特開 2024-141584 二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法およびエチレンの製造方法

(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】P2024141584

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法およびエチレンの製造方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20241003BHJP

   C25B 3/03 20210101ALI20241003BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20241003BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20241003BHJP

   C25B 3/26 20210101ALI20241003BHJP

   C25B 9/77 20210101ALI20241003BHJP

   C25B 1/23 20210101ALI20241003BHJP

   B01D 53/18 20060101ALI20241003BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20241003BHJP

   B01D 53/78 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 G

C25B9/00 Z

C25B3/03

C25B9/23

C25B15/08 302

C25B3/26

C25B9/77

C25B1/23

B01D53/18 ZAB

B01D53/62

B01D53/78

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023053318

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100126664

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 慎吾

(74)【代理人】

【識別番号】100154852

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 太一

(74)【代理人】

【識別番号】100194087

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 伸一

(72)【発明者】

【氏名】及川 博

【テーマコード（参考）】

4D002

4D020

4K021

【Ｆターム（参考）】

4D002AA09

4D002AC10

4D002BA02

4D002CA06

4D002DA02

4D002DA03

4D002DA12

4D020AA03

4D020BA01

4D020BA08

4D020BB03

4D020CB01

4K021AB25

4K021AC02

4K021BA02

4K021BA17

4K021BC09

4K021CA08

4K021CA15

4K021DB53

(57)【要約】

【課題】強アルカリ下においても二酸化炭素の還元に用いられる電解セルの抵抗を低くし、電解効率を高くすることを目的とする。
【解決手段】二酸化炭素を回収する回収装置１と、回収装置１で回収された二酸化炭素を電気化学的に一酸化炭素に還元する第１電解セル２１を有する第１電気化学反応部２と、第１電気化学反応部２で生成された一酸化炭素を電気化学的にエチレンに還元する第２電解セル３１を有する第２電気化学反応部３と、第１電気化学反応部２で生成された一酸化炭素をマイクロバブルとして第２電気化学反応部３に供給するマイクロバブル発生部６と、を備える、二酸化炭素処理装置１００。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素を回収する回収装置と、前記回収装置で回収された二酸化炭素を電気化学的に一酸化炭素に還元する第１電解セルを有する第１電気化学反応部と、前記第１電気化学反応部で生成された一酸化炭素を電気化学的にエチレンに還元する第２電解セルを有する第２電気化学反応部と、前記第１電気化学反応部で生成された一酸化炭素をマイクロバブルとして前記第２電気化学反応部に供給するマイクロバブル発生部と、を備える、二酸化炭素処理装置。

【請求項2】

前記回収装置は、二酸化炭素を強アルカリの電解液に溶解させて吸収する二酸化炭素吸収部を備え、
前記第１電気化学反応部には、前記二酸化炭素吸収部で電解液に溶解された二酸化炭素が供給される、請求項１に記載の二酸化炭素処理装置。

【請求項3】

前記第１電解セルは、カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードの間に設けられたイオン交換膜と、前記カソードに隣接して設けられ、二酸化炭素が溶解した電解液が流れるカソード側液流路と、前記アノードに隣接して設けられ、電解液が流れるアノード側液流路と、を備え、
前記第２電解セルは、カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードの間に設けられたイオン交換膜と、前記カソードに隣接して設けられ、ガスが流れるカソード側ガス流路と、前記カソードに隣接して設けられ、電解液が流れるカソード側液流路と、前記アノードに隣接して設けられ、電解液が流れるアノード側液流路と、を備える、請求項１に記載の二酸化炭素処理装置。

【請求項4】

二酸化炭素を電気化学的に還元する二酸化炭素処理方法であって、
第１電解セルにより二酸化炭素を電気化学的に一酸化炭素に還元する第１工程と、
前記第１工程で生成された一酸化炭素をマイクロバブルとして、第２電解セルに供給する第２工程と、
前記第２工程で生成された一酸化炭素のマイクロバブルを、第２電解セルにより電気化学的にエチレンに還元する第３工程と、を含む、二酸化炭素処理方法。

【請求項5】

請求項４に記載の二酸化炭素処理方法により、二酸化炭素を還元してエチレンを製造する、エチレンの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二酸化炭素処理装置、二酸化炭素処理方法およびエチレンの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、排ガスや大気中の二酸化炭素を回収し、電気化学的に還元して有価物を得る技術が知られている。この技術は、カーボンニュートラルを達成し得る有望な技術であるが、経済性が最大の課題である。経済性を改善するためには、二酸化炭素の回収および還元において、エネルギー効率を高め、二酸化炭素の損失を低減することが重要である。

【0003】

二酸化炭素を回収する技術としては、ガス中の二酸化炭素を固体又は液体の吸着剤に物理的又は化学的に吸着させた後、熱等のエネルギーによって脱離させて利用する技術が知られている。また、二酸化炭素を電気化学的に還元する技術としては、ガス拡散層の電解液と接する側に二酸化炭素還元触媒を用いて触媒層を形成したカソードに対し、ガス拡散層の触媒層とは反対側から二酸化炭素ガスを供給して電気化学的に還元する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

従来、二酸化炭素を回収する技術と二酸化炭素を電気化学的に還元する技術は別々に研究開発が行われている。そのため、それぞれの技術を組み合わせた場合の総合的なエネルギー効率や二酸化炭素の損失低減効果は、各技術の効率から乗数的に決定できるものの、さらなる向上の余地がある。このように、二酸化炭素を回収する技術と二酸化炭素を電気化学的に還元する技術とを組み合わせた総合的な観点で、エネルギー効率や二酸化炭素の損失低減効果を高めることは意義深いと言える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２０１８／２３２５１５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、二酸化炭素を電気化学的に還元する技術では、エチレンを選択生成しようとすると電解液が強アルカリ下の条件で有利ではあるが電解液への二酸化炭素の溶解を防ぐために気液分離機能を有するカソード電極を挟んだ形で二酸化炭素を導入する気体流路と強アルカリ電解液を導入する液流路を設置するとカソードとアノードの間に液流路分の距離が発生するため二酸化炭素の還元に用いられる電解セルの抵抗が高くなり、電解効率が下がるという課題がある。

【0007】

本願は上記課題の解決のため、強アルカリ下においても二酸化炭素の還元に用いられる電解セルの抵抗を低くし、電解効率を高くすることを目的としたものである。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与するものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

［１］二酸化炭素を回収する回収装置と、前記回収装置で回収された二酸化炭素を電気化学的に一酸化炭素に還元する第１電解セルを有する第１電気化学反応部と、前記第１電気化学反応部で生成された一酸化炭素を電気化学的にエチレンに還元する第２電解セルを有する第２電気化学反応部と、前記第１電気化学反応部で生成された一酸化炭素をマイクロバブルとして前記第２電気化学反応部に供給するマイクロバブル発生部と、を備える、二酸化炭素処理装置。

【0009】

本発明の二酸化炭素処理装置は、第１電気化学反応部で生成された一酸化炭素をマイクロバブルとして第２電気化学反応部に供給するマイクロバブル発生部を備えるため、一酸化炭素のマイクロバブルは表面積が大きくなり、水との接触機会が増えることから、一酸化炭素と水の反応効率が向上する。その結果、強アルカリ下においても、第２電解セルの抵抗を低くし、電解効率を高くすることができる。

【0010】

［２］前記回収装置は、二酸化炭素を強アルカリの電解液に溶解させて吸収する二酸化炭素吸収部を備え、
前記第１電気化学反応部には、前記二酸化炭素吸収部で電解液に溶解された二酸化炭素が供給される、［１］に記載の二酸化炭素処理装置。

【0011】

本発明の二酸化炭素処理装置は、二酸化炭素吸収部を備え、第１電気化学反応部には、二酸化炭素吸収部で電解液に溶解された二酸化炭素が供給されるため、二酸化炭素の濃縮を促進できる。

【0012】

［３］前記第１電解セルは、カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードの間に設けられたイオン交換膜と、前記カソードに隣接して設けられ、二酸化炭素が溶解した電解液が流れるカソード側液流路と、前記アノードに隣接して設けられ、電解液が流れるアノード側液流路と、を備え、
前記第２電解セルは、カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードの間に設けられたイオン交換膜と、前記カソードに隣接して設けられ、ガスが流れるカソード側ガス流路と、前記カソードに隣接して設けられ、電解液が流れるカソード側液流路と、前記アノードに隣接して設けられ、電解液が流れるアノード側液流路と、を備える、［１］または［２］に記載の二酸化炭素処理装置。

【0013】

本発明の二酸化炭素処理装置は、第１電解セルにより二酸化炭素を電気化学的に一酸化炭素に還元した後、第１電解セルで生成される一酸化炭素を第２電解セルにより電気化学的にエチレンに還元する。すなわち、供給される二酸化炭素が溶解して電解液のアルカリが比較的弱くなる第１電解セルでは、あえて一酸化炭素の生成を狙う。そして、一酸化炭素は電解液に溶解せず電解液が弱アルカリ化することがないため、第１電解セルで生成した一酸化炭素を第２電解セルに供給する。これにより、第２電解セルにて電解液の弱アルカリ化を回避しつつ一酸化炭素の電気化学的還元反応を促進させることができる。そのため、本発明の二酸化炭素処理装置によればエチレンを選択的に且つ効率良く生成することができる。

【0014】

［４］二酸化炭素を電気化学的に還元する二酸化炭素処理方法であって、
第１電解セルにより二酸化炭素を電気化学的に一酸化炭素に還元する第１工程と、
前記第１工程で生成された一酸化炭素をマイクロバブルとして、第２電解セルに供給する第２工程と、
前記第２工程で生成された一酸化炭素のマイクロバブルを、第２電解セルにより電気化学的にエチレンに還元する第３工程と、を含む、二酸化炭素処理方法。

【0015】

本発明の二酸化炭素処理方法は、第１電解セルにより二酸化炭素を電気化学的に一酸化炭素に還元する第１工程と、前記第１工程で生成された一酸化炭素をマイクロバブルとして、第２電解セルに供給する第２工程と、前記第２工程で生成された一酸化炭素のマイクロバブルを、第２電解セルにより電気化学的にエチレンに還元する第３工程と、を含むため、一酸化炭素のマイクロバブルは表面積が大きくなり、水との接触機会が増えることから、一酸化炭素と水の反応効率が向上する。その結果、強アルカリ下においても、第２電解セルの抵抗を低くし、電解効率を高くすることができる。

【0016】

［５］［４］に記載の二酸化炭素処理方法により、二酸化炭素を還元してエチレンを製造する、エチレンの製造方法。

【0017】

本発明のエチレンの製造方法は、本発明の二酸化炭素処理方法により、二酸化炭素を還元してエチレンを製造するため、効率的にエチレンを製造することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、強アルカリ下では二酸化炭素の還元に用いられる電解セルの抵抗を低くし、電解効率を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態に係る二酸化炭素処理装置を示す模式図である。

【図2】本発明の実施形態に係る二酸化炭素処理装置における第１電気化学反応部の電解セルの一例を示す概略断面図である。

【図3】本発明の実施形態に係る二酸化炭素処理装置における第２電気化学反応部の電解セルの一例を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0021】

［二酸化炭素処理装置］
図１は、本発明の実施形態に係る二酸化炭素処理装置１００を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態に係る二酸化炭素処理装置１００は、回収装置１と、第１電気化学反応部２と、第２電気化学反応部３と、第１気液分離部４と、第２気液分離部５と、マイクロバブル発生部６と、を備える。また、本実施形態に係る二酸化炭素処理装置１００は、第１酸素分離部７と、第２酸素分離部８と、を備えていてもよい。

【0022】

回収装置１は、ＣＯ_２吸収部１１を備える。
第１電気化学反応部２は、第１電解セル２１を備える。
第２電気化学反応部３は、第２電解セル３１を備える。

【0023】

二酸化炭素処理装置１００では、ＣＯ_２吸収部１１と第１電解セル２１は、液流路１０１で接続されている。第１電解セル２１と第１気液分離部４は、液流路１０２で接続されている。第１気液分離部４とＣＯ_２吸収部１１は、液流路１０３で接続されている。第１気液分離部４とマイクロバブル発生部６は、ガス流路１０４で接続されている。マイクロバブル発生部６と第２電解セル３１は、液流路１０５で接続されている。第２電解セル３１と第２気液分離部５は、液流路１０６で接続されている。第２気液分離部５とマイクロバブル発生部６は、液流路１０７で接続されている。第１電解セル２１と第１酸素分離部７は、液流路１０８，１０９で接続されている。第２電解セル３１と第２酸素分離部８は、液流路１１０，１１１で接続されている。

【0024】

上述の各流路は特に限定されず、公知の配管等を適宜使用できる。ガス流路１０４には、コンプレッサー等の送気手段や弁、流量計等の計測機器等を適宜設置することができる。また、液流路１０１，１０２，１０３，１０５，１０６，１０７には、ポンプ等の送液手段や弁、流量計等の計測機器等を適宜設置することができる。

【0025】

回収装置１は、二酸化炭素を回収する。ＣＯ_２吸収部１１には、大気、排ガス等の二酸化炭素を含むガスが供給される。ＣＯ_２吸収部１１では、ガス中の二酸化炭素ガスが電解液と接触し、二酸化炭素が電解液に溶解されて吸収される。二酸化炭素ガスと電解液とを接触させる手法としては、特に限定されず、例えば、電解液中にガスを吹き込んでバブリングする手法を例示できる。

【0026】

ＣＯ_２吸収部１１では、二酸化炭素を吸収する吸収液として、強アルカリ水溶液からなる電解液を用いる。二酸化炭素は、酸素原子が電子を強く引きつけるために炭素原子が正の電荷（δ＋）を帯びる。そのため、水酸化物イオンが多量に存在する強アルカリ水溶液では、二酸化炭素は水和状態からＨＣＯ_３ ^－を経てＣＯ_３ ^２－まで溶解反応が進行しやすく、ＣＯ_３ ^２－の存在比率が高い平衡状態となる。このことから、二酸化炭素は窒素、水素、酸素といった他のガスに比べて強アルカリ水溶液に溶解しやすく、ＣＯ_２吸収部１１ではガス中の二酸化炭素が選択的に電解液に吸収される。このように、ＣＯ_２吸収部１１で電解液を用いることで、二酸化炭素の濃縮を促進できる。

【0027】

ＣＯ_２吸収部１１で二酸化炭素が吸収された電解液は、液流路１０１を通じて第１電気化学反応部２へと送られる。

【0028】

電解液に用いる強アルカリ水溶液としては、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液を例示できる。中でも、ＣＯ_２吸収部１１における二酸化炭素の溶解性に優れ、第１電気化学反応部２における二酸化炭素の還元が促進される観点から、水酸化カリウム水溶液が好ましく使用される。

【0029】

図２は、第１電気化学反応部２の電解セルの一例を示す概略断面図である。第１電気化学反応部２は、電解セルとして、第１電解セル２１を備える。第１電気化学反応部２は、第１電解セル２１により、二酸化炭素を電気化学的に還元する。より詳しくは、第１電気化学反応部２は、二酸化炭素の電気化学的還元反応によりエチレンを目的生成物とする反応パスにおいて、二酸化炭素から一酸化炭素への還元反応を実行する。なお、図２では、１つの電解セルを示しているが、第１電気化学反応部２は、第１電解セル２１を備える電解セルを、複数積層して構成される電解セルスタックを備えることが好ましい。

【0030】

図１に示すように、第１電解セル２１は、後述する第２電気化学反応部３の第２電解セル３１の上流側に配置される。
図２に示すように、第１電解セル２１は、カソード２１１と、アノード２１２と、イオン交換膜２１３と、カソード側液流路２１４ａを形成するカソード側液流路構造体２１４と、アノード側液流路２１６ａを形成するアノード側液流路構造体２１６と、給電体２１７と、給電体２１８と、を備える。

【0031】

第１電解セル２１では、給電体２１７、カソード側液流路構造体２１４、カソード２１１、イオン交換膜２１３、アノード２１２、アノード側液流路構造体２１６、給電体２１８が、この順に積層されている。また、カソード２１１とカソード側液流路構造体２１４との間にカソード側液流路２１４ａが形成され、アノード２１２とアノード側液流路構造体２１６との間にアノード側液流路２１６ａが形成されている。これらカソード側液流路２１４ａとアノード側液流路２１６ａは、カソード２１１、イオン交換膜２１３およびアノード２１２を挟んで互いに対向する位置に設けられる。これらカソード側液流路２１４ａとアノード側液流路２１６ａは、それぞれ複数設けられることが好ましく、その形状は、直線状の他、ジグザグ状であってもよい。

【0032】

給電体２１７と給電体２１８は、図示しない電気エネルギー貯蔵部と電気的に接続されている。また、カソード側液流路構造体２１４とアノード側液流路構造体２１６はいずれも導電体であり、電気エネルギー貯蔵部から供給される電力によってカソード２１１とアノード２１２の間に電圧を印加できるようになっている。

【0033】

カソード２１１は、二酸化炭素を還元する電極である。より詳しくは、第１電解セル２１のカソード２１１は、主として二酸化炭素を一酸化炭素に還元する。ただし、生成した一酸化炭素の一部は、エチレンにまで還元されてもよい。

【0034】

カソード２１１としては、例えば、ガス拡散層と、当該ガス拡散層のカソード側液流路２１４ａ側に形成されたカソード触媒層と、を備える電極を例示できる。カソード触媒層は、その一部がガス拡散層中に入り込んで配置されていてもよい。また、ガス拡散層とカソード触媒層の間には、ガス拡散層よりも緻密な多孔質層が配置されていてもよい。

【0035】

カソード触媒層を形成するカソード触媒としては、二酸化炭素の還元反応に用いられる公知の触媒を使用できる。カソード触媒の具体例としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、チタン、カドミウム、亜鉛、インジウム、ガリウム、鉛、錫等の金属、それらの合金や金属間化合物、ルテニウム錯体、レニウム錯体等の金属錯体を例示できる。中でも、二酸化炭素から一酸化炭素への還元反応に好ましいカソード触媒として、銀、金、亜鉛が挙げられる。カソード触媒としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。カソード触媒としては、金属粒子が炭素材料（カーボン粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン等）に担持された担持触媒を使用してもよい。

【0036】

カソード２１１のガス拡散層としては、特に限定されず、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスを例示できる。カソード２１１の製造方法は、特に限定されず、例えば、ガス拡散層のカソード側液流路２１４ａ側となる面に、カソード触媒を含む液状組成物のスラリーを塗布して乾燥する方法を例示できる。

【0037】

アノード２１２は、水酸化物イオンを酸化して酸素を生成する電極である。アノード２１２としては、例えば、ガス拡散層と、当該ガス拡散層のアノード側液流路２１６ａ側に形成されたアノード触媒層と、を備える電極を例示できる。アノード触媒層は、その一部がガス拡散層中に入り込んで配置されていてもよい。また、ガス拡散層とアノード触媒層の間には、ガス拡散層よりも緻密な多孔質層が配置されていてもよい。

【0038】

アノード触媒層を形成するアノード触媒としては、特に限定されず、公知のアノード触媒を使用できる。具体的には、例えば、白金、パラジウム、ニッケル等の金属、それらの合金や金属間化合物、酸化マンガン、酸化イリジウム、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化スズ、酸化インジウム、酸化ルテニウム、酸化リチウム、酸化ランタン等の金属酸化物、ルテニウム錯体、レニウム錯体等の金属錯体を例示できる。アノード触媒としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

【0039】

アノード２１２のガス拡散層としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスを例示できる。また、ガス拡散層としては、メッシュ材、パンチング材、多孔体、金属繊維焼結体等の多孔質体を用いてもよい。多孔質体の材質としては、例えば、チタン、ニッケル、鉄等の金属、これらの合金（例えばＳＵＳ）を例示できる。

【0040】

カソード側液流路構造体２１４およびアノード側液流路構造体２１６の材質としては、例えば、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。

【0041】

給電体２１７および給電体２１８の材質としては、例えば、銅、金、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。給電体２１７および給電体２１８としては、銅基材の表面に金メッキ等のメッキ処理を施したものを使用してもよい。

【0042】

また、図１に示すように、第２電気化学反応部３の第２電解セル３１は、第１電解セル２１の下流側に配置される。
図３に示すように、第２電解セル３１は、カソード３１１と、アノード３１２と、イオン交換膜３１３と、カソード側液流路３１４ａを形成するカソード側液流路構造体３１４と、アノード側液流路３１６ａを形成するアノード側液流路構造体３１６と、給電体３１７と、給電体３１８と、を備える。

【0043】

第２電解セル３１では、給電体３１７、カソード側液流路構造体３１４、カソード３１１、イオン交換膜３１３、アノード３１２、アノード側液流路構造体３１６、給電体３１８が、この順に積層されている。また、カソード３１１とカソード側液流路構造体３１４との間にカソード側液流路３１４ａが形成され、アノード３１２とアノード側液流路構造体３１６との間にアノード側液流路３１６ａが形成されている。これらカソード側液流路３１４ａとアノード側液流路３１６ａは、カソード３１１、イオン交換膜３１３およびアノード３１２を挟んで互いに対向する位置に設けられる。これらカソード側液流路３１４ａとアノード側液流路３１６ａは、それぞれ複数設けられることが好ましく、その形状は、直線状の他、ジグザグ状であってもよい。

【0044】

給電体３１７と給電体３１８は、図示しない電気エネルギー貯蔵部と電気的に接続されている。また、カソード側液流路構造体３１４とアノード側液流路構造体３１６はいずれも導電体であり、電気エネルギー貯蔵部から供給される電力によってカソード３１１とアノード３１２の間に電圧を印加できるようになっている。

【0045】

カソード３１１は、後述するように、第１電解セル２１にて二酸化炭素が還元されて生成した一酸化炭素を主体とするガスを還元する。より詳しくは、第２電解セル３１のカソード３１１は、一酸化炭素をエチレンに還元する電極である。また、カソード３１１は、第１電解セル２１にて一酸化炭素に還元されなかった未反応の二酸化炭素をエチレンに還元することもできる。

【0046】

カソード３１１としては、例えば、ガス拡散層と、当該ガス拡散層のカソード側液流路３１４ａ側に形成されたカソード触媒層と、を備える電極を例示できる。カソード触媒層は、その一部がガス拡散層中に入り込んで配置されていてもよい。また、ガス拡散層とカソード触媒層の間には、ガス拡散層よりも緻密な多孔質層が配置されていてもよい。

【0047】

カソード触媒層を形成するカソード触媒としては、二酸化炭素の還元反応に用いられる公知の触媒を使用できる。カソード触媒の具体例としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、チタン、カドミウム、亜鉛、インジウム、ガリウム、鉛、錫等の金属、それらの合金や金属間化合物、ルテニウム錯体、レニウム錯体等の金属錯体を例示できる。中でも、二酸化炭素から一酸化炭素への還元反応に好ましいカソード触媒として、銀、金、亜鉛が挙げられる。カソード触媒としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。カソード触媒としては、金属粒子が炭素材料（カーボン粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン等）に担持された担持触媒を使用してもよい。

【0048】

カソード３１１のガス拡散層としては、特に限定されず、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスを例示できる。カソード３１１の製造方法は、特に限定されず、例えば、ガス拡散層のカソード側液流路３１４ａ側となる面に、カソード触媒を含む液状組成物のスラリーを塗布して乾燥する方法を例示できる。

【0049】

アノード３１２は、水酸化物イオンを酸化して酸素を生成する電極である。アノード３１２としては、例えば、ガス拡散層と、当該ガス拡散層のアノード側液流路３１６ａ側に形成されたアノード触媒層と、を備える電極を例示できる。アノード触媒層は、その一部がガス拡散層中に入り込んで配置されていてもよい。また、ガス拡散層とアノード触媒層の間には、ガス拡散層よりも緻密な多孔質層が配置されていてもよい。

【0050】

アノード触媒層を形成するアノード触媒としては、特に限定されず、公知のアノード触媒を使用できる。具体的には、例えば、白金、パラジウム、ニッケル等の金属、それらの合金や金属間化合物、酸化マンガン、酸化イリジウム、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化スズ、酸化インジウム、酸化ルテニウム、酸化リチウム、酸化ランタン等の金属酸化物、ルテニウム錯体、レニウム錯体等の金属錯体を例示できる。アノード触媒としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

【0051】

アノード３１２のガス拡散層としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスを例示できる。また、ガス拡散層としては、メッシュ材、パンチング材、多孔体、金属繊維焼結体等の多孔質体を用いてもよい。多孔質体の材質としては、例えば、チタン、ニッケル、鉄等の金属、これらの合金（例えばＳＵＳ）を例示できる。

【0052】

カソード側液流路構造体３１４およびアノード側液流路構造体３１６の材質としては、例えば、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。

【0053】

給電体３１７および給電体３１８の材質としては、例えば、銅、金、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。給電体３１７および給電体３１８としては、銅基材の表面に金メッキ等のメッキ処理を施したものを使用してもよい。

【0054】

第１気液分離部４は、第１電気化学反応部２の第１電解セル２１で発生した一酸化炭素を含む電解液から、一酸化炭素を分離して、一酸化炭素を回収する。

【0055】

第２気液分離部５は、第２電気化学反応部３の第２電解セル３１で発生したエチレンを含む電解液から、エチレンを分離して、エチレンを回収する。

【0056】

マイクロバブル発生部６は、第１気液分離部４で回収した一酸化炭素をマイクロバブルとして、第２電気化学反応部３の第２電解セル３１に供給する。

【0057】

第１酸素分離部７は、第１電気化学反応部２の第１電解セル２１で発生した酸素を含む電解液から、酸素を分離して、酸素を回収する。

【0058】

第２酸素分離部８は、第２電気化学反応部３の第２電解セル３１で発生した酸素を含む電解液から、酸素を分離して、酸素を回収する。

【0059】

第１電解セル２１および第２電解セル３１による二酸化炭素の還元反応について説明する。

【0060】

第１電解セル２１は、ＣＯ_２吸収部１１から供給されて液流路１０１を通じて送られてくる電解液が、カソード側液流路２１４ａに流入するフローセルである。カソード２１１とアノード２１２に電圧が印加されることで、カソード側液流路２１４ａを流れる電解液中の溶存二酸化炭素がカソード２１１で電気化学的に還元される。カソード側液流路２１４ａの入口における電解液は、二酸化炭素が溶解されているためＣＯ_３ ^２－の存在比率が高い比較的弱いアルカリ状態になっている。一方、カソード側液流路２１４ａを流れて還元が進行するにつれて溶存二酸化炭素量、すなわち電解液中のＣＯ_３ ^２－量が低下することで、カソード側液流路２１４ａの出口ではアルカリが強い状態の電解液に復帰する。

【0061】

上述したように第１電解セル２１のカソード２１１では、電解液が比較的弱いアルカリ下であるため、二酸化炭素が還元されて生成する生成物は、主として一酸化炭素である。具体的には、カソード２１１では、以下のカソード半反応式で示される反応が進行することにより、ガス状生成物として一酸化炭素が生成する。生成したガス状の一酸化炭素は、カソード側液流路２１４ａの出口から流出する。
［カソード半反応式］２ＣＯ_３ ^２－＋４Ｈ_２Ｏ→２ＣＯ＋８ＯＨ^－

【0062】

第１電解セル２１のカソード２１１で生じた水酸化物イオンは、イオン交換膜２１３を透過してアノード２１２へと移動し、以下のアノード半反応式で示される反応で酸化されて酸素が生成する。生成した酸素は、アノード２１２のガス拡散層を透過してアノード側液流路２１６ａに流れ込み、アノード側液流路２１６ａの出口から流出する。
［アノード半反応式］４ＯＨ^－→Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ

【0063】

従って、第１電解セル２１では、全体として、以下の全反応式で示される反応が進行する。
［全反応式］２ＣＯ_３ ^２－＋２Ｈ_２Ｏ→２ＣＯ＋Ｏ_２＋４ＯＨ^－

【0064】

このように、本実施形態の二酸化炭素処理装置１００では、第１電気化学反応部２に用いる電解液をＣＯ_２吸収部１１の吸収液として共用し、電解液に溶解させたまま二酸化炭素を第１電気化学反応部２に供給して電気化学的に還元する。これにより、例えば、二酸化炭素を吸着剤に吸着させ、加熱によって脱離させて還元する場合に比べて、二酸化炭素の脱離に要するエネルギーが低減され、エネルギー効率を高くできる。

【0065】

ここで、上述したようにカソード側液流路２１４ａの入口における電解液は、二酸化炭素が溶解されているためＣＯ_３ ^２－の存在比率が高い弱アルカリ状態になっている。これに対して二酸化炭素の還元反応では、弱アルカリ下では還元反応が進行し難いため、目的とするエチレンの生成効率が悪いという課題がある。このため、上述したように第１電解セル２１のカソード側液流路２１４ａの出口から流出するガスは、一酸化炭素が主体である。

【0066】

これに対して、本実施形態の二酸化炭素処理装置１００では、第１電解セル２１のカソード側液流路２１４ａの出口から流出する一酸化炭素を主体とするガスを、第１気液分離部４で回収し、ガス流路１０４を通じてマイクロバブル発生部６に供給し、マイクロバブル発生部６で一酸化炭素をマイクロバブルにするとともに、第２電気化学反応部３の第２電解セル３１から排出された電解液にマイクロバブルとした一酸化炭素を分散させて、電解液とし、電解液を、液流路１０５を通じて第２電気化学反応部３の第２電解セル３１に供給する。

【0067】

第２電解セル３１は、マイクロバブル発生部６から液流路１０５を介して供給されてくるマイクロバブルとした一酸化炭素が、カソード側液流路３１４ａに流入するフローセルである。カソード３１１とアノード３１２に電圧が印加されることで、カソード側液流路３１４ａを流れる一酸化炭素がカソード３１１で電気化学的に還元されてエチレンが生成される。

【0068】

具体的には、第２電解セル３１のカソード３１１では、以下のカソード半反応式で示される反応が進行することにより、ガス状生成物としてエチレンが生成する。マイクロバブル発生部６から液流路１０５を介して供給されるマイクロバブルとした一酸化炭素は、電解液に溶解せず電解液が弱アルカリ化することがない。このため、第２電解セル３１のカソード３１１では、一酸化炭素の還元反応が効率良く進行する結果、エチレンが効率良く生成される。
［カソード半反応式］２ＣＯ＋４Ｈ_２Ｏ→Ｃ_２Ｈ_４＋４ＯＨ^－

【0069】

第２電解セル３１のカソード３１１で生じた水酸化物イオンは、イオン交換膜３１３を透過してアノード３１２へと移動し、以下のアノード半反応式で示される反応で酸化されて酸素が生成する。生成した酸素は、アノード３１２のガス拡散層を透過してアノード側液流路３１６ａに流れ込み、アノード側液流路３１６ａの出口から流出する。
［アノード半反応式］４ＯＨ^－→Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ

【0070】

従って、第２電解セル３１では、全体として、以下の全反応式で示される反応が進行する。
［全反応式］２ＣＯ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｃ_２Ｈ_４＋２Ｏ_２

【0071】

本実施形態の二酸化炭素処理装置によれば、第１電気化学反応部２で生成された一酸化炭素をマイクロバブルとして第２電気化学反応部３に供給するマイクロバブル発生部６を備えるため、一酸化炭素のマイクロバブルは表面積が大きくなり、水との接触機会が増えることから、一酸化炭素と水の反応効率が向上する。その結果、強アルカリ下においても、第２電解セル３１の抵抗を低くし、電解効率を高くすることができる。

【0072】

［二酸化炭素処理方法］
本発明の実施形態に係る二酸化炭素処理方法は、例えば、上述の二酸化炭素処理装置１００を用いることにより実行される。具体的には、本実施形態の二酸化炭素処理方法は、ＣＯ_２吸収部１１で強アルカリ水溶液からなる電解液に二酸化炭素ガスを接触させ、二酸化炭素を電解液に溶解させて吸収させる工程（ａ）と、第１電解セル２１で電解液中の溶存二酸化炭素を電気化学的に一酸化炭素に還元する工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）で生成された一酸化炭素をマイクロバブル発生部６によりマイクロバブルとして、第２電解セル３１に供給する工程（ｃ）と、前記工程（ｃ）で生成された一酸化炭素のマイクロバブルを、第２電解セル３１により電気化学的にエチレンに還元する工程（ｄ）と、を含むことが好ましい。本実施形態の二酸化炭素処理方法は、エチレンの製造方法に利用できる。

【0073】

また、本実施形態の二酸化炭素処理方法は、上述の工程（ｂ）で生成された一酸化炭素をマイクロバブル発生部６によりマイクロバブルとして、第２電解セル３１に供給する工程（ｃ）を含むことを特徴とする。

【0074】

なお、本発明は上記の各態様に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

【符号の説明】

【0075】

１ 回収装置
２ 第１電気化学反応部
３ 第２電気化学反応部
４ 第１気液分離部
５ 第２気液分離部
６ マイクロバブル発生部
７ 第１酸素分離部
８ 第２酸素分離部
１１ ＣＯ_２吸収部
２１ 第１電解セル
３１ 第２電解セル
１００ 二酸化炭素処理装置
２１１，３１１ カソード
２１２，３１２ アノード
２１３，３１３ イオン交換膜
２１４，３１４ カソード側液流路構造体
２１４ａ，３１４ａ カソード側液流路
２１６，３１６ アノード側液流路構造体
２１６ａ，３１６ａ アノード側液流路
２１７，２１８，３１７，３１８ 給電体

【図1】

【図2】

【図3】