二酸化炭素分離装置およびその使用方法
【課題】簡便な構造を有し、小型化が可能な二酸化炭素分離装置およびこれを用いたアルカリ形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための装置であって、アノード電極１３とアニオン交換形高分子電解質膜１１とカソード電極１２とをこの順で備える二酸化炭素分離積層体１０；アノード電極１３の外面上に配置され、アノード電極１３側の少なくとも一部が開放された空間からなる、還元剤をアノード電極１３に供給するための還元剤供給室３０；および、カソード電極１２の外面上に配置され、カソード電極１２側の少なくとも一部が開放された空間からなる、混合ガスをカソード電極１２に供給するための混合ガス供給室２０を含み、アノード電極１３とカソード電極１２とが電気的に接続されている二酸化炭素分離装置およびこれを用いたアルカリ形燃料電池システムである。
【解決手段】酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための装置であって、アノード電極１３とアニオン交換形高分子電解質膜１１とカソード電極１２とをこの順で備える二酸化炭素分離積層体１０；アノード電極１３の外面上に配置され、アノード電極１３側の少なくとも一部が開放された空間からなる、還元剤をアノード電極１３に供給するための還元剤供給室３０；および、カソード電極１２の外面上に配置され、カソード電極１２側の少なくとも一部が開放された空間からなる、混合ガスをカソード電極１２に供給するための混合ガス供給室２０を含み、アノード電極１３とカソード電極１２とが電気的に接続されている二酸化炭素分離装置およびこれを用いたアルカリ形燃料電池システムである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気等の酸素ガスと二酸化炭素ガスとを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための二酸化炭素分離装置およびその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合ガスから二酸化炭素を分離する方法としては、従来、様々な手法が提案されており、なかでも、活性炭、各種複合酸化物、アミン系溶媒、炭酸カリウム水溶液などからなる吸着剤もしくは吸収剤を用いた方法（たとえば特許文献１）を代表的なものとして挙げることができる。
【０００３】
しかしながら、吸着剤もしくは吸収剤を用いた方法においては、吸着剤もしくは吸収剤の再生操作が必要であるために、装置内に何らかの再生装置（たとえば高温処理装置など）を付設する必要があり、二酸化炭素分離装置の小型化が困難であるとともに、連続運転が困難であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９７６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記のような再生操作およびこれに伴う再生装置の付設が不要で、簡便な構造を有し、小型化が可能な二酸化炭素分離装置およびこれを用いたアルカリ形燃料電池システム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】
本発明は、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための装置であって、アノード電極とアニオン交換形高分子電解質膜とカソード電極とをこの順で備える二酸化炭素分離積層体；アノード電極の外面上に配置され、アノード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、還元剤をアノード電極に供給するための還元剤供給室；および、カソード電極の外面上に配置され、カソード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、混合ガスをカソード電極に供給するための混合ガス供給室を含み、アノード電極とカソード電極とが電気的に接続されている二酸化炭素分離装置を提供する。
【０００７】
アノード電極とカソード電極とは、抵抗（好ましくは可変抵抗）、あるいは、必要に応じて該抵抗とともに、発電装置を介して電気的に接続することができる。
【０００８】
本発明の二酸化炭素分離装置において、アノード電極は、アニオン交換形高分子電解質膜の一方の表面に積層されるアノード触媒層を有し、カソード電極は、アニオン交換形高分子電解質膜の他方の表面に積層されるカソード触媒層を有することが好ましい。この際、アノード触媒層は、その体積をカソード触媒層より大きくすることが好ましい。たとえば、アノード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積を、カソード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積より大きくすることにより、アノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくすることができる。
【０００９】
本発明の二酸化炭素分離装置は、アノード電極の温度を上昇させるための温度制御装置をさらに備えていてもよい。アノード電極とカソード電極とが抵抗を介して電気的に接続されている場合には、この抵抗が温度制御装置を兼ねていてもよい。
【００１０】
本発明の二酸化炭素分離装置が備える二酸化炭素分離積層体は、内側から順に、カソード電極とアニオン交換形高分子電解質膜とアノード電極とを備える円筒状の積層体であってもよい。この場合、混合ガス供給室は、このような二酸化炭素分離積層体の中空部からなることができる。
【００１１】
本発明の二酸化炭素分離装置の好ましい実施形態において、混合ガス供給室は、空間的に互いに分離された第１の混合ガス供給室と第２の混合ガス供給室とからなり、カソード電極は、第２の混合ガス供給室を形成する空間とのみ接しており、かつ、第１の混合ガス供給室を形成する空間は、アニオン交換形高分子電解質膜と接している。このような実施形態においては、第１の混合ガス供給室を形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜とが接する領域の合計面積を、第２の混合ガス供給室を形成する空間とカソード電極とが接する領域の合計面積より大きくすることが好ましい。
【００１２】
本発明の二酸化炭素分離装置において、還元剤供給室は、還元剤を導入するための還元剤導入口と、還元剤および二酸化炭素ガスを含むガスを排出するための還元剤排出口とを有し、混合ガス供給室は、混合ガスを導入するための混合ガス導入口と、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための処理ガス排出口とを有することが好ましい。
【００１３】
また本発明は、上記二酸化炭素分離装置と、少なくとも、アノード極と、電解質層と、カソード極とをこの順で備えるアルカリ形燃料電池とを含み、二酸化炭素分離装置の処理ガス排出口から排出された処理ガスが、アルカリ形燃料電池のカソード極に供給されるとともに、アルカリ形燃料電池のアノード極から排出された還元剤が二酸化炭素分離装置の還元剤導入口から還元剤供給室内に導入される、アルカリ形燃料電池システムを提供する。
【００１４】
さらに本発明の上記二酸化炭素分離装置の使用方法を提供する。本発明の二酸化炭素分離装置の使用方法は、混合ガス供給室内の圧力を、還元剤供給室内の圧力より高くすることを特徴とする。たとえば、混合ガスを加圧して混合ガス供給室内に導入することにより、混合ガス供給室内の圧力を、還元剤供給室内の圧力より高くすることができる。
【００１５】
また本発明は、アノード電極とカソード電極とが可変抵抗を介して電気的に接続された上記二酸化炭素分離装置の使用方法であって、アノード電極とカソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、可変抵抗の抵抗値を減少させることを特徴とする二酸化炭素分離装置の使用方法、および、アノード電極とカソード電極とが発電装置を介して電気的に接続された上記二酸化炭素分離装置の使用方法であって、アノード電極とカソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、発電装置の出力電圧を増加させることを特徴とする二酸化炭素分離装置の使用方法を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、二酸化炭素吸着剤もしくは吸収剤を用いた二酸化炭素分離装置に必須となる吸着剤もしくは吸収剤の再生装置の付設が不要となるため、簡便な構造を有し、小型化が可能な二酸化炭素分離装置を提供することができる。また、アルカリ形燃料電池に供給する酸化剤中の二酸化炭素を分離するための装置として本発明の二酸化炭素分離装置を適用した本発明のアルカリ形燃料電池システムによれば、同様に該システムの小型化を図ることができるとともに、アルカリ形燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の二酸化炭素分離装置の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図４】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図６】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図７】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図９】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略図である。
【図１０】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略図である。
【図１１】本発明のアルカリ形燃料電池システムの好ましい一例を示す概略図である。
【図１２】実施例４で作製した二酸化炭素分離装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の二酸化炭素分離装置およびアルカリ形燃料電池システムを実施の形態を示して詳細に説明する。
【００１９】
＜二酸化炭素分離装置＞
本発明の二酸化炭素分離装置は、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガス（空気など）から二酸化炭素ガスを分離するための装置である。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。図１に示される本実施形態の二酸化炭素分離装置１００は、アノード電極１３とアニオン交換形高分子電解質膜１１とカソード電極１２とをこの順で備える平板状の二酸化炭素分離積層体１０；アノード電極１３の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、アノード電極１３側の少なくとも一部（図１においては全部）が開放された空間からなる、還元剤をアノード電極１３に供給するための還元剤供給室３０；カソード電極１２の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、カソード電極１２側の少なくとも一部（図１においては全部）が開放された空間からなる、混合ガスをカソード電極１２に供給するための混合ガス供給室２０；および、アノード電極１３とカソード電極１２とを電気的に接続している接続手段としての配線４０から構成された平板状の装置である。
【００２１】
アノード側に配置される還元剤供給室３０は、還元剤供給室３０を形成する凹部を有した還元剤供給板３１から形成されている。還元剤供給板３１の対向する側面には、還元剤を還元剤供給室３０内に導入するための還元剤導入口３２と、還元剤供給室３０内のガスを排出するための還元剤排出口３３が設けられている。還元剤導入口３２および還元剤排出口３３は、還元剤供給室３０と連通している。
【００２２】
カソード側に配置される混合ガス供給室２０は、混合ガス供給室２０を形成する凹部を有した混合ガス供給板２１から形成されている。混合ガス供給板２１の対向する側面には、混合ガスを混合ガス供給室２０内に導入するための混合ガス導入口２２と、二酸化炭素分離処理がなされ、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための処理ガス排出口２３が設けられている。混合ガス導入口２２および処理ガス排出口２３は、混合ガス供給室２０と連通している。
【００２３】
図示しないが、アノード電極１３は、アニオン交換形高分子電解質膜１１の一方の表面に積層されるアノード触媒層を有し、カソード電極１２は、アニオン交換形高分子電解質膜１１の他方の表面に積層されるカソード触媒層を有している。
【００２４】
上記構成の装置によれば、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素を効率的に除去または低減することができる。すなわち、混合ガス導入口２２を通して混合ガス供給室２０内に空気等の混合ガスを導入すると、カソード電極１２のカソード触媒層では、下記式（１）：
Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ‐ → ４ＯＨ- （１）
で表される触媒反応によりＯＨ-が生成されるとともに、混合ガス中のＣＯ2は、下記式（２）：
ＣＯ2＋２ＯＨ- → ＣＯ32-＋ Ｈ2Ｏ （２）
で表されるような中和反応を起こし、アニオン（ＣＯ32-）としてカソード電極１２およびアニオン交換形高分子電解質膜１１内に取り込まれる。このようなカソード側での二酸化炭素の吸収により、混合ガス中の二酸化炭素が分離される。カソード側からアノード側への電荷キャリアであるＯＨ-が、いわばＣＯ2の中和剤として役割を果たしているといえる。ＣＯ2が低減または除去された処理ガス（酸素含有ガス）は、処理ガス排出口２３から排出される。
【００２５】
一方、アノード電極１３のアノード触媒層では、還元剤導入口３２を通して還元剤供給室３０内に還元剤、たとえばＨ2ガスを供給すると、下記式（３）：
Ｈ2＋ＣＯ32- → ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ- （３）
で表されるような、還元剤と、アニオン交換形高分子電解質膜１１を介してカソード側から伝達されたＣＯ32-との触媒反応が生じ、ＣＯ2が遊離する。この際、アノード電極１３とカソード電極１２とは、配線４０によって電気的に接続されているので、上記式（１）〜（３）で示される反応によって生じる、アノード電極１３とカソード電極１２との間の電位差を駆動力として、アノード電極１３とカソード電極１２との間に電流が自発的に流れることとなる。アノード触媒層にて遊離したＣＯ2は、未反応の還元剤とともに、還元剤排出口３３から排出される。
【００２６】
以上のように、本発明の二酸化炭素分離装置によれば、カソード側で二酸化炭素の吸収が行なわれるのと並行して、中和剤として機能するＯＨ-の再生がなされるため、従来のような中和剤を再生させるための別途の装置を必要せず、装置の簡略化および小型化を図ることができる。ここでいう「ＯＨ-の再生」とは、上記式（２）に従いＯＨ-がＣＯ32-によって置換されることにより低下したＯＨ-濃度が、上記式（１）によるＯＨ-の生成および上記式（３）によるＣＯ32-の排出（ＣＯ2として排出）によって回復することをいう。
【００２７】
次に、二酸化炭素分離装置１００を構成する各部材について詳細に説明する。
（１）アニオン交換形高分子電解質膜
アニオン交換形高分子電解質膜１１は、ガスバリア性を有し、ＯＨ-イオンを伝導でき、かつ、アノード電極１３とカソード電極１２との短絡を防止するために電気的絶縁性を有するアニオン伝導性固体高分子電解質からなる限り特に制限されず、このような電解質としては、たとえば、炭化水素系高分子電解質、フッ素樹脂系高分子電解質を挙げることができる。
【００２８】
炭化水素系高分子電解質としては、たとえば、芳香族ポリエーテルスルホン酸と芳香族ポリチオエーテルスルホン酸との共重合体のクロロメチル化物をアミノ化して得られる電解質等が挙げられる。クロロメチル化剤としては、クロロメトキシメタン、１，４−ビス（クロロメトキシ）ブタン、１−クロロメトキシ−４−クロロブタン、ホルムアルデヒド−塩化水素、パラホルムアルデヒド−塩化水素等が使用できる。このようにして得られたクロロメチル化物を、アミン化合物と反応させてアニオン交換基を導入する。アミン化合物としては、モノアミン、１分子中に２個以上のアミノ基を有するポリアミン化合物等が使用できる。具体的には、アンモニア；メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン等のモノアルキルアミン；ジメチルアミン、ジエチルアミン等のジアルキルアミン；アニリン、Ｎ−メチルアニリン等の芳香族アミン；ピロリジン、ピペラジン、モルホリン等の複素環アミン等のモノアミン；ｍ−フェニレンジアミン、ピリダジン、ピリミジン等のポリアミン化合物が使用できる。
【００２９】
また、フッ素樹脂系高分子電解質としては、たとえば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンポリマーの末端をジアミンで処理し４級化したポリマーが挙げられる。
【００３０】
アニオン交換形高分子電解質膜は、上記電解質と溶媒とを含有するペーストを塗布、乾燥することにより形成することができる。また、市販のアニオン交換形高分子電解質膜を使用してもよい。アニオン交換形高分子電解質膜の市販品としては、たとえば、いずれも商品名で、「トスフレックス ＩＥ−ＳＦ３４」（東ソー（株）製）などのフッ素樹脂系高分子電解質；「アシプレックス Ａ−２０１」（旭化成（株）製）、「アシプレックス Ａ−２１１」（旭化成（株）製）、「アシプレックス Ａ−２２１」（旭化成（株）製）、「ネオセプタ ＡＭ−１」（トクヤマ（株）製）、「ネオセプタ ＡＨＡ」（トクヤマ（株）製）などの炭化水素系高分子電解質が挙げられる。
【００３１】
アニオン交換形高分子電解質膜１１の厚みは、装置の小型化および機械的強度の双方を考慮すると、好ましくは１０〜２００μｍであり、より好ましくは２５〜１００μｍである。
【００３２】
（２）アノード電極およびカソード電極
アニオン交換形高分子電解質膜１１の一方の面に形成されるアノード電極１３および他方の面に形成されるカソード電極１２には、通常、少なくとも触媒（それぞれアノード触媒、カソード触媒）と電解質（それぞれアノード電解質、カソード電解質）とを含有する多孔質層からなる触媒層（それぞれアノード触媒層、カソード触媒層）が設けられる。これらの触媒層は、アニオン交換形高分子電解質膜１１の表面に接して積層される。
【００３３】
カソード触媒層に含有されるカソード触媒は、カソード電極１２に供給された混合ガスおよび水と、アノード電極１３から伝達された電子とから、ＯＨ-を生成する触媒反応を生じさせる（上記式（１））。カソード電解質は、上記式（２）の中和反応により生じたＣＯ32-および上記式（１）の触媒反応により生成したＯＨ-をアニオン交換形高分子電解質膜１１へ伝導する機能を有する。一方、アノード触媒層に含有されるアノード触媒は、アノード電極１３に供給された還元剤とカソード電極１２側から伝達されたＣＯ32-とから、遊離のＣＯ2を生成する触媒反応（上記式（３））を生じさせるとともに、場合により、アノード電極１３に供給された還元剤とカソード電極１２側から伝達されたＯＨ-とから、下記式（４）：
Ｈ2＋２ＯＨ- → ２Ｈ2Ｏ＋２ｅ‐ （４）
で表される触媒反応を生じさせる。アノード電解質は、カソード電極１２側から伝達されたＣＯ32-やＯＨ-を触媒反応サイト（三相界面）へ伝導する機能を有する。
【００３４】
アノード触媒およびカソード触媒としては、上記のような触媒反応を生じさせ得る従来公知のものを使用することができ、たとえば、アルカリ形燃料電池に用いられているものを採用することが可能である。アノード触媒およびカソード触媒の具体例を挙げれば、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子などである。合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金等、鉄−コバルト−ニッケル合金が挙げられる。アノード触媒とカソード触媒とは同種であってもよいし、異種であってもよい。
【００３５】
アノード触媒およびカソード触媒は、担体、好ましくは導電性の担体に担持されたものを用いることが好ましい。導電性担体としては、たとえば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。また、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることもできる。触媒の担持量は、担体１００重量部に対して、通常１〜８０重量部、好ましくは３〜５０重量部である。
【００３６】
アノード電解質およびカソード電解質としては、上述の炭化水素系高分子電解質、フッ素樹脂系高分子電解質などの、アニオン交換形高分子電解質膜１１を構成する電解質と同様のものを用いることができる。アノード触媒層およびカソード触媒層における触媒と電解質との含有比は、重量基準で、通常５／１〜１／４であり、好ましくは３／１〜１／３である。アノード触媒層およびカソード触媒層は、触媒（担体に担持されていてもよい）、電解質および溶媒を含む触媒ペーストを調製し、これをアニオン交換形高分子電解質膜１１または後述するアノードガス拡散層、カソードガス拡散層の表面に塗布し、乾燥させることにより形成することができる。
【００３７】
アノード電極１３およびカソード電極１２はそれぞれ、触媒層上に積層されるアノードガス拡散層、カソードガス拡散層を備えていてもよい。これらのガス拡散層は、アノード電極１３、カソード電極１２に供給されるガス（還元剤または混合ガス）を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層と電子の授受を行なう機能を有する。
【００３８】
アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層としては、比抵抗が小さく、電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料；導電性高分子；Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；これらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などからなる多孔質材料を用いることが好ましい。より具体的には、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層として、たとえば、上記貴金属、遷移金属または合金からなる発泡金属、金属織物および金属焼結体；ならびに、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜などを好適に用いることができる。
【００３９】
（３）還元剤供給室および混合ガス供給室
還元剤供給室３０は、アノード電極１３の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、還元剤をアノード電極１３に供給するためのものであり、還元剤供給板３１を用いて形成することができる。還元剤供給板３１は、たとえば、還元剤供給室３０を構成する空間を形成する凹部を有する部材であることができ、該凹部の開口がアノード電極１３に対向するように、還元剤供給板３１をアノード電極１３上に積層することにより、還元剤供給室３０を形成することができる。このようにして形成される還元剤供給室３０は、アノード電極１３側の少なくとも一部がアノード電極１３に開放された空間からなる。たとえば、還元剤供給板３１の対向する側面に、還元剤を還元剤供給室３０内に導入するための還元剤供給室３０と連通した還元剤導入口３２、および、還元剤供給室３０内のガスを排出するための還元剤供給室３０と連通した還元剤排出口３３を設けることにより、還元剤供給室３０内に還元剤を流通させることが可能になる。還元剤排出口３３から排出されるガスは、アノード電極１３で生じた遊離のＣＯ2と未反応の還元剤とを含むガスである。
【００４０】
混合ガス供給室２０は、カソード電極１２の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、混合ガスをカソード電極１２に供給するためのものであり、混合ガス供給板２１を用いて形成することができる。混合ガス供給板２１は、たとえば、混合ガス供給室２０を構成する空間を形成する凹部を有する部材であることができ、該凹部の開口がカソード電極１２に対向するように、混合ガス供給板２１をカソード電極１２上に積層することにより、混合ガス供給室２０を形成することができる。このようにして形成される混合ガス供給室２０は、カソード電極１２側の少なくとも一部がカソード電極１２に開放された空間からなる。たとえば、混合ガス供給板２１の対向する側面に、混合ガスを混合ガス供給室２０内に導入するための混合ガス供給室２０と連通した混合ガス導入口２２、および、二酸化炭素分離処理がなされ、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための混合ガス供給室２０と連通した処理ガス排出口２３を設けることにより、混合ガス供給室２０内に混合ガスを流通させることが可能になるとともに、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを回収することが可能となる。
【００４１】
還元剤供給板３１および混合ガス供給板２１の材質は特に制限されず、アルミニウム、ステンレスなどの各種金属材料、アクリル樹脂などの各種プラスチック材料、黒鉛などのカーボン粉末をフェノール樹脂などの高分子材料で結着させた樹脂含浸カーボン材料を用いることができる。還元剤供給板３１、混合ガス供給板２１が配線４０の一部として機能する場合（すなわち、これらの供給板が集電体としての機能を兼備する場合）は、電子伝導性を有する金属材料（アルミニウム、ステンレスなど）や樹脂含浸カーボン材料を用いることが好ましい。還元剤供給板３１および混合ガス供給板２１の厚みは、たとえば２〜３０ｍｍであり、好ましくは５〜１５ｍｍである。
【００４２】
図１において、混合ガス供給板２１の側面に設置される混合ガス導入口２２と、還元剤供給板３１の側面に設置される還元剤導入口３２とは、これら供給板の同じ側の側面に設置されているが、これに限定されるものではなく、混合ガス導入口２２と還元剤排出口３３とが同じ側の側面に設置されるようにしてもよい。ただし、混合ガス導入口２２付近では混合ガス中のＣＯ2濃度が高く、還元剤導入口３２付近では、還元剤中のＣＯ2濃度が低いことから、図１に示されるような配置は、カソード側とアノード側との間のＣＯ2の濃度差を大きくすることができ、これにより、二酸化炭素分離速度をより向上させることができる点でより有利である。
【００４３】
本実施形態の二酸化炭素分離装置は、混合ガス供給室２０内に混合ガスを導入し、還元剤供給室３０に還元剤を導入することにより、上述の中和反応および触媒反応を起こし、混合ガスの二酸化炭素分離処理、還元剤排出口３３からの二酸化炭素ガスの排出および中和剤としてのＯＨ-の再生を連続的に行なう。混合ガス供給室２０内への混合ガスの導入は、図２に示される二酸化炭素分離装置２００のように、ポンプ、ファン、送風機（ブロワ）等の混合ガス導入口２２に接続された混合ガス供給装置６０を用いて行なうことができる。混合ガス供給装置６０は、混合ガス供給装置６０または混合ガス導入口２２に接続された混合ガスタンク（混合ガス収容槽、図示せず）に収容されたものであってもよい。処理ガス排出口２３に接続された吸引ポンプなどであることもできる。本発明の二酸化炭素分離装置を用いた二酸化炭素分離処理においては、導入される混合ガスは、稼動時における混合ガス供給室２０内の圧力を還元剤供給室３０内の圧力より高くすることが好ましく、したがって、混合ガス供給装置６０としては、混合ガスを加圧して混合ガス供給室２０内に導入できる装置、たとえばポンプが好ましく用いられる。これは、混合ガス供給室２０内の圧力を高くして混合ガス供給室２０内の二酸化炭素分圧を高くすることにより、カソード側での二酸化炭素吸収速度をより高くすることができるためである。これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができ、このことは、さらなる混合ガス処理量の増加や装置の小型化に寄与する。
【００４４】
一方、還元剤供給室３０への還元剤の導入も同様に、図２に示されるようなポンプ、ファン、送風機（ブロワ）等の還元剤導入口３２に接続された還元剤供給装置６１や、吸引ポンプ等の還元剤排出口３３に接続された還元剤供給装置を用いて、還元剤タンク（還元剤収容槽）７０内の還元剤を還元剤供給室３０へ導入することにより行なうことができる。吸引ポンプ等を用いて、還元剤供給室３０内を減圧にして還元剤供給室３０内の二酸化炭素分圧を低くすることにより、アノード側での二酸化炭素放出速度をより増大させることができ、これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができる。
【００４５】
上記のように、混合ガス供給室２０内の圧力を還元剤供給室３０内の圧力より高くする方法としては、混合ガスを加圧して混合ガス供給室２０内に導入する方法、還元剤排出口３３からガスを吸引して還元剤供給室３０内を減圧にする方法、およびこれらの組み合わせが挙げられるが、いずれか一方の方法を採用する場合には、混合ガスを加圧して導入する方法が好ましい。これは、還元剤供給室３０内の二酸化炭素分圧は、比較的小さいため、該分圧を下げても二酸化炭素処理速度を向上させる効果が比較的小さい一方、混合ガス供給室２０内の二酸化炭素分圧は、比較的大きいため、該分圧を上げたときに得られる二酸化炭素処理速度の向上効果が比較的大きいためである。なお、混合ガス供給室２０と還元剤供給室３０とに圧力差を設ける場合には、アニオン交換形高分子電解質膜１１の機械的強度を向上させ、圧力差によるアニオン交換形高分子電解質膜１１の破損を防止する観点から、その厚みを大きくすることが好ましく、具体的には、２５〜１００μｍ程度とすることが好ましい。
【００４６】
ここで、カソード電極１２での触媒反応（上記式（１））は、水を必要とするため、カソード電極１２に供給される混合ガスは水分を含むことが好ましく、そのために、本発明の二酸化炭素分離装置は、図２に示されるように、混合ガス供給室２０より上流側に加湿装置５０を備えることが好ましい。また、電解質膜中や、アノード電解質、カソード電解質の含水率を高め、ＯＨ-やＣＯ32-の伝導度を高く保つために、還元剤に水分を付与するための加湿装置５１を、還元剤供給室３０より上流側に備えていてもよい。
【００４７】
還元剤供給室に導入する還元剤は、炭素原子を含まないガス状の還元剤であることが好ましく、たとえば、Ｈ2ガスを用いることができる。炭素原子を含む還元剤を用いた場合、アノード電極１３で生じる還元剤とＣＯ32-との酸化反応において、還元剤由来のＣＯ2が生成する結果、アノード電極１３で生成するＣＯ2の量が、炭素原子を含まない還元剤を用いる場合と比較して相対的に多くなるため、アノード電極１３にて上記式（２）の反応が起こり、中和剤として機能する電解質膜中のＯＨ-の量が減少して、二酸化炭素分離能力が低下する傾向がある。混合ガス供給室２０に供給される、二酸化炭素分離処理に供される混合ガスは、Ｏ2とＣＯ2を含む限り特に制限されず、空気などであることができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
図３は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置３００は、アノード電極１３とカソード電極１２とが抵抗を介して電気的に接続されていること以外は、上記第１の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態では、配線４０中に抵抗８０が介在している。
【００４９】
本発明の二酸化炭素分離装置では、二酸化炭素分離積層体１０において、上記式（１）〜（３）で示される一連の触媒反応および中和反応が生じ、これにより、アノード電極１３とカソード電極１２との間に電流が流れることとなることとなるが、当該電流が上記式（３）で必要な電流量を大きく超えると、上記式（４）の反応が支配的になる。上記式（４）の反応が起こると、還元剤が余分に消費されることとなり、二酸化炭素の分離効率（一定量のＣＯ2を分離するのに必要な還元剤量という意味での効率）の低下および分離コストの上昇をもたらす。アノード電極１３とカソード電極１２とを抵抗８０を介して電気的に接続することにより、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流が必要以上に大きくなり上記式（４）の反応が顕著になることを抑制することができ、これにより、二酸化炭素の分離効率の改善および分離コストの低減を図ることが可能になる。
【００５０】
抵抗８０は、可変抵抗であることが好ましい。たとえば、カソード電極１２への混合ガス供給量（混合ガス供給室２０に導入される混合ガス量）が変化する場合には、分離されるべきＣＯ2量も変化する。このような場合、アノード電極１３とカソード電極１２とを可変抵抗を介して電気的に接続することにより、分離すべきＣＯ2量が増加する場合には、可変抵抗の抵抗値を小さくし、逆に分離すべきＣＯ2量が減少する場合には、可変抵抗の抵抗値を大きくするなど、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量を制御することが可能となる。また、カソード側での中和反応（上記式（２）の反応）が進行し、アニオン交換形高分子電解質膜１１の抵抗値が増加した場合、電極の経時劣化（触媒の凝集やフラッディングなどが原因となり得る）が生じた場合、または装置の稼動条件や環境条件が変動する場合には、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量が低下することがある。かかる電流量の低下は、二酸化炭素分離速度を低下させる。このように電流値が所定量を下回った場合に、可変抵抗の抵抗値を小さくすれば、電流量、ひいては、二酸化炭素分離速度を高く維持することができる。このように、可変抵抗を用いた電流量の制御により、混合ガス供給量が変化する場合でも、分離すべきＣＯ2を確実に分離できるようになるとともに、電流量を必要以上に大きくしないことが可能になるため、上記式（４）の反応を抑制することができ、また、二酸化炭素分離速度を高く維持することができる。
【００５１】
アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量を自動制御できるよう、本発明の二酸化炭素分離装置は、混合ガス供給室２０に導入される混合ガス量を検出する検出部、および、該検出部の検出結果に基づいて可変抵抗の抵抗値を変化させる制御部を有していてもよい。
【００５２】
（第３の実施形態）
図４は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置４００は、アノード電極１３とカソード電極１２とが抵抗８０および発電装置９０を介して電気的に接続されていること以外は、上記第１の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態では、配線４０中に抵抗８０および発電装置９０が介在している。
【００５３】
発電装置９０は、たとえば、分離すべきＣＯ2量が多く、上記式（１）〜（３）の一連の反応によって発生する電流量では不十分である場合に有用である。このような場合、発電装置９０を利用し、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量を強制的に増大させることにより、触媒反応の反応速度、ひいては二酸化炭素の分離速度を増大させることができる。また、カソード側での中和反応（上記式（２）の反応）が進行し、アニオン交換形高分子電解質膜１１の抵抗値が増加した場合、電極の経時劣化（触媒の凝集やフラッディングなどが原因となり得る）が生じた場合、または装置の稼動条件や環境条件が変動する場合には、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量が低下することがある。かかる電流量の低下は、二酸化炭素分離速度を低下させる。このように電流値が所定量を下回った場合に、発電装置を稼動させる、またはその出力電圧を大きくすることによってアノード電極１３とカソード電極１２との間に生じる電位差を補助することにより、電流量、ひいては、二酸化炭素分離速度を高く維持することができる。
【００５４】
発電装置９０としては、たとえば、一次電池、二次電池、燃料電池、直流安定化電源などの直流電源を用いることができる。アノード電極１３からカソード電極１２へ流れる電流の電流量を増大できるよう、発電装置９０は、そのプラス極をアノード電極１３に、そのマイナス極をカソード電極１２に接続する。なお、図４に示されるように、抵抗８０と発電装置９０とを併用してもよいし、勿論、発電装置９０のみを用いてもよい。
【００５５】
（第４の実施形態）
図５は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置５００は、アノード電極１３を構成するアノード触媒層の体積を、カソード電極１２を構成するカソード触媒層の体積より大きくしたこと以外は、上記第１の実施形態と同様である。なお、図５は、アノード電極１３、カソード電極１２がそれぞれ、アノード触媒層、カソード触媒層のみからなる場合を示しているが、これに限定されるものではなく、上述のように、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層等を備えていてもよい。
【００５６】
通常、アノード電極１３での二酸化炭素放出速度は、カソード電極１２での二酸化炭素吸収速度より遅い。アノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくすることにより、アノード触媒層における三相界面の合計面積を、カソード触媒層における三相界面の合計面積より大きくすることができ、アノード電極１３での二酸化炭素放出速度を高めることができる。これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができ、このことは、さらなる混合ガス処理量の増加や装置の小型化に寄与する。なお、三相界面とは、触媒層において触媒、電解質および反応ガス（還元剤または酸素）が接触する部分であり、触媒反応に必要な全成分が接触して触媒反応が生じる部分である。
【００５７】
アノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくする手段としては、具体的には、アノード触媒層の面積をより大きくする、すなわち、アノード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜１１側の面の面積をカソード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜１１側の面の面積より大きくする；アノード触媒層の厚さをカソード触媒層の厚さより大きくする；および、これらの組み合わせが挙げられる。図５は、アノード触媒層の面積をより大きくした例である。
【００５８】
また、アノード触媒層とカソード触媒層の体積を同じとした上で、あるいは上述のように異なる体積とした上で、アノード触媒層中のアノード触媒の濃度をより大きくしたり、触媒成分として触媒担持担体を用いる場合において、アノード触媒成分として触媒担持量がより多い触媒担持担体を用いたりすることにより、アノード触媒の重量をカソード触媒の重量より多くし、これにより、アノード触媒層における三相界面の合計面積をより大きくすることも可能である。
【００５９】
（第５の実施形態）
図６は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置６００は、アノード電極１３の温度を上昇させるための温度制御装置９５をさらに備えること以外は、上記第１の実施形態と同様である。温度制御装置９５を利用して、アノード電極１３の温度を上昇させることにより、アノード電極１３での触媒反応を増加させることができ、ひいては、アノード側での二酸化炭素放出速度を増大させることができる。これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができ、このことは、さらなる混合ガス処理量の増加や装置の小型化に寄与する。
【００６０】
温度制御装置９５としては、ヒータ（たとえばシート状のもの）を用いることができる。温度制御装置９５の設置箇所は、アノード電極１３を加熱できる位置であれば特に制限されないが、還元剤供給板３１の表面上が好適である。
【００６１】
一方、カソード電極１２での二酸化炭素吸収速度を大きくするためには、カソード電極１２の温度を下げることが望ましく、このために、アノード側に設置した温度制御装置９５により、カソード電極１２の温度ができるだけ上昇しない構成とすることが好ましい。このような構成の具体例としては、アニオン交換形高分子電解質膜１１の厚みをより大きくする；混合ガス供給板２１の外表面に放熱ファンを設ける、などを挙げることができる。ただし、アノード電極１３での二酸化炭素放出速度に対して、カソード電極１２での二酸化炭素吸収速度は十分に大きいため、カソード電極１２の温度がアノード側に設置した温度制御装置９５により上昇することによる二酸化炭素分離速度への悪影響はあまり大きくない。
【００６２】
アノード側に温度制御装置９５を設置する場合、図７に示される二酸化炭素分離装置７００のように、この温度制御装置９５として、上述したアノード電極１３とカソード電極１２とを電気的に接続するための配線４０に介在させる抵抗８０を用い、抵抗８０が温度制御装置９５を兼ねた構成とすることもできる。このような構成は、装置の簡略化を図ることができるとともに、温度制御装置９５の稼動に外部エネルギーを必要としないため、エネルギー効率化を図ることができる点で有利である。
【００６３】
（第６の実施形態）
図８は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置８００は、上記第１〜第５の実施形態の二酸化炭素分離装置が備える二酸化炭素分離積層体１０が平板状であるのに対し、円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を用いることを特徴とする。その他の構成については、上記第１の実施形態と同様とすることができる。このような円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を用いると、その中空部を混合ガス供給室２０または還元剤供給室３０として利用することができるため、混合ガス供給板２１または還元剤供給板３１を不要とすることができる。これにより、装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。また、円筒状の二酸化炭素分離積層体１０の径を小さくした場合には、二酸化炭素分離積層体１０単位体積当たりの電極面積を大きくすることができるため、装置体積当たりの混合ガス処理量を向上させることができる。
【００６４】
カソード電極１２、アニオン交換形高分子電解質膜１１およびアノード電極１３の積層順序は、内側から、カソード電極１２／アニオン交換形高分子電解質膜１１／アノード電極１３の順、または、アノード電極１３／アニオン交換形高分子電解質膜１１／カソード電極１２の順のいずれであってもよいが、図８に示される二酸化炭素分離装置８００のように、内側から、カソード電極１２／アニオン交換形高分子電解質膜１１／アノード電極１３の順とすることが好ましい。このような積層順序は、必然的にアノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくするため、上記第４の実施形態の効果を同時に得ることができる点において有利である。
【００６５】
円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を用いる場合、外殻の電極の外側に配置される還元剤供給板３１または混合ガス供給板２１は、図８に示されるように、円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を取り囲むように設けることができる。この場合、還元剤供給板３１または混合ガス供給板２１と外殻の電極との間に形成される空間が還元剤供給室３０または混合ガス供給室２０となる。
【００６６】
（第７の実施形態）
図９および図１０は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略図であり、図９（ａ）および図１０（ａ）は各部材の積層方向と平行に切断したときの概略断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示されるＡ−Ａ’線で切断したときの概略上面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示されるＢ−Ｂ’線で切断したときの概略上面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置９００，１０００は、その混合ガス供給室が空間的に互いに分離された２つの混合ガス供給室、第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂからなることを特徴とする。その他の構成については、上記第１の実施形態と同様とすることができる。
【００６７】
ここで、カソード電極１２は、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とのみ接しており、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とは接していない。第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間は、アニオン交換形高分子電解質膜１１と接している。すなわち、カソード電極１２は、第２の混合ガス供給室２０ｂの直下にのみ（第２の混合ガス供給室２０ｂとアニオン交換形高分子電解質膜１１との間にのみ）形成されている。このように、本実施形態では、混合ガス供給室を第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂの２つに分離し、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間のみをカソード電極１２に開放する構成としている。
【００６８】
上記のような構成は次の点において有利である。すなわち、本発明の二酸化炭素分離装置を用いた二酸化炭素分離においては、上記式（１）の触媒反応により、被処理ガスである酸素および二酸化炭素を含む混合ガス中の酸素が一部消費される。二酸化炭素が低減または除去された処理ガス中の酸素濃度を高く維持することが望まれる場合（たとえば、後述するように、処理ガスをアルカリ形燃料電池のカソード極に供給する酸化剤として用いる場合、処理ガスの酸素濃度が低いと、燃料電池の発電効率が低下してしまう）には、上記式（１）による酸素消費をできるだけ抑制しつつ、二酸化炭素を分離する必要がある。本実施形態では、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間のみをカソード電極１２に開放し、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間は、カソード電極１２に開放することなくアニオン交換形高分子電解質膜１１と接触させる構成としているため、第２の混合ガス供給室２０ｂに導入された混合ガスについてのみ酸素消費がなされ（勿論、二酸化炭素の吸収も起こる）、一方、第１の混合ガス供給室２０ａに導入された混合ガスについては、酸素消費が生じず、二酸化炭素の吸収のみがなされる。このように、本実施形態の二酸化炭素分離装置は、二酸化炭素分離を行なう上で必須である上記式（１）の反応の反応試剤として、第２の混合ガス供給室２０ｂに導入される混合ガスのみを用いるため、第１の混合ガス供給室２０ａを通過することにより得られる処理ガスを、酸素濃度が維持された酸素含有ガスとして取り出すことを可能とする。
【００６９】
第１の混合ガス供給室２０ａを通過することにより得られる、酸素濃度が維持された処理ガスは、たとえば、アルカリ形燃料電池のカソード極に供給する酸化剤として有用である。該処理ガスは十分に高い酸素濃度を有しているため、これを酸化剤として用いた燃料電池は高い発電効率を示す。なお、第２の混合ガス供給室２０ｂを通過することにより得られる処理ガスの利用方法は任意であるが、燃料電池への適用に関していえば、好ましくは、燃料電池に供給することなく、系外に排出される。
【００７０】
第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜１１とが接する領域の合計面積を、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とカソード電極１２とが接する領域の合計面積より大きくすることが好ましい。この理由は次のとおりである。すなわち、本発明の二酸化炭素分離装置を用いた二酸化炭素分離においては、上記式（３）の触媒反応によって生じる電荷量と、上記式（１）の触媒反応で消費される電荷量とが釣り合っていることが望ましい。上記式（１）の触媒反応で消費される電荷量がより大きい場合には、アニオン交換形高分子電解質膜１１にＯＨ-が過剰供給される結果、上記式（４）のような反応によって還元剤が余分に消費されることとなり、二酸化炭素の分離効率（一定量のＣＯ2を分離するのに必要な還元剤量という意味での効率）の低下および分離コストの上昇をもたらす。たとえば、混合ガスが空気である場合、二酸化炭素濃度は４００ｐｐｍ程度であり、アノード電極１３で起こる上記式（３）の触媒反応によって生じる電荷量は小さい。したがって、カソード電極１２で起こる上記式（１）の触媒反応で消費される電荷量を、上記式（３）の触媒反応による電荷量と釣り合わせるためには、上記式（１）の触媒反応を比較的低く抑えることが望ましく、このための手段として、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜１１とが接する領域の合計面積を、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とカソード電極１２とが接する領域の合計面積より大きくすることは極めて有効である。このような構成によれば、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とカソード電極１２とが接する領域の合計面積がより小さいため、上記式（１）の触媒反応による電荷量を抑制することができ、これにより、上記式（４）のような還元剤が余分に消費する反応を抑制することができる。また、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜１１とが接する領域の合計面積が比較的大きいため、十分な二酸化炭素分離速度が維持される。
【００７１】
なお、上記式（１）の触媒反応による電荷量を抑制するための他の手段として、混合ガス供給室を２つに分離することなく、単純にカソード電極１２の面積を小さくすることが考えられるが、このような場合には、二酸化炭素の吸収速度も低下するため、十分な二酸化炭素分離速度が得られないおそれがある。
【００７２】
第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂの形状は、これらが空間的に互いに分離されている限り特に制限されず、たとえば、図９（ｂ）および図１０（ｂ）に示されるような、互いに平行に交差することなく延びるサーペンタイン状の２つの流路からなることもできるし、あるいは、互いに平行に延びるライン状の流路であることもできるが、サーペンタイン状の流路にすると、上記式（１）の反応を電極面積全体にわたって均一に行なわせることができ、局所的な温度上昇や、局所的な触媒劣化などが生じにくくなる点において有利である。このような空間的に互いに分離された２つの混合ガス供給室は、一方の表面に、２つの混合ガス供給室の形状に応じた形状の２本の溝が一方の表面に形成された混合ガス供給板２１を用いて形成することができる。なお、図９（ｂ）および図１０（ｂ）において、２２ａ、２３ａはそれぞれ、第１の混合ガス供給室２０ａに接続された第１の混合ガス導入口、第１の処理ガス排出口であり、２２ｂ、２３ｂはそれぞれ、第２の混合ガス供給室２０ｂに接続された第２の混合ガス導入口、第２の処理ガス排出口である。
【００７３】
＜アルカリ形燃料電池システム＞
上記本発明に係る二酸化炭素分離装置は、従来公知のアルカリ形燃料電池と組み合わせてアルカリ形燃料電池システムとするのに好適である。アルカリ形燃料電池には、電解質として、アニオン交換形高分子電解質を利用するものや、アルカリ水溶液を利用するものがあるが、いずれの場合においても、その電解質には電荷キャリアとしてＯＨ-イオンが含まれる。アルカリ形燃料電池に、酸化剤として二酸化炭素を含む酸素含有ガス（二酸化炭素を含む空気等）を供給すると、電解質膜中のＯＨ-がＣＯ32-で置換され、イオン伝導抵抗が増加したり、燃料電池反応を阻害したりする結果、特に稼動初期において発電効率が低下するという問題がある。本発明の二酸化炭素分離装置を用いて酸素および二酸化炭素を含有する混合ガス（空気等）を二酸化炭素分離処理して得られる処理ガスをアルカリ形燃料電池のカソード極に供給する酸化剤として使用することにより、アルカリ形燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。なかでも、発電効率低下をより効果的に抑制するためには、上記第７の実施形態に係る二酸化炭素分離装置を用いることが好ましい。
【００７４】
図１１は、本発明のアルカリ形燃料電池システムの好ましい一例を示す概略図である。図１１に示されるアルカリ形燃料電池システムは、単位電池であるアルカリ形燃料電池１のスタック構造（たとえば、アルカリ形燃料電池１の複数を直列接続したもの）からなる燃料電池スタック２と、本発明に係る二酸化炭素分離装置３とを備えるものである。二酸化炭素分離装置３が有する混合ガス供給室の処理ガス排出口は、燃料電池スタック２が有するそれぞれのアルカリ形燃料電池１のカソード極側（たとえば、カソード極に空気等の酸化剤（処理ガス）を供給するためのカソード極セパレータ）に直列的に接続されており、これにより、混合ガス供給室の処理ガス排出口から排出された処理ガスが各アルカリ形燃料電池１のカソード極に供給可能となっている（図１１の点線）。一方、各アルカリ形燃料電池１のアノード側（たとえば、アノード極にＨ2等の還元剤を供給するためのアノード極セパレータ）は流路を介して直列的に接続されており、１つの還元剤流路を形成している（図１１の実線）。当該還元剤流路の一方端は、二酸化炭素分離装置３が有する還元剤供給室の還元剤導入口に接続される（図１１の実線）。当該還元剤流路の他方端から導入されたＨ2等の還元剤は、すべてのアルカリ形燃料電池１のアノード側を通って排出された後、二酸化炭素分離装置３の還元剤導入口から還元剤供給室に導入されることとなる。
【００７５】
上記構成のアルカリ形燃料電池システムによれば、アルカリ形燃料電池の発電効率低下を抑制することができるだけでなく、燃料電池スタック２から排出された未反応の還元剤を、二酸化炭素分離装置３による二酸化炭素分離処理において必要となる還元剤として有効利用することが可能となる。従来のアルカリ形燃料電池および燃料電池スタックにおいては、未反応のＨ2等の還元剤を除去または無害化するための装置を別途設置する必要があるが、本発明のアルカリ形燃料電池システムによれば、二酸化炭素分離装置３が還元剤除去装置の機能を果たすため、別途の除去装置を要せず、燃料電池システムの簡略化およびシステムコストの削減を図ることができる。
【００７６】
また、本発明に係る二酸化炭素分離装置３は、アルカリ形燃料電池と類似の構造を有しているため、製造上の観点から、燃料電池システムの構築（モジュラー化）が容易である。
【００７７】
アルカリ形燃料電池１としては、少なくとも、アノード極と、電解質層（たとえば、アニオン交換形高分子電解質膜であることができる）と、カソード極とをこの順で備える従来公知のものを用いることができる。アルカリ形燃料電池１をスタック化した燃料電池スタック２の構造は特に限定されず、従来公知のものであってよい。燃料電池スタック２は、アルカリ形燃料電池１を並列的に接続、複合化したものであってもよい。
【実施例】
【００７８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７９】
〔二酸化炭素分離装置の作製〕
＜実施例１＞
以下の手順で、図３と類似の構造を有する二酸化炭素分離装置を作製した。
【００８０】
（１）二酸化炭素分離積層体１０の作製
ポリビニルベンジルクロライド（シグマアルドリッチ社製）のテトラヒドロフラン（和光純薬製、以下同じ）溶液に、氷浴下で攪拌しながら、トリメチルアミン３０％水溶液（和光純薬製）をテトラヒドロフランに溶解させた溶液を３０分かけて滴下した。滴下後、室温にて一晩攪拌し、テトラヒドロフランを加えて静置させ、上澄み液を取り除いた後、溶媒を加熱留去することにより、薄白色の水溶性の電解質（アニオン交換樹脂）を得た。得られたアニオン交換樹脂に水を加え、アニオン交換樹脂を５重量％含有する電解質溶液を得た。
【００８１】
Ｐｔ担持量が５０重量％のＰｔ／Ｃである触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）を０．５ｇ、上記で得られた電解質溶液を７．３５ｇ、イソプロパノール３ｇおよびジルコニアビーズ１００ｇをＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行ない、ついでジルコニアビーズを除去することにより、アノード触媒層用の触媒ペーストを作製した。
【００８２】
同様に、Ｐｔ担持量が５０重量％のＰｔ／Ｃである触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）を０．５ｇ、上記で得られた電解質溶液を７．３５ｇ、イソプロパノール３ｇおよびジルコニアビーズ１００ｇをＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行ない、ついでジルコニアビーズを除去することにより、カソード触媒層用の触媒ペーストを作製した。
【００８３】
次に、アノードガス拡散層としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製「ＧＤＬ３５ＢＣ」）を縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのアノードガス拡散層の一方の面に、上記のアノード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、アノードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にアノード触媒層が形成されたアノード電極１３を作製した。
【００８４】
同様に、カソードガス拡散層としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製「ＧＤＬ３５ＢＣ」）を縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのカソードガス拡散層の一方の面に、上記のカソード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、カソードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にカソード触媒層が形成されたカソード電極１２を作製した。
【００８５】
次に、９５．０ｍｍ×９５．０ｍｍのサイズに切り出したフッ素樹脂系高分子電解質膜（旭化成社製「アシプレックス」）をアニオン交換形高分子電解質膜１１として用い、上記アノード電極１３と電解質膜１１と上記カソード電極１２とをこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜１１に対向するように重ね合わせた後、１３０℃、１０ｋＮで２分間の熱圧着を行なうことにより、アノード電極１３およびカソード電極１２を電解質膜１１に接合し、アノード電極１３、アニオン交換形高分子電解質膜１１、カソード電極１２をこの順で備えた二酸化炭素分離積層体１０を得た。上記重ね合わせは、アノード電極１３とカソード電極１２の電解質膜１１の面内における位置が一致するように、かつアノード電極１３と電解質膜１１とカソード電極１２の中心が一致するように行なった。
【００８６】
（２）二酸化炭素分離装置の作製
アルミニウム板（縦９５．０ｍｍ×横９５．０ｍｍ×厚み１５．０ｍｍ）の一方の面に、サーペンタイン状の溝（断面積４ｍｍ2）からなる還元剤供給室３０を、その両末端がアルミニウム板の１つの端面に位置するように形成した後、還元剤供給室３０の両末端にそれぞれチューブ継手（スウェージロック社製、品番：ＳＳ−４００−１−２）を接続することにより還元剤導入口３２、還元剤排出口３３を形成して、還元剤供給板３１とした。また、これと同じものをもう１枚作製し、混合ガス供給板２１とした（サーペンタイン状の溝は混合ガス供給室２０であり、２つの継手は混合ガス導入口２２、処理ガス排出口２３である）。
【００８７】
上記（１）で得られた二酸化炭素分離積層体１０のアノードガス拡散層上に、還元剤供給室３０側がアノードガス拡散層に対向するように還元剤供給板３１を積層するとともに、カソードガス拡散層上に、混合ガス供給室２０側がカソードガス拡散層に対向するように混合ガス供給板２１を積層し、これらをボルト締めによって締結し、還元剤供給板３１と混合ガス供給板２１とを、抵抗８０（秋月電気通商製の可変抵抗、小型ボリューム １ＫΩＢ）を介して導線（配線４０）で接合することにより、二酸化炭素分離装置を得た。
【００８８】
＜実施例２＞
アノード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が１．０ｍｇ／ｃｍ2となるようにアノードガス拡散層の一方の面に塗布したこと以外は実施例１と同様にして二酸化炭素分離積層体を作製し、これを用いて二酸化炭素分離装置を作製した。
【００８９】
＜実施例３＞
実施例１で作製した二酸化炭素分離装置の還元剤供給板３１のアノードガス拡散層と対向する面とは反対側の面に、シリコンラバーヒーターを設置して、本実施例の二酸化炭素分離装置とした。
【００９０】
＜実施例４＞
（１）二酸化炭素分離積層体１０の作製
カソードガス拡散層としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製「ＧＤＬ３５ＢＣ」）を縦１０．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのカソードガス拡散層の一方の面に、実施例１で調製したカソード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦１０．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、カソードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にカソード触媒層が形成されたカソード電極１２を作製した。このカソード電極１２を用いたこと以外は実施例１と同様にして、二酸化炭素分離積層体１０を作製した。
【００９１】
（２）二酸化炭素分離装置の作製
図１２は、本実施例で作製した二酸化炭素分離装置を示す概略図であり、図１２（ａ）はその断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示されるＣ−Ｃ’線で切断したときの概略上面図である。図１２を参照して、まず、アルミニウム板（縦９５．０ｍｍ×横９５．０ｍｍ×厚み１５．０ｍｍ）の一方の面に、略Ｍ字状の溝からなる第１の混合ガス供給室２０ａを形成し、その両末端にそれぞれチューブ継手（スウェージロック社製、品番：ＳＳ−４００−１−２）からなる第１の混合ガス導入口２２ａ、第１の処理ガス排出口２３ａを接続するとともに、第１の混合ガス供給室２０ａとは別の（互いに連通しない）略Ｕ字状の溝からなる第２の混合ガス供給室２０ｂを形成し、その両末端にそれぞれ、上記と同じ継手からなる第２の混合ガス導入口２２ｂ、第２の処理ガス排出口２３ｂを接続して、混合ガス供給板２１とした。図１２（ｂ）に示されるように、第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂは、混合ガス供給板２１の中央領域（領域Ｘ、ＹおよびＺからなる領域）において、蛇行状の２つの分離された空間を形成している。第２の混合ガス供給室２０ｂが形成する領域Ｙ（縦１０．３ｍｍ×横２２．３ｍｍ）における空間は、カソード電極１２と接する空間である（図１２（ａ）参照）。一方、第１の混合ガス供給室２０ａが形成する領域ＸおよびＺ（ともに縦６．０ｍｍ×横２２．３ｍｍ）における空間は、カソード電極１２とは接しない空間であり、その直下にはアニオン交換形高分子電解質膜１１が配置されることとなる。
【００９２】
このようにして作製した混合ガス供給板２１および上記（１）で得られた二酸化炭素分離積層体１０を用いたこと以外は実施例１と同様にして、二酸化炭素分離装置を得た。
【００９３】
（二酸化炭素分離装置の二酸化炭素分離能の評価）
〔１〕評価方法
次の方法に従い、実施例１〜４で作製した二酸化炭素分離装置の二酸化炭素分離能を評価した。二酸化炭素分離装置の温度を５０℃に保った状態（ただし、実施例３の二酸化炭素分離装置の場合においては、シリコンラバーヒーターによる加熱により還元剤供給板３１の表面温度を６０℃に調整した）で、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿したＨ2ガスを、還元剤導入口３２から１００ｍＬ／分の流量で、還元剤供給室３０内に供給するとともに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を、混合ガス導入口２２から１００ｍＬ／分の流量で、混合ガス供給室２０内に供給し、還元剤供給板３１と混合ガス供給板２１との間に流れる電流が１００ｍＡとなるように、可変抵抗のボリュームを調整しながら二酸化炭素分離装置を稼動させ、処理ガス排出口２３から排出された処理ガスを１００ｍＬの石灰水中にバブリングし、二酸化炭素との反応により石灰水が白濁するまでに要した時間を計測した。実施例４の二酸化炭素分離装置においては、第１の混合ガス供給室２０ａ、第２の混合ガス供給室２０ｂのそれぞれに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を１００ｍＬ／分の流量で供給し、第１の処理ガス排出口２３ａから排出された処理ガスを１００ｍＬの石灰水中にバブリングし、上記時間を計測した。
【００９４】
二酸化炭素分離装置を通過させることなく、直接、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を１００ｍＬ／分の流量で、１００ｍＬの石灰水中にバブリングしたときの、石灰水が白濁するまでの時間は３分であった。
【００９５】
〔２〕評価結果
実施例１では、石灰水が白濁するのに３０分を要した。白濁した石灰水を新しいものに取り替え、再び白濁するまでに要する時間を計測したところ、同じく３０分であることを確認し、二酸化炭素分離能が長時間維持されることを確認した。また、酸素濃度計Ｇ−１０３（飯島電子工業株式会社製）を用いて、処理ガス排出口２３から排出される処理ガス中の酸素濃度と、混合ガス導入口２２から供給した空気中の酸素濃度を検出したところ、混合ガス導入口２２から供給された空気中の酸素濃度を１００とした場合、処理ガス排出口２３から排出される処理ガス中の酸素濃度は９９未満の酸素濃度であることが確認された。
【００９６】
実施例２では、石灰水が白濁するのに３５分を要し、実施例１と比較し、二酸化炭素分離能が向上していることを確認することができた。
【００９７】
実施例３では、石灰水が白濁するのに３５分を要し、実施例１と比較し、二酸化炭素分離性能が向上していることを確認することができた。
【００９８】
実施例４では、石灰水が白濁するのに３０分を要し、実施例１と同等であった。また、酸素濃度計Ｇ−１０３（飯島電子工業株式会社製）を用いて、第１の処理ガス排出口２３ａから排出される処理ガス中の酸素濃度と、第１の混合ガス導入口２２ａから供給した空気中の酸素濃度を検出したところ、第１の混合ガス導入口２２ａから供給した空気中の酸素濃度を１００とした場合、第１の処理ガス排出口２３ａから排出される処理ガス中の酸素濃度は、９９以上の酸素濃度であることが確認された。
【００９９】
〔アルカリ形燃料電池システムの作製〕
＜実施例５＞
（１）アルカリ形燃料電池の作製
膜電極複合体として、上記実施例１で作製した二酸化炭素分離積層体１０と同じものを用いた。また、アルミニウム板（縦９５．０ｍｍ×横９５．０ｍｍ×厚み１５．０ｍｍ）の一方の面に、サーペンタイン状の溝（断面積４ｍｍ2）からなるアノード流路（燃料流路）を、その両末端がアルミニウム板の１つの端面に位置するように形成した後、アノード流路の両末端にそれぞれチューブ継手（スウェージロック社製、品番：ＳＳ−４００−１−２）を接続することによりアノード供給口、アノード排出口を形成して、アノード極セパレータとした。また、これと同じものをもう１枚作製し、カソード極セパレータとした（サーペンタイン状の溝はカソード流路（酸化剤流路）であり、２つの継手はカソード供給口、カソード排出口である）。
【０１００】
上記膜電極複合体のアノードガス拡散層上に、アノード流路側がアノードガス拡散層に対向するようにアノード極セパレータを積層するとともに、カソードガス拡散層上に、カソード流路側がカソードガス拡散層に対向するようにカソード極セパレータを積層し、これらをボルト締めによって締結することで、アルカリ形燃料電池を作製した。
【０１０１】
（２）アルカリ形燃料電池システムの作製
実施例１で作製した二酸化炭素分離装置の処理ガス排出口２３と、アルカリ形燃料電池のカソード供給口とをＳＵＳ配管で接続し、アルカリ形燃料電池のアノード排出口と、ニ酸化炭素分離装置の還元剤導入口３２とをＳＵＳ配管で接続することで、アルカリ形燃料電池システムを作製した。
【０１０２】
（アルカリ形燃料電池システムの電池特性の評価）
二酸化炭素分離装置およびアルカリ形燃料電池の温度を５０℃に保った状態で、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿したＨ2ガスを、アルカリ形燃料電池のアノード供給口から１００ｍＬ／分の流量で供給するとともに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を、二酸化炭素分離装置の混合ガス導入口２２から１００ｍＬ／分の流量で供給し、二酸化炭素分離装置の還元剤供給板３１と混合ガス供給板２１との間に流れる電流が１００ｍＡとなるように、可変抵抗のボリュームを調整しながら二酸化炭素分離装置を稼動させつつ、アルカリ形燃料電池を稼動し、アルカリ形燃料電池のアノード極セパレータとカソード極セパレータとの間に流れる電流を１Ａに設定したときの、システム稼動開始から１分後の出力電圧を測定した。出力電圧は０．４Ｖであった。
【０１０３】
＜比較例１＞
実施例５で作製したアルカリ形燃料電池に直接、二酸化炭素分離装置で処理されていない空気を供給することにより、アルカリ形燃料電池の出力電圧を測定した。すなわち、実施例５で作製したアルカリ形燃料電池の温度を５０℃に保った状態で、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿したＨ2ガスを、アルカリ形燃料電池のアノード供給口から１００ｍＬ／分の流量で供給するとともに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を、カソード供給口から１００ｍＬ／分の流量で供給することにより、アルカリ形燃料電池を稼動し、アノード極セパレータとカソード極セパレータとの間に流れる電流を１Ａに設定したときの、稼動開始から１分後の出力電圧を測定した。出力電圧は０．２Ｖであった。
【符号の説明】
【０１０４】
１ アルカリ形燃料電池、２ 燃料電池スタック、３，１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００ 二酸化炭素分離装置、１０ 二酸化炭素分離積層体、１１ アニオン交換形高分子電解質膜、１２ カソード電極、１３ アノード電極、２０ 混合ガス供給室、２０ａ 第１の混合ガス供給室、２０ｂ 第２の混合ガス供給室、２１ 混合ガス供給板、２２ 混合ガス導入口、２２ａ 第１の混合ガス導入口、２２ｂ 第２の混合ガス導入口、２３ 処理ガス排出口、２３ａ 第１の処理ガス排出口、２３ｂ 第２の処理ガス排出口、３０ 還元剤供給室、３１ 還元剤供給板、３２ 還元剤導入口、３３ 還元剤排出口、４０ 配線、５０，５１ 加湿装置、６０ 混合ガス供給装置、６１ 還元剤供給装置、７０ 還元剤タンク、８０ 抵抗、９０ 発電装置、９５ 温度制御装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気等の酸素ガスと二酸化炭素ガスとを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための二酸化炭素分離装置およびその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合ガスから二酸化炭素を分離する方法としては、従来、様々な手法が提案されており、なかでも、活性炭、各種複合酸化物、アミン系溶媒、炭酸カリウム水溶液などからなる吸着剤もしくは吸収剤を用いた方法（たとえば特許文献１）を代表的なものとして挙げることができる。
【０００３】
しかしながら、吸着剤もしくは吸収剤を用いた方法においては、吸着剤もしくは吸収剤の再生操作が必要であるために、装置内に何らかの再生装置（たとえば高温処理装置など）を付設する必要があり、二酸化炭素分離装置の小型化が困難であるとともに、連続運転が困難であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９７６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記のような再生操作およびこれに伴う再生装置の付設が不要で、簡便な構造を有し、小型化が可能な二酸化炭素分離装置およびこれを用いたアルカリ形燃料電池システム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】
本発明は、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための装置であって、アノード電極とアニオン交換形高分子電解質膜とカソード電極とをこの順で備える二酸化炭素分離積層体；アノード電極の外面上に配置され、アノード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、還元剤をアノード電極に供給するための還元剤供給室；および、カソード電極の外面上に配置され、カソード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、混合ガスをカソード電極に供給するための混合ガス供給室を含み、アノード電極とカソード電極とが電気的に接続されている二酸化炭素分離装置を提供する。
【０００７】
アノード電極とカソード電極とは、抵抗（好ましくは可変抵抗）、あるいは、必要に応じて該抵抗とともに、発電装置を介して電気的に接続することができる。
【０００８】
本発明の二酸化炭素分離装置において、アノード電極は、アニオン交換形高分子電解質膜の一方の表面に積層されるアノード触媒層を有し、カソード電極は、アニオン交換形高分子電解質膜の他方の表面に積層されるカソード触媒層を有することが好ましい。この際、アノード触媒層は、その体積をカソード触媒層より大きくすることが好ましい。たとえば、アノード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積を、カソード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積より大きくすることにより、アノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくすることができる。
【０００９】
本発明の二酸化炭素分離装置は、アノード電極の温度を上昇させるための温度制御装置をさらに備えていてもよい。アノード電極とカソード電極とが抵抗を介して電気的に接続されている場合には、この抵抗が温度制御装置を兼ねていてもよい。
【００１０】
本発明の二酸化炭素分離装置が備える二酸化炭素分離積層体は、内側から順に、カソード電極とアニオン交換形高分子電解質膜とアノード電極とを備える円筒状の積層体であってもよい。この場合、混合ガス供給室は、このような二酸化炭素分離積層体の中空部からなることができる。
【００１１】
本発明の二酸化炭素分離装置の好ましい実施形態において、混合ガス供給室は、空間的に互いに分離された第１の混合ガス供給室と第２の混合ガス供給室とからなり、カソード電極は、第２の混合ガス供給室を形成する空間とのみ接しており、かつ、第１の混合ガス供給室を形成する空間は、アニオン交換形高分子電解質膜と接している。このような実施形態においては、第１の混合ガス供給室を形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜とが接する領域の合計面積を、第２の混合ガス供給室を形成する空間とカソード電極とが接する領域の合計面積より大きくすることが好ましい。
【００１２】
本発明の二酸化炭素分離装置において、還元剤供給室は、還元剤を導入するための還元剤導入口と、還元剤および二酸化炭素ガスを含むガスを排出するための還元剤排出口とを有し、混合ガス供給室は、混合ガスを導入するための混合ガス導入口と、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための処理ガス排出口とを有することが好ましい。
【００１３】
また本発明は、上記二酸化炭素分離装置と、少なくとも、アノード極と、電解質層と、カソード極とをこの順で備えるアルカリ形燃料電池とを含み、二酸化炭素分離装置の処理ガス排出口から排出された処理ガスが、アルカリ形燃料電池のカソード極に供給されるとともに、アルカリ形燃料電池のアノード極から排出された還元剤が二酸化炭素分離装置の還元剤導入口から還元剤供給室内に導入される、アルカリ形燃料電池システムを提供する。
【００１４】
さらに本発明の上記二酸化炭素分離装置の使用方法を提供する。本発明の二酸化炭素分離装置の使用方法は、混合ガス供給室内の圧力を、還元剤供給室内の圧力より高くすることを特徴とする。たとえば、混合ガスを加圧して混合ガス供給室内に導入することにより、混合ガス供給室内の圧力を、還元剤供給室内の圧力より高くすることができる。
【００１５】
また本発明は、アノード電極とカソード電極とが可変抵抗を介して電気的に接続された上記二酸化炭素分離装置の使用方法であって、アノード電極とカソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、可変抵抗の抵抗値を減少させることを特徴とする二酸化炭素分離装置の使用方法、および、アノード電極とカソード電極とが発電装置を介して電気的に接続された上記二酸化炭素分離装置の使用方法であって、アノード電極とカソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、発電装置の出力電圧を増加させることを特徴とする二酸化炭素分離装置の使用方法を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、二酸化炭素吸着剤もしくは吸収剤を用いた二酸化炭素分離装置に必須となる吸着剤もしくは吸収剤の再生装置の付設が不要となるため、簡便な構造を有し、小型化が可能な二酸化炭素分離装置を提供することができる。また、アルカリ形燃料電池に供給する酸化剤中の二酸化炭素を分離するための装置として本発明の二酸化炭素分離装置を適用した本発明のアルカリ形燃料電池システムによれば、同様に該システムの小型化を図ることができるとともに、アルカリ形燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の二酸化炭素分離装置の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図４】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図６】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図７】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図９】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略図である。
【図１０】本発明の二酸化炭素分離装置の他の好ましい一例を示す概略図である。
【図１１】本発明のアルカリ形燃料電池システムの好ましい一例を示す概略図である。
【図１２】実施例４で作製した二酸化炭素分離装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の二酸化炭素分離装置およびアルカリ形燃料電池システムを実施の形態を示して詳細に説明する。
【００１９】
＜二酸化炭素分離装置＞
本発明の二酸化炭素分離装置は、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガス（空気など）から二酸化炭素ガスを分離するための装置である。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。図１に示される本実施形態の二酸化炭素分離装置１００は、アノード電極１３とアニオン交換形高分子電解質膜１１とカソード電極１２とをこの順で備える平板状の二酸化炭素分離積層体１０；アノード電極１３の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、アノード電極１３側の少なくとも一部（図１においては全部）が開放された空間からなる、還元剤をアノード電極１３に供給するための還元剤供給室３０；カソード電極１２の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、カソード電極１２側の少なくとも一部（図１においては全部）が開放された空間からなる、混合ガスをカソード電極１２に供給するための混合ガス供給室２０；および、アノード電極１３とカソード電極１２とを電気的に接続している接続手段としての配線４０から構成された平板状の装置である。
【００２１】
アノード側に配置される還元剤供給室３０は、還元剤供給室３０を形成する凹部を有した還元剤供給板３１から形成されている。還元剤供給板３１の対向する側面には、還元剤を還元剤供給室３０内に導入するための還元剤導入口３２と、還元剤供給室３０内のガスを排出するための還元剤排出口３３が設けられている。還元剤導入口３２および還元剤排出口３３は、還元剤供給室３０と連通している。
【００２２】
カソード側に配置される混合ガス供給室２０は、混合ガス供給室２０を形成する凹部を有した混合ガス供給板２１から形成されている。混合ガス供給板２１の対向する側面には、混合ガスを混合ガス供給室２０内に導入するための混合ガス導入口２２と、二酸化炭素分離処理がなされ、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための処理ガス排出口２３が設けられている。混合ガス導入口２２および処理ガス排出口２３は、混合ガス供給室２０と連通している。
【００２３】
図示しないが、アノード電極１３は、アニオン交換形高分子電解質膜１１の一方の表面に積層されるアノード触媒層を有し、カソード電極１２は、アニオン交換形高分子電解質膜１１の他方の表面に積層されるカソード触媒層を有している。
【００２４】
上記構成の装置によれば、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素を効率的に除去または低減することができる。すなわち、混合ガス導入口２２を通して混合ガス供給室２０内に空気等の混合ガスを導入すると、カソード電極１２のカソード触媒層では、下記式（１）：
Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ‐ → ４ＯＨ- （１）
で表される触媒反応によりＯＨ-が生成されるとともに、混合ガス中のＣＯ2は、下記式（２）：
ＣＯ2＋２ＯＨ- → ＣＯ32-＋ Ｈ2Ｏ （２）
で表されるような中和反応を起こし、アニオン（ＣＯ32-）としてカソード電極１２およびアニオン交換形高分子電解質膜１１内に取り込まれる。このようなカソード側での二酸化炭素の吸収により、混合ガス中の二酸化炭素が分離される。カソード側からアノード側への電荷キャリアであるＯＨ-が、いわばＣＯ2の中和剤として役割を果たしているといえる。ＣＯ2が低減または除去された処理ガス（酸素含有ガス）は、処理ガス排出口２３から排出される。
【００２５】
一方、アノード電極１３のアノード触媒層では、還元剤導入口３２を通して還元剤供給室３０内に還元剤、たとえばＨ2ガスを供給すると、下記式（３）：
Ｈ2＋ＣＯ32- → ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ- （３）
で表されるような、還元剤と、アニオン交換形高分子電解質膜１１を介してカソード側から伝達されたＣＯ32-との触媒反応が生じ、ＣＯ2が遊離する。この際、アノード電極１３とカソード電極１２とは、配線４０によって電気的に接続されているので、上記式（１）〜（３）で示される反応によって生じる、アノード電極１３とカソード電極１２との間の電位差を駆動力として、アノード電極１３とカソード電極１２との間に電流が自発的に流れることとなる。アノード触媒層にて遊離したＣＯ2は、未反応の還元剤とともに、還元剤排出口３３から排出される。
【００２６】
以上のように、本発明の二酸化炭素分離装置によれば、カソード側で二酸化炭素の吸収が行なわれるのと並行して、中和剤として機能するＯＨ-の再生がなされるため、従来のような中和剤を再生させるための別途の装置を必要せず、装置の簡略化および小型化を図ることができる。ここでいう「ＯＨ-の再生」とは、上記式（２）に従いＯＨ-がＣＯ32-によって置換されることにより低下したＯＨ-濃度が、上記式（１）によるＯＨ-の生成および上記式（３）によるＣＯ32-の排出（ＣＯ2として排出）によって回復することをいう。
【００２７】
次に、二酸化炭素分離装置１００を構成する各部材について詳細に説明する。
（１）アニオン交換形高分子電解質膜
アニオン交換形高分子電解質膜１１は、ガスバリア性を有し、ＯＨ-イオンを伝導でき、かつ、アノード電極１３とカソード電極１２との短絡を防止するために電気的絶縁性を有するアニオン伝導性固体高分子電解質からなる限り特に制限されず、このような電解質としては、たとえば、炭化水素系高分子電解質、フッ素樹脂系高分子電解質を挙げることができる。
【００２８】
炭化水素系高分子電解質としては、たとえば、芳香族ポリエーテルスルホン酸と芳香族ポリチオエーテルスルホン酸との共重合体のクロロメチル化物をアミノ化して得られる電解質等が挙げられる。クロロメチル化剤としては、クロロメトキシメタン、１，４−ビス（クロロメトキシ）ブタン、１−クロロメトキシ−４−クロロブタン、ホルムアルデヒド−塩化水素、パラホルムアルデヒド−塩化水素等が使用できる。このようにして得られたクロロメチル化物を、アミン化合物と反応させてアニオン交換基を導入する。アミン化合物としては、モノアミン、１分子中に２個以上のアミノ基を有するポリアミン化合物等が使用できる。具体的には、アンモニア；メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン等のモノアルキルアミン；ジメチルアミン、ジエチルアミン等のジアルキルアミン；アニリン、Ｎ−メチルアニリン等の芳香族アミン；ピロリジン、ピペラジン、モルホリン等の複素環アミン等のモノアミン；ｍ−フェニレンジアミン、ピリダジン、ピリミジン等のポリアミン化合物が使用できる。
【００２９】
また、フッ素樹脂系高分子電解質としては、たとえば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンポリマーの末端をジアミンで処理し４級化したポリマーが挙げられる。
【００３０】
アニオン交換形高分子電解質膜は、上記電解質と溶媒とを含有するペーストを塗布、乾燥することにより形成することができる。また、市販のアニオン交換形高分子電解質膜を使用してもよい。アニオン交換形高分子電解質膜の市販品としては、たとえば、いずれも商品名で、「トスフレックス ＩＥ−ＳＦ３４」（東ソー（株）製）などのフッ素樹脂系高分子電解質；「アシプレックス Ａ−２０１」（旭化成（株）製）、「アシプレックス Ａ−２１１」（旭化成（株）製）、「アシプレックス Ａ−２２１」（旭化成（株）製）、「ネオセプタ ＡＭ−１」（トクヤマ（株）製）、「ネオセプタ ＡＨＡ」（トクヤマ（株）製）などの炭化水素系高分子電解質が挙げられる。
【００３１】
アニオン交換形高分子電解質膜１１の厚みは、装置の小型化および機械的強度の双方を考慮すると、好ましくは１０〜２００μｍであり、より好ましくは２５〜１００μｍである。
【００３２】
（２）アノード電極およびカソード電極
アニオン交換形高分子電解質膜１１の一方の面に形成されるアノード電極１３および他方の面に形成されるカソード電極１２には、通常、少なくとも触媒（それぞれアノード触媒、カソード触媒）と電解質（それぞれアノード電解質、カソード電解質）とを含有する多孔質層からなる触媒層（それぞれアノード触媒層、カソード触媒層）が設けられる。これらの触媒層は、アニオン交換形高分子電解質膜１１の表面に接して積層される。
【００３３】
カソード触媒層に含有されるカソード触媒は、カソード電極１２に供給された混合ガスおよび水と、アノード電極１３から伝達された電子とから、ＯＨ-を生成する触媒反応を生じさせる（上記式（１））。カソード電解質は、上記式（２）の中和反応により生じたＣＯ32-および上記式（１）の触媒反応により生成したＯＨ-をアニオン交換形高分子電解質膜１１へ伝導する機能を有する。一方、アノード触媒層に含有されるアノード触媒は、アノード電極１３に供給された還元剤とカソード電極１２側から伝達されたＣＯ32-とから、遊離のＣＯ2を生成する触媒反応（上記式（３））を生じさせるとともに、場合により、アノード電極１３に供給された還元剤とカソード電極１２側から伝達されたＯＨ-とから、下記式（４）：
Ｈ2＋２ＯＨ- → ２Ｈ2Ｏ＋２ｅ‐ （４）
で表される触媒反応を生じさせる。アノード電解質は、カソード電極１２側から伝達されたＣＯ32-やＯＨ-を触媒反応サイト（三相界面）へ伝導する機能を有する。
【００３４】
アノード触媒およびカソード触媒としては、上記のような触媒反応を生じさせ得る従来公知のものを使用することができ、たとえば、アルカリ形燃料電池に用いられているものを採用することが可能である。アノード触媒およびカソード触媒の具体例を挙げれば、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子などである。合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金等、鉄−コバルト−ニッケル合金が挙げられる。アノード触媒とカソード触媒とは同種であってもよいし、異種であってもよい。
【００３５】
アノード触媒およびカソード触媒は、担体、好ましくは導電性の担体に担持されたものを用いることが好ましい。導電性担体としては、たとえば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。また、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることもできる。触媒の担持量は、担体１００重量部に対して、通常１〜８０重量部、好ましくは３〜５０重量部である。
【００３６】
アノード電解質およびカソード電解質としては、上述の炭化水素系高分子電解質、フッ素樹脂系高分子電解質などの、アニオン交換形高分子電解質膜１１を構成する電解質と同様のものを用いることができる。アノード触媒層およびカソード触媒層における触媒と電解質との含有比は、重量基準で、通常５／１〜１／４であり、好ましくは３／１〜１／３である。アノード触媒層およびカソード触媒層は、触媒（担体に担持されていてもよい）、電解質および溶媒を含む触媒ペーストを調製し、これをアニオン交換形高分子電解質膜１１または後述するアノードガス拡散層、カソードガス拡散層の表面に塗布し、乾燥させることにより形成することができる。
【００３７】
アノード電極１３およびカソード電極１２はそれぞれ、触媒層上に積層されるアノードガス拡散層、カソードガス拡散層を備えていてもよい。これらのガス拡散層は、アノード電極１３、カソード電極１２に供給されるガス（還元剤または混合ガス）を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層と電子の授受を行なう機能を有する。
【００３８】
アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層としては、比抵抗が小さく、電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料；導電性高分子；Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；これらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などからなる多孔質材料を用いることが好ましい。より具体的には、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層として、たとえば、上記貴金属、遷移金属または合金からなる発泡金属、金属織物および金属焼結体；ならびに、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜などを好適に用いることができる。
【００３９】
（３）還元剤供給室および混合ガス供給室
還元剤供給室３０は、アノード電極１３の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、還元剤をアノード電極１３に供給するためのものであり、還元剤供給板３１を用いて形成することができる。還元剤供給板３１は、たとえば、還元剤供給室３０を構成する空間を形成する凹部を有する部材であることができ、該凹部の開口がアノード電極１３に対向するように、還元剤供給板３１をアノード電極１３上に積層することにより、還元剤供給室３０を形成することができる。このようにして形成される還元剤供給室３０は、アノード電極１３側の少なくとも一部がアノード電極１３に開放された空間からなる。たとえば、還元剤供給板３１の対向する側面に、還元剤を還元剤供給室３０内に導入するための還元剤供給室３０と連通した還元剤導入口３２、および、還元剤供給室３０内のガスを排出するための還元剤供給室３０と連通した還元剤排出口３３を設けることにより、還元剤供給室３０内に還元剤を流通させることが可能になる。還元剤排出口３３から排出されるガスは、アノード電極１３で生じた遊離のＣＯ2と未反応の還元剤とを含むガスである。
【００４０】
混合ガス供給室２０は、カソード電極１２の外面（アニオン交換形高分子電解質膜１１とは反対側の表面）上に配置され、混合ガスをカソード電極１２に供給するためのものであり、混合ガス供給板２１を用いて形成することができる。混合ガス供給板２１は、たとえば、混合ガス供給室２０を構成する空間を形成する凹部を有する部材であることができ、該凹部の開口がカソード電極１２に対向するように、混合ガス供給板２１をカソード電極１２上に積層することにより、混合ガス供給室２０を形成することができる。このようにして形成される混合ガス供給室２０は、カソード電極１２側の少なくとも一部がカソード電極１２に開放された空間からなる。たとえば、混合ガス供給板２１の対向する側面に、混合ガスを混合ガス供給室２０内に導入するための混合ガス供給室２０と連通した混合ガス導入口２２、および、二酸化炭素分離処理がなされ、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための混合ガス供給室２０と連通した処理ガス排出口２３を設けることにより、混合ガス供給室２０内に混合ガスを流通させることが可能になるとともに、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを回収することが可能となる。
【００４１】
還元剤供給板３１および混合ガス供給板２１の材質は特に制限されず、アルミニウム、ステンレスなどの各種金属材料、アクリル樹脂などの各種プラスチック材料、黒鉛などのカーボン粉末をフェノール樹脂などの高分子材料で結着させた樹脂含浸カーボン材料を用いることができる。還元剤供給板３１、混合ガス供給板２１が配線４０の一部として機能する場合（すなわち、これらの供給板が集電体としての機能を兼備する場合）は、電子伝導性を有する金属材料（アルミニウム、ステンレスなど）や樹脂含浸カーボン材料を用いることが好ましい。還元剤供給板３１および混合ガス供給板２１の厚みは、たとえば２〜３０ｍｍであり、好ましくは５〜１５ｍｍである。
【００４２】
図１において、混合ガス供給板２１の側面に設置される混合ガス導入口２２と、還元剤供給板３１の側面に設置される還元剤導入口３２とは、これら供給板の同じ側の側面に設置されているが、これに限定されるものではなく、混合ガス導入口２２と還元剤排出口３３とが同じ側の側面に設置されるようにしてもよい。ただし、混合ガス導入口２２付近では混合ガス中のＣＯ2濃度が高く、還元剤導入口３２付近では、還元剤中のＣＯ2濃度が低いことから、図１に示されるような配置は、カソード側とアノード側との間のＣＯ2の濃度差を大きくすることができ、これにより、二酸化炭素分離速度をより向上させることができる点でより有利である。
【００４３】
本実施形態の二酸化炭素分離装置は、混合ガス供給室２０内に混合ガスを導入し、還元剤供給室３０に還元剤を導入することにより、上述の中和反応および触媒反応を起こし、混合ガスの二酸化炭素分離処理、還元剤排出口３３からの二酸化炭素ガスの排出および中和剤としてのＯＨ-の再生を連続的に行なう。混合ガス供給室２０内への混合ガスの導入は、図２に示される二酸化炭素分離装置２００のように、ポンプ、ファン、送風機（ブロワ）等の混合ガス導入口２２に接続された混合ガス供給装置６０を用いて行なうことができる。混合ガス供給装置６０は、混合ガス供給装置６０または混合ガス導入口２２に接続された混合ガスタンク（混合ガス収容槽、図示せず）に収容されたものであってもよい。処理ガス排出口２３に接続された吸引ポンプなどであることもできる。本発明の二酸化炭素分離装置を用いた二酸化炭素分離処理においては、導入される混合ガスは、稼動時における混合ガス供給室２０内の圧力を還元剤供給室３０内の圧力より高くすることが好ましく、したがって、混合ガス供給装置６０としては、混合ガスを加圧して混合ガス供給室２０内に導入できる装置、たとえばポンプが好ましく用いられる。これは、混合ガス供給室２０内の圧力を高くして混合ガス供給室２０内の二酸化炭素分圧を高くすることにより、カソード側での二酸化炭素吸収速度をより高くすることができるためである。これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができ、このことは、さらなる混合ガス処理量の増加や装置の小型化に寄与する。
【００４４】
一方、還元剤供給室３０への還元剤の導入も同様に、図２に示されるようなポンプ、ファン、送風機（ブロワ）等の還元剤導入口３２に接続された還元剤供給装置６１や、吸引ポンプ等の還元剤排出口３３に接続された還元剤供給装置を用いて、還元剤タンク（還元剤収容槽）７０内の還元剤を還元剤供給室３０へ導入することにより行なうことができる。吸引ポンプ等を用いて、還元剤供給室３０内を減圧にして還元剤供給室３０内の二酸化炭素分圧を低くすることにより、アノード側での二酸化炭素放出速度をより増大させることができ、これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができる。
【００４５】
上記のように、混合ガス供給室２０内の圧力を還元剤供給室３０内の圧力より高くする方法としては、混合ガスを加圧して混合ガス供給室２０内に導入する方法、還元剤排出口３３からガスを吸引して還元剤供給室３０内を減圧にする方法、およびこれらの組み合わせが挙げられるが、いずれか一方の方法を採用する場合には、混合ガスを加圧して導入する方法が好ましい。これは、還元剤供給室３０内の二酸化炭素分圧は、比較的小さいため、該分圧を下げても二酸化炭素処理速度を向上させる効果が比較的小さい一方、混合ガス供給室２０内の二酸化炭素分圧は、比較的大きいため、該分圧を上げたときに得られる二酸化炭素処理速度の向上効果が比較的大きいためである。なお、混合ガス供給室２０と還元剤供給室３０とに圧力差を設ける場合には、アニオン交換形高分子電解質膜１１の機械的強度を向上させ、圧力差によるアニオン交換形高分子電解質膜１１の破損を防止する観点から、その厚みを大きくすることが好ましく、具体的には、２５〜１００μｍ程度とすることが好ましい。
【００４６】
ここで、カソード電極１２での触媒反応（上記式（１））は、水を必要とするため、カソード電極１２に供給される混合ガスは水分を含むことが好ましく、そのために、本発明の二酸化炭素分離装置は、図２に示されるように、混合ガス供給室２０より上流側に加湿装置５０を備えることが好ましい。また、電解質膜中や、アノード電解質、カソード電解質の含水率を高め、ＯＨ-やＣＯ32-の伝導度を高く保つために、還元剤に水分を付与するための加湿装置５１を、還元剤供給室３０より上流側に備えていてもよい。
【００４７】
還元剤供給室に導入する還元剤は、炭素原子を含まないガス状の還元剤であることが好ましく、たとえば、Ｈ2ガスを用いることができる。炭素原子を含む還元剤を用いた場合、アノード電極１３で生じる還元剤とＣＯ32-との酸化反応において、還元剤由来のＣＯ2が生成する結果、アノード電極１３で生成するＣＯ2の量が、炭素原子を含まない還元剤を用いる場合と比較して相対的に多くなるため、アノード電極１３にて上記式（２）の反応が起こり、中和剤として機能する電解質膜中のＯＨ-の量が減少して、二酸化炭素分離能力が低下する傾向がある。混合ガス供給室２０に供給される、二酸化炭素分離処理に供される混合ガスは、Ｏ2とＣＯ2を含む限り特に制限されず、空気などであることができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
図３は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置３００は、アノード電極１３とカソード電極１２とが抵抗を介して電気的に接続されていること以外は、上記第１の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態では、配線４０中に抵抗８０が介在している。
【００４９】
本発明の二酸化炭素分離装置では、二酸化炭素分離積層体１０において、上記式（１）〜（３）で示される一連の触媒反応および中和反応が生じ、これにより、アノード電極１３とカソード電極１２との間に電流が流れることとなることとなるが、当該電流が上記式（３）で必要な電流量を大きく超えると、上記式（４）の反応が支配的になる。上記式（４）の反応が起こると、還元剤が余分に消費されることとなり、二酸化炭素の分離効率（一定量のＣＯ2を分離するのに必要な還元剤量という意味での効率）の低下および分離コストの上昇をもたらす。アノード電極１３とカソード電極１２とを抵抗８０を介して電気的に接続することにより、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流が必要以上に大きくなり上記式（４）の反応が顕著になることを抑制することができ、これにより、二酸化炭素の分離効率の改善および分離コストの低減を図ることが可能になる。
【００５０】
抵抗８０は、可変抵抗であることが好ましい。たとえば、カソード電極１２への混合ガス供給量（混合ガス供給室２０に導入される混合ガス量）が変化する場合には、分離されるべきＣＯ2量も変化する。このような場合、アノード電極１３とカソード電極１２とを可変抵抗を介して電気的に接続することにより、分離すべきＣＯ2量が増加する場合には、可変抵抗の抵抗値を小さくし、逆に分離すべきＣＯ2量が減少する場合には、可変抵抗の抵抗値を大きくするなど、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量を制御することが可能となる。また、カソード側での中和反応（上記式（２）の反応）が進行し、アニオン交換形高分子電解質膜１１の抵抗値が増加した場合、電極の経時劣化（触媒の凝集やフラッディングなどが原因となり得る）が生じた場合、または装置の稼動条件や環境条件が変動する場合には、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量が低下することがある。かかる電流量の低下は、二酸化炭素分離速度を低下させる。このように電流値が所定量を下回った場合に、可変抵抗の抵抗値を小さくすれば、電流量、ひいては、二酸化炭素分離速度を高く維持することができる。このように、可変抵抗を用いた電流量の制御により、混合ガス供給量が変化する場合でも、分離すべきＣＯ2を確実に分離できるようになるとともに、電流量を必要以上に大きくしないことが可能になるため、上記式（４）の反応を抑制することができ、また、二酸化炭素分離速度を高く維持することができる。
【００５１】
アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量を自動制御できるよう、本発明の二酸化炭素分離装置は、混合ガス供給室２０に導入される混合ガス量を検出する検出部、および、該検出部の検出結果に基づいて可変抵抗の抵抗値を変化させる制御部を有していてもよい。
【００５２】
（第３の実施形態）
図４は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置４００は、アノード電極１３とカソード電極１２とが抵抗８０および発電装置９０を介して電気的に接続されていること以外は、上記第１の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態では、配線４０中に抵抗８０および発電装置９０が介在している。
【００５３】
発電装置９０は、たとえば、分離すべきＣＯ2量が多く、上記式（１）〜（３）の一連の反応によって発生する電流量では不十分である場合に有用である。このような場合、発電装置９０を利用し、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量を強制的に増大させることにより、触媒反応の反応速度、ひいては二酸化炭素の分離速度を増大させることができる。また、カソード側での中和反応（上記式（２）の反応）が進行し、アニオン交換形高分子電解質膜１１の抵抗値が増加した場合、電極の経時劣化（触媒の凝集やフラッディングなどが原因となり得る）が生じた場合、または装置の稼動条件や環境条件が変動する場合には、アノード電極１３とカソード電極１２との間に流れる電流量が低下することがある。かかる電流量の低下は、二酸化炭素分離速度を低下させる。このように電流値が所定量を下回った場合に、発電装置を稼動させる、またはその出力電圧を大きくすることによってアノード電極１３とカソード電極１２との間に生じる電位差を補助することにより、電流量、ひいては、二酸化炭素分離速度を高く維持することができる。
【００５４】
発電装置９０としては、たとえば、一次電池、二次電池、燃料電池、直流安定化電源などの直流電源を用いることができる。アノード電極１３からカソード電極１２へ流れる電流の電流量を増大できるよう、発電装置９０は、そのプラス極をアノード電極１３に、そのマイナス極をカソード電極１２に接続する。なお、図４に示されるように、抵抗８０と発電装置９０とを併用してもよいし、勿論、発電装置９０のみを用いてもよい。
【００５５】
（第４の実施形態）
図５は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置５００は、アノード電極１３を構成するアノード触媒層の体積を、カソード電極１２を構成するカソード触媒層の体積より大きくしたこと以外は、上記第１の実施形態と同様である。なお、図５は、アノード電極１３、カソード電極１２がそれぞれ、アノード触媒層、カソード触媒層のみからなる場合を示しているが、これに限定されるものではなく、上述のように、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層等を備えていてもよい。
【００５６】
通常、アノード電極１３での二酸化炭素放出速度は、カソード電極１２での二酸化炭素吸収速度より遅い。アノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくすることにより、アノード触媒層における三相界面の合計面積を、カソード触媒層における三相界面の合計面積より大きくすることができ、アノード電極１３での二酸化炭素放出速度を高めることができる。これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができ、このことは、さらなる混合ガス処理量の増加や装置の小型化に寄与する。なお、三相界面とは、触媒層において触媒、電解質および反応ガス（還元剤または酸素）が接触する部分であり、触媒反応に必要な全成分が接触して触媒反応が生じる部分である。
【００５７】
アノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくする手段としては、具体的には、アノード触媒層の面積をより大きくする、すなわち、アノード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜１１側の面の面積をカソード触媒層におけるアニオン交換形高分子電解質膜１１側の面の面積より大きくする；アノード触媒層の厚さをカソード触媒層の厚さより大きくする；および、これらの組み合わせが挙げられる。図５は、アノード触媒層の面積をより大きくした例である。
【００５８】
また、アノード触媒層とカソード触媒層の体積を同じとした上で、あるいは上述のように異なる体積とした上で、アノード触媒層中のアノード触媒の濃度をより大きくしたり、触媒成分として触媒担持担体を用いる場合において、アノード触媒成分として触媒担持量がより多い触媒担持担体を用いたりすることにより、アノード触媒の重量をカソード触媒の重量より多くし、これにより、アノード触媒層における三相界面の合計面積をより大きくすることも可能である。
【００５９】
（第５の実施形態）
図６は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置６００は、アノード電極１３の温度を上昇させるための温度制御装置９５をさらに備えること以外は、上記第１の実施形態と同様である。温度制御装置９５を利用して、アノード電極１３の温度を上昇させることにより、アノード電極１３での触媒反応を増加させることができ、ひいては、アノード側での二酸化炭素放出速度を増大させることができる。これにより、二酸化炭素の分離速度をより向上させることができ、このことは、さらなる混合ガス処理量の増加や装置の小型化に寄与する。
【００６０】
温度制御装置９５としては、ヒータ（たとえばシート状のもの）を用いることができる。温度制御装置９５の設置箇所は、アノード電極１３を加熱できる位置であれば特に制限されないが、還元剤供給板３１の表面上が好適である。
【００６１】
一方、カソード電極１２での二酸化炭素吸収速度を大きくするためには、カソード電極１２の温度を下げることが望ましく、このために、アノード側に設置した温度制御装置９５により、カソード電極１２の温度ができるだけ上昇しない構成とすることが好ましい。このような構成の具体例としては、アニオン交換形高分子電解質膜１１の厚みをより大きくする；混合ガス供給板２１の外表面に放熱ファンを設ける、などを挙げることができる。ただし、アノード電極１３での二酸化炭素放出速度に対して、カソード電極１２での二酸化炭素吸収速度は十分に大きいため、カソード電極１２の温度がアノード側に設置した温度制御装置９５により上昇することによる二酸化炭素分離速度への悪影響はあまり大きくない。
【００６２】
アノード側に温度制御装置９５を設置する場合、図７に示される二酸化炭素分離装置７００のように、この温度制御装置９５として、上述したアノード電極１３とカソード電極１２とを電気的に接続するための配線４０に介在させる抵抗８０を用い、抵抗８０が温度制御装置９５を兼ねた構成とすることもできる。このような構成は、装置の簡略化を図ることができるとともに、温度制御装置９５の稼動に外部エネルギーを必要としないため、エネルギー効率化を図ることができる点で有利である。
【００６３】
（第６の実施形態）
図８は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略断面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置８００は、上記第１〜第５の実施形態の二酸化炭素分離装置が備える二酸化炭素分離積層体１０が平板状であるのに対し、円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を用いることを特徴とする。その他の構成については、上記第１の実施形態と同様とすることができる。このような円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を用いると、その中空部を混合ガス供給室２０または還元剤供給室３０として利用することができるため、混合ガス供給板２１または還元剤供給板３１を不要とすることができる。これにより、装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。また、円筒状の二酸化炭素分離積層体１０の径を小さくした場合には、二酸化炭素分離積層体１０単位体積当たりの電極面積を大きくすることができるため、装置体積当たりの混合ガス処理量を向上させることができる。
【００６４】
カソード電極１２、アニオン交換形高分子電解質膜１１およびアノード電極１３の積層順序は、内側から、カソード電極１２／アニオン交換形高分子電解質膜１１／アノード電極１３の順、または、アノード電極１３／アニオン交換形高分子電解質膜１１／カソード電極１２の順のいずれであってもよいが、図８に示される二酸化炭素分離装置８００のように、内側から、カソード電極１２／アニオン交換形高分子電解質膜１１／アノード電極１３の順とすることが好ましい。このような積層順序は、必然的にアノード触媒層の体積をカソード触媒層の体積より大きくするため、上記第４の実施形態の効果を同時に得ることができる点において有利である。
【００６５】
円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を用いる場合、外殻の電極の外側に配置される還元剤供給板３１または混合ガス供給板２１は、図８に示されるように、円筒状の二酸化炭素分離積層体１０を取り囲むように設けることができる。この場合、還元剤供給板３１または混合ガス供給板２１と外殻の電極との間に形成される空間が還元剤供給室３０または混合ガス供給室２０となる。
【００６６】
（第７の実施形態）
図９および図１０は、本実施形態の二酸化炭素分離装置を示す概略図であり、図９（ａ）および図１０（ａ）は各部材の積層方向と平行に切断したときの概略断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示されるＡ−Ａ’線で切断したときの概略上面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示されるＢ−Ｂ’線で切断したときの概略上面図である。本実施形態の二酸化炭素分離装置９００，１０００は、その混合ガス供給室が空間的に互いに分離された２つの混合ガス供給室、第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂからなることを特徴とする。その他の構成については、上記第１の実施形態と同様とすることができる。
【００６７】
ここで、カソード電極１２は、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とのみ接しており、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とは接していない。第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間は、アニオン交換形高分子電解質膜１１と接している。すなわち、カソード電極１２は、第２の混合ガス供給室２０ｂの直下にのみ（第２の混合ガス供給室２０ｂとアニオン交換形高分子電解質膜１１との間にのみ）形成されている。このように、本実施形態では、混合ガス供給室を第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂの２つに分離し、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間のみをカソード電極１２に開放する構成としている。
【００６８】
上記のような構成は次の点において有利である。すなわち、本発明の二酸化炭素分離装置を用いた二酸化炭素分離においては、上記式（１）の触媒反応により、被処理ガスである酸素および二酸化炭素を含む混合ガス中の酸素が一部消費される。二酸化炭素が低減または除去された処理ガス中の酸素濃度を高く維持することが望まれる場合（たとえば、後述するように、処理ガスをアルカリ形燃料電池のカソード極に供給する酸化剤として用いる場合、処理ガスの酸素濃度が低いと、燃料電池の発電効率が低下してしまう）には、上記式（１）による酸素消費をできるだけ抑制しつつ、二酸化炭素を分離する必要がある。本実施形態では、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間のみをカソード電極１２に開放し、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間は、カソード電極１２に開放することなくアニオン交換形高分子電解質膜１１と接触させる構成としているため、第２の混合ガス供給室２０ｂに導入された混合ガスについてのみ酸素消費がなされ（勿論、二酸化炭素の吸収も起こる）、一方、第１の混合ガス供給室２０ａに導入された混合ガスについては、酸素消費が生じず、二酸化炭素の吸収のみがなされる。このように、本実施形態の二酸化炭素分離装置は、二酸化炭素分離を行なう上で必須である上記式（１）の反応の反応試剤として、第２の混合ガス供給室２０ｂに導入される混合ガスのみを用いるため、第１の混合ガス供給室２０ａを通過することにより得られる処理ガスを、酸素濃度が維持された酸素含有ガスとして取り出すことを可能とする。
【００６９】
第１の混合ガス供給室２０ａを通過することにより得られる、酸素濃度が維持された処理ガスは、たとえば、アルカリ形燃料電池のカソード極に供給する酸化剤として有用である。該処理ガスは十分に高い酸素濃度を有しているため、これを酸化剤として用いた燃料電池は高い発電効率を示す。なお、第２の混合ガス供給室２０ｂを通過することにより得られる処理ガスの利用方法は任意であるが、燃料電池への適用に関していえば、好ましくは、燃料電池に供給することなく、系外に排出される。
【００７０】
第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜１１とが接する領域の合計面積を、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とカソード電極１２とが接する領域の合計面積より大きくすることが好ましい。この理由は次のとおりである。すなわち、本発明の二酸化炭素分離装置を用いた二酸化炭素分離においては、上記式（３）の触媒反応によって生じる電荷量と、上記式（１）の触媒反応で消費される電荷量とが釣り合っていることが望ましい。上記式（１）の触媒反応で消費される電荷量がより大きい場合には、アニオン交換形高分子電解質膜１１にＯＨ-が過剰供給される結果、上記式（４）のような反応によって還元剤が余分に消費されることとなり、二酸化炭素の分離効率（一定量のＣＯ2を分離するのに必要な還元剤量という意味での効率）の低下および分離コストの上昇をもたらす。たとえば、混合ガスが空気である場合、二酸化炭素濃度は４００ｐｐｍ程度であり、アノード電極１３で起こる上記式（３）の触媒反応によって生じる電荷量は小さい。したがって、カソード電極１２で起こる上記式（１）の触媒反応で消費される電荷量を、上記式（３）の触媒反応による電荷量と釣り合わせるためには、上記式（１）の触媒反応を比較的低く抑えることが望ましく、このための手段として、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜１１とが接する領域の合計面積を、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とカソード電極１２とが接する領域の合計面積より大きくすることは極めて有効である。このような構成によれば、第２の混合ガス供給室２０ｂを形成する空間とカソード電極１２とが接する領域の合計面積がより小さいため、上記式（１）の触媒反応による電荷量を抑制することができ、これにより、上記式（４）のような還元剤が余分に消費する反応を抑制することができる。また、第１の混合ガス供給室２０ａを形成する空間とアニオン交換形高分子電解質膜１１とが接する領域の合計面積が比較的大きいため、十分な二酸化炭素分離速度が維持される。
【００７１】
なお、上記式（１）の触媒反応による電荷量を抑制するための他の手段として、混合ガス供給室を２つに分離することなく、単純にカソード電極１２の面積を小さくすることが考えられるが、このような場合には、二酸化炭素の吸収速度も低下するため、十分な二酸化炭素分離速度が得られないおそれがある。
【００７２】
第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂの形状は、これらが空間的に互いに分離されている限り特に制限されず、たとえば、図９（ｂ）および図１０（ｂ）に示されるような、互いに平行に交差することなく延びるサーペンタイン状の２つの流路からなることもできるし、あるいは、互いに平行に延びるライン状の流路であることもできるが、サーペンタイン状の流路にすると、上記式（１）の反応を電極面積全体にわたって均一に行なわせることができ、局所的な温度上昇や、局所的な触媒劣化などが生じにくくなる点において有利である。このような空間的に互いに分離された２つの混合ガス供給室は、一方の表面に、２つの混合ガス供給室の形状に応じた形状の２本の溝が一方の表面に形成された混合ガス供給板２１を用いて形成することができる。なお、図９（ｂ）および図１０（ｂ）において、２２ａ、２３ａはそれぞれ、第１の混合ガス供給室２０ａに接続された第１の混合ガス導入口、第１の処理ガス排出口であり、２２ｂ、２３ｂはそれぞれ、第２の混合ガス供給室２０ｂに接続された第２の混合ガス導入口、第２の処理ガス排出口である。
【００７３】
＜アルカリ形燃料電池システム＞
上記本発明に係る二酸化炭素分離装置は、従来公知のアルカリ形燃料電池と組み合わせてアルカリ形燃料電池システムとするのに好適である。アルカリ形燃料電池には、電解質として、アニオン交換形高分子電解質を利用するものや、アルカリ水溶液を利用するものがあるが、いずれの場合においても、その電解質には電荷キャリアとしてＯＨ-イオンが含まれる。アルカリ形燃料電池に、酸化剤として二酸化炭素を含む酸素含有ガス（二酸化炭素を含む空気等）を供給すると、電解質膜中のＯＨ-がＣＯ32-で置換され、イオン伝導抵抗が増加したり、燃料電池反応を阻害したりする結果、特に稼動初期において発電効率が低下するという問題がある。本発明の二酸化炭素分離装置を用いて酸素および二酸化炭素を含有する混合ガス（空気等）を二酸化炭素分離処理して得られる処理ガスをアルカリ形燃料電池のカソード極に供給する酸化剤として使用することにより、アルカリ形燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。なかでも、発電効率低下をより効果的に抑制するためには、上記第７の実施形態に係る二酸化炭素分離装置を用いることが好ましい。
【００７４】
図１１は、本発明のアルカリ形燃料電池システムの好ましい一例を示す概略図である。図１１に示されるアルカリ形燃料電池システムは、単位電池であるアルカリ形燃料電池１のスタック構造（たとえば、アルカリ形燃料電池１の複数を直列接続したもの）からなる燃料電池スタック２と、本発明に係る二酸化炭素分離装置３とを備えるものである。二酸化炭素分離装置３が有する混合ガス供給室の処理ガス排出口は、燃料電池スタック２が有するそれぞれのアルカリ形燃料電池１のカソード極側（たとえば、カソード極に空気等の酸化剤（処理ガス）を供給するためのカソード極セパレータ）に直列的に接続されており、これにより、混合ガス供給室の処理ガス排出口から排出された処理ガスが各アルカリ形燃料電池１のカソード極に供給可能となっている（図１１の点線）。一方、各アルカリ形燃料電池１のアノード側（たとえば、アノード極にＨ2等の還元剤を供給するためのアノード極セパレータ）は流路を介して直列的に接続されており、１つの還元剤流路を形成している（図１１の実線）。当該還元剤流路の一方端は、二酸化炭素分離装置３が有する還元剤供給室の還元剤導入口に接続される（図１１の実線）。当該還元剤流路の他方端から導入されたＨ2等の還元剤は、すべてのアルカリ形燃料電池１のアノード側を通って排出された後、二酸化炭素分離装置３の還元剤導入口から還元剤供給室に導入されることとなる。
【００７５】
上記構成のアルカリ形燃料電池システムによれば、アルカリ形燃料電池の発電効率低下を抑制することができるだけでなく、燃料電池スタック２から排出された未反応の還元剤を、二酸化炭素分離装置３による二酸化炭素分離処理において必要となる還元剤として有効利用することが可能となる。従来のアルカリ形燃料電池および燃料電池スタックにおいては、未反応のＨ2等の還元剤を除去または無害化するための装置を別途設置する必要があるが、本発明のアルカリ形燃料電池システムによれば、二酸化炭素分離装置３が還元剤除去装置の機能を果たすため、別途の除去装置を要せず、燃料電池システムの簡略化およびシステムコストの削減を図ることができる。
【００７６】
また、本発明に係る二酸化炭素分離装置３は、アルカリ形燃料電池と類似の構造を有しているため、製造上の観点から、燃料電池システムの構築（モジュラー化）が容易である。
【００７７】
アルカリ形燃料電池１としては、少なくとも、アノード極と、電解質層（たとえば、アニオン交換形高分子電解質膜であることができる）と、カソード極とをこの順で備える従来公知のものを用いることができる。アルカリ形燃料電池１をスタック化した燃料電池スタック２の構造は特に限定されず、従来公知のものであってよい。燃料電池スタック２は、アルカリ形燃料電池１を並列的に接続、複合化したものであってもよい。
【実施例】
【００７８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７９】
〔二酸化炭素分離装置の作製〕
＜実施例１＞
以下の手順で、図３と類似の構造を有する二酸化炭素分離装置を作製した。
【００８０】
（１）二酸化炭素分離積層体１０の作製
ポリビニルベンジルクロライド（シグマアルドリッチ社製）のテトラヒドロフラン（和光純薬製、以下同じ）溶液に、氷浴下で攪拌しながら、トリメチルアミン３０％水溶液（和光純薬製）をテトラヒドロフランに溶解させた溶液を３０分かけて滴下した。滴下後、室温にて一晩攪拌し、テトラヒドロフランを加えて静置させ、上澄み液を取り除いた後、溶媒を加熱留去することにより、薄白色の水溶性の電解質（アニオン交換樹脂）を得た。得られたアニオン交換樹脂に水を加え、アニオン交換樹脂を５重量％含有する電解質溶液を得た。
【００８１】
Ｐｔ担持量が５０重量％のＰｔ／Ｃである触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）を０．５ｇ、上記で得られた電解質溶液を７．３５ｇ、イソプロパノール３ｇおよびジルコニアビーズ１００ｇをＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行ない、ついでジルコニアビーズを除去することにより、アノード触媒層用の触媒ペーストを作製した。
【００８２】
同様に、Ｐｔ担持量が５０重量％のＰｔ／Ｃである触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）を０．５ｇ、上記で得られた電解質溶液を７．３５ｇ、イソプロパノール３ｇおよびジルコニアビーズ１００ｇをＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行ない、ついでジルコニアビーズを除去することにより、カソード触媒層用の触媒ペーストを作製した。
【００８３】
次に、アノードガス拡散層としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製「ＧＤＬ３５ＢＣ」）を縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのアノードガス拡散層の一方の面に、上記のアノード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、アノードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にアノード触媒層が形成されたアノード電極１３を作製した。
【００８４】
同様に、カソードガス拡散層としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製「ＧＤＬ３５ＢＣ」）を縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのカソードガス拡散層の一方の面に、上記のカソード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、カソードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にカソード触媒層が形成されたカソード電極１２を作製した。
【００８５】
次に、９５．０ｍｍ×９５．０ｍｍのサイズに切り出したフッ素樹脂系高分子電解質膜（旭化成社製「アシプレックス」）をアニオン交換形高分子電解質膜１１として用い、上記アノード電極１３と電解質膜１１と上記カソード電極１２とをこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜１１に対向するように重ね合わせた後、１３０℃、１０ｋＮで２分間の熱圧着を行なうことにより、アノード電極１３およびカソード電極１２を電解質膜１１に接合し、アノード電極１３、アニオン交換形高分子電解質膜１１、カソード電極１２をこの順で備えた二酸化炭素分離積層体１０を得た。上記重ね合わせは、アノード電極１３とカソード電極１２の電解質膜１１の面内における位置が一致するように、かつアノード電極１３と電解質膜１１とカソード電極１２の中心が一致するように行なった。
【００８６】
（２）二酸化炭素分離装置の作製
アルミニウム板（縦９５．０ｍｍ×横９５．０ｍｍ×厚み１５．０ｍｍ）の一方の面に、サーペンタイン状の溝（断面積４ｍｍ2）からなる還元剤供給室３０を、その両末端がアルミニウム板の１つの端面に位置するように形成した後、還元剤供給室３０の両末端にそれぞれチューブ継手（スウェージロック社製、品番：ＳＳ−４００−１−２）を接続することにより還元剤導入口３２、還元剤排出口３３を形成して、還元剤供給板３１とした。また、これと同じものをもう１枚作製し、混合ガス供給板２１とした（サーペンタイン状の溝は混合ガス供給室２０であり、２つの継手は混合ガス導入口２２、処理ガス排出口２３である）。
【００８７】
上記（１）で得られた二酸化炭素分離積層体１０のアノードガス拡散層上に、還元剤供給室３０側がアノードガス拡散層に対向するように還元剤供給板３１を積層するとともに、カソードガス拡散層上に、混合ガス供給室２０側がカソードガス拡散層に対向するように混合ガス供給板２１を積層し、これらをボルト締めによって締結し、還元剤供給板３１と混合ガス供給板２１とを、抵抗８０（秋月電気通商製の可変抵抗、小型ボリューム １ＫΩＢ）を介して導線（配線４０）で接合することにより、二酸化炭素分離装置を得た。
【００８８】
＜実施例２＞
アノード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が１．０ｍｇ／ｃｍ2となるようにアノードガス拡散層の一方の面に塗布したこと以外は実施例１と同様にして二酸化炭素分離積層体を作製し、これを用いて二酸化炭素分離装置を作製した。
【００８９】
＜実施例３＞
実施例１で作製した二酸化炭素分離装置の還元剤供給板３１のアノードガス拡散層と対向する面とは反対側の面に、シリコンラバーヒーターを設置して、本実施例の二酸化炭素分離装置とした。
【００９０】
＜実施例４＞
（１）二酸化炭素分離積層体１０の作製
カソードガス拡散層としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製「ＧＤＬ３５ＢＣ」）を縦１０．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのカソードガス拡散層の一方の面に、実施例１で調製したカソード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦１０．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、カソードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にカソード触媒層が形成されたカソード電極１２を作製した。このカソード電極１２を用いたこと以外は実施例１と同様にして、二酸化炭素分離積層体１０を作製した。
【００９１】
（２）二酸化炭素分離装置の作製
図１２は、本実施例で作製した二酸化炭素分離装置を示す概略図であり、図１２（ａ）はその断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示されるＣ−Ｃ’線で切断したときの概略上面図である。図１２を参照して、まず、アルミニウム板（縦９５．０ｍｍ×横９５．０ｍｍ×厚み１５．０ｍｍ）の一方の面に、略Ｍ字状の溝からなる第１の混合ガス供給室２０ａを形成し、その両末端にそれぞれチューブ継手（スウェージロック社製、品番：ＳＳ−４００−１−２）からなる第１の混合ガス導入口２２ａ、第１の処理ガス排出口２３ａを接続するとともに、第１の混合ガス供給室２０ａとは別の（互いに連通しない）略Ｕ字状の溝からなる第２の混合ガス供給室２０ｂを形成し、その両末端にそれぞれ、上記と同じ継手からなる第２の混合ガス導入口２２ｂ、第２の処理ガス排出口２３ｂを接続して、混合ガス供給板２１とした。図１２（ｂ）に示されるように、第１の混合ガス供給室２０ａおよび第２の混合ガス供給室２０ｂは、混合ガス供給板２１の中央領域（領域Ｘ、ＹおよびＺからなる領域）において、蛇行状の２つの分離された空間を形成している。第２の混合ガス供給室２０ｂが形成する領域Ｙ（縦１０．３ｍｍ×横２２．３ｍｍ）における空間は、カソード電極１２と接する空間である（図１２（ａ）参照）。一方、第１の混合ガス供給室２０ａが形成する領域ＸおよびＺ（ともに縦６．０ｍｍ×横２２．３ｍｍ）における空間は、カソード電極１２とは接しない空間であり、その直下にはアニオン交換形高分子電解質膜１１が配置されることとなる。
【００９２】
このようにして作製した混合ガス供給板２１および上記（１）で得られた二酸化炭素分離積層体１０を用いたこと以外は実施例１と同様にして、二酸化炭素分離装置を得た。
【００９３】
（二酸化炭素分離装置の二酸化炭素分離能の評価）
〔１〕評価方法
次の方法に従い、実施例１〜４で作製した二酸化炭素分離装置の二酸化炭素分離能を評価した。二酸化炭素分離装置の温度を５０℃に保った状態（ただし、実施例３の二酸化炭素分離装置の場合においては、シリコンラバーヒーターによる加熱により還元剤供給板３１の表面温度を６０℃に調整した）で、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿したＨ2ガスを、還元剤導入口３２から１００ｍＬ／分の流量で、還元剤供給室３０内に供給するとともに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を、混合ガス導入口２２から１００ｍＬ／分の流量で、混合ガス供給室２０内に供給し、還元剤供給板３１と混合ガス供給板２１との間に流れる電流が１００ｍＡとなるように、可変抵抗のボリュームを調整しながら二酸化炭素分離装置を稼動させ、処理ガス排出口２３から排出された処理ガスを１００ｍＬの石灰水中にバブリングし、二酸化炭素との反応により石灰水が白濁するまでに要した時間を計測した。実施例４の二酸化炭素分離装置においては、第１の混合ガス供給室２０ａ、第２の混合ガス供給室２０ｂのそれぞれに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を１００ｍＬ／分の流量で供給し、第１の処理ガス排出口２３ａから排出された処理ガスを１００ｍＬの石灰水中にバブリングし、上記時間を計測した。
【００９４】
二酸化炭素分離装置を通過させることなく、直接、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を１００ｍＬ／分の流量で、１００ｍＬの石灰水中にバブリングしたときの、石灰水が白濁するまでの時間は３分であった。
【００９５】
〔２〕評価結果
実施例１では、石灰水が白濁するのに３０分を要した。白濁した石灰水を新しいものに取り替え、再び白濁するまでに要する時間を計測したところ、同じく３０分であることを確認し、二酸化炭素分離能が長時間維持されることを確認した。また、酸素濃度計Ｇ−１０３（飯島電子工業株式会社製）を用いて、処理ガス排出口２３から排出される処理ガス中の酸素濃度と、混合ガス導入口２２から供給した空気中の酸素濃度を検出したところ、混合ガス導入口２２から供給された空気中の酸素濃度を１００とした場合、処理ガス排出口２３から排出される処理ガス中の酸素濃度は９９未満の酸素濃度であることが確認された。
【００９６】
実施例２では、石灰水が白濁するのに３５分を要し、実施例１と比較し、二酸化炭素分離能が向上していることを確認することができた。
【００９７】
実施例３では、石灰水が白濁するのに３５分を要し、実施例１と比較し、二酸化炭素分離性能が向上していることを確認することができた。
【００９８】
実施例４では、石灰水が白濁するのに３０分を要し、実施例１と同等であった。また、酸素濃度計Ｇ−１０３（飯島電子工業株式会社製）を用いて、第１の処理ガス排出口２３ａから排出される処理ガス中の酸素濃度と、第１の混合ガス導入口２２ａから供給した空気中の酸素濃度を検出したところ、第１の混合ガス導入口２２ａから供給した空気中の酸素濃度を１００とした場合、第１の処理ガス排出口２３ａから排出される処理ガス中の酸素濃度は、９９以上の酸素濃度であることが確認された。
【００９９】
〔アルカリ形燃料電池システムの作製〕
＜実施例５＞
（１）アルカリ形燃料電池の作製
膜電極複合体として、上記実施例１で作製した二酸化炭素分離積層体１０と同じものを用いた。また、アルミニウム板（縦９５．０ｍｍ×横９５．０ｍｍ×厚み１５．０ｍｍ）の一方の面に、サーペンタイン状の溝（断面積４ｍｍ2）からなるアノード流路（燃料流路）を、その両末端がアルミニウム板の１つの端面に位置するように形成した後、アノード流路の両末端にそれぞれチューブ継手（スウェージロック社製、品番：ＳＳ−４００−１−２）を接続することによりアノード供給口、アノード排出口を形成して、アノード極セパレータとした。また、これと同じものをもう１枚作製し、カソード極セパレータとした（サーペンタイン状の溝はカソード流路（酸化剤流路）であり、２つの継手はカソード供給口、カソード排出口である）。
【０１００】
上記膜電極複合体のアノードガス拡散層上に、アノード流路側がアノードガス拡散層に対向するようにアノード極セパレータを積層するとともに、カソードガス拡散層上に、カソード流路側がカソードガス拡散層に対向するようにカソード極セパレータを積層し、これらをボルト締めによって締結することで、アルカリ形燃料電池を作製した。
【０１０１】
（２）アルカリ形燃料電池システムの作製
実施例１で作製した二酸化炭素分離装置の処理ガス排出口２３と、アルカリ形燃料電池のカソード供給口とをＳＵＳ配管で接続し、アルカリ形燃料電池のアノード排出口と、ニ酸化炭素分離装置の還元剤導入口３２とをＳＵＳ配管で接続することで、アルカリ形燃料電池システムを作製した。
【０１０２】
（アルカリ形燃料電池システムの電池特性の評価）
二酸化炭素分離装置およびアルカリ形燃料電池の温度を５０℃に保った状態で、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿したＨ2ガスを、アルカリ形燃料電池のアノード供給口から１００ｍＬ／分の流量で供給するとともに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を、二酸化炭素分離装置の混合ガス導入口２２から１００ｍＬ／分の流量で供給し、二酸化炭素分離装置の還元剤供給板３１と混合ガス供給板２１との間に流れる電流が１００ｍＡとなるように、可変抵抗のボリュームを調整しながら二酸化炭素分離装置を稼動させつつ、アルカリ形燃料電池を稼動し、アルカリ形燃料電池のアノード極セパレータとカソード極セパレータとの間に流れる電流を１Ａに設定したときの、システム稼動開始から１分後の出力電圧を測定した。出力電圧は０．４Ｖであった。
【０１０３】
＜比較例１＞
実施例５で作製したアルカリ形燃料電池に直接、二酸化炭素分離装置で処理されていない空気を供給することにより、アルカリ形燃料電池の出力電圧を測定した。すなわち、実施例５で作製したアルカリ形燃料電池の温度を５０℃に保った状態で、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿したＨ2ガスを、アルカリ形燃料電池のアノード供給口から１００ｍＬ／分の流量で供給するとともに、水温４８℃に設定した加湿器を用いて加湿した空気を、カソード供給口から１００ｍＬ／分の流量で供給することにより、アルカリ形燃料電池を稼動し、アノード極セパレータとカソード極セパレータとの間に流れる電流を１Ａに設定したときの、稼動開始から１分後の出力電圧を測定した。出力電圧は０．２Ｖであった。
【符号の説明】
【０１０４】
１ アルカリ形燃料電池、２ 燃料電池スタック、３，１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００ 二酸化炭素分離装置、１０ 二酸化炭素分離積層体、１１ アニオン交換形高分子電解質膜、１２ カソード電極、１３ アノード電極、２０ 混合ガス供給室、２０ａ 第１の混合ガス供給室、２０ｂ 第２の混合ガス供給室、２１ 混合ガス供給板、２２ 混合ガス導入口、２２ａ 第１の混合ガス導入口、２２ｂ 第２の混合ガス導入口、２３ 処理ガス排出口、２３ａ 第１の処理ガス排出口、２３ｂ 第２の処理ガス排出口、３０ 還元剤供給室、３１ 還元剤供給板、３２ 還元剤導入口、３３ 還元剤排出口、４０ 配線、５０，５１ 加湿装置、６０ 混合ガス供給装置、６１ 還元剤供給装置、７０ 還元剤タンク、８０ 抵抗、９０ 発電装置、９５ 温度制御装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための装置であって、
アノード電極と、アニオン交換形高分子電解質膜と、カソード電極とをこの順で備える二酸化炭素分離積層体と、
前記アノード電極の外面上に配置され、前記アノード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、還元剤を前記アノード電極に供給するための還元剤供給室と、
前記カソード電極の外面上に配置され、前記カソード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、前記混合ガスを前記カソード電極に供給するための混合ガス供給室と、
を含み、
前記アノード電極と前記カソード電極とが電気的に接続されている、二酸化炭素分離装置。
【請求項２】
前記アノード電極と前記カソード電極とが抵抗を介して電気的に接続されている、請求項１に記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項３】
前記抵抗は可変抵抗である、請求項２に記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項４】
前記アノード電極と前記カソード電極とが発電装置を介して電気的に接続されている、請求項１〜３のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項５】
前記アノード電極は、前記アニオン交換形高分子電解質膜の一方の表面に積層されるアノード触媒層を有し、
前記カソード電極は、前記アニオン交換形高分子電解質膜の他方の表面に積層されるカソード触媒層を有し、
前記アノード触媒層の体積が、前記カソード触媒層の体積より大きい、請求項１〜４のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項６】
前記アノード触媒層における前記アニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積が、前記カソード触媒層における前記アニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積より大きい、請求項５に記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項７】
前記アノード電極の温度を上昇させるための温度制御装置をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項８】
前記アノード電極と前記カソード電極とが抵抗を介して電気的に接続されており、
前記抵抗は、前記温度制御装置を兼ねている、請求項７に記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項９】
前記二酸化炭素分離積層体は、内側から順に、前記カソード電極と、前記アニオン交換形高分子電解質膜と、前記アノード電極とを備える円筒状の積層体であり、
前記混合ガス供給室は、前記二酸化炭素分離積層体の中空部からなる、請求項１〜８のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項１０】
前記混合ガス供給室は、空間的に互いに分離された第１の混合ガス供給室と第２の混合ガス供給室とからなり、
前記カソード電極は、前記第２の混合ガス供給室を形成する空間とのみ接しており、かつ、前記第１の混合ガス供給室を形成する空間は、前記アニオン交換形高分子電解質膜と接している、請求項１〜９のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項１１】
前記第１の混合ガス供給室を形成する空間と前記アニオン交換形高分子電解質膜とが接する領域の合計面積が、前記第２の混合ガス供給室を形成する空間と前記カソード電極とが接する領域の合計面積より大きい、請求項１０に記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項１２】
前記還元剤供給室は、前記還元剤を導入するための還元剤導入口と、前記還元剤および二酸化炭素ガスを含むガスを排出するための還元剤排出口とを有し、
前記混合ガス供給室は、前記混合ガスを導入するための混合ガス導入口と、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための処理ガス排出口とを有する、請求項１〜１１のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の二酸化炭素分離装置と、
少なくとも、アノード極と、電解質層と、カソード極とをこの順で備えるアルカリ形燃料電池と、
を含み、
前記二酸化炭素分離装置の前記処理ガス排出口から排出された処理ガスが、前記アルカリ形燃料電池の前記カソード極に供給されるとともに、前記アルカリ形燃料電池の前記アノード極から排出された還元剤が前記二酸化炭素分離装置の前記還元剤導入口から前記還元剤供給室内に導入される、アルカリ形燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置の使用方法であって、
前記混合ガス供給室内の圧力は、前記還元剤供給室内の圧力より高くされる、二酸化炭素分離装置の使用方法。
【請求項１５】
前記混合ガスを加圧して前記混合ガス供給室内に導入する、請求項１４に記載の二酸化炭素分離装置の使用方法。
【請求項１６】
請求項３〜１２のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置の使用方法であって、
前記アノード電極と前記カソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、前記可変抵抗の抵抗値を減少させる、二酸化炭素分離装置の使用方法。
【請求項１７】
請求項４〜１２のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置の使用方法であって、
前記アノード電極と前記カソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、前記発電装置の出力電圧を増加させる、二酸化炭素分離装置の使用方法。
【請求項１】
酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む混合ガスから二酸化炭素ガスを分離するための装置であって、
アノード電極と、アニオン交換形高分子電解質膜と、カソード電極とをこの順で備える二酸化炭素分離積層体と、
前記アノード電極の外面上に配置され、前記アノード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、還元剤を前記アノード電極に供給するための還元剤供給室と、
前記カソード電極の外面上に配置され、前記カソード電極側の少なくとも一部が開放された空間からなる、前記混合ガスを前記カソード電極に供給するための混合ガス供給室と、
を含み、
前記アノード電極と前記カソード電極とが電気的に接続されている、二酸化炭素分離装置。
【請求項２】
前記アノード電極と前記カソード電極とが抵抗を介して電気的に接続されている、請求項１に記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項３】
前記抵抗は可変抵抗である、請求項２に記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項４】
前記アノード電極と前記カソード電極とが発電装置を介して電気的に接続されている、請求項１〜３のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項５】
前記アノード電極は、前記アニオン交換形高分子電解質膜の一方の表面に積層されるアノード触媒層を有し、
前記カソード電極は、前記アニオン交換形高分子電解質膜の他方の表面に積層されるカソード触媒層を有し、
前記アノード触媒層の体積が、前記カソード触媒層の体積より大きい、請求項１〜４のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項６】
前記アノード触媒層における前記アニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積が、前記カソード触媒層における前記アニオン交換形高分子電解質膜側の面の面積より大きい、請求項５に記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項７】
前記アノード電極の温度を上昇させるための温度制御装置をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項８】
前記アノード電極と前記カソード電極とが抵抗を介して電気的に接続されており、
前記抵抗は、前記温度制御装置を兼ねている、請求項７に記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項９】
前記二酸化炭素分離積層体は、内側から順に、前記カソード電極と、前記アニオン交換形高分子電解質膜と、前記アノード電極とを備える円筒状の積層体であり、
前記混合ガス供給室は、前記二酸化炭素分離積層体の中空部からなる、請求項１〜８のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項１０】
前記混合ガス供給室は、空間的に互いに分離された第１の混合ガス供給室と第２の混合ガス供給室とからなり、
前記カソード電極は、前記第２の混合ガス供給室を形成する空間とのみ接しており、かつ、前記第１の混合ガス供給室を形成する空間は、前記アニオン交換形高分子電解質膜と接している、請求項１〜９のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項１１】
前記第１の混合ガス供給室を形成する空間と前記アニオン交換形高分子電解質膜とが接する領域の合計面積が、前記第２の混合ガス供給室を形成する空間と前記カソード電極とが接する領域の合計面積より大きい、請求項１０に記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項１２】
前記還元剤供給室は、前記還元剤を導入するための還元剤導入口と、前記還元剤および二酸化炭素ガスを含むガスを排出するための還元剤排出口とを有し、
前記混合ガス供給室は、前記混合ガスを導入するための混合ガス導入口と、二酸化炭素が低減または除去された処理ガスを排出するための処理ガス排出口とを有する、請求項１〜１１のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の二酸化炭素分離装置と、
少なくとも、アノード極と、電解質層と、カソード極とをこの順で備えるアルカリ形燃料電池と、
を含み、
前記二酸化炭素分離装置の前記処理ガス排出口から排出された処理ガスが、前記アルカリ形燃料電池の前記カソード極に供給されるとともに、前記アルカリ形燃料電池の前記アノード極から排出された還元剤が前記二酸化炭素分離装置の前記還元剤導入口から前記還元剤供給室内に導入される、アルカリ形燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置の使用方法であって、
前記混合ガス供給室内の圧力は、前記還元剤供給室内の圧力より高くされる、二酸化炭素分離装置の使用方法。
【請求項１５】
前記混合ガスを加圧して前記混合ガス供給室内に導入する、請求項１４に記載の二酸化炭素分離装置の使用方法。
【請求項１６】
請求項３〜１２のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置の使用方法であって、
前記アノード電極と前記カソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、前記可変抵抗の抵抗値を減少させる、二酸化炭素分離装置の使用方法。
【請求項１７】
請求項４〜１２のいずれかに記載の二酸化炭素分離装置の使用方法であって、
前記アノード電極と前記カソード電極との間を流れる電流量が所定量を下回った場合に、前記発電装置の出力電圧を増加させる、二酸化炭素分離装置の使用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２５６０１（Ｐ２０１２−２５６０１Ａ）
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６３８５３（Ｐ２０１０−１６３８５３）
【出願日】平成２２年７月２１日（２０１０．７．２１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２１日（２０１０．７．２１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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