特開 2023-176217 ガス吸着システム及びその製造方法

(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】P2023176217

(43)【公開日】2023-12-13

(54)【発明の名称】ガス吸着システム及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/32 20060101AFI20231206BHJP

   F26B 3/04 20060101ALI20231206BHJP

   F26B 5/04 20060101ALI20231206BHJP

   F26B 25/00 20060101ALI20231206BHJP

【ＦＩ】

B01D53/32

F26B3/04

F26B5/04

F26B25/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022088381

(22)【出願日】2022-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001472

【氏名又は名称】弁理士法人かいせい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木下 翔太

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 重彦

(72)【発明者】

【氏名】太田 篤人

(72)【発明者】

【氏名】辰巳 裕規

(72)【発明者】

【氏名】松田 信彦

【テーマコード（参考）】

3L113

【Ｆターム（参考）】

3L113AA01

3L113AB02

3L113AB05

3L113AC07

3L113AC23

3L113BA34

3L113CA08

3L113CA10

3L113CA11

3L113CB05

3L113CB15

3L113CB23

3L113DA24

(57)【要約】

【課題】電極膜の表面の影響を低減することができるガス吸着システムの製造方法を提供する。
【解決手段】ガス吸着システム１００は、被回収ガスを含有する混合ガスから電気化学反応によって被回収ガスの吸着と脱離を行うための各電極膜１３２、１４２と、各電極膜１３２、１４２が形成された各集電材１３１、１４１と、を有する。ガス吸着システムの製造方法は、溶媒を含むペースト状の各電極膜１３２、１４２を各集電材１３１、１４１に塗工する塗工工程と、塗工工程の後、溶媒を蒸発させることにより各電極膜１３２、１４２を乾燥させる乾燥工程と、を含む。乾燥工程では、時間の経過と共に乾燥速度を変化させて溶媒を蒸発させることにより各電極膜１３２、１４２を乾燥させる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被回収ガスを含有する混合ガスから電気化学反応によって前記被回収ガスの吸着と脱離を行う第１電極膜（１３２）と、
前記第１電極膜との間で電子の授受を行う第２電極膜（１４２）と、
前記第１電極膜の第１表面（１３３）と前記第２電極膜の第２表面（１４３）とに挟まれると共に、前記第１電極膜と前記第２電極膜とを分離するセパレータ（１５０）と、
を含み、
前記セパレータは、前記第１電極膜及び前記第２電極膜の厚み方向において、前記第１表面における最大谷深さから最大山高さまでの第１高さ、及び、前記第２表面における最大谷深さから最大山高さまでの第２高さのうちのいずれか高い方よりも厚い、ガス吸着システム。

【請求項2】

被回収ガスを含有する混合ガスから電気化学反応によって前記被回収ガスの吸着と脱離を行うための電極膜（１３２、１４２）と、前記電極膜が形成された集電材（１３１、１４１）と、を有するガス吸着システムの製造方法であって、
溶媒を含むペースト状の前記電極膜を前記集電材に塗工する塗工工程と、
前記塗工工程の後、前記溶媒を蒸発させることにより前記電極膜を乾燥させる乾燥工程と、
を含み、
前記乾燥工程では、時間の経過と共に乾燥速度を変化させて前記溶媒を蒸発させることにより前記電極膜を乾燥させる、ガス吸着システムの製造方法。

【請求項3】

前記乾燥工程は、前記乾燥速度が異なる第１ステップ及び第２ステップを含み、
前記第１ステップの乾燥速度は、前記第２ステップの乾燥速度よりも遅い、請求項２に記載のガス吸着システムの製造方法。

【請求項4】

前記乾燥工程は、前記第１ステップから前記第２ステップに移行する間の移行ステップを含み、
前記移行ステップの乾燥速度は、前記第１ステップの乾燥速度から前記第２ステップの乾燥速度に連続的に変化する、請求項３に記載のガス吸着システムの製造方法。

【請求項5】

前記乾燥工程では、前記第２ステップにおいて前記電極膜がさらされる真空度を、前記第１ステップにおいて前記電極膜がさらされる真空度よりも下げることにより、前記乾燥速度を変化させる、請求項３または４に記載のガス吸着システムの製造方法。

【請求項6】

前記乾燥工程では、前記第２ステップにおいて前記電極膜に印加される温度を、前記第１ステップにおいて前記電極膜に印加される温度よりも上げることにより、前記乾燥速度を変化させる、請求項３または４に記載のガス吸着システムの製造方法。

【請求項7】

前記乾燥工程では、前記第２ステップにおいて前記電極膜に与えられる風速を、前記第１ステップにおいて前記電極膜に与えられる風速よりも上げることにより、前記乾燥速度を変化させる、請求項３または４に記載のガス吸着システムの製造方法。

【請求項8】

前記乾燥工程では、前記第１ステップにおいて前記電極膜がさらされる真空度を前記溶媒の蒸気圧よりも低く制御し、前記第２ステップにおいて前記電極膜がさらされる真空度を前記溶媒の蒸気圧よりも高く制御する、請求項３または４に記載のガス吸着システムの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス吸着システム及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、電極剤、バインダ、導電材、及び溶剤を含む電極材ペーストを金属シート上に塗布した電極塗膜の乾燥方法が、例えば特許文献１で提案されている。この乾燥方法では、初期段階において塗膜温度を速やかに上昇させる。この後、塗膜全体を加熱することで電極膜を形成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１１／１０５３４８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記従来の技術では、初期段階において塗膜温度を速やかに上昇させるので、電極塗膜の内部に蒸気が発生する。乾燥速度が速い場合、電極塗膜の内部で発生した蒸気が一つにまとまって大きな蒸気塊となると共に、電極塗膜から噴出する。そして、電極膜にクレーター様の噴出痕が発生してしまう。すなわち、電極膜の表面が凹凸状に荒らされてしまう。このため、乾燥後、電極膜の表面の平滑性が損なわれてしまう。

【0005】

ここで、電極膜は、酸性ガスを吸着あるいは脱着させるセルの一部として構成されることが知られている。電極膜は、第１電極膜、及び、第１電極膜との間で電子の供与または求引を行う第２電極膜として構成される。この場合、絶縁用のセパレータが第１電極膜と第２電極膜との間に配置される。

【0006】

しかし、電極膜の表面のうち噴出痕がある部分は突起となるため、突起がセパレータを突き破って電気的な不具合を発生させる原因となる。あるいは、クレーター様の噴出痕によって電極膜とセパレータとの間に隙間が形成されてしまうので、電極膜とセパレータとの間に電解液が浸透しにくくなる。つまり、電極膜とセパレータとの密着性が低下してしまう。このため、第１電極膜と第２電極膜との間で電荷の移動が妨げられるので、セルの性能が低下してしまう。

【0007】

本発明は上記点に鑑み、電極膜の表面の影響を低減することができるガス吸着システムを提供することを第１の目的とする。また、ガス吸着システムの製造方法を提供することを第２の目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ガス吸着システムは、被回収ガスを含有する混合ガスから電気化学反応によって被回収ガスの吸着と脱離を行う第１電極膜（１３２）と、第１電極膜との間で電子の授受を行う第２電極膜（１４２）と、を含む。ガス吸着システムは、第１電極膜の第１表面（１３３）と第２電極膜の第２表面（１４３）とに挟まれると共に、第１電極膜と第２電極膜とを分離するセパレータ（１５０）を含む。

【0009】

セパレータは、第１電極膜及び第２電極膜の厚み方向において、第１表面における最大谷深さから最大山高さまでの第１高さ、及び、第２表面における最大谷深さから最大山高さまでの第２高さのうちのいずれか高い方よりも厚い。

【0010】

これによると、セパレータの厚みが、第１高さ及び第２高さのうちのいずれか高い方よりも厚いので、各電極膜（１３２、１４２）の各表面（１３３、１４３）がセパレータを突き破ることが無い。したがって、各電極膜の各表面の影響を低減することができる。

【0011】

請求項２に記載の発明では、被回収ガスを含有する混合ガスから電気化学反応によって被回収ガスの吸着と脱離を行うための電極膜（１３２、１４２）と、電極膜が形成された集電材（１３１、１４１）と、を有するガス吸着システムの製造方法である。

【0012】

ガス吸着システムの製造方法は、溶媒を含むペースト状の電極膜を集電材に塗工する塗工工程と、塗工工程の後、溶媒を蒸発させることにより電極膜を乾燥させる乾燥工程と、を含む。乾燥工程では、時間の経過と共に乾燥速度を変化させて溶媒を蒸発させることにより電極膜を乾燥させる。

【0013】

これによると、電極膜を一定の乾燥速度で乾燥させるのではなく、乾燥速度を変化させて乾燥させるので、電極膜に蒸気塊を形成することなく溶媒を乾燥させることができる。このため、電極膜の表面（１３３、１４３）が凹凸状に荒らされることを防止することができる。すなわち、電極膜の表面の平滑性を向上させることができる。したがって、電極膜の表面の影響を低減することができる。

【0014】

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態に係るガス吸着システムに含まれる電気化学セルの断面を示した図である。

【図2】乾燥工程の第１ステップ及び第２ステップを説明するための図である。

【図3】圧力制御によって乾燥速度を変化させる内容を説明するための図である。

【図4】温度制御によって乾燥速度を変化させる内容を説明するための図である。

【図5】第２電極膜の表面の凹凸及びセパレータの一部を示した断面図である。

【図6】各電極膜の各表面に突沸痕が形成された場合と形成されていない場合とでＣＯ_２吸着量を比較した結果を示した図である。

【図7】第２実施形態に係る移行ステップを示した図である。

【図8】移行ステップにおいて圧力を連続的に変化させる場合を示した図である。

【図9】移行ステップにおいて温度を連続的に変化させる場合を示した図である。

【図10】第１ステップ及び第２ステップにおいて設定値が変動する内容を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

【0017】

（第１実施形態）
本実施形態に係るガス吸着システムは、被回収ガスを含有する混合ガスから電気化学反応によって被回収ガスを回収する。被回収ガスは、例えばＣＯ_２、ＮＯ_ｘ、ＳＯ_ｘ等の酸性ガスである。混合ガスは、例えば大気である。本実施形態では、大気からＣＯ_２を回収する場合について説明する。

【0018】

図１に示されるように、ガス吸着システム１００は、電気化学セル１１０及び制御電源１２０を含む。電気化学セル１１０は、電気化学反応によって大気からＣＯ_２を吸着することでＣＯ_２を回収する一方、ＣＯ_２を脱離することでＣＯ_２を捕集可能とする装置である。

【0019】

電気化学セル１１０は、第１電極１３０、第２電極１４０、及びセパレータ１５０を有する。なお、電気化学セル１１０は、複数積層された電界セルスタックを構成する。図１では、電界セルスタックを構成する複数の電気化学セル１１０のうちの１つが示されている。

【0020】

第１電極１３０、第２電極１４０、及びセパレータ１５０は、例えば板状に構成されている。第１電極１３０は、負極である。第２電極１４０は、正極である。

【0021】

第１電極１３０は、第１集電材１３１及び第１電極膜１３２を有する。第１集電材１３１は、制御電源１２０に接続されると共に、大気を通過させることができる多孔質状の導電性部材である。

【0022】

第１集電材１３１として、例えば炭素質材料や金属材料を用いることができる。第１集電材１３１を構成する炭素質材料として、例えばカーボン紙、炭素布、不織炭素マット、多孔質ガス拡散層（ＧＤＬ）等を用いることができる。第１集電材１３１を構成する金属材料として、例えばＡｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＳＵＳ等の金属をメッシュ状にした構造体を用いることができる。

【0023】

第１電極膜１３２は、ＣＯ_２を含有する大気から電気化学反応によってＣＯ_２の吸着と脱離を行う作用極である。第１電極膜１３２は、ＣＯ_２吸着材、作用極側導電助剤、及び作用極側バインダを有する。

【0024】

ＣＯ_２吸着材は、電子を受け取ることでＣＯ_２を吸着し、電子を放出することで吸着していたＣＯ_２を脱離する。ＣＯ_２吸着材として、例えばポリアントラキノンを用いることができる。あるいは、ＣＯ_２吸着材として、カーボンや金属酸化物を用いることができる。

【0025】

作用極側導電助剤は、ＣＯ_２吸着材への導電路を形成する導電物質である。作用極側導電助剤として、例えばカーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェン等の炭素材料を用いることができる。

【0026】

ＣＯ_２吸着材と作用極側導電助剤との混合は、例えばＮＭＰ（Ｎ－メチルピロリドン）等の有機溶媒に作用極側導電助剤を溶解または分散させ、有機溶媒中で分散している作用極側導電助剤とＣＯ_２吸着材とを接触させれば良い。

【0027】

作用極側バインダは、接着力を有する保持材料である。作用極側バインダは、ＣＯ_２吸着材及び作用極側導電助剤を第１集電材１３１に保持する。これにより、第１集電材１３１、ＣＯ_２吸着材、及び作用極側導電助剤の間での電子の移動を確保できる。また、ＣＯ_２吸着材が第１集電材１３１から剥離しにくくなり、電気化学セル１１０のＣＯ_２吸着量が経時的に低下することを抑制できる。

【0028】

作用極側バインダとして、流動性を有さない非流動性物質を用いることができる。非流動性物質として、ゲル状物質あるいは固体状物質を挙げることができる。ゲル状物質として、例えばイオン液体ゲルを用いることができる。固体状物質として、例えば固体電解質、あるいは導電性樹脂等を用いることができる。

【0029】

作用極側バインダとして固体電解質を用いる場合、ＣＯ_２吸着材との接触面積を増大させるために、高分子電解質等からなるアイオノマを用いることが望ましい。作用極側バインダとして導電性樹脂を用いる場合、導電性フィラーとしてＡｇ等を含有するエポキシ樹脂やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素樹脂等を用いることができる。

【0030】

そして、ＣＯ_２吸着材、作用極側導電助剤、及び作用極側バインダの混合物が形成され、この混合物が第１集電材１３１に接着される。ＣＯ_２吸着材及び作用極側導電助剤は、作用極側バインダに保持された状態となっている。このため、作用極側バインダによってＣＯ_２吸着材及び作用極側導電助剤を強固に保持することができる。また、ＣＯ_２吸着材及び作用極側導電助剤が第１集電材１３１から剥離しにくくなる。

【0031】

第２電極１４０は、第２集電材１４１及び第２電極膜１４２を有する。第２集電材１４１は、制御電源１２０に接続される導電性部材である。第２集電材１４１は、第１集電材１３１と同じ材料を用いても良く、異なる材料を用いても良い。

【0032】

第２電極膜１４２は、第１電極膜１３２との間で電子の授受を行う対極である。第２電極膜１４２は、対極側活物質、対極側導電助剤、及び対極側バインダを有する。

【0033】

対極側活物質は、第１電極膜１３２のＣＯ_２吸着材との間で電子の授受を行う補助的な電気活性種である。対極側活物質は、金属の価数変化やπ電子雲への電荷出入によって電子を出し入れすることができる物質である。

【0034】

対極側活物質として、例えば金属イオンの価数が変化することで、電子の授受を可能とする金属錯体を用いることができる。このような金属錯体として、フェロセン、ニッケロセン、コバルトセン等のシクロペンタジエニル金属錯体、あるいはポルフィリン金属錯体等を挙げることができる。

【0035】

対極側導電助剤は、対極側活物質への導電路を形成する導電物質である。対極側導電助剤は、対極側活物質と混合して用いられる。対極側導電助剤は、作用極側導電助剤と同じ材料を用いても良く、異なる材料を用いても良い。対極側導電助剤は、例えば粒子状である。

【0036】

対極側バインダは、対極側活物質及び対極側導電助剤を第２集電材１４１に保持させることができ、かつ、導電性を有する材料である。対極側バインダは、作用極側バインダと同じ材料を用いても良く、異なる材料を用いても良い。

【0037】

セパレータ１５０は、第１電極膜１３２と第２電極膜１４２との間に配置される。セパレータ１５０は、第１電極膜１３２の第１表面１３３と第２電極膜１４２の第２表面１４３とに挟まれると共に、第１電極膜１３２と第２電極膜１４２とを分離する。すなわち、セパレータ１５０は、第１電極膜１３２と第２電極膜１４２との物理的な接触を防ぐ。また、セパレータ１５０は、第１電極膜１３２と第２電極膜１４２との電気的短絡を抑制する。

【0038】

セパレータ１５０の材料として、セルロース膜やポリマ、ポリマとセラミックの複合材料等を用いることができる。セパレータ１５０として、多孔質体を用いても良い。

【0039】

なお、第１電極膜１３２とセパレータ１５０との間や第２電極膜１４２とセパレータ１５０との間にイオン伝導性部材が設けられていても良い。イオン伝導性部材は、ＣＯ_２吸着材への導電を促進する。

【0040】

制御電源１２０は、ガス吸着システム１００の電源装置である。制御電源１２０は、ガス吸着システム１００の各装置に電源を供給する。また、制御電源１２０は、指令に従って、電気化学セル１１０に所定の電圧を印加することで、第１電極１３０と第２電極１４０との電位差を変化させる。

【0041】

ガス吸着システム１００は、電気化学セル１１０の他に、電気化学セル１１０を収容する回収器、回収器に大気を導入する導入装置、回収器の内部を真空にする真空装置、脱離させたＣＯ_２を回収器からタンク等のＣＯ_２利用装置に捕集する捕集装置を備える。

【0042】

また、ガス吸着システム１００は、回収器、電気化学セル１１０、導入装置、真空装置、及び捕集装置を制御する制御装置を備える。制御装置は、制御プログラムに従って制御電源１２０及び各装置の制御を行う。以上が、本実施形態に係るガス吸着システム１００の全体構成である。

【0043】

次に、ガス吸着システム１００の作動について説明する。ガス吸着システム１００は、ＣＯ_２をＣＯ_２利用装置に捕集するために、吸着工程、除去工程、脱離工程、及び回収工程を順に実行する。

【0044】

吸着工程では、制御装置は、制御電源１２０を制御することで電気化学セル１１０の第１電極１３０と第２電極１４０との間に吸着電位を印加する。これにより、第２電極膜１４２の対極側活物質による電子供与と、第１電極膜１３２のＣＯ_２吸着材の電子求引と、を同時に実現できる。

【0045】

第１電極膜１３２と第２電極膜１４２との間に吸着電位が印加される際、第２電極膜１４２の対極側活物質は電子を放出し、電子が第２電極膜１４２から第１電極膜１３２に供給される。第１電極膜１３２のＣＯ_２吸着材は、電子を受け取る。

【0046】

電子を受け取ったＣＯ_２吸着材はＣＯ_２の結合力が高くなり、大気に含まれるＣＯ_２を結合して吸着する。このように、電気化学セル１１０は、第１電極膜１３２と第２電極膜１４２との間に吸着電位が印加されることで、第２電極膜１４２から第１電極膜１３２に電子が供給され、ＣＯ_２吸着材は電子が供給されることに伴ってＣＯ_２と結合する。よって、電気化学セル１１０は、大気からＣＯ_２を回収することができる。

【0047】

吸着工程の後、制御装置は、回収器の内部を掃気する除去工程を行う。これにより、回収器の内部が真空状態となる。

【0048】

除去工程の後、脱離工程では、制御装置は、制御電源１２０を制御することで脱離電位を電気化学セル１１０の第１電極膜１３２と第２電極膜１４２との間に印加する。これにより、第１電極膜１３２のＣＯ_２吸着材による電子供与と、第２電極膜１４２の対極側活物質の電子求引と、を同時に実現できる。

【0049】

第１電極膜１３２のＣＯ_２吸着材は、電子を放出する。ＣＯ_２吸着材は、ＣＯ_２の結合力が低下し、ＣＯ_２を脱離して放出する。第２電極膜１４２の対極側活物質は、電子を受け取る。

【0050】

脱離工程の後、回収工程では、制御装置は、ＣＯ_２吸着材から放出されたＣＯ_２を回収器から排出すると共に、配管を介してＣＯ_２利用装置に捕集する。この後、制御装置は、回収器の内部を大気に戻すと共に、上記のサイクルを繰り返す制御を行う。

【0051】

続いて、電気化学セル１１０の各電極膜１３２、１４２を形成する形成工程について説明する。

【0052】

形成工程では、まず、溶媒を含むペースト状の各電極膜１３２、１４２を用意する混合工程を行う。すなわち、第１電極膜１３２を構成するＣＯ_２吸着材、作用極側導電助剤、及び作用極側バインダを第１溶媒に溶かす。また、第２電極膜１４２を構成する対極側活物質、対極側導電助剤、及び対極側バインダを第２溶媒に溶かす。そして、各溶媒を濃縮させたペースト状態のものをそれぞれ作る。

【0053】

混合工程の後、塗工工程を行う。塗工工程では、第１集電材１３１を用意すると共に、溶媒を含むペースト状の第１電極膜１３２を第１集電材１３１に塗工する。この場合、例えば、第１電極膜１３２に対応する部分が開口したマスクを第１集電材１３１の上に配置する。そして、ペースト状の第１電極膜１３２をマスクの開口部に塗工する。同様に、第２集電材１４１を用意すると共に、溶媒を含むペースト状の第２電極膜１４２を第２集電材１４１に塗工する。

【0054】

なお、塗工工程では、ペースト状の第１電極膜１３２を、第１集電材１３１ではなく、セパレータ１５０に塗工しても良い。同様に、ペースト状の第２電極膜１４２を、第２集電材１４１ではなく、セパレータ１５０に塗工しても良い。

【0055】

これにより、各電極膜１３２、１４２は厚みが０．１ｍｍ前後の非常に薄い集電材１３１、１４１に製膜された状態にある。ガス吸着においては体積当たりのガス吸着性能を向上させるために分厚い電極膜を使用する場合が多い。また、カーボン系材料を使用するためにペースト粘度も比較的高くなりやすく、塗工安定性のために溶媒の使用量が多くなる傾向にある。

【0056】

塗工工程の後、乾燥工程を行う。乾燥工程では、各溶媒を蒸発させることにより各電極膜１３２、１４２を乾燥させる。

【0057】

ここで、乾燥工程では、時間の経過と共に乾燥速度を変化させて溶媒を蒸発させることにより各電極膜１３２、１４２を乾燥させる。具体的には、乾燥工程は、乾燥速度が異なる複数のステップを含む。本実施形態では、乾燥工程は、乾燥速度が異なる第１ステップ及び第２ステップを含む。

【0058】

図２に示されるように、第１ステップの乾燥速度は、第２ステップの乾燥速度よりも遅い。各電極膜１３２、１４２が厚い場合、各電極膜１３２、１４２の内側から蒸発が発生するとうまく抜けきらずに大きな蒸気塊となる。蒸気塊は、膜から噴出して各電極膜１３２、１４２の各表面１３３、１４３にクレーター様の凹凸を形成する。凹凸は、セパレータ１５０を突き破り短絡の元になる他、セパレータ１５０と各電極膜１３２、１４２との密着性を損なう原因となる。そこで、乾燥の初期段階で各電極膜１３２、１４２をゆっくりと乾燥させることで、蒸気塊を形成することなく溶媒を乾燥させることができる。

【0059】

なお、塗工工程が完了した時点で各電極膜１３２、１４２の乾燥が始まっている。よって、塗工工程の完了後に各電極膜１３２、１４２を放置する状態を第１ステップとすることができる。また、第１ステップにおいて蒸気塊が各電極膜１３２、１４２に形成されなければ、第１ステップの乾燥速度は第２ステップの乾燥速度よりも速くても構わない。

【0060】

乾燥速度を変化させる方法として、例えば、各電極膜１３２、１４２に対する圧力、温度、風速を制御する方法がある。圧力は、各電極膜１３２、１４２がさらされる真空度に対応する。温度は、各電極膜１３２、１４２に対する加熱温度である。風速は、各電極膜１３２、１４２に与えられる風の速度である。

【0061】

図３は、温度及び圧力に対する溶媒の蒸気圧の変化を示した図である。溶媒の蒸気圧のラインに対して左上の領域では乾燥速度が遅い。これに対し、溶媒の蒸気圧のラインに対して右下の領域では乾燥速度が速い。

【0062】

そして、圧力制御によって乾燥速度を変化させる場合、第２ステップにおいて各電極膜１３２、１４２がさらされる真空度を、第１ステップにおいて各電極膜１３２、１４２がさらされる真空度よりも下げることにより、乾燥速度を変化させる。

【0063】

例えば、各電極膜１３２、１４２に印加される温度を１００℃に固定した状態で、第１ステップの真空度をＰ１に設定する。この後、第２ステップの真空度を、Ｐ１よりも低いＰ２に設定する。このように真空度を下げることにより、乾燥速度を速くすることができる。

【0064】

ここで、溶媒が蒸発するかどうかは、雰囲気圧力が溶媒の蒸気圧を超えるか超えないかで決まる。そこで、第１ステップにおいて各電極膜１３２、１４２がさらされる真空度を溶媒の蒸気圧よりも低く制御する。また、第２ステップにおいて各電極膜１３２、１４２がさらされる真空度を溶媒の蒸気圧よりも高く制御する。これにより、乾燥の初期段階で各電極膜１３２、１４２に蒸気塊が形成されることを防止することができる。

【0065】

圧力制御ではなく、温度制御によって乾燥速度を変化させることもできる。図４に示されるように、第２ステップにおいて各電極膜１３２、１４２に印加される温度を、第１ステップにおいて各電極膜１３２、１４２に印加される温度よりも上げることにより、乾燥速度を変化させることができる。

【0066】

例えば、各電極膜１３２、１４２がさらされる真空度を１００ｋＰａに固定した状態で、第１ステップの温度をＴ１に設定する。この後、第２ステップの温度を、Ｔ１よりも高いＴ２に設定する。高圧環境では、温度の調整幅が大きい。

【0067】

あるいは、各電極膜１３２、１４２がさらされる真空度を０．１ｋＰａに固定した状態で、第１ステップの温度をＴ１に設定する。この後、第２ステップの温度を、Ｔ１よりも高いＴ３に設定する。低圧環境では、温度の調整幅が小さい。このように温度を上げることにより、乾燥速度を速くすることができる。

【0068】

圧力制御や温度制御ではなく、各電極膜１３２、１４２に与えられる風速を変化させることで乾燥速度を変化させることもできる。第２ステップにおいて各電極膜１３２、１４２に与えられる風速を、第１ステップにおいて各電極膜１３２、１４２に与えられる風速よりも上げることにより、乾燥速度を変化させることができる。このように風速を上げることにより、乾燥速度を速くすることができる。

【0069】

なお、乾燥速度の変更は段階的に行っても良い。すなわち、乾燥速度は各ステップにおいて一定でなくても良い。つまり、各ステップにおいて乾燥速度を段階的あるいは連続的に変化させても良い。

【0070】

上記の圧力制御、温度制御、風速制御の他に、赤外線光量や雰囲気気体を変更することによっても乾燥速度を変化させることができる。さらに、これらの方法を組み合わせることができる。

【0071】

以上のように、第１ステップにおいて乾燥速度の遅い乾燥を実施し、ある程度乾燥して各電極膜１３２、１４２の多孔構造を形成する。そして、溶媒の排出ルートができた後に第２ステップにおいて乾燥速度の速い乾燥を実施することで、各電極膜１３２、１４２の各表面１３３、１４３を凹凸状に荒らさらずに乾燥させることができる。すなわち、各電極膜１３２、１４２の各表面１３３、１４３の平滑性を向上させることができる。よって、短時間での確実な乾燥と、膜表面の平滑性と、を両立することができる。こうして、形成工程が終了する。

【0072】

上記のように形成された各電極膜１３２、１４２の各表面１３３、１４３は、蒸気塊に起因する凹凸が少ないものの、多少の凹凸は形成される。このため、本実施形態では、各電極膜１３２、１４２の厚みと、セパレータ１５０の厚みと、を規定する。

【0073】

まず、各集電材１３１、１４１、各電極膜１３２、１４２、セパレータ１５０の積層方向を、各電極膜１３２、１４２の厚み方向と定義する。また、厚み方向において、第１電極膜１３２の第１表面１３３における最大谷深さから最大山高さまでの高さを第１高さと定義する。同様に、厚み方向において、第２電極膜１４２の第２表面１４３における最大谷深さから最大山高さまでの高さを第２高さと定義する。

【0074】

なお、第１高さ及び第２高さは、各表面１３３、１４３の粗さ曲線から所定の方向に基準長さだけを抜き取り、抜き取った部分における最も高い山頂部から最も低い谷底部までの距離、すなわち高さ寸法を採用している。粗さ曲線は、平坦面に垂直な断面の描く断面曲線から所定の長さ以上の波長に成分を除去した曲線である。第１高さ及び第２高さとして、複数の山頂部の標高の平均値と複数の谷底部の標高の平均値を合計した平均距離を採用しても良い。平均距離は、例えば、十点平均粗さである。

【0075】

そして、セパレータ１５０は、厚み方向において、第１高さ及び第２高さのうちのいずれか高い方よりも厚い。これにより、例えば図５に示されるように、第２電極膜１４２の第２表面１４３のうち、最大山高さに対応する山部１４４の先端がセパレータ１５０を突き破ることが無い。第１電極膜１３２の第１表面１３３における最大山高さに対応する山部についても同様である。これにより、各電極膜１３２、１４２の各表面１３３、１４３の影響を低減することができる。

【0076】

発明者らは、各電極膜１３２、１４２の各表面１３３、１４３に蒸気塊に起因する突沸痕が形成された場合と形成されていない場合とで電気化学セル１１０におけるＣＯ_２吸着量を調べた。その結果を図６に示す。

【0077】

図６に示されるように、一定時間の経過後におけるＣＯ_２吸着量は、突沸痕ありの場合が突沸痕なしの場合と比較して－６４％となった。言い換えると、各電極膜１３２、１４２の各表面１３３、１４３を平滑化したことで、電気化学セル１１０の性能が約３倍上昇した。この結果から、上述の各電極膜１３２、１４２の形成方法によって、電気化学セル１１０の性能に対する各電極膜１３２、１４２の各表面１３３、１４３の影響を低減できることがわかる。

【0078】

特に、第２電極膜１４２は第１電極膜１３２に対する電荷供給のバランス上目付量が多いので、例えば１００μｍ以上の厚膜にすることが望ましい。このような厚膜の第２電極膜１４２は製膜時に蒸気塊に起因する突沸痕が形成されやすい。しかし、上記の製膜方法によって、突沸痕の形成を回避できると共に、電気化学セル１１０の性能を向上させることができる。

【0079】

（第２実施形態）
本実施形態では、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図７に示されるように、乾燥工程は、第１ステップから第２ステップに移行する間の移行ステップを含む。移行ステップの乾燥速度は、第１ステップの乾燥速度から第２ステップの乾燥速度に連続的に変化する。

【0080】

圧力制御によって乾燥速度を変化させる場合、図８に示されるように、第１ステップにおける圧力Ｐ３から第２ステップにおける圧力Ｐ４まで、移行ステップにおいて圧力を連続的に変化させる。例えば、炉の中に各電極膜１３２、１４２を配置して大気圧で第１ステップの乾燥を行う。この後、移行ステップにおいて炉内の圧力を連続的に変化させても良い。このように、第１ステップでは大気圧でゆっくり乾燥させることができる。

【0081】

あるいは、第１ステップにおいて各電極膜１３２、１４２を大気中で乾燥させた後、各電極膜１３２、１４２を炉の中に配置し、炉内の圧力を下げていき、第２ステップにおいて各電極膜１３２、１４２を所定の真空度で乾燥させる。この場合、炉内の圧力を下げる工程が移行ステップに対応する。

【0082】

また、温度制御によって乾燥速度を変化させる場合、図９に示されるように、第１ステップにおける温度Ｔ４から第２ステップにおける温度Ｔ５まで、移行ステップにおいて温度を連続的に変化させる。例えば、炉の外に各電極膜１３２、１４２を配置して室温で第１ステップの乾燥を行う。この後、各電極膜１３２、１４２を炉内に配置し、移行ステップにおいて炉内の温度を上げても良い。このように、第１ステップでは室温でゆっくり乾燥させることができる。

【0083】

あるいは、各電極膜１３２、１４２を炉内に配置して第１の温度で第１ステップの乾燥を行い、この後、移行ステップにおいて炉内の温度を連続的に上昇させ、第２の温度で第２ステップの乾燥を行っても良い。

【0084】

風速制御の場合、例えばファンのモータの回転数を連続的に変化させる。また、ファンの回転数を連続的ではなく段階的に変化させても良い。赤外線光量の場合、光の強度を連続的に変化させる。雰囲気気体の場合、複数の気体の割合を連続的に変化させる。

【0085】

ここで、第１ステップ及び第２ステップにおいて、乾燥速度に対応する圧力や温度等の設定値に制御しようとすると、設定値から外れることがある。例えば、図１０に示されるように、第２ステップに対応する設定温度まで加熱する場合、設定温度に達した後、温度が下がることがある。あるいは、設定温度に達した後、温度が上がることもある。

【0086】

これは、温度制御において目標となる設定値に到達させるための制御で起こる。また、温度が上下することは、温度を所定の範囲内に維持するための制御で起こる。圧力等の他の設定値についても同様である。第１ステップにおいても同様である。

【0087】

したがって、乾燥速度に対応する設定値は、第１ステップ及び第２ステップの各区間における平均値と同等あるいは平均値を含む所定の範囲内であれば良い。このように、第１ステップ及び第２ステップの各区間における乾燥速度は一定でなくても良い。

【0088】

（他の実施形態）
上記各実施形態で示されたガス吸着システム１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、ＣＯ_２含有ガスは大気に限られず、ＣＯ_２等の酸性ガスを含むガスであれば良い。

【0089】

本明細書に開示されたガス吸着システムの特徴を以下の通り示す。
（項目１）
被回収ガスを含有する混合ガスから電気化学反応によって前記被回収ガスの吸着と脱離を行う第１電極膜（１３２）と、
前記第１電極膜との間で電子の授受を行う第２電極膜（１４２）と、
前記第１電極膜の第１表面（１３３）と前記第２電極膜の第２表面（１４３）とに挟まれると共に、前記第１電極膜と前記第２電極膜とを分離するセパレータ（１５０）と、
を含み、
前記セパレータは、前記第１電極膜及び前記第２電極膜の厚み方向において、前記第１表面における最大谷深さから最大山高さまでの第１高さ、及び、前記第２表面における最大谷深さから最大山高さまでの第２高さのうちのいずれか高い方よりも厚い、ガス吸着システム。
（項目２）
被回収ガスを含有する混合ガスから電気化学反応によって前記被回収ガスの吸着と脱離を行うための電極膜（１３２、１４２）と、前記電極膜が形成された集電材（１３１、１４１）と、を有するガス吸着システムの製造方法であって、
溶媒を含むペースト状の前記電極膜を前記集電材に塗工する塗工工程と、
前記塗工工程の後、前記溶媒を蒸発させることにより前記電極膜を乾燥させる乾燥工程と、
を含み、
前記乾燥工程では、時間の経過と共に乾燥速度を変化させて前記溶媒を蒸発させることにより前記電極膜を乾燥させる、ガス吸着システムの製造方法。
（項目３）
前記乾燥工程は、前記乾燥速度が異なる第１ステップ及び第２ステップを含み、
前記第１ステップの乾燥速度は、前記第２ステップの乾燥速度よりも遅い、項目２に記載のガス吸着システムの製造方法。
（項目４）
前記乾燥工程は、前記第１ステップから前記第２ステップに移行する間の移行ステップを含み、
前記移行ステップの乾燥速度は、前記第１ステップの乾燥速度から前記第２ステップの乾燥速度に連続的に変化する、項目３に記載のガス吸着システムの製造方法。
（項目５）
前記乾燥工程では、前記第２ステップにおいて前記電極膜がさらされる真空度を、前記第１ステップにおいて前記電極膜がさらされる真空度よりも下げることにより、前記乾燥速度を変化させる、項目３または４に記載のガス吸着システムの製造方法。
（項目６）
前記乾燥工程では、前記第２ステップにおいて前記電極膜に印加される温度を、前記第１ステップにおいて前記電極膜に印加される温度よりも上げることにより、前記乾燥速度を変化させる、項目３ないし５のいずれか１つに記載のガス吸着システムの製造方法。
（項目７）
前記乾燥工程では、前記第２ステップにおいて前記電極膜に与えられる風速を、前記第１ステップにおいて前記電極膜に与えられる風速よりも上げることにより、前記乾燥速度を変化させる、項目３ないし６のいずれか１つに記載のガス吸着システムの製造方法。
（項目８）
前記乾燥工程では、前記第１ステップにおいて前記電極膜がさらされる真空度を前記溶媒の蒸気圧よりも低く制御し、前記第２ステップにおいて前記電極膜がさらされる真空度を前記溶媒の蒸気圧よりも高く制御する、項目３ないし７のいずれか１つに記載のガス吸着システムの製造方法。

【符号の説明】

【0090】

１３１ 第１集電材
１３２ 第１電極膜
１３３ 第１表面
１４１ 第２集電材
１４２ 第２電極膜
１４３ 第２表面
１５０ セパレータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】