate 21 can be, for example, a member having a recess that forms a space constituting the mixed gas supply chamber 20, and the mixed gas supply plate 21 so that the opening of the recess faces the cathode electrode 12. Can be formed on the cathode electrode 12 to form the mixed gas supply chamber 20.
  • the mixed gas supply chamber 20 formed in this way is a space in which at least a part on the cathode electrode 12 side is open to the cathode electrode 12.
  • a mixed gas introduction port 22 communicating with the mixed gas supply chamber 20 for introducing the mixed gas into the mixed gas supply chamber 20 and a carbon dioxide separation process are performed on the opposite side surfaces of the mixed gas supply plate 21.
  • the processing gas discharge port 23 communicating with the mixed gas supply chamber 20 for discharging the processing gas from which carbon dioxide has been reduced or removed the mixed gas can be circulated in the mixed gas supply chamber 20. At the same time, it is possible to recover the processing gas from which carbon dioxide has been reduced or removed.
  • the material of the reducing agent supply plate 31 and the mixed gas supply plate 21 is not particularly limited, and various metal materials such as aluminum and stainless steel, various plastic materials such as acrylic resin, and carbon powder such as graphite are polymer materials such as phenol resin. A bound resin impregnated carbon material can be used.
  • a metal material having electronic conductivity It is preferable to use a resin-impregnated carbon material such as aluminum or stainless steel.
  • the thickness of the reducing agent supply plate 31 and the mixed gas supply plate 21 is, for example, 2 to 30 mm, and preferably 5 to 15 mm.
  • the mixed gas introduction port 22 installed on the side surface of the mixed gas supply plate 21 and the reducing agent introduction port 32 installed on the side surface of the reducing agent supply plate 31 are on the same side surface of these supply plates.
  • the present invention is not limited to this, and the mixed gas inlet 22 and the reducing agent outlet 33 may be installed on the same side surface.
  • the cathode In the vicinity of the gas mixture inlet 22 has a high CO 2 concentration in the mixed gas, in the vicinity of a reducing agent inlet port 32, is arranged such because of its low CO 2 concentration in the reducing agent, as shown in FIG. 1, the cathode This is more advantageous in that the concentration difference of CO 2 between the side and the anode side can be increased, thereby further improving the carbon dioxide separation rate.
  • the carbon dioxide separator 100 of the present embodiment introduces a mixed gas into the mixed gas supply chamber 20 and introduces a reducing agent into the reducing agent supply chamber 30, thereby causing the above-described neutralization reaction and catalytic reaction to be mixed.
  • the carbon dioxide separation treatment of the gas, the discharge of the carbon dioxide gas from the reducing agent discharge port 33, and the regeneration of OH ⁇ as the neutralizing agent are continuously performed.
  • the mixed gas is introduced into the mixed gas supply chamber 20 by supplying a mixed gas connected to a mixed gas inlet 22 such as a pump, a fan, and a blower (blower) as in the carbon dioxide separator 200 shown in FIG. This can be done using the device 60.
  • the mixed gas supply device 60 may be housed in a mixed gas tank (mixed gas storage tank, not shown) connected to the mixed gas supply device 60 or the mixed gas inlet 22.
  • the mixed gas supply device 60 may be a suction pump connected to the processing gas discharge port 23.
  • the mixed gas to be introduced has a higher pressure in the mixed gas supply chamber 20 during operation than in the reducing agent supply chamber 30. Therefore, as the mixed gas supply device 60, a device that can pressurize the mixed gas and introduce it into the mixed gas supply chamber 20, such as a pump, is preferably used as the mixed gas supply device 60.
  • the carbon dioxide absorption rate on the cathode side can be further increased by increasing the pressure in the mixed gas supply chamber 20 to increase the carbon dioxide partial pressure in the mixed gas supply chamber 20. .
  • the separation rate of carbon dioxide can be further improved, which contributes to further increase in the amount of mixed gas processing and downsizing of the apparatus.
  • the reducing agent supply device 61 connected to the reducing agent introduction port 32 such as a pump, a fan, and a blower (blower) as shown in FIG.
  • a reducing agent supply device connected to the reducing agent discharge port 33 such as a suction pump.
  • a suction pump or the like By using a suction pump or the like to reduce the inside of the reducing agent supply chamber 30 and lower the partial pressure of carbon dioxide in the reducing agent supply chamber 30, the carbon dioxide release rate on the anode side can be further increased. Thereby, the separation rate of carbon dioxide can be further improved.
  • a method of making the pressure in the mixed gas supply chamber 20 higher than the pressure in the reducing agent supply chamber 30 a method of pressurizing and introducing the mixed gas into the mixed gas supply chamber 20, a reducing agent discharge port
  • the method of reducing the pressure in the reducing agent supply chamber 30 by sucking the gas from 33 and a combination thereof are mentioned.
  • a method of introducing the gas mixture under pressure is used. preferable. This is because, since the partial pressure of carbon dioxide in the reducing agent supply chamber 30 is relatively small, the effect of improving the carbon dioxide treatment speed is relatively small even if the partial pressure is lowered, while the dioxide dioxide in the mixed gas supply chamber 20 is relatively small.
  • the carbon partial pressure is relatively large, and the effect of improving the carbon dioxide treatment rate obtained when the partial pressure is increased is relatively large.
  • a pressure difference is provided between the mixed gas supply chamber 20 and the reducing agent supply chamber 30, the mechanical strength of the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 is improved, and the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 due to the pressure difference is improved. From the viewpoint of preventing the damage, it is preferable to increase the thickness, specifically, about 25 to 100 ⁇ m.
  • the mixed gas supplied to the cathode electrode 12 preferably contains moisture.
  • the carbon separator preferably includes a humidifier 50 on the upstream side of the mixed gas supply chamber 20.
  • a humidifier 51 for imparting moisture to the reducing agent is provided with a reducing agent. It may be provided upstream of the supply chamber 30.
  • the reducing agent introduced into the reducing agent supply chamber 30 is preferably a gaseous reducing agent not containing carbon atoms, and for example, H 2 gas can be used.
  • a gaseous reducing agent not containing carbon atoms When a reducing agent containing carbon atoms is used, the amount of CO 2 produced at the anode electrode 13 as a result of the production of CO 2 derived from the reducing agent in the oxidation reaction between the reducing agent produced at the anode electrode 13 and CO 3 2 ⁇ .
  • the reaction of the above formula (2) occurs at the anode electrode 13 as compared with the case where a reducing agent containing no carbon atom is used, OH ⁇ in the electrolyte membrane functioning as a neutralizing agent.
  • the mixed gas supplied to the mixed gas supply chamber 20 and subjected to the carbon dioxide separation treatment is not particularly limited as long as it includes O 2 and CO 2, and may be air or the like.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the carbon dioxide separator according to this embodiment.
  • the carbon dioxide separator 300 of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except that the anode electrode 13 and the cathode electrode 12 are electrically connected via a resistor. That is, in this embodiment, the resistor 80 is interposed in the wiring 40.
  • the resistor 80 is preferably a variable resistor.
  • the amount of mixed gas supplied to the cathode electrode 12 changes, the amount of CO 2 to be separated also changes.
  • the resistance value of the variable resistor is decreased,
  • the amount of current flowing between the anode electrode 13 and the cathode electrode 12 can be controlled, for example, by increasing the resistance value of the variable resistor.
  • the carbon dioxide separator of the present invention includes a detection unit that detects the amount of mixed gas introduced into the mixed gas supply chamber 20, and the You may have the control part which changes the resistance value of a variable resistance based on the detection result of a detection part.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the carbon dioxide separator according to this embodiment.
  • the carbon dioxide separator 400 of this embodiment is the same as that of the first embodiment except that the anode electrode 13 and the cathode electrode 12 are electrically connected via a resistor 80 and a power generator 90. . That is, in this embodiment, the resistor 80 and the power generation device 90 are interposed in the wiring 40.
  • the power generator 90 is useful, for example, when the amount of CO 2 to be separated is large and the amount of current generated by the series of reactions of the above formulas (1) to (3) is insufficient. In such a case, the power generation device 90 is used to forcibly increase the amount of current flowing between the anode electrode 13 and the cathode electrode 12, thereby increasing the reaction rate of the catalytic reaction and thus the separation rate of carbon dioxide. be able to. Further, when the neutralization reaction (reaction of the above formula (2)) proceeds on the cathode side and the resistance value of the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 increases, deterioration of the electrode over time (catalyst aggregation, flooding, etc.) occurs.
  • the amount of current flowing between the anode electrode 13 and the cathode electrode 12 may decrease. Such a decrease in the amount of current reduces the carbon dioxide separation rate.
  • the power generation device is operated, or the output voltage is increased to assist the potential difference generated between the anode electrode 13 and the cathode electrode 12, thereby increasing the current amount.
  • the carbon dioxide separation rate can be kept high.
  • the power generation device 90 for example, a DC power source such as a primary battery, a secondary battery, a fuel cell, a DC stabilized power source, or the like can be used.
  • the power generator 90 connects the positive electrode to the anode electrode 13 and the negative electrode to the cathode electrode 12 so that the amount of current flowing from the anode electrode 13 to the cathode electrode 12 can be increased.
  • the resistor 80 and the power generation device 90 may be used in combination, or of course, only the power generation device 90 may be used.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the carbon dioxide separator according to this embodiment.
  • the carbon dioxide separator 500 of this embodiment is the same as that of the first embodiment except that the volume of the anode catalyst layer constituting the anode electrode 13 is larger than the volume of the cathode catalyst layer constituting the cathode electrode 12. It is.
  • FIG. 5 shows a case where the anode electrode 13 and the cathode electrode 12 are each composed only of an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer, but the present invention is not limited to this, and as described above, anode gas diffusion A layer, a cathode gas diffusion layer, and the like may be provided.
  • the carbon dioxide release rate at the anode electrode 13 is slower than the carbon dioxide absorption rate at the cathode electrode 12.
  • the volume of the anode catalyst layer larger than the volume of the cathode catalyst layer, the total area of the three-phase interface in the anode catalyst layer can be made larger than the total area of the three-phase interface in the cathode catalyst layer.
  • the carbon dioxide release rate can be increased. Thereby, the separation rate of carbon dioxide can be further improved, which contributes to further increase in the amount of mixed gas processing and downsizing of the apparatus.
  • the three-phase interface is a portion where the catalyst, electrolyte and reaction gas (reducing agent or oxygen) are in contact with each other in the catalyst layer, and is a portion where all components necessary for the catalytic reaction are brought into contact with each other and the catalytic reaction occurs.
  • the area of the anode catalyst layer is made larger, that is, the surface of the anode catalyst layer on the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 side.
  • the thickness of the anode catalyst layer is made larger than the thickness of the cathode catalyst layer; and combinations thereof.
  • FIG. 5 is an example in which the area of the anode catalyst layer is increased.
  • the concentration of the anode catalyst in the anode catalyst layer is increased, or the catalyst is supported as a catalyst component.
  • the weight of the anode catalyst is made larger than the weight of the cathode catalyst by using a catalyst-supported support having a larger amount of catalyst supported as the anode catalyst component, and thereby the three-phase interface in the anode catalyst layer. It is also possible to increase the total area.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the carbon dioxide separator according to this embodiment.
  • the carbon dioxide separator 600 of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, except that it further includes a temperature control device 95 for increasing the temperature of the anode electrode 13.
  • a temperature control device 95 for increasing the temperature of the anode electrode 13.
  • a heater for example, a sheet-like one
  • the installation location of the temperature control device 95 is not particularly limited as long as it can heat the anode electrode 13, but is preferably on the surface of the reducing agent supply plate 31.
  • the temperature of the cathode electrode 12 is controlled by the temperature control device 95 installed on the anode side. It is preferable that the configuration does not rise as much as possible. Specific examples of such a configuration include increasing the thickness of the anion exchange polymer electrolyte membrane 11; providing a heat dissipating fan on the outer surface of the mixed gas supply plate 21, and the like. However, since the carbon dioxide absorption rate at the cathode electrode 12 is sufficiently larger than the carbon dioxide release rate at the anode electrode 13, the temperature of the cathode electrode 12 is increased by the temperature control device 95 installed on the anode side. The adverse effect on the carbon dioxide separation rate is not so great.
  • the temperature control device 95 When the temperature control device 95 is installed on the anode side, the temperature control device 95 is electrically connected to the anode electrode 13 and the cathode electrode 12 as in the carbon dioxide separation device 700 shown in FIG.
  • the resistor 80 interposed in the wiring 40 can be used, and the resistor 80 can also serve as the temperature control device 95.
  • Such a configuration is advantageous in that the apparatus can be simplified, and since no external energy is required to operate the temperature control apparatus 95, energy efficiency can be improved.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the carbon dioxide separator according to this embodiment.
  • the carbon dioxide separation laminate 10 provided in the carbon dioxide separation devices of the first to fifth embodiments has a flat plate shape, whereas a cylindrical carbon dioxide separation laminate is provided. 10 is used.
  • Other configurations can be the same as those in the first embodiment.
  • the mixed gas supply plate 21 or the reducing agent supply plate 31 is used.
  • the electrode area per unit volume of the carbon dioxide separation laminate 10 can be increased, thereby improving the mixed gas throughput per apparatus volume. Can be made.
  • the order of lamination of the cathode electrode 12, the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 and the anode electrode 13 is the order of the cathode electrode 12 / anion exchange polymer electrolyte membrane 11 / anode electrode 13 from the inside, or the anode electrode 13 / anion.
  • the exchange polymer electrolyte membrane 11 / cathode electrode 12 may be used in this order, but the cathode electrode 12 / anion exchange polymer electrolyte membrane from the inside as in the carbon dioxide separator 800 shown in FIG. 11 / Anode electrode 13 is preferable.
  • Such a stacking sequence is advantageous in that the effect of the fourth embodiment can be obtained at the same time because the volume of the anode catalyst layer is necessarily larger than the volume of the cathode catalyst layer.
  • the reducing agent supply plate 31 or the mixed gas supply plate 21 arranged outside the outer shell electrode has a cylindrical carbon dioxide separation as shown in FIG. It can be provided so as to surround the laminate 10.
  • the space formed between the reducing agent supply plate 31 or the mixed gas supply plate 21 and the outer shell electrode becomes the reducing agent supply chamber 30 or the mixed gas supply chamber 20.
  • FIGS. 9A and 10 are schematic views showing the carbon dioxide separator according to the present embodiment
  • FIGS. 9A and 10A are schematic cross-sectional views when cut in parallel with the stacking direction of each member.
  • FIG. 9B is a schematic top view taken along line AA ′ shown in FIG. 9A
  • FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line BB ′ shown in FIG. It is a schematic top view when cut
  • the carbon dioxide separators 900 and 1000 of the present embodiment have two mixed gas supply chambers, a first mixed gas supply chamber 20a and a second mixed gas supply chamber 20b, whose mixed gas supply chambers are spatially separated from each other. It is characterized by comprising. Other configurations can be the same as those in the first embodiment.
  • the cathode electrode 12 is in contact only with the space forming the second mixed gas supply chamber 20b, and is not in contact with the space forming the first mixed gas supply chamber 20a.
  • the space forming the first mixed gas supply chamber 20 a is in contact with the anion exchange polymer electrolyte membrane 11. That is, the cathode electrode 12 is formed only directly below the second mixed gas supply chamber 20b (only between the second mixed gas supply chamber 20b and the anion exchange polymer electrolyte membrane 11).
  • the mixed gas supply chamber is divided into the first mixed gas supply chamber 20a and the second mixed gas supply chamber 20b, and the second mixed gas supply chamber 20b is formed. Only the cathode electrode 12 is open.
  • the above configuration is advantageous in the following points. That is, in the carbon dioxide separation using the carbon dioxide separator according to the present invention, oxygen in the mixed gas containing oxygen and carbon dioxide, which is the gas to be treated, is partially consumed by the catalytic reaction of the above formula (1). .
  • oxygen concentration in the processing gas from which carbon dioxide has been reduced or removed for example, as described later, when the processing gas is used as an oxidant to be supplied to the cathode electrode of an alkaline fuel cell, If the oxygen concentration of the processing gas is low, the power generation efficiency of the fuel cell is reduced), and it is necessary to separate carbon dioxide while suppressing oxygen consumption by the above formula (1) as much as possible.
  • the space forming the second mixed gas supply chamber 20 b is opened to the cathode electrode 12, and the space forming the first mixed gas supply chamber 20 a is anion exchanged without opening to the cathode electrode 12. Since it is configured to be in contact with the polymer electrolyte membrane 11, oxygen is consumed only for the mixed gas introduced into the second mixed gas supply chamber 20b (of course, carbon dioxide is also absorbed). The mixed gas introduced into the mixed gas supply chamber 20a does not consume oxygen and only absorbs carbon dioxide.
  • the carbon dioxide separators 900 and 1000 of the present embodiment are introduced into the second mixed gas supply chamber 20b as a reaction reagent for the reaction of the above formula (1), which is essential for performing carbon dioxide separation. Therefore, the processing gas obtained by passing through the first mixed gas supply chamber 20a can be taken out as an oxygen-containing gas whose oxygen concentration is maintained.
  • the processing gas with maintained oxygen concentration obtained by passing through the first mixed gas supply chamber 20a is useful as, for example, an oxidant supplied to the cathode electrode of an alkaline fuel cell. Since the processing gas has a sufficiently high oxygen concentration, a fuel cell using the processing gas as an oxidant exhibits high power generation efficiency. Note that the method of using the processing gas obtained by passing through the second mixed gas supply chamber 20b is arbitrary, but in terms of application to a fuel cell, it is preferable to supply the fuel gas outside the system without supplying it to the fuel cell. To be discharged.
  • the total area of the area where the space forming the first mixed gas supply chamber 20 a and the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 are in contact is determined as the second mixed gas supply. It is preferable to make it larger than the total area of the region where the space forming the chamber 20b and the cathode electrode 12 are in contact.
  • the reason for this is as follows. That is, in carbon dioxide separation using the carbon dioxide separator of the present invention, the amount of charge generated by the catalytic reaction of the above formula (3) is balanced with the amount of charge consumed by the catalytic reaction of the above formula (1). It is desirable.
  • the catalytic reaction of the above formula (1) is performed.
  • the total area of the area where the space forming the first mixed gas supply chamber 20a and the anion exchange polymer electrolyte membrane 11 are in contact with each other is set as the second mixed gas supply. It is extremely effective to make it larger than the total area of the region where the space forming the chamber 20b and the cathode electrode 12 are in contact with each other.
  • the shapes of the first mixed gas supply chamber 20a and the second mixed gas supply chamber 20b are not particularly limited as long as they are spatially separated from each other.
  • FIG. 9 (b) and FIG. 10 (b) Can be composed of two serpentine-shaped channels extending without crossing each other in parallel, or they can be line-shaped channels extending in parallel with each other. This is advantageous in that the reaction of the above formula (1) can be performed uniformly over the entire electrode area, and local temperature rise and local catalyst deterioration are less likely to occur.
  • the two mixed gas supply chambers spatially separated from each other have a mixed gas in which two grooves having a shape corresponding to the shape of the two mixed gas supply chambers are formed on one surface. It can be formed using the supply plate 21. In FIGS.
  • reference numerals 22a and 23a denote a first mixed gas inlet and a first processing gas outlet connected to the first mixed gas supply chamber 20a, respectively.
  • 22b, and 23b are a second mixed gas inlet and a second processing gas outlet connected to the second mixed gas supply chamber 20b, respectively.
  • Alkaline fuel cells include those that use an anion exchange polymer electrolyte and those that use an alkaline aqueous solution as the electrolyte. In either case, the electrolyte contains OH ⁇ ions as charge carriers. It is.
  • an oxygen-containing gas containing carbon dioxide as an oxidant such as air containing carbon dioxide
  • OH ⁇ in the electrolyte membrane is replaced with CO 3 2- and the ion conduction resistance increases.
  • a process gas obtained by carbon dioxide separation treatment of a mixed gas (such as air) containing oxygen and carbon dioxide using the carbon dioxide separator of the present invention is used as an oxidant for supplying the cathode electrode of an alkaline fuel cell.
  • a decrease in power generation efficiency of the alkaline fuel cell can be suppressed.
  • FIG. 11 is a schematic view showing a preferred example of the alkaline fuel cell system of the present invention.
  • the alkaline fuel cell system shown in FIG. 11 includes a fuel cell stack 2 having a stack structure of alkaline fuel cells 1 as unit cells (for example, a plurality of alkaline fuel cells 1 connected in series), and the present invention. And a carbon dioxide separator 3 according to the above.
  • the processing gas discharge port of the mixed gas supply chamber included in the carbon dioxide separator 3 is connected to the cathode electrode side of each alkaline fuel cell 1 included in the fuel cell stack 2 (for example, an oxidant (processing gas) such as air on the cathode electrode).
  • an oxidant processing gas
  • each alkaline fuel cell 1 for example, an anode separator for supplying a reducing agent such as H 2 to the anode electrode
  • the anode side of each alkaline fuel cell 1 is connected in series via a flow path, and one reducing agent is provided.
  • a flow path is formed (solid line in FIG. 11).
  • One end of the reducing agent channel is connected to a reducing agent inlet of a reducing agent supply chamber of the carbon dioxide separator 3 (solid line in FIG. 11).
  • the reducing agent such as H 2 introduced from the other end of the reducing agent channel is discharged through the anode side of all alkaline fuel cells 1 and then reduced from the reducing agent inlet of the carbon dioxide separator 3. It will be introduced into the agent supply chamber.
  • the alkaline fuel cell system having the above-described configuration not only the power generation efficiency of the alkaline fuel cell can be suppressed, but also the unreacted reducing agent discharged from the fuel cell stack 2 can be removed by the carbon dioxide separator 3. It can be effectively used as a reducing agent required in carbon dioxide separation treatment.
  • the carbon dioxide separator 3 functions as a reducing agent removing device, a separate removing device is not required, and the fuel cell system can be simplified and the system cost can be reduced.
  • the carbon dioxide separator 3 according to the present invention has a structure similar to that of an alkaline fuel cell, the construction (modularization) of the fuel cell system is easy from the viewpoint of manufacturing.
  • the alkaline fuel cell 1 As the alkaline fuel cell 1, a conventionally known battery including at least an anode electrode, an electrolyte layer (for example, an anion exchange polymer electrolyte membrane), and a cathode electrode in this order is used. it can.
  • the structure of the fuel cell stack 2 in which the alkaline fuel cells 1 are stacked is not particularly limited, and may be a conventionally known one.
  • the fuel cell stack 2 may be a combination of alkaline fuel cells 1 connected in parallel.
  • Example 1 A carbon dioxide separator having a structure similar to that shown in FIG. 3 was produced by the following procedure.
  • catalyst-supporting carbon particles (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a Pt loading of 50 wt% Pt / C, 7.35 g of the electrolyte solution obtained above, 3 g of isopropanol and 100 g of zirconia beads
  • the mixture was placed in a PTFE container, mixed at 500 rpm for 50 minutes using a stirrer, and then the zirconia beads were removed to prepare a catalyst paste for the anode catalyst layer.
  • catalyst-carrying carbon particles (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a Pt loading of 50 wt% Pt / C, 7.35 g of the electrolyte solution obtained above, 3 g of isopropanol and zirconia 100 g of beads were put into a PTFE container, mixed at 500 rpm for 50 minutes using a stirrer, and then the zirconia beads were removed to prepare a catalyst paste for the cathode catalyst layer.
  • TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.
  • carbon paper (“GDL35BC” manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) as an anode gas diffusion layer was cut into a size of 22.3 mm in length ⁇ 22.3 mm in width, and the anode catalyst layer described above was formed on one surface of the anode gas diffusion layer.
  • a catalyst paste for use with a screen printing plate having a window of 22.3 mm in length and 22.3 mm in width so that the amount of catalyst is 0.5 mg / cm 2, and drying at room temperature An anode electrode 13 was produced in which an anode catalyst layer was formed on the entire surface of one side of the carbon paper that was the anode gas diffusion layer.
  • carbon paper (“GDL35BC” manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) as a cathode gas diffusion layer is cut into a size of 22.3 mm in length ⁇ 22.3 mm in width, and the above-described cathode catalyst layer is formed on one surface of the cathode gas diffusion layer.
  • a catalyst paste for use with a screen printing plate having a window of 22.3 mm in length and 22.3 mm in width so that the amount of catalyst is 0.5 mg / cm 2, and drying at room temperature A cathode electrode 12 having a cathode catalyst layer formed on the entire surface of one surface of carbon paper, which is a cathode gas diffusion layer, was produced.
  • a fluororesin polymer electrolyte membrane (Aciplex manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) cut out to a size of 95.0 mm ⁇ 95.0 mm is used as the anion exchange polymer electrolyte membrane 11, and the anode electrode 13 and the electrolyte membrane are used. 11 and the cathode electrode 12 in this order so that the respective catalyst layers face the electrolyte membrane 11, and then thermocompression bonded at 130 ° C.
  • the anode electrode 13 and the cathode electrode The electrode 12 was joined to the electrolyte membrane 11, and the carbon dioxide separation laminated body 10 provided with the anode electrode 13, the anion exchange type polymer electrolyte membrane 11, and the cathode electrode 12 in this order was obtained.
  • the superposition was performed so that the positions of the anode electrode 13 and the cathode electrode 12 in the plane of the electrolyte membrane 11 matched and the centers of the anode electrode 13, the electrolyte membrane 11 and the cathode electrode 12 matched.
  • a reducing agent supply plate 31 is laminated so that the reducing agent supply chamber 30 side faces the anode gas diffusion layer, and cathode gas diffusion is performed.
  • the mixed gas supply plate 21 is laminated so that the mixed gas supply chamber 20 side faces the cathode gas diffusion layer, these are fastened by bolting, and the reducing agent supply plate 31 and the mixed gas supply plate 21 are
  • a carbon dioxide separator was obtained by joining with a conductive wire (wiring 40) via a resistor 80 (variable resistor manufactured by Akizuki Dentsu Co., Ltd., small volume 1 K ⁇ B).
  • Example 2 A carbon dioxide separation laminate was prepared in the same manner as in Example 1 except that the catalyst paste for the anode catalyst layer was applied to one surface of the anode gas diffusion layer so that the catalyst amount was 1.0 mg / cm 2. This was used to produce a carbon dioxide separator.
  • Example 3 A silicon rubber heater is installed on the surface opposite to the surface facing the anode gas diffusion layer of the reducing agent supply plate 31 of the carbon dioxide separator produced in Example 1, and the carbon dioxide separator of this example is did.
  • Example 4 (1) Production of carbon dioxide separation laminate 10 Carbon paper (“GDL35BC” manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) as a cathode gas diffusion layer is cut into a size of 10.3 mm long ⁇ 22.3 mm wide, and one of the cathode gas diffusion layers On the surface, a screen printing plate having a window of 10.3 mm in length and 22.3 mm in width so that the catalyst amount for the cathode catalyst layer prepared in Example 1 was 0.5 mg / cm 2 was used. The cathode electrode 12 having the cathode catalyst layer formed on the entire surface of one side of the carbon paper, which is the cathode gas diffusion layer, was prepared. A carbon dioxide separation laminate 10 was produced in the same manner as in Example 1 except that this cathode electrode 12 was used.
  • GDL35BC manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.
  • FIG. 12 is a schematic view showing the carbon dioxide separation device produced in this example.
  • FIG. 12 (a) is a cross-sectional view
  • FIG. 12 (b) is FIG. It is a schematic top view when cut along CC ′ line shown in FIG.
  • a first mixed gas supply chamber 20a formed of a substantially M-shaped groove is formed on one surface of an aluminum plate (length 95.0 mm ⁇ width 95.0 mm ⁇ thickness 15.0 mm).
  • the first mixed gas inlet port 22a and the first processing gas outlet port 23a each made of a tube joint (manufactured by Swagelok, part number: SS-400-1-2) are connected to both ends thereof, and A second mixed gas supply chamber 20b made of a substantially U-shaped groove (not communicating with each other) separate from the first mixed gas supply chamber 20a is formed, and second ends made of the same joint as described above are formed at both ends thereof.
  • the mixed gas inlet 22b and the second processing gas outlet 23b were connected to form a mixed gas supply plate 21.
  • the first mixed gas supply chamber 20a and the second mixed gas supply chamber 20b are located in the central region (region consisting of regions X, Y and Z) of the mixed gas supply plate 21.
  • a space in the region Y (length 10.3 mm ⁇ width 22.3 mm) formed by the second mixed gas supply chamber 20b is a space in contact with the cathode electrode 12 (see FIG. 12A).
  • the space in the regions X and Z formed by the first mixed gas supply chamber 20a (both length: 6.0 mm ⁇ width: 22.3 mm) is a space that does not contact the cathode electrode 12, and an anion exchange is directly below the space.
  • the polymer electrolyte membrane 11 is disposed.
  • Carbon dioxide separation as shown in FIG. 12 is performed in the same manner as in Example 1 except that the mixed gas supply plate 21 thus prepared and the carbon dioxide separation laminate 10 obtained in the above (1) are used. Got the device.
  • Air that has been humidified using a humidifier is supplied from the mixed gas inlet 22 into the mixed gas supply chamber 20 at a flow rate of 100 mL / min, and flows between the reducing agent supply plate 31 and the mixed gas supply plate 21.
  • the carbon dioxide separator is operated while adjusting the variable resistance volume so that the current becomes 100 mA, and the processing gas discharged from the processing gas discharge port 23 is bubbled into 100 mL of lime water. And, lime water was measured the time required to cloudy by reaction with carbon dioxide.
  • the processing gas discharged from the first processing gas discharge port 23a was bubbled into 100 mL of lime water, and the above time was measured.
  • Example 1 Evaluation Results In Example 1, it took 30 minutes for the lime water to become cloudy. Replacing the white lime water with a new one and measuring the time required to become white again again confirmed that it was 30 minutes and confirmed that the carbon dioxide separation ability was maintained for a long time. Further, using an oxygen concentration meter G-103 (manufactured by Iijima Electronics Co., Ltd.), the oxygen concentration in the processing gas discharged from the processing gas discharge port 23 and the oxygen concentration in the air supplied from the mixed gas introduction port 22 When the oxygen concentration in the air supplied from the mixed gas inlet 22 is 100, the oxygen concentration in the processing gas discharged from the processing gas outlet 23 may be an oxygen concentration of less than 99. confirmed.
  • Example 2 it took 35 minutes for the lime water to become cloudy, and it was confirmed that the carbon dioxide separation ability was improved as compared with Example 1.
  • Example 3 it took 35 minutes for the lime water to become cloudy, and it was confirmed that the carbon dioxide separation performance was improved as compared with Example 1.
  • Example 4 it took 30 minutes for the lime water to become cloudy, which was equivalent to Example 1. Further, using an oxygen concentration meter G-103 (manufactured by Iijima Electronics Co., Ltd.), the oxygen concentration in the processing gas discharged from the first processing gas discharge port 23a and the supply from the first mixed gas introduction port 22a When the oxygen concentration in the air is detected, when the oxygen concentration in the air supplied from the first mixed gas introduction port 22a is 100, oxygen in the processing gas discharged from the first processing gas discharge port 23a. It was confirmed that the concentration was an oxygen concentration of 99 or more.
  • Example 5 [Production of alkaline fuel cell system] ⁇ Example 5> (1) Production of alkaline fuel cell The same membrane electrode composite as the carbon dioxide separation laminate 10 produced in Example 1 was used. Also, an anode channel (fuel channel) composed of serpentine-like grooves (cross-sectional area 4 mm 2 ) is formed on one surface of an aluminum plate (length 95.0 mm ⁇ width 95.0 mm ⁇ thickness 15.0 mm). After forming so that the end is located on one end face of the aluminum plate, an anode supply port is formed by connecting tube joints (manufactured by Swagelok, part number: SS-400-1-2) to both ends of the anode flow path. An anode discharge port was formed to obtain an anode electrode separator.
  • a serpentine-like groove is a cathode channel (oxidant channel)
  • two joints are a cathode supply port and a cathode discharge port
  • An anode electrode separator is laminated on the anode gas diffusion layer of the membrane electrode composite so that the anode flow channel side faces the anode gas diffusion layer, and the cathode flow channel side is on the cathode gas diffusion layer on the cathode gas diffusion layer.
  • the cathode electrode separators were laminated so as to face each other, and these were fastened by bolting to produce an alkaline fuel cell.
  • H 2 gas humidified using a humidifier set at a water temperature of 48 ° C. is supplied from the anode supply port of the alkaline fuel cell at 100 mL / min. Is supplied at a flow rate of 100 mL / min from the mixed gas inlet 22 of the carbon dioxide separator, and the reducing agent of the carbon dioxide separator is supplied with air humidified using a humidifier set to a water temperature of 48 ° C.
  • the alkaline fuel cell is operated while operating the carbon dioxide separator while adjusting the volume of the variable resistance so that the current flowing between the supply plate 31 and the mixed gas supply plate 21 becomes 100 mA, and the alkaline fuel cell is operated.
  • 1 Alkaline fuel cell 2 Fuel cell stack, 3,100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 Carbon dioxide separator, 10 Carbon dioxide separation laminate, 11 Anion exchange polymer Electrolyte membrane, 12 cathode electrode, 13 anode electrode, 20 mixed gas supply chamber, 20a first mixed gas supply chamber, 20b second mixed gas supply chamber, 21 mixed gas supply plate, 22 mixed gas inlet, 22a first Mixed gas inlet, 22b second mixed gas inlet, 23 processing gas outlet, 23a first processing gas outlet, 23b second processing gas outlet, 30 reducing agent supply chamber, 31 reducing agent supply plate 32, reducing agent inlet, 33 reducing agent outlet, 40 wiring, 50, 51 humidifier, 60 mixed gas supply device, 6 Reducing agent supply device, 70 reducing agent tank, 80 resistors, 90 power generator 95 temperature controller.

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Abstract

　酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための装置であって、アノード電極とアニオン交換形高分子電解質膜とカソード電極とをこの順で備える二酸化炭素分離積層体；アノード電極の外面上に配置され、アノード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、還元剤をアノード電極に供給するための還元剤供給室；および、カソード電極の外面上に配置され、カソード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、混合ガスをカソード電極に供給するための混合ガス供給室を含み、アノード電極とカソード電極とが電気的に接続されている二酸化炭素分離装置およびその使用方法が提供される。

Description

二酸化炭素分離装置およびその使用方法
　本発明は、空気等の酸素ガスと二酸化炭素ガスとを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための二酸化炭素分離装置およびその使用方法に関する。
　混合ガスから二酸化炭素を分離する方法としては、従来、様々な手法が提案されており、なかでも、活性炭、各種複合酸化物、アミン系溶媒、炭酸カリウム水溶液などからなる吸着剤もしくは吸収剤を用いた方法〔たとえば特開２００９－２９７６０１号公報（特許文献１）〕を代表的なものとして挙げることができる。
　しかしながら、吸着剤もしくは吸収剤を用いた方法においては、吸着剤もしくは吸収剤の再生操作が必要であるために、装置内に何らかの再生装置（たとえば高温処理装置など）を付設する必要があり、二酸化炭素分離装置の小型化が困難であるとともに、連続運転が困難であるという問題があった。
特開２００９－２９７６０１号公報
　本発明は、上記のような再生操作およびこれに伴う再生装置の付設が不要で、簡便な構造を有し、小型化が可能な二酸化炭素分離装置およびその使用方法、ならびにこれを用いたアルカリ形燃料電池システムを提供することを目的とする。
　本発明は、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための装置であって、アノード電極とアニオン交換形高分子電解質膜とカソード電極とをこの順で備える二酸化炭素分離積層体；アノード電極の外面上に配置され、アノード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、還元剤をアノード電極に供給するための還元剤供給室；および、カソード電極の外面上に配置され、カソード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、混合ガスをカソード電極に供給するための混合ガス供給室を含み、アノード電極とカソード電極とが電気的に接続されている二酸化炭素分離装置を提供する。
　アノード電極とカソード電極とは、抵抗（好ましくは可変抵抗）、あるいは、必要に応じて該抵抗とともに、発電装置を介して電気的に接続することができる。
　本発明の二酸化炭素分離装置において、アノード電極は、アニオン交換形高分子電解質膜の一方の表面に積層されるアノード触媒層を有し、カソード電極は、アニオン交換形高分子電解質膜の他方の表面に積層されるカソード触媒層を有することが好ましい。この際、アノード触媒層は、その体積をカソード触媒層より大きくすることが好ましい。たとえば、アノード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積を、カソード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積より大きくすることにより、アノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくすることができる。
　本発明の二酸化炭素分離装置は、アノード電極の温度を上昇させるための温度制御装置をさらに備えていてもよい。アノード電極とカソード電極とが抵抗を介して電気的に接続されている場合には、この抵抗が温度制御装置を兼ねていてもよい。
　本発明の二酸化炭素分離装置が備える二酸化炭素分離積層体は、内側から順に、カソード電極とアニオン交換形高分子電解質膜とアノード電極とを備える円筒状の積層体であってもよい。この場合、混合ガス供給室は、このような二酸化炭素分離積層体の中空部からなることができる。
　本発明の二酸化炭素分離装置の好ましい実施形態において、混合ガス供給室は、空間的に互いに分離された第１の混合ガス供給室と第２の混合ガス供給室とからなり、カソード電極は、第２の混合ガス供給室を形成する空間とのみ接しており、かつ、第１の混合ガス供給室を形成する空間は、アニオン交換形高分子電解質膜と接している。このような実施形態においては、第１の混合ガス供給室を形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜とが接する領域の合計面積を、第２の混合ガス供給室を形成する空間とカソード電極とが接する領域の合計面積より大きくすることが好ましい。
　本発明の二酸化炭素分離装置において、還元剤供給室は、還元剤を導入するための還元剤導入口と、還元剤および二酸化炭素ガスを含むガスを排出するための還元剤排出口とを有し、混合ガス供給室は、混合ガスを導入するための混合ガス導入口と、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための処理ガス排出口とを有することが好ましい。
　また本発明は、上記二酸化炭素分離装置と、少なくともアノード極、電解質層およびカソード極をこの順で備えるアルカリ形燃料電池とを含み、二酸化炭素分離装置の処理ガス排出口から排出された処理ガスが、アルカリ形燃料電池のカソード極に供給されるとともに、アルカリ形燃料電池のアノード極から排出された還元剤が二酸化炭素分離装置の還元剤導入口から還元剤供給室内に導入される、アルカリ形燃料電池システムを提供する。
　さらに本発明は、上記二酸化炭素分離装置の使用方法を提供する。本発明の二酸化炭素分離装置の使用方法は、混合ガス供給室内の圧力を、還元剤供給室内の圧力より高くすることを特徴とする。たとえば、混合ガスを加圧して混合ガス供給室内に導入することにより、混合ガス供給室内の圧力を、還元剤供給室内の圧力より高くすることができる。
　また本発明は、アノード電極とカソード電極とが可変抵抗を介して電気的に接続された上記二酸化炭素分離装置の使用方法であって、アノード電極とカソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、可変抵抗の抵抗値を減少させることを特徴とする二酸化炭素分離装置の使用方法、および、アノード電極とカソード電極とが発電装置を介して電気的に接続された上記二酸化炭素分離装置の使用方法であって、アノード電極とカソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、発電装置の出力電圧を増加させることを特徴とする二酸化炭素分離装置の使用方法を提供する。
　本発明によれば、二酸化炭素吸着剤もしくは吸収剤を用いた二酸化炭素分離装置に必須となる吸着剤もしくは吸収剤の再生装置の付設が不要となるため、簡便な構造を有し、小型化が可能な二酸化炭素分離装置を提供することができる。また、アルカリ形燃料電池に供給する酸化剤中の二酸化炭素を分離するための装置として本発明の二酸化炭素分離装置を適用した本発明のアルカリ形燃料電池システムによれば、同様に該システムの小型化を図ることができるとともに、アルカリ形燃料電池の発電効率を向上させることができる。
本発明の二酸化炭素分離装置の好ましい一例を示す概略断面図である。 本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。 本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。 本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。 本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。 本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。 本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。 本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。 本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略図である。 本発明のアルカリ形燃料電池システムの好ましい一例を示す概略図である。 実施例４で作製した二酸化炭素分離装置を示す概略図である。
　以下、本発明の二酸化炭素分離装置およびアルカリ形燃料電池システムを実施の形態を示して詳細に説明する。
　＜二酸化炭素分離装置＞
　本発明の二酸化炭素分離装置は、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガス（空気など）から二酸化炭素ガスを分離するための装置である。
　（第１の実施形態）
　図１は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。図１に示される本実施形態の二酸化炭素分離装置１００は、アノード電極１３とアニオン交換形高分子電解質膜１１とカソード電極１２とをこの順で備える平板状の二酸化炭素分離積層体１０；アノード電極１３の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、アノード電極１３側の少なくとも一部（図１においては全部）が開放された空間からなる、還元剤をアノード電極１３に供給するための還元剤供給室３０；カソード電極１２の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、カソード電極１２側の少なくとも一部（図１においては全部）が開放された空間からなる、混合ガスをカソード電極１２に供給するための混合ガス供給室２０；および、アノード電極１３とカソード電極１２とを電気的に接続している接続手段としての配線４０から構成された平板状の装置である。
　アノード側に配置される還元剤供給室３０は、還元剤供給室３０を形成する凹部を有した還元剤供給板３１から形成されている。還元剤供給板３１の対向する側面には、還元剤を還元剤供給室３０内に導入するための還元剤導入口３２と、還元剤供給室３０内のガスを排出するための還元剤排出口３３が設けられている。還元剤導入口３２および還元剤排出口３３は、還元剤供給室３０と連通している。
　カソード側に配置される混合ガス供給室２０は、混合ガス供給室２０を形成する凹部を有した混合ガス供給板２１から形成されている。混合ガス供給板２１の対向する側面には、混合ガスを混合ガス供給室２０内に導入するための混合ガス導入口２２と、二酸化炭素分離処理がなされ、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための処理ガス排出口２３が設けられている。混合ガス導入口２２および処理ガス排出口２３は、混合ガス供給室２０と連通している。
　図示しないが、アノード電極１３は、アニオン交換形高分子電解質膜１１の一方の表面に積層されるアノード触媒層を有し、カソード電極１２は、アニオン交換形高分子電解質膜１１の他方の表面に積層されるカソード触媒層を有している。
　上記構成の装置によれば、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素を効率的に除去または低減することができる。すなわち、混合ガス導入口２２を通して混合ガス供給室２０内に空気等の混合ガスを導入すると、カソード電極１２のカソード触媒層では、下記式（１）：
　Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-　→　４ＯＨ-　　　　　（１）
で表される触媒反応によりＯＨ-が生成されるとともに、混合ガス中のＣＯ2は、下記式（２）：
　ＣＯ2＋２ＯＨ-　→　ＣＯ3 2-＋　Ｈ2Ｏ　　　　（２）
で表されるような中和反応を起こし、アニオン（ＣＯ3 2-）としてカソード電極１２およびアニオン交換形高分子電解質膜１１内に取り込まれる。このようなカソード側での二酸化炭素の吸収により、混合ガス中の二酸化炭素が分離される。カソード側からアノード側への電荷キャリアであるＯＨ-が、いわばＣＯ2の中和剤として役割を果たしているといえる。ＣＯ2が低減または除去された処理ガス（酸素含有ガス）は、処理ガス排出口２３から排出される。
　一方、アノード電極１３のアノード触媒層では、還元剤導入口３２を通して還元剤供給室３０内に還元剤、たとえばＨ2ガスを供給すると、下記式（３）：
　Ｈ2＋ＣＯ3 2-　→　ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-　　　　（３）
で表されるような、還元剤と、アニオン交換形高分子電解質膜１１を介してカソード側から伝達されたＣＯ3 2-との触媒反応が生じ、ＣＯ2が遊離する。この際、アノード電極１３とカソード電極１２とは、配線４０によって電気的に接続されているので、上記式（１）～（３）で示される反応によって生じる、アノード電極１３とカソード電極１２との間の電位差を駆動力として、アノード電極１３とカソード電極１２との間に電流が自発的に流れることとなる。アノード触媒層にて遊離したＣＯ2は、未反応の還元剤とともに、還元剤排出口３３から排出される。
　以上のように、本発明の二酸化炭素分離装置によれば、カソード側で二酸化炭素の吸収が行なわれるのと並行して、中和剤として機能するＯＨ-の再生がなされるため、従来のような中和剤を再生させるための別途の装置を必要せず、装置の簡略化および小型化を図ることができる。ここでいう「ＯＨ-の再生」とは、上記式（２）に従いＯＨ-がＣＯ3 2-によって置換されることにより低下したＯＨ-濃度が、上記式（１）によるＯＨ-の生成および上記式（３）によるＣＯ3 2-の排出（ＣＯ2として排出）によって回復することをいう。
　次に、二酸化炭素分離装置１００を構成する各部材について詳細に説明する。
　（１）アニオン交換形高分子電解質膜
　アニオン交換形高分子電解質膜１１は、ガスバリア性を有し、ＯＨ-イオンを伝導でき、かつ、アノード電極１３とカソード電極１２との短絡を防止するために電気的絶縁性を有するアニオン伝導性固体高分子電解質からなる限り特に制限されず、このような電解質としては、たとえば、炭化水素系高分子電解質、フッ素樹脂系高分子電解質を挙げることができる。
　炭化水素系高分子電解質としては、たとえば、芳香族ポリエーテルスルホン酸と芳香族ポリチオエーテルスルホン酸との共重合体のクロロメチル化物をアミノ化して得られる電解質等が挙げられる。クロロメチル化剤としては、クロロメトキシメタン、１，４－ビス（クロロメトキシ）ブタン、１－クロロメトキシ－４－クロロブタン、ホルムアルデヒド－塩化水素、パラホルムアルデヒド－塩化水素等が使用できる。このようにして得られたクロロメチル化物を、アミン化合物と反応させてアニオン交換基を導入する。アミン化合物としては、モノアミン、１分子中に２個以上のアミノ基を有するポリアミン化合物等が使用できる。具体的には、アンモニア；メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン等のモノアルキルアミン；ジメチルアミン、ジエチルアミン等のジアルキルアミン；アニリン、Ｎ－メチルアニリン等の芳香族アミン；ピロリジン、ピペラジン、モルホリン等の複素環アミン等のモノアミン；ｍ－フェニレンジアミン、ピリダジン、ピリミジン等のポリアミン化合物が使用できる。
　また、フッ素樹脂系高分子電解質としては、たとえば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンポリマーの末端をジアミンで処理し４級化したポリマーが挙げられる。
　アニオン交換形高分子電解質膜は、上記電解質と溶媒とを含有するペーストを塗布、乾燥することにより形成することができる。また、市販のアニオン交換形高分子電解質膜を使用してもよい。アニオン交換形高分子電解質膜の市販品としては、たとえば、いずれも商品名で、「トスフレックス　ＩＥ－ＳＦ３４」（東ソー（株）製）などのフッ素樹脂系高分子電解質；「アシプレックス　Ａ－２０１」（旭化成（株）製）、「アシプレックス　Ａ－２１１」（旭化成（株）製）、「アシプレックス　Ａ－２２１」（旭化成（株）製）、「ネオセプタ　ＡＭ－１」（トクヤマ（株）製）、「ネオセプタ　ＡＨＡ」（トクヤマ（株）製）などの炭化水素系高分子電解質が挙げられる。
　アニオン交換形高分子電解質膜１１の厚みは、装置の小型化および機械的強度の双方を考慮すると、好ましくは１０～２００μｍであり、より好ましくは２５～１００μｍである。
　（２）アノード電極およびカソード電極
　アニオン交換形高分子電解質膜１１の一方の面に形成されるアノード電極１３および他方の面に形成されるカソード電極１２には、通常、少なくとも触媒（それぞれアノード触媒、カソード触媒）と電解質（それぞれアノード電解質、カソード電解質）とを含有する多孔質層からなる触媒層（それぞれアノード触媒層、カソード触媒層）が設けられる。これらの触媒層は、アニオン交換形高分子電解質膜１１の表面に接して積層される。
　カソード触媒層に含有されるカソード触媒は、カソード電極１２に供給された混合ガスおよび水と、アノード電極１３から伝達された電子とから、ＯＨ-を生成する触媒反応を生じさせる（上記式（１））。カソード電解質は、上記式（２）の中和反応により生じたＣＯ3 2-および上記式（１）の触媒反応により生成したＯＨ-をアニオン交換形高分子電解質膜１１へ伝導する機能を有する。一方、アノード触媒層に含有されるアノード触媒は、アノード電極１３に供給された還元剤とカソード電極１２側から伝達されたＣＯ3 2-とから、遊離のＣＯ2を生成する触媒反応（上記式（３））を生じさせるとともに、場合により、アノード電極１３に供給された還元剤とカソード電極１２側から伝達されたＯＨ-とから、下記式（４）：
　Ｈ2＋２ＯＨ-　→　２Ｈ2Ｏ＋２ｅ-　　　　　　（４）
で表される触媒反応を生じさせる。アノード電解質は、カソード電極１２側から伝達されたＣＯ3 2-やＯＨ-を触媒反応サイト（三相界面）へ伝導する機能を有する。
　アノード触媒およびカソード触媒としては、上記のような触媒反応を生じさせ得る従来公知のものを使用することができ、たとえば、アルカリ形燃料電池に用いられているものを採用することが可能である。アノード触媒およびカソード触媒の具体例を挙げれば、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子などである。合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金－鉄合金、白金－コバルト合金、鉄－コバルト合金、コバルト－ニッケル合金、鉄－ニッケル合金等、鉄－コバルト－ニッケル合金が挙げられる。アノード触媒とカソード触媒とは同種であってもよいし、異種であってもよい。
　アノード触媒およびカソード触媒は、担体、好ましくは導電性の担体に担持されたものを用いることが好ましい。導電性担体としては、たとえば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。また、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることもできる。触媒の担持量は、担体１００重量部に対して、通常１～８０重量部、好ましくは３～５０重量部である。
　アノード電解質およびカソード電解質としては、上述の炭化水素系高分子電解質、フッ素樹脂系高分子電解質などの、アニオン交換形高分子電解質膜１１を構成する電解質と同様のものを用いることができる。アノード触媒層およびカソード触媒層における触媒と電解質との含有比は、重量基準で、通常５／１～１／４であり、好ましくは３／１～１／３である。アノード触媒層およびカソード触媒層は、触媒（担体に担持されていてもよい）、電解質および溶媒を含む触媒ペーストを調製し、これをアニオン交換形高分子電解質膜１１または後述するアノードガス拡散層、カソードガス拡散層の表面に塗布し、乾燥させることにより形成することができる。
　アノード電極１３およびカソード電極１２はそれぞれ、触媒層上に積層されるアノードガス拡散層、カソードガス拡散層を備えていてもよい。これらのガス拡散層は、アノード電極１３、カソード電極１２に供給されるガス（還元剤または混合ガス）を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層と電子の授受を行なう機能を有する。
　アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層としては、比抵抗が小さく、電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料；導電性高分子；Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；これらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などからなる多孔質材料を用いることが好ましい。より具体的には、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層として、たとえば、上記貴金属、遷移金属または合金からなる発泡金属、金属織物および金属焼結体；ならびに、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜などを好適に用いることができる。
　（３）還元剤供給室および混合ガス供給室
　還元剤供給室３０は、アノード電極１３の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、還元剤をアノード電極１３に供給するためのものであり、還元剤供給板３１を用いて形成することができる。還元剤供給板３１は、たとえば、還元剤供給室３０を構成する空間を形成する凹部を有する部材であることができ、該凹部の開口がアノード電極１３に対向するように、還元剤供給板３１をアノード電極１３上に積層することにより、還元剤供給室３０を形成することができる。このようにして形成される還元剤供給室３０は、アノード電極１３側の少なくとも一部がアノード電極１３に開放された空間からなる。たとえば、還元剤供給板３１の対向する側面に、還元剤を還元剤供給室３０内に導入するための還元剤供給室３０と連通した還元剤導入口３２、および、還元剤供給室３０内のガスを排出するための還元剤供給室３０と連通した還元剤排出口３３を設けることにより、還元剤供給室３０内に還元剤を流通させることが可能になる。還元剤排出口３３から排出されるガスは、アノード電極１３で生じた遊離のＣＯ2と未反応の還元剤とを含むガスである。
　混合ガス供給室２０は、カソード電極１２の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、混合ガスをカソード電極１２に供給するためのものであり、混合ガス供給板２１を用いて形成することができる。混合ガス供給板２１は、たとえば、混合ガス供給室２０を構成する空間を形成する凹部を有する部材であることができ、該凹部の開口がカソード電極１２に対向するように、混合ガス供給板２１をカソード電極１２上に積層することにより、混合ガス供給室２０を形成することができる。このようにして形成される混合ガス供給室２０は、カソード電極１２側の少なくとも一部がカソード電極１２に開放された空間からなる。たとえば、混合ガス供給板２１の対向する側面に、混合ガスを混合ガス供給室２０内に導入するための混合ガス供給室２０と連通した混合ガス導入口２２、および、二酸化炭素分離処理がなされ、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための混合ガス供給室２０と連通した処理ガス排出口２３を設けることにより、混合ガス供給室２０内に混合ガスを流通させることが可能になるとともに、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを回収することが可能となる。
　還元剤供給板３１および混合ガス供給板２１の材質は特に制限されず、アルミニウム、ステンレスなどの各種金属材料、アクリル樹脂などの各種プラスチック材料、黒鉛などのカーボン粉末をフェノール樹脂などの高分子材料で結着させた樹脂含浸カーボン材料を用いることができる。還元剤供給板３１、混合ガス供給板２１が配線４０の一部として機能する場合（すなわち、これらの供給板が集電体としての機能を兼備する場合）は、電子伝導性を有する金属材料（アルミニウム、ステンレスなど）や樹脂含浸カーボン材料を用いることが好ましい。還元剤供給板３１および混合ガス供給板２１の厚みは、たとえば２～３０ｍｍであり、好ましくは５～１５ｍｍである。
　図１において、混合ガス供給板２１の側面に設置される混合ガス導入口２２と、還元剤供給板３１の側面に設置される還元剤導入口３２とは、これら供給板の同じ側の側面に設置されているが、これに限定されるものではなく、混合ガス導入口２２と還元剤排出口３３とが同じ側の側面に設置されるようにしてもよい。ただし、混合ガス導入口２２付近では混合ガス中のＣＯ2濃度が高く、還元剤導入口３２付近では、還元剤中のＣＯ2濃度が低いことから、図１に示されるような配置は、カソード側とアノード側との間のＣＯ2の濃度差を大きくすることができ、これにより、二酸化炭素分離速度をより向上させることができる点でより有利である。
　本実施形態の二酸化炭素分離装置１００は、混合ガス供給室２０内に混合ガスを導入し、還元剤供給室３０に還元剤を導入することにより、上述の中和反応および触媒反応を起こし、混合ガスの二酸化炭素分離処理、還元剤排出口３３からの二酸化炭素ガスの排出および中和剤としてのＯＨ-の再生を連続的に行なう。混合ガス供給室２０内への混合ガスの導入は、図２に示される二酸化炭素分離装置２００のように、ポンプ、ファン、送風機（ブロワ）等の混合ガス導入口２２に接続された混合ガス供給装置６０を用いて行なうことができる。混合ガス供給装置６０は、混合ガス供給装置６０または混合ガス導入口２２に接続された混合ガスタンク（混合ガス収容槽、図示せず）に収容されたものであってもよい。混合ガス供給装置６０は、処理ガス排出口２３に接続された吸引ポンプなどであることもできる。本発明の二酸化炭素分離装置を用いた二酸化炭素分離処理においては、導入される混合ガスは、稼動時における混合ガス供給室２０内の圧力を還元剤供給室３０内の圧力より高くすることが好ましく、したがって、混合ガス供給装置６０としては、混合ガスを加圧して混合ガス供給室２０内に導入できる装置、たとえばポンプが好ましく用いられる。これは、混合ガス供給室２０内の圧力を高くして混合ガス供給室２０内の二酸化炭素分圧を高くすることにより、カソード側での二酸化炭素吸収速度をより高くすることができるためである。これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができ、このことは、さらなる混合ガス処理量の増加や装置の小型化に寄与する。
　一方、還元剤供給室３０への還元剤の導入も同様に、図２に示されるようなポンプ、ファン、送風機（ブロワ）等の還元剤導入口３２に接続された還元剤供給装置６１や、吸引ポンプ等の還元剤排出口３３に接続された還元剤供給装置を用いて、還元剤タンク（還元剤収容槽）７０内の還元剤を還元剤供給室３０へ導入することにより行なうことができる。吸引ポンプ等を用いて、還元剤供給室３０内を減圧にして還元剤供給室３０内の二酸化炭素分圧を低くすることにより、アノード側での二酸化炭素放出速度をより増大させることができ、これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができる。
　上記のように、混合ガス供給室２０内の圧力を還元剤供給室３０内の圧力より高くする方法としては、混合ガスを加圧して混合ガス供給室２０内に導入する方法、還元剤排出口３３からガスを吸引して還元剤供給室３０内を減圧にする方法、およびこれらの組み合わせが挙げられるが、いずれか一方の方法を採用する場合には、混合ガスを加圧して導入する方法が好ましい。これは、還元剤供給室３０内の二酸化炭素分圧は、比較的小さいため、該分圧を下げても二酸化炭素処理速度を向上させる効果が比較的小さい一方、混合ガス供給室２０内の二酸化炭素分圧は、比較的大きいため、該分圧を上げたときに得られる二酸化炭素処理速度の向上効果が比較的大きいためである。なお、混合ガス供給室２０と還元剤供給室３０とに圧力差を設ける場合には、アニオン交換形高分子電解質膜１１の機械的強度を向上させ、圧力差によるアニオン交換形高分子電解質膜１１の破損を防止する観点から、その厚みを大きくすることが好ましく、具体的には、２５～１００μｍ程度とすることが好ましい。
　ここで、カソード電極１２での触媒反応（上記式（１））は、水を必要とするため、カソード電極１２に供給される混合ガスは水分を含むことが好ましく、そのために、本発明の二酸化炭素分離装置は、図２に示されるように、混合ガス供給室２０より上流側に加湿装置５０を備えることが好ましい。また、電解質膜中や、アノード電解質、カソード電解質の含水率を高め、ＯＨ-やＣＯ3 2-の伝導度を高く保つために、還元剤に水分を付与するための加湿装置５１を、還元剤供給室３０より上流側に備えていてもよい。
　還元剤供給室３０に導入する還元剤は、炭素原子を含まないガス状の還元剤であることが好ましく、たとえば、Ｈ2ガスを用いることができる。炭素原子を含む還元剤を用いた場合、アノード電極１３で生じる還元剤とＣＯ3 2-との酸化反応において、還元剤由来のＣＯ2が生成する結果、アノード電極１３で生成するＣＯ2の量が、炭素原子を含まない還元剤を用いる場合と比較して相対的に多くなるため、アノード電極１３にて上記式（２）の反応が起こり、中和剤として機能する電解質膜中のＯＨ-の量が減少して、二酸化炭素分離能力が低下する傾向がある。混合ガス供給室２０に供給される、二酸化炭素分離処理に供される混合ガスは、Ｏ2とＣＯ2を含む限り特に制限されず、空気などであることができる。
　（第２の実施形態）
　図３は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置３００は、アノード電極１３とカソード電極１２とが抵抗を介して電気的に接続されていること以外は、上記第１の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態では、配線４０中に抵抗８０が介在している。
　本発明の二酸化炭素分離装置では、二酸化炭素分離積層体１０において、上記式（１）～（３）で示される一連の触媒反応および中和反応が生じ、これにより、アノード電極１３とカソード電極１２との間に電流が流れることとなることとなるが、当該電流が上記式（３）で必要な電流量を大きく超えると、上記式（４）の反応が支配的になる。上記式（４）の反応が起こると、還元剤が余分に消費されることとなり、二酸化炭素の分離効率（一定量のＣＯ2を分離するのに必要な還元剤量という意味での効率）の低下および分離コストの上昇をもたらす。アノード電極１３とカソード電極１２とを抵抗８０を介して電気的に接続することにより、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流が必要以上に大きくなり上記式（４）の反応が顕著になることを抑制することができ、これにより、二酸化炭素の分離効率の改善および分離コストの低減を図ることが可能になる。
　抵抗８０は、可変抵抗であることが好ましい。たとえば、カソード電極１２への混合ガス供給量（混合ガス供給室２０に導入される混合ガス量）が変化する場合には、分離されるべきＣＯ2量も変化する。このような場合、アノード電極１３とカソード電極１２とを可変抵抗を介して電気的に接続することにより、分離すべきＣＯ2量が増加する場合には、可変抵抗の抵抗値を小さくし、逆に分離すべきＣＯ2量が減少する場合には、可変抵抗の抵抗値を大きくするなど、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量を制御することが可能となる。また、カソード側での中和反応（上記式（２）の反応）が進行し、アニオン交換形高分子電解質膜１１の抵抗値が増加した場合、電極の経時劣化（触媒の凝集やフラッディングなどが原因となり得る）が生じた場合、または装置の稼動条件や環境条件が変動する場合には、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量が低下することがある。かかる電流量の低下は、二酸化炭素分離速度を低下させる。このように電流値が所定量を下回った場合に、可変抵抗の抵抗値を小さくすれば、電流量、ひいては、二酸化炭素分離速度を高く維持することができる。このように、可変抵抗を用いた電流量の制御により、混合ガス供給量が変化する場合でも、分離すべきＣＯ2を確実に分離できるようになるとともに、電流量を必要以上に大きくしないことが可能になるため、上記式（４）の反応を抑制することができ、また、二酸化炭素分離速度を高く維持することができる。
　アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量を自動制御できるよう、本発明の二酸化炭素分離装置は、混合ガス供給室２０に導入される混合ガス量を検出する検出部、および、該検出部の検出結果に基づいて可変抵抗の抵抗値を変化させる制御部を有していてもよい。
　（第３の実施形態）
　図４は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置４００は、アノード電極１３とカソード電極１２とが抵抗８０および発電装置９０を介して電気的に接続されていること以外は、上記第１の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態では、配線４０中に抵抗８０および発電装置９０が介在している。
　発電装置９０は、たとえば、分離すべきＣＯ2量が多く、上記式（１）～（３）の一連の反応によって発生する電流量では不十分である場合に有用である。このような場合、発電装置９０を利用し、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量を強制的に増大させることにより、触媒反応の反応速度、ひいては二酸化炭素の分離速度を増大させることができる。また、カソード側での中和反応（上記式（２）の反応）が進行し、アニオン交換形高分子電解質膜１１の抵抗値が増加した場合、電極の経時劣化（触媒の凝集やフラッディングなどが原因となり得る）が生じた場合、または装置の稼動条件や環境条件が変動する場合には、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量が低下することがある。かかる電流量の低下は、二酸化炭素分離速度を低下させる。このように電流値が所定量を下回った場合に、発電装置を稼動させる、またはその出力電圧を大きくすることによってアノード電極１３とカソード電極１２との間に生じる電位差を補助することにより、電流量、ひいては、二酸化炭素分離速度を高く維持することができる。
　発電装置９０としては、たとえば、一次電池、二次電池、燃料電池、直流安定化電源などの直流電源を用いることができる。アノード電極１３からカソード電極１２へ流れる電流の電流量を増大できるよう、発電装置９０は、そのプラス極をアノード電極１３に、そのマイナス極をカソード電極１２に接続する。なお、図４に示されるように、抵抗８０と発電装置９０とを併用してもよいし、勿論、発電装置９０のみを用いてもよい。
　（第４の実施形態）
　図５は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置５００は、アノード電極１３を構成するアノード触媒層の体積を、カソード電極１２を構成するカソード触媒層の体積より大きくしたこと以外は、上記第１の実施形態と同様である。なお、図５は、アノード電極１３、カソード電極１２がそれぞれ、アノード触媒層、カソード触媒層のみからなる場合を示しているが、これに限定されるものではなく、上述のように、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層等を備えていてもよい。
　通常、アノード電極１３での二酸化炭素放出速度は、カソード電極１２での二酸化炭素吸収速度より遅い。アノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくすることにより、アノード触媒層における三相界面の合計面積を、カソード触媒層における三相界面の合計面積より大きくすることができ、アノード電極１３での二酸化炭素放出速度を高めることができる。これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができ、このことは、さらなる混合ガス処理量の増加や装置の小型化に寄与する。なお、三相界面とは、触媒層において触媒、電解質および反応ガス（還元剤または酸素）が接触する部分であり、触媒反応に必要な全成分が接触して触媒反応が生じる部分である。
　アノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくする手段としては、具体的には、アノード触媒層の面積をより大きくする、すなわち、アノード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜１１側の面の面積をカソード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜１１側の面の面積より大きくする；アノード触媒層の厚さをカソード触媒層の厚さより大きくする；および、これらの組み合わせが挙げられる。図５は、アノード触媒層の面積をより大きくした例である。
　また、アノード触媒層とカソード触媒層の体積を同じとした上で、あるいは上述のように異なる体積とした上で、アノード触媒層中のアノード触媒の濃度をより大きくしたり、触媒成分として触媒担持担体を用いる場合において、アノード触媒成分として触媒担持量がより多い触媒担持担体を用いたりすることにより、アノード触媒の重量をカソード触媒の重量より多くし、これにより、アノード触媒層における三相界面の合計面積をより大きくすることも可能である。
　（第５の実施形態）
　図６は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置６００は、アノード電極１３の温度を上昇させるための温度制御装置９５をさらに備えること以外は、上記第１の実施形態と同様である。温度制御装置９５を利用して、アノード電極１３の温度を上昇させることにより、アノード電極１３での触媒反応を増加させることができ、ひいては、アノード側での二酸化炭素放出速度を増大させることができる。これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができ、このことは、さらなる混合ガス処理量の増加や装置の小型化に寄与する。
　温度制御装置９５としては、ヒータ（たとえばシート状のもの）を用いることができる。温度制御装置９５の設置箇所は、アノード電極１３を加熱できる位置であれば特に制限されないが、還元剤供給板３１の表面上が好適である。
　一方、カソード電極１２での二酸化炭素吸収速度を大きくするためには、カソード電極１２の温度を下げることが望ましく、このために、アノード側に設置した温度制御装置９５により、カソード電極１２の温度ができるだけ上昇しない構成とすることが好ましい。このような構成の具体例としては、アニオン交換形高分子電解質膜１１の厚みをより大きくする；混合ガス供給板２１の外表面に放熱ファンを設ける、などを挙げることができる。ただし、アノード電極１３での二酸化炭素放出速度に対して、カソード電極１２での二酸化炭素吸収速度は十分に大きいため、カソード電極１２の温度がアノード側に設置した温度制御装置９５により上昇することによる二酸化炭素分離速度への悪影響はあまり大きくない。
　アノード側に温度制御装置９５を設置する場合、図７に示される二酸化炭素分離装置７００のように、この温度制御装置９５として、上述したアノード電極１３とカソード電極１２とを電気的に接続するための配線４０に介在させる抵抗８０を用い、抵抗８０が温度制御装置９５を兼ねた構成とすることもできる。このような構成は、装置の簡略化を図ることができるとともに、温度制御装置９５の稼動に外部エネルギーを必要としないため、エネルギー効率化を図ることができる点で有利である。
　（第６の実施形態）
　図８は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置８００は、上記第１～第５の実施形態の二酸化炭素分離装置が備える二酸化炭素分離積層体１０が平板状であるのに対し、円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を用いることを特徴とする。その他の構成については、上記第１の実施形態と同様とすることができる。このような円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を用いると、その中空部を混合ガス供給室２０または還元剤供給室３０として利用することができるため、混合ガス供給板２１または還元剤供給板３１を不要とすることができる。これにより、装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。また、円筒状の二酸化炭素分離積層体１０の径を小さくした場合には、二酸化炭素分離積層体１０単位体積当たりの電極面積を大きくすることができるため、装置体積当たりの混合ガス処理量を向上させることができる。
　カソード電極１２、アニオン交換形高分子電解質膜１１およびアノード電極１３の積層順序は、内側から、カソード電極１２／アニオン交換形高分子電解質膜１１／アノード電極１３の順、または、アノード電極１３／アニオン交換形高分子電解質膜１１／カソード電極１２の順のいずれであってもよいが、図８に示される二酸化炭素分離装置８００のように、内側から、カソード電極１２／アニオン交換形高分子電解質膜１１／アノード電極１３の順とすることが好ましい。このような積層順序は、必然的にアノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくするため、上記第４の実施形態の効果を同時に得ることができる点において有利である。
　円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を用いる場合、外殻の電極の外側に配置される還元剤供給板３１または混合ガス供給板２１は、図８に示されるように、円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を取り囲むように設けることができる。この場合、還元剤供給板３１または混合ガス供給板２１と外殻の電極との間に形成される空間が還元剤供給室３０または混合ガス供給室２０となる。
　（第７の実施形態）
　図９および図１０は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略図であり、図９（ａ）および図１０（ａ）は各部材の積層方向と平行に切断したときの概略断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示されるＡ－Ａ’線で切断したときの概略上面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示されるＢ－Ｂ’線で切断したときの概略上面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置９００，１０００は、その混合ガス供給室が空間的に互いに分離された２つの混合ガス供給室、第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂからなることを特徴とする。その他の構成については、上記第１の実施形態と同様とすることができる。
　ここで、カソード電極１２は、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とのみ接しており、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とは接していない。第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間は、アニオン交換形高分子電解質膜１１と接している。すなわち、カソード電極１２は、第２の混合ガス供給室２０ｂの直下にのみ（第２の混合ガス供給室２０ｂとアニオン交換形高分子電解質膜１１との間にのみ）形成されている。このように、本実施形態では、混合ガス供給室を第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂの２つに分離し、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間のみをカソード電極１２に開放する構成としている。
　上記のような構成は次の点において有利である。すなわち、本発明の二酸化炭素分離装置を用いた二酸化炭素分離においては、上記式（１）の触媒反応により、被処理ガスである酸素および二酸化炭素を含む混合ガス中の酸素が一部消費される。二酸化炭素が低減または除去された処理ガス中の酸素濃度を高く維持することが望まれる場合（たとえば、後述するように、処理ガスをアルカリ形燃料電池のカソード極に供給する酸化剤として用いる場合、処理ガスの酸素濃度が低いと、燃料電池の発電効率が低下してしまう）には、上記式（１）による酸素消費をできるだけ抑制しつつ、二酸化炭素を分離する必要がある。本実施形態では、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間のみをカソード電極１２に開放し、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間は、カソード電極１２に開放することなくアニオン交換形高分子電解質膜１１と接触させる構成としているため、第２の混合ガス供給室２０ｂに導入された混合ガスについてのみ酸素消費がなされ（勿論、二酸化炭素の吸収も起こる）、一方、第１の混合ガス供給室２０ａに導入された混合ガスについては、酸素消費が生じず、二酸化炭素の吸収のみがなされる。このように、本実施形態の二酸化炭素分離装置９００，１０００は、二酸化炭素分離を行なう上で必須である上記式（１）の反応の反応試剤として、第２の混合ガス供給室２０ｂに導入される混合ガスのみを用いるため、第１の混合ガス供給室２０ａを通過することにより得られる処理ガスを、酸素濃度が維持された酸素含有ガスとして取り出すことを可能にする。
　第１の混合ガス供給室２０ａを通過することにより得られる、酸素濃度が維持された処理ガスは、たとえば、アルカリ形燃料電池のカソード極に供給する酸化剤として有用である。該処理ガスは十分に高い酸素濃度を有しているため、これを酸化剤として用いた燃料電池は高い発電効率を示す。なお、第２の混合ガス供給室２０ｂを通過することにより得られる処理ガスの利用方法は任意であるが、燃料電池への適用に関していえば、好ましくは、燃料電池に供給することなく、系外に排出される。
　図１０に示される二酸化炭素分離装置１０００のように、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜１１とが接する領域の合計面積を、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とカソード電極１２とが接する領域の合計面積より大きくすることが好ましい。この理由は次のとおりである。すなわち、本発明の二酸化炭素分離装置を用いた二酸化炭素分離においては、上記式（３）の触媒反応によって生じる電荷量と、上記式（１）の触媒反応で消費される電荷量とが釣り合っていることが望ましい。上記式（１）の触媒反応で消費される電荷量がより大きい場合には、アニオン交換形高分子電解質膜１１にＯＨ-が過剰供給される結果、上記式（４）のような反応によって還元剤が余分に消費されることとなり、二酸化炭素の分離効率（一定量のＣＯ2を分離するのに必要な還元剤量という意味での効率）の低下および分離コストの上昇をもたらす。たとえば、混合ガスが空気である場合、二酸化炭素濃度は４００ｐｐｍ程度であり、アノード電極１３で起こる上記式（３）の触媒反応によって生じる電荷量は小さい。したがって、カソード電極１２で起こる上記式（１）の触媒反応で消費される電荷量を、上記式（３）の触媒反応による電荷量と釣り合わせるためには、上記式（１）の触媒反応を比較的低く抑えることが望ましく、このための手段として、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜１１とが接する領域の合計面積を、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とカソード電極１２とが接する領域の合計面積より大きくすることは極めて有効である。このような構成によれば、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とカソード電極１２とが接する領域の合計面積がより小さいため、上記式（１）の触媒反応による電荷量を抑制することができ、これにより、上記式（４）のような還元剤が余分に消費する反応を抑制することができる。また、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜１１とが接する領域の合計面積が比較的大きいため、十分な二酸化炭素分離速度が維持される。
　なお、上記式（１）の触媒反応による電荷量を抑制するための他の手段として、混合ガス供給室を２つに分離することなく、単純にカソード電極１２の面積を小さくすることが考えられるが、このような場合には、二酸化炭素の吸収速度も低下するため、十分な二酸化炭素分離速度が得られないおそれがある。
　第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂの形状は、これらが空間的に互いに分離されている限り特に制限されず、たとえば、図９（ｂ）および図１０（ｂ）に示されるような、互いに平行に交差することなく延びるサーペンタイン状の２つの流路からなることもできるし、あるいは、互いに平行に延びるライン状の流路であることもできるが、サーペンタイン状の流路にすると、上記式（１）の反応を電極面積全体にわたって均一に行なわせることができ、局所的な温度上昇や、局所的な触媒劣化などが生じにくくなる点において有利である。このような空間的に互いに分離された２つの混合ガス供給室は、一方の表面に、２つの混合ガス供給室の形状に応じた形状の２本の溝が一方の表面に形成された混合ガス供給板２１を用いて形成することができる。なお、図９（ｂ）および図１０（ｂ）において、２２ａ、２３ａはそれぞれ、第１の混合ガス供給室２０ａに接続された第１の混合ガス導入口、第１の処理ガス排出口であり、２２ｂ、２３ｂはそれぞれ、第２の混合ガス供給室２０ｂに接続された第２の混合ガス導入口、第２の処理ガス排出口である。
　＜アルカリ形燃料電池システム＞
　上記本発明に係る二酸化炭素分離装置は、従来公知のアルカリ形燃料電池と組み合わせてアルカリ形燃料電池システムとするのに好適である。アルカリ形燃料電池には、電解質として、アニオン交換形高分子電解質を利用するものや、アルカリ水溶液を利用するものがあるが、いずれの場合においても、その電解質には電荷キャリアとしてＯＨ-イオンが含まれる。アルカリ形燃料電池に、酸化剤として二酸化炭素を含む酸素含有ガス（二酸化炭素を含む空気等）を供給すると、電解質膜中のＯＨ-がＣＯ3 2-で置換され、イオン伝導抵抗が増加したり、燃料電池反応を阻害したりする結果、特に稼動初期において発電効率が低下するという問題がある。本発明の二酸化炭素分離装置を用いて酸素および二酸化炭素を含有する混合ガス（空気等）を二酸化炭素分離処理して得られる処理ガスをアルカリ形燃料電池のカソード極に供給する酸化剤として使用することにより、アルカリ形燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。なかでも、発電効率低下をより効果的に抑制するためには、上記第７の実施形態に係る二酸化炭素分離装置を用いることが好ましい。
　図１１は、本発明のアルカリ形燃料電池システムの好ましい一例を示す概略図である。図１１に示されるアルカリ形燃料電池システムは、単位電池であるアルカリ形燃料電池１のスタック構造（たとえば、アルカリ形燃料電池１の複数を直列接続したもの）からなる燃料電池スタック２と、本発明に係る二酸化炭素分離装置３とを備えるものである。二酸化炭素分離装置３が有する混合ガス供給室の処理ガス排出口は、燃料電池スタック２が有するそれぞれのアルカリ形燃料電池１のカソード極側（たとえば、カソード極に空気等の酸化剤（処理ガス）を供給するためのカソード極セパレータ）に直列的に接続されており、これにより、混合ガス供給室の処理ガス排出口から排出された処理ガスが各アルカリ形燃料電池１のカソード極に供給可能となっている（図１１の点線）。一方、各アルカリ形燃料電池１のアノード側（たとえば、アノード極にＨ2等の還元剤を供給するためのアノード極セパレータ）は流路を介して直列的に接続されており、１つの還元剤流路を形成している（図１１の実線）。当該還元剤流路の一方端は、二酸化炭素分離装置３が有する還元剤供給室の還元剤導入口に接続される（図１１の実線）。当該還元剤流路の他方端から導入されたＨ2等の還元剤は、すべてのアルカリ形燃料電池１のアノード側を通って排出された後、二酸化炭素分離装置３の還元剤導入口から還元剤供給室に導入されることとなる。
　上記構成のアルカリ形燃料電池システムによれば、アルカリ形燃料電池の発電効率低下を抑制することができるだけでなく、燃料電池スタック２から排出された未反応の還元剤を、二酸化炭素分離装置３による二酸化炭素分離処理において必要となる還元剤として有効利用することが可能となる。従来のアルカリ形燃料電池および燃料電池スタックにおいては、未反応のＨ2等の還元剤を除去または無害化するための装置を別途設置する必要があるが、本発明のアルカリ形燃料電池システムによれば、二酸化炭素分離装置３が還元剤除去装置の機能を果たすため、別途の除去装置を要せず、燃料電池システムの簡略化およびシステムコストの削減を図ることができる。
　また、本発明に係る二酸化炭素分離装置３は、アルカリ形燃料電池と類似の構造を有しているため、製造上の観点から、燃料電池システムの構築（モジュラー化）が容易である。
　アルカリ形燃料電池１としては、少なくとも、アノード極と、電解質層（たとえば、アニオン交換形高分子電解質膜であることができる）と、カソード極とをこの順で備える従来公知のものを用いることができる。アルカリ形燃料電池１をスタック化した燃料電池スタック２の構造は特に限定されず、従来公知のものであってよい。燃料電池スタック２は、アルカリ形燃料電池１を並列的に接続、複合化したものであってもよい。
　以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　〔二酸化炭素分離装置の作製〕
　＜実施例１＞
　以下の手順で、図３と類似の構造を有する二酸化炭素分離装置を作製した。
　（１）二酸化炭素分離積層体１０の作製
　ポリビニルベンジルクロライド（シグマアルドリッチ社製）のテトラヒドロフラン（和光純薬製、以下同じ）溶液に、氷浴下で攪拌しながら、トリメチルアミン３０％水溶液（和光純薬製）をテトラヒドロフランに溶解させた溶液を３０分かけて滴下した。滴下後、室温にて一晩攪拌し、テトラヒドロフランを加えて静置させ、上澄み液を取り除いた後、溶媒を加熱留去することにより、薄白色の水溶性の電解質（アニオン交換樹脂）を得た。得られたアニオン交換樹脂に水を加え、アニオン交換樹脂を５重量％含有する電解質溶液を得た。
　Ｐｔ担持量が５０重量％のＰｔ／Ｃである触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）を０．５ｇ、上記で得られた電解質溶液を７．３５ｇ、イソプロパノール３ｇおよびジルコニアビーズ１００ｇをＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行ない、ついでジルコニアビーズを除去することにより、アノード触媒層用の触媒ペーストを作製した。
　同様に、Ｐｔ担持量が５０重量％のＰｔ／Ｃである触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）を０．５ｇ、上記で得られた電解質溶液を７．３５ｇ、イソプロパノール３ｇおよびジルコニアビーズ１００ｇをＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行ない、ついでジルコニアビーズを除去することにより、カソード触媒層用の触媒ペーストを作製した。
　次に、アノードガス拡散層としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製「ＧＤＬ３５ＢＣ」）を縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのアノードガス拡散層の一方の面に、上記のアノード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、アノードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にアノード触媒層が形成されたアノード電極１３を作製した。
　同様に、カソードガス拡散層としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製「ＧＤＬ３５ＢＣ」）を縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのカソードガス拡散層の一方の面に、上記のカソード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、カソードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にカソード触媒層が形成されたカソード電極１２を作製した。
　次に、９５．０ｍｍ×９５．０ｍｍのサイズに切り出したフッ素樹脂系高分子電解質膜（旭化成社製「アシプレックス」）をアニオン交換形高分子電解質膜１１として用い、上記アノード電極１３と電解質膜１１と上記カソード電極１２とをこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜１１に対向するように重ね合わせた後、１３０℃、１０ｋＮで２分間の熱圧着を行なうことにより、アノード電極１３およびカソード電極１２を電解質膜１１に接合し、アノード電極１３、アニオン交換形高分子電解質膜１１、カソード電極１２をこの順で備えた二酸化炭素分離積層体１０を得た。上記重ね合わせは、アノード電極１３とカソード電極１２の電解質膜１１の面内における位置が一致するように、かつアノード電極１３と電解質膜１１とカソード電極１２の中心が一致するように行なった。
　（２）二酸化炭素分離装置の作製
　アルミニウム板（縦９５．０ｍｍ×横９５．０ｍｍ×厚み１５．０ｍｍ）の一方の面に、サーペンタイン状の溝（断面積４ｍｍ2）からなる還元剤供給室３０を、その両末端がアルミニウム板の１つの端面に位置するように形成した後、還元剤供給室３０の両末端にそれぞれチューブ継手（スウェージロック社製、品番：ＳＳ－４００－１－２）を接続することにより還元剤導入口３２、還元剤排出口３３を形成して、還元剤供給板３１とした。また、これと同じものをもう１枚作製し、混合ガス供給板２１とした（サーペンタイン状の溝は混合ガス供給室２０であり、２つの継手は混合ガス導入口２２、処理ガス排出口２３である）。
　上記（１）で得られた二酸化炭素分離積層体１０のアノードガス拡散層上に、還元剤供給室３０側がアノードガス拡散層に対向するように還元剤供給板３１を積層するとともに、カソードガス拡散層上に、混合ガス供給室２０側がカソードガス拡散層に対向するように混合ガス供給板２１を積層し、これらをボルト締めによって締結し、還元剤供給板３１と混合ガス供給板２１とを、抵抗８０（秋月電気通商製の可変抵抗、小型ボリューム　１ＫΩＢ）を介して導線（配線４０）で接合することにより、二酸化炭素分離装置を得た。
　＜実施例２＞
　アノード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が１．０ｍｇ／ｃｍ2となるようにアノードガス拡散層の一方の面に塗布したこと以外は実施例１と同様にして二酸化炭素分離積層体を作製し、これを用いて二酸化炭素分離装置を作製した。
　＜実施例３＞
　実施例１で作製した二酸化炭素分離装置の還元剤供給板３１のアノードガス拡散層と対向する面とは反対側の面に、シリコンラバーヒーターを設置して、本実施例の二酸化炭素分離装置とした。
　＜実施例４＞
　（１）二酸化炭素分離積層体１０の作製
　カソードガス拡散層としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製「ＧＤＬ３５ＢＣ」）を縦１０．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのカソードガス拡散層の一方の面に、実施例１で調製したカソード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦１０．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、カソードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にカソード触媒層が形成されたカソード電極１２を作製した。このカソード電極１２を用いたこと以外は実施例１と同様にして、二酸化炭素分離積層体１０を作製した。
　（２）二酸化炭素分離装置の作製
　図１２は、本実施例で作製した二酸化炭素分離装置を示す概略図であり、図１２（ａ）はその断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示されるＣ－Ｃ’線で切断したときの概略上面図である。図１２を参照して、まず、アルミニウム板（縦９５．０ｍｍ×横９５．０ｍｍ×厚み１５．０ｍｍ）の一方の面に、略Ｍ字状の溝からなる第１の混合ガス供給室２０ａを形成し、その両末端にそれぞれチューブ継手（スウェージロック社製、品番：ＳＳ－４００－１－２）からなる第１の混合ガス導入口２２ａ、第１の処理ガス排出口２３ａを接続するとともに、第１の混合ガス供給室２０ａとは別の（互いに連通しない）略Ｕ字状の溝からなる第２の混合ガス供給室２０ｂを形成し、その両末端にそれぞれ、上記と同じ継手からなる第２の混合ガス導入口２２ｂ、第２の処理ガス排出口２３ｂを接続して、混合ガス供給板２１とした。図１２（ｂ）に示されるように、第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂは、混合ガス供給板２１の中央領域（領域Ｘ、ＹおよびＺからなる領域）において、蛇行状の２つの分離された空間を形成している。第２の混合ガス供給室２０ｂが形成する領域Ｙ（縦１０．３ｍｍ×横２２．３ｍｍ）における空間は、カソード電極１２と接する空間である（図１２（ａ）参照）。一方、第１の混合ガス供給室２０ａが形成する領域ＸおよびＺ（ともに縦６．０ｍｍ×横２２．３ｍｍ）における空間は、カソード電極１２とは接しない空間であり、その直下にはアニオン交換形高分子電解質膜１１が配置されることとなる。
　このようにして作製した混合ガス供給板２１および上記（１）で得られた二酸化炭素分離積層体１０を用いたこと以外は実施例１と同様にして、図１２に示されるような二酸化炭素分離装置を得た。
　（二酸化炭素分離装置の二酸化炭素分離能の評価）
　〔１〕評価方法
　次の方法に従い、実施例１～４で作製した二酸化炭素分離装置の二酸化炭素分離能を評価した。二酸化炭素分離装置の温度を５０℃に保った状態（ただし、実施例３の二酸化炭素分離装置の場合においては、シリコンラバーヒーターによる加熱により還元剤供給板３１の表面温度を６０℃に調整した）で、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿したＨ2ガスを、還元剤導入口３２から１００ｍＬ／分の流量で、還元剤供給室３０内に供給するとともに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を、混合ガス導入口２２から１００ｍＬ／分の流量で、混合ガス供給室２０内に供給し、還元剤供給板３１と混合ガス供給板２１との間に流れる電流が１００ｍＡとなるように、可変抵抗のボリュームを調整しながら二酸化炭素分離装置を稼動させ、処理ガス排出口２３から排出された処理ガスを１００ｍＬの石灰水中にバブリングし、二酸化炭素との反応により石灰水が白濁するまでに要した時間を計測した。実施例４の二酸化炭素分離装置においては、第１の混合ガス供給室２０ａ、第２の混合ガス供給室２０ｂのそれぞれに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を１００ｍＬ／分の流量で供給し、第１の処理ガス排出口２３ａから排出された処理ガスを１００ｍＬの石灰水中にバブリングし、上記時間を計測した。
　二酸化炭素分離装置を通過させることなく、直接、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を１００ｍＬ／分の流量で、１００ｍＬの石灰水中にバブリングしたときの、石灰水が白濁するまでの時間は３分であった。
　〔２〕評価結果
　実施例１では、石灰水が白濁するのに３０分を要した。白濁した石灰水を新しいものに取り替え、再び白濁するまでに要する時間を計測したところ、同じく３０分であることを確認し、二酸化炭素分離能が長時間維持されることを確認した。また、酸素濃度計Ｇ－１０３（飯島電子工業株式会社製）を用いて、処理ガス排出口２３から排出される処理ガス中の酸素濃度と、混合ガス導入口２２から供給した空気中の酸素濃度を検出したところ、混合ガス導入口２２から供給された空気中の酸素濃度を１００とした場合、処理ガス排出口２３から排出される処理ガス中の酸素濃度は９９未満の酸素濃度であることが確認された。
　実施例２では、石灰水が白濁するのに３５分を要し、実施例１と比較し、二酸化炭素分離能が向上していることを確認することができた。
　実施例３では、石灰水が白濁するのに３５分を要し、実施例１と比較し、二酸化炭素分離性能が向上していることを確認することができた。
　実施例４では、石灰水が白濁するのに３０分を要し、実施例１と同等であった。また、酸素濃度計Ｇ－１０３（飯島電子工業株式会社製）を用いて、第１の処理ガス排出口２３ａから排出される処理ガス中の酸素濃度と、第１の混合ガス導入口２２ａから供給した空気中の酸素濃度を検出したところ、第１の混合ガス導入口２２ａから供給した空気中の酸素濃度を１００とした場合、第１の処理ガス排出口２３ａから排出される処理ガス中の酸素濃度は、９９以上の酸素濃度であることが確認された。
　〔アルカリ形燃料電池システムの作製〕
　＜実施例５＞
　（１）アルカリ形燃料電池の作製
　膜電極複合体として、上記実施例１で作製した二酸化炭素分離積層体１０と同じものを用いた。また、アルミニウム板（縦９５．０ｍｍ×横９５．０ｍｍ×厚み１５．０ｍｍ）の一方の面に、サーペンタイン状の溝（断面積４ｍｍ2）からなるアノード流路（燃料流路）を、その両末端がアルミニウム板の１つの端面に位置するように形成した後、アノード流路の両末端にそれぞれチューブ継手（スウェージロック社製、品番：ＳＳ－４００－１－２）を接続することによりアノード供給口、アノード排出口を形成して、アノード極セパレータとした。また、これと同じものをもう１枚作製し、カソード極セパレータとした（サーペンタイン状の溝はカソード流路（酸化剤流路）であり、２つの継手はカソード供給口、カソード排出口である）。
　上記膜電極複合体のアノードガス拡散層上に、アノード流路側がアノードガス拡散層に対向するようにアノード極セパレータを積層するとともに、カソードガス拡散層上に、カソード流路側がカソードガス拡散層に対向するようにカソード極セパレータを積層し、これらをボルト締めによって締結することで、アルカリ形燃料電池を作製した。
　（２）アルカリ形燃料電池システムの作製
　実施例１で作製した二酸化炭素分離装置の処理ガス排出口２３と、アルカリ形燃料電池のカソード供給口とをＳＵＳ配管で接続し、アルカリ形燃料電池のアノード排出口と、ニ酸化炭素分離装置の還元剤導入口３２とをＳＵＳ配管で接続することで、アルカリ形燃料電池システムを作製した。
　（アルカリ形燃料電池システムの電池特性の評価）
　二酸化炭素分離装置およびアルカリ形燃料電池の温度を５０℃に保った状態で、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿したＨ2ガスを、アルカリ形燃料電池のアノード供給口から１００ｍＬ／分の流量で供給するとともに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を、二酸化炭素分離装置の混合ガス導入口２２から１００ｍＬ／分の流量で供給し、二酸化炭素分離装置の還元剤供給板３１と混合ガス供給板２１との間に流れる電流が１００ｍＡとなるように、可変抵抗のボリュームを調整しながら二酸化炭素分離装置を稼動させつつ、アルカリ形燃料電池を稼動し、アルカリ形燃料電池のアノード極セパレータとカソード極セパレータとの間に流れる電流を１Ａに設定したときの、システム稼動開始から１分後の出力電圧を測定した。出力電圧は０．４Ｖであった。
　＜比較例１＞
　実施例５で作製したアルカリ形燃料電池に直接、二酸化炭素分離装置で処理されていない空気を供給することにより、アルカリ形燃料電池の出力電圧を測定した。すなわち、実施例５で作製したアルカリ形燃料電池の温度を５０℃に保った状態で、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿したＨ2ガスを、アルカリ形燃料電池のアノード供給口から１００ｍＬ／分の流量で供給するとともに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を、カソード供給口から１００ｍＬ／分の流量で供給することにより、アルカリ形燃料電池を稼動し、アノード極セパレータとカソード極セパレータとの間に流れる電流を１Ａに設定したときの、稼動開始から１分後の出力電圧を測定した。出力電圧は０．２Ｖであった。
　１　アルカリ形燃料電池、２　燃料電池スタック、３，１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００　二酸化炭素分離装置、１０　二酸化炭素分離積層体、１１　アニオン交換形高分子電解質膜、１２　カソード電極、１３　アノード電極、２０　混合ガス供給室、２０ａ　第１の混合ガス供給室、２０ｂ　第２の混合ガス供給室、２１　混合ガス供給板、２２　混合ガス導入口、２２ａ　第１の混合ガス導入口、２２ｂ　第２の混合ガス導入口、２３　処理ガス排出口、２３ａ　第１の処理ガス排出口、２３ｂ　第２の処理ガス排出口、３０　還元剤供給室、３１　還元剤供給板、３２　還元剤導入口、３３　還元剤排出口、４０　配線、５０，５１　加湿装置、６０　混合ガス供給装置、６１　還元剤供給装置、７０　還元剤タンク、８０　抵抗、９０　発電装置、９５　温度制御装置。

Claims (17)

  1. 　酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための装置であって、
    　アノード電極と、アニオン交換形高分子電解質膜と、カソード電極とをこの順で備える二酸化炭素分離積層体と、
    　前記アノード電極の外面上に配置され、前記アノード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、還元剤を前記アノード電極に供給するための還元剤供給室と、
    　前記カソード電極の外面上に配置され、前記カソード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、前記混合ガスを前記カソード電極に供給するための混合ガス供給室と、
    を含み、
    　前記アノード電極と前記カソード電極とが電気的に接続されている、二酸化炭素分離装置。
  2. 　前記アノード電極と前記カソード電極とが抵抗を介して電気的に接続されている、請求項１に記載の二酸化炭素分離装置。
  3. 　前記抵抗は可変抵抗である、請求項２に記載の二酸化炭素分離装置。
  4. 　前記アノード電極と前記カソード電極とが発電装置を介して電気的に接続されている、請求項１に記載の二酸化炭素分離装置。
  5. 　前記アノード電極は、前記アニオン交換形高分子電解質膜の一方の表面に積層されるアノード触媒層を有し、
    　前記カソード電極は、前記アニオン交換形高分子電解質膜の他方の表面に積層されるカソード触媒層を有し、
    　前記アノード触媒層の体積が、前記カソード触媒層の体積より大きい、請求項１に記載の二酸化炭素分離装置。
  6. 　前記アノード触媒層における前記アニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積が、前記カソード触媒層における前記アニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積より大きい、請求項５に記載の二酸化炭素分離装置。
  7. 　前記アノード電極の温度を上昇させるための温度制御装置をさらに備える、請求項１に記載の二酸化炭素分離装置。
  8. 　前記アノード電極と前記カソード電極とが抵抗を介して電気的に接続されており、
    　前記抵抗は、前記温度制御装置を兼ねている、請求項７に記載の二酸化炭素分離装置。
  9. 　前記二酸化炭素分離積層体は、内側から順に、前記カソード電極と、前記アニオン交換形高分子電解質膜と、前記アノード電極とを備える円筒状の積層体であり、
    　前記混合ガス供給室は、前記二酸化炭素分離積層体の中空部からなる、請求項１に記載の二酸化炭素分離装置。
  10. 　前記混合ガス供給室は、空間的に互いに分離された第１の混合ガス供給室と第２の混合ガス供給室とからなり、
    　前記カソード電極は、前記第２の混合ガス供給室を形成する空間とのみ接しており、かつ、前記第１の混合ガス供給室を形成する空間は、前記アニオン交換形高分子電解質膜と接している、請求項１に記載の二酸化炭素分離装置。
  11. 　前記第１の混合ガス供給室を形成する空間と前記アニオン交換形高分子電解質膜とが接する領域の合計面積が、前記第２の混合ガス供給室を形成する空間と前記カソード電極とが接する領域の合計面積より大きい、請求項１０に記載の二酸化炭素分離装置。
  12. 　前記還元剤供給室は、前記還元剤を導入するための還元剤導入口と、前記還元剤および二酸化炭素ガスを含むガスを排出するための還元剤排出口とを有し、
    　前記混合ガス供給室は、前記混合ガスを導入するための混合ガス導入口と、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための処理ガス排出口とを有する、請求項１に記載の二酸化炭素分離装置。
  13. 　請求項１２に記載の二酸化炭素分離装置と、
    　少なくともアノード極、電解質層およびカソード極をこの順で備えるアルカリ形燃料電池と、
    を含み、
    　前記二酸化炭素分離装置の前記処理ガス排出口から排出された処理ガスが、前記アルカリ形燃料電池の前記カソード極に供給されるとともに、前記アルカリ形燃料電池の前記アノード極から排出された還元剤が前記二酸化炭素分離装置の前記還元剤導入口から前記還元剤供給室内に導入される、アルカリ形燃料電池システム。
  14. 　請求項１に記載の二酸化炭素分離装置の使用方法であって、
    　前記混合ガス供給室内の圧力は、前記還元剤供給室内の圧力より高くされる、二酸化炭素分離装置の使用方法。
  15. 　前記混合ガスを加圧して前記混合ガス供給室内に導入する、請求項１４に記載の二酸化炭素分離装置の使用方法。
  16. 　請求項３に記載の二酸化炭素分離装置の使用方法であって、
    　前記アノード電極と前記カソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、前記可変抵抗の抵抗値を減少させる、二酸化炭素分離装置の使用方法。
  17. 　請求項４に記載の二酸化炭素分離装置の使用方法であって、
    　前記アノード電極と前記カソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、前記発電装置の出力電圧を増加させる、二酸化炭素分離装置の使用方法。
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013045670A (ja) * 2011-08-25 2013-03-04 Tokuyama Corp 燃料電池装置
WO2013089112A1 (ja) * 2011-12-14 2013-06-20 パナソニック株式会社 酸塩基反応触媒、ガス拡散電極、及びｃｏ2透過装置
CN104981928A (zh) * 2013-02-07 2015-10-14 株式会社Ihi 氧还原催化剂、氧还原电极以及燃料电池
KR102446810B1 (ko) * 2014-09-08 2022-09-23 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니 이산화탄소 전해조용 이온성 중합체 막
CN114725317A (zh) 2015-10-27 2022-07-08 麻省理工学院 用于气体分离的电化学方法
CN105617842B (zh) * 2016-01-15 2018-08-21 东南大学 用于二氧化碳分离和提纯的装置
JP6786831B2 (ja) * 2016-03-18 2020-11-18 株式会社豊田中央研究所 ガス分離ポンプ、熱輸送装置、及びガス分離装置
WO2018018036A1 (en) 2016-07-22 2018-01-25 Fluidic, Inc. Moisture and carbon dioxide management system in electrochemical cells
DE102016218806A1 (de) * 2016-09-29 2018-03-29 Robert Bosch Gmbh Gasseparatorvorrichtung
JP6622237B2 (ja) * 2017-03-14 2019-12-18 株式会社東芝 二酸化炭素電解装置
JP6822998B2 (ja) * 2018-03-20 2021-01-27 株式会社東芝 電気化学反応装置
EP3626861A1 (de) * 2018-09-18 2020-03-25 Covestro Deutschland AG Elektrolysezelle, elektrolyseur und verfahren zur reduktion von co2
US10811711B2 (en) * 2018-11-20 2020-10-20 University Of Delaware Electrochemical devices and fuel cell systems
JP2022545727A (ja) 2019-08-28 2022-10-28 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー ルイス酸ガスの電気化学的捕捉
US11598012B2 (en) 2019-08-28 2023-03-07 Massachusetts Institute Of Technology Electrochemically mediated gas capture, including from low concentration streams
BE1027880B1 (nl) * 2020-05-11 2021-07-12 Kristof Braem Beademingssysteem voor co2-verwijdering gebaseerd op een elektro-oplaad- en ontladingsmethode
JP7203875B2 (ja) * 2021-03-04 2023-01-13 本田技研工業株式会社 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
CN114807997B (zh) * 2022-04-13 2024-03-29 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种电催化还原二氧化碳的阴极、电解池装置和方法
EP4374951A3 (en) * 2022-11-23 2024-06-12 Carbon Energy Inc. Method, apparatus and system for capturing carbon using fuel

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57101355A (en) * 1980-12-15 1982-06-23 Marutani Kakoki Kk Method of feeding air free of carbon dioxide into fuel cell
JPH06206707A (ja) * 1992-09-01 1994-07-26 Air Prod And Chem Inc イオン輸送透過膜による酸素分離回収方法
JPH07504354A (ja) * 1992-02-28 1995-05-18 レール・リキード・ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロアターション・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード 気体混合物から酸素を分離するための組成物，方法，及び装置
JP2005075287A (ja) * 2003-09-03 2005-03-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 車両用酸素富化装置
JP2007008750A (ja) * 2005-06-29 2007-01-18 Canon Machinery Inc ガスポンプ
JP2010021141A (ja) * 2008-07-08 2010-01-28 Palo Alto Research Center Inc 固定化緩衝剤を用いるガスの分離

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19953614A1 (de) * 1999-11-08 2001-05-17 Siemens Ag Brennstoffzellenanlage
JP2003189409A (ja) * 2001-12-21 2003-07-04 Toyota Motor Corp 電動機搭載車両
US6884745B2 (en) * 2002-06-28 2005-04-26 Advanced Energy Technology Inc. Perforated cylindrical fuel cells
JP2004235027A (ja) * 2003-01-30 2004-08-19 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
GB0502227D0 (en) * 2005-02-03 2005-03-09 Thermal Energy Systems Ltd Gas separation and compresssion device
JP4612569B2 (ja) * 2006-03-20 2011-01-12 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池用膜電極構造体
US8192854B2 (en) * 2009-02-06 2012-06-05 Ut-Battelle, Llc Microbial fuel cell treatment of ethanol fermentation process water

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57101355A (en) * 1980-12-15 1982-06-23 Marutani Kakoki Kk Method of feeding air free of carbon dioxide into fuel cell
JPH07504354A (ja) * 1992-02-28 1995-05-18 レール・リキード・ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロアターション・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード 気体混合物から酸素を分離するための組成物，方法，及び装置
JPH06206707A (ja) * 1992-09-01 1994-07-26 Air Prod And Chem Inc イオン輸送透過膜による酸素分離回収方法
JP2005075287A (ja) * 2003-09-03 2005-03-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 車両用酸素富化装置
JP2007008750A (ja) * 2005-06-29 2007-01-18 Canon Machinery Inc ガスポンプ
JP2010021141A (ja) * 2008-07-08 2010-01-28 Palo Alto Research Center Inc 固定化緩衝剤を用いるガスの分離

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