特開 2022-126130 電気化学素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022126130

(43)【公開日】2022-08-30

(54)【発明の名称】電気化学素子

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/32 20060101AFI20220823BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20220823BHJP

【ＦＩ】

B01D53/32 ZAB

B01D53/62

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021024024

(22)【出願日】2021-02-18

(71)【出願人】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100122471

【弁理士】

【氏名又は名称】籾井 孝文

(72)【発明者】

【氏名】菅 博史

(72)【発明者】

【氏名】鳥井 淳史

(72)【発明者】

【氏名】中川 剛佑

(72)【発明者】

【氏名】飯田 和希

【テーマコード（参考）】

4D002

【Ｆターム（参考）】

4D002AA09

4D002AC10

4D002BA05

4D002BA06

4D002BA20

4D002CA20

4D002DA27

4D002DA28

4D002DA29

4D002DA70

4D002EA11

4D002FA01

4D002GA01

4D002GB12

4D002GB20

4D002HA03

(57)【要約】

【課題】省エネルギーおよび小規模設備で効率的に所定のガスを分離・回収することができる電気化学素子を提供すること。
【解決手段】本発明の実施形態による電気化学素子は、外周壁と；外周壁の内側に配設され、第１端面から第２端面まで延びる複数のセルを規定する隔壁と；を有する。複数のセルは、第１のセルと第２のセルとを有し、第１のセルを規定する隔壁の表面に、第１の活物質を含む機能電極が形成され、第２のセル内部に、第２の活物質を含むカウンター電極が配置されている。複数のセルが延びる方向に直交する方向の断面における複数のセルの総面積に対して、第１のセルの総面積は５０％を超える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周壁と；
該外周壁の内側に配設され、第１端面から第２端面まで延びる複数のセルを規定する隔壁と；
を有し、
該複数のセルが、第１のセルと第２のセルとを有し、
該第１のセルを規定する該隔壁の表面に、第１の活物質を含む機能電極が形成され、
該第２のセル内部に、第２の活物質を含むカウンター電極が配置されており、
該複数のセルが延びる方向に直交する方向の断面における該複数のセルの総面積に対して、該第１のセルの総面積が５０％を超える、
電気化学素子。

【請求項2】

前記第１のセルおよび前記第２のセルが交互に配列されており、
該セルが延びる方向に直交する方向の断面における該第１のセルの断面積が、該第２のセルの断面積よりも大きい、
請求項１に記載の電気化学素子。

【請求項3】

前記複数のセルは、前記断面において四角形状を有するセルが格子状に配列されており、
前記第２のセルが、互いに隣接しないようにして配列されている、
請求項１に記載の電気化学素子。

【請求項4】

前記第１のセルが、互いに隣接するようにして配列されている、請求項３に記載の電気化学素子。

【請求項5】

前記複数のセルは、前記断面において六角形状を有するセルが蜂の巣状に配列されており、
前記第２のセルが、互いに隣接しないようにして配列されている、
請求項１に記載の電気化学素子。

【請求項6】

前記第１のセルが、互いに隣接するようにして配列されている、請求項５に記載の電気化学素子。

【請求項7】

前記機能電極が形成されているセルが、ガス流路を含む、請求項１から６のいずれかに記載の電気化学素子。

【請求項8】

前記機能電極が、前記ガス流路を包囲するようにして前記隔壁に形成されている、請求項７に記載の電気化学素子。

【請求項9】

前記カウンター電極が配置されているセルが、該カウンター電極で充填されている、請求項１から８のいずれかに記載の電気化学素子。

【請求項10】

前記カウンター電極が、導電性の基質と該基質に分散された前記第２の活物質とを含む、請求項９に記載の電気化学素子。

【請求項11】

前記基質が炭素質材料を含む、請求項１０に記載の電気化学素子。

【請求項12】

前記カウンター電極がイオン性液体をさらに含む、請求項１０または１１に記載の電気化学素子。

【請求項13】

前記隔壁にイオン性液体が含浸されており、該イオン性液体が、前記カウンター電極に含まれるイオン性液体と同一である、請求項１２に記載の電気化学素子。

【請求項14】

前記第１の活物質がアントラキノンを含み、前記第２の活物質がポリビニルフェロセンを含む、請求項１から１３のいずれかに記載の電気化学素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学素子に関する。

【背景技術】

【0002】

ガス混合物から所定のガスを分離・回収する技術の開発が継続的に進められている。特に近年、地球温暖化を軽減するために二酸化炭素（ＣＯ_２）排出量を抑制する必要があり、ガス混合物から二酸化炭素を分離・回収する取り組みがなされている。そのような取り組みの代表例として、二酸化炭素回収・利用・貯留（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage：ＣＣＵＳ）サイクルが知られている。ここで、二酸化炭素の回収に関しては、例えば、化学吸着法、物理吸着法、深冷分離法、膜分離法、電気化学的回収方法が知られている。しかし、現在、これらの技術はいずれも、二酸化炭素の回収能力が不十分であり、回収に非常に大きなエネルギーが必要であり、かつ、回収に大規模設備が必要とされており、実用化に向けて種々の検討課題が残されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１８－５３３４７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の主たる目的は、省エネルギーおよび小規模設備で効率的に所定のガスを分離・回収することができる電気化学素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の実施形態による電気化学素子は、外周壁と；該外周壁の内側に配設され、第１端面から第２端面まで延びる複数のセルを規定する隔壁と；を有する。該複数のセルは、第１のセルと第２のセルとを有し、該第１のセルを規定する該隔壁の表面に、第１の活物質を含む機能電極が形成され、該第２のセル内部に、第２の活物質を含むカウンター電極が配置されている。該複数のセルが延びる方向に直交する方向の断面における該複数のセルの総面積に対して、該第１のセルの総面積は５０％を超える。
１つの実施形態においては、上記第１のセルおよび上記第２のセルは交互に配列されており、該セルが延びる方向に直交する方向の断面における該第１のセルの断面積は、該第２のセルの断面積よりも大きい。
１つの実施形態においては、上記複数のセルは、上記断面において四角形状を有するセルが格子状に配列されており、上記第２のセルは、互いに隣接しないようにして配列されている。この場合、上記第１のセルは、互いに隣接するようにして配列されていてもよい。
１つの実施形態においては、上記複数のセルは、上記断面において六角形状を有するセルが蜂の巣状に配列されており、上記第２のセルは、互いに隣接しないようにして配列されている。この場合、上記第１のセルは、互いに隣接するようにして配列されていてもよい。
１つの実施形態においては、上記機能電極が形成されているセルは、ガス流路を含む。１つの実施形態においては、上記機能電極は、上記ガス流路を包囲するようにして上記隔壁に形成されている。
１つの実施形態においては、上記カウンター電極が配置されているセルは、該カウンター電極で充填されている。
１つの実施形態においては、上記カウンター電極は、導電性の基質と該基質に分散された上記第２の活物質とを含む。１つの実施形態においては、上記基質は炭素質材料を含む。１つの実施形態においては、上記カウンター電極はイオン性液体をさらに含む。
１つの実施形態においては、上記隔壁にイオン性液体が含浸されており、該イオン性液体は、上記カウンター電極に含まれるイオン性液体と同一である。
１つの実施形態においては、上記第１の活物質はアントラキノンを含み、上記第２の活物質はポリビニルフェロセンを含む。

【発明の効果】

【0006】

本発明の実施形態によれば、省エネルギーおよび小規模設備で効率的に所定のガスを分離・回収することができる電気化学素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の１つの実施形態による電気化学素子の概略斜視図である。

【図2】図１の電気化学素子のセルが延びる方向に平行な方向の概略断面図である。

【図3】図１および図２の電気化学素子のセルが延びる方向に直交する方向の要部拡大概略断面図である。

【図4】本発明の別の実施形態による電気化学素子のセルが延びる方向に直交する方向の要部拡大概略断面図である。

【図5】本発明のさらに別の実施形態による電気化学素子のセルが延びる方向に直交する方向の要部拡大概略断面図である。

【図6】本発明のさらに別の実施形態による電気化学素子のセルが延びる方向に直交する方向の要部拡大概略断面図である。

【図7】本発明のさらに別の実施形態による電気化学素子のセルが延びる方向に直交する方向の要部拡大概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。

【0009】

Ａ．電気化学素子の全体構成
本発明の実施形態による電気化学素子は、電気化学的プロセスを用いてガス混合物から所定のガス（例えば、二酸化炭素）を分離・回収するものである。

【0010】

図１は、本発明の１つの実施形態による電気化学素子の概略斜視図であり；図２は、図１の電気化学素子のセルが延びる方向に平行な方向の概略断面図であり；図３は、図１および図２の電気化学素子のセルが延びる方向に直交する方向の要部拡大概略断面図である。図示例の電気化学素子１００は、外周壁１０と；外周壁１０の内側に配設され、第１端面２０ａから第２端面２０ｂまで延びる複数のセル３０、３０、・・・を規定する隔壁４０と；を有する。複数のセル３０、３０、・・・は、第１のセル３０ａと第２のセル３０ｂとを有する。第１のセル３０ａを規定する隔壁４０の表面には、第１の活物質を含む機能電極５０が形成されている。第２のセル内部３０ｂには、カウンター電極６０が配置されている。本発明の実施形態においては、セル３０、３０、・・・が延びる方向に直交する方向の断面におけるセルの断面積の総面積を１００％とした場合に、第１のセル３０ａの断面積の合計は当該総面積に対して５０％を超える。このような構成であれば、所定流量のガス混合物（実質的には、分離・回収すべきガス）と機能電極との接触面積を非常に大きくすることができる。その結果、きわめて高効率で所定のガス（例えば、二酸化炭素）を分離・回収することができる。さらに、小規模設備で効率的に所定のガス（例えば、二酸化炭素）を分離・回収することが可能となり、かつ、当該ガスの分離・回収に必要とされるエネルギーを大幅に削減することができる。本明細書において「セルが延びる方向に直交する方向の断面におけるセルの断面積の総面積」とは、セルが隔壁４０のみで規定される部分におけるセルの断面積の総面積と意味する。すなわち、セルが隔壁４０と外周壁１０とで規定される周縁部のセルの断面積は含まない。例えば、電気化学素子が円柱状（断面が円形）である場合には、総面積は、断面の円に内接する最大の四角形の総面積である。また例えば、電気化学素子がガスの入口側と出口側で断面積が異なる場合（例えば、電気化学素子が円錐台状である場合）、総面積は入口、中央および出口の少なくとも３カ所の総面積の平均である。以下、第１のセル３０ａの断面積の合計を「機能電極セル断面積」と称し、セルが延びる方向に直交する方向の断面におけるセルの断面積の総面積を「セル総面積」と称する場合がある。

【0011】

図１～図３に示すガス分離用電気化学素子においては、第１のセルおよび上記第２のセルは交互に配列されている。セルが延びる方向に直交する方向の断面における第１のセル３０ａの断面積は、第２のセル３０ｂの断面積よりも大きい。このような構成であれば、機能電極セル断面積をセル総面積に対して５０％を超えるようにすることができる。例えば、第１のセル３０ａの断面積（実質的には、断面形状）と第２のセル３０ｂの断面積（実質的には、断面形状）とを適切に設定することにより、セル総面積に対する機能電極セル断面積の割合を所望の範囲に調整することができる。例えば、第１のセル３０ａの断面積を第２のセル３０ｂの断面積の１５０％～５００％に設定することにより、セル総面積に対する機能電極セル断面積の割合を６０％～８３％とすることができる。図示例においては、外周壁１０と接する部分を除いて、断面形状が八角形の第１のセル３０ａと断面形状が四角形の第２のセル３０ｂとが交互に配列されている。この構成において第１のセルの断面形状を正八角形とし、第２のセルの断面形状を第１のセルと同じ辺の長さを有する正方形とすると、第１のセルの断面積は第２のセルの断面積の約４８０％となり、セル総面積に対する機能電極セル断面積の割合は約８３％となる。当該割合を大きくすることにより、機能電極と接触するガス流量を大きくすることができる。その結果、非常に優れたガス分離・回収効率を実現することができる。セル総面積に対する機能電極セル断面積の割合は、カウンター電極が機能し得る数（割合）で第２のセルが確保されている限りにおいて、所望のガス分離・回収効率、設備の規模の許容範囲、ガス分離・回収に必要とされるエネルギーの許容範囲等に応じて適切に設定され得る。セル総面積に対する機能電極セル断面積の割合の上限は、例えば８５％であり得る。

【0012】

第１のセル３０ａのセルが延びる方向に直交する方向の断面における中央部（すなわち、機能電極５０が形成されていない部分）には、ガス流路７０が形成されている。機能電極５０は、図示例のように隔壁４０の全面に（すなわち、ガス流路７０を包囲するようにして）形成されてもよく、隔壁の表面の一部に形成されてもよい。ガスの分離・回収効率を考慮すると、機能電極５０は隔壁４０の全面に形成されていることが好ましい。第２のセル３０ｂの内部には、上記のとおりカウンター電極６０が配置されている。カウンター電極６０は第２の活物質を含む。第２のセル３０ｂは、代表的には、カウンター電極６０で充填されている。

【0013】

ガス分離用電気化学素子におけるセル構成の変形例を、図４～図７を参照して説明する。図４に示す例においては、外周壁１０と接する部分を除いて、断面形状が四角形（例えば、正方形）のセル３０、３０、・・・が格子状に配列されている。第２のセル３０ｂは、互いに隣接しないようにして配列されている。この場合、第１のセル３０ａは、互いに隣接して配列されていてもよい。本明細書において「互いに隣接しない」とは、２つのセルが、それぞれのセルを規定する隔壁の各辺も頂点も共有しないことをいう。図４に示す例においては、セル総面積に対する機能電極セル断面積の割合は７５％となる。その結果、さらに優れたガス分離・回収効率を実現することができる。例えば、セル３０ａとセル３０ｂとが交互に（すなわち、市松パターンで）配列されている場合に比べて、セル総面積に対する機能電極セル断面積の割合は１．５倍となり、ガスの分離・回収効率も１．５倍となり得る。セル３０ａおよびセル３０ｂの配列パターンは、図１～図３に示す例の場合と同様に、カウンター電極が機能し得る数（割合）で第２のセルが確保されている限りにおいて、所望のガス分離・回収効率、設備の規模の許容範囲、ガス分離・回収に必要とされるエネルギーの許容範囲等に応じて適切に設定され得る。この場合、第１のセル３０ａは、代表的には、少なくとも１つの第２のセル３０ｂと隔壁４０を共有し得る。例えば、第２のセル３０ｂは、図６に示すようにして配列されていてもよい。

【0014】

図５に示す例においては、外周壁１０と接する部分を除いて、断面形状が六角形（例えば、正六角形）のセル３０、３０、・・・が蜂の巣状に配列されている。第２のセル３０ｂは、互いに隣接しないようにして配列されている。この場合、第１のセル３０ａは、互いに隣接して配列されていてもよい。図５に示す例においては、セル総面積に対する機能電極セル断面積の割合は約８６％となる。その結果、さらに優れたガス分離・回収効率を実現することができる。セル３０ａおよびセル３０ｂの配列パターンは、図１～図４に示す例の場合と同様に、カウンター電極が機能し得る数（割合）で第２のセルが確保されている限りにおいて、所望のガス分離・回収効率、設備の規模の許容範囲、ガス分離・回収に必要とされるエネルギーの許容範囲等に応じて適切に設定され得る。この場合、第１のセル３０ａは、代表的には、少なくとも１つの第２のセル３０ｂと隔壁４０を共有し得る。例えば、第２のセル３０ｂは、図７に示すようにして配列されていてもよい。

【0015】

電気化学素子の形状は目的に応じて適切に設計され得る。図示例の電気化学素子１００は円柱状（セルの延びる方向に直交する方向の断面形状が円形）であるが、電気化学素子は、断面形状が例えば楕円形または多角形（例えば、四角形、五角形、六角形、八角形）の柱状であってもよい。電気化学素子の長さは、目的に応じて適切に設定され得る。電気化学素子の長さは、例えば５ｍｍ～５００ｍｍであり得る。電気化学素子の直径は、目的に応じて適切に設定され得る。電気化学素子の直径は、例えば２０ｍｍ～５００ｍｍであり得る。なお、電気化学素子の断面形状が円形でない場合には、電気化学素子の断面形状（例えば、多角形）に内接する最大内接円の直径を電気化学素子の直径とすることができる。電気化学素子のアスペクト比（直径：長さ）は、例えば１：１２以下であり、また例えば１：５以下であり、また例えば１：１以下である。アスペクト比がこのような範囲であれば、集電抵抗を適切な範囲とすることができる。

【0016】

電気化学素子の動作の概要について説明する。例えば、分離・回収すべきガスが二酸化炭素であり、機能電極５０の第１の活物質がアントラキノンを含み、カウンター電極６０の第２の活物質がポリビニルフェロセンを含む場合について説明する。機能電極のアントラキノンは、充電モード（機能電極が負極）において還元され得る。

【0017】

ここで、電気化学素子のガス流路７０に二酸化炭素を含むガス混合物を流すと、機能電極５０の還元状態のアントラキノンと二酸化炭素との間で以下の反応（１）が起こり、二酸化炭素がアントラキノンに捕捉される。このようにして、二酸化炭素を回収することができる。

【化1】

【0018】

このとき、カウンター電極６０のポリビニルフェロセンは酸化され得る。すなわち、ポリビニルフェロセンは、充電モードにおいて、アントラキノンの還元の電子源として機能することができる。

【0019】

また、機能電極５０のアントラキノンは、放電モード（機能電極が正極）において酸化され得る。

【0020】

ここで、機能電極５０において二酸化炭素を捕捉したアントラキノンが酸化されると、以下の反応（２）が起こり、アントラキノンに捕捉されていた二酸化炭素は、アントラキノンとの結合が解かれる。このようにして、二酸化炭素を機能電極５０からガス流路７０に放出することができる。

【化2】

【0021】

このとき、カウンター電極６０のポリビニルフェロセンは還元され得る。すなわち、ポリビニルフェロセンは、放電モードにおいて、アントラキノンの酸化の際の電子の受け手として機能することができる。

【0022】

以上のように、機能電極（および必然的にカウンター電極）の極性を入れ替えることにより、電気化学素子（実質的には、機能電極）は、二酸化炭素を回収（捕捉、吸着）および放出することができる。特に、充電モードにおける還元状態のアントラキノンを利用することにより、ガス混合物から二酸化炭素を分離・回収（捕捉）することができる。例えば、工場や火力発電所の排ガスは１０％程度の二酸化炭素を含むところ、そのような排ガスと同様の構成のガス混合物を、本発明の実施形態による電気化学素子を通過させることにより、二酸化炭素濃度を０．１％以下まで低減することができる。

【0023】

以下、電気化学素子の構成要素について具体的に説明する。

【0024】

Ｂ．外周壁および隔壁
外周壁１０および隔壁４０は、代表的には、絶縁性セラミックスを含む多孔体で構成されている。絶縁性セラミックスは、代表的には、炭化珪素および珪素（以下、炭化珪素－珪素複合材と称する場合がある）を含有する。セラミックスは、炭化珪素および珪素を合計で例えば９０質量％以上、また例えば９５質量％以上含有する。このような構成であれば、外周壁および隔壁の４００℃における体積抵抗率を十分に高くすることができ、電子伝導性に起因するリーク電流を抑えることができる。したがって、機能電極５０およびカウンター電極６０の全体にわたって所望の電気化学反応のみを良好に行うことができる。セラミックスには、炭化珪素－珪素複合材以外の物質が含まれていてもよい。このような物質としては、例えばストロンチウムが挙げられる。

【0025】

炭化珪素－珪素複合材は、代表的には、骨材としての炭化珪素粒子と、炭化珪素粒子を結合させる結合材としての珪素と、を含む。炭化珪素－珪素複合材は、例えば、複数の炭化珪素粒子が炭化珪素粒子間に細孔（空隙部）を形成するようにして珪素により結合されている。すなわち、炭化珪素－珪素複合材を含む隔壁３０および外周壁４０は、例えば多孔体であり得る。

【0026】

１つの実施形態においては、隔壁３０および外周壁４０の空隙部には、イオン性液体が含浸されている。このような構成であれば、隔壁および外周壁（特に、隔壁）が、機能電極とカウンター電極との間のセパレーターとして良好に機能し得る。さらに、イオン性液体が含浸されることにより、電子伝導性を抑え、所望の電気化学反応のみを効率的に行うことができる。イオン性液体としては、目的、電気化学素子の構成等に応じて任意の適切なイオン性液体を用いることができる。イオン性液体は、代表的には、アニオン成分とカチオン成分とを含み得る。イオン性液体のアニオン成分としては、例えば、ハロゲン化物、硫酸、スルホン酸、炭酸、重炭酸、リン酸、硝酸、塩酸、酢酸、ＰＦ_６ ^－、ＢＦ_４ ^－、トリフレート、ノナフレート、ビス（トリフリル）アミド、トリフルオロ酢酸、ヘプタフルオロブタン酸、ハロアルミネート、トリアゾリド、アミノ酸誘導体（例えば窒素上のプロトンが除去されているプロリン）が挙げられる。イオン性液体のカチオン成分としては、例えば、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、ホスホニウム、アンモニウム、スルホニウム、チアゾリウム、ピラゾリウム、ピペリジニウム、トリアゾリウム、ピラゾリウム、オキサゾリウム、グアナジニウム、ジアルキルモルホリニウムが挙げられる。イオン性液体は、例えば、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩（［Ｂｍｉｍ］^＋［ＢＦ_４］^－）であり得る。分離・回収するガス種が二酸化炭素である場合は、電位窓の関係から水が電気分解する場合があるので、非水系イオン性液体を用いることが好ましい。

【0027】

炭化珪素－珪素複合材における珪素の含有比率は、好ましくは１０質量％～４０質量％であり、より好ましくは１５質量％～３５質量％である。珪素の含有比率が小さすぎると、外周壁および隔壁の強度が不十分となる場合がある。珪素の含有比率が大きすぎると、外周壁および隔壁の焼成時に形状を保持できない場合がある。

【0028】

炭化珪素粒子の平均粒子径は、好ましくは３μｍ～５０μｍであり、より好ましくは３μｍ～４０μｍであり、さらに好ましくは１０μｍ～３５μｍである。炭化珪素粒子の平均粒子径がこのような範囲であれば、外周壁および隔壁の体積抵抗率を上記のような適切な範囲とすることができる。炭化珪素粒子の平均粒子径が大きすぎると、外周壁および隔壁を成形する際に、成形用の口金に原料が詰まってしまう場合がある。炭化珪素粒子の平均粒子径は、例えばレーザー回折法により測定され得る。

【0029】

外周壁１０および隔壁４０の平均細孔径は、好ましくは２μｍ～２０μｍであり、より好ましくは１０μｍ～２０μｍである。外周壁および隔壁の平均細孔径がこのような範囲であれば、イオン性液体を良好に含浸させることができる。平均細孔径が大きすぎると、カウンター電極または機能電極中の炭素質材料が隔壁内部に流出する場合があり、その結果、内部短絡が発生する場合がある。平均細孔径は、例えば水銀ポロシメータにより測定され得る。

【0030】

外周壁１０および隔壁４０の気孔率は、好ましくは１５％～６０％であり、より好ましくは３０％～４５％である。気孔率が小さすぎると、外周壁および隔壁の焼成時の変形が大きくなってしまう場合がある。気孔率が大きすぎると、外周壁および隔壁の強度が不十分となる場合がある。気孔率は、例えば水銀ポロシメータにより測定され得る。

【0031】

隔壁４０の厚みは、目的に応じて適切に設定され得る。隔壁４０の厚みは、例えば５０μｍ～１．０ｍｍであり、また例えば７０μｍ～６００μｍであり得る。隔壁の厚みがこのような範囲であれば、電気化学素子の機械的強度を十分なものとすることができ、かつ、開口面積（断面におけるセルの総面積）を十分なものとすることができ、ガスの分離・回収効率を顕著に向上させることができる。

【0032】

隔壁４０の密度は、目的に応じて適切に設定され得る。隔壁４０の密度は、例えば０．５ｇ／ｃｍ^３～５．０ｇ／ｃｍ^３であり得る。隔壁の密度がこのような範囲であれば、電気化学素子を軽量化することができ、かつ、機械的強度を十分なものとすることができる。密度は、例えばアルキメデス法により測定され得る。

【0033】

外周壁１０の厚みは、１つの実施形態においては、隔壁４０の厚みより大きい。このような構成であれば、外力による外周壁の破壊、割れ、クラック等を抑制することができる。外周壁１０の厚みは、例えば０．１ｍｍ～５ｍｍであり、また例えば０．３ｍｍ～２ｍｍであり得る。

【0034】

セル３０、３０、・・・は、セルの延びる方向に直交する方向において、任意の適切な断面形状を有する。セルの断面形状および配列パターンについては、上記Ａ項で説明したとおりである。

【0035】

セルの延びる方向に直交する方向におけるセル密度（すなわち、単位面積当たりのセル３０、３０、・・・の数）は、目的に応じて適切に設定され得る。セル密度は、例えば４セル／ｃｍ^２～３２０セル／ｃｍ^２であり得る。セル密度がこのような範囲であれば、所定流量のガス混合物（実質的には、分離・回収すべきガス）と機能電極との接触面積を非常に大きくすることができる。その結果、きわめて高効率で所定のガス（例えば、二酸化炭素）を分離・回収することができる。例えば、機能電極とカウンター電極とをセパレーターを介して対向させた平板状のガス分離素子の実装密度が０．２ｍ^２／Ｌ程度であるのに対し、例えば図３のような構成であれば４ｍ^２／Ｌ程度（約２０倍）の実装密度を確保することができる。その結果、小規模設備で効率的に所定のガス（例えば、二酸化炭素）を分離・回収することが可能となり、かつ、当該ガスの分離・回収に必要とされるエネルギーを大幅に削減することができる。さらに、このような実装密度を確保することにより、大気中からの二酸化炭素の分離・回収（Direct Air Capture：ＤＡＣ）が可能となり得る。

【0036】

Ｃ．機能電極
機能電極は、上記のとおり、第１の活物質を含み、所定のガス（例えば、二酸化炭素）を回収および放出するよう構成されている。第１の活物質としては、代表的には、アントラキノンが挙げられる。アントラキノンは、上記Ａ項で説明した電気化学反応により、二酸化炭素を回収（捕捉、吸着）および放出することができる。アントラキノンは、ポリアントラキノン（すなわち、重合体）であってもよい。ポリアントラキノンとしては、例えば、下記式（Ｉ）で表されるポリ（１，４－アントラキノン）、ポリ（１，５－アントラキノン）、ポリ（１，８－アントラキノン）、ポリ（２，６－アントラキノン）が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく組み合わせて用いてもよい。

【化3】

【0037】

第１の活物質は、所定のガス（例えば、二酸化炭素）を回収および放出（特に、回収）することができる限りにおいて、アントラキノン以外の任意の適切な物質を用いることができる。このような物質としては、例えば、テトラクロロヒドロキノン（ＴＣＨＱ）、ヒドロキノン（ＨＱ）、ジメトキシベンゾキノン（ＤＭＢＱ）、ナフトキノン（ＮＱ）、テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）、ジヒドロキシベンゾキノン（ＤＨＢＱ）、およびこれらのポリマーが挙げられる。

【0038】

機能電極は、基質をさらに含んでいてもよい。ここで「基質」とは、電極（層）を賦形し、その形状を維持する成分をいう。さらに、基質は、第１の活物質を担持し得る。基質は、代表的には導電性である。基質としては、例えば、炭素質材料が挙げられる。炭素質材料としては、例えば、カーボンナノチューブ（例えば、単壁カーボンナノチューブ、多壁カーボンナノチューブ）、カーボンブラック、ＫｅｔｊｅｎＢｌａｃｋ、カーボンブラックＳｕｐｅｒ Ｐ、またはグラフェンが挙げられる。基質としてこのような炭素質材料を用いることにより、電子移動を容易に行うことができるので、第１の活物質の酸化還元反応を良好に行うことができる。例えば第１の活物質としてアントラキノンまたはポリアントラキノンを用いる場合、基質の平均細孔径は、好ましくは２ｎｍ～５０ｎｍであり、より好ましくは２ｎｍ～２０ｎｍであり、さらに好ましくは３ｎｍ～１０ｎｍである。平均細孔径が小さすぎると、第１の活物質を内部に担持することができない場合がある。平均細孔径が大きすぎると、機能電極作動中に第１の活物質が脱落する場合がある。基質の平均細孔径は、第１の活物質に応じて変化し得る。例えば第１の活物質としてナフトキノンを用いる場合には、平均細孔径は、上記の２／３程度のサイズが好ましい。なお、平均細孔径は、例えば窒素ガス吸着法におけるＢＪＨ解析を用いて算出することができる。

【0039】

機能電極における第１の活物質の含有量は、機能電極の全体質量に対して、例えば１０質量％～７０質量％であり得、また例えば２０質量％～５０質量％であり得る。第１の活物質の含有量がこのような範囲であれば、良好なガス回収・放出性能を実現することができる。

【0040】

機能電極の厚みは、例えば２０μｍ～３００μｍであり得、また例えば１００μｍ～２００μｍであり得る。機能電極の厚みがこのような範囲であれば、良好なガス回収・放出性能を維持しつつ、所望のガス流路を確保することができる。

【0041】

機能電極は、例えば、第１の活物質と基質と結着用バインダーとを含む機能電極形成材料を隔壁表面に乾式減圧塗布および熱処理することにより形成され得る。

【0042】

Ｄ．カウンター電極
カウンター電極は、上記のとおり、第１の活物質の還元の電子源として機能することができ、かつ、第１の活物質の酸化の際の電子の受け手として機能することができる。すなわち、カウンター電極は、機能電極が良好に機能するための補助的な役割を果たす。カウンター電極は、上記のとおり、第２の活物質を含む。第２の活物質としては、機能電極との間で電子の授受が良好に機能し得る限りにおいて任意の適切な物質が用いられ得る。第２の活物質としては、例えば、ポリビニルフェロセン、ポリ（３－（４－フルオロフェニル）チオフェン）等が挙げられる。

【0043】

カウンター電極は、基質をさらに含んでいてもよい。基質については、機能電極に関して上記Ｃ項で説明したとおりである。１つの実施形態においては、カウンター電極は、基質に分散された第２の活物質を含む。第２の活物質が基質に分散されていることにより、
電極内での優れた電子伝導性を実現できる。

【0044】

カウンター電極は、イオン性液体をさらに含んでいてもよい。カウンター電極がイオン性液体を含むことにより、カウンター電極を立体的に機能させることができ、電子の授受の容量を増大させることができる。イオン性液体については、外周壁および隔壁に関して上記Ｂ項で説明したとおりである。１つの実施形態においては、カウンター電極に含まれるイオン性液体は、外周壁および隔壁（特に、隔壁）に含まれるイオン性液体と同一である。このような構成であれば、電気化学素子の製造が簡便・容易であり、機能電極の電気化学反応に対する悪影響が防止され得る。

【0045】

カウンター電極は、上記のとおりセル３０ｂ内部に配置され、代表的にはセル３０ｂを充填している。セル３０ｂがカウンター電極で充填されることにより、長期間にわたって電解液（イオン性液体）を機能電極に供給し続けることができる。

【0046】

カウンター電極における第２の活物質の含有量は、カウンター電極の全体質量に対して、例えば１０質量％～９０質量％であり得、また例えば３０質量％～７０質量％であり得る。第２の活物質の含有量がこのような範囲であれば、電解液（イオン性液体）の使用量を低減できるとともに、カウンター電極内の第２の活物質を有効的に活用することができる。

【0047】

カウンター電極にイオン性液体が含有される場合、その含有量は、カウンター電極の全体質量に対して、例えば１０質量％～９０質量％であり得、また例えば３０質量％～７０質量％であり得る。イオン性液体の含有量がこのような範囲であれば、長期間にわたって電解液（イオン性液体）を機能電極に供給し続けることができる。

【0048】

カウンター電極は、例えば、第２の活物質と基質と好ましくはイオン性液体と必要に応じて溶媒または分散媒とを含むカウンター電極形成材料をセル内に配置することにより（代表的には、セルを充填することにより）形成され得る。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明の実施形態による電気化学素子は、ガス混合物からの所定ガスの分離・回収に好適に用いられ得、特に、二酸化炭素回収・利用・貯留（ＣＣＵＳ）サイクルに好適に用いられ得る。

【符号の説明】

【0050】

１０ 外周壁
２０ａ 第１端面
２０ｂ 第２端面
３０ セル
３０ａ 第１のセル
３０ｂ 第２のセル
４０ 隔壁
５０ 機能電極
６０ カウンター電極
７０ ガス流路
１００ 電気化学素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】