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(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】P2024166755
(43)【公開日】2024-11-29
(54)【発明の名称】電解反応装置および電解反応方法
(51)【国際特許分類】
C25B 1/23 20210101AFI20241122BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20241122BHJP
C25B 13/04 20210101ALI20241122BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20241122BHJP
C25B 13/02 20060101ALI20241122BHJP
C25B 9/21 20210101ALI20241122BHJP
【ＦＩ】
C25B1/23
C25B9/00 Z
C25B13/04 301
C25B9/23
C25B13/02 302
C25B9/21
【審査請求】有
【請求項の数】22
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023083076
(22)【出願日】2023-05-19
(71)【出願人】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】西村 友作
(72)【発明者】
【氏名】加藤 千和
(72)【発明者】
【氏名】水野 真太郎
(72)【発明者】
【氏名】坂本 淑幸
(72)【発明者】
【氏名】岡村 和政
(72)【発明者】
【氏名】植西 徹
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021AB25
4K021BA02
4K021BC01
4K021BC04
4K021BC07
4K021CA09
4K021CA10
4K021CA11
4K021DB15
4K021DB16
4K021DB43
4K021DB53
4K021DC11
(57)【要約】
【課題】電解による含炭素化合物の取出効率を向上することができる電解反応装置および電解反応方法を提供する。
【解決手段】アノード１２とカソード２８との間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３ －）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する手段を有する電解反応装置であって、さらに、第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段と、カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する二酸化炭素再生手段と、を有する、電解反応装置１である。
【選択図】図１
【解決手段】アノード１２とカソード２８との間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３ －）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する手段を有する電解反応装置であって、さらに、第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段と、カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する二酸化炭素再生手段と、を有する、電解反応装置１である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する手段を有する電解反応装置であって、
さらに、
前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段と、
前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する二酸化炭素再生手段と、
を有することを特徴とする電解反応装置。
さらに、
前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段と、
前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する二酸化炭素再生手段と、
を有することを特徴とする電解反応装置。
【請求項2】
請求項１に記載の電解反応装置であって、
アノード室と、
酸性化室と、
アルカリ性化室と、
二酸化炭素再生化室と、
カソード室と、
前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と、
前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と、
前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と、
前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと、
第１気液分離器と、
第２気液分離器と、
を備え、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入することを特徴とする電解反応装置。
アノード室と、
酸性化室と、
アルカリ性化室と、
二酸化炭素再生化室と、
カソード室と、
前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と、
前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と、
前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と、
前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと、
第１気液分離器と、
第２気液分離器と、
を備え、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入することを特徴とする電解反応装置。
【請求項3】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備えることを特徴とする電解反応装置。
前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備えることを特徴とする電解反応装置。
【請求項4】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成する二酸化炭素補填器をさらに備えることを特徴とする電解反応装置。
前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成する二酸化炭素補填器をさらに備えることを特徴とする電解反応装置。
【請求項5】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体であることを特徴とする電解反応装置。
前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体であることを特徴とする電解反応装置。
【請求項6】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下であることを特徴とする電解反応装置。
前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下であることを特徴とする電解反応装置。
【請求項7】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されていることを特徴とする電解反応装置。
前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されていることを特徴とする電解反応装置。
【請求項8】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記カソード室が加圧されることを特徴とする電解反応装置。
前記カソード室が加圧されることを特徴とする電解反応装置。
【請求項9】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートであることを特徴とする電解反応装置。
前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートであることを特徴とする電解反応装置。
【請求項10】
請求項２に記載の電解反応装置であって、
前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、
前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液であることを特徴とする電解反応装置。
前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、
前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液であることを特徴とする電解反応装置。
【請求項11】
請求項３に記載の電解反応装置であって、
前記酸性化室に供給される前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、前記酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃであることを特徴とする電解反応装置。
前記酸性化室に供給される前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、前記酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃであることを特徴とする電解反応装置。
【請求項12】
アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する機能を有する電解反応方法であって、
さらに、
前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成し、
前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する ことを特徴とする電解反応方法。
さらに、
前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成し、
前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する ことを特徴とする電解反応方法。
【請求項13】
請求項１２に記載の電解反応方法であって、
アノード室と、
酸性化室と、
アルカリ性化室と、
二酸化炭素再生化室と、
カソード室と、
前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と、
前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と、
前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と、
前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと、
第１気液分離器と、
第２気液分離器と、
を備える電解反応装置を用い、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入することを特徴とする電解反応方法。
アノード室と、
酸性化室と、
アルカリ性化室と、
二酸化炭素再生化室と、
カソード室と、
前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と、
前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と、
前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と、
前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと、
第１気液分離器と、
第２気液分離器と、
を備える電解反応装置を用い、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入することを特徴とする電解反応方法。
【請求項14】
請求項１３に記載の電解反応方法であって、
電解反応装置は、前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備えることを特徴とする電解反応方法。
電解反応装置は、前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備えることを特徴とする電解反応方法。
【請求項15】
請求項１３に記載の電解反応方法であって、
前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成することを特徴とする電解反応方法。
前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成することを特徴とする電解反応方法。
【請求項16】
請求項１３に記載の電解反応方法であって、
前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体であることを特徴とする電解反応方法。
前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体であることを特徴とする電解反応方法。
【請求項17】
請求項１３に記載の電解反応方法であって、
前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下であることを特徴とする電解反応方法。
前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下であることを特徴とする電解反応方法。
【請求項18】
請求項１３に記載の電解反応方法であって、
前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されていることを特徴とする電解反応方法。
前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されていることを特徴とする電解反応方法。
【請求項19】
請求項１３に記載の電解反応方法であって、
前記カソード室を加圧することを特徴とする電解反応方法。
前記カソード室を加圧することを特徴とする電解反応方法。
【請求項20】
請求項１３に記載の電解反応方法であって、
前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートであることを特徴とする電解反応方法。
前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートであることを特徴とする電解反応方法。
【請求項21】
請求項１３に記載の電解反応方法であって、
前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、
前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液であることを特徴とする電解反応方法。
前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、
前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液であることを特徴とする電解反応方法。
【請求項22】
請求項１４に記載の電解反応方法であって、
前記酸性化室に供給される前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、前記酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃであることを特徴とする電解反応方法。
前記酸性化室に供給される前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、前記酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃであることを特徴とする電解反応方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電解反応装置および電解反応方法に関する。
【背景技術】
【0002】
炭酸イオン種（炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－））の直接電解（直接電気分解）による一酸化炭素（ＣＯ）を生成する技術が知られている（例えば、特許文献１～３および非特許文献１，２参照）。
【0003】
この技術における電解反応装置の構成は、例えば、カソード／カソード液／隔膜（バイポーラ膜、カチオン交換膜）／アノード液／アノードであり、電解反応装置に供給する電解液（カソード液）は、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンのうち少なくとも１つを含む水溶液である。カソード液として、特許文献１，２では、３Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液を標準使用しており、特許文献３では、は２Ｍ ＫＯＨ水溶液に１００％ＣＯ２ガスをバブリングすることによって生成した水溶液（すなわち、２Ｍ ＣＯ２飽和ＫＨＣＯ３水溶液）を標準使用している。電解反応装置から排出される生成物は、水素（Ｈ２）と、二酸化炭素（ＣＯ２）および一酸化炭素（ＣＯ）のうちの少なくとも１つである。
【0004】
反応機構は、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンのうち少なくとも１つを含む水溶液をカソード室に流し、バイポーラ膜で隔てられたカソード－アノード間に電圧を印加することによって、（１）隔膜であるバイポーラ膜、カチオン交換膜からカソード室に対して水素イオン（Ｈ＋）が供給され、（２）炭酸イオン、炭酸水素イオンがカソード近傍で中性の二酸化炭素分子に化学変換され、（３）この二酸化炭素分子が一酸化炭素等の二酸化炭素還元物に電気化学変換されるというものである。
【0005】
この技術では、１気圧１００％二酸化炭素（ＣＯ２）と平衡状態にある２Ｍ ＣＯ２飽和ＫＨＣＯ３水溶液、または３Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液を供給する条件において、高い含炭素化合物／Ｈ２物質量比（約１０）を実現している。
【0006】
しかし、大気中の二酸化炭素と平衡状態にあるような低炭酸イオン種濃度条件（＜０．５Ｍ）では、低い含炭素化合物／Ｈ２物質量比（＜０．１６）となる。これは、カソードにおいては、所望反応の前駆体ＣＯｘ（炭酸イオン種）よりも競合反応の前駆体Ｈ２Ｏの方がはるかに多く存在し、活量の高い状態にあるので、競合反応が優先的に進行するものと考えられる。
【0007】
したがって、大気中の二酸化炭素と平衡状態にあるような低炭酸イオン種濃度の電解液を供給する場合における、含炭素化合物／Ｈ２物質量比の向上が求められている。
【0008】
また、炭酸イオン種の電気透析による二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する技術が知られている（例えば、特許文献４～１２、非特許文献３～７参照）。
【0009】
この技術における電解反応装置の構成は、例えば、非特許文献６のFigure.3に示されている。この技術における電解反応装置に供給する電解液は、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンのうち少なくとも１つを含む水溶液や海水である。電解反応装置から排出される生成物は、水素（Ｈ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）である。
【0010】
反応機構は、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンのうち少なくとも１つを含む水溶液を酸性化室に流し、カソード－アノード間に電圧を印加することによって、（１）カソードで水素（Ｈ２）が生成するとともに、（２）酸性化室で炭酸イオン種が中性二酸化炭素（ＣＯ２）に変換されるというものである。
【0011】
この技術では、０．５Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液を用いて実質１００％効率で二酸化炭素および水素の生成を実現している（電気透析追加積層数Ｎ＝０換算で、含炭素化合物／Ｈ２物質量比が約２）。また、０．１２５Ｍ Ｋ２ＣＯ３水溶液のごく低濃度でも約４０％の効率を実現している（電気透析追加積層数Ｎ＝０換算で、含炭素化合物／Ｈ２物質量比が約０．４）（特許文献４参照）。
【0012】
しかし、電気透析を進行する際、生成する水素（Ｈ２）と同物質量の水（Ｈ２Ｏ）を消費してしまう。例えば、この装置を用いて連続操業することを考えるとき、媒質である水の消費、損失は連続操業を阻む障害となる。
【0013】
したがって、電気透析の運用の際の水素の生成比率を低減することが求められている。
【0014】
このように、炭酸イオン種の直接電解還元の場合、所望反応「ＣＯｘ→ＣＯ生成（ＣＯ２還元物の一例）」の反応前駆体である炭酸イオン種（ＣＯｘ）よりも、競合反応「Ｈ２Ｏ→Ｈ２生成」の反応前駆体である水（Ｈ２Ｏ）の方がはるかに多く存在し、活量も高い状態にある。よって、所望反応よりも競合反応の方が進行しやすい状況となるため、電解によりカソード側から取り出される気体生成物の含炭素化合物／Ｈ２物質量比が小さくなる。
【0015】
また、炭酸イオン種の従来型の電気透析の場合、Ｋ２ＣＯ３水溶液を用いるときの全反応は「ＣＯ２（低濃度）＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２（高濃度）＋Ｈ２＋１／２Ｏ２」となる。すなわち、二酸化炭素（ＣＯ２）を取り出すほど、同時に生成する水素（Ｈ２）と同物質量の水（Ｈ２Ｏ）が失われるため、また、従来型の電気透析装置で取り出したガス状二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を単純にカソード室に供給したとしても、水素イオン（Ｈ＋）が供給される酸性雰囲気（すなわち、水素（Ｈ２）発生反応に好適な雰囲気）であり、水素（Ｈ２）の生成しか起こらないため、含炭素化合物の取出効率向上は見込めない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0016】
【特許文献1】国際特許出願公開第２０１９／２０４９３８号パンフレット
【特許文献2】国際特許出願公開第２０２１／２０７８５７号パンフレット
【特許文献3】国際特許出願公開第２０２０／２２３８０４号パンフレット
【特許文献4】特許第５８４８９６４号公報
【特許文献5】特許第５７５０２２０号公報
【特許文献6】国際特許出願公開第２００７／０１８５５８号パンフレット
【特許文献7】特開２００８－１００２１１号公報
【特許文献8】国際特許出願公開第２０１７／２０５０４４号パンフレット
【特許文献9】国際特許出願公開第２０２２／２３５７０８号パンフレット
【特許文献10】特許第５９５２１０４号公報
【特許文献11】国際特許出願公開第２０１７／２０５０３８号パンフレット
【特許文献12】国際特許出願公開第２０１１／１４２８５４号パンフレット
【非特許文献】
【0017】
【非特許文献1】Tengfei Li, Eric W. Lees, Maxwell Goldman, Danielle A. Salvatore, David M. Weekes, and Curtis P. Berlinguette, “Electrolytic Conversion of Bicarbonate into CO in a Flow Cell”, Joule, 3, 1487－1497 (2019).
【非特許文献2】Yuguang C. Li, Geonhui Lee, Tiange Yuan, Ying Wang, Dae-Hyun Nam, Ziyun Wang, F. Pelayo Garcia de Arquer, Yanwei Lum, Cao-Thang Dinh, Oleksandr Voznyy, and Edward H. Sargent, “CO2 Electroreduction from Carbonate Electrolyte”, ACS Energy Lett., 4, 1427－1431 (2019).
【非特許文献3】Matthew D. Eisaman, Luis Alvarado, Daniel Larner, Peng Wang, Bhaskar Garg, and Karl A. Littau, “CO2 separation using bipolar membrane electrodialysis”, Energy Environ. Sci., 4, 1319 (2011).
【非特許文献4】Atsushi Iizuka, Kana Hashimoto, Hiroki Nagasawa, Kazukiyo Kumagai, Yukio Yanagisawa, and Akihiro Yamasaki, “Carbon dioxide recovery from carbonate solutions using bipolar membrane electrodialysis”, Separation and Purification Technology, 101, 49 (2012).
【非特許文献5】Alexander P. Muroyama, Alexandra Patru, and Lorenz Gubler, “Review-CO2 Separation and Transport via Electrochemical Methods”, J. Electrochem. Soc., 167, 133504 (2020).
【非特許文献6】Sara E. Renfrew, David E. Starr, and Peter Strasser, “Electrochemical Approaches toward CO2 Capture and Concentration”, ACS Catal., 10, 13058 (2020).
【非特許文献7】R. Sharifian, R. M. Wagterveld, I. A. Digdaya, C. Xiang, and D. A. Vermaas, “Electrochemical carbon dioxide capture to close the carbon cycle”, Energy Environ. Sci., 14, 781－814 (2021).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0018】
本発明の目的は、電解による含炭素化合物の取出効率を向上することができる電解反応装置および電解反応方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0019】
本発明は、アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する手段を有する電解反応装置であって、さらに、前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段と、前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する二酸化炭素再生手段と、を有する、電解反応装置である。
【0020】
前記電解反応装置において、アノード室と；酸性化室と；アルカリ性化室と；二酸化炭素再生化室と；カソード室と；前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と；前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と；前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と；前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと；第１気液分離器と；第２気液分離器と；を備え、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入することが好ましい。
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入することが好ましい。
【0021】
前記電解反応装置において、前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備えることが好ましい。
【0022】
前記電解反応装置において、前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成する二酸化炭素補填器をさらに備えることが好ましい。
【0023】
前記電解反応装置において、前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体であることが好ましい。
【0024】
前記電解反応装置において、前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【0025】
前記電解反応装置において、前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されていることが好ましい。
【0026】
前記電解反応装置において、前記カソード室が加圧されることが好ましい。
【0027】
前記電解反応装置において、前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートであることが好ましい。
【0028】
前記電解反応装置において、前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液であることが好ましい。
【0029】
前記電解反応装置において、前記酸性化室に供給される前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、前記酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃであることが好ましい。
【0030】
本発明は、アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する機能を有する電解反応方法であって、さらに、前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成し、前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する、電解反応方法である。
【0031】
前記電解反応方法において、アノード室と；酸性化室と；アルカリ性化室と；二酸化炭素再生化室と；カソード室と；前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と；前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と；前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と；前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと；第１気液分離器と；第２気液分離器と；を備える電解反応装置を用い、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入することが好ましい。
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入することが好ましい。
【0032】
前記電解反応方法において、電解反応装置は、前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備えることが好ましい。
【0033】
前記電解反応方法において、前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成することが好ましい。
【0034】
前記電解反応方法において、前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体であることが好ましい。
【0035】
前記電解反応方法において、前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【0036】
前記電解反応方法において、前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されていることが好ましい。
【0037】
前記電解反応方法において、前記カソード室を加圧することが好ましい。
【0038】
前記電解反応方法において、前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートであることが好ましい。
【0039】
前記電解反応方法において、前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液であることが好ましい。
【0040】
前記電解反応方法において、前記酸性化室に供給される前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、前記酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃであることが好ましい。
【発明の効果】
【0041】
本発明により、電解による含炭素化合物の取出効率を向上することができる電解反応装置および電解反応方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】本発明の実施形態に係る電解反応装置の一例を示す概略構成図である。
【図2】本発明の実施形態に係る電解反応装置に設けてもよいスペーサの一例を示す概略図である。
【図3】実施例１において、１００％Ａｒを２ｃｃ／ｍｉｎで供給して定電流電解を行った際に、カソード室下流側で採取したガスのガスクロマトグラム（実線）である。（ａ）はＨ２領域、（ｂ）はＣＯ領域、（ｃ）はＣＯ２領域を示す。比較のために、実験同日に採取した大気のガスクロマトグラム（点線）も示す。
【図4】電解処理により生成する含炭素化合物およびＨ２比率を比較したグラフである。
【図5】実施例２において、１００％ＣＯ２を２ｃｃ／ｍｉｎで供給して定電流電解を行った際に、カソード室下流側で採取したガスのガスクロマトグラム（実線）である。（ａ）はＨ２領域、（ｂ）はＣＯ領域を示す。比較のために、実験同日に採取した大気のガスクロマトグラム（点線）も示す。
【発明を実施するための形態】
【0043】
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【0044】
本実施形態に係る電解反応装置は、アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する手段を有する電解反応装置である。本実施形態に係る電解反応装置は、さらに、第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出して溶存炭素濃度の低いアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段と、カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する二酸化炭素再生手段と、を有する。
【0045】
本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法によって、電解による含炭素化合物（特に、二酸化炭素還元物）の取出効率を向上することができる。
【0046】
本実施形態に係る電解反応装置の一例を図１に示し、その構成について説明する。
【0047】
図１に示す電解反応装置１は、アノード室１０と；酸性化室１６と；アルカリ性化室２０と；二酸化炭素再生化室２４と；カソード室３０と；アノード室１０と酸性化室１６との間に、アノード室１０側から順に設けられたアノード１２と、第１カチオン交換膜１４と；酸性化室１６とアルカリ性化室２０との間に設けられた第２カチオン交換膜１８と；アルカリ性化室２０と二酸化炭素再生化室２４との間に設けられた、カチオン交換膜２２ａおよびアニオン交換膜２２ｂを含むバイポーラ膜２２と；二酸化炭素再生化室２４とカソード室３０との間に、二酸化炭素再生化室２４側から順に設けられたアニオン交換膜２６と、カソード２８と；第１気液分離器４０と；第２気液分離器３８と；を備える。
【0048】
電解反応装置１において、アノード室１０の入口には、アノード反応物供給源３４からのアノード反応物供給ライン５２が接続されている。アノード反応物供給ライン５２には、アノード反応物を供給するポンプが設置されていてもよい。アノード室１０の出口には、アノード反応物排出ライン５４が接続されている。アノード反応物排出ライン５４はアノード反応物供給源３４に接続されて、アノード反応物が循環供給されてもよい。酸性化室１６の入口には、第１含炭酸液供給源３６からの第１含炭酸液供給ライン６８が接続されている。第１含炭酸液供給ライン６８には、第１含炭酸液を供給、循環するポンプ４４が設置されていてもよい。酸性化室１６の出口と、第２気液分離器３８の液入口とは、含二酸化炭素液供給ライン７０により接続されている。第２気液分離器３８の液出口と、アルカリ性化室２０の入口とは、分離液供給ライン７２により接続されている。第２気液分離器３８の気体入口には、開閉バルブを介して気体供給ライン５６が接続されてもよいし、気体供給源３７の出口が気体供給ライン５６により接続されてもよい。アルカリ性化室２０の出口には、アルカリ液排出ライン７４が接続されている。第２気液分離器３８の気体出口と、第１気液分離器４０の気体入口とは、気体供給ライン５８により接続されている。気体供給ライン５８には、第１気液分離器４０および第２気液分離器３８における二酸化炭素を含む気体の取出および取出した二酸化炭素を含む気体の供給を促進するポンプ４６が設置されていてもよい。第１気液分離器４０の気体出口と、カソード室３０の入口とは、気体供給ライン６４により接続されている。ここで、ガス供給の流れは気体供給源３７から第２気液分離器３８、第１気液分離器４０、カソード室３０の順ではなく、気体供給源３７から第１気液分離器４０、第２気液分離器３８、カソード室３０の順であってもよい。また、２つの気液分離器（すなわち第２気液分離器３８および第１気液分離器４０）を通過した後のガスの一部をカソード室３０に供給し、残りを気体供給源３７に戻してもよい。カソード室３０の出口には、カソード反応物排出ライン６６が接続されている。第１気液分離器４０の液出口と、二酸化炭素再生化室２４の入口とは、第２含炭酸液供給ライン６０により接続されている。第２含炭酸液供給ライン６０には、第２含炭酸液を供給、循環するポンプ４２が設置されていてもよい。二酸化炭素再生化室２４の出口と、第１気液分離器４０の液入口とは、第２含炭酸液供給ライン６２により接続されている。アノード１２とカソード２８には電源装置４８が電気的接続等によって接続され、アノード１２とカソード２８との間に電圧を印加することができるようになっている。
【0049】
電解反応装置１の動作、および電解反応について図１を参照して説明する。
【0050】
電源装置４８により、アノード１２とカソード２８との間に電圧が印加される。アノード反応物供給源３４からアノード反応物としてアノード反応物がアノード反応物供給ライン５２を通してアノード室１０に流入し、アノード室１０においてアノード反応物のアノード１２による酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成する。
【0051】
アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液が第１含炭酸液供給源３６から必要に応じてポンプ４４が用いられて第１含炭酸液供給ライン６８を通して酸性化室１６に流入し、アノード１２によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が第１カチオン交換膜１４を介して、またはバイポーラ膜２２によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が第２カチオン交換膜１８を介して酸性化室１６に供給され、酸性化室１６において第１含炭酸液中の炭酸イオン種（炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）のうちの少なくとも１つ）が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成する。
【0052】
酸性化室１６で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が含二酸化炭素液供給ライン７０を通して第２気液分離器３８に流入し、第２気液分離器３８において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出される。
【0053】
第２気液分離器３８で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が必要に応じてポンプ４６が用いられて気体供給ライン５８を通して、第１気液分離器４０を経由して、気体供給ライン６４を通してカソード室３０に流入し、カソード室３０において二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体のカソード２８による還元反応によって二酸化炭素還元物が生成する。二酸化炭素還元物は、カソード反応物排出ライン６６を通して排出される。
【0054】
第２気液分離器３８で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が分離液供給ライン７２を通してアルカリ性化室２０に流入し、第１含炭酸液に含まれるアルカリ金属イオン（Ｍ＋）が第２カチオン交換膜１８を介してアルカリ性化室２０に供給され、バイポーラ膜２２によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）がアルカリ性化室２０に供給され、アルカリ性化室２０においてアルカリ（ＭＯＨ）液が生成する。アルカリ（ＭＯＨ）液は、アルカリ液排出ライン７４を通して排出される。
【0055】
カソード室３０で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種がアニオン交換膜２６を介して二酸化炭素再生化室２４に供給され、バイポーラ膜２２によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が二酸化炭素再生化室２４に供給され、二酸化炭素再生化室２４においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生する。
【0056】
二酸化炭素再生化室２４で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が第２含炭酸液供給ライン６２を通して第１気液分離器４０に流入し、第１気液分離器４０において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出される。
【0057】
第１気液分離器４０で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が気体供給ライン６４を通してカソード室３０に流入する。第１気液分離器４０で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が必要に応じてポンプ４２が用いられて第２含炭酸液供給ライン６０を通して二酸化炭素再生化室２４に循環供給される。
【0058】
以上のようにして、電解反応装置１では、アノード１２とカソード２８との間に電圧を印加することによって、酸性化室１６において、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにカソード室３０において、その二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する。さらに、第２気液分離器３８、アルカリ性化室２０において、第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出して溶存炭素濃度の低いアルカリ液を生成し、二酸化炭素再生化室２４において、カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する。
【0059】
電解反応装置１では、アノード１２、カソード２８、酸性化室１６、アノード室１０、カソード室３０、アノード反応物供給源３４、第１含炭酸液供給源３６、電源装置４８等が、アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する手段として機能する。第２気液分離器３８、アルカリ性化室２０等が、第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段として機能する。二酸化炭素再生化室２４等が、カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する二酸化炭素再生手段として機能する。
【0060】
電解反応装置１は、バイポーラ膜２２と二酸化炭素再生化室２４との間に、バイポーラ膜２２側から順に、上記酸性化室１６、第２カチオン交換膜１８、アルカリ性化室２０、およびバイポーラ膜２２と同様の酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域３２をさらに１つ以上備えてもよい。ここで、追加の透析領域３２の数をＮ（Ｎは、０以上の整数）とする。Ｎ＝０の場合は、追加の透析領域３２を備えず、バイポーラ膜２２と二酸化炭素再生化室２４とが接している場合である。
【0061】
電解反応装置１が追加の透析領域３２をさらに備える場合は、図１に示すように、第１含炭酸液供給源３６からの第１含炭酸液供給ライン６８から分岐した第１含炭酸液供給ライン７８が追加の透析領域３２の酸性化室の入口に接続される。追加の透析領域３２の酸性化室の出口に接続された含二酸化炭素液供給ライン８０が、含二酸化炭素液供給ライン７０の途中に接続されている。第２気液分離器３８からの分離液供給ライン７２から分岐した分離液供給ライン８２が、追加の透析領域３２のアルカリ性化室の入口に接続される。追加の透析領域３２のアルカリ性化室の出口に接続されたアルカリ液排出ライン８４が、アルカリ液排出ライン７４の途中に接続されている。
【0062】
電解反応装置に流れる電流が等しいとき、追加の透析領域３２をさらに備えることによって、単位時間あたりに第１含炭酸液に供給できる水素イオン（Ｈ＋）の量を追加の透析領域３２の数Ｎに応じて増やすことができるため、電解反応装置全体での二酸化炭素（ＣＯ２）の取り出し速度（すなわち、単位時間あたりのＣＯ２取り出し量）を増加することができる。
【0063】
電解反応装置１は、アルカリ性化室２０で生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成する二酸化炭素補填器５０をさらに備えてもよい。この場合、図１に示すように、アルカリ性化室２０の出口と、二酸化炭素補填器５０の入口とは、アルカリ液排出ライン７４により、接続されればよい。二酸化炭素補填器５０の出口と、第１含炭酸液供給源３６の入口とが含炭酸液供給ライン７６により接続されてもよい。そして、二酸化炭素補填器５０においてアルカリ性化室２０で生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成し、第１含炭酸液として、第１含炭酸液供給源３６に循環してもよい。
【0064】
アノード１２とカソード２８とが対向する方向における酸性化室１６、アルカリ性化室２０、および二酸化炭素再生化室２４のそれぞれの厚みは、イオン伝導抵抗を低減するために、５ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがより好ましい。
【0065】
電子伝導抵抗を低減すべく後述のカソード触媒シート（カソード２８）とカソード側の導電性筐体との接触性およびアノード１２とアノード側の導電性筐体との接触性を向上するために、イオン伝導抵抗を低減すべくカソード触媒シート（カソード２８）とアニオン交換膜２６との接触性を向上するために、酸性化室１６、アルカリ性化室２０、二酸化炭素再生化室２４の各室に空隙のあるスペーサを挿入することが好ましい。さらに、このスペーサは、炭酸イオン種の酸性化と気泡排出を促進するために、例えば図２に示すように、蛇行流路８８が刻まれていたスペーサ８６であることが好ましい。
【0066】
従来技術である電気透析では、カソードで水素が発生することが想定されている。このため、カソード室に隣接（対向）するイオン交換膜は水素イオン（Ｈ＋）を供給するカチオン交換膜（バイポーラ膜内）である（非特許文献６のFigure.3参照）。また、カソード室へは電解液が循環供給される。このカソード室に対して、電気透析により取り出されたガス状二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を単純にバブリングによって供給し、電解還元を試みることは可能である。しかし、上述の高酸性雰囲気では、水素発生が支配的となり二酸化炭素の還元は実質的に起こらない。
【0067】
したがって、カソードでの水素副生を抑制し、二酸化炭素の還元を優先的に進行させるためには、二酸化炭素の還元に好適なカソード反応環境を形成することが望ましい。
【0068】
好適なカソード反応環境とは、（１）二酸化炭素が豊富な環境、（２）水素生成の起こりにくいアルカリ性雰囲気と言える。本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法においては、好適なカソード反応環境を形成するために、（１）カソード室３０へは二酸化炭素を含む気体を供給するとともに、（２）アルカリ性雰囲気を維持すべくカソード２８をアニオン交換膜２６に隣接する構成をとっている。この構成をとった場合、カソード２８で副生する水酸化物イオン（ＯＨ－）と供給する二酸化炭素（ＣＯ２）とが反応することによって炭酸イオン種が形成され、アニオン交換膜２６を介して隣接室に漏出するという副次的な問題が発生しうる。この副次的な問題も解決し、効率的な二酸化炭素の利用を可能とするために、本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法では、アニオン交換膜２６とバイポーラ膜２２とで挟まれた二酸化炭素再生化室２４を設けている。たとえカソード室３０から二酸化炭素再生化室２４へ炭酸イオン種の形で漏出したとしても、これを酸性化することによって二酸化炭素を再生、取出しするのに足るプロトン（Ｈ＋）がバイポーラ膜２２から供給されるので二酸化炭素を再生することができる。
【0069】
この構成で、高転化率でガス状二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を電解還元する場合、二酸化炭素再生化室２４からの水および電解液の浸透によって上記「（１）二酸化炭素が豊富な環境」が維持しづらくなる。この問題を解決するために、カソード室３０内を加圧して（例えば、２気圧程度に加圧）圧力調整することが好ましい。
【0070】
また、上記「（１）二酸化炭素が豊富な環境」の形成を促進するために、カソード２８として、良好な電子伝導性、ガス拡散性を示す例えば大表面積の基材にナノ構造を有する金属触媒粒子（例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｕ等）を担持したカソード触媒シートを用いることが好ましい。
【0071】
酸性化室１６に供給する第１含炭酸液に含まれるアルカリ金属イオンＭ＋の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃであることが好ましい。
【0072】
本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法によって、電解反応装置のカソード下流側から取り出される「（含炭素化合物のＣ物質量）／（Ｈ２物質量）」比を、含炭酸液から含炭素化合物を生成する従来技術である直接電解法、電気透析法よりも向上することができる。
【0073】
また、例えば二酸化炭素還元物を一酸化炭素（ＣＯ）とする場合、Ｈ２発生反応比率を０％、二酸化炭素（ＣＯ２）還元一酸化炭素（ＣＯ）生成反応比率を１００％に近づけることによって、水（Ｈ２Ｏ）をほとんど消費、損失することなく含炭素化合物（ＣＯ２、ＣＯ）を抽出、生成することができる。
【0074】
これは、直接電解法に対して本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法は、競合反応「Ｈ２Ｏ→Ｈ２生成」に対して所望反応「ＣＯｘ→ＣＯ生成（ＣＯ２還元物の一例）」を起こしやすい反応環境（すなわち、反応物として水（Ｈ２Ｏ）よりも二酸化炭素（ＣＯ２）が得やすい環境）を提供することができるためと考えられる。また、電気透析法に対して本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法は、カソード反応を「Ｈ２発生反応」だけではなく「ＣＯ２還元ＣＯ生成反応」も起こすことができるためと考えられる。
【0075】
また、本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法によって、気体（ＣＯ２）をカソードで還元する電解反応器（カソード・アノード隔膜はアニオン交換膜）において生じる「ＣＯ２吸収およびアノード側へのＣＯ２漏出（アノード生成Ｏ２またはアノード反応物との混合を伴う）」問題を排除することができる。
【0076】
これは、二酸化炭素再生室２４において、バイポーラ膜２２から水素イオン（Ｈ＋）が供給されて酸性化（再活性化）され、二酸化炭素を再生することができるためと考えられる。
【0077】
本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法と従来の電気透析法との比較を詳細に説明すると以下のとおりである。
【0078】
電解反応が進行するとき、アノードでは電解酸化反応が、カソードでは電解還元反応がそれぞれ進行し、ある大きさの電流（単位時間あたりにある量の電子）が流れる。酸性化またはアルカリ性化の各反応が進行する電気透析室（酸性化室、アルカリ性化室）では電流値または単位時間あたりに流れる電気量と対応する量のカチオン（Ｈ＋、Ｍ＋）、アニオン（ＯＨ－、ＨＣＯ３
－、ＣＯ３
２－）がカソード、アノードの向かい合う方向（電極面の法線方向）に流れる。
【0079】
ここで、電解反応装置に供給する含炭酸液として炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）水溶液を想定する。炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）水溶液内の炭酸イオン（ＣＯ３
２－）を活性化する反応は、
ＣＯ３ ２－＋２Ｈ＋→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２⇔ｘＣＯ３ ２－＋２ｘＨ＋→ｘＨ２Ｏ＋ｘＣＯ２
で表される。水溶液供給においてｘ［ｍｏｌ］の炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）が供給されるとした場合、電解処理反応の進行により２ｘ［ｍｏｌ］のＨ＋が供給される必要がある。上記の酸性化（活性化）反応の進行により、ｘ［ｍｏｌ］の二酸化炭素（ＣＯ２）が生成する。
ＣＯ３ ２－＋２Ｈ＋→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２⇔ｘＣＯ３ ２－＋２ｘＨ＋→ｘＨ２Ｏ＋ｘＣＯ２
で表される。水溶液供給においてｘ［ｍｏｌ］の炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）が供給されるとした場合、電解処理反応の進行により２ｘ［ｍｏｌ］のＨ＋が供給される必要がある。上記の酸性化（活性化）反応の進行により、ｘ［ｍｏｌ］の二酸化炭素（ＣＯ２）が生成する。
【0080】
２ｘ［ｍｏｌ］の水素イオン（Ｈ＋）が供給されるとき、カソードおよびアノードでは２ｘ［ｍｏｌ］の電子（ｅ－）が消費または生成する。ここではカソードに注目する。従来の電気透析法の場合、水素（Ｈ２）発生反応のみが進行する。すなわち、
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋２ＯＨ－⇔２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２⇔２ｘＨ＋＋２ｘｅ－→ｘＨ２
したがって、２ｘ［ｍｏｌ］の水素イオン（Ｈ＋）が供給されるとき、カソードではｘ［ｍｏｌ］の水素（Ｈ２）が生成する。よって、従来の電気透析法の場合、「（含炭素化合物のＣ物質量）／（Ｈ２物質量）」比は、ｘ／ｘ＝１となる。
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋２ＯＨ－⇔２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２⇔２ｘＨ＋＋２ｘｅ－→ｘＨ２
したがって、２ｘ［ｍｏｌ］の水素イオン（Ｈ＋）が供給されるとき、カソードではｘ［ｍｏｌ］の水素（Ｈ２）が生成する。よって、従来の電気透析法の場合、「（含炭素化合物のＣ物質量）／（Ｈ２物質量）」比は、ｘ／ｘ＝１となる。
【0081】
本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法の場合、カソードでは水素（Ｈ２）発生反応の他に二酸化炭素（ＣＯ２）還元反応も進行することができる。２ｘ［ｍｏｌ］流れる電子（ｅ－）のうち、５０％（すなわちｘ［ｍｏｌ］）は水素（Ｈ２）発生反応、５０％は二酸化炭素（ＣＯ２）還元反応に使われるとした場合、水素（Ｈ２）は上記の半分であるので０．５ｘ［ｍｏｌ］生成する。二酸化炭素（ＣＯ２）については、以下の一酸化炭素（ＣＯ）生成反応が進行する場合、二酸化炭素（ＣＯ２）が０．５ｘ［ｍｏｌ］減少し、一酸化炭素（ＣＯ）が０．５ｘ［ｍｏｌ］増加する。
ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→ＣＯ＋２ＯＨ－⇔ＣＯ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔０．５ｘＣＯ２＋ｘＨ＋＋ｘｅ－→０．５ｘＣＯ＋０．５ｘＨ２Ｏ
したがって本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法の場合、「（含炭素化合物のＣ物質量）／（Ｈ２物質量）」比は、（ｘ－０．５ｘ＋０．５ｘ）／０．５ｘ＝１／０．５＝２となる。同条件において、従来の電気透析法で物質量比が「１」のときに本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法では「２」となることから、本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法によって、より多くの含炭素化合物を取り出せるようになることがわかる。
ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→ＣＯ＋２ＯＨ－⇔ＣＯ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔０．５ｘＣＯ２＋ｘＨ＋＋ｘｅ－→０．５ｘＣＯ＋０．５ｘＨ２Ｏ
したがって本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法の場合、「（含炭素化合物のＣ物質量）／（Ｈ２物質量）」比は、（ｘ－０．５ｘ＋０．５ｘ）／０．５ｘ＝１／０．５＝２となる。同条件において、従来の電気透析法で物質量比が「１」のときに本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法では「２」となることから、本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法によって、より多くの含炭素化合物を取り出せるようになることがわかる。
【0082】
本実施形態に係る電解反応装置および電解反応方法では、電気透析追加積層数Ｎ＝０であってもＫ２ＣＯ３（Ｃ／Ｋ＝１／２）～ＫＨＣＯ３（Ｃ／Ｋ＝１）の組成の電解液を供給するとき、水素（Ｈ２）発生反応比率を０％に、二酸化炭素（ＣＯ２）還元反応比率を１００％に近づけることによって、全反応を２ＣＯ２（４００ｐｐｍ）→ＣＯ２（（１－ｘ）ｂａｒ）＋ＣＯ（ｘｂａｒ）＋１／２Ｏ２とすることができ、水（Ｈ２Ｏ）の消費、損失がほとんどなしで含炭素化合物を抽出、生成することができるようになる。
【0083】
アノード１２としては、例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）触媒、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）触媒等の酸化金属触媒等を用いることができる。
【0084】
カソード２８としては、例えば、良好な電子伝導性、ガス拡散性を示す大表面積の基材にナノ構造を有する金属触媒粒子（例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｕ等）を担持したカソード触媒シート等を用いることができる。
【0085】
第１カチオン交換膜１４および第２カチオン交換膜１８としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）（デュポン製）、Ｆｏｒｂｌｕｅ（登録商標）（ＡＧＣ製）をはじめとするフッ素系スルホン酸カチオン交換膜、Ｓｅｌｅｍｉｏｎ（登録商標）（ＡＧＣ製）、Ｎｅｏｓｅｐｔａ（登録商標）（アストム製）、Ｆｕｍａｓｅｐ（Ｆｕｍａｔｅｃｈ製）をはじめとする炭化水素系カチオン交換膜等を用いることができる。
【0086】
アノード１２およびアノード１２に隣接する第１カチオン交換膜１４は、イオン伝導抵抗を低減するために、高プロトン伝導性である第１カチオン交換膜１４にアノード触媒粒子（例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）等）を塗工した膜－電極接合体（ＭＥＡ）であることが好ましい。
【0087】
アニオン交換膜２６としては、例えば、Ｖｅｒｓｏｇｅｎ製ＰｉｐｅｒＩＯＮ、Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ製Ｓｕｓｔａｉｎｉｏｎ等を用いることができる。
【0088】
バイポーラ膜２２は、カチオン交換膜２２ａとアニオン交換膜２２ｂとを含む。バイポーラ膜２２としては、例えば、Ｆｕｍａｔｅｃｈ製Ｆｕｍａｓｅｐ、アストム製Ｎｅｏｓｅｐｔａ等を用いることができる。
【0089】
アノード室１０へ供給するアノード反応物は、アノード１２で酸化されることによって水素イオン（Ｈ＋）を供給しうる物質であればよく、特に制限はないが、例えば、室温等で加湿した大気または不活性ガス（窒素（Ｎ２）、希ガス）の他に、水素（Ｈ２）、分子内に水素原子を含むガス（例えば、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アンモニア（ＮＨ３）等）、または電解質水溶液、水溶性アノード反応物（例えば、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）等）含有水である。
【0090】
アノード反応物供給源３４は、例えば、アノード反応物を貯留する貯留槽である。
【0091】
酸性化室１６に供給する第１含炭酸液は、例えば、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）および炭酸イオン（ＣＯ３
２－）のうち少なくとも１つと、を含む水溶液である。例えば、炭酸水素リチウム（ＬｉＨＣＯ３）、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、炭酸水素セシウム（ＣｓＨＣＯ３）のようなアルカリ金属炭酸水素塩やアルカリ金属炭酸塩を含む水溶液等が挙げられる。電解液中のアルカリ金属イオン濃度は、電解処理速度を向上させる点、電解処理を長時間継続的に行うことが可能となる点で、例えば、０．１Ｍ～３Ｍの範囲であることが好ましい。この水溶液は電極に直接接触することがないため、酸性化室１６に供給する第１含炭酸液は、上記イオンの他に、地下水、工業用水、湖水、海水および排ガス接触水に含まれうる他のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、遷移金属イオン、ハロゲン化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、リン酸イオン、カルボン酸イオンを含んでいてもよい。
【0092】
第１含炭酸液供給源３６は、例えば、第１含炭酸液を貯留する貯留槽である。
【0093】
二酸化炭素再生化室２４に循環供給する第２含炭酸液は、作動時（定常状態）において二酸化炭素（ＣＯ２）が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液（例えば、１～３Ｍ ＣＯ２飽和ＫＨＣＯ３水溶液）であることが好ましい。
【0094】
気体供給源３７は、例えば、第１気液分離器４０および第２気液分離器３８に気体を供給する送気装置である。
【0095】
第１気液分離器４０および第２気液分離器３８へ供給する気体は、例えば、不活性ガス（例えば、窒素（Ｎ２）、希ガス）、１００％二酸化炭素（ＣＯ２）ガス、または、これらの混合ガス等である。
【0096】
第１気液分離器４０、第２気液分離器３８は、例えば、生成物を含む気体と、気体の生成物が除かれた液体（例えば電解液）とを気液分離する気液分離槽、分離膜を備えるモジュール等である。
【0097】
二酸化炭素補填器５０は、例えば、アルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を含むガスを供給して含炭酸液を生成する二酸化炭素補填槽である。
【0098】
カソード室３０において得られる二酸化炭素還元物は、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、メタン（ＣＨ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、プロパノール（Ｃ３Ｈ７ＯＨ）等である。
【0099】
本明細書は、以下の実施形態を含む。
［１］アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３ －）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する手段を有する電解反応装置であって、
さらに、
前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段と、
前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する二酸化炭素再生手段と、
を有する、電解反応装置。
［１］アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３ －）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する手段を有する電解反応装置であって、
さらに、
前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成するアルカリ液生成手段と、
前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する二酸化炭素再生手段と、
を有する、電解反応装置。
【0100】
［２］［１］に記載の電解反応装置であって、
アノード室と、
酸性化室と、
アルカリ性化室と、
二酸化炭素再生化室と、
カソード室と、
前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と、
前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と、
前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と、
前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと、
第１気液分離器と、
第２気液分離器と、
を備え、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入する、電解反応装置。
アノード室と、
酸性化室と、
アルカリ性化室と、
二酸化炭素再生化室と、
カソード室と、
前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と、
前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と、
前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と、
前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと、
第１気液分離器と、
第２気液分離器と、
を備え、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入する、電解反応装置。
【0101】
［３］［２］に記載の電解反応装置であって、
前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備える、電解反応装置。
前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備える、電解反応装置。
【0102】
［４］［２］または［３］に記載の電解反応装置であって、
前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成する二酸化炭素補填器をさらに備える、電解反応装置。
前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成する二酸化炭素補填器をさらに備える、電解反応装置。
【0103】
［５］［２］～［４］のいずれか１つに記載の電解反応装置であって、
前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体である、電解反応装置。
前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体である、電解反応装置。
【0104】
［６］［２］～［５］のいずれか１つに記載の電解反応装置であって、
前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下である、電解反応装置。
前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下である、電解反応装置。
【0105】
［７］［２］～［６］のいずれか１つに記載の電解反応装置であって、
前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されている、電解反応装置。
前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されている、電解反応装置。
【0106】
［８］［２］～［７］のいずれか１つに記載の電解反応装置であって、
前記カソード室が加圧される、電解反応装置。
前記カソード室が加圧される、電解反応装置。
【0107】
［９］［２］～［８］のいずれか１つに記載の電解反応装置であって、
前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートである、電解反応装置。
前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートである、電解反応装置。
【0108】
［１０］［２］～［９］のいずれか１つに記載の電解反応装置であって、
前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、
前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液である、電解反応装置。
前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、
前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液である、電解反応装置。
【0109】
［１１］［３］に記載の電解反応装置であって、
前記酸性化室に供給される前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、前記酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃである、電解反応装置。
前記酸性化室に供給される前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、前記酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃである、電解反応装置。
【0110】
［１２］アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、アルカリ金属イオン（Ｍ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３
２－）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）のうちの少なくとも１つとを含む第１含炭酸液中の炭酸イオン種を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））とし、さらにその二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））と水（Ｈ２Ｏ）とを還元して二酸化炭素還元物を生成する機能を有する電解反応方法であって、
さらに、
前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成し、
前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する、電解反応方法。
さらに、
前記第１含炭酸液から二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を取り出してアルカリ液を生成し、
前記カソードにおいて炭酸イオン種の形で吸収された二酸化炭素（ＣＯ２）を再生する、電解反応方法。
【0111】
［１３］［１２］に記載の電解反応方法であって、
アノード室と、
酸性化室と、
アルカリ性化室と、
二酸化炭素再生化室と、
カソード室と、
前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と、
前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と、
前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と、
前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと、
第１気液分離器と、
第２気液分離器と、
を備える電解反応装置を用い、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入する、電解反応方法。
アノード室と、
酸性化室と、
アルカリ性化室と、
二酸化炭素再生化室と、
カソード室と、
前記アノード室と前記酸性化室との間に、前記アノード室側から順に設けられた前記アノードと、第１カチオン交換膜と、
前記酸性化室と前記アルカリ性化室との間に設けられた第２カチオン交換膜と、
前記アルカリ性化室と前記二酸化炭素再生化室との間に設けられたバイポーラ膜と、
前記二酸化炭素再生化室と前記カソード室との間に、前記二酸化炭素再生化室側から順に設けられたアニオン交換膜と、前記カソードと、
第１気液分離器と、
第２気液分離器と、
を備える電解反応装置を用い、
アノード反応物が前記アノード室に流入し、前記アノード室において前記アノード反応物の前記アノードによる酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）が生成し、
前記第１含炭酸液が前記酸性化室に流入し、前記アノードまたは前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記酸性化室に供給され、前記酸性化室において前記第１含炭酸液中の炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が生成し、
前記酸性化室で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む含二酸化炭素液が前記第２気液分離器に流入し、前記第２気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第２気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入し、前記カソード室において前記二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体の前記カソードによる還元反応によって二酸化炭素還元物が生成し、
前記第２気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された分離液が前記アルカリ性化室に流入し、前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）が前記アルカリ性化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）が前記アルカリ性化室に供給され、アルカリ（ＭＯＨ）液が生成し、
前記カソード室で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）と二酸化炭素（ＣＯ２）との相互作用によって生成した炭酸イオン種が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記バイポーラ膜によって生成した水素イオン（Ｈ＋）が前記二酸化炭素再生化室に供給され、前記二酸化炭素再生化室においてその炭酸イオン種が酸性化されて二酸化炭素（ＣＯ２）が再生し、
前記二酸化炭素再生化室で再生した二酸化炭素（ＣＯ２）を含む第２含炭酸液が前記第１気液分離器に流入し、前記第１気液分離器において気液分離されて二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））が取り出され、
前記第１気液分離器で取り出された二酸化炭素（ＣＯ２（ｇ））を含む気体が前記カソード室に流入する、電解反応方法。
【0112】
［１４］［１３］に記載の電解反応方法であって、
電解反応装置は、前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備える、電解反応方法。
電解反応装置は、前記バイポーラ膜と前記二酸化炭素再生化室との間に、前記バイポーラ膜側から順に、酸性化室と、第２カチオン交換膜と、アルカリ性化室と、アルカリ性化室と、バイポーラ膜と、を有する追加の透析領域をさらに備える、電解反応方法。
【0113】
［１５］［１３］または［１４］に記載の電解反応方法であって、
前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成する、電解反応方法。
前記生成したアルカリ液に二酸化炭素（ＣＯ２）を補填して含炭酸液を生成する、電解反応方法。
【0114】
［１６］［１３］～［１５］のいずれか１つに記載の電解反応方法であって、
前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体である、電解反応方法。
前記アノードおよび前記第１カチオン交換膜は、前記第１カチオン交換膜にアノード触媒粒子を塗工した膜－電極接合体である、電解反応方法。
【0115】
［１７］［１３］～［１６］のいずれか１つに記載の電解反応方法であって、
前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下である、電解反応方法。
前記アノードと前記カソードとが対向する方向における前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室のそれぞれの厚みは、５ｍｍ以下である、電解反応方法。
【0116】
［１８］［１３］～［１７］のいずれか１つに記載の電解反応方法であって、
前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されている、電解反応方法。
前記酸性化室、前記アルカリ性化室、および前記二酸化炭素再生化室に空隙のあるスペーサが挿入されている、電解反応方法。
【0117】
［１９］［１３］～［１８］のいずれか１つに記載の電解反応方法であって、
前記カソード室を加圧する、電解反応方法。
前記カソード室を加圧する、電解反応方法。
【0118】
［２０］［１３］～［１９］のいずれか１つに記載の電解反応方法であって、
前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートである、電解反応方法。
前記カソードは、電子伝導性およびガス拡散性を有する基材にナノ構造を有する金属触媒粒子を担持したカソード触媒シートである、電解反応方法。
【0119】
［２１］［１３］～［２０］のいずれか１つに記載の電解反応方法であって、
前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、
前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液である、電解反応方法。
前記第１気液分離器で二酸化炭素（ＣＯ２）が気液分離された第２含炭酸液が前記二酸化炭素再生化室に循環供給され、
前記二酸化炭素再生化室に循環供給される第２含炭酸液は、作動時において二酸化炭素が飽和したアルカリ金属イオンを含む炭酸水素イオン水溶液である、電解反応方法。
【0120】
［２２］［１４］に記載の電解反応方法であって、
前記酸性化室に供給される前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、前記酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃである、電解反応方法。
前記酸性化室に供給される前記第１含炭酸液に含まれる前記アルカリ金属イオン（Ｍ＋）の濃度をＣＭ［Ｍ］、電解のときに流れる電流をＩ［Ａ］、ファラデー定数をＦ＝９６４８５ Ｃ／ｓ、追加の透析領域数をＮとしたときに、前記酸性化室への総送液速度ｖａｌｌ［Ｌ／ｓ］は、ｖｃ＝Ｎ・Ｉ／（Ｆ・ＣＭ）として、ｖａｌｌ≧０．８ｖｃである、電解反応方法。
【実施例0121】
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【0122】
【0123】
（システム構成）
・ポンプ４６：ＣＯ２取出・供給促進ポンプ
・気体供給源３７：マスフローコントローラを使用して「１００％Ａｒ」を２ｃｃｍで供給
・追加の透析領域３２の数：Ｎ＝０
・アルカリ液の排出：二酸化炭素補填器５０はなし、アルカリ液排出ライン７４によるアルカリ液の排出のみ
・第１含炭酸液供給源３６：送液ポンプ（ポンプ４４）を使用して０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液を１ｍＬ／ｍｉｎで供給
・アノード反応物供給源３４：マスフローコントローラを使用して室温加湿したＡｒを１０ｃｃｍで供給
・ポンプ４６：ＣＯ２取出・供給促進ポンプ
・気体供給源３７：マスフローコントローラを使用して「１００％Ａｒ」を２ｃｃｍで供給
・追加の透析領域３２の数：Ｎ＝０
・アルカリ液の排出：二酸化炭素補填器５０はなし、アルカリ液排出ライン７４によるアルカリ液の排出のみ
・第１含炭酸液供給源３６：送液ポンプ（ポンプ４４）を使用して０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液を１ｍＬ／ｍｉｎで供給
・アノード反応物供給源３４：マスフローコントローラを使用して室温加湿したＡｒを１０ｃｃｍで供給
【0124】
（実験条件）
・アノード１２、第１カチオン交換膜１４：ＩｒＯ２ナノ粒子を塗工したプロトン伝導膜（カチオン交換膜、デュポン製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標） Ｎ１１５）
・第２カチオン交換膜１８：デュポン製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標） Ｎ１１５
・バイポーラ膜２２：Ｆｕｍａｔｅｃｈ製Ｆｕｍａｓｅｐ ＦＢＭバイポーラ膜
・アニオン交換膜２６：Ｖｅｒｓｏｇｅｎ製ＰｉｐｅｒＩＯＮ－Ａ６０－ＨＣＯ３
・カソード２８：Ａｕ担持炭素粒子とナフィオン溶液とを混ぜ合わせた触媒インクをスプレー塗工した、ＳＧＬ Ｃａｒｂｏｎ製Ｓｉｇｒａｃｅｔ３９ＢＢガス拡散層
・電極面積：６．２５ｃｍ２
・酸性化室１６に供給する電解液（第１含炭酸液）：０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液
・二酸化炭素再生化室２４に循環供給する電解液（第２含炭酸液）：１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液（送液ポンプ（ポンプ４２）を用いて５ｍＬ／ｍｉｎで送液）
・第１気液分離器４０：小型貯液槽
・第２気液分離器３８：３Ｍ製ＭＭ－１×５．５分離膜モジュール
・アノード１２、第１カチオン交換膜１４：ＩｒＯ２ナノ粒子を塗工したプロトン伝導膜（カチオン交換膜、デュポン製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標） Ｎ１１５）
・第２カチオン交換膜１８：デュポン製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標） Ｎ１１５
・バイポーラ膜２２：Ｆｕｍａｔｅｃｈ製Ｆｕｍａｓｅｐ ＦＢＭバイポーラ膜
・アニオン交換膜２６：Ｖｅｒｓｏｇｅｎ製ＰｉｐｅｒＩＯＮ－Ａ６０－ＨＣＯ３
・カソード２８：Ａｕ担持炭素粒子とナフィオン溶液とを混ぜ合わせた触媒インクをスプレー塗工した、ＳＧＬ Ｃａｒｂｏｎ製Ｓｉｇｒａｃｅｔ３９ＢＢガス拡散層
・電極面積：６．２５ｃｍ２
・酸性化室１６に供給する電解液（第１含炭酸液）：０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液
・二酸化炭素再生化室２４に循環供給する電解液（第２含炭酸液）：１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液（送液ポンプ（ポンプ４２）を用いて５ｍＬ／ｍｉｎで送液）
・第１気液分離器４０：小型貯液槽
・第２気液分離器３８：３Ｍ製ＭＭ－１×５．５分離膜モジュール
【0125】
定電流条件（４０ｍＡ）で電解処理を施し、カソード室３０の下流側から排出される気体をガスタイトシリンジで採取し、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）（島津製作所製、ＧＣ－２０１４型）を用いて同定、定量を行った。電解反応装置での処理により生成する気体としてＨ２、ＣＯ、ＣＯ２が検出された（図３参照）。ＧＣにより定量した気体濃度、電流値から算出したカソード反応Ｈ２生成、ＣＯ生成に係るファラデー効率は、それぞれ３．１％、２７．３％であった（和が１００％とならないのは検出誤差、溶存大気由来Ｏ２の還元等の副反応によると考えられる。）。図１の電解反応装置構成、低速Ａｒ供給条件においてＣＯ２をＣＯに変換できることがわかった。また、電解反応装置に導入するＣＯ２源が低Ｃ濃度含炭酸液のみの条件において、ＣＯ生成に係るファラデー効率を従来の炭酸イオン種直接電解法よりも高められることがわかった（非特許文献１の０．５Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液条件におけるＣＯ生成ファラデー効率は、約１４％である。）。
【0126】
電解反応装置での処理により生成する含炭素化合物およびＨ２の比率を算出し、従来技術である炭酸イオン種直接電解ＣＯ生成、電気透析ＣＯ２生成と比較した（図４参照）。ここで、図４において「実施例１」は、実施例１（０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液、Ｎ＝０）の結果である。「実施例１」の「その他」は、Ｈ２およびＣＯ生成のファラデー効率の和（３０．４％）と１００％との差分、すなわち、Ｈ２およびＣＯ生成以外の電解還元反応進行のために流れた電流（ファラデー効率６９．６％分）で２電子移動反応気体生成が起こると仮定した場合の比率を示している（反応電子数が２よりも大きくなると、「その他」の比率は低下する。）。「その他」がすべてＨ２生成であると仮定（最小ＣＯ２→ＣＯ変換することを想定）しても、実施例の電解反応装置、反応機構を利用することによって「含炭素化合物（ＣＯ２＋ＣＯ）／Ｈ２物質量」比を向上することができた（炭酸イオン種直接電解０．１６、従来型電気透析（理論値）２に対して、本実施例１では、≧２．５２）。このように、含炭素化合物の取出効率を向上できることがわかった。
【0127】
なお、図４では、直接電解のＣＯ生成は、非特許文献１のＦｉｇ．２の０．５Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液（実施例１と同等の０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液のデータの記載がないために代用）の場合の結果を参照している。
【0128】
図４の電気透析のＣＯ２生成については、実施例１と同等の条件の結果が存在しないため、図４では実施例１（０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液、電気透析追加積層数Ｎ＝０）と同等の電気透析装置を用いたときの最大ＣＯ２／Ｈ２物質量比を理論値として示している。すなわち、ＫＨＣＯ３水溶液の場合、２ｍｏｌのｅ－、Ｈ＋の移動によって、２ｍｏｌのＣＯ２（ＨＣＯ３
－＋Ｈ＋→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２）と１ｍｏｌのＨ２（２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２）が生成する。ゆえに、ＣＯ２は２／（１＋２）＝６６．７％、Ｈ２は１／（１＋２）＝３３．３％となる。
【0129】
図４では実施例１について、上述の通り、Ｈ２およびＣＯ生成のファラデー効率の和（３０．４％）と１００％との差分（６９．６％）で２電子移動反応気体生成が起こると仮定した場合の比率を「その他」として示している。これはＨ２およびＣＯ生成と同じ反応電子数であり、気体生成としては最小の反応電子数である。反応電子数が２よりも大きくなると、「その他」の相対比率は低下する。したがって、（ＣＯ２＋ＣＯ）生成の観点において、「その他」を２電子移動反応気体生成かつＨ２生成と仮定することは、「その他」成分の生成ガス比率（物質量）として最大量を想定していることになる。
【0130】
＜実施例２＞
［気体供給源からの低速ＣＯ２供給条件における電解処理（ＣＯ、Ｈ２生成）］
図１に模式図を示す電解システム構成において、以下の構成要素とした。気体供給源３７によって供給する気体を、実施例１の「１００％Ａｒ」から「１００％ＣＯ２」に変更した。
［気体供給源からの低速ＣＯ２供給条件における電解処理（ＣＯ、Ｈ２生成）］
図１に模式図を示す電解システム構成において、以下の構成要素とした。気体供給源３７によって供給する気体を、実施例１の「１００％Ａｒ」から「１００％ＣＯ２」に変更した。
【0131】
（システム構成）
・ポンプ４６：ＣＯ２取出・供給促進ポンプ
・気体供給源３７：マスフローコントローラを使用して「１００％ＣＯ２」を２ｃｃｍで供給
・追加の透析領域３２の数：Ｎ＝０
・アルカリ液の排出：二酸化炭素補填器５０はなし、アルカリ液排出ライン７４によるアルカリ液の排出のみ
・第１含炭酸液供給源３６：送液ポンプ（ポンプ４４）を使用して０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液を１ｍＬ／ｍｉｎで供給
・アノード反応物供給源３４：マスフローコントローラを使用して室温加湿したＡｒを１０ｃｃｍで供給
・ポンプ４６：ＣＯ２取出・供給促進ポンプ
・気体供給源３７：マスフローコントローラを使用して「１００％ＣＯ２」を２ｃｃｍで供給
・追加の透析領域３２の数：Ｎ＝０
・アルカリ液の排出：二酸化炭素補填器５０はなし、アルカリ液排出ライン７４によるアルカリ液の排出のみ
・第１含炭酸液供給源３６：送液ポンプ（ポンプ４４）を使用して０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液を１ｍＬ／ｍｉｎで供給
・アノード反応物供給源３４：マスフローコントローラを使用して室温加湿したＡｒを１０ｃｃｍで供給
【0132】
（実験条件）
・アノード１２、第１カチオン交換膜１４：ＩｒＯ２ナノ粒子を塗工したプロトン伝導膜（カチオン交換膜、デュポン製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標） Ｎ１１５）
・第２カチオン交換膜１８：デュポン製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標） Ｎ１１５
・バイポーラ膜２２：Ｆｕｍａｔｅｃｈ製Ｆｕｍａｓｅｐ ＦＢＭバイポーラ膜
・アニオン交換膜２６：Ｖｅｒｓｏｇｅｎ製ＰｉｐｅｒＩＯＮ－Ａ６０－ＨＣＯ３
・カソード２８：Ａｕ担持炭素粒子とナフィオン溶液とを混ぜ合わせた触媒インクをスプレー塗工した、ＳＧＬ Ｃａｒｂｏｎ製Ｓｉｇｒａｃｅｔ３９ＢＢガス拡散層
・電極面積：６．２５ｃｍ２
・酸性化室１６に供給する電解液（第１含炭酸液）：０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液
・二酸化炭素再生化室２４に循環供給する電解液（第２含炭酸液）：１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液（送液ポンプ（ポンプ４２）を用いて５ｍＬ／ｍｉｎで送液）
・第１気液分離器４０：小型貯液槽
・第２気液分離器３８：３Ｍ製ＭＭ－１×５．５分離膜モジュール
・アノード１２、第１カチオン交換膜１４：ＩｒＯ２ナノ粒子を塗工したプロトン伝導膜（カチオン交換膜、デュポン製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標） Ｎ１１５）
・第２カチオン交換膜１８：デュポン製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標） Ｎ１１５
・バイポーラ膜２２：Ｆｕｍａｔｅｃｈ製Ｆｕｍａｓｅｐ ＦＢＭバイポーラ膜
・アニオン交換膜２６：Ｖｅｒｓｏｇｅｎ製ＰｉｐｅｒＩＯＮ－Ａ６０－ＨＣＯ３
・カソード２８：Ａｕ担持炭素粒子とナフィオン溶液とを混ぜ合わせた触媒インクをスプレー塗工した、ＳＧＬ Ｃａｒｂｏｎ製Ｓｉｇｒａｃｅｔ３９ＢＢガス拡散層
・電極面積：６．２５ｃｍ２
・酸性化室１６に供給する電解液（第１含炭酸液）：０．１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液
・二酸化炭素再生化室２４に循環供給する電解液（第２含炭酸液）：１Ｍ ＫＨＣＯ３水溶液（送液ポンプ（ポンプ４２）を用いて５ｍＬ／ｍｉｎで送液）
・第１気液分離器４０：小型貯液槽
・第２気液分離器３８：３Ｍ製ＭＭ－１×５．５分離膜モジュール
【0133】
定電流条件（４０ｍＡ）で電解処理を施し、カソード室３０の下流側から排出される気体をガスタイトシリンジで採取し、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）を用いて同定、定量を行った。電解反応装置での処理により生成する気体としてＨ２、ＣＯが検出された（図５参照）。ＧＣにより定量した気体濃度、電流値から算出したＨ２生成、ＣＯ生成に係るファラデー効率は、それぞれ７．６％、８４．８％であった（和が１００％とならないのは検出誤差、溶存大気由来Ｏ２の還元等の副反応によると考えられる。）。図１の電解反応装置構成、低速ＣＯ２供給条件において、Ｈ２生成を抑制しつつＣＯ２をＣＯに変換できることがわかった。外部ＣＯ２源からの追加ＣＯ２供給、電気透析の追加積層数Ｎ≧１で過剰生成したＣＯ２の循環供給での本電解反応装置の運用はこの実施例２に相当する。これらのＣＯ２供給条件においては、さらに電解処理のときの反応媒体Ｈ２Ｏの消費、損失を低減することができると言える。
【0134】
このように、実施例の電解反応装置および電解反応方法によって、電解による含炭素化合物の取出効率を向上することができた。
【符号の説明】
【0135】
１ 電解反応装置、１０ アノード室、１２ アノード、１４ 第１カチオン交換膜、１６ 酸性化室、１８ 第２カチオン交換膜、２０ アルカリ性化室、２２ バイポーラ膜、２２ａ カチオン交換膜、２２ｂ，２６ アニオン交換膜、２４ 二酸化炭素再生化室、２８ カソード、３０ カソード室、３２ 追加の透析領域、３４ アノード反応物供給源、３６ 第１含炭酸液供給源、３７ 気体供給源、３８ 第２気液分離器、４０ 第１気液分離器、４２，４４，４６ ポンプ、４８ 電源装置、５０ 二酸化炭素補填器、５２ アノード反応物供給ライン、５４ アノード反応物排出ライン、５６，５８，６４ 気体供給ライン、６０ 第２含炭酸液供給ライン、６２ 第２含炭酸液供給ライン、６６ カソード反応物排出ライン、６８，７８ 第１含炭酸液供給ライン、７０，８０ 含二酸化炭素液供給ライン、７２，８２ 分離液供給ライン、７４，８４ アルカリ液排出ライン、７６ 含炭酸液供給ライン、８６ スペーサ、８８ 蛇行流路。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
