(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】P2024147962
(43)【公開日】2024-10-17
(54)【発明の名称】ガス拡散電極及び電解装置
(51)【国際特許分類】
C25B 11/032 20210101AFI20241009BHJP
C25B 11/052 20210101ALI20241009BHJP
C25B 11/055 20210101ALI20241009BHJP
C25B 11/069 20210101ALI20241009BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20241009BHJP
C25B 3/03 20210101ALI20241009BHJP
C25B 3/26 20210101ALI20241009BHJP
C25B 3/07 20210101ALI20241009BHJP
【ＦＩ】
C25B11/032
C25B11/052
C25B11/055
C25B11/069
C25B9/00 G
C25B3/03
C25B3/26
C25B3/07
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023060751
(22)【出願日】2023-04-04
(71)【出願人】
【識別番号】000000941
【氏名又は名称】株式会社カネカ
(74)【代理人】
【識別番号】100100480
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 隆
(74)【代理人】
【識別番号】100201455
【弁理士】
【氏名又は名称】横尾 宏治
(72)【発明者】
【氏名】戸澤 友和
(72)【発明者】
【氏名】杉山 幹人
【テーマコード（参考）】
4K011
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K011AA12
4K011AA20
4K011AA29
4K011DA11
4K021AC02
4K021AC05
4K021BA02
4K021BA17
4K021DB11
4K021DB16
(57)【要約】
【課題】本発明は、大面積のガス透過性基材を使用しても、従来に比べて多孔質粒子と触媒粒子が剥がれにくいガス拡散電極及び従来に比べて安定的に二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成できる電解装置を提供する。
【解決手段】厚み方向にガスを透過可能なガス透過性基材と、複数の触媒粒子と、疎水性をもち、複数の触媒粒子の数平均粒子径よりも小さい粒子側貫通孔を有する複数の多孔質粒子と、ガス透過性基材を平面視したときに、触媒粒子と多孔質粒子を含む複数の触媒領域に区画する区画形成部と、複数の触媒領域において触媒粒子と多孔質粒子をガス透過性基材に対して接着する接着部を備える構成とする。
【選択図】図２
【解決手段】厚み方向にガスを透過可能なガス透過性基材と、複数の触媒粒子と、疎水性をもち、複数の触媒粒子の数平均粒子径よりも小さい粒子側貫通孔を有する複数の多孔質粒子と、ガス透過性基材を平面視したときに、触媒粒子と多孔質粒子を含む複数の触媒領域に区画する区画形成部と、複数の触媒領域において触媒粒子と多孔質粒子をガス透過性基材に対して接着する接着部を備える構成とする。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
厚み方向にガスを透過可能なガス透過性基材と、
複数の触媒粒子と、
疎水性をもち、前記複数の触媒粒子の数平均粒子径よりも小さい粒子側貫通孔を有する複数の多孔質粒子と、
前記ガス透過性基材を平面視したときに、触媒粒子と多孔質粒子を含む複数の触媒領域に区画する区画形成部と、
前記複数の触媒領域において前記触媒粒子と前記多孔質粒子を前記ガス透過性基材に対して接着する接着部を備える、ガス拡散電極。
複数の触媒粒子と、
疎水性をもち、前記複数の触媒粒子の数平均粒子径よりも小さい粒子側貫通孔を有する複数の多孔質粒子と、
前記ガス透過性基材を平面視したときに、触媒粒子と多孔質粒子を含む複数の触媒領域に区画する区画形成部と、
前記複数の触媒領域において前記触媒粒子と前記多孔質粒子を前記ガス透過性基材に対して接着する接着部を備える、ガス拡散電極。
【請求項2】
前記接着部は、プロトン導電性を有する、請求項１に記載のガス拡散電極。
【請求項3】
前記区画形成部は、絶縁性樹脂で構成された壁部である、請求項１に記載のガス拡散電極。
【請求項4】
前記区画形成部は、光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂で構成された壁部である、請求項１に記載のガス拡散電極。
【請求項5】
請求項１～４のいずれか１項に記載のガス拡散電極と、対電極と、電解液と、ガス流通流路を有し、
前記ガス拡散電極は、前記ガス透過性基材側が前記ガス流通流路に露出し、前記触媒粒子側が前記電解液に接しており、
前記ガス流通流路内に二酸化炭素を供給した状態で前記ガス拡散電極と前記対電極との間に電圧を印加することで、前記ガス透過性基材を通過した二酸化炭素を還元し、炭素化合物を生成する、電解装置。
前記ガス拡散電極は、前記ガス透過性基材側が前記ガス流通流路に露出し、前記触媒粒子側が前記電解液に接しており、
前記ガス流通流路内に二酸化炭素を供給した状態で前記ガス拡散電極と前記対電極との間に電圧を印加することで、前記ガス透過性基材を通過した二酸化炭素を還元し、炭素化合物を生成する、電解装置。
【請求項6】
前記ガス拡散電極は、上下方向成分をもって延びており、
前記多孔質粒子は、疎水性を有しており、
前記複数の触媒領域には、第１触媒領域と、第２触媒領域があり、
前記第１触媒領域は、前記第２触媒領域に比べて上方側に位置しており、
前記ガス透過性基材を平面視したときに、前記第１触媒領域における１ｃｍ２当たりの多孔質粒子の数は、前記第２触媒領域における１ｃｍ２当たりの多孔質粒子の数よりも少ない、請求項５に記載の電解装置。
前記多孔質粒子は、疎水性を有しており、
前記複数の触媒領域には、第１触媒領域と、第２触媒領域があり、
前記第１触媒領域は、前記第２触媒領域に比べて上方側に位置しており、
前記ガス透過性基材を平面視したときに、前記第１触媒領域における１ｃｍ２当たりの多孔質粒子の数は、前記第２触媒領域における１ｃｍ２当たりの多孔質粒子の数よりも少ない、請求項５に記載の電解装置。
【請求項7】
前記ガス拡散電極は、上下方向成分をもって延びており、
前記多孔質粒子は、疎水性を有しており、
前記複数の触媒領域には、第１触媒領域と、第２触媒領域があり、
前記第１触媒領域は、前記第２触媒領域に比べて上方側に位置しており、
前記第１触媒領域に属する多孔質粒子の粒子側貫通孔の開口面積は、前記第２触媒領域に属する多孔質粒子の粒子側貫通孔の開口面積に比べて大きい、請求項５に記載の電解装置。
前記多孔質粒子は、疎水性を有しており、
前記複数の触媒領域には、第１触媒領域と、第２触媒領域があり、
前記第１触媒領域は、前記第２触媒領域に比べて上方側に位置しており、
前記第１触媒領域に属する多孔質粒子の粒子側貫通孔の開口面積は、前記第２触媒領域に属する多孔質粒子の粒子側貫通孔の開口面積に比べて大きい、請求項５に記載の電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガス拡散電極及び電解装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、カソード側にガス拡散電極が設けられ、ガス拡散電極上で二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成する電解装置が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。
例えば、非特許文献１のガス拡散電極は、多孔質有機かご構造（porous organic cages）のＣＣ３粒子と酸化銅触媒とナフィオン（登録商標）をメタノールに分散させて、ポリテトラフルオロエチレンガス拡散層上に塗布して作製する。こうすることで、ＣＣ３粒子の細孔を通過した二酸化炭素とＣＣ３粒子の表面の酸化銅触媒と、ナフィオンによって三相界面が形成され、ＣＣ３粒子の表面上で二酸化炭素をＣ２化合物に還元できるとされている。
例えば、非特許文献１のガス拡散電極は、多孔質有機かご構造（porous organic cages）のＣＣ３粒子と酸化銅触媒とナフィオン（登録商標）をメタノールに分散させて、ポリテトラフルオロエチレンガス拡散層上に塗布して作製する。こうすることで、ＣＣ３粒子の細孔を通過した二酸化炭素とＣＣ３粒子の表面の酸化銅触媒と、ナフィオンによって三相界面が形成され、ＣＣ３粒子の表面上で二酸化炭素をＣ２化合物に還元できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第７２０７６７２号公報
【非特許文献1】Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202202607
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、工業的に二酸化炭素を炭素化合物に還元する場合、大面積のガス拡散電極を作製する必要がある。
そこで、本発明者は、非特許文献１に倣って大面積のガス拡散電極を検討した。
しかしながら、検討したガス拡散電極は、ナフィオンの剛性によってＣＣ３粒子と酸化銅触媒をガス拡散層に接着しているが、大面積化に伴ってＣＣ３粒子と酸化銅触媒とナフィオンがガス拡散層上から剥がれ落ちてしまう可能性があった。
そこで、本発明者は、非特許文献１に倣って大面積のガス拡散電極を検討した。
しかしながら、検討したガス拡散電極は、ナフィオンの剛性によってＣＣ３粒子と酸化銅触媒をガス拡散層に接着しているが、大面積化に伴ってＣＣ３粒子と酸化銅触媒とナフィオンがガス拡散層上から剥がれ落ちてしまう可能性があった。
【0005】
そこで、本発明は、大面積のガス透過性基材を使用しても、従来に比べて多孔質粒子と触媒粒子が剥がれにくいガス拡散電極及び従来に比べて安定的に二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成できる電解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記した課題を解決するための本発明の一つの様相は、厚み方向にガスを透過可能なガス透過性基材と、複数の触媒粒子と、疎水性をもち、前記複数の触媒粒子の数平均粒子径よりも小さい粒子側貫通孔を有する複数の多孔質粒子と、前記ガス透過性基材を平面視したときに、触媒粒子と多孔質粒子を含む複数の触媒領域に区画する区画形成部と、前記複数の触媒領域において前記触媒粒子と前記多孔質粒子を前記ガス透過性基材に対して接着する接着部を備える、ガス拡散電極である。
【0007】
本様相によれば、区画形成部によって区画された各触媒領域において、接着部によって触媒粒子と多孔質粒子がガス透過性基材に対して接着されるので、大面積のガス透過性基材を使用しても、従来に比べて多孔質粒子と触媒粒子が剥がれにくい。
【0008】
好ましい様相は、前記接着部は、プロトン導電性を有する。
【0009】
好ましい様相は、前記区画形成部は、絶縁性樹脂で構成された壁部である。
【0010】
好ましい様相は、前記区画形成部は、光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂で構成された壁部である。
【0011】
本発明の一つの様相は、上記のガス拡散電極と、対電極と、電解液と、ガス流通流路を有し、前記ガス拡散電極は、前記ガス透過性基材側が前記ガス流通流路に露出し、前記触媒粒子側が前記電解液に接しており、前記ガス流通流路内に二酸化炭素を供給した状態で前記ガス拡散電極と前記対電極との間に電圧を印加することで、前記ガス透過性基材を通過した二酸化炭素を還元し、炭素化合物を生成する、電解装置である。
【0012】
ここでいう「炭素化合物」とは、炭素を含む化合物をいい、有機化合物だけではなく、一酸化炭素などの酸化物や炭酸塩、炭化物を含む。以下、同様とする。
【0013】
本様相によれば、複数の触媒領域に分かれているため、いずれかの触媒領域に異常があっても、異常のない触媒領域において二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成できるので、炭素化合物を安定的に生成できる。
【0014】
好ましい様相は、前記ガス拡散電極は、上下方向成分をもって延びており、前記多孔質粒子は、疎水性を有しており、前記複数の触媒領域には、第１触媒領域と、第２触媒領域があり、前記第１触媒領域は、前記第２触媒領域に比べて上方側に位置しており、前記ガス透過性基材を平面視したときに、前記第１触媒領域における１ｃｍ２当たりの多孔質粒子の数は、前記第２触媒領域における１ｃｍ２当たりの多孔質粒子の数よりも少ない。
【0015】
好ましい様相は、前記ガス拡散電極は、上下方向成分をもって延びており、前記多孔質粒子は、疎水性を有しており、前記複数の触媒領域には、第１触媒領域と、第２触媒領域があり、前記第１触媒領域は、前記第２触媒領域に比べて上方側に位置しており、前記第１触媒領域に属する多孔質粒子の粒子側貫通孔の開口面積は、前記第２触媒領域に属する多孔質粒子の粒子側貫通孔の開口面積に比べて大きい。
【発明の効果】
【0016】
本発明のガス拡散電極によれば、大面積のガス透過性基材を使用しても、従来に比べて多孔質粒子と触媒粒子が剥がれにくい。
本発明の電解装置によれば、従来に比べて安定的に二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成できる。
本発明の電解装置によれば、従来に比べて安定的に二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成できる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【0019】
本発明の第１実施形態の電解装置１は、主に、電気分解によって二酸化炭素から炭素化合物を製造するものである。
電解装置１は、図１のように、電解槽２と、ガス供給部３と、第１ガス回収部４と、第１電解液供給部６と、第１電解液回収部７と、第２電解液供給部８と、第２電解液回収部９と、第２ガス回収部１０と、第３ガス回収部１１と、電源装置１２を備えている。
電解装置１は、図１のように、電解槽２と、ガス供給部３と、第１ガス回収部４と、第１電解液供給部６と、第１電解液回収部７と、第２電解液供給部８と、第２電解液回収部９と、第２ガス回収部１０と、第３ガス回収部１１と、電源装置１２を備えている。
【0020】
（電解槽２）
電解槽２は、図１のように、槽本体部２０と、ガス拡散電極部２１と、対電極部２２と、イオン交換部２３と、ガス導入部２５と、第１ガス排出部２６と、ガス流通流路２７と、第１電解液導入部２８と、第１電解液排出部２９と、第２電解液導入部３０と、第２電解液排出部３１と、第２ガス排出部３２と、第３ガス排出部３３を備えている。
電解槽２は、図１のように、槽本体部２０と、ガス拡散電極部２１と、対電極部２２と、イオン交換部２３と、ガス導入部２５と、第１ガス排出部２６と、ガス流通流路２７と、第１電解液導入部２８と、第１電解液排出部２９と、第２電解液導入部３０と、第２電解液排出部３１と、第２ガス排出部３２と、第３ガス排出部３３を備えている。
【0021】
（槽本体部２０）
槽本体部２０は、イオン交換部２３によって区画されており、カソード槽部４０と、アノード槽部４１を備えている。
カソード槽部４０は、ガス拡散電極部２１と、イオン交換部２３の間の部位であり、第１電解液４５が充填される部位である。
アノード槽部４１は、対電極部２２と、イオン交換部２３の間の部位であり、第２電解液４６が充填される部位である。
槽本体部２０は、イオン交換部２３によって区画されており、カソード槽部４０と、アノード槽部４１を備えている。
カソード槽部４０は、ガス拡散電極部２１と、イオン交換部２３の間の部位であり、第１電解液４５が充填される部位である。
アノード槽部４１は、対電極部２２と、イオン交換部２３の間の部位であり、第２電解液４６が充填される部位である。
【0022】
（ガス拡散電極部２１）
ガス拡散電極部２１は、ガス流通流路２７を通過する酸化物ガス内の二酸化炭素を還元し、Ｃ２化合物を生成するカソード電極部である。
ガス拡散電極部２１は、カソード槽部４０とガス流通流路２７を区画するものであり、疎水性を有し、厚み方向に二酸化炭素の流通を許容し、第１電解液４５の流通を抑制することが可能となっている。
ガス拡散電極部２１は、図１のように、ガス透過性基材５０（ガス拡散層）と、触媒層５１と、区画形成部５２で構成され、ガス透過性基材５０のイオン交換部２３側の主面５３（以下、第１主面５３ともいう）上に触媒層５１が積層され、触媒層５１が区画形成部５２によって複数の触媒領域５５に区画されたものである。
ガス拡散電極部２１は、ガス流通流路２７を通過する酸化物ガス内の二酸化炭素を還元し、Ｃ２化合物を生成するカソード電極部である。
ガス拡散電極部２１は、カソード槽部４０とガス流通流路２７を区画するものであり、疎水性を有し、厚み方向に二酸化炭素の流通を許容し、第１電解液４５の流通を抑制することが可能となっている。
ガス拡散電極部２１は、図１のように、ガス透過性基材５０（ガス拡散層）と、触媒層５１と、区画形成部５２で構成され、ガス透過性基材５０のイオン交換部２３側の主面５３（以下、第１主面５３ともいう）上に触媒層５１が積層され、触媒層５１が区画形成部５２によって複数の触媒領域５５に区画されたものである。
【0023】
（ガス透過性基材５０）
ガス透過性基材５０は、面状に広がりをもち厚み方向に複数の空隙を有した基材であり、疎水性を有し、厚み方向に二酸化炭素の流通を許容し、第１電解液４５の流通を抑制することが可能となっている。
ガス透過性基材５０は、導電性を有した導電基材でもある。
ガス透過性基材５０は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維などの多孔質繊維が使用でき、ポリテトラフルオロエチレン等によって補強されていてもよい。
ガス透過性基材５０は、面状に広がりをもち厚み方向に複数の空隙を有した基材であり、疎水性を有し、厚み方向に二酸化炭素の流通を許容し、第１電解液４５の流通を抑制することが可能となっている。
ガス透過性基材５０は、導電性を有した導電基材でもある。
ガス透過性基材５０は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維などの多孔質繊維が使用でき、ポリテトラフルオロエチレン等によって補強されていてもよい。
【0024】
（触媒層５１）
触媒層５１は、図１の拡大図のように、複数の触媒粒子６０と、複数の多孔質粒子６１と、複数の接着部６２で構成され、接着部６２によってガス透過性基材５０の第１主面５３上に触媒粒子６０と多孔質粒子６１が担持されている。
触媒層５１は、図１の拡大図のように、複数の触媒粒子６０と、複数の多孔質粒子６１と、複数の接着部６２で構成され、接着部６２によってガス透過性基材５０の第１主面５３上に触媒粒子６０と多孔質粒子６１が担持されている。
【0025】
（触媒粒子６０）
触媒粒子６０は、二酸化炭素を還元し、炭素化合物を形成するカソード触媒である。
本実施形態の触媒粒子６０は、銅酸化物（Ｃｕ２Ｏ）であり、二酸化炭素を還元し、Ｃ２化合物を形成することが可能となっている。
ここでいう「Ｃ２化合物」とは、炭素数が２個の化合物をいい、例えば、エタンやエチレン、エタノールなどがある。
触媒粒子６０は、二酸化炭素を還元し、炭素化合物を形成するカソード触媒である。
本実施形態の触媒粒子６０は、銅酸化物（Ｃｕ２Ｏ）であり、二酸化炭素を還元し、Ｃ２化合物を形成することが可能となっている。
ここでいう「Ｃ２化合物」とは、炭素数が２個の化合物をいい、例えば、エタンやエチレン、エタノールなどがある。
【0026】
（多孔質粒子６１）
多孔質粒子６１は、多孔質有機かご構造を有する粒子であり、複数の粒子側貫通孔７０を有するものである。
粒子側貫通孔７０は、多孔質粒子６１の表面の一部から内部を経由して表面の別の一部に向かって延びて貫通する貫通孔である。
粒子側貫通孔７０は、疎水性をもち、二酸化炭素が通過可能なガス通過孔であり、第１電解液４５よりも二酸化炭素を優先的に通過させることが可能である。
粒子側貫通孔７０は、開口の内接円の直径が触媒粒子６０の数平均粒子径よりも小さく、大部分の触媒粒子６０が進入不能となっている。
多孔質粒子６１は、嵩比重が１．２ｃｍ３ｇ－１以下であることが好ましい。
多孔質粒子６１は、嵩比重が０．５ｃｍ３ｇ－１以上であることが好ましく、０．８ｃｍ３ｇ－１以上であることがより好ましい。
多孔質粒子６１は、多孔質有機かご構造を有する粒子であり、複数の粒子側貫通孔７０を有するものである。
粒子側貫通孔７０は、多孔質粒子６１の表面の一部から内部を経由して表面の別の一部に向かって延びて貫通する貫通孔である。
粒子側貫通孔７０は、疎水性をもち、二酸化炭素が通過可能なガス通過孔であり、第１電解液４５よりも二酸化炭素を優先的に通過させることが可能である。
粒子側貫通孔７０は、開口の内接円の直径が触媒粒子６０の数平均粒子径よりも小さく、大部分の触媒粒子６０が進入不能となっている。
多孔質粒子６１は、嵩比重が１．２ｃｍ３ｇ－１以下であることが好ましい。
多孔質粒子６１は、嵩比重が０．５ｃｍ３ｇ－１以上であることが好ましく、０．８ｃｍ３ｇ－１以上であることがより好ましい。
【0027】
（接着部６２）
接着部６２は、接着性を有し、触媒粒子６０と多孔質粒子６１を結着するバインダーであって、触媒粒子６０と多孔質粒子６１をガス透過性基材５０に接着する部位である。
接着部６２は、プロトン導電性を有するものであり、本実施形態の接着部６２は、陽イオン交換膜であり、陰イオンや電子の移動を制限又は不能にし、陽イオンだけを移動可能としている。
接着部６２は、例えば、ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマーの膜などの高分子膜が使用できる。
接着部６２は、接着性を有し、触媒粒子６０と多孔質粒子６１を結着するバインダーであって、触媒粒子６０と多孔質粒子６１をガス透過性基材５０に接着する部位である。
接着部６２は、プロトン導電性を有するものであり、本実施形態の接着部６２は、陽イオン交換膜であり、陰イオンや電子の移動を制限又は不能にし、陽イオンだけを移動可能としている。
接着部６２は、例えば、ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマーの膜などの高分子膜が使用できる。
【0028】
（区画形成部５２）
区画形成部５２は、図２から読み取れるように、ガス透過性基材５０を平面視したときに触媒層５１を複数の触媒領域５５に区画する壁部である。
本実施形態の区画形成部５２は、格子状に区画しており、横方向Ｘ（前後方向）及び縦方向Ｙ（上下方向）において複数の触媒領域５５に区画している。
区画形成部５２は、第１区画部７６と、第２区画部７７を備えており、これらが平面交差している。
第１区画部７６は、縦方向成分をもって延び、触媒層５１を横方向Ｘに区画する壁部である。
第２区画部７７は、横方向成分をもって延び、触媒層５１を縦方向Ｙに区画する壁部である。
区画形成部５２は、図２から読み取れるように、ガス透過性基材５０を平面視したときに触媒層５１を複数の触媒領域５５に区画する壁部である。
本実施形態の区画形成部５２は、格子状に区画しており、横方向Ｘ（前後方向）及び縦方向Ｙ（上下方向）において複数の触媒領域５５に区画している。
区画形成部５２は、第１区画部７６と、第２区画部７７を備えており、これらが平面交差している。
第１区画部７６は、縦方向成分をもって延び、触媒層５１を横方向Ｘに区画する壁部である。
第２区画部７７は、横方向成分をもって延び、触媒層５１を縦方向Ｙに区画する壁部である。
【0029】
区画形成部５２は、絶縁性樹脂で構成されていることが好ましく、光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂で構成されていることが好ましい。
【0030】
（触媒領域５５）
触媒領域５５は、触媒層５１が区画形成部５２によって区画された領域であり、それぞれ触媒粒子６０と、多孔質粒子６１と、接着部６２を含む領域である。
各触媒領域５５の面積は、反応面積を確保する観点から、１ｃｍ２以上であることが好ましい。
各触媒領域５５ａ～５５ｆの面積は、触媒層５１の剥がれ落ちを防止する観点から、１００ｃｍ２以下であることが好ましい。
触媒領域５５は、触媒層５１が区画形成部５２によって区画された領域であり、それぞれ触媒粒子６０と、多孔質粒子６１と、接着部６２を含む領域である。
各触媒領域５５の面積は、反応面積を確保する観点から、１ｃｍ２以上であることが好ましい。
各触媒領域５５ａ～５５ｆの面積は、触媒層５１の剥がれ落ちを防止する観点から、１００ｃｍ２以下であることが好ましい。
【0031】
第２区画部７７で縦方向Ｙ（上下方向）に区切られる各触媒領域５５ａ～５５ｆは、１ｃｍ２当たりの多孔質粒子６１の含有量が異なっていることが好ましい。
具体的には、各触媒領域５５ａ～５５ｆは、下方側から上方側に向けて１ｃｍ２当たりの多孔質粒子６１の数が少なくなっていることが好ましい。
例えば、第２触媒領域５５ｂに比べて上方側に位置する第１触媒領域５５ａは、１ｃｍ２当たりの多孔質粒子６１の数が第２触媒領域５５ｂの１ｃｍ２当たりの多孔質粒子６１の数よりも少ないことが好ましい。
また、各触媒領域５５ａ～５５ｆは、それぞれに属する多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口面積が異なっていることが好ましい。
具体的には、各触媒領域５５ａ～５５ｆは、下方側から上方側に向けて、それぞれに属する多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口面積が大きくなっていることが好ましい。
例えば、第２触媒領域５５ｂに比べて上方側に位置する第１触媒領域５５ａは、多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口面積が、第２触媒領域５５ｂの多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口面積よりも大きいことが好ましい。
具体的には、各触媒領域５５ａ～５５ｆは、下方側から上方側に向けて１ｃｍ２当たりの多孔質粒子６１の数が少なくなっていることが好ましい。
例えば、第２触媒領域５５ｂに比べて上方側に位置する第１触媒領域５５ａは、１ｃｍ２当たりの多孔質粒子６１の数が第２触媒領域５５ｂの１ｃｍ２当たりの多孔質粒子６１の数よりも少ないことが好ましい。
また、各触媒領域５５ａ～５５ｆは、それぞれに属する多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口面積が異なっていることが好ましい。
具体的には、各触媒領域５５ａ～５５ｆは、下方側から上方側に向けて、それぞれに属する多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口面積が大きくなっていることが好ましい。
例えば、第２触媒領域５５ｂに比べて上方側に位置する第１触媒領域５５ａは、多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口面積が、第２触媒領域５５ｂの多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口面積よりも大きいことが好ましい。
【0032】
（対電極部２２）
対電極部２２は、ガス拡散電極部２１と対をなし、第２電解液４６を酸化し、酸化物体を生成するアノード電極部である。
対電極部２２は、導電性を有しているものであれば特に限定されるものではなく、例えば、白金等の金属電極が使用できる。
酸化物体は、第２電解液４６に含まれる成分が対電極部２２によって酸化されたものであり、例えば、酸素ガスや、過酸化水素、次亜塩素酸などの酸化物がある。
対電極部２２は、ガス拡散電極部２１と対をなし、第２電解液４６を酸化し、酸化物体を生成するアノード電極部である。
対電極部２２は、導電性を有しているものであれば特に限定されるものではなく、例えば、白金等の金属電極が使用できる。
酸化物体は、第２電解液４６に含まれる成分が対電極部２２によって酸化されたものであり、例えば、酸素ガスや、過酸化水素、次亜塩素酸などの酸化物がある。
【0033】
（イオン交換部２３）
イオン交換部２３は、カソード槽部４０とアノード槽部４１に仕切るセパレータである。
イオン交換部２３は、厚み方向において、特定のイオンのみを移動可能とし、残りのイオンや電子の移動を規制する膜である。
本実施形態のイオン交換部２３は、陽イオン交換膜であり、陰イオンや電子の移動を制限又は不能にし、陽イオンだけを移動可能としている。
また、イオン交換部２３は、厚み方向のガスの流通を抑制するガス流通抑制膜でもある。
イオン交換部２３としては、例えば、ナフィオン（登録商標）等のパーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマーの膜などの高分子膜が使用できる。
イオン交換部２３は、カソード槽部４０とアノード槽部４１に仕切るセパレータである。
イオン交換部２３は、厚み方向において、特定のイオンのみを移動可能とし、残りのイオンや電子の移動を規制する膜である。
本実施形態のイオン交換部２３は、陽イオン交換膜であり、陰イオンや電子の移動を制限又は不能にし、陽イオンだけを移動可能としている。
また、イオン交換部２３は、厚み方向のガスの流通を抑制するガス流通抑制膜でもある。
イオン交換部２３としては、例えば、ナフィオン（登録商標）等のパーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマーの膜などの高分子膜が使用できる。
【0034】
ガス導入部２５は、ガス供給部３から供給される二酸化炭素を含む酸化物ガスをガス流通流路２７の内部に導入する部位である。
【0035】
第１ガス排出部２６は、ガス流通流路２７内の二酸化炭素を含む酸化物ガスをガス流通流路２７の外部に排出する部位である。
【0036】
ガス流通流路２７は、ガス導入部２５と第１ガス排出部２６間をつなぐ流路であり、二酸化炭素を含む酸化物ガスを通過させることが可能となっている。
ガス流通流路２７は、流れ方向の中間部において、ガス拡散電極部２１が内壁の一部を構成している。
ガス流通流路２７は、流れ方向の中間部において、ガス拡散電極部２１が内壁の一部を構成している。
【0037】
第１電解液導入部２８は、第１電解液供給部６から供給される第１電解液４５をカソード槽部４０の内部に導入する部位である。
【0038】
第１電解液排出部２９は、カソード槽部４０の内部から第１電解液回収部７に第１電解液４５を排出する部位である。
【0039】
第１電解液４５は、プロトンを含む液体であって、カソライトとして機能するものである。
第１電解液４５は、プロトンを含むものであれば、特に限定されないが、例えば、水、酸性溶液、アルカリ性水溶液であることが好ましい。
第１電解液４５は、プロトンを含むものであれば、特に限定されないが、例えば、水、酸性溶液、アルカリ性水溶液であることが好ましい。
【0040】
第２電解液導入部３０は、第２電解液供給部８から供給される第２電解液４６をアノード槽部４１の内部に導入する部位である。
【0041】
第２電解液排出部３１は、アノード槽部４１の内部から第２電解液回収部９に第２電解液４６を排出する部位である。
【0042】
第２電解液４６は、水酸化物イオンを含む液体であって、アノライトとして機能するものである。
第２電解液４６は、水酸化物イオンを含むものであれば、特に限定されないが、例えば、水、アルカリ性溶液、酸性水溶液などが使用できる。
第２電解液４６は、水酸化物イオンを含むものであれば、特に限定されないが、例えば、水、アルカリ性溶液、酸性水溶液などが使用できる。
【0043】
（ガス供給部３）
ガス供給部３は、二酸化炭素を含む酸化物ガスをガス導入部２５に供給する部位である。
ガス供給部３は、ガス導入部２５への酸化物ガスの供給量を調整可能となっている。
ガス供給部３は、二酸化炭素を含む酸化物ガスをガス導入部２５に供給する部位である。
ガス供給部３は、ガス導入部２５への酸化物ガスの供給量を調整可能となっている。
【0044】
（第１ガス回収部４）
第１ガス回収部４は、酸化物ガスを第１ガス排出部２６から回収する部位である。
第１ガス回収部４は、酸化物ガスを第１ガス排出部２６から回収する部位である。
【0045】
（第１電解液供給部６）
第１電解液供給部６は、第１電解液４５を第１電解液導入部２８からカソード槽部４０内に供給する部位である。
第１電解液供給部６は、カソード槽部４０への第１電解液４５の供給量を調整可能となっている。
第１電解液供給部６は、第１電解液４５を第１電解液導入部２８からカソード槽部４０内に供給する部位である。
第１電解液供給部６は、カソード槽部４０への第１電解液４５の供給量を調整可能となっている。
【0046】
（第１電解液回収部７）
第１電解液回収部７は、カソード槽部４０内の第１電解液４５を第１電解液排出部２９から回収し、貯留する貯留タンクである。
第１電解液回収部７は、カソード槽部４０内の第１電解液４５を第１電解液排出部２９から回収し、貯留する貯留タンクである。
【0047】
（第２電解液供給部８）
第２電解液供給部８は、第２電解液４６を第２電解液導入部３０からアノード槽部４１内に供給する部位である。
第２電解液供給部８は、アノード槽部４１への第２電解液４６の供給量を調整可能となっている。
第２電解液供給部８は、第２電解液４６を第２電解液導入部３０からアノード槽部４１内に供給する部位である。
第２電解液供給部８は、アノード槽部４１への第２電解液４６の供給量を調整可能となっている。
【0048】
（第２電解液回収部９）
第２電解液回収部９は、アノード槽部４１内の第２電解液４６を第２電解液排出部３１から回収し、貯留する貯留タンクである。
第２電解液回収部９は、アノード槽部４１内の第２電解液４６を第２電解液排出部３１から回収し、貯留する貯留タンクである。
【0049】
（第２ガス回収部１０）
第２ガス回収部１０は、カソード槽部４０内で発生した炭素化合物を含むカソード生成ガスを第２ガス排出部３２から回収する部位である。
第２ガス回収部１０は、カソード槽部４０内で発生した炭素化合物を含むカソード生成ガスを第２ガス排出部３２から回収する部位である。
【0050】
（第３ガス回収部１１）
第３ガス回収部１１は、アノード槽部４１内で発生した酸化物体を含むアノード生成ガスを第３ガス排出部３３から回収する部位である。
第３ガス回収部１１は、アノード槽部４１内で発生した酸化物体を含むアノード生成ガスを第３ガス排出部３３から回収する部位である。
【0051】
（電源装置１２）
電源装置１２は、電解槽２に電力を供給する電力供給装置であり、ガス拡散電極部２１と対電極部２２の間に電圧を印加する電圧印加装置である。
電源装置１２は、ガス拡散電極部２１と対電極部２２の間に電圧を印加できるものであれば特に限定されるものではない。電源装置１２は、商用電源装置であってもよいし、太陽電池等の再生可能エネルギーを用いた発電装置であってもよいし、二次電池等の蓄電装置であってもよい。
電源装置１２は、電解槽２に電力を供給する電力供給装置であり、ガス拡散電極部２１と対電極部２２の間に電圧を印加する電圧印加装置である。
電源装置１２は、ガス拡散電極部２１と対電極部２２の間に電圧を印加できるものであれば特に限定されるものではない。電源装置１２は、商用電源装置であってもよいし、太陽電池等の再生可能エネルギーを用いた発電装置であってもよいし、二次電池等の蓄電装置であってもよい。
【0052】
続いて、電解装置１の各部位の位置関係について説明する。
【0053】
電解装置１は、図１のように、カソード槽部４０内にガス拡散電極部２１が縦方向成分（上下方向成分）をもって配されており、アノード槽部４１内に対電極部２２が縦方向成分（上下方向成分）をもって配されている。
本実施形態の電解装置１は、カソード槽部４０内のガス拡散電極部２１とアノード槽部４１内の対電極部２２がともに上下方向に延びており、平行となっている。
ガス拡散電極部２１の触媒層５１側の面は、対電極部２２とイオン交換部２３を挟んで対向している。
ガス拡散電極部２１は、触媒層５１側の面がカソード槽部４０側に露出しており、ガス流通流路２７側の面がガス流通流路２７に露出している。
すなわち、ガス拡散電極部２１は、触媒層５１の触媒粒子６０と多孔質粒子６１と接着部６２のそれぞれが第１電解液４５に晒されて接している。
本実施形態の電解装置１は、カソード槽部４０内のガス拡散電極部２１とアノード槽部４１内の対電極部２２がともに上下方向に延びており、平行となっている。
ガス拡散電極部２１の触媒層５１側の面は、対電極部２２とイオン交換部２３を挟んで対向している。
ガス拡散電極部２１は、触媒層５１側の面がカソード槽部４０側に露出しており、ガス流通流路２７側の面がガス流通流路２７に露出している。
すなわち、ガス拡散電極部２１は、触媒層５１の触媒粒子６０と多孔質粒子６１と接着部６２のそれぞれが第１電解液４５に晒されて接している。
【0054】
続いて、本実施形態の電解装置１を用いて二酸化炭素から炭素化合物を生成する際の動作について説明する。
【0055】
まず、電解液供給部６，８から槽部４０，４１に電解液４５，４６を供給し、槽部４０，４１内の大部分に電解液４５，４６を充填する。
【0056】
このとき、第１電解液４５がカソード槽部４０に充填され、ガス拡散電極部２１がカソード槽部４０内で第１電解液４５に浸され、触媒層５１が第１電解液４５に晒されている。
同様に、第２電解液４６がアノード槽部４１に充填され、対電極部２２がアノード槽部４１内で第２電解液４６に浸されている。
第１電解液４５の液位は、ガス拡散電極部２１の触媒層５１の８０％以上が浸る液位であることが好ましく、９０％以上が浸る液位であることがより好ましい。
第２電解液４６の液位は、対電極部２２の８０％以上が浸る液位であることが好ましく、９０％以上が浸る液位であることがより好ましい。
同様に、第２電解液４６がアノード槽部４１に充填され、対電極部２２がアノード槽部４１内で第２電解液４６に浸されている。
第１電解液４５の液位は、ガス拡散電極部２１の触媒層５１の８０％以上が浸る液位であることが好ましく、９０％以上が浸る液位であることがより好ましい。
第２電解液４６の液位は、対電極部２２の８０％以上が浸る液位であることが好ましく、９０％以上が浸る液位であることがより好ましい。
【0057】
また、別途工程にて、ガス供給部３からガス流通流路２７に二酸化炭素を含む酸化物ガスを供給する。本実施形態では、ガス供給部３からガス流通流路２７に二酸化炭素を供給する。
【0058】
このとき、ガス拡散電極部２１のガス透過性基材５０は、第１主面５３とは反対側の第２主面５４がガス流通流路２７を流通する二酸化炭素を含む酸化物ガスに晒されている。
【0059】
そして、ガス流通流路２７に二酸化炭素を含む酸化物ガスを流通させた状態で、電源装置１２によってガス拡散電極部２１と対電極部２２の間に電圧を印加する。
【0060】
このとき、ガス拡散電極部２１の触媒層５１上では、二酸化炭素が触媒粒子６０の表面で炭素化合物に還元される。
具体的には、図３のように、ガス流通流路２７を通過する酸化物ガスに含まれる二酸化炭素の一部は、ガス拡散電極部２１のガス透過性基材５０の空隙を通過して各触媒領域５５の多孔質粒子６１に至り、多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０を通過する。そして、各多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０間を移動して多孔質粒子６１の表面に至り、粒子側貫通孔７０の開口付近の触媒粒子６０に至る。そして、触媒粒子６０と二酸化炭素と第１電解液４５の三相界面で二酸化炭素が還元されて炭素化合物が生成される。
一方、対電極部２２上で第２電解液４６が酸化物体に酸化される。本実施形態では、第２電解液４６の水成分が酸化され、酸化物体である酸素ガスが生成される。
具体的には、図３のように、ガス流通流路２７を通過する酸化物ガスに含まれる二酸化炭素の一部は、ガス拡散電極部２１のガス透過性基材５０の空隙を通過して各触媒領域５５の多孔質粒子６１に至り、多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０を通過する。そして、各多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０間を移動して多孔質粒子６１の表面に至り、粒子側貫通孔７０の開口付近の触媒粒子６０に至る。そして、触媒粒子６０と二酸化炭素と第１電解液４５の三相界面で二酸化炭素が還元されて炭素化合物が生成される。
一方、対電極部２２上で第２電解液４６が酸化物体に酸化される。本実施形態では、第２電解液４６の水成分が酸化され、酸化物体である酸素ガスが生成される。
【0061】
ガス拡散電極部２１で生成された炭素化合物は、第１電解液４５よりも比重が軽いので、第２ガス排出部３２から第２ガス回収部１０で回収され、未反応の二酸化炭素は、他の酸化物ガスとともに第１ガス排出部２６から第１ガス回収部４で回収される。
一方、対電極部２２で生成された酸素ガスは、第２電解液４６よりも比重が軽いので、第３ガス排出部３３から第３ガス回収部１１で回収される。
一方、対電極部２２で生成された酸素ガスは、第２電解液４６よりも比重が軽いので、第３ガス排出部３３から第３ガス回収部１１で回収される。
【0062】
第１実施形態の電解装置１によれば、対電極部２２とともに電解液４５，４６に含侵し、ガス透過性基材５０に酸化物ガスを流通させた状態で対電極部２２との間で電圧を印加したときに、ガス透過性基材５０を通過し、さらに粒子側貫通孔７０を通過した二酸化炭素と、多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口付近に位置する触媒粒子６０と、第１電解液４５又は接着部６２との間で、反応場である三相界面が形成され、ガス透過性基材５０から離れた位置においても二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成できる。
【0063】
第１実施形態の電解装置１によれば、区画形成部５２によって区画された各触媒領域５５において、接着部６２によって触媒粒子６０と多孔質粒子６１がガス透過性基材５０に対して接着されるので、大面積のガス透過性基材５０を使用しても、従来に比べて多孔質粒子６１と触媒粒子６０が剥がれにくい。
【0064】
第１実施形態の電解装置１によれば、接着部６２がプロトン導電性を有するため、触媒粒子６０が直接第１電解液に触れずとも、接着部６２と、触媒粒子６０と、多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０を通過する二酸化炭素とによって、多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口付近で反応場である三相界面を形成できる。その結果、ガス透過性基材５０から離れた位置で二酸化炭素を還元できるため、二酸化炭素の逆流を抑制でき、炭素化合物を第２ガス回収部１０で回収しやすい。
【0065】
第１実施形態の電解装置１によれば、ガス拡散電極部２１は、区画形成部５２が絶縁性樹脂で構成されているため、各触媒領域５５において独立して反応させることができる。
【0066】
第１実施形態の電解装置１によれば、ガス拡散電極部２１は、区画形成部５２が光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂で構成されているため、硬化して形成しやすく、各触媒領域５５を区画しやすい。
【0067】
第１実施形態の電解装置１によれば、複数の触媒領域５５に分かれているため、いずれかの触媒領域５５に異常があっても、異常のない触媒領域５５において二酸化炭素を還元して炭素化合物を生成できるので、炭素化合物を安定的に生成できる。
【0068】
第１実施形態の電解装置１によれば、第１電解液４５から加わる圧力が小さい上方側に位置する第１触媒領域５５ａの多孔質粒子６１の密度が、第１触媒領域５５ａに比べて第１電解液４５から加わる圧力が大きい下方側に位置する第２触媒領域５５ｂの多孔質粒子６１の密度に比べて小さい。そのため、効率的に二酸化炭素をガス透過性基材５０の厚み方向に通過させることができるとともに、ガス透過性基材５０から第１電解液４５が多孔質粒子６１の疎水性によってガス流通流路２７側に漏れることを防止できる。
【0069】
第１実施形態の電解装置１によれば、第１電解液４５から加わる圧力が小さい上方側に位置する第１触媒領域５５ａの多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口面積が、第１触媒領域５５ａに比べて第１電解液４５から加わる圧力が大きい下方側に位置する第２触媒領域５５ｂの多孔質粒子６１の粒子側貫通孔７０の開口面積に比べて大きい。そのため、効率的に二酸化炭素をガス透過性基材５０の厚み方向に通過させることができるとともに、ガス透過性基材５０から第１電解液４５がガス流通流路２７側に漏れることを防止できる。
【0070】
上記した実施形態では、区画形成部５２は、第１区画部７６によって横方向Ｘにおいてそれぞれ３つの触媒領域５５に区画し、第２区画部７７によって縦方向Ｙにおいてそれぞれ６つの触媒領域５５に区画していたが、本発明はこれに限定されるものではない。区画形成部５２による区画する触媒領域５５の数は、２以上となればよい。
すなわち、上記した実施形態では、第１区画部７６は、横方向Ｘにおいて３つの触媒領域５５に区画していたが、第２区画部７７によって複数の触媒領域５５に区画されるのであれば、区画されなくてもよいし、２つ又は４つ以上の触媒領域５５に区画してもよい。
同様に、第２区画部７７は、縦方向Ｙにおいて６つの触媒領域５５に区画していたが、第１区画部７６によって複数の触媒領域５５に区画されるのであれば、区画されなくてもよいし、２つ以上５つ以下又は７つ以上の触媒領域５５に区画してもよい。
すなわち、上記した実施形態では、第１区画部７６は、横方向Ｘにおいて３つの触媒領域５５に区画していたが、第２区画部７７によって複数の触媒領域５５に区画されるのであれば、区画されなくてもよいし、２つ又は４つ以上の触媒領域５５に区画してもよい。
同様に、第２区画部７７は、縦方向Ｙにおいて６つの触媒領域５５に区画していたが、第１区画部７６によって複数の触媒領域５５に区画されるのであれば、区画されなくてもよいし、２つ以上５つ以下又は７つ以上の触媒領域５５に区画してもよい。
【0071】
上記した実施形態では、区画形成部５２によって触媒層５１を縦横格子状に区画し、四角形状の触媒領域５５を形成していたが、本発明はこれに限定されるものではない。触媒領域５５は、四角形状でなくてもよい。例えば、触媒領域５５は、円形状であってもよいし、三角形状や五角形状、六角形状などの多角形状であってもよい。触媒領域５５は、他の触媒領域５５とともに平面充填となる形状であることが好ましい。
【0072】
上記した実施形態では、対電極部２２は、金属電極であったが、本発明はこれに限定されるものではない。対電極部２２は、ガス拡散電極であってもよい。
【0073】
上記した実施形態では、触媒層５１は、触媒領域５５のみに形成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。触媒層５１は、区画形成部５２上にも形成されていてもよい。
【0074】
上記した実施形態では、ガス拡散電極部２１によって二酸化炭素をＣ２化合物に還元したが、本発明はこれに限定されるものではない。ガス拡散電極部２１によって二酸化炭素をメタンやメチレンなどのＣ１化合物などの炭素化合物に還元してもよい。
【0075】
上記した実施形態では、ガス拡散電極部２１によって二酸化炭素を還元していたが、本発明はこれに限定されるものではない。ガス拡散電極部２１によって、一酸化炭素や、一酸化窒素、二酸化窒素、一酸化硫黄、二酸化硫黄等の他の酸化物ガスを還元してもよい。
【0076】
上記した実施形態は、本発明の技術的範囲に含まれる限り、各実施形態間で各構成部材を自由に置換や付加できる。
【符号の説明】
【0077】
１ 電解装置
２１ ガス拡散電極部（ガス拡散電極）
２２ 対電極部（対電極）
２７ ガス流通流路
４５ 第１電解液
４６ 第２電解液
５０ ガス透過性基材
５２ 区画形成部
５５，５５ａ～５５ｆ 触媒領域
６０ 触媒粒子
６１ 多孔質粒子
６２ 接着部
７０ 粒子側貫通孔
２１ ガス拡散電極部（ガス拡散電極）
２２ 対電極部（対電極）
２７ ガス流通流路
４５ 第１電解液
４６ 第２電解液
５０ ガス透過性基材
５２ 区画形成部
５５，５５ａ～５５ｆ 触媒領域
６０ 触媒粒子
６１ 多孔質粒子
６２ 接着部
７０ 粒子側貫通孔
【図1】
【図2】
【図3】