WO2024100910A1 - 二酸化炭素還元装置および二酸化炭素削減量統合管理装置 - Google Patents

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anode
reduction device
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秀宏 飯塚
茂樹 牧野
崇 佐々木
良平 稲垣
大郊 高松
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Hitachi Ltd
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20—Processes
    • C25B3/25—Reduction
    • C25B3/26—Reduction of carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
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    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/50—Cells or assemblies of cells comprising photoelectrodes; Assemblies of constructional parts thereof

Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide reduction device and a carbon dioxide reduction integrated management device.
  • Artificial photosynthesis is a method of reducing carbon dioxide using light energy such as sunlight.
  • a light reaction electrode and a dark reaction electrode are electrically connected, and the light reaction electrode uses light energy to generate protons and electrons from water, and the dark reaction electrode uses the generated protons and electrons to reduce carbon dioxide to carbon monoxide, formic acid, methane, and methanol.
  • a light reaction electrode and a dark reaction electrode are electrically connected, and the light reaction electrode uses light energy to generate electrons, oxygen compounds, and water from hydroxide ions, and the dark reaction electrode supplies hydroxide ions to the light reaction electrode, and carbon dioxide is reduced to carbon monoxide, formic acid, methane, and methanol using the protons in the dark reaction tank and the electrons generated in the light reaction.
  • Patent Document 1 describes a method in which only carbon dioxide is supplied to the cathode using a gas diffusion electrode.
  • the only gas component supplied is carbon dioxide.
  • the air that is the subject of this application is mainly composed of approximately 80% nitrogen and approximately 20% oxygen, with a dilute carbon dioxide concentration of approximately 400 ppm. It is necessary to selectively separate the dilute carbon dioxide in the air. Furthermore, if air is supplied directly to the cathode, the oxygen in the air will react with protons, inhibiting the reduction of carbon dioxide.
  • the object of the present invention is to provide a carbon dioxide reduction device and a carbon dioxide reduction integrated management device that can directly reduce carbon dioxide in the atmosphere to hydrocarbons.
  • the present invention provides a battery comprising an anode which is a light reaction electrode, a cathode which is a dark reaction electrode electrically connected to the anode and immersed in an electrolyte, and a carbon dioxide separation unit which separates carbon dioxide in the atmosphere in order to supply carbon dioxide to the electrolyte
  • This carbon dioxide reduction device is characterized in that protons and electrons are generated from water at the anode using light energy, the protons and electrons generated at the anode are supplied to the cathode, and at the cathode, the protons and electrons generated at the anode react with the carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation section to generate a carbon-containing compound.
  • the carbon dioxide reduction device is characterized in that at the cathode, protons present in a cathode tank, electrons supplied from the anode, and the supplied carbon dioxide react with each other to generate a carbon-containing product, hydroxide ions generated from water at the cathode are supplied to the anode, and at the anode, the hydroxide ions generate water, an oxygen compound, and electrons using light energy, and the electrons are supplied to the cathode.
  • the present invention relates to a carbon dioxide separation unit, (a) an oxygen removing means for removing oxygen from the atmosphere and then supplying the oxygen to the cathode; (b) a selective permeation means for selectively permeating carbon dioxide; (c) a dissolving means for dissolving carbon dioxide in an electrolytic solution in which the cathode is immersed and supplying the carbon dioxide to the cathode; It is preferable to have one of the above.
  • the present invention provides a carbon dioxide reduction device and a carbon dioxide reduction integrated management device that can directly reduce atmospheric carbon dioxide to hydrocarbons.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing first and second embodiments of a carbon dioxide reduction device according to the present invention.
  • FIG. FIG. 11 is a schematic diagram showing a third embodiment of a carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a fourth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a fifth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a sixth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a seventh embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an eighth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a third embodiment of a carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a fourth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a fifth embodiment of
  • FIG. 23 is a functional block diagram showing a control configuration of the eighth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a ninth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing a carbon dioxide reduction device according to a tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing an eleventh embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing a carbon dioxide reduction device according to a twelfth embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing a thirteenth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing a fourteenth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing a fifteenth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of the first embodiment of a carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • the carbon dioxide reduction device of this embodiment comprises an anode (light reaction electrode) 2 that generates protons (H + ) and electrons (e - ) from water by utilizing light energy such as sunlight, and a carbon dioxide separation section 10 that separates carbon dioxide in the atmosphere and supplies it directly to a cathode (dark reaction electrode) 4, the anode 2 and cathode 4 being electrically connected, and the protons and electrons generated at the anode 2 react with the carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation section 10 at the cathode 4 to generate a carbon-containing compound, thereby reducing carbon dioxide in the atmosphere.
  • anode light reaction electrode
  • e - electrons
  • the anode (light reaction electrode) cell 1 is equipped with an anode 2.
  • the cathode (dark reaction electrode) cell 3 is equipped with a cathode 4.
  • the cathode 4 is immersed in an electrolyte 6.
  • the anode cell 1 contains water 5. Since the water in the anode cell is consumed in the electrode reaction, it is preferable to provide a supply means for supplying water to the anode cell.
  • the anode 2 and cathode 4 are connected by a conductor 7.
  • the water in the anode tank 1 and the electrolyte in the cathode tank 3 are separated by a proton exchange membrane 8.
  • the proton exchange membrane may be, for example, a perfluorosulfonic acid proton exchange membrane.
  • Carbon dioxide in the atmosphere 9 is supplied to the cathode 4 via a carbon dioxide separation section 10 .
  • Carbon dioxide, protons, and electrons react on the cathode 4 to produce carbon-containing compounds (eg, ethylene, ethanol, methane, formic acid, etc.).
  • a photocatalyst that absorbs light and excites electrons can be used for the anode 2.
  • Examples of the photocatalyst include TiO2 , SrTiO3 , SrTiO2N , BaTaO2N , NaTaO3 , WO3 , ZnO, Fe2O3 , CuO, Ta2O5 , Bi2O3 , SnO2 , BiVO4 , and Y2Ti2O5S2 .
  • the surface of the photocatalyst may be appropriately modified with a material that can be a promoter in order to promote the reaction.
  • Representative promoter materials include, for example, Pt , Ru , Rh, and Au.
  • the photocatalyst may also be supported by a substrate.
  • the photocatalyst material may be a powder mixture, a compact, or a sheet.
  • oxygen is generated as the oxygen compound
  • hypochlorous acid and oxygen can be generated as the oxygen compounds.
  • a material capable of reducing carbon dioxide using protons or ions is suitable for the cathode 4. Examples of materials that can be used include Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Ni, Co, Fe, Mn, Ti, Cd, Zn, In, Ga, Pb, and Zn. At least one metal, metal oxide, or composite compound (complex compound, alloy, etc.) of these materials can be used.
  • At least one metal, metal oxide, or composite compound (complex compound, alloy, etc.) of these materials applied to conductive carbon can be used as the cathode 4.
  • an aqueous solution of potassium hydrogen carbonate, an aqueous solution of sodium hydrogen carbonate, an aqueous solution of potassium carbonate, an aqueous solution of sodium carbonate, an aqueous solution of potassium hydroxide, an aqueous solution of potassium chloride, or the like can be used.
  • the carbon dioxide separation section 10 may be any section capable of concentrating carbon dioxide in the atmosphere.
  • dilute carbon dioxide is separated from the atmosphere in the carbon dioxide separation section 10, and highly concentrated carbon dioxide is supplied to the cathode 4, improving the efficiency of carbon dioxide reduction. Furthermore, it is possible to prevent a decrease in reduction efficiency due to oxygen caused by directly supplying air to the cathode 4.
  • the carbon dioxide separation unit 10 includes the following components as a carbon dioxide separation means: (a) an oxygen removing means for removing oxygen from the atmosphere and then supplying the oxygen to the cathode 4; (b) a selective permeation means for selectively permeating carbon dioxide; (c) a dissolving means for dissolving carbon dioxide in the electrolytic solution 6 in which the cathode 4 is immersed and supplying the carbon dioxide to the cathode 4;
  • the device has one of the following features.
  • Oxygen removal means for removing oxygen from the atmosphere and then supplying it to the cathode 4:
  • Possible oxygen absorbers include porous materials that can selectively capture oxygen from the air (e.g., tetracyanoquinodimethane: https://scienceportal.jst.go.jp/newsflash/20100608_01/) and substances that selectively react with oxygen (iron-based oxygen absorbers, non-ferrous oxygen absorbers: https://www.mgc.co.jp/special/ageless/).
  • Such oxygen absorbers are packed into the carbon dioxide separation section 10. When the air passes through the carbon dioxide separation section 10, oxygen in the air is removed, making it possible to suppress a decrease in the reduction reaction at the cathode 4 due to oxygen.
  • the oxygen absorber can be packed into the carbon dioxide separation section 10 in the form of granules, honeycomb, or the like.
  • the carbon dioxide separation section 10 preferably contains the oxygen absorber and is in the form of a sheet or an element made of a rolled up sheet having fine pores through which gas can pass.
  • a selective permeation means for selectively permeating carbon dioxide As a carbon dioxide permeable membrane that can selectively permeate carbon dioxide in the atmosphere and supply it to the cathode 4, for example, a carbon dioxide separation membrane (https://cs2.toray.co.jp/news/toray/newsrrs01.nsf/0/4247C58AA8264EA2492586B700260B96?open) having a carbon thin film on the surface of a hollow fiber-shaped porous carbon fiber support or a zeolite membrane (https://www.ngk.co.jp/news/20211112_1.html) can be used.
  • a carbon dioxide separation membrane https://cs2.toray.co.jp/news/toray/newsrrs01.nsf/0/4247C58AA8264EA2492586B700260B96?open
  • a carbon dioxide separation membrane https://cs2.toray.co.jp/news/toray/newsrrs01.nsf
  • the carbon dioxide permeable membrane serving as the selective permeation means can be provided in the carbon dioxide separation section 10 in the form of a hollow fiber membrane, or in the form of a flat membrane, i.e., a sheet or a rolled-up sheet element.
  • the carbon dioxide permeable membrane in the form of a sheet or element and contacting the electrolyte 6 or the cathode 4, it is possible to prevent leakage of the electrolyte 6 from the cathode tank 3 to the outside of the tank while simultaneously supplying carbon dioxide to the cathode 4.
  • a dissolving means for dissolving carbon dioxide in the electrolyte in which the cathode 4 is immersed and supplying the carbon dioxide to the cathode 4 The carbon dioxide separation section 10 is filled with an ion exchange resin, which converts carbon dioxide in the air into carbonate ions, bicarbonate ions, etc., and supplies the converted ions to the electrolyte 6 .
  • a carbon dioxide reduction device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the third embodiment is similar to the second embodiment, except that: (a) an oxygen removing means for removing oxygen from the atmosphere and then supplying the oxygen to the cathode 4; (b) a selective permeation means for selectively permeating carbon dioxide; This is an embodiment in which the above is combined.
  • the air flows into the carbon dioxide separation section 10a (oxygen removal means) filled with an oxygen scavenger, and the oxygen in the air is removed.
  • the gas containing nitrogen with oxygen removed and carbon dioxide flows into the carbon dioxide separation section 10b (selective permeation means) that selectively allows carbon dioxide to pass through, and the carbon dioxide is supplied to the cathode 4.
  • Motor power is required for the carbon dioxide to move between the atmosphere 9 side and the carbon dioxide discharge side of the carbon dioxide separation unit 10b.
  • a pressure difference can be used as a power source.
  • the atmosphere may be pressurized to the pressure required for carbon dioxide separation in the upstream stage of the carbon dioxide separation unit 10a and then supplied.
  • the carbon dioxide discharge side may be depressurized.
  • a carbon dioxide reduction device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the fourth embodiment is similar to the third embodiment described above, except that (a) an oxygen removing means for removing oxygen from the atmosphere and then supplying the oxygen to the cathode 4; (b) a selective permeation means for selectively permeating carbon dioxide;
  • This embodiment has a carbon dioxide separation/catalyst electrode integrated section 100 integrated with a cathode 4a to which carbon dioxide is supplied.
  • the air flows into the carbon dioxide separation section 10a, which is filled with an oxygen remover, and the oxygen in the air is removed.
  • the gas containing nitrogen with oxygen removed and carbon dioxide flows into the carbon dioxide separation section 10b, which selectively allows carbon dioxide to pass through, and the carbon dioxide is supplied to the cathode 4a.
  • the cathode 4a is an electrode catalyst having micropores through which carbon dioxide can diffuse. Because the cathode 4a is in contact with the carbon dioxide separation section 10b, the carbon dioxide flowing in from the carbon dioxide separation section 10b diffuses into the fine pores of the cathode 4a, and a reduction reaction to carbon-containing compounds proceeds due to the effect of protons in the electrolyte 6 that has permeated the cathode 4a and electrons from the conductive wire 7.
  • a carbon dioxide reduction device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the fifth embodiment is an example in which the carbon dioxide separation section 10 in FIG. 4 is provided with a carbon dioxide amount measuring means 11 for measuring the amount of carbon dioxide supplied to the cathode 4 .
  • Typical examples of the carbon dioxide amount measuring means 11 include a non-dispersive infrared method that uses the infrared absorption property of carbon dioxide to measure the carbon dioxide concentration, a photoacoustic method, a solid electrolyte method, and a capacitance method.
  • the sixth embodiment includes an anode/cathode reaction control unit 12 and a light energy intake adjustment unit 13 in addition to the components of the fifth embodiment.
  • a side reaction other than the specified reaction may occur at cathode 4.
  • a specified carbon-containing compound e.g., ethylene
  • H/C molar ratio of 2 is the stoichiometric ratio.
  • H/C ⁇ 2 proton deficiency relative to carbon dioxide
  • the light energy intake adjustment unit 13 is equipped with, for example, a filter for adjusting the amount of light, and adjusts the amount of light energy absorbed into the anode 2 according to commands from the anode/cathode reaction control unit 12.
  • the carbon dioxide separation section 10 is equipped with a carbon dioxide supply amount adjustment means 14 (see FIG. 8) that has the function of adjusting the amount of carbon dioxide permeation.
  • the carbon dioxide supply amount adjustment means 14 adjusts the amount of carbon dioxide supplied to the cathode 4 according to commands from the anode/cathode reaction control section 12. For example, the adjustment may be made by widening or narrowing the opening area of the air intake section of the carbon dioxide separation section 10. Alternatively, the pressure or air volume for sending air to the carbon dioxide separation section 10 may be adjusted.
  • a carbon dioxide reduction device according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the seventh embodiment is an embodiment in which the target carbon-containing compound in the anode/cathode reaction control section 12 of the sixth embodiment is ethylene.
  • the control flow in the seventh embodiment is shown in FIG.
  • step 101 the anode/cathode reaction control unit 12 acquires the measurement result of the concentration (X) of carbon dioxide supplied to the cathode 4 by the carbon dioxide amount measuring means 11.
  • X is the concentration in molar terms.
  • step 103 the light energy intake adjustment unit 13 measures the maximum amount of light energy that can be supplied to the anode 2 and transmits it to the anode-cathode reaction control unit 12.
  • the anode-cathode reaction control unit 12 calculates the amount of protons generated at the anode (P2).
  • step 104 P2/P1 is calculated. Then, it is determined whether P2/P1 is equal to 1, greater than 1, or less than 1.
  • the carbon dioxide reduction device 1000 according to the eighth embodiment includes, in addition to the carbon dioxide reduction devices according to the above-mentioned embodiments, a carbon dioxide reduction amount estimation unit 16 that estimates the amount of carbon dioxide reduction in the atmosphere.
  • the carbon dioxide reduction device 1000 has a configuration in which the carbon dioxide reduction amount estimation unit 16 is added to the sixth embodiment, but the carbon dioxide reduction amount estimation unit 16 may be added to the other embodiments.
  • the carbon dioxide reduction estimation unit 16 calculates the amount of carbon dioxide reduction in the atmosphere from the measured amount of carbon dioxide supplied from the atmosphere to the cathode 4 by the carbon dioxide separation unit 10, or from the amount of carbon-containing compounds produced by the reduction reaction of carbon dioxide at the cathode 4.
  • the carbon dioxide reduction integrated management device 17 integrates and manages data on the amount of carbon dioxide reduction from multiple carbon dioxide reduction devices 1000.
  • the carbon dioxide reduction integrated management device 17 includes a management unit 17a and a communication unit 17b.
  • the management unit 17a includes a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit such as a memory, and controls the carbon dioxide reduction integrated management device 17. Specifically, the management unit 17a manages data on the amount of carbon dioxide reduction estimated by the carbon dioxide reduction estimation unit 16 of the carbon dioxide reduction device 1000.
  • the communication unit 17b is an interface for communicating with the carbon dioxide reduction device 1000, the carbon dioxide reduction display device 18, and the data center 19, and is connected to the management unit 17a.
  • the management unit 17a transmits information on the amount of carbon dioxide reduction in the atmosphere or the amount of carbon-containing compounds generated in a specified period of time to the carbon dioxide reduction display device 18 via the communication unit 17b so that the owner of the carbon dioxide reduction device 1000 can confirm the information.
  • the carbon dioxide reduction integrated management device 17 is connected online to the carbon dioxide reduction device 1000, the carbon dioxide reduction display device 18 (e.g., an app on a mobile terminal), and the data center 19 via a communication network N.
  • the communication network N includes public networks such as telephone networks, mobile communication networks, ISDN, and packet switching networks, as well as computer networks such as LANs, WANs, and the Internet.
  • the carbon dioxide reduction device 1000 has a control unit 20, a communication unit 21, a carbon dioxide separation unit 10, and a light energy intake adjustment unit 13.
  • the control unit 20 has a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit such as memory, and controls the carbon dioxide reduction device 1000 overall.
  • the control unit 20 has an anode/cathode reaction control unit 12, and a light energy intake adjustment unit 13.
  • the control unit 20 is connected to the carbon dioxide separation unit 10, a carbon dioxide reduction amount estimation unit 16, and a communication unit 21.
  • the carbon dioxide separation unit 10 has a carbon dioxide supply amount adjustment means 14 and a carbon dioxide amount measurement means 11.
  • the communication unit 21 is an interface for communicating with the carbon dioxide reduction amount integrated management device 17.
  • the functions of the anode/cathode reaction control unit 12, carbon dioxide reduction amount estimation unit 16, carbon dioxide supply amount adjustment means 14, carbon dioxide amount measurement means 11, and light energy intake adjustment unit 13 are the same as those described in the above embodiment, so their description will be omitted.
  • the owner of a carbon dioxide reduction device 1000 can check the amount of carbon dioxide that his or her device has reduced from the atmosphere over a specified period (hours, days, weeks, months, years, etc.) and the amount of carbon-containing compounds produced through the carbon dioxide reduction amount display device 18. It is also possible to check the amount of carbon dioxide reduced by all carbon dioxide reduction devices 1000 connected to the carbon dioxide reduction amount integrated management device 17. Furthermore, data on the amount of carbon dioxide reduced by multiple carbon dioxide reduction devices 1000 is stored in the data center 19, and analysis using this data is also possible.
  • the carbon dioxide reduction device 1000 and carbon dioxide reduction integrated management device 17 of this embodiment make it possible to quantitatively grasp the reduction effect of carbon dioxide in the atmosphere.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of the configuration of the ninth embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention.
  • the carbon dioxide reduction device according to this embodiment includes, for example, an anode (light reaction electrode) 2, a cathode (dark reaction electrode) 4, and a carbon dioxide separation unit 10 that separates carbon dioxide in the atmosphere and supplies it directly to the cathode (dark reaction electrode) 4.
  • the anode 2 and the cathode 4 are electrically connected.
  • the cathode tank 3 contains a cathode 4 immersed in an electrolytic solution 6.
  • the electrolytic solution 6 is, for example, an aqueous solution of potassium bicarbonate or H2CO3 dissolved in water.
  • protons (H + ) and HCO3- are generated according to the pH of the cathode tank solution. Also, protons (H+ ) and hydroxide ions ( OH- ) are generated from H2O according to the pH. Depending on the pH of the electrolytic solution 6, the water in the electrolytic solution generates protons (H + ) and hydroxide ions (OH ⁇ ) through equilibrium. The generated hydroxide ions (OH ⁇ ) move to the anode 2. Since water is consumed in the cathode chamber, it is preferable to provide a supply means for supplying water to the cathode chamber.
  • the anode (light reaction electrode) 2 generates water (H 2 O), oxygen compounds (for example, oxygen), and electrons (e ⁇ ) from hydroxide ions (OH ⁇ ) supplied from the anode 2 by utilizing light energy such as sunlight.
  • the carbon dioxide separation unit 10 separates carbon dioxide from the atmosphere and supplies it directly to the cathode (dark reaction electrode) 4 .
  • a carbon-containing compound e.g., ethylene, ethanol, methane, formic acid, etc.
  • the anode 2 and the cathode 4 are connected by a conductor 7.
  • the water in the anode tank 1 and the electrolyte in the cathode tank 3 are separated by an anion exchange membrane 8b.
  • the anion exchange membrane 8b has a separation function to prevent the solutions in the anode tank 1 and the cathode tank 3 from mixing, and also a function to supply hydroxide ions generated in the cathode tank 3 to the anode tank 1.
  • anion exchange membranes include strongly basic anion exchange resins having quaternary amines as functional groups, and weakly basic anion exchange resins having primary to tertiary amines, such as Sustainion from Dioxide Materials and A-201 from Tokuyama (Sustainion(R) Reigns Over AEMION and Tokuyama A201
  • the materials for the anode 2 and the cathode 4 those described in the first embodiment can be used. According to this embodiment, it is possible to improve the efficiency of carbon dioxide reduction since dilute carbon dioxide is separated from the atmosphere in the carbon dioxide separation unit 10 and highly concentrated carbon dioxide is supplied to the cathode 4. Furthermore, it is possible to prevent a decrease in reduction efficiency due to oxygen caused by directly supplying the atmosphere to the cathode 4.
  • a carbon dioxide reduction device according to a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the tenth embodiment is the same as the ninth embodiment, except that (a) an oxygen removing means for removing oxygen from the atmosphere and then supplying the oxygen to the cathode 4; (b) a selective permeation means for selectively permeating carbon dioxide; This is an embodiment in which the above is combined.
  • the atmospheric air is flowed into the carbon dioxide separation section 10a (oxygen removal means) filled with an oxygen scavenger, and oxygen in the atmospheric air is removed.
  • the gas containing nitrogen from which oxygen has been removed and carbon dioxide flows into a carbon dioxide separation section 10 b (selective permeation means) that selectively allows carbon dioxide to permeate, and the carbon dioxide is supplied to the cathode 4 .
  • Power is required for the carbon dioxide to move between the atmosphere 9 side and the carbon dioxide discharge side of the carbon dioxide separation unit 10b.
  • a pressure difference can be used as a power source.
  • the atmosphere may be pressurized to a pressure required for carbon dioxide separation in the upstream stage of the carbon dioxide separation unit 10a and then supplied.
  • the carbon dioxide discharge side may be depressurized.
  • the eleventh embodiment is the same as the tenth embodiment, except that (a) an oxygen removing means for removing oxygen from the atmosphere and then supplying the oxygen to the cathode 4; (b) a selective permeation means for selectively permeating carbon dioxide;
  • This embodiment has a carbon dioxide separation/catalyst electrode integrated section 100 integrated with a cathode 4a to which carbon dioxide is supplied. First, the air flows into the carbon dioxide separation section 10a filled with an oxygen remover, and oxygen in the air is removed.
  • the gas containing nitrogen from which oxygen has been removed and carbon dioxide flows into the carbon dioxide separation section 10b, which selectively allows carbon dioxide to permeate, and the carbon dioxide is supplied to the cathode 4a.
  • the cathode 4a is an electrode catalyst having micropores through which carbon dioxide can diffuse. Because the cathode 4a is in contact with the carbon dioxide separation section 10b, the carbon dioxide flowing in from the carbon dioxide separation section 10b diffuses into the fine pores of the cathode 4a, and a reduction reaction to carbon-containing compounds proceeds due to the effect of protons in the electrolyte 6 that has permeated the cathode 4a and electrons from the conductive wire 7.
  • An example of a method for ensuring the pressure difference required for carbon dioxide to move is shown below.
  • the atmospheric air is pressurized to a pressure necessary for carbon dioxide separation in the carbon dioxide separation/catalyst electrode integrated section 100 .
  • a carbon dioxide reduction device according to a twelfth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the twelfth embodiment is an example in which the carbon dioxide separation section 10 in FIG. 12 is provided with a carbon dioxide amount measuring means 11 for measuring the amount of carbon dioxide supplied to the cathode 4 .
  • Representative examples of the carbon dioxide amount measuring means 11 include a non-dispersive infrared method that measures the carbon dioxide concentration by utilizing the infrared absorbing property of carbon dioxide, a photoacoustic method, a solid electrolyte method, and a capacitance method.
  • a carbon dioxide reduction device according to a thirteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the thirteenth embodiment includes an anode/cathode reaction control unit 12 and a light energy intake adjustment unit 13 in addition to the components of the twelfth embodiment.
  • Protons and hydroxide ions are generated by water equilibrium according to the pH of the cathode electrolyte 6.
  • the generated hydroxide ions move to the anode through the anion exchange membrane, and water, oxygen compounds (e.g., oxygen), and electrons are generated using solar energy.
  • a specified carbon-containing compound e.g., ethylene
  • the protons at the cathode react with carbon dioxide, but there is a possibility that a side reaction other than the specified reaction may occur.
  • ethylene C 2 H 4
  • a H/C molar ratio of 2 is the stoichiometric ratio.
  • H/C ⁇ 2 proton deficiency relative to carbon dioxide
  • the light energy intake adjustment unit 13 includes, for example, a filter for adjusting the amount of light, and adjusts the amount of light energy taken in by the anode 2 in response to a command from the anode/cathode reaction control unit 12 .
  • the carbon dioxide separation unit 10 is equipped with a carbon dioxide supply amount adjustment means 14 (see FIG. 8 ) that has a function of adjusting the amount of carbon dioxide permeation.
  • the carbon dioxide supply amount adjustment means 14 adjusts the amount of carbon dioxide supplied to the cathode 4 in response to a command from the anode/cathode reaction control unit 12. For example, the adjustment may be made by widening or narrowing the opening area of the air intake part of the carbon dioxide separation unit 10. Alternatively, the pressure or air volume for sending air to the carbon dioxide separation unit 10 may be adjusted.
  • a carbon dioxide reduction device according to a fourteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the fourteenth embodiment is an embodiment in which the target carbon-containing compound in the anode/cathode reaction control section 12 of the thirteenth embodiment is ethylene.
  • the control flow in the fourteenth embodiment is shown in FIG.
  • the anode/cathode reaction control unit 12 acquires the measurement result of the concentration (X) of carbon dioxide supplied to the cathode 4 by the carbon dioxide amount measuring means 11.
  • X is the concentration in molar terms.
  • step 103a the light energy intake adjusting unit 13 measures the maximum amount of light energy that can be supplied to the anode, and transmits it to the anode/cathode reaction control unit 11.
  • the anode/cathode reaction control unit 12 calculates the amount of hydroxide ions consumed at the anode (P2).
  • step 104 P2/P1 is calculated. Then, it is determined whether P2/P1 is equal to 1, greater than 1, or less than 1.
  • the carbon dioxide reduction device 1000b according to the fifteenth embodiment includes a carbon dioxide reduction amount estimation unit 16 that estimates the amount of carbon dioxide reduction in the atmosphere, in addition to the carbon dioxide reduction device according to the twelfth embodiment using the anion exchange membrane described above.
  • the carbon dioxide reduction device 1000b has a configuration in which the carbon dioxide reduction amount estimation unit 16 is added to the twelfth embodiment, but the carbon dioxide reduction amount estimation unit 16 may be added to the ninth and subsequent embodiments.
  • the carbon dioxide reduction estimation unit 16 calculates the amount of carbon dioxide reduction in the atmosphere from the measured amount of carbon dioxide supplied from the atmosphere to the cathode 4 by the carbon dioxide separation unit 10, or from the amount of carbon-containing compounds produced by the reduction reaction of carbon dioxide at the cathode 4.
  • the carbon dioxide reduction amount integrated management device 17 integrates and manages data on the amount of carbon dioxide reduction from a plurality of carbon dioxide reduction devices 1000b.
  • the carbon dioxide reduction amount integrated management device 17 includes a management unit 17a and a communication unit 17b (see FIG. 8).
  • the management unit 17a includes a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit such as a memory, and controls the carbon dioxide reduction amount integrated management device 17 in an integrated manner.
  • CPU Central Processing Unit
  • the management unit 17a manages data on the amount of carbon dioxide reduction estimated by the carbon dioxide reduction amount estimation unit 16 of the carbon dioxide reduction device 1000b.
  • the communication unit 17b is an interface for communicating with the carbon dioxide reduction device 1000b, the carbon dioxide reduction amount display device 18, and the data center 19, and is connected to the management unit 17a.
  • the management unit 17a transmits information on the amount of carbon dioxide reduction or the amount of carbon-containing compounds generated in the atmosphere during a predetermined period to the carbon dioxide reduction amount display device 18 via the communication unit 17b so that the owner of the carbon dioxide reduction device 1000b can confirm the information.
  • the carbon dioxide reduction amount integrated management device 17 is connected online to the carbon dioxide reduction device 1000b, the carbon dioxide reduction amount display device 18 (for example, an application on a mobile terminal), and a data center 19 via a communication network N.
  • the communication network N includes public networks such as a telephone network, a mobile communication network, an ISDN, and a packet switching network, and computer networks such as a LAN, a WAN, and the Internet.
  • the carbon dioxide reduction device 1000b has a control unit 20, a communication unit 21, a carbon dioxide separation unit 10, and a light energy intake adjustment unit 13 (see FIG. 8).
  • the control unit 20 has a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit such as a memory, and controls the carbon dioxide reduction device 1000b in an integrated manner.
  • CPU Central Processing Unit
  • the control unit 20 has an anode/cathode reaction control unit 12 and a light energy intake adjustment unit 13.
  • the control unit 20 is connected to the carbon dioxide separation unit 10, a carbon dioxide reduction amount estimation unit 16, and a communication unit 21.
  • the carbon dioxide separation unit 10 has a carbon dioxide supply amount adjustment means 14 and a carbon dioxide amount measurement means 11.
  • the communication unit 21 is an interface for communicating with the carbon dioxide reduction amount integrated management device 17.
  • the owner of the carbon dioxide reduction device 1000b can check the amount of carbon dioxide reduced from the atmosphere and the amount of carbon-containing compounds produced by his/her device over a specified period (hours, days, weeks, months, years, etc.) through the carbon dioxide reduction amount display device 18. It is also possible to check the amount of carbon dioxide reduced by all of the carbon dioxide reduction devices 1000b connected to the carbon dioxide reduction amount integrated management device 17. Furthermore, data on the amount of carbon dioxide reduced by the multiple carbon dioxide reduction devices 1000b is stored in the data center 19, and analysis using the data is also possible. The carbon dioxide reduction device 1000b and the carbon dioxide reduction amount integrated management device 17 according to this embodiment make it possible to quantitatively grasp the reduction effect of carbon dioxide in the atmosphere.
  • the present invention has been described above based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and includes various modified examples.
  • the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. It is also possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.
  • Carbon dioxide reduction amount estimation unit 17 Carbon dioxide reduction amount integrated management device 17a. Management unit 17b... Communication unit 18... Carbon dioxide reduction amount display device 19... Data center 20... Control unit 21... Communication unit 100... Carbon dioxide separation/catalyst electrode integrated unit 1000... Carbon dioxide reduction device 1000b... Carbon dioxide reduction device N... Communication network

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Abstract

大気中の二酸化炭素を選択的に分離し、光エネルギーと水を利用して含炭素化合物に還元することを課題とする。二酸化炭素還元装置は、明反応電極であるアノード（２）と、アノード（２）と電気的に接続されており、かつ電解液（６）に浸漬された暗反応電極であるカソード（４）と、電解液（６）に二酸化炭素を供給するために、大気中の二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離部（１０）と、を備えており、アノード（２）において光エネルギー利用して電子を生成し、カソード（４）において、アノード（２）で生成した電子などを利用し、二酸化炭素分離部（１０）で分離された二酸化炭素と反応して含炭素化化合物が生成されることを特徴とする。

Description

二酸化炭素還元装置および二酸化炭素削減量統合管理装置
　本発明は、二酸化炭素還元装置および二酸化炭素削減量統合管理装置に関する。
　太陽光などの光エネルギーを利用した二酸化炭素還元方法として、人工光合成がある。例えば、明反応電極と暗反応電極を電気的に接続し、明反応電極では光エルギーを利用して水からプロトンと電子を生成し、暗反応電極では生成したプロトンと電子を利用して二酸化炭素を一酸化炭素やギ酸、メタン、メタノールに還元するものである。または、明反応電極と暗反応電極を電気的に接続し、明反応電極では光エルギーを利用して水酸化物イオンから電子と酸素化合物と水を生成し、暗反応電極では水酸化物イオンを明反応電極に供給し、暗反応槽中のプロトンと明反応で生成した電子を利用して二酸化炭素を一酸化炭素やギ酸、メタン、メタノールに還元するものである。
　二酸化炭素のみをガス拡散電極を用いてカソードへ供給する方法が特許文献１に記載されている。
特開２０１８－９０８３８号公報
　特許文献１の図１を参照すると、供給するガス成分は二酸化炭素のみである。一方、本願が対象としている大気は約８０％の窒素、約２０％の酸素が主成分であり、二酸化炭素濃度は４００ｐｐｍ程度と希薄である。大気中の希薄な二酸化炭素を選択的に分離することが必要となる。また、カソードに大気をそのまま供給すると大気中の酸素とプロトンが反応して二酸化炭素の還元が阻害される。
　また、大気中の二酸化炭素削減量を定量的に把握することは地球温暖化対策、プラネタリーバウンダリーの観点でも重要である。
　本発明の目的は、大気中の二酸化炭素を直接炭化水素に還元することが可能な二酸化炭素還元装置および二酸化炭素削減量統合管理装置を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明は、明反応電極であるアノードと、前記アノードと電気的に接続されており、かつ電解液に浸漬された暗反応電極であるカソードと、前記電解液に二酸化炭素を供給するために、大気中の二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離部と、を備えており、
　前記アノードにおいて光エネルギー利用して水からプロトンと電子を生成し、前記カソードへ前記アノードで生成したプロトンと電子が供給され、前記カソードにおいて、前記アノードで生成したプロトンと電子と前記二酸化炭素分離部で分離された二酸化炭素とが反応して含炭素化化合物が生成されることを特徴とする二酸化炭素還元装置である。
　または、前記カソードにおいてカソード槽に存在するプロトンと前記アノードから供給された電子と前記供給二酸化炭素が反応して含炭素化物が生成し、前記カソードにおいて水から生成した水酸化物イオンは前記アノードへ供給され、前記アノードにおいて光エネルギー利用して前記水酸化物イオンが水と酸素化合物と電子とを生成し、前記電子は前記カソードへ供給されることを特徴とする二酸化炭素還元装置である。
　さらに、本発明は、前記二酸化炭素分離部が、
　（ａ）大気中から酸素を除去した後に前記カソードへ供給する酸素除去手段、
　（ｂ）二酸化炭素を選択的に透過させる選択的透過手段、
　（ｃ）二酸化炭素を前記カソードが浸漬された電解液に溶解させて前記カソードへ供給する溶解手段、
　のいずれか一つを備えることが好ましい。
　本発明によれば、大気中の二酸化炭素を直接炭化水素に還元することが可能な二酸化炭素還元装置および二酸化炭素削減量統合管理装置を提供することができる。
本発明の二酸化炭素還元装置の第１と第２の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第３の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第４の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第５の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第６の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第７の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第８の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第８の実施の形態の制御構成を示す機能ブロック図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第９の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第１０の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第１１の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第１２の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第１３の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第１４の実施の形態を示す概略図である。 本発明の二酸化炭素還元装置の第１５の実施の形態を示す概略図である。
　以下、本発明の二酸化炭素還元装置の実施の形態について図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
　本発明の第１の実施の形態について図１を用いて説明する。図１は本発明の二酸化炭素還元装置の第１の実施の形態の概略構成図である。
　本実施形態に係る二酸化炭素還元装置は、例えば太陽光などの光エネルギーを利用して水からプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）を生成するアノード（明反応電極）２と、大気中の二酸化炭素を分離してカソード（暗反応電極）４へ直接供給する二酸化炭素分離部１０とを備え、アノード２とカソード４は電気的に接続され、カソード４ではアノード２で生成したプロトンと電子と二酸化炭素分離部１０で分離された二酸化炭素との反応により含炭素化化合物を生成する、ことにより大気中の二酸化炭素を削減することを特徴としている。
　アノード（明反応電極）槽１にはアノード２が備えられている。カソード（暗反応電極）槽３にはカソード４が備えられている。また、カソード槽３ではカソード４は電解液６に浸漬されている。アノード槽１には水５が入っている。アノード槽の水は、電極反応で消費されるため、水をアノード槽に供給する供給手段を備えていることが好ましい。
　アノード２とカソード４は導線７で繋がっている。またアノード槽１の水とカソード槽３の電解液はプロトン交換膜８で隔離されている。
　アノード２に光エネルギーが照射されると水の光分解によりプロトンと電子が生じる。電子は導線７を通じてカソード４へ供給される。プロトンはプロトン交換膜８を介してカソード槽３の電解液６へ供給される。
　プロトン交換膜は、例えば、パーフルオロスルホン酸プロトン交換膜が利用できる。
　大気９中の二酸化炭素は二酸化炭素分離部１０を介してカソード４へ供給される。
　カソード４上で二酸化炭素とプトロンと電子の反応により含炭素化合物（例えば、エチレン、エタノール、メタン、ギ酸など）が生成する。
　アノード２には、光を吸収して電子が励起する光触媒を用いることができる。光触媒としては、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ２Ｎ、ＢａＴａＯ２Ｎ、ＮａＴａＯ３、ＷＯ３、ＺｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ、Ｔａ２Ｏ５、Ｂｉ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＢｉＶＯ４、Ｙ２Ｔｉ２Ｏ５Ｓ２などが挙げられる。反応を促進させるためにその表面に助触媒となり得る材料を適宜修飾しても良い。代表的な助触媒材料として、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕ等がある。また光触媒は基材によって支持されていてもよい。光触媒材料は、粉末の混合体、圧粉体、シート状でもよい。
　アノード槽の電解液として、例えば純水を用いると酸素化合物として酸素が生成し、塩化ナトリウム水溶液を用いると酸素化合物として次亜塩素酸と酸素が生成可能である。
　カソード４には、二酸化炭素をプロトンやイオンを用いて還元できる材料が適している。材料例として、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｚｎなどを用いることができる。これらの材料の少なくとも一つの金属、金属酸化物、複合化合物（錯体化合物、合金など）を用いることができる。また、これらの材料の少なくとも一つの金属、金属酸化物、複合化合物（錯体化合物、合金など）を導電性カーボンに塗布したものをカソード４として用いても良い。
　カソード槽３の電解液６としては、例えば、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、炭酸カリウム水溶液、炭酸ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、塩化カリウム水溶液などを用いることができる。
　二酸化炭素分離部１０は、大気中の二酸化炭素を濃縮できるものであればよい。
　本実施形態によれば、二酸化炭素分離部１０で大気中から希薄な二酸化炭素が分離され、高濃度化された二酸化炭素がカソード４に供給されるため、二酸化炭素の還元効率を向上できる。さらに、大気を直接カソード４に供給することにより生じる酸素による還元効率の低下も防止できる。
　［第２の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第２の実施の形態について図１を用いて説明する。
　第２の実施の形態では、二酸化炭素分離部１０は、二酸化炭素の分離手段として、
　（ａ）大気中から酸素を除去した後にカソード４へ供給する酸素除去手段、
　（ｂ）二酸化炭素を選択的に透過させる選択的透過手段、
　（ｃ）二酸化炭素をカソード４が浸漬された電解液６に溶解させてカソード４へ供給する溶解手段、
　のいずれか一つを備える。
　以下に具体例を示す。
　（ａ）大気中から酸素を除去した後にカソード４へ供給する酸素除去手段：
　大気中の酸素を選択に取り込むことが可能な多孔性材料(例えば、テトラシアノキノジメタン：https://scienceportal.jst.go.jp/newsflash/20100608_01/)や、酸素と選択的に反応する物質(鉄系脱酸素剤、非鉄系脱酸素剤：https://www.mgc.co.jp/special/ageless/)などの脱酸素剤が適用できる。このような脱酸素剤を二酸化炭素分離部１０に充填する。大気が二酸化炭素分離部１０を通過すると、大気中の酸素が除去されるため、酸素によるカソード４での還元反応低下を抑制できる。
　なお、脱酸素剤は顆粒状やハニカム状などの形態で二酸化炭素分離部１０に充填可能である。また、二酸化炭素分離部１０は、脱酸素剤が含まれており、かつガスが透過可能な微細孔を有するシート状またはシートを巻いたエレメント状とするのが好ましい。
　脱酸素剤をシートないしエレメント状として電解液６ないしカソード４と接触させることで、電解液６のカソード槽３から槽外への漏洩防止と二酸化炭素のカソード４への供給の両立が可能である。
　（ｂ）二酸化炭素を選択的に透過させる選択的透過手段：
　大気中の二酸化炭素を選択的に透過させてカソード４へ供給可能な二酸化炭素透過膜として、例えば、中空糸状の多孔質炭素繊維支持体の表面に炭素薄膜を備えた二酸化炭素分離膜(https://cs2.toray.co.jp/news/toray/newsrrs01.nsf/0/4247C58AA8264EA2492586B700260B96?open）やゼオライト膜(https://www.ngk.co.jp/news/20211112_1.html)が適用できる。
　選択的透過手段としての二酸化炭素透過膜は、中空糸膜の他、平膜、すなわちシート状やシートを巻いたエレメント状として二酸化炭素分離部１０に備えることが可能である。
　二酸化炭素透過膜をシートないしエレメント状として電解液６ないしカソード４と接触させることで電解液６のカソード槽３から槽外への漏洩防止と二酸化炭素のカソード４への供給の両立が可能である。
　（ｃ）二酸化炭素をカソード４が浸漬された電解液に溶解させてカソード４へ供給する溶解手段：
　二酸化炭素分離部１０にイオン交換樹脂が充填されており、大気中の二酸化炭素を炭酸イオンや重炭酸イオンなどの形態に変えて電解液６に供給する。
　溶解手段としてのイオン交換樹脂（二酸化炭素分離部１０）を電解液６ないしカソード４と接触させることで電解液６のカソード槽３から槽外への漏洩防止と二酸化炭素のカソード４への供給の両立が可能である。
［第３の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第３の実施の形態について図２を用いて説明する。
　第３の実施の形態は、前記した第２の実施の形態において、
　（ａ）大気中から酸素を除去した後にカソード４へ供給する酸素除去手段と、
　（ｂ）二酸化炭素を選択的に透過させる選択的透過手段と、
　を組合わせた実施の形態である。
　まず、大気は、脱酸素剤が充填された二酸化炭素分離部１０ａ（酸素除去手段）に流入され、大気中の酸素が除去される。
　次に、酸素が除去された窒素と二酸化炭素が含まれるガスが、二酸化炭素を選択的に透過させる二酸化炭素分離部１０ｂ（選択的透過手段）に流入し、二酸化炭素がカソード４へ供給される。
　なお、大気９側と二酸化炭素分離部１０ｂの二酸化炭素吐出側には二酸化炭素が移動するための動力が必要となる。例えば、動力源として差圧がある。大気は二酸化炭素分離部１０ａの前段で二酸化炭分離に必要な圧力まで加圧して供給してもよい。また、二酸化炭素分離部１０ｂとして二酸化炭素と窒素の分離膜を利用する場合には、二酸化炭素排出側を減圧してもよい。
［第４の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第４の実施の形態について図３を用いて説明する。
　第４の実施の形態は、前記した第３の実施の形態において、
　（ａ）大気中から酸素を除去した後にカソード４へ供給する酸素除去手段と、
　（ｂ）二酸化炭素を選択的に透過させる選択的透過手段と、
　二酸化炭素が供給されるカソード４ａと、が一体化した、二酸化炭素分離・触媒電極一体型部１００を有する実施の形態である。
　まず、大気は、酸素除去剤が充填された二酸化炭素分離部１０ａに流入され、大気中の酸素が除去される。
　次に、酸素が除去された窒素と二酸化炭素が含まれるガスが、二酸化炭素を選択的に透過させる二酸化炭素分離部１０ｂに流入し、二酸化炭素がカソード４ａへ供給される。
　カソード４ａは二酸化炭素が拡散可能な微細孔を有する電極触媒となっている。
　カソード４ａが二酸化炭素分離部１０ｂと接触していることで、二酸化炭素分離部１０ｂから流入する二酸化炭素がカソード４ａの微細孔内へ拡散され、カソード４ａに浸透している電解液６中のプロトンと導線７からの電子との効果で含炭素化合物への還元反応が進行する。
　なお、二酸化炭素が移動するための差圧を確保する方法の例を以下に示す。
　すなわち、二酸化炭素分離・触媒電極一体型部１００の前段に設けられた大気加圧部１５において、二酸化炭素分離・触媒電極一体型部１００での二酸化炭分離に必要な圧力まで大気を加圧する。
［第５の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第５の実施の形態について図４を用いて説明する。
　第５の実施の形態は、図４の二酸化炭素分離部１０に、カソード４へ供給された二酸化炭素の供給量を計測する二酸化炭素量計測手段１１を備えた例である。
　二酸化炭素量計測手段１１の代表例として、二酸化炭素の赤外線を吸収する性質を利用して二酸化炭素濃度を計測する非分散型赤外線方式や、光音響方式、固体電解質方式、静電容量方式などが利用できる。
［第６の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第６の実施の形態について図５を用いて説明する。
　第６の実施の形態は、前記した第５の実施の形態に加えて、アノード・カソード反応制御部１２と、光エネルギー取込み調整部１３と、を備えている。
　カソード４に供給された二酸化炭素の供給量に対して所定の含炭素化合物（例えば、エチレン）を得るために必要な量よりも過不足のあるプロトンと電子がアノード２からカソード４に供給されると、カソード４では所定の反応以外の副反応が生じる可能性がある。
　例えば、エチレン（Ｃ２Ｈ４）の場合には、Ｈ／Ｃのモル比２が化学量論比となる。
　二酸化炭素に対してプロトン不足（Ｈ／Ｃ＜２）となると、エチレン生成の中間体（例えば、一酸化炭素など）が生成する可能性がある。
　一方、二酸化炭素に対してプロトン過多（Ｈ／Ｃ＞２）となると、未反応のプロトン同士が反応して水素を生成する可能性がある。
　いずれの場合も、目的生成物の純度を低下させること、水素や一酸化炭素の生成を抑制したいこと、などの理由で望ましくない。
　以上のことから、カソード４に供給された二酸化炭素の供給量と光エネルギーの取込み量に応じて、アノード２とカソード４での反応量を所定の含炭素化合物を得るために適切に制御することが必要となる。
　光エネルギー取込み調整部１３は、例えば光量調節用フィルターを備えており、アノード・カソード反応制御部１２の指令に応じて、アノード２への光エネルギーの取込み量を調整する。
　二酸化炭素分離部１０は、二酸化炭素透過量を調節する機能を有する二酸化炭素供給量調整手段１４（図８参照）を備えている。二酸化炭素供給量調整手段１４は、アノード・カソード反応制御部１２の指令に応じて、カソード４への二酸化炭素の供給量を調整する。例えば、二酸化炭素分離部１０の大気取込み部の開口部面積を拡げたり狭めたりして調整してもよい。または、二酸化炭素分離部１０へ大気を送り出す圧力や風量を調整してもよい。
［第７の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第７の実施の形態について図６を用いて説明する。
　第７の実施の形態は、第６の実施の形態のアノード・カソード反応制御部１２での目的含炭素化合物をエチレンとした場合の実施の形態である。第７の実施の形態における制御フローを図６に示す。
　ステップ１０１では、二酸化炭素量計測手段１１でカソード４に供給された二酸化炭素の濃度（Ｘ）の計測結果をアノード・カソード反応制御部１２が取得する。ここで、Ｘはモル換算の濃度とする。
　ステップ１０２では、二酸化炭素の濃度（Ｘ）に対してエチレンを得るために必要なプロトン量（Ｐ１：モル濃度）を算出する。Ｐ１／Ｘ＝２であることから、Ｐ１＝２Ｘ、となる。
　ステップ１０３では、光エネルギー取込み調整部１３はアノード２に供給可能な最大光エネルギー量を計測し、アノード・カソード反応制御部１２に伝達する。アノード・カソード反応制御部１２ではアノードで生成するプロトン量を算出（Ｐ２）する。
　ステップ１０４では、Ｐ２／Ｐ１を算出する。そして、Ｐ２／Ｐ１が１に等しいか、１よりも大きいか、または１よりも小さいかが判断される。
　ステップ１０５では、Ｐ２／Ｐ１＝１の場合に、アノード２の光量最大（光量調整をせず）でアノード・カソード反応を実行する。実行後はステップ１０１に戻る。
　ステップ１０６では、Ｐ２／Ｐ１＞１の場合に、エチレン反応に対してはアノード２の光量過多（プロトン発生過多）と判断する。そこで、Ｐ２／Ｐ１＝１となるように光エネルギー取込み調整部１３の例えば光量調節用フィルターで光量を低下させてアノード・カソード反応を実行する。実行後はステップ１０１に戻る。
　ステップ１０７では、Ｐ２／Ｐ１＜１の場合に、エチレン反応に対してはカソード４の二酸化炭素取込み過多と判断する。そこで、Ｐ２／Ｐ１＝１となるように二酸化炭素分離部１０の二酸化炭素取込み量を低下させてアノード・カソード反応を実行する。実行後はステップ１０１に戻る。
［第８の実施の形態］
　本発明の第８の実施の形態について図７、図８を用いて説明する。
　第８の実施の形態に係る二酸化炭素還元装置１０００は、前記した各実施の形態に係る二酸化炭素還元装置に加えて、大気中の二酸化炭素の削減量を推算する二酸化炭素削減量推算部１６を備える。なお、図８において、二酸化炭素還元装置１０００は、第６の実施形態に対して二酸化炭素削減量推算部１６を加えた構成としているが、他の実施形態に対して二酸化炭素削減量推算部１６を加えた構成としてもよい。
　二酸化炭素削減量推算部１６は、大気中の二酸化炭素削減量を、二酸化炭素分離部１０が大気からカソード４へ供給した二酸化炭素量の供給量の計測値、またはカソード４での二酸化炭素の還元反応によって生成した含炭素化合物の生成量から算定する。
　二酸化炭素削減量統合管理装置１７は、複数の二酸化炭素還元装置１０００からの二酸化炭素の削減量に関するデータを統合管理する。二酸化炭素削減量統合管理装置１７は、管理部１７ａと、通信部１７ｂとを備えている。管理部１７ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリ等の記憶部とを備えており、二酸化炭素削減量統合管理装置１７を統括的に制御する。管理部１７ａは、具体的には、二酸化炭素還元装置１０００の二酸化炭素削減量推算部１６によって推算された二酸化炭素の削減量に関するデータを管理する。通信部１７ｂは、二酸化炭素還元装置１０００、二酸化炭素削減量表示装置１８、およびデータセンター１９等と通信を行うためのインタフェースであり、管理部１７ａに接続されている。管理部１７ａは、所定期間における大気中の二酸化炭素の削減量または含炭素化合物の生成量に関する情報を、二酸化炭素還元装置１０００の所有者が確認できるように、通信部１７ｂを介して二酸化炭素削減量表示装置１８に送信する。
　二酸化炭素削減量統合管理装置１７は、二酸化炭素還元装置１０００、二酸化炭素削減量表示装置１８（例えば、携帯端末のアプリなど）、およびデータセンター１９等と、通信ネットワークＮを介してオンラインで繋がっている。通信ネットワークＮは、電話網、移動通信網、ＩＳＤＮ、パケット交換網等の公衆網、およびＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネット等のコンピュータネットワークを含むものである。
　二酸化炭素還元装置１０００は、制御部２０と、通信部２１と、二酸化炭素分離部１０と、光エネルギー取込み調整部１３とを有している。制御部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリ等の記憶部とを備えており、二酸化炭素還元装置１０００を統括的に制御する。制御部２０は、アノード・カソード反応制御部１２と、光エネルギー取込み調整部１３とを備えている。制御部２０には、二酸化炭素分離部１０と、二酸化炭素削減量推算部１６と、通信部２１とが接続されている。二酸化炭素分離部１０は、二酸化炭素供給量調整手段１４と、二酸化炭素量計測手段１１とを備えている。通信部２１は、二酸化炭素削減量統合管理装置１７と通信を行うためのインタフェースである。なお、アノード・カソード反応制御部１２、二酸化炭素削減量推算部１６、二酸化炭素供給量調整手段１４、二酸化炭素量計測手段１１、および光エネルギー取込み調整部１３の各機能は、前記した実施の形態において説明した通りであるため、説明を省略する。
　例えば、二酸化炭素還元装置１０００の所有者は、自分の装置が所定期間（時間、日、週、月、年など）で大気中から削減した二酸化炭素量や含炭素化合物の生成量を二酸化炭素削減量表示装置１８を通して確認できる。また、二酸化炭素削減量統合管理装置１７に繋がっている全ての二酸化炭素還元装置１０００で削減した二酸化炭素量も確認することも可能となる。また、データセンター１９において、複数の二酸化炭素還元装置１０００で削減した二酸化炭素量のデータが保存されるとともに、該データを利用した分析等も可能となる。
　本実施形態による二酸化炭素還元装置１０００と二酸化炭素削減量統合管理装置１７とにより、大気中の二酸化炭素の削減効果を定量的に把握することが可能となる。
［第９の実施の形態］
　本発明の第９の実施の形態について図９を用いて説明する。図９は本発明の二酸化炭素還元装置の第９の実施の形態の概略構成図である。
　本実施形態に係る二酸化炭素還元装置は、例えば、アノード（明反応電極）２、カソード（暗反応電極）４と大気中の二酸化炭素を分離してカソード（暗反応電極）４へ直接供給する二酸化炭素分離部１０を備える。アノード２とカソード４は電気的に接続されている。
　カソード槽３には、電解溶液６に浸漬されたカソード４がある。電解溶液６は、例えば、炭酸水素カリウムやＨ２ＣＯ３を水に溶解した水溶液である。電解液がＨ２ＣＯ３の場合には、カソード槽溶液のｐＨに応じてプロトン(Ｈ＋)とＨＣＯ３ -が生成する。また、ｐＨに応じてＨ２Ｏからプロトン(Ｈ＋)と水酸化物イオン(ＯＨ-)が生成する。
　この電解溶液６のｐＨに応じて電解溶液中の水は平衡によりプロトン（Ｈ+）と水酸化物イオン（ＯＨ-）を生成する。
　生成した水酸化物イオン（ＯＨ-）はアノード２に移動する。カソード槽では、水が消費されるため、カソード槽に水を供給する供給手段を備えていることが好ましい。
　アノード（明反応電極）２は、太陽光などの光エネルギーを利用してアノード２から供給された水酸化物イオン（ＯＨ-）から水（Ｈ２Ｏ）と酸素化合物（例えば、酸素）と電子（ｅ－）を生成する。
　二酸化炭素分離部１０は、大気中の二酸化炭素を分離してカソード（暗反応電極）４へ直接供給する。
　カソード４では、カーソド槽に存在するプロトンとアノードから供給された電子と二酸化炭素分離部１０で分離された二酸化炭素との反応により含炭素化化合物（例えば、エチレン、エタノール、メタン、ギ酸など）を生成する。
　なお、アノード２とカソード４は導線７で繋がっている。またアノード槽１の水とカソード槽３の電解液はアニオン交換膜８bで隔離されている。アニオン交換膜８bは、アノード槽１とカソード槽３の溶液が混合しないようにする分離機能と共に、カソード槽３で生成した水酸化物イオンをアノード槽１へ供給する機能を有する。
　アニオン交換膜として、例えば、官能基として４級アミンを有する強塩基性アニオン交換樹脂と、１～３級アミンを有する弱塩基性アニオン交換樹脂がある。例えば、Ｄｉｏｘｉｄｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＳｕｓｔａｎｉｏｎやＴｏｋｕｙａｍａ社のＡ－２０１などがある（Sustainion(R) Reigns Over AEMION and Tokuyama A201 | Dioxide Materials）。
　アノード２およびカソード４の材料として、第１の実施の形態に記載のものが利用可能である。
　本実施形態によれば、二酸化炭素分離部１０で大気中から希薄な二酸化炭素が分離され、高濃度化された二酸化炭素がカソード４に供給されるため、二酸化炭素の還元効率を向上できる。さらに、大気を直接カソード４に供給することにより生じる酸素による還元効率の低下も防止できる。
［第１０の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第１０の実施の形態について図１０を用いて説明する。
　第１０の実施の形態は、前記した第９の実施の形態において、
　（ａ）大気中から酸素を除去した後にカソード４へ供給する酸素除去手段と、
　（ｂ）二酸化炭素を選択的に透過させる選択的透過手段と、
　を組合わせた実施の形態である。
　まず、大気は、脱酸素剤が充填された二酸化炭素分離部１０ａ（酸素除去手段）に流入され、大気中の酸素が除去される。
　次に、酸素が除去された窒素と二酸化炭素が含まれるガスが、二酸化炭素を選択的に透過させる二酸化炭素分離部１０ｂ（選択的透過手段）に流入し、二酸化炭素がカソード４へ供給される。
　なお、大気９側と二酸化炭素分離部１０ｂの二酸化炭素吐出側には二酸化炭素が移動するための動力が必要となる。例えば、動力源として差圧がある。大気は二酸化炭素分離部１０ａの前段で二酸化炭分離に必要な圧力まで加圧して供給してもよい。また、二酸化炭素分離部１０ｂとして二酸化炭素と窒素の分離膜を利用する場合には、二酸化炭素排出側を減圧してもよい。
［第１１の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第１１の実施の形態について図１１を用いて説明する。
　第１１の実施の形態は、前記した第１０の実施の形態において、
　（ａ）大気中から酸素を除去した後にカソード４へ供給する酸素除去手段と、
　（ｂ）二酸化炭素を選択的に透過させる選択的透過手段と、
　二酸化炭素が供給されるカソード４ａと、が一体化した、二酸化炭素分離・触媒電極一体型部１００を有する実施の形態である。
　まず、大気は、酸素除去剤が充填された二酸化炭素分離部１０ａに流入され、大気中の酸素が除去される。
　次に、酸素が除去された窒素と二酸化炭素が含まれるガスが、二酸化炭素を選択的に透過させる二酸化炭素分離部１０ｂに流入し、二酸化炭素がカソード４ａへ供給される。
　カソード４ａは二酸化炭素が拡散可能な微細孔を有する電極触媒となっている。
　カソード４ａが二酸化炭素分離部１０ｂと接触していることで、二酸化炭素分離部１０ｂから流入する二酸化炭素がカソード４ａの微細孔内へ拡散され、カソード４ａに浸透している電解液６中のプロトンと導線７からの電子との効果で含炭素化合物への還元反応が進行する。
　なお、二酸化炭素が移動するための差圧を確保する方法の例を以下に示す。
　すなわち、二酸化炭素分離・触媒電極一体型部１００の前段に設けられた大気加圧部１５において、二酸化炭素分離・触媒電極一体型部１００での二酸化炭分離に必要な圧力まで大気を加圧する。
［第１２の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第１２の実施の形態について図１２を用いて説明する。
　第１２の実施の形態は、図１２の二酸化炭素分離部１０に、カソード４へ供給された二酸化炭素の供給量を計測する二酸化炭素量計測手段１１を備えた例である。
　二酸化炭素量計測手段１１の代表例として、二酸化炭素の赤外線を吸収する性質を利用して二酸化炭素濃度を計測する非分散型赤外線方式や、光音響方式、固体電解質方式、静電容量方式などが利用できる。
［第１３の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第１３の実施の形態について図１３を用いて説明する。
　第１３の実施の形態は、前記した第１２の実施の形態に加えて、アノード・カソード反応制御部１２と、光エネルギー取込み調整部１３と、を備えている。
　カソードの電解液６のｐＨに応じて水の平衡によりプロトンと水酸化物イオンが生成する。生成した水酸化物イオンはアニオン交換膜を介してアノードへ移動し、太陽光エネルギーを利用して水と酸素化合物(例えば、酸素）と電子を生成する。
　二酸化炭素量計測手段１１でカソードに供給された二酸化炭素濃度に対して所定の含炭素化合物(例えば、エチレン)を得るために必要な電子がアノードからカソードに供給されるとカソードにあるプロトンと二酸化炭素が反応するが、所定の反応以外の副反応が生じる可能性がある。
　例えば、エチレン（Ｃ２Ｈ４）の場合には、Ｈ／Ｃのモル比２が化学量論比となる。
　二酸化炭素に対してプロトン不足（Ｈ／Ｃ＜２）となると、エチレン生成の中間体（例えば、一酸化炭素など）が生成する可能性がある。
　一方、二酸化炭素に対してプロトン過多（Ｈ／Ｃ＞２）となると、未反応のプロトン同士が反応して水素を生成する可能性がある。
　いずれの場合も、目的生成物の純度を低下させること、水素や一酸化炭素の生成を抑制したいこと、などの理由で望ましくない。
　以上のことから、カソード４に供給された二酸化炭素の供給量と光エネルギーの取込み量に応じて、アノード２とカソード４での反応量を所定の含炭素化合物を得るために適切に制御することが必要となる。
　光エネルギー取込み調整部１３は、例えば光量調節用フィルターを備えており、アノード・カソード反応制御部１２の指令に応じて、アノード２への光エネルギーの取込み量を調整する。
　二酸化炭素分離部１０は、二酸化炭素透過量を調節する機能を有する二酸化炭素供給量調整手段１４（図８参照）を備えている。二酸化炭素供給量調整手段１４は、アノード・カソード反応制御部１２の指令に応じて、カソード４への二酸化炭素の供給量を調整する。例えば、二酸化炭素分離部１０の大気取込み部の開口部面積を拡げたり狭めたりして調整してもよい。または、二酸化炭素分離部１０へ大気を送り出す圧力や風量を調整してもよい。
［第１４の実施の形態］
　本発明の二酸化炭素還元装置の第１４の実施の形態について図１４を用いて説明する。
　第１４の実施の形態は、第１３の実施の形態のアノード・カソード反応制御部１２での目的含炭素化合物をエチレンとした場合の実施の形態である。第１４の実施の形態における制御フローを図１４に示す。
　ステップ１０１では、二酸化炭素量計測手段１１でカソード４に供給された二酸化炭素の濃度（Ｘ）の計測結果をアノード・カソード反応制御部１２が取得する。ここで、Ｘはモル換算の濃度とする。
　ステップ１０２では、二酸化炭素の濃度（Ｘ）に対してエチレンを得るために必要なプロトン量（Ｐ１：モル濃度）を算出する。Ｐ１／Ｘ＝２であることから、Ｐ１＝２Ｘ、となる。
　ステップ１０３ａでは、光エネルギー取込み調整部１３はアノードに供給可能な最大光エネルギー量を計測し、アノード・カソード反応制御部１１に伝達する。アノード・カソード反応制御部１２ではアノードで消費する水酸化物イオン量を算出(Ｐ２)する。
　ステップ１０４では、Ｐ２／Ｐ１を算出する。そして、Ｐ２／Ｐ１が１に等しいか、１よりも大きいか、または１よりも小さいかが判断される。
　ステップ１０５では、Ｐ２／Ｐ１＝１の場合に、アノード２の光量最大（光量調整をせず）でアノード・カソード反応を実行する。実行後はステップ１０１に戻る。
　ステップ１０６では、Ｐ２／Ｐ１＞１の場合に、エチレン反応に対してはアノード２の光量過多（プロトン発生過多）と判断する。そこで、Ｐ２／Ｐ１＝１となるように光エネルギー取込み調整部１３の例えば光量調節用フィルターで光量を低下させてアノード・カソード反応を実行する。実行後はステップ１０１に戻る。
　ステップ１０７では、Ｐ２／Ｐ１＜１の場合に、エチレン反応に対してはカソード４の二酸化炭素取込み過多と判断する。そこで、Ｐ２／Ｐ１＝１となるように二酸化炭素分離部１０の二酸化炭素取込み量を低下させてアノード・カソード反応を実行する。実行後はステップ１０１に戻る。
［第１５の実施の形態］
　本発明の第１５の実施の形態について図１５を用いて説明する。
　第１５の実施の形態に係る二酸化炭素還元装置１０００ｂは、前記したアニオン交換膜を用いた第１２の実施の形態に係る二酸化炭素還元装置に加えて、大気中の二酸化炭素の削減量を推算する二酸化炭素削減量推算部１６を備える。なお、図１５において、二酸化炭素還元装置１０００ｂは、第１２の実施形態に対して二酸化炭素削減量推算部１６を加えた構成としているが、第９以降の実施形態に対して二酸化炭素削減量推算部１６を加えた構成としてもよい。
　二酸化炭素削減量推算部１６は、大気中の二酸化炭素削減量を、二酸化炭素分離部１０が大気からカソード４へ供給した二酸化炭素量の供給量の計測値、またはカソード４での二酸化炭素の還元反応によって生成した含炭素化合物の生成量から算定する。
　二酸化炭素削減量統合管理装置１７は、複数の二酸化炭素還元装置１０００ｂからの二酸化炭素の削減量に関するデータを統合管理する。二酸化炭素削減量統合管理装置１７は、管理部１７ａと、通信部１７ｂとを備えている（図８参照）。管理部１７ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリ等の記憶部とを備えており、二酸化炭素削減量統合管理装置１７を統括的に制御する。管理部１７ａは、具体的には、二酸化炭素還元装置１０００ｂの二酸化炭素削減量推算部１６によって推算された二酸化炭素の削減量に関するデータを管理する。通信部１７ｂは、二酸化炭素還元装置１０００ｂ、二酸化炭素削減量表示装置１８、およびデータセンター１９等と通信を行うためのインタフェースであり、管理部１７ａに接続されている。管理部１７ａは、所定期間における大気中の二酸化炭素の削減量または含炭素化合物の生成量に関する情報を、二酸化炭素還元装置１０００ｂの所有者が確認できるように、通信部１７ｂを介して二酸化炭素削減量表示装置１８に送信する。
　二酸化炭素削減量統合管理装置１７は、二酸化炭素還元装置１０００ｂ、二酸化炭素削減量表示装置１８（例えば、携帯端末のアプリなど）、およびデータセンター１９等と、通信ネットワークＮを介してオンラインで繋がっている。通信ネットワークＮは、電話網、移動通信網、ＩＳＤＮ、パケット交換網等の公衆網、およびＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネット等のコンピュータネットワークを含むものである。
　二酸化炭素還元装置１０００ｂは、制御部２０と、通信部２１と、二酸化炭素分離部１０と、光エネルギー取込み調整部１３とを有している（図８参照）。制御部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリ等の記憶部とを備えており、二酸化炭素還元装置１０００ｂを統括的に制御する。制御部２０は、アノード・カソード反応制御部１２と、光エネルギー取込み調整部１３とを備えている。制御部２０には、二酸化炭素分離部１０と、二酸化炭素削減量推算部１６と、通信部２１とが接続されている。二酸化炭素分離部１０は、二酸化炭素供給量調整手段１４と、二酸化炭素量計測手段１１とを備えている。通信部２１は、二酸化炭素削減量統合管理装置１７と通信を行うためのインタフェースである。なお、アノード・カソード反応制御部１２、二酸化炭素削減量推算部１６、二酸化炭素供給量調整手段１４、二酸化炭素量計測手段１１、および光エネルギー取込み調整部１３の各機能は、前記した実施の形態において説明した通りであるため、説明を省略する。
　例えば、二酸化炭素還元装置１０００ｂの所有者は、自分の装置が所定期間（時間、日、週、月、年など）で大気中から削減した二酸化炭素量や含炭素化合物の生成量を二酸化炭素削減量表示装置１８を通して確認できる。また、二酸化炭素削減量統合管理装置１７に繋がっている全ての二酸化炭素還元装置１０００ｂで削減した二酸化炭素量も確認することも可能となる。また、データセンター１９において、複数の二酸化炭素還元装置１０００ｂで削減した二酸化炭素量のデータが保存されるとともに、該データを利用した分析等も可能となる。
　本実施形態による二酸化炭素還元装置１０００ｂと二酸化炭素削減量統合管理装置１７とにより、大気中の二酸化炭素の削減効果を定量的に把握することが可能となる。
　以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、一の実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、一の実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１…アノード（明反応電極）槽
　２…アノード（明反応電極）
　３…カソード（暗反応電極）槽
　４…カソード（暗反応電極）
　４ａ…カソード（暗反応電極）
　５…水
　６…電解液
　７…導線
　８…プロトン交換膜
　８b…アニオン交換膜
　９…大気
　１０…二酸化炭素分離部
　１０ａ…二酸化炭素分離部（酸素除去手段）
　１０ｂ…二酸化炭素分離部（選択的透過手段）
　１１…二酸化炭素量計測手段
　１２…アノード・カソード反応制御部
　１３…光エネルギー取込み調整部
　１４…二酸化炭素供給量調整手段
　１５…大気加圧部
　１６…二酸化炭素削減量推算部
　１７…二酸化炭素削減量統合管理装置
　１７ａ…管理部
　１７ｂ…通信部
　１８…二酸化炭素削減量表示装置
　１９…データセンター
　２０…制御部
　２１…通信部
　１００…二酸化炭素分離・触媒電極一体型部
　１０００…二酸化炭素還元装置
　１０００ｂ…二酸化炭素還元装置
　Ｎ…通信ネットワーク

Claims (14)

  1. 　アノードと、前記アノードと電気的に接続されたカソードと、大気中の二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離部と、を備え、
    　前記アノードにおいて光エネルギーを利用して電子を生成し、
    　前記カソードにおいて前記アノードで生成した電子と前記二酸化炭素分離部で分離された二酸化炭素とが反応して含炭素化合物が生成されることを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  2. 　請求項１に記載の二酸化炭素還元装置おいて、
    　前記カソードが浸漬された電解液を有するカソード槽と、前記アノードが浸漬された水を有するアノード槽と、を備え、
    　前記アノードにおいて光エネルギーを利用して水からプロトンと電子を生成し、前記カソードへ前記アノードで生成したプロトンと電子が供給され、
    　前記二酸化炭素分離部は、前記カソード槽に二酸化炭素を供給し、
    　前記カソードにおいて、前記アノードで生成したプロトンと電子と前記二酸化炭素分離部で分離された二酸化炭素とが反応して含炭素化化合物が生成されることを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  3. 　請求項１に記載の二酸化炭素還元装置おいて、
    　前記カソードが浸漬された電解液を有するカソード槽を備え、
    　前記カソードにおいて、前記電解液に含まれる水から生成した水酸化物イオンは前記アノードへ供給され、
    　前記アノードにおいて光エネルギー利用して前記水酸化物イオンが水と酸素化合物と電子とを生成し、前記電子は前記カソードへ供給され、
    　前記カソードにおいてカソード槽に存在するプロトンと前記アノードから供給された電子と前記供給二酸化炭素が反応して含炭素化物が生成されることを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  4. 　請求項１に記載の二酸化炭素還元装置において、
    　前記二酸化炭素分離部は、
    　（ａ）大気中から酸素を除去した後に前記カソードへ供給する酸素除去手段、
    　（ｂ）二酸化炭素を選択的に透過させる選択的透過手段、
    　（ｃ）二酸化炭素を前記カソードが浸漬された電解液に溶解させて前記カソードへ供給する溶解手段、
    　のいずれか一つを備えることを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  5. 　請求項２に記載の二酸化炭素還元装置において、
    　前記二酸化炭素分離部は、前記カソードに供給した二酸化炭素の供給量を計測する二酸化炭素量計測手段を備えることを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  6. 　請求項３に記載の二酸化炭素還元装置において、
    　前記二酸化炭素分離部は、前記カソードに供給した二酸化炭素の供給量を計測する二酸化炭素量計測手段を備えることを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  7. 　請求項５に記載の二酸化炭素還元装置において、
    　前記アノードでの光エネルギーの取込み量を調整する光エネルギー取込み調整部を備え、
    　前記光エネルギー取込み調整部は、前記二酸化炭素量計測手段において計測された二酸化炭素の供給量に適応した前記アノードでのプロトンと電子の発生量となるように光エネルギーの取込み量を調整することを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  8. 　請求項６に記載の二酸化炭素還元装置において、
    　前記アノードでの光エネルギーの取込み量を調整する光エネルギー取込み調整部を備え、
    　前記光エネルギー取込み調整部は、前記二酸化炭素量計測手段において計測された二酸化炭素の供給量に適応した前記アノードでの水酸化物イオンの消費と電子発生を行うように光エネルギー取込み量を調整することを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  9. 　請求項５に記載の二酸化炭素還元装置において、
    　前記カソードへの二酸化炭素の供給量を制御する二酸化炭素供給量調整手段を備え、
    　前記二酸化炭素供給量調整手段は、前記アノードでの光エネルギーの取込み量に適応した二酸化炭素の供給量となるように調整する、ことを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  10. 　請求項６に記載の二酸化炭素還元装置において、
    　前記カソードへの二酸化炭素の供給量を制御する二酸化炭素供給量調整手段を備え、
    　前記二酸化炭素供給量調整手段は、前記アノードでの光エネルギーの取込み量に適応した二酸化炭素の供給量となるように調整する、ことを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  11. 　請求項７に記載の二酸化炭素還元装置において、
    　前記カソードへの二酸化炭素の供給量を制御する二酸化炭素供給量調整手段を備え、
    　前記二酸化炭素供給量調整手段は、前記アノードでの光エネルギーの取込み量に適応した二酸化炭素の供給量となるように調整する、ことを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  12. 　請求項８に記載の二酸化炭素還元装置において、
    　前記カソードへの二酸化炭素の供給量を制御する二酸化炭素供給量調整手段を備え、
    　前記二酸化炭素供給量調整手段は、前記アノードでの光エネルギーの取込み量に適応した二酸化炭素の供給量となるように調整する、ことを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  13. 　請求項１から１２のいずれか一項に記載の二酸化炭素還元装置において、
    　大気中の二酸化炭素の削減量を推算する二酸化炭素削減量推算部を備え、
    　前記二酸化炭素削減量推算部は、大気中の二酸化炭素の削減量を、前記二酸化炭素分離部が大気から前記カソードへ供給した二酸化炭素の供給量の計測値、または前記カソードでの二酸化炭素の還元反応によって生成した含炭素化合物の生成量から算定することを特徴とする二酸化炭素還元装置。
  14. 　複数台の請求項１３に記載の二酸化炭素還元装置、および二酸化炭素削減量表示装置とオンラインで繋がっており、
    　前記二酸化炭素削減量推算部によって推算された二酸化炭素の削減量に関するデータを管理する管理部を有し、
    　前記管理部は、所定期間における大気中の二酸化炭素の削減量または含炭素化合物の生成量に関する情報を、前記二酸化炭素還元装置の所有者が確認できるように、前記二酸化炭素削減量表示装置に送信することを特徴とする二酸化炭素削減量統合管理装置。
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JP2010540214A (ja) * 2007-09-20 2010-12-24 スカイオニック コーポレイション 炭酸塩および／または炭酸水素塩鉱物の同時生成による廃棄ガス流からの二酸化炭素除去方法
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