JP5617048B2 - 二酸化炭素透過装置及び二酸化炭素輸送方法 - Google Patents
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Description
第1のガス拡散電極と、
第2のガス拡散電極と、
前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極とに接するようにして、前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極との間に介在する電解質膜と、
前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備え、
電気化学反応により前記第1のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速してこの気体中の二酸化炭素濃度を低減すると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第2のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速してこの気体中の二酸化炭素を富化するように構成されていることを特徴とする。
第1のガス拡散電極と、第2のガス拡散電極と、前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極とに接するようにして、前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極との間に介在する電解質膜と、前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備える二酸化炭素透過装置を用意し、
前記直流電源によって、前記第1のガス拡散電極がカソードになると共に前記第2のガス拡散電極がアノードになるように、電圧を印加することで、前記第1のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速させると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第2のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速させることを特徴とする。
O2+2H2O+4e- → 4OH-
本発明の第4の態様に係る二酸化炭素透過装置は、第1又は第3の態様において、前記電解質膜における、前記第2のガス拡散電極と重なる面上に担持されているO2発生触媒を更に備える。
本発明の第5の態様に係る二酸化炭素透過装置は、前記電解質膜における、前記第1のガス拡散電極と重なる面上に担持されているO2還元触媒及びO2発生触媒を更に備え、
前記電解質膜における、前記第2のガス拡散電極と重なる面上に担持されているO2還元触媒及びO2発生触媒を更に備え、
前記直流電源が、前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極との間への電圧の印加方向を変更可能に構成されている。
O2+2H2O+4e- → 4OH-
O2還元触媒の好ましい例としては、酸素の吸着サイトとして作用することができる遷移金属であるSc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも一種類の金属、これらの金属のうち一種以上を含む合金、これらの金属のうち一種以上を含む錯体、これらの金属のうち一種以上をドーパントとした化合物、カーボンアロイ、カーボンナノチューブ、グラファイト等が、挙げられる。
電解質膜4の、第2のガス拡散電極3と重なる面上に触媒が担持される場合、この触媒には、O2発生触媒が含まれることが好ましい。O2発生触媒とは、次に示すO2発生反応を促進させる触媒である。
O2発生触媒の好ましい例としても、遷移金属であるSc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも一種類の金属、これらの金属のうち一種以上を含む合金、これらの金属のうち一種以上を含む錯体、これらの金属のうち一種以上をドーパントとした化合物、カーボンアロイ、カーボンナノチューブ、グラファイト等が、挙げられる。
電解質膜4への触媒の担持は、適宜の手法によりおこなわれる。例えば、電解質膜4に、触媒を含有する溶液又は分散液(以下、触媒インクという)を直接塗布する方法が、挙げられる。また、適宜の転写基材に触媒インクを塗布することで転写基材上に触媒を含有する膜(触媒膜)を形成し、続いてこの触媒膜を転写基材上から電解質膜4上へ転写する方法(転写法)も、挙げられる。これらの方法のうち、特に転写法が用いられることが好ましい。この場合、電解質膜4が触媒インク中の溶媒又は分散媒によって膨潤することが抑制され、このため、電解質膜4が変形しにくくなる。
続いて、第1のガス拡散電極2では、第1のガス拡散電極2が接する気体中の二酸化炭素と上記反応で生じた水酸化物イオンOH-とが関与する下記式で示される反応が、起こり、HCO3 -が、生成する。
この反応と同時に、第1のガス拡散電極2側では、下記式で示されるように、第1のガス拡散電極2が接する気体中の二酸化炭素が電解質膜4中の水と反応して水和、電離する酸塩基反応も、起こる。これにより、HCO3 -が、生成する。尚、電解質膜4中の水は、第1のガス拡散電極2または第2のガス拡散電極3と接する気体中の水蒸気に由来するものであり、電解質膜4が膨潤するなどして電解質膜4中に取り込まれたものである。
これらの反応により、第1のガス拡散電極2に接する気体中の二酸化炭素の、電解質膜4への吸収が、加速される。尚、この場合の「加速」とは、第1のガス拡散電2と第2のガス拡散電極3との間に電圧が印加されていない場合に起こり得る二酸化炭素の電解質膜4への吸収と比較して、二酸化炭素の吸収量が増大することを意味する。
この反応により第2のガス拡散電極3近傍では水素イオンH+濃度が高くなることで、水素イオンH+と炭酸水素イオンHCO3 -とが関与する次の酸塩基反応が、促進され、これにより、二酸化炭素が、生成する。これにより、電解質膜4から第2のガス拡散電極3が接する気体への、二酸化炭素の放出が、加速される。尚、この場合の「加速」とは、第1のガス拡散電2と第2のガス拡散電極3との間に電圧が印加されていない場合に起こり得る二酸化炭素の電解質膜4からの放出と比較して、二酸化炭素の放出量が増大することを、意味する。
電解質膜4における第2のガス拡散電極3と接する面上にO2発生触媒が担持されていると、上記の電気化学的な水の酸化によりO2が発生する反応も、著しく促進される。これにより、上記の二酸化炭素が生成する酸塩基反応の平衡が、右側に偏りやすくなり、このため、二酸化炭素の放出効率が、更に高くなる。
このため、アノードである第2のガス拡散電極3側での反応が起こるための過電圧が、大きくなる。このため、同一電圧で反応量を大きくするためには、第2のガス拡散電極3側では、二酸化炭素濃度が、希薄であれば希薄である方が良く、好ましくは5%以下である。また、二酸化炭素濃度を希釈するために、第2のガス拡散電極3側に気流を発生させる設備を設けることも、好ましい。
2 第1のガス拡散電極
3 第2のガス拡散電極
4 電解質膜
5 直流電源
Claims (12)
- 第1のガス拡散電極と、
第2のガス拡散電極と、
前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極とに接するようにして、前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極との間に介在し、陰イオン伝導性の樹脂を含む電解質膜と、
前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備え、
前記第1のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速してこの気体中の二酸化炭素濃度を低減すると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第2のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速してこの気体中の二酸化炭素を富化するように構成されている二酸化炭素透過装置。 - 前記電解質膜における、前記第1のガス拡散電極と重なる面上と、前記第2のガス拡散電極と重なる面上とのうち、少なくとも一方に、触媒が担持されている請求項1に記載の二酸化炭素透過装置。
- 前記電解質膜における、前記第1のガス拡散電極と重なる面上に担持されているO2還元触媒を更に備える請求項1に記載の二酸化炭素透過装置。
- 前記電解質膜における、前記第2のガス拡散電極と重なる面上に担持されているO2発生触媒を更に備える請求項1又は3に記載の二酸化炭素透過装置。
- 前記電解質膜における、前記第1のガス拡散電極と重なる面上に担持されているO2還元触媒及びO2発生触媒を更に備え、
前記電解質膜における、前記第2のガス拡散電極と重なる面上に担持されているO2還元触媒及びO2発生触媒を更に備え、
前記直流電源が、前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極との間への電圧の印加方向を変更可能に構成されている請求項1に記載の二酸化炭素透過装置。 - 前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極とのうち、少なくとも一方が、前記電解質膜に接する微多孔質層を備える請求項1乃至5のいずれか一項に記載の二酸化炭素透過装置。
- 前記第1のガス拡散電極に接する気体を保持する第1の気体保持室を更に備える請求項1乃至6のいずれか一項に記載の二酸化炭素透過装置。
- 前記第2のガス拡散電極に接する気体を保持する第2の気体保持室を更に備える請求項1乃至7のいずれか一項に記載の二酸化炭素透過装置。
- 前記電解質膜へ水を供給する水供給手段を更に備える請求項1乃至8のいずれか一項に記載の二酸化炭素透過装置。
- 第1のガス拡散電極と、第2のガス拡散電極と、前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極とに接するようにして、前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極との間に介在し、陰イオン伝導性の樹脂を含む電解質膜と、前記第1のガス拡散電極と前記第2のガス拡散電極との間に電圧を印加する直流電源とを備える二酸化炭素透過装置を用意する工程と、
前記直流電源によって、前記第1のガス拡散電極がカソードになると共に前記第2のガス拡散電極がアノードになるように、電圧を印加することで、前記第1のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速させると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第2のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速させる工程とを含む二酸化炭素輸送方法。 - 前記直流電源によって、前記第1のガス拡散電極がアノードになると共に前記第2のガス拡散電極がカソードになるように、電圧を印加することで、前記第2のガス拡散電極側の気体から前記電解質膜への二酸化炭素の吸収を加速させると共に、前記電解質膜中の水の酸化反応を利用して、前記電解質膜から前記第1のガス拡散電極側の気体への二酸化炭素の放出を加速させる工程を更に含む請求項10に記載の二酸化炭素輸送方法。
- 前記第1のガス拡散電極に供給された常温のガス中の二酸化炭素を透過させて前記第2のガス拡散電極から常温のまま放出するように構成されている請求項1乃至9のいずれか一項に記載の二酸化炭素透過装置。
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