WO2015037625A1 - 固体高分子形発電または電解方法およびシステム - Google Patents

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理嗣 曽根
誠人 桜井
明日香 島
梅田　実
哲也 中別府
良太 篠崎
木下　暢
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Definitions

  • carbon dioxide is supplied to one of electrodes of a membrane electrode assembly provided with a catalyst layer, and hydrogen, water vapor, or liquid water is supplied to the other to generate power and generate a hydrocarbon compound and water.
  • the present invention relates to a molecular power generation method and system, or a solid polymer electrolysis method and system that generates a hydrocarbon compound while performing electrolysis.
  • carbon dioxide is supplied to the cathode side of the reaction tank having a membrane electrode assembly provided with a catalyst layer, hydrogen is supplied to the anode side, and carbon dioxide is produced by a fuel cell reaction. It was found that carbon dioxide can be reduced during the reaction while generating electricity using as an oxidizing agent. When liquid water or water vapor is used as a hydrogen source for reducing carbon dioxide, protons (hydrogen ions) are generated by applying only a minimum voltage for electrolysis of water from the outside. In this case, it has been found that the same fixation of carbon dioxide gas / synthesis of other hydrocarbon compounds is possible. Furthermore, with respect to the compounds produced from these reactions, it is possible to control the production amount and the ratio by type of a plurality of hydrocarbon compounds produced per unit time according to the voltage, temperature, humidification conditions, etc. at the time of production. I found out.
  • the present invention solves the problems of known solid polymer power generation or electrolysis methods and systems based on the above knowledge, and does not require external energy input or inputs a small amount of energy. It is not necessary to maintain the reaction tank at a high temperature, carbon dioxide can be converted as a useful hydrocarbon compound, and the production amount of hydrocarbon compounds and the ratio of each type can be controlled. Solid polymer power generation or electrolysis method capable of producing a large amount of a compound according to the intended use, improving the utilization efficiency of the product, and simplifying the equipment for separation and recovery And to provide a system.
  • the invention according to the first aspect of the present invention is to supply carbon dioxide to one of the electrodes of a reaction tank having a membrane electrode assembly provided with a catalyst layer, and supply hydrogen to the other to produce a hydrocarbon compound and water.
  • It is a molecular power generation method, or carbon dioxide is supplied to one of the electrodes, water vapor or liquid water is supplied as a hydrogen supply source, and electrolysis is performed to generate protons (hydrogen ions) that can react with carbon dioxide.
  • the invention according to claim 2 controls the voltage (potential difference) between the electrodes of the reaction vessel or the electrode plate potential of each electrode, and determines the amount and type ratio of the hydrocarbon compound produced per unit time. By changing, the above-mentioned problem is solved.
  • the invention according to claim 3 is a hydrocarbon compound produced per unit time by controlling the temperature of the reaction vessel in addition to the structure of the polymer electrolyte power generation or electrolysis method according to claim 1 or claim 2
  • the above-mentioned problems are solved by changing the amount and the ratio by type.
  • at least one of the supplied carbon dioxide and hydrogen is humidified with water.
  • the above-mentioned problems are solved by controlling the degree of humidification and changing the amount and type ratio of the hydrocarbon compound produced per unit time.
  • the invention according to claim 5 provides the above-described problem by continuously supplying the carbon dioxide and hydrogen. Is a solution.
  • the invention according to claim 6 includes, in addition to the configuration of the solid polymer power generation or electrolysis method according to any one of claims 1 to 5, the temperature of the reaction vessel is set to 200 ° C. or lower, and methane, methanol, ethanol
  • the above-mentioned problems are solved by producing at least one of propanol, formaldehyde, and acetaldehyde.
  • the invention according to claim 7 supplies carbon dioxide gas to one of the electrodes and water or water vapor to the other in addition to the configuration of the polymer electrolyte power generation or electrolysis method according to any one of claims 1 to 6. And the said subject is solved by controlling the voltage applied between the said electrodes of the said reaction tank.
  • the invention according to claim 8 includes a reaction tank having a membrane electrode assembly provided with a catalyst layer, carbon dioxide supply means for supplying carbon dioxide to one of the electrodes of the reaction tank, and hydrogen for supplying hydrogen to the other.
  • a solid polymer power generation comprising a supply means and a gas-liquid separation means for separating and recovering the product, or a system for reacting carbon dioxide with electrolysis of water vapor or water as a hydrogen supply source, wherein the reaction vessel
  • voltage control means for controlling the voltage (potential difference) between the electrodes or the electrode plate potential of each electrode, the above-mentioned problems are solved.
  • the invention according to claim 9 solves the above-mentioned problems by including temperature control means for controlling the temperature of the reaction vessel in addition to the configuration of the polymer electrolyte power generation or electrolysis system according to claim 8. It is.
  • the invention according to claim 10 includes, in addition to the configuration of the polymer electrolyte power generation or electrolysis system according to claim 8 or claim 9, at least one of the carbon dioxide supply means and the hydrogen supply means, water for humidification.
  • the said subject is solved by the humidification means which supplies
  • the gas-liquid separation means supplies unreacted gas to carbon dioxide again.
  • the above-mentioned problems are solved by having a circulation path for circulation to at least one of the means and the hydrogen supply means.
  • the reaction tank, the gas-liquid separation means, and the humidification means have independent temperatures. It has a control means, and the humidification means has a humidification control means, thereby solving the problem.
  • the voltage control means supplies power by a reverse reaction to generate carbon dioxide.
  • the said subject is solved by being comprised so that production
  • the polymer electrolyte power generation or electrolysis system according to claim 13 is a polymer electrolyte power generation or electrolysis system according to any one of claims 8 to 12, and the voltage control means generates electric power in a reverse reaction.
  • the above-described problems are solved by supplying carbon dioxide and hydrogen so as to be generated.
  • the polymer electrolyte power generation or electrolysis system according to claim 14 includes the types and amounts of products to be recovered. Accordingly, the above-mentioned problem is solved by providing a central control unit that performs overall control of the voltage control unit, the humidification control unit, and each of the temperature control units.
  • a regenerative fuel cell system according to claim 15 is configured by combining the solid polymer power generation or electrolysis system according to any one of claims 8 to 14 with a direct methanol fuel cell system and a water electrolysis system. By doing so, the above-mentioned problems are solved.
  • the input energy can be kept low and the environment can be kept at a low temperature, thereby simplifying the facility. It becomes possible. In particular, it can be carried out in a low temperature environment of 100 ° C. or lower, which cannot be realized by using a Sabachie reaction or a known solid polymer power generation or electrolysis method and system.
  • the gas-liquid separation means has a circulation path for circulating the unreacted gas again to at least one of the carbon dioxide supply means and the hydrogen supply means. It becomes possible to operate efficiently.
  • the gas-liquid separation means and the humidification means each have independent temperature control means, and the humidification means has the humidification control means, so that finer control is possible.
  • the voltage control means is configured to be able to generate carbon dioxide and hydrogen by supplying electric power in a reverse reaction, whereby the raw material and the product are closed in the system.
  • the charging / discharging cycle can be assembled in a state, and it can be used as an extremely safe and useful regenerative fuel cell.
  • the central control unit that performs overall control of the voltage control unit, the humidification control unit, and each of the temperature control units is provided. It is possible to control the production amount of hydrocarbon compounds and the ratio by type.
  • the regenerative fuel cell system according to the fifteenth aspect of the present invention, by incorporating a polymer electrolyte power generation or electrolysis system capable of selectively generating methanol, the cycle can be performed with the raw materials and products closed in the system. By using methanol or water as a component during storage, it can be used as an extremely safe and useful regenerative fuel cell.
  • Gas-liquid separation means (hydrogen side) 151 ⁇ ⁇ ⁇ Circulation route (hydrogen side) 152 ... Circulation pump (hydrogen side) 160 ... Central control means 161 ... Voltage control means 162 ... Reaction tank temperature control means 163 ... Gas-liquid separation means temperature control means (carbon dioxide side) 164 ... Humidification means temperature control means (carbon dioxide side) 165 ... Humidification control means (carbon dioxide side) 166 ... Gas-liquid separation means temperature control means (hydrogen side) 167 ... Humidification means temperature control means (hydrogen side) 168 ... Humidification control means (hydrogen side) 169 ... heating means temperature control means 170 ... product separation means 171 ... product separation means temperature control means 200 ... direct methanol fuel cell system 300 ... water electrolysis system
  • the polymer electrolyte power generation or electrolysis method of the present invention carbon dioxide is supplied to one of the electrodes of a reaction tank having a membrane electrode assembly provided with a catalyst layer, hydrogen is supplied to the other, hydrocarbon compound and water are supplied.
  • a polymer electrolyte power generation or electrolysis method to be generated which controls the voltage between the cathode and anode of a reaction vessel and changes the amount and type ratio of hydrocarbon compounds generated per unit time.
  • the polymer electrolyte power generation or electrolysis system of the present invention includes a reaction vessel having a membrane electrode assembly provided with a catalyst layer, a carbon dioxide supply means for supplying carbon dioxide to one of the electrodes of the reaction vessel, and a reaction vessel.
  • a solid polymer power generation or electrolysis system comprising a hydrogen supply means for supplying hydrogen to the other of the gas and a gas-liquid separation means for separating and recovering the product, the voltage controlling the voltage between the electrodes of the reaction vessel Control means are provided.
  • a hydrogen supply means for supplying hydrogen to the other of the gas
  • a gas-liquid separation means for separating and recovering the product
  • the voltage controlling the voltage between the electrodes of the reaction vessel Control means are provided.
  • Carbon dioxide is produced as a useful hydrocarbon compound while generating energy. It can be converted, and the production amount of hydrocarbon compounds, etc., and the ratio of each type can be controlled, and it becomes possible to produce a large amount of compounds according to the intended use, and the use efficiency of the product is improved.
  • any specific embodiment may be used.
  • the temperature of the reaction vessel having the membrane electrode assembly (MEA) is preferably 100 ° C. or lower, and it is desirable to maintain the reaction field by continuously supplying gas and circulating it as necessary.
  • the electrode catalyst for supplying carbon dioxide is not particularly limited, but a platinum ruthenium alloy, or one that is not poisoned by methanol generated during the reaction of ruthenium, rhodium or the like is preferable. It is desirable to supply the carbon dioxide and hydrogen with humidification, which makes it possible to maintain stable power generation or electrolysis.
  • the polymer electrolyte power generation or electrolysis system 100 includes a reaction tank 110 having a membrane electrode assembly 113 provided with a catalyst layer 114, and carbon dioxide on the cathode 111 side of the reaction tank 110.
  • a carbon dioxide supply means 120 to supply, a hydrogen supply means 130 to supply hydrogen to the anode 112 side of the reaction tank 110, and gas-liquid separation means 140 and 150 to separate and recover products are provided.
  • reaction tank 110 is simply illustrated with a single cell, but the actual shape is not limited thereto, and the reaction tank 110 as a whole has a high power generation voltage. In order to obtain the above, it is desirable to arrange a plurality of cells in series in a stack.
  • Humidification means 121 and 131 for supplying water for humidification are connected to the paths from the carbon dioxide supply means 120 and the hydrogen supply means 130 to the reaction tank 110, respectively.
  • the gas-liquid separation means 140 and 150 have circulation paths 141 and 151 for circulating the unreacted gas again to the paths from the carbon dioxide supply means 120 and the hydrogen supply means 130 to the reaction tank 110.
  • 141 and 151 are provided with circulation pumps 142 and 152, respectively.
  • the power generated by the reaction tank 110 is supplied to a load (not shown), but the power generation voltage between one electrode 111 and the other electrode 112 of the reaction tank 110 is configured to be controllable by the voltage control means 161. Yes.
  • the temperature of the reaction tank 110 is configured to be controllable by the reaction tank temperature control means 162.
  • the temperatures of the gas-liquid separation means 140 and 150 can be controlled independently by the gas-liquid separation means temperature control means 163 and 166, respectively. Further, the temperature and the humidification amount of the humidifying means 121 and 131 are configured to be independently controllable by the humidifying means temperature control means 164 and 167 and the humidification control means 165 and 168, respectively. Further, the voltage control means 161, the reaction tank temperature control means 162, the gas-liquid separation means temperature control means 163 and 166, the humidification means temperature control means 164 and 167, and the humidification control means 165 and 168 should be collected by the central control means 160. It is configured so that it can be controlled comprehensively according to the type and amount of products.
  • FIG. 3 and FIG. 4 show compound synthesis ratios when the generated voltage (potential) between the electrodes 112 is changed.
  • the graph shown in FIG. 3 is an experimental result when PtRu-supported carbon (hereinafter referred to as catalyst A) having a certain composition ratio is used as a catalyst at 1 mg / cm 2
  • the graph shown in FIG. 4 is another composition ratio as a catalyst. It is an experimental result at the time of using 3 mg / cm ⁇ 2 > of PtRu carrying
  • FIG. 5 shows the compound synthesis ratio when PtRu (catalyst B) was used at 3 mg / cm 2 for the catalyst layer 114 of the membrane electrode assembly 113 when the temperature of the reaction vessel (cell) was changed. Hydrogen was humidified to 100% and supplied at 50 ml / min, and the measured values were plotted for each temperature between a power generation voltage (potential) of 40 mV to 60 mV.
  • the vertical range display is a range of measured values between 40 mV and 60 mV of methane, methanol, and ethanol at each temperature, and the curve graph is a temperature-dependent tendency curve.
  • the composition ratio of the hydrocarbon compound changes depending on the temperature of the reaction vessel (cell), and a contradictory increase / decrease tendency between methane and other alcohols can be confirmed.
  • FIGS. 6 is a graph of current vs. voltage and current vs. output at a plurality of reaction vessel temperatures
  • FIG. 7 is a graph of current density vs. cell average potential when the reaction vessel temperature is 80 ° C.
  • FIG. It is a graph of time vs. voltage and time vs. current when the temperature of the reaction vessel is continuously operated at 80 ° C.
  • a stack having an electrode effective area of 30 cm 2 ⁇ 8 cells was used, and both hydrogen and carbon dioxide were supplied at 2.5 L / min.
  • FIGS. 6 and 7 it is possible to reliably generate power under the above conditions.
  • FIG. 8 although it was unstable only immediately after the start of power generation, it stabilized immediately and there was almost no voltage fluctuation during the operation period of about 4 hours, and stable power generation was continued.
  • the generation of other hydrocarbon compounds can be controlled by appropriately setting conditions such as the voltage and temperature of the reaction vessel (cell).
  • the voltage and temperature of the reaction vessel cell
  • the formation of formaldehyde was confirmed as shown in FIG.
  • the chromatographic analysis of the product at a voltage of 60 mV and a temperature of 95 ° C. it was confirmed that acetone and 2-propanol were produced as shown in FIG.
  • a humidifying means 121 for supplying water for humidification is connected to the path from the carbon dioxide supply means 120 to the reaction tank 110.
  • the water supply means is configured to supply water or water vapor to the reaction tank 110 by humidifying the carrier gas supplied from the carrier gas supply means 132 by the humidification means 131.
  • the gas-liquid separation means 140 has a circulation path 141 that circulates unreacted gas again to the path from the carbon dioxide supply means 120 to the reaction tank 110, and the circulation path 141 is provided with a circulation pump 142. ing.
  • the gas-liquid separation means 150 has a circulation path 151 that circulates carrier gas and unreacted water vapor again from the water supply means to the reaction tank 110, and the circulation path 151 is provided with a circulation pump 152. It has been.
  • the temperatures of the gas-liquid separation means 140 and 150 can be controlled independently by the gas-liquid separation means temperature control means 163 and 166, respectively. Further, the temperature and the humidification amount of the humidifying means 121 and 131 are configured to be independently controllable by the humidifying means temperature control means 164 and 167 and the humidification control means 165 and 168, respectively. Further, the voltage control means 161, the reaction tank temperature control means 162, the gas-liquid separation means temperature control means 163 and 166, the humidification means temperature control means 164 and 167, and the humidification control means 165 and 168 should be collected by the central control means 160. It is configured so that it can be controlled comprehensively according to the type and amount of products.
  • the carrier gas may be any gas, such as nitrogen, argon, helium, etc., as long as it is a gas that is stable to the reaction in the reaction vessel and the product. Furthermore, the carrier gas may contain hydrogen. In this case, hydrogen can be supplied without electrolysis in the reaction tank, so less energy is required and energy can be recovered depending on the amount of hydrogen supplied. It becomes.
  • the generation of other hydrocarbon compounds is controlled by appropriately setting conditions such as the voltage and temperature of the reaction vessel. It becomes possible.
  • the voltage is 60 mV (this “voltage” refers to the generated voltage.
  • the voltage is applied. The formation of formaldehyde was confirmed from the chromatographic analysis of the product at a temperature of 80 ° C.
  • the voltage is 60 mV (this “voltage” refers to the generated voltage. This is the voltage to be applied when supplying steam or water). Formation of acetone and 2-propanol was confirmed.
  • the polymer electrolyte power generation or electrolysis system 100a according to the third embodiment is configured without using a carrier gas, and as shown in FIG. 13, a reaction tank 110, a carbon dioxide supply means 120, a gas-liquid separation.
  • the means 140 is the same as that of the polymer electrolyte power generation or electrolysis system 100 according to the second embodiment.
  • the water supply unit 130 is configured to adjust the temperature of the water supplied from the water storage unit 133 by the heating unit 134 or supply the water to the reaction tank 110 as water vapor.
  • the product separation means 170 has a circulation path 151 for circulating unreacted water or steam again to the path from the water supply means 130 to the reaction tank 110, and a circulation pump 152 is provided in the circulation path 151. It has been.
  • the power supplied to the reaction vessel 110 is supplied by a power supply unit (not shown), but the applied voltage between the electrode 111 and the electrode 112 of the reaction vessel 110 is configured to be controllable by the voltage control means 161.
  • the temperature of the reaction tank 110 is configured to be controllable by the reaction tank temperature control means 162.
  • the temperature of the gas-liquid separation unit 140 is configured to be independently controllable by the gas-liquid separation unit temperature control unit 163.
  • the temperature and the humidification amount of the humidifying means 121 are configured to be independently controllable by the humidifying means temperature control means 164 and the humidification control means 165.
  • the temperature of the heating means 134 is configured to be independently controllable by the heating means temperature control means 169.
  • the temperature of the product separation means 170 is configured to be independently controllable by the product separation means temperature control means 171. Furthermore, voltage control means 161, reaction tank temperature control means 162, gas-liquid separation means temperature control means 163, humidification means temperature control means 164, humidification control means 165, heating means temperature control means 169 and product separation means temperature control means 171
  • the central control means 160 is configured to be able to perform overall control according to the type and amount of the product to be collected.
  • the “reaction tank” may perform only electrolysis. That is, solid polymer electrolysis in which carbon dioxide is supplied to one electrode side of a reaction tank having a membrane electrode assembly provided with a catalyst layer, and water or water vapor is supplied to the other electrode side to generate a hydrocarbon compound. Is the method. It is also possible to supply water vapor or water as a hydrogen source and electrolyze it to produce protons (hydrogen ions) to reduce carbon dioxide and synthesize similar hydrocarbon compounds. It is good also as a solid polymer electrolysis method which controls the applied voltage between these electrodes and changes the amount and kind ratio of the hydrocarbon compound produced per unit time.
  • a reaction tank having a membrane electrode assembly provided with a catalyst layer, a carbon dioxide supply means for supplying carbon dioxide to one electrode side of the reaction tank, and water or water vapor to the other electrode side of the reaction tank
  • a solid polymer electrolysis system comprising a water supply means and a gas-liquid separation means for separating and recovering a product, the solid polymer comprising a voltage control means for controlling an applied voltage between electrodes of a reaction vessel It may be a shape electrolysis system.
  • the solid polymer electrolysis system and the solid polymer electrolysis method may include some or all of the features described in the above embodiments. Even when power generation is performed, when water or water vapor is supplied, it is possible to apply voltage and perform electrolysis in the reaction tank, and efficiently generate the product you want to recover with sufficient power. it can.
  • the present invention can be used as a means for controlling power generation or electrolysis using a solid polymer or a closed environment.

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Abstract

　外部からのエネルギーの投入や高温維持の必要がなく、エネルギーを生成しつつ二酸化炭素を有益な炭化水素化合物として変換することが可能であり、かつ、炭化水素化合物等の生成量や、種類別比率のコントロールを可能とし、生成物の利用効率が向上するとともに、分離回収のための設備も簡素化することが可能な固体高分子形発電または電解方法、およびこれらを動作させるシステムを提供すること。　膜電極接合体１１３を有する反応槽１１０の一方の電極１１１側に二酸化炭素を、他方の電極１１２側に水素を供給し、反応槽１１０の発電電圧を制御して単位時間あたりに生成される炭化水素化合物の量および種類別比率を変更すること。

Description

固体高分子形発電または電解方法およびシステム
　本発明は、触媒層を設けた膜電極接合体の電極の一方に二酸化炭素を供給し、他方に水素あるいは水蒸気あるいは液体の水を供給し、発電するとともに炭化水素化合物および水を生成する固体高分子形発電方法およびシステム、または、電解するとともに炭化水素化合物を生成する固体高分子形電解方法およびシステムに関する。
　近年、化石燃料の燃焼に由来する大気中への二酸化炭素排出が、生態系や地球環境に大きな影響を与える可能性があることから、世界的にも二酸化炭素の排出抑制が求められている。
　このため、二酸化炭素を排出しない、あるいは、二酸化炭素の排出量を削減する技術の開発が行われており、その一環として二酸化炭素を固定化する技術や他の化合物へ変換する技術の開発も行われている。
　また、宇宙ステーションやロケット等の完全な閉鎖環境では、物質の補給が容易ではなく、元素レベルで必要最低限の補給、排出に留める必要がある。
　このため、発生した二酸化炭素を他の物質に変換して回収できる物質を増加させ、補給、排出する物質を元素レベルで極力減らすことが求められている。
　大気中の二酸化炭素量を緩和する手法としては、二酸化炭素を回収し地中に埋める手法が具体的に進められている。
　また、二酸化炭素をサバチエ触媒反応により３００℃近傍の高温で水素と反応させてメタンを生成させ、このメタンを回収して移送の容易なエネルギーとして使用する試みもある。
　ただし、これら全ての手法は埋設のためのエネルギーを大量に投入するか、もしくは高温を維持するためにエネルギーを必要とする手法である。
　エネルギーの投入を抑制して二酸化炭素を固定化するものとして、触媒層を設けた膜電極接合体を有する反応槽のカソード側に二酸化炭素を供給し、アノード側に水素を供給することで、燃料電池反応により二酸化炭素を酸化剤として電気を起こしつつ、反応中に二酸化炭素を還元して一酸化炭素等の他に利用可能な化合物を生成し、炭素資源のリサイクルが可能な固体高分子形発電方法およびシステム（例えば、特許文献１等参照。）や、水蒸気あるいは液体の水を供給しつつこれを電気分解（電解）により水素イオンを生成させて炭酸ガスの還元反応に用いる固体高分子形電解方法およびシステムが提案されている（例えば、特許文献２等参照。）。
国際特許公開２０１２／１２８１４８号 国際特許公開２０１２／１１８０６５号
　しかしながら、前記の特許文献１で公知の技術においては、一酸化炭素の生成をメインとしており、また、他に炭化水素化合物等の化合物も生成されるものの、生成量や、種類別比率（生成される複数の炭化水素化合物等の生成比率）のコントロールは一切考慮されていなかった。
　そのため、多様な生成物を分離して回収するために、複雑な設備が必要であった。
　また、生成された化合物によって利用価値や用途も異なるため、その回収利用ルートも複数準備する必要があり、回収や利用のために設備が多く必要となり、それらの処理のためにエネルギーを投入せざるを得ず、利用効率が低下するという問題があった。
　そこで、本発明者らが鋭意研究した結果、触媒層を設けた膜電極接合体を有する反応槽のカソード側に二酸化炭素を供給し、アノード側に水素を供給して、燃料電池反応により二酸化炭素を酸化剤として電気を起こしつつ、反応中に二酸化炭素を還元できることを見出した。
　また、炭酸ガスを還元するための水素源として液体の水あるいは水蒸気を使用する場合には外部から最小限の水の電気分解のための電圧のみを印加することによりプロトン（水素イオン）を生成させた場合にも同様の炭酸ガスの固定化／他の炭化水素化合物の合成が可能であることが分かっている。
　さらに、これらの反応より生成される化合物について、生成時の電圧、温度、加湿条件等に応じて、単位時間あたりに生成される複数の炭化水素化合物の生成量および種類別比率をコントロール可能であることを見出した。
　本発明は、上記の知見に基づいて、公知の固体高分子形発電または電解方法およびシステムの課題を解決するものであり、外部からのエネルギーの投入の必要がない、または、少量のエネルギーの投入で済むとともに、反応槽を高温に維持する必要がなく、二酸化炭素を有益な炭化水素化合物として変換することが可能であり、かつ、炭化水素化合物等の生成量や、種類別比率のコントロールを可能とし、利用用途に応じた化合物を大量に生成することが可能となり、生成物の利用効率が向上するとともに、分離回収のための設備も簡素化することが可能な固体高分子形発電または電解方法およびシステムを提供することを目的とするものである。
　本請求項１に係る発明は、触媒層を設けた膜電極接合体を有する反応槽の電極の一方に二酸化炭素を供給し、他方に水素を供給し、炭化水素化合物および水を生成する固体高分子形発電方法であり、もしくは電極の一方に二酸化炭素を供給し、水素の供給源として水蒸気あるいは液体の水を供給しこれを電解することにより炭酸ガスと反応可能なプロトン（水素イオン）を生じさせて反応を起こし炭化水素化合物および水を生成する固体高分子形電解方法である。
　さらに本請求項２に係る発明は、前記反応槽の電極間の電圧（電位差）あるいはそれぞれの電極の極板電位を制御し、単位時間あたりに生成される炭化水素化合物の量および種類別比率を変更することにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に係る固体高分子形発電または電解方法の構成に加え、前記反応槽の温度を制御し、単位時間あたりに生成される炭化水素化合物の量および種類別比率を変更することにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る固体高分子形発電または電解方法の構成に加え、前記供給される二酸化炭素および水素の少なくとも一方を水により加湿し、前記加湿の程度を制御し、単位時間あたりに生成される炭化水素化合物の量および種類別比率を変更することにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに係る固体高分子形発電または電解方法の構成に加え、前記二酸化炭素および水素を連続的に供給することにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに係る固体高分子形発電または電解方法の構成に加え、前記反応槽の温度を２００℃以下とし、メタン、メタノール、エタノール、プロパノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドの少なくともいずれか一つの成分を生成することにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに係る固体高分子形発電または電解方法の構成に加え、前記電極の一方に炭酸ガスを、他方に水または水蒸気を供給し、前記反応槽の前記電極間に印加する電圧を制御することにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項８に係る発明は、触媒層を設けた膜電極接合体を有する反応槽と、前記反応槽の電極の一方に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段と、他方に水素を供給する水素供給手段と、生成物を分離・回収する気液分離手段とを備えた固体高分子形発電、または水素供給源として水蒸気あるいは水を電解して炭酸ガスと反応させるシステムであって、前記反応槽の電極間の電圧（電位差）あるいはそれぞれの電極の極板電位を制御する電圧制御手段を備えたことにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項９に係る発明は、請求項８に係る固体高分子形発電または電解システムの構成に加え、前記反応槽の温度を制御する温度制御手段を備えたことにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項１０に係る発明は、請求項８または請求項９に係る固体高分子形発電または電解システムの構成に加え、前記二酸化炭素供給手段および水素供給手段の少なくとも一方に、加湿のための水を供給する加湿手段が接続されていることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項１１に係る発明は、請求項８乃至請求項１０のいずれかに係る固体高分子形発電または電解システムの構成に加え、前記気液分離手段が、未反応のガスを再び二酸化炭素供給手段および水素供給手段の少なくとも一方に循環させる循環経路を有することにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項１２に係る発明は、請求項８乃至請求項１１のいずれかに係る固体高分子形発電または電解システムの構成に加え、前記反応槽、気液分離手段および加湿手段がそれぞれ独立した温度制御手段を有し、前記加湿手段が加湿制御手段を有していることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項１３に係る発明は、請求項８乃至請求項１２のいずれかに係る固体高分子形発電または電解システムの構成に加え、前記電圧制御手段が、逆反応で電力を供給して二酸化炭素および水素を生成可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項１３に係る固体高分子形発電または電解システムは、請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の固体高分子形発電または電解システムと、前記電圧制御手段が、逆反応で電力を供給して二酸化炭素および水素を生成可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項１４に係る固体高分子形発電または電解システムは、請求項８乃至請求項１３のいずれかに係る固体高分子形発電または電解システムの構成に加え、回収すべき生成物の種類や量に応じて、前記電圧制御手段、加湿制御手段および各温度制御手段の複数を統括制御する中央制御手段を備えることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項１５に係る再生型燃料電池システムは、請求項８乃至請求項１４のいずれかに記載の固体高分子形発電または電解システムと、ダイレクトメタノール燃料電池システムおよび水電解システムとを組み合わせて構成されることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項１に係る固体高分子形発電または電解方法および請求項８に係る固体高分子形発電または電解システムによれば、燃料電池反応により二酸化炭素を酸化剤として電気を起こしつつ、反応中に二酸化炭素を還元し、燃料電池からの直接生成物として炭化水素化合物を得ることができるため、外部からのエネルギーの投入の必要がない、または、少量のエネルギーの投入で済むとともに、高温環境維持の必要がなく、エネルギーを生成しつつ二酸化炭素を有益な炭化水素化合物として変換することが可能である。
　また、本請求項２に記載の構成によれば、反応槽の電極間の発電電圧あるいは印加電圧を制御することで、炭化水素化合物等の生成量や種類別比率のコントロールが可能となり、利用用途に応じた化合物を大量に生成することが可能となり、生成物の利用効率が向上するとともに、分離回収のための設備も簡素化することが可能となる。
　また、外部からのエネルギーの大量投入や高温環境維持の必要がなく、設備を簡素化することが可能なため、宇宙空間のような完全な閉鎖環境で有人活動を行う場合の人の呼気に含まれる二酸化炭素を除去し、炭素資源を回収する技術としても非常に有用である。
　本請求項３および本請求項９に記載の構成によれば、反応槽の温度を制御することにより、さらに細かく炭化水素化合物等の生成量や種類別比率のコントロールが可能となる。
　本請求項４および本請求項１０に記載の構成によれば、加湿の程度を制御することにより、さらに細かく炭化水素化合物等の生成量や種類別比率のコントロールが可能となる。
　本請求項５に記載の構成によれば、二酸化炭素および水素を連続的に供給することにより、連続的に安定した発電または電解、および炭化水素化合物等の生成が可能となる。
　本請求項６に記載の構成によれば、サバチエ反応のような高温環境を維持する必要がなく、設備をより簡素化することが可能となる。
　本請求項７に記載の構成によれば、エネルギーを投入する際にも印加する電圧を最適化することで、投入エネルギーを低く抑えるとともに環境を低温に保つことができ、設備をより簡素化することが可能となる。
　特に、サバチエ反応を用いたものや、公知の固体高分子形発電または電解方法およびシステムでは実現できなかった１００℃以下の低温環境での実施も可能である。
　本請求項１１に記載の構成によれば、気液分離手段が、未反応のガスを再び二酸化炭素供給手段および水素供給手段の少なくとも一方に循環させる循環経路を有することにより、閉じた系の中でも効率よく稼働することが可能となる。
　本請求項１２に記載の構成によれば、気液分離手段および加湿手段がそれぞれ独立した温度制御手段を有し、加湿手段が加湿制御手段を有していることにより、より細かいコントロールが可能となる。
　本請求項１３に記載の構成によれば、電圧制御手段が、逆反応で電力を供給して二酸化炭素および水素を生成可能に構成されていることにより、系内に原料、生成物がクローズした状態で充電・放電サイクルを組むことができ、極めて安全で有用な再生型燃料電池として利用することが可能となる。
　本請求項１４に記載の構成によれば、電圧制御手段、加湿制御手段および各温度制御手段の複数を統括制御する中央制御手段を備えたことにより、さらに効率よく発電または電解しつつ、正確に炭化水素化合物等の生成量や種類別比率のコントロールを行うことができる。
　本請求項１５に係る再生型燃料電池システムによれば、メタノールを選択的に生成可能な固体高分子形発電または電解システムを組み込むことにより、系内に原料、生成物がクローズした状態でサイクルを組むことができ、メタノールや水を保管時成分とすることで、極めて安全で有用な再生型燃料電池として利用することが可能となる。
本発明の第１実施形態に係る固体高分子形発電または電解システムの説明図。 図１の反応槽の分解説明図。 本発明の第１実施形態に係る固体高分子形発電または電解システムによる発電電圧と生成化合物の関係を示すグラフ。 他の実施形態に係る固体高分子形発電または電解システム（他の触媒を採用）の発電電圧と生成化合物の関係を示すグラフ。 他の実施形態に係る固体高分子形発電または電解システムによる反応槽（セル）の温度と生成化合物の関係を示すグラフ。 本発明の第１実施形態に係る固体高分子形発電または電解システムによる反応槽（スタック）の温度と発電性能の関係を示すグラフ。 本発明の第１実施形態に係る固体高分子形発電または電解システムによる反応槽（セル）の発電電圧と電流密度の関係を示すグラフ。 本発明の第１実施形態に係る固体高分子形発電または電解システムによる連続運転時の反応槽（スタック）の発電電圧を示すグラフ。 本発明の第１実施形態に係る固体高分子形発電または電解システムによるホルムアルデヒドの生成を示すグラフ。 本発明の第１実施形態に係る固体高分子形発電または電解システムによるアセトンおよび２－プロパノールの生成を示すグラフ。 本発明の第１実施形態に係る固体高分子形発電または電解システムを再生型燃料電池として利用した際の反応説明図。 本発明に係る固体高分子形発電または電解システムを応用した炭素循環系の参考図。 本発明の第３実施形態に係る固体高分子形発電または電解システムの説明図。
１００　・・・固体高分子形発電または電解システム
１１０　・・・反応槽
１１１　・・・カソード
１１２　・・・アノード
１１３　・・・膜電極接合体
１１４　・・・触媒層
１２０　・・・二酸化炭素供給手段
１２１　・・・加湿手段（二酸化炭素側）
１３０　・・・水素供給手段
１３１　・・・加湿手段（水素側）
１３２　・・・キャリアガス供給手段
１３３　・・・水貯蔵部
１３４　・・・加熱手段
１４０　・・・気液分離手段（二酸化炭素側）
１４１　・・・循環経路（二酸化炭素側）
１４２　・・・循環ポンプ（二酸化炭素側）
１５０　・・・気液分離手段（水素側）
１５１　・・・循環経路（水素側）
１５２　・・・循環ポンプ（水素側）
１６０　・・・中央制御手段
１６１　・・・電圧制御手段
１６２　・・・反応槽温度制御手段
１６３　・・・気液分離手段温度制御手段（二酸化炭素側）
１６４　・・・加湿手段温度制御手段（二酸化炭素側）
１６５　・・・加湿制御手段（二酸化炭素側）
１６６　・・・気液分離手段温度制御手段（水素側）
１６７　・・・加湿手段温度制御手段（水素側）
１６８　・・・加湿制御手段（水素側）
１６９　・・・加熱手段温度制御手段
１７０　・・・生成物分離手段
１７１　・・・生成物分離手段温度制御手段
２００　・・・ダイレクトメタノール燃料電池システム
３００　・・・水電解システム
　本発明の固体高分子形発電または電解方法は、触媒層を設けた膜電極接合体を有する反応槽の電極の一方に二酸化炭素を供給し、他方に水素を供給し、炭化水素化合物および水を生成する固体高分子形発電または電解方法であって、反応槽のカソードとアノードの間の電圧を制御し、単位時間あたりに生成される炭化水素化合物の量および種類別比率を変更するものである。
　また、本発明の固体高分子形発電または電解システムは、触媒層を設けた膜電極接合体を有する反応槽と、反応槽の電極の一方に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段と、反応槽の他方に水素を供給する水素供給手段と、生成物を分離・回収する気液分離手段とを備えた固体高分子形発電または電解システムであって、反応槽の電極間の電圧を制御する電圧制御手段を備えたものである。
　いずれも、外部からのエネルギーの投入の必要がない、または、少量のエネルギーの投入で済むとともに、反応槽を高温に維持する必要がなく、エネルギーを生成しつつ二酸化炭素を有益な炭化水素化合物として変換することが可能であり、かつ、炭化水素化合物等の生成量や、種類別比率のコントロールを可能とし、利用用途に応じた化合物を大量に生成することが可能となり、生成物の利用効率が向上するとともに、分離回収のための設備も簡素化することが可能なものであれば、その具体的な実施態様はいかなるものであっても良い。
　膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する反応槽の温度は、１００℃以下とし、ガスを連続的に供給し、必要に応じて循環させることにより反応場を維持するのが望ましい。
　また、二酸化炭素を供給する電極の触媒は特に限定されないが、白金ルテニウム合金、あるいはルテニウム、ロジウム等の反応中に生成するメタノールにより被毒されないものが好適である。
　二酸化炭素および水素は加湿して供給することが望ましく、このことで、安定な発電または電解を持続することが可能になる。
　本発明に係る固体高分子形発電または電解システムの第１実施形態について、図面を基に説明する。
　固体高分子形発電または電解システム１００は、図１、図２に示すように、触媒層１１４を設けた膜電極接合体１１３を有する反応槽１１０と、反応槽１１０のカソード１１１側に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段１２０と、反応槽１１０のアノード１１２側に水素を供給する水素供給手段１３０と、生成物を分離・回収する気液分離手段１４０、１５０とを備えている。
　なお、説明のため反応槽１１０は１つのセルのみで構成されたものを簡略化して図示しているが、実際の形状はこれに限られるものではなく、また、反応槽１１０全体として高い発電電圧を得るために複数のセルをスタック状に直列配置するのが望ましい。
　二酸化炭素供給手段１２０および水素供給手段１３０から反応槽１１０への経路には、それぞれ、加湿のための水を供給する加湿手段１２１、１３１が接続されている。
　気液分離手段１４０、１５０には、未反応のガスを再び二酸化炭素供給手段１２０および水素供給手段１３０から反応槽１１０への経路に循環させる循環経路１４１、１５１を有しており、該循環経路１４１、１５１には循環ポンプ１４２、１５２が設けられている。
　反応槽１１０によって発電される電力は、図示しない負荷に供給されるが、反応槽１１０の一方の電極１１１と他方の電極１１２の間の発電電圧は、電圧制御手段１６１によって制御可能に構成されている。
　反応槽１１０の温度は、反応槽温度制御手段１６２によって制御可能に構成されている。
　気液分離手段１４０、１５０の温度は、気液分離手段温度制御手段１６３、１６６によってそれぞれ独立して制御可能に構成されている。
　また、加湿手段１２１、１３１の温度および加湿量は、加湿手段温度制御手段１６４、１６７および加湿制御手段１６５、１６８によってそれぞれ独立して制御可能に構成されている。
　さらに、電圧制御手段１６１、反応槽温度制御手段１６２、気液分離手段温度制御手段１６３、１６６、加湿手段温度制御手段１６４、１６７および加湿制御手段１６５、１６８は、中央制御手段１６０によって回収すべき生成物の種類や量に応じて統括制御可能に構成されている。
　以上のように構成された本発明の第１実施形態に係る固体高分子形発電または電解方法およびシステムによる効果について、以下に説明する。
　膜電極接合体１１３の触媒層１１４にダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）で実績のあるＰｔＲｕ合金系の異なる二種の触媒を用いたものについて、それぞれ、反応槽１１０の一方の電極１１１と他方の電極１１２の間の発電電圧（電位）を変化させた際の化合物合成比率を、図３、図４に示す。
　図３に示すグラフは、触媒としてある組成比のＰｔＲｕ担持カーボン（以下，触媒A）を１ｍｇ／ｃｍ２で使用した場合の実験結果であり、図４に示すグラフは、触媒として他の組成比のＰｔＲｕ担持カーボン（以下、触媒Ｂ）を３ｍｇ／ｃｍ２で使用した場合の実験結果である。
　いずれの実験でも、発電電圧（電位）はカウンター電極（水素）により定めた。
　これらの実験結果から、発電電圧（電位）に依存して化合物の合成比率が変化し、メタンの合成比率が高いほど、アルコール生成比率が低い（電位が低いほど還元が多い）ことが確認され、炭化水素化合物を選択的に生成することが可能であることが確認できる。
　なお、図４の条件では、図示していないが、電位が８０ｍＶ以上の領域でホルムアルデヒドの生成が確認された。
　膜電極接合体１１３の触媒層１１４にＰｔＲｕ（触媒Ｂ）を３ｍｇ／ｃｍ２で用いたものについて、反応槽（セル）の温度を変化させた際の化合物合成比率を、図５に示す。
　水素は１００％に加湿して５０ｍｌ／ｍｉｎで供給し、発電電圧（電位）４０ｍＶ～６０ｍＶの間で各温度について測定値をプロットした。
　縦のレンジ表示が、各温度におけるメタン、メタノール、エタノールの４０ｍＶ～６０ｍＶの間での測定値の範囲であり、曲線グラフが、温度に依存した傾向の曲線である。
　炭化水素化合物の組成比は反応槽（セル）の温度に依存して変化し、メタンとそれ以外のアルコールの間に相反する増減傾向が確認できる。
　反応槽１１０を８セルのスタックとした際の発電性能を、図６乃至図８に示す。
　図６は、複数の反応槽の温度における電流対電圧、および、電流対出力のグラフ、図７は、反応槽の温度を８０℃とした時の電流密度対セル平均電位のグラフ、図８は反応槽の温度を８０℃で連続運転した際の時間対電圧、時間対電流のグラフである。
　いずれも、電極有効面積３０ｃｍ２×８セルのスタックを使用し、水素、二酸化炭素ともに２．５Ｌ／ｍｉｎで供給した。
　図６、図７に示すように、上記の条件下で確実に発電可能である。
　また、図８に示すように、発電開始直後のみ不安定ではあるが、すぐに安定し、約４時間の運用期間中の電圧変動もほとんどなく、安定な発電が継続された。
　また、前述の固体高分子形発電または電解方法およびシステムによれば、反応槽（セル）の電圧、温度等の条件を適宜に設定することで、他の炭化水素化合物の生成をコントロールすることも可能である。
　例えば、電圧６０ｍＶ、温度８０℃とした際の生成物のクロマトグラフによる分析から、図９に示すように、ホルムアルデヒドの生成が確認できた。
　また、電圧６０ｍＶ、温度９５℃とした際の生成物のクロマトグラフによる分析から、図１０に示すように、アセトン、および、２－プロパノールの生成が確認できた。
　前述のような固体高分子形発電または電解方法およびシステムによれば、外部からのエネルギーの投入の必要がなく、また、反応槽を高温に維持する必要がない。
　さらに、エネルギーを生成しつつ二酸化炭素を有益な炭化水素化合物として変換することが可能であり、かつ、炭化水素化合物等の生成量や、種類別比率のコントロールが可能となる。
　そのことで、利用用途に応じた化合物を大量に生成することが可能となり、生成物の利用効率が向上するとともに、分離回収のための設備も簡素化することができる。
　このような特性を生かし、例えば、各種産業で原料やエネルギー源として極めて利用価値の高いエタノールに特化して生成することで、二酸化炭素を固定化し、発電によってエネルギーを供給しつつ、有用なエタノールを生成することが可能となり、環境問題、エネルギー問題、資源問題をともに解決することが可能となる。
　また、メタノールに特化して生成した場合、図１１に示すように、充電・放電で可逆の反応であることから、別途の燃料電池と組み合わせたり、本発明の固体高分子形発電または電解システム１００の電圧制御手段１６１を制御して、燃料電池としても作動させることで、系内に原料、生成物がクローズした状態でサイクルを組むことができ、極めて安全で有用な再生型燃料電池として利用することが可能となる。
　また、図１２に示すように、前述の固体高分子形発電または電解システム１００を、ダイレクトメタノール燃料電池システム２００、水電解システム３００と組み合わせることにより、３ステップの経路をとる再生型燃料電池システムとして構築することも可能で、系内に原料、生成物がクローズした状態でサイクルを組むことができ、メタノールや水を保管時成分とすることで、極めて安全で有用な再生型燃料電池として利用することが可能となる。
　さらに、宇宙ステーションやロケット等の完全な閉鎖環境の制御技術として、二酸化炭素除去、元素レベルでの循環、エネルギー生成等の観点から有効に活用できる。
　なお、前述の固体高分子形発電または電解方法およびシステムでは反応槽のカソードとアノードの間に電圧を印加していないが、反応槽が発電せず、または発電しつつ、あるいは電圧を印加してもよい。
　以下に、電極間に電圧を印加する第２実施形態について図１および図２を用いて説明する。
　一方の電極１１１と他方の電極１１２の間に電圧を印加する場合には、図示しない電源部により電力が供給されるが、反応槽１１０の電極１１１と電極１１２の間の印加電圧は、電圧制御手段１６１によって制御可能に構成することができる。
　さらに、反応槽１１０の温度は、反応槽温度制御手段１６２によって制御可能に構成されるのが好ましい。
　また、二酸化炭素供給手段１２０から反応槽１１０への経路には、加湿のための水を供給する加湿手段１２１が接続されている。
　水供給手段は、キャリアガス供給手段１３２から供給されるキャリアガスに、加湿手段１３１によって加湿することで水または水蒸気を反応槽１１０に供給するように構成されている。
　気液分離手段１４０には、未反応のガスを再び二酸化炭素供給手段１２０から反応槽１１０への経路に循環させる循環経路１４１を有しており、該循環経路１４１には循環ポンプ１４２が設けられている。
　気液分離手段１５０には、キャリアガスおよび未反応の水蒸気を再び水供給手段から反応槽１１０への経路に循環させる循環経路１５１を有しており、該循環経路１５１には循環ポンプ１５２が設けられている。
　気液分離手段１４０、１５０の温度は、気液分離手段温度制御手段１６３、１６６によってそれぞれ独立して制御可能に構成されている。
　また、加湿手段１２１、１３１の温度および加湿量は、加湿手段温度制御手段１６４、１６７および加湿制御手段１６５、１６８によってそれぞれ独立して制御可能に構成されている。
　さらに、電圧制御手段１６１、反応槽温度制御手段１６２、気液分離手段温度制御手段１６３、１６６、加湿手段温度制御手段１６４、１６７および加湿制御手段１６５、１６８は、中央制御手段１６０によって回収すべき生成物の種類や量に応じて統括制御可能に構成されている。
　なお、キャリアガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム等、反応槽での反応や生成物に対して安定な性質の気体であれば、いかなるものであってもよい。
　さらに、キャリアガスには水素を含んでもよく、その場合、反応槽での電解によらずに水素を供給できるため、さらに少ないエネルギー投入でよく、供給される水素の量によっては、エネルギー回収も可能となる。
　このような第２実施形態に係る固体高分子形発電または電解方法およびシステムによれば、反応槽の電圧、温度等の条件を適宜に設定することで、他の炭化水素化合物の生成をコントロールすることが可能となる。
　例えば、第１実施形態に係る固体高分子形発電または電解方法およびシステムの場合と同様に、電圧６０ｍＶ（この「電圧」とは、発電した電圧を指す。水蒸気あるいは水を供給する際には印加する電圧を指す）、温度８０℃とした際の生成物のクロマトグラフによる分析から、ホルムアルデヒドの生成が確認できた。
　また、電圧６０ｍＶ（この「電圧」とは、発電した電圧を指す。水蒸気あるいは水を供給する際には印加する電圧を指す）、温度９５℃とした際の生成物のクロマトグラフによる分析から、アセトン、および、２－プロパノールの生成が確認できた。
　次に、カソードとアノードの間に電圧を印加する第３実施形態について、図１３を基に説明する。
　第３実施形態に係る固体高分子形発電または電解システム１００ａは、キャリアガスを用いずに構成されたものであり、図１３に示すように、反応槽１１０、二酸化炭素供給手段１２０、気液分離手段１４０については、第２実施形態に係る固体高分子形発電または電解システム１００と同様である。
　水供給手段１３０は、水貯蔵部１３３から供給される水を加熱手段１３４によって温度を調節したり水蒸気として反応槽１１０に供給するように構成されている。
　生成物分離手段１７０には、未反応の水または水蒸気を再び水供給手段１３０から反応槽１１０への経路に循環させる循環経路１５１を有しており、該循環経路１５１には循環ポンプ１５２が設けられている。
　反応槽１１０に供給される電力は、図示しない電源部によって供給されるが、反応槽１１０の電極１１１と電極１１２の間の印加電圧は、電圧制御手段１６１によって制御可能に構成されている。
　反応槽１１０の温度は、反応槽温度制御手段１６２によって制御可能に構成されている。
　気液分離手段１４０の温度は、気液分離手段温度制御手段１６３によって独立して制御可能に構成されている。
　加湿手段１２１の温度および加湿量は、加湿手段温度制御手段１６４および加湿制御手段１６５によって独立して制御可能に構成されている。
　加熱手段１３４の温度は、加熱手段温度制御手段１６９によって独立して制御可能に構成されている。
　生成物分離手段１７０の温度は、生成物分離手段温度制御手段１７１によって独立して制御可能に構成されている。
　さらに、電圧制御手段１６１、反応槽温度制御手段１６２、気液分離手段温度制御手段１６３、加湿手段温度制御手段１６４、加湿制御手段１６５、加熱手段温度制御手段１６９および生成物分離手段温度制御手段１７１は、中央制御手段１６０によって回収すべき生成物の種類や量に応じて統括制御可能に構成されている。
　なお、第２実施形態または第３実施形態に係る固体高分子形発電または電解方法およびシステムにおいて「反応槽」は電解のみを行ってもよい。
　すなわち、触媒層を設けた膜電極接合体を有する反応槽の一方の電極側に二酸化炭素を供給し、他方の電極側に水または水蒸気を供給し、炭化水素化合物を生成する固体高分子形電解方法である。
　また、水素源として水蒸気あるいは水を供給し、これを電解してプロトン（水素イオン）を生成して炭酸ガスを還元し同様の炭化水素化合物を合成することも可能であり、この際に反応槽の電極間の印加電圧を制御し、単位時間あたりに生成される炭化水素化合物の量および種類別比率を変更する固体高分子形電解方法としてもよい。
　また、触媒層を設けた膜電極接合体を有する反応槽と、反応槽の一方の電極側に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段と、反応槽の他方の電極側に水または水蒸気を供給する水供給手段と、生成物を分離・回収する気液分離手段とを備えた固体高分子形電解システムであって、反応槽の電極間の印加電圧を制御する電圧制御手段を備えた固体高分子形電解システムとしてもよい。
　また、その固体高分子形電解システムや固体高分子形電解方法は、上記実施形態に記載の特徴を一部または全部備えていてもよい。
　発電を行う構成であっても、水または水蒸気が供給されている場合には、電圧を印加して反応槽で電解を行うことが可能であり、十分な電力によって回収したい生成物を効率よく生成できる。
　本発明は、固体高分子を用いた発電または電解や閉鎖環境の制御手段等として用いることができる。

Claims (15)

  1. 　触媒層を設けた膜電極接合体を有する反応槽の電極の一方に二酸化炭素を供給し、他方に水素あるいは水蒸気あるいは液体の水を供給し、炭化水素化合物を生成する固体高分子形発電または電解方法。
  2. 　前記反応槽の電極間の発電により生じる電圧または外部から印加する電解電圧を制御し、
    　単位時間あたりに生成される炭化水素化合物の量および種類別比率を変更することを特徴とする固体高分子形発電または電解方法。
  3. 　前記反応槽の温度を制御し、
    　単位時間あたりに生成される炭化水素化合物の量および種類別比率を変更することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子形発電または電解方法。
  4. 　前記供給される二酸化炭素および水素の少なくとも一方を水により加湿し、
    　前記加湿の程度を制御し、単位時間あたりに生成される炭化水素化合物の量および種類別比率を変更することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体高分子形発電または電解方法。
  5. 　前記二酸化炭素および水素を連続的に供給することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体高分子形発電または電解方法。
  6. 　前記反応槽の温度を２００℃以下とし、
    　メタン、メタノール、エタノール、プロパノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドの少なくともいずれか一つの成分を生成することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の固体高分子形発電または電解方法。
  7. 　前記電極の一方に二酸化炭素を、他方に水または水蒸気を供給し、
    　前記反応槽の前記電極間に印加する電圧を制御することにより、メタン、メタノール、エタノール、プロパノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドの少なくともいずれか一つの成分を生成することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の固体高分子形電解方法。
  8. 　触媒層を設けた膜電極接合体を有する反応槽と、前記反応槽の電極の一方に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段と、他方に水素あるいは水蒸気あるいは液体の水を供給する手段と、生成物を分離・回収する気液分離手段とを備えた固体高分子形発電または電解システムであって、
    　前記反応槽の電極間の電圧を制御する電圧制御手段を備えたことを特徴とする固体高分子形発電または電解システム。
  9. 　前記反応槽の温度を制御する温度制御手段を備えたことを特徴とする請求項８に記載の固体高分子形発電または電解システム。
  10. 　前記二酸化炭素供給手段および水素供給手段の少なくとも一方に、加湿のための水を供給する加湿手段が接続されていることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の固体高分子形発電または電解システム。
  11. 　前記気液分離手段が、未反応のガスを再び二酸化炭素供給手段および水素供給手段の少なくとも一方に循環させる循環経路を有することを特徴とする請求項８乃至請求項１０に記載の固体高分子形発電または電解システム。
  12. 　前記反応槽、気液分離手段および加湿手段がそれぞれ独立した温度制御手段を有し、
    　前記加湿手段が加湿制御手段を有していることを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれかに記載の固体高分子形発電または電解システム。
  13. 　前記電圧制御手段が、逆反応で電力を供給して二酸化炭素および水素を生成可能に構成されていることを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の固体高分子形発電または電解システム。
  14. 　前記電圧制御手段、加湿制御手段および各温度制御手段の複数を、回収すべき生成物の種類や量に応じて、統括制御する中央制御手段を備えたことを特徴とする請求項８乃至請求項１３のいずれかに記載の固体高分子形発電または電解システム。
  15. 　請求項８乃至請求項１４のいずれかに記載の固体高分子形発電または電解システムと、ダイレクトメタノール燃料電池システムおよび水電解機能とを組み合わせて構成される再生型燃料電池システム。
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