二氧化碳分离装置及其使用方法

专利名称：二氧化碳分离装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及用于从空气等含有氧气和二氧化碳气体的混合气体中分离二氧化碳气体的二氧化碳分离装置及其使用方法。
背景技术：
作为从混合气体中分离二氧化碳的方法，以往提出了各种方法，其中，作为代表性的方法，可以列举使用由活性炭、各种复合氧化物、胺类溶剂和碳酸钾水溶液等构成的吸附剂或吸收剂的方法[例如日本特开2009-297601号公报(专利文献I)]。但是，使用吸附剂或吸收剂的方法中，需要进行吸附剂或吸收剂的再生操作，因此，需要在装置内附设一些再生装置(例如高温处理装置等)，从而存在难以实现二氧化碳 分离装置的小型化并且难以实现连续运转的问题。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2009-297601号公报

发明内容
发明所要解决的问题本发明的目的在于提供不需要进行如上所述的再生操作并随之附设再生装置、具有简单的结构并且能够实现小型化的二氧化碳分离装置及其使用方法、以及使用该装置的碱性燃料电池系统。用于解决问题的方法本发明提供一种二氧化碳分离装置，用于从含有氧气和二氧化碳气体的混合气体中分离二氧化碳气体，所述装置包括依次具有阳极电极、阴离子交换型高分子电解质膜和阴极电极的二氧化碳分离层叠体；配置在阳极电极的外表面上、由阳极电极侧的至少一部分开放的空间构成且用于向阳极电极供给还原剂的还原剂供给室；以及配置在阴极电极的外表面上、由阴极电极侧的至少一部分开放的空间构成且用于向阴极电极供给混合气体的混合气体供给室，并且阳极电极与阴极电极电连接。阳极电极与阴极电极可以通过电阻器(优选可变电阻器)进行电连接，或者根据需要通过该电阻器和发电装置进行电连接。本发明的二氧化碳分离装置中，优选阳极电极具有层叠在阴离子交换型高分子电解质膜的一个表面上的阳极催化剂层，阴极电极具有层叠在阴离子交换型高分子电解质膜的另一个表面上的阴极催化剂层。此时，优选阳极催化剂层的体积大于阴极催化剂层的体积。例如，通过使阳极催化剂层的阴离子交换型高分子电解质膜侧的表面的面积大于阴极催化剂层的阴离子交换型高分子电解质膜侧的表面的面积，能够使阳极催化剂层的体积大于阴极催化剂层的体积。本发明的二氧化碳分离装置可以还具有用于使阳极电极的温度升高的温度控制装置。在阳极电极与阴极电极通过电阻器进行电连接的情况下，该电阻器可以兼作温度控制装置。本发明的二氧化碳分离装置所具有的二氧化碳分离层叠体可以为从内侧开始依次具有阴极电极、阴离子交换型高分子电解质膜和阳极电极的圆筒形层叠体。这种情况下，混合气体供给室可以由这样的二氧化碳分离层叠体的中空部构成。本发明的二氧化碳分离装置的优选实施方式中，混合气体供给室由空间上彼此分离的第一混合气体供给室和第二混合气体供给室构成，阴极电极仅与形成第二混合气体供给室的空间接触，并且形成第一混合气体供给室的空间与阴离子交换型高分子电解质膜接触。在这样的实施方式中，优选形成第一混合气体供给室的空间与阴离子交换型高分子电解质膜接触的区域的合计面积大于形成第二混合气体供给室的空间与阴极电极接触的区域的合计面积。
本发明的二氧化碳分离装置中，优选还原剂供给室具有用于导入还原剂的还原剂导入口和用于排出含有还原剂和二氧化碳气体的气体的还原剂排出口，混合气体供给室具有用于导入混合气体的混合气体导入口和用于排出使二氧化碳减少或除去后的净化气体的净化气体排出口。另外，本发明提供一种碱性燃料电池系统，其包括上述二氧化碳分离装置以及至少依次具有阳极、电解质层和阴极的碱性燃料电池，从二氧化碳分离装置的净化气体排出口排出的净化气体被供给至碱性燃料电池的阴极，并且从碱性燃料电池的阳极排出的还原剂被从二氧化碳分离装置的还原剂导入口导入到还原剂供给室内。另外，本发明提供上述二氧化碳分离装置的使用方法。本发明的二氧化碳分离装置的使用方法的特征在于，使混合气体供给室内的压力高于还原剂供给室内的压力。例如，通过将混合气体加压后导入到混合气体供给室内，能够使混合气体供给室内的压力高于还原剂供给室内的压力。另外，本发明提供一种二氧化碳分离装置的使用方法，其为阳极电极与阴极电极通过可变电阻器进行电连接的上述二氧化碳分离装置的使用方法，其特征在于，在阳极电极与阴极电极之间流动的电流量低于预定量时，减小可变电阻器的电阻值；并且，本发明提供一种二氧化碳分离装置的使用方法，其为阳极电极与阴极电极通过发电装置进行电连接的上述二氧化碳分离装置的使用方法，其特征在于，在阳极电极与阴极电极之间流动的电流量低于预定量时，增加发电装置的输出电压。发明效果根据本发明，不需要附设使用二氧化碳吸附剂或吸收剂的二氧化碳分离装置所必需的吸附剂或吸收剂的再生装置，因此，能够提供具有简单的结构并且能够实现小型化的二氧化碳分离装置。另外，根据应用本发明的二氧化碳分离装置作为用于分离供给至碱性燃料电池的氧化剂中的二氧化碳的装置的本发明的碱性燃料电池系统，同样能够实现该系统的小型化，并且能够提高碱性燃料电池的发电效率。


图1是表示本发明的二氧化碳分离装置的一个优选例的示意剖视图。图2是表示本发明的二氧化碳分离装置的另一优选例的示意剖视图。
图3是表示本发明的二氧化碳分离装置的另一优选例的示意剖视图。图4是表示本发明的二氧化碳分离装置的另一优选例的示意剖视图。图5是表示本发明的二氧化碳分离装置的另一优选例的示意剖视图。图6是表示本发明的二氧化碳分离装置的另一优选例的示意剖视图。图7是表示本发明的二氧化碳分离装置的另一优选例的示意剖视图。图8是表示本发明的二氧化碳分离装置的另一优选例的示意剖视图。图9是表示本发明的二氧化碳分离装置的另一优选例的示意图。图10是表示本发明的二氧化碳分离装置的另一优选例的示意图。图11是表示本发明的碱性燃料电池系统的一个优选例的示意图。图12是表示实施例4中制作的二氧化碳分离装置的示意图。
具体实施例方式以下，示出实施方式来详细地说明本发明的二氧化碳分离装置和碱性燃料电池系统。< 二氧化碳分离装置>本发明的二氧化碳分离装置为用于从含有氧气和二氧化碳气体的混合气体(空气等)中分离二氧化碳气体的装置。(第一实施方式)图1是表示本实施方式的二氧化碳分离装置的示意剖视图。图1所示的本实施方式的二氧化碳分离装置100为由如下构成的平板状装置依次具有阳极电极13、阴离子交换型高分子电解质膜11和阴极电极12的平板状二氧化碳分离层叠体10 ;配置在阳极电极13的外表面(与阴离子交换型高分子电解质膜11相反的一侧的表面)上、由阳极电极13侧的至少一部分(在图1中为全部)开放的空间构成且用于向阳极电极13供给还原剂的还原剂供给室30 ;配置在阴极电极12的外表面(与阴离子交换型高分子电解质膜11相反的一侧的表面)上、由阴极电极12侧的至少一部分(在图1中为全部)开放的空间构成且用于向阴极电极12供给混合气体的混合气体供给室20 ;以及作为将阳极电极13与阴极电极12电连接的连接手段的布线40。配置在阳极侧的还原剂供给室30由具有用于形成还原剂供给室30的凹部的还原剂供给板31形成。在还原剂供给板31的相对的侧面上设置有用于向还原剂供给室30内导入还原剂的还原剂导入口 32和用于排出还原剂供给室30内的气体的还原剂排出口 33。还原剂导入口 32和还原剂排出口 33与还原剂供给室30相连通。配置在阴极侧的混合气体供给室20由具有用于形成混合气体供给室20的凹部的混合气体供给板21形成。在混合气体供给板21的相对的侧面上设置有用于向混合气体供给室20内导入混合气体的混合气体导入口 22和用于将经过二氧化碳分离处理而使二氧化碳减少或除去后的净化气体排出的净化气体排出口 23。混合气体导入口 22和净化气体排出口 23与混合气体供给室20相连通。虽然未图示，但阳极电极13具有层叠在阴离子交换型高分子电解质膜11的一个表面上的阳极催化剂层，阴极电极12具有层叠在阴离子交换型高分子电解质膜11的另一个表面上的阴极催化剂层。
根据上述构成的装置，能够有效地从含有氧气和二氧化碳气体的混合气体中除去或减少二氧化碳。S卩，通过混合气体导入口 22向混合气体供给室20内导入空气等混合气体时，在阴极电极12的阴极催化剂层中，通过下式(I)表示的催化反应而生成0H_，O2 十 2H20 十 4e — 4OH (I)并且，混合气体中的CO2发生下式⑵表示的中和反应，从而以阴离子(C032_)的形式进入到阴极电极12和阴离子交换型高分子电解质膜11内。
CO2 + 20F — CO 广 + H2O (2)通过这样使二氧化碳在阴极侧被吸收而分离出混合气体中的二氧化碳。作为从阴极侧至阳极侧的电荷载体的0H—，可以说是作为CO2的中和剂发挥作用。使CO2减少或除去后的净化气体(含氧气体)从净化气体排出口 23排出。另一方面，在阳极电极13的阳极催化剂层中，通过还原剂导入口 32向还原剂供给室30内供给还原剂、例如H2气体时，发生如下式(3)所示的、还原剂与通过阴离子交换型高分子电解质膜11从阴极侧传递来的CO/—的催化反应，从而使CO2游离。H2 十 CO32 — CO2 十 H2O 十 2e (3)此时，阳极电极13与阴极电极12通过布线40进行电连接，因此，通过上式(1Γ(3)表示的反应产生的、阳极电极13与阴极电极12之间的电位差成为驱动力，使电流自发地在阳极电极13与阴极电极12之间流动。在阳极催化剂层游离出来的CO2与未反应的还原剂一起从还原剂排出口 33排出。如上所述，根据本发明的二氧化碳分离装置，在阴极侧进行二氧化碳的吸收，与此同时，进行作为中和剂发挥作用的0!Γ的再生，因此，不需要以往的用于使中和剂再生的另外的装置，从而能够实现装置的简化和小型化。在此所说的“0Η_的再生”是指，根据上式(2)由于0!1_被0)32_置换而降低的0Η_浓度通过基于上式(I)的0Η_的生成和基于上式(3)的CO/—的排出(以CO2的形式排出)而恢复。接下来，对构成二氧化碳分离装置100的各构件进行详细说明。(I)阴离子交换型高分子电解质膜阴离子交换型高分子电解质膜11，只要具有阻气性、能够传导0!1_离子并且包含具有用于防止阳极电极13与阴极电极12短路的电绝缘性的阴离子传导性固体高分子电解质则没有特别限制，作为这样的电解质，可以列举例如烃类高分子电解质、含氟树脂类高分子电解质。作为烃类高分子电解质，可以列举例如使芳香族聚醚磺酸与芳香族聚硫醚磺酸的共聚物的氯甲基化物氨基化而得到的电解质等。作为氯甲基化剂，可以使用氯甲氧基甲烷、1，4_ 二(氯甲氧基)丁烷、1-氯甲氧基-4-氯丁烷、甲醛-氯化氢、多聚甲醛-氯化氢等。通过使这样得到的氯甲基化物与胺化合物反应而引入阴离子交换基团。作为胺化合物，可以使用一元胺、一分子中具有两个以上的氨基的多元胺化合物等。具体而言，可以使用氨；甲胺、乙胺、丙胺、丁胺等单烷基胺；二甲胺、二乙胺等二烷基胺；苯胺、N-甲基苯胺等芳香族胺；吡咯烷、哌嗪、吗啉等杂环胺等一元胺；间苯二胺、哒嗪、嘧啶等多元胺化合物。另外，作为含氟树脂类高分子电解质，可以列举例如将具有磺酸基的全氟化碳聚合物的末端用二胺处理而季碱化的聚合物。阴离子交换型高分子电解质膜可以通过涂布含有上述电解质和溶剂的糊并进行干燥而形成。另外，也可以使用市售的阴离子交换型高分子电解质膜。作为阴离子交换型高分子电解质膜的市售品，可以列举例如均为商品名的、“卜7 7 ^7 IE-SF34”(东曹株式会社制造)等含氟树脂类高分子电解质my n A-201”(旭化成株式会社制造)、“ r VV >7 % A-211” (旭化成株式会社制造)、“ r V V >7 % A-221” (旭化成株式会社制造)、“才、才七7。夕AM-1”(卜^ W株式会社制造)、“才、才七7。夕AHA，，(卜，株式会社制造)等烃类高分子电解质。从装置的小型化和机械强度这两方面考虑时，阴离子交换型高分子电解质膜11的厚度优选为10 200 μ m,更优选为25 100 μ m。(2)阳极电极和阴极电极 形成在阴离子交换型高分子电解质膜11的一个表面上的阳极电极13和形成在另一个表面上的阴极电极12上通常设置有由至少含有催化剂(各自为阳极催化剂、阴极催化齐U)和电解质(各自为阳极电解质、阴极电解质)的多孔层构成的催化剂层(各自为阳极催化剂层、阴极催化剂层)。这些催化剂层以与阴离子交换型高分子电解质膜11的表面接触的方式层叠。阴极催化剂层中含有的阴极催化剂使由供给至阴极电极12的混合气体和水与从阳极电极13传递来的电子生成0H_的催化反应(上式(I))发生。阴极电解质具有使通过上式(2)的中和反应生成的CO广和通过上式(I)的催化反应生成的0H_向阴离子交换型高分子电解质膜11传导的功能。另一方面，阳极催化剂层中含有的阳极催化剂使由供给至阳极电极13的还原剂与从阴极电极12侧传递来的C032_生成游离的CO2的催化反应(上式
(3))发生，并且根据情况使供给至阳极电极13的还原剂和从阴极电极12侧传递来的0!1_发生下式(4)表示的催化反应。 H2 十 2OH — 2H20 十 2e (4)阳极电解质具有使从阴极电极12侧传递来的CO32' 0H—向催化反应部位(三相界面)传导的功能。作为阳极催化剂和阴极催化剂，可以使用能够使如上所述的催化反应发生的现有公知的催化剂，可以使用例如用于碱性燃料电池的催化剂。若列举阳极催化剂和阴极催化齐IJ的具体例，则有例如包含钼、铁、钴、镍、钯、银、钌、铱、钥、锰、它们的金属化合物和含有这些金属的两种以上的合金的微粒等。作为合金，优选含有钼、铁、钴、镍中的至少两种以上的合金，可以列举例如钼-铁合金、钼-钴合金、铁-钴合金、钴-镍合金、铁-镍合金等；铁-钴-镍合金。阳极催化剂和阴极催化剂可以为相同种类，也可以为不同种类。阳极催化剂和阴极催化剂优选使用负载在载体、优选导电性载体上的催化剂。作为导电性载体，可以列举例如乙炔黑、炉法炭黑、槽法炭黑、科琴黑等炭黑；石墨、活性炭等导电性碳粒子。另外，也可以使用气相法碳纤维(VGCF)、碳纳米管、碳纳米线等碳纤维。催化剂的负载量相对于载体100重量份通常为广80重量份，优选为3 50重量份。作为阳极电解质和阴极电解质，可以使用上述烃类高分子电解质、含氟树脂类高分子电解质等与构成阴离子交换型高分子电解质膜11的电解质同样的电解质。阳极催化剂层和阴极催化剂层中催化剂与电解质的含有比以重量基准计通常为5/广1/4，优选为3/Γ /30阳极催化剂层和阴极催化剂层可以通过制备含有催化剂(可以负载在载体上)、电解质和溶剂的催化剂糊、将其涂布到阴离子交换型高分子电解质膜11或后述的阳极气体扩散层、阴极气体扩散层的表面上并使其干燥来形成。阳极电极13和阴极电极12各自可以具有层叠在催化剂层上的阳极气体扩散层、阴极气体扩散层。这些气体扩散层具有使供给至阳极电极13、阴极电极12的气体(还原剂或混合气体)在面内扩散的功能，并且具有与催化剂层进行电子授受的功能。作为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，从比电阻小、抑制电压降低的观点出发，优选使用多孔材料，所述多孔材料包含碳材料；导电性高分子；Au、Pt、Pd等贵金属；T1、Ta、W、Nb、N1、Al、Cu、Ag、Zn等过渡金属；这些金属的氮化物或碳化物等；以及以不锈钢为代表的含有这些金属的合金等。更具体而言，作为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，可以优选使用例如包含上述贵金属、过渡金属或合金的发泡金属、金属织物和金属烧结体；以及碳纸、碳布、含有碳粒子的环氧树脂膜等。(3)还原剂供给室和混合气体供给室
还原剂供给室30配置在阳极电极13的外表面(与阴离子交换型高分子电解质膜11相反的一侧的表面)上，用于向阳极电极13供给还原剂，且可以使用还原剂供给板31来形成。还原剂供给板31可以为例如具有用于形成构成还原剂供给室30的空间的凹部的构件，通过以该凹部的开口与阳极电极13相对的方式将还原剂供给板31层叠在阳极电极13上，能够形成还原剂供给室30。这样形成的还原剂供给室30由阳极电极13侧的至少一部分向阳极电极13开放的空间构成。例如，通过在还原剂供给板31的相对的侧面上设置用于向还原剂供给室30内导入还原剂且与还原剂供给室30相连通的还原剂导入口 32和用于将还原剂供给室30内的气体排出且与还原剂供给室30相连通的还原剂排出口 33，能够使还原剂在还原剂供给室30内流通。从还原剂排出口 33排出的气体为含有在阳极电极13生成的游离CO2和未反应的还原剂的气体。混合气体供给室20配置在阴极电极12的外表面(与阴离子交换型高分子电解质膜11相反的一侧的表面)上，用于向阴极电极12供给混合气体，且可以使用混合气体供给板21来形成。混合气体供给板21可以为例如具有用于形成构成混合气体供给室20的空间的凹部的构件，通过以该凹部的开口与阴极电极12相对的方式将混合气体供给板21层叠在阴极电极12上，能够形成混合气体供给室20。这样形成的混合气体供给室20由阴极电极12侧的至少一部分向阴极电极12开放的空间构成。例如，通过在混合气体供给板21的相对的侧面上设置用于向混合气体供给室20内导入混合气体且与混合气体供给室20相连通的混合气体导入口 22和用于将经过二氧化碳分离处理而使二氧化碳减少或除去后的净化气体排出且与混合气体供给室20相连通的净化气体排出口 23，能够使混合气体在混合气体供给室20内流通，并且能够回收使二氧化碳减少或除去后的净化气体。还原剂供给板31和混合气体供给板21的材质没有特别限制，可以使用铝、不锈钢等各种金属材料；丙烯酸树脂等各种塑料材料；用酚醛树脂等高分子材料将石墨等碳粉末粘结而得到的树脂浸渗碳材料。在还原剂供给板31、混合气体供给板21作为布线40的一部分发挥作用的情况(即，这些供给板兼具作为集流体的功能的情况)下，优选使用具有电子传导性的金属材料(铝、不锈钢等)、树脂浸渗碳材料。还原剂供给板31和混合气体供给板21的厚度例如为2 30mm，优选为5 15mm。图1中，设置在混合气体供给板21的侧面的混合气体导入口 22与设置在还原剂供给板31的侧面的还原剂导入口 32设置在这些供给板的同一侧的侧面，但并不限定于此，也可以将混合气体导入口 22与还原剂排出口 33设置在同一侧的侧面。但是，由于在混合气体导入口 22附近，混合气体中的CO2浓度高，在还原剂导入口 32附近，还原剂中的CO2浓度低，因此，图1所示的配置能够增大阴极侧与阳极侧之间的CO2的浓度差，由此，能够进一步提高二氧化碳分离速度，就这一点而言是更有利的。本实施方式的二氧化碳分离装置100通过向混合气体供给室20内导入混合气体并向还原剂供给室30内导入还原剂而引起上述中和反应和催化反应，从而连续地进行混合气体的二氧化碳分离处理、二氧化碳气体从还原剂排出口 33的排出和作为中和剂的OH-的再生。如图2所示的二氧化碳分离装置200那样，混合气体向混合气体供给室20内的导入可以通过使用泵、风扇、鼓风机等与混合气体导入口 22连接的混合气体供给装置60来进行。混合气体供给装置60可以为收容在与混合气体供给装置60或混合气体导入口 22连接的混合气体罐(混合气体收容槽，未图示)中的装置。混合气体供给装置60也可以为与净化气体排出口 23连接的抽吸泵等。在使用本发明的二氧化碳分离装置的二氧化碳分离处理中，对于导入的混合气体而言，优选在工作时使混合气体供给室20内的压力高于还原剂供给室30内的压力，因此，作为混合气体供给装置60，优选使用能够将混合气体加压后导入到混合气体供给室20内的装置、例如泵。这是因为，通过提高混合气体供给室20内 的压力而提高混合气体供给室20内的二氧化碳分压，由此，能够进一步提高阴极侧的二氧化碳吸收速度。由此，能够进一步提高二氧化碳的分离速度，这进一步有助于混合气体处理量的增加和装置的小型化。另一方面，还原剂向还原剂供给室30内的导入也同样地通过使用如图2所示的泵、风扇、鼓风机等与还原剂导入口 32连接的还原剂供给装置61、抽吸泵等与还原剂排出口 33连接的还原剂供给装置将还原剂罐(还原剂收容槽)70内的还原剂向还原剂供给室30内导入来进行。使用抽吸泵等使还原剂供给室30内减压来降低还原剂供给室30内的二氧化碳分压，由此能够进一步增大阳极侧的二氧化碳释放速度，由此，能够进一步提高二氧化碳的分离速度。如上所述，作为使混合气体供给室20内的压力高于还原剂供给室30内的压力的方法，可以列举将混合气体加压后导入到混合气体供给室20内的方法、从还原剂排出口33抽吸气体而使还原剂供给室30内减压的方法以及它们的组合，在使用任意一种方法的情况下，都优选将混合气体加压后导入的方法。这是因为，还原剂供给室30内的二氧化碳分压较小，因此，即使降低该分压，提高二氧化碳处理速度的效果也较小，另一方面，混合气体供给室20内的二氧化碳分压较大，因此，在提高该分压时得到的二氧化碳处理速度的提高效果较大。另外，在混合气体供给室20与还原剂供给室30之间设置压力差的情况下，从提高阴离子交换型高分子电解质膜11的机械强度、防止由压力差引起的阴离子交换型高分子电解质膜11的破损的观点出发，优选增大其厚度，具体而言，优选设定为约25μπΓ约100 μ m0在此，阴极电极12中的催化反应(上式(I))需要水，因此，供给至阴极电极12的混合气体优选含有水分，因此，本发明的二氧化碳分离装置优选如图2所示在混合气体供给室20的上游侧具有加湿装置50。另外，为了提高电解质膜中、阳极电解质、阴极电解质的含水率而使0H_、CO32-的传导率保持在较高水平，可以在还原剂供给室30的上游侧具有用于对还原剂赋予水分的加湿装置51。
导入到还原剂供给室30内的还原剂优选为不含碳原子的气态还原剂，可以使用例如H2气体。在使用含有碳原子的还原剂的情况下，在阳极电极13发生的还原剂与CO广的氧化反应中生成来源于还原剂的CO2，结果，在阳极电极13生成的CO2的量与使用不含碳原子的还原剂时相比相对增多，因此，在阳极电极13发生上式⑵的反应，作为中和剂发挥作用的电解质膜中的0H_的量减少，从而存在二氧化碳分离能力降低的倾向。供给至混合气体供给室20且供于二氧化碳分离处理的混合气体只要含有O2和CO2则没有特别限制，可以为空气等。(第二实施方式)图3是表示本实施方式的二氧化碳分离装置的示意剖视图。本实施方式的二氧化碳分离装置300中，阳极电极13与阴极电极12通过电阻器进行电连接，除此以外，与上述第一实施方式相同。即，本实施方式中，电阻器80位于布线40中。本发明的二氧化碳分离装置中，在二氧化碳分离层叠体10中发生上式(I广(3)表 示的一系列催化反应和中和反应，由此，电流在阳极电极13与阴极电极12之间流动，在该电流显著超过上式(3)中所需的电流量时，上式(4)的反应成为主导。发生上式(4)的反应时，还原剂过多地被消耗，导致二氧化碳的分离效率(用于分离一定量的CO2所需的还原剂量这样的含义下的效率)的降低和分离成本的升高。通过使阳极电极13与阴极电极12通过电阻器80进行电连接，能够抑制在阳极电极13与阴极电极12之间流动的电流增大至需要量以上从而使上式(4)的反应变得显著的情况，由此，能够实现二氧化碳的分离效率的改善和分离成本的降低。电阻器80优选为可变电阻器。例如，在向阴极电极12供给的混合气体供给量(导入到混合气体供给室20内的混合气体量)发生变化的情况下,应被分离的CO2量也发生变化。在这种情况下，通过可变电阻器将阳极电极13与阴极电极12电连接，由此，在应分离的CO2量增加时，减小可变电阻器的电阻值，反之，在应分离的CO2量减少时，增大可变电阻器的电阻值等，能够对在阳极电极13与阴极电极12之间流动的电流量进行控制。另外，在阴极侧进行中和反应(上式(2)的反应)而使阴离子交换型高分子电解质膜11的电阻值增加时、产生电极的经时劣化(催化剂的凝聚、溢流等可能成为原因)时或者装置的工作条件或环境条件改变时，在阳极电极13与阴极电极12之间流动的电流量有时会降低。该电流量的降低会使二氧化碳分离速度降低。这样，电流值低于预定量时，若减小可变电阻器的电阻值，则能够使电流量维持在较高水平，进而能够使二氧化碳分离速度维持在较高水平。这样，通过使用可变电阻器来控制电流量，即使在混合气体供给量发生变化的情况下，也能够可靠地将应分离的CO2分离，并且能够使电流量不增大至需要量以上，因此，能够抑制上式(4)的反应，并且，能够使二氧化碳分离速度维持在较高水平。为了能够对在阳极电极13与阴极电极12之间流动的电流量进行自动控制，本发明的二氧化碳分离装置可以具有用于检测导入到混合气体供给室20内的混合气体的量的检测部和基于该检测部的检测结果使可变电阻器的电阻值改变的控制部。(第三实施方式)图4是表示本实施方式的二氧化碳分离装置的示意剖视图。本实施方式的二氧化碳分离装置400中，阳极电极13与阴极电极12通过电阻器80和发电装置90进行电连接，除此以外，与上述第一实施方式相同。即，本实施方式中，电阻器80和发电装置90位于布线40中。发电装置90在例如应分离的CO2量多、通过上式(1Γ(3)的一系列反应产生的电流量不充分的情况下有用。在这种情况下，利用发电装置90强制性地使在阳极电极13与阴极电极12之间流动的电流量增大，由此能够增大催化反应的反应速度，进而能够增大二氧化碳的分离速度。另外，在阴极侧进行中和反应(上式(2)的反应)而使阴离子交换型高分子电解质膜11的电阻值增加时、产生电极的经时劣化(催化剂的凝聚、溢流等可能成为原因)时或者装置的工作条件或环境条件改变时，在阳极电极13与阴极电极12之间流动的电流量有时会降低。该电流量的降低会使二氧化碳分离速度降低。这样，电流值低于预定量时，通过使发电装置工作或者增大其输出电压来补充在阳极电极13与阴极电极12之间产生的电位差，由此能够使电流量维持在较高水平，进而能够使二氧化碳分离速度维持在较高水平。作为发电装置90，可以使用例如一次电池、二次电池、燃料电池、直流稳定化电源等直流电源。为了能够使从阳极电极13向阴极电极12流动的电流的电流量增大，将发 电装置90的正极与阳极电极13连接并将其负极与阴极电极12连接。另外，如图4所示，可以组合使用电阻器80和发电装置90，当然也可以仅使用发电装置90。(第四实施方式)图5是表示本实施方式的二氧化碳分离装置的示意剖视图。本实施方式的二氧化碳分离装置500中，构成阳极电极13的阳极催化剂层的体积大于构成阴极电极12的阴极催化剂层的体积，除此以外，与上述第一实施方式相同。另外，图5示出了阳极电极13、阴极电极12各自仅由阳极催化剂层、阴极催化剂层构成的情况，但不限定于此，如上所述，也可以具有阳极气体扩散层、阴极气体扩散层等。通常，阳极电极13中的二氧化碳释放速度比阴极电极12中的二氧化碳吸收速度慢。通过使阳极催化剂层的体积大于阴极催化剂层的体积，能够使阳极催化剂层的三相界面的合计面积大于阴极催化剂层的三相界面的合计面积，从而能够提高阳极电极13中的二氧化碳释放速度。由此，能够进一步提高二氧化碳的分离速度，这进一步有助于混合气体处理量的增加和装置的小型化。另外，三相界面是指催化剂层中催化剂、电解质和反应气体(还原剂或氧气)接触的部分，并且是催化反应所需的全部成分接触而发生催化反应的部分。作为使阳极催化剂层的体积大于阴极催化剂层的体积的手段，具体而言，可以列举使阳极催化剂层的面积更大，即，使阳极催化剂层的阴离子交换型高分子电解质膜11侧的表面的面积大于阴极催化剂层的阴离子交换型高分子电解质膜11侧的表面的面积；使阳极催化剂层的厚度大于阴极催化剂层的厚度；以及它们的组合。图5是使阳极催化剂层的面积更大的例子。另外，在使阳极催化剂层与阴极催化剂层的体积相同的基础上、或者如上所述使体积不同的基础上，通过使阳极催化剂层中的阳极催化剂的浓度更大或者在使用催化剂负载载体作为催化剂成分时使用催化剂负载量更多的催化剂负载载体作为阳极催化剂成分，能够使阳极催化剂的重量大于阴极催化剂的重量，由此，也能够使阳极催化剂层的三相界面的合计面积更大。(第五实施方式)
图6是表示本实施方式的二氧化碳分离装置的示意剖视图。本实施方式的二氧化碳分离装置600进一步具有用于使阳极电极13的温度升高的温度控制装置95，除此以外，与上述第一实施方式相同。通过利用温度控制装置95使阳极电极13的温度升高，能够增加阳极电极13中的催化反应，进而能够增大阳极侧的二氧化碳释放速度。由此，能够进一步提高二氧化碳的分离速度，这进一步有助于混合气体处理量的增加和装置的小型化。作为温度控制装置95，可以使用加热器(例如片状加热器)。温度控制装置95的设置部位只要是能够对阳极电极13进行加热的位置则没有特别限制，优选为还原剂供给板31的表面上。另一方面，为了增大阴极电极12中的二氧化碳吸收速度，期望降低阴极电极12的温度，因此，优选阴极电极12的温度尽可能不会由于设置在阳极侧的温度控制装置95而升高的构成。作为这样的构成的具体例，可以列举进一步增大阴离子交换型高分子电解质膜 11的厚度；在混合气体供给板21的外表面设置散热风扇；等。但是，相对于阳极电极13中的二氧化碳释放速度，阴极电极12中的二氧化碳吸收速度充分大，因此，阴极电极12的温度由于设置在阳极侧的温度控制装置95而升高的情况给二氧化碳分离速度带来的不利影响不太大。在阳极侧设置温度控制装置95的情况下，如图7所示的二氧化碳分离装置700那样，作为其温度控制装置95，使用介于用于将上述阳极电极13与阴极电极12电连接的布线40之中的电阻器80，从而也可以形成电阻器80兼作温度控制装置95的构成。这样的构成能够实现装置的简化，并且在温度控制装置95的工作中不需要外部能量，因此，就能够实现能量高效化这一点而言是有利的。(第六实施方式)图8是表示本实施方式的二氧化碳分离装置的示意剖视图。上述第一至第五实施方式的二氧化碳分离装置所具有的二氧化碳分离层叠体10为平板状，与此相对，本实施方式的二氧化碳分离装置800的特征在于，使用圆筒形二氧化碳分离层叠体10。其他构成可以与上述第一实施方式相同。使用这样的圆筒形二氧化碳分离层叠体10时，可以利用其中空部作为混合气体供给室20或还原剂供给室30，因此，可以不需要混合气体供给板21或还原剂供给板31。由此，能够实现装置的小型化和成本削减。另外，在减小圆筒形二氧化碳分离层叠体10的直径的情况下，能够增大二氧化碳分离层叠体10的每单位体积的电极面积，因此能够提高装置的每单位体积的混合气体处理量。阴极电极12、阴离子交换型高分子电解质膜11和阳极电极13的层叠顺序可以为从内侧开始阴极电极12/阴离子交换型高分子电解质膜11/阳极电极13的顺序或阳极电极13/阴离子交换型高分子电解质膜11/阴极电极12的顺序中的任意一种，但优选如图8所示的二氧化碳分离装置800那样从内侧开始阴极电极12/阴离子交换型高分子电解质膜11/阳极电极13的顺序。这样的层叠顺序必然地使阳极催化剂层的体积大于阴极催化剂层的体积，因此，就能够同时得到上述第四实施方式的效果这一点而言是有利的。在使用圆筒形二氧化碳分离层叠体10的情况下，如图8所示，配置在外壳的电极的外侧的还原剂供给板31或混合气体供给板21可以以包围圆筒形二氧化碳分离层叠体10的方式设置。这种情况下，形成在还原剂供给板31或混合气体供给板21与外壳的电极之间的空间成为还原剂供给室30或混合气体供给室20。
(第七实施方式)图9和图10是表示本实施方式的二氧化碳分离装置的示意图，图9 (a)和图10(a)是与各构件的层叠方向平行地切割时的示意剖视图，图9(b)是以图9(a)所示的A-A’线切割时的不意俯视图，图10(b)是以图10(a)所不的B-B’线切割时的不意俯视图。本实施方式的二氧化碳分离装置900、1000的特征在于，其混合气体供给室由空间上彼此分离的两个混合气体供给室、第一混合气体供给室20a和第二混合气体供给室20b构成。其他构成可以与上述第一实施方式相同。在此，阴极电极12仅与形成第二混合气体供给室20b的空间接触，不与形成第一混合气体供给室20a的空间接触。形成第一混合气体供给室20a的空间与阴离子交换型高分子电解质膜11接触。即，阴极电极12仅形成在紧靠第二混合气体供给室20b的下部(仅形成在第二混合气体供给室20b与阴离子交换型高分子电解质膜11之间)。这样，本实施方式中，将混合气体供给室分离为第一混合气体供给室20a和第二混合气体供给室20b这两个，得到仅使形成第二混合气体供给室20b的空间向阴极电极12开放的构成。如上所述的构成在以下方面是有利的。即，在使用本发明的二氧化碳分离装置的二氧化碳分离中，通过上式(I)的催化反应，作为被处理气体的含有氧气和二氧化碳的混合气体中的氧气的一部分被消耗。在期望将使二氧化碳减少或除去后的净化气体中的氧气浓度维持在较高水平的情况(例如，如后所述，在使用净化气体作为供给至碱性燃料电池的阴极的氧化剂的情况下，净化气体的氧气浓度低时，燃料电池的发电效率降低)下，需要在尽可能地抑制基于上式(I)的氧气消耗的同时分离出二氧化碳。本实施方式中，由于采用仅使形成第二混合气体供给室20b的空间向阴极电极12开放并使形成第一混合气体供给室20a的空间以不向阴极电极12开放的方式与阴离子交换型高分子电解质膜11接触的构成，因此，仅对导入到第二混合气体供给室20b内的混合气体产生氧气消耗(当然也发生二氧化碳的吸收)，另一方面，对于导入到第一混合气体供给室20a内的混合气体，不产生氧气消耗，仅进行二氧化碳的吸收。这样，本实施方式的二氧化碳分离装置900、1000仅使用导入到第二混合气体供给室20b内的混合气体作为在进行二氧化碳分离方面所必需的上式(I)的反应的反应试剂，因此，能够将从第一混合气体供给室20a中通过而得到的净化气体以维持了氧气浓度的含氧气体的形式取出。从第一混合气体供给室20a中通过而得到的、维持了氧气浓度的净化气体作为例如供给至碱性燃料电池的阴极的氧化剂有用。该净化气体具有充分高的氧气浓度，因此，使用该净化气体作为氧化剂的燃料电池显示出高的发电效率。另外，从第二混合气体供给室20b中通过而得到的净化气体的利用方法是任意的，对于在燃料电池中的应用而言，优选不供给至燃料电池而排出到系统外。如图10所示的二氧化碳分离装置1000那样，优选使形成第一混合气体供给室20a的空间与阴离子交换型高分子电解质膜11接触的区域的合计面积大于形成第二混合气体供给室20b的空间与阴极电极12接触的区域的合计面积。其理由如下所述。即，在使用本发明的二氧化碳分离装置的二氧化碳分离中，期望使由上式(3)的催化反应产生的电荷量与由上式⑴的催化反应消耗的电荷量相平衡。由上式⑴的催化反应消耗的电荷量更大时，会向阴离子交换型高分子电解质膜11过量供给Off，结果，还原剂由于上式(4)这样的反应而被额外消耗，从而导致二氧化碳的分离效率(用于分离一定量的CO2所需的还原剂量这样的含义下的效率)的降低和分离成本的升高。例如，在混合气体为空气的情况下，二氧化碳浓度为约400ppm，由阳极电极13中发生的上式(3)的催化反应产生的电荷量小。因此，为了使由阴极电极12中发生的上式⑴的催化反应消耗的电荷量与由上式(3)的催化反应产生的电荷量相平衡，期望将上式(I)的催化反应抑制在较低水平，作为实现该目的的手段，极其有效的是使形成第一混合气体供给室20a的空间与阴离子交换型高分子电解质膜11接触的区域的合计面积大于形成第二混合气体供给室20b的空间与阴极电极12接触的区域的合计面积。根据这样的构成，形成第二混合气体供给室20b的空间与阴极电极12接触的区域的合计面积更小，因此，能够抑制由上式(I)的催化反应产生的电荷量，由此，能够抑制如上式(4)这样的还原剂被额外消耗的反应。另外，由于形成第一混合气体供给室20a的空间与阴离子交换型高分子电解质膜11接触的区域的合计面积较大，因此，能够维持充分的二氧化碳分离速度。
另外，作为用于抑制由上式⑴的催化反应产生的电荷量的其他手段，一般认为有在不将混合气体供给室分离为两个的情况下单纯地减小阴极电极12的面积的方式，但这种情况下，二氧化碳的吸收速度也降低，因此，有可能无法得到充分的二氧化碳分离速度。对于第一混合气体供给室20a和第二混合气体供给室20b的形状，只要它们在空间上彼此分离，则没有特别限制，例如可以如图9(b)和图10(b)所示的、由以相互平行而不交差的方式延伸的蛇形的两条流路构成，或者也可以为相互平行地延伸的线形流路，但在形成为蛇形的流路时，能够使上式(I)的反应在全部电极面积上均匀地进行，就不易产生局部的温度升高、局部的催化剂劣化等方面而言是有利的。这样的在空间上彼此分离的两个混合气体供给室可以使用在一个表面上形成有形状与两个混合气体供给室的形状相对应的两条凹槽的混合气体供给板21而形成在一个表面上。另外，在图9(b)和图10(b)中，22a、23a分别为与第一混合气体供给室20a连接的第一混合气体导入口、第一净化气体排出口，22b,23b分别为与第二混合气体供给室20b连接的第二混合气体导入口、第二净化气体排出口。<碱性燃料电池系统>上述本发明的二氧化碳分离装置适合与现有公知的碱性燃料电池组合而形成碱性燃料电池系统。碱性燃料电池有使用阴离子交换型高分子电解质作为电解质的碱性燃料电池或使用碱性水溶液作为电解质的碱性燃料电池，对于任意一种情况而言，其电解质都含有0H—离子作为电荷载体。向碱性燃料电池供给含有二氧化碳的含氧气体(含有二氧化碳的空气等)作为氧化剂时，电解质膜中的OH—被CO/—置换，从而使离子传导阻力增加或者阻碍燃料电池反应，结果，特别是在工作初期存在发电效率降低的问题。使用本发明的二氧化碳分离装置对含有氧气和二氧化碳的混合气体(空气等)进行二氧化碳分离处理而得到净化气体，并使用该净化气体作为供给至碱性燃料电池的阴极的氧化剂，由此，能够抑制碱性燃料电池的发电效率降低。其中，为了更有效地抑制发电效率降低，优选使用上述第七实施方式的二氧化碳分离装置。图11是表示本发明的碱性燃料电池系统的一个优选例的示意图。图11所示的碱性燃料电池系统具有由作为单元电池的碱性燃料电池I的堆叠结构(例如，将多个碱性燃料电池I串联而得到的结构)构成的燃料电池堆2和本发明的二氧化碳分离装置3。二氧化碳分离装置3所具有的混合气体供给室的净化气体排出口与燃料电池电池堆2所具有的各碱性燃料电池I的阴极侧(例如用于向阴极供给空气等氧化剂(净化气体)的阴极隔板)串联连接，由此，能够将从混合气体供给室的净化气体排出口排出的净化气体供给到各碱性燃料电池I的阴极(图11的虚线)。另一方面，各碱性燃料电池I的阳极侧(例如用于向阳极供给H2等还原剂的阳极隔板)通过流路串联连接，从而形成一个还原剂流路(图11的实线)。该还原剂流路的一端与二氧化碳分离装置3所具有的还原剂供给室的还原剂导入口连接(图11的实线)。从该还原剂流路的另一端导入的H2等还原剂通过全部碱性燃料电池I的阳极侧而排出后，从二氧化碳分离装置3的还原剂导入口导入到还原剂供给室内。1
根据上述构成的碱性燃料电池系统，不仅能够抑制碱性燃料电池的发电效率降低，而且能够将从燃料电池堆2排出的未反应的还原剂作为利用二氧化碳分离装置3的二氧化碳分离处理中所需的还原剂加以有效利用。对于以往的碱性燃料电池和燃料电池堆而言，需要另外设置用于除去未反应的H2等还原剂或将其无害化的装置，但根据本发明的碱性燃料电池系统，二氧化碳分离装置3发挥还原剂除去装置的功能，因此不需要另外的除去装置，从而能够实现燃料电池系统的简化和系统成本的削减。另外，本发明的二氧化碳分离装置3具有与碱性燃料电池类似的结构，因此，从制造上的观点出发，容易进行燃料电池系统的构建(模式化)。作为碱性燃料电池1，可以使用至少依次具有阳极、电解质层(例如可以为阴离子交换型高分子电解质膜)和阴极的现有公知的碱性燃料电池。将碱性燃料电池I堆叠化而得到的燃料电池堆2的结构没有特别限定，可以为现有公知的结构。燃料电池堆2可以为将碱性燃料电池I并联、复合化而得到的燃料电池堆。实施例以下，列举实施例更详细地对本发明进行说明，但本发明不限于这些实施例。[ 二氧化碳分离装置的制作]〈实施例1>按以下的顺序制作具有与图3类似的结构的二氧化碳分离装置。(I) 二氧化碳分离层叠体10的制作将三甲胺的30%水溶液(和光纯药制造)溶解到四氢呋喃(和光纯药制造，下同)中得到溶液，在冰浴下进行搅拌的同时用30分钟将所得溶液滴加到聚(乙烯苄基氯)('>
A K -j 'y ★公司制造)的四氢呋喃溶液中。滴加后，在室温下搅拌一夜，加入四氢呋喃后静置，除去上清液，然后将溶剂加热蒸馏除去，由此，得到浅白色的水溶性电解质(阴离子交换树脂)。在所得到的阴离子交换树脂中加入水，得到含有5重量％的阴离子交换树脂的电解质溶液。将O. 5g作为Pt负载量为50重量％的Pt/C的负载有催化剂的碳粒子(田中贵金属公司制造的“TEC10E50E”)、7. 35g上述中得到的电解质溶液、3g异丙醇和IOOg 二氧化锆微珠加入到PTFE制的容器中，使用搅拌机以500rpm混合50分钟，然后除去二氧化锆微珠，由此，制作阳极催化剂层用催化剂糊。同样地，将O. 5g作为Pt负载量为50重量％的Pt/C的负载有催化剂的碳粒子(田中贵金属公司制造的“TEC10E50E”)、7. 35g上述中得到的电解质溶液、3g异丙醇和IOOg 二氧化锆微珠加入到PTFE制的容器中，使用搅拌机以500rpm混合50分钟，然后除去二氧化锆微珠，由此，制作阴极催化剂层用催化剂糊。然后，将碳纸(SGL力一术 >公司制造的“⑶L35BC”)裁剪成纵22. 3mmX横22. 3mm的尺寸作为阳极气体扩散层，使用具有纵22. 3mmX横22. 3mm的窗口的丝网印刷版，在该阳极气体扩散层的一个面上以使催化剂量为O. 5mg/cm2的方式涂布上述阳极催化剂层用催化剂糊，并在室温下干燥，由此，制作在作为阳极气体扩散层的碳纸的单面的整个面上形成有阳极催化剂层的阳极电极13。同样地，将碳纸(SGL力一术 > 公司制造的“⑶L35BC”)裁剪成纵22. 3mm X横22. 3mm的尺寸作为阴极气体扩散层，使用具有纵22. 3mmX横22. 3mm的窗口的丝网印刷版，在该阴极气体扩散层的一个面上以使催化剂量为O. 5mg/cm2的方式涂布上述阴极催化剂层用催化剂糊，并在室温下干燥，由此，制作在作为阴极气体扩散层的碳纸的单面的整个面上形成有阴极催化剂层的阴极电极12。 然后,使用裁剪成95. 0_X95. Omm的尺寸的含氟树脂类高分子电解质膜(旭化成公司制造的>”)作为阴离子交换型高分子电解质膜11，依次将上述阳极电极13、电解质膜11和上述阴极电极12以各自的催化剂层与电解质膜11相对的方式重叠，然后在130°C、10kN的条件下进行2分钟的热压接，由此将阳极电极13和阴极电极12接合到电解质膜11上，得到依次具有阳极电极13、阴离子交换型高分子电解质膜11、阴极电极12的二氧化碳分离层叠体10。上述重叠以如下方式进行使阳极电极13和阴极电极12在电解质膜11的面内的位置一致，并且使阳极电极13、电解质膜11和阴极电极12的中心一致。(2) 二氧化碳分离装置的制作在招板(纵95. OmmX横95. OmmX厚度15. Omm)的一个面上以使其两末端位于招板的一个端面上的方式形成由蛇形的凹槽(截面面积4mm2)构成的还原剂供给室30，然后，在还原剂供给室30的两末端上分别连接管接头(7々二一口 々公司制造，产品编号SS-400-1-2)，由此，形成还原剂导入口 32、还原剂排出口 33，制成还原剂供给板31。另外，制作与该还原剂供给板相同的另一块供给板，作为混合气体供给板21 (蛇形的凹槽为混合气体供给室20，两个接头为混合气体导入口 22、净化气体排出口 23)。在上述(I)中得到的二氧化碳分离层叠体10的阳极气体扩散层上以还原剂供给室30侧与阳极气体扩散层相对的方式层叠还原剂供给板31，并且在阴极气体扩散层上以混合气体供给室20侧与阴极气体扩散层相对的方式层叠混合气体供给板21，将它们通过螺栓紧固方式连接，将还原剂供给板31与混合气体供给板21隔着电阻器80(秋月电气通商制造的可变电阻器，小型体积IKΩB)用导线(布线40)接合，由此得到二氧化碳分离装置。〈实施例2>在阳极气体扩散层的一个面上以使催化剂量为1. Omg/cm2的方式涂布阳极催化剂层用催化剂糊，除此以外，与实施例1同样操作，制作二氧化碳分离层叠体，并使用该层叠体制作二氧化碳分离装置。〈实施例3>在实施例1中制作的二氧化碳分离装置的还原剂供给板31的与阳极气体扩散层相对的表面的相反侧的表面上设置硅橡胶加热器，制成本实施例的二氧化碳分离装置。〈实施例4>(1) 二氧化碳分离层叠体10的制作将碳纸(SGL力一术 >公司制造的“⑶L35BC”)裁剪成纵10. 3mmX横22. 3mm的尺寸作为阴极气体扩散层，使用具有纵10. 3mmX横22. 3mm的窗口的丝网印刷版，在该阴极气体扩散层的一个面上以使催化剂量为O. 5mg/cm2的方式涂布实施例1中制备的阴极催化剂层用催化剂糊，并在室温下干燥，由此，制作在作为阴极气体扩散层的碳纸的单面的整个面上形成有阴极催化剂层的阴极电极12。除使用该阴极电极12以外，与实施例1同样操作，制作二氧化碳分离层叠体10。(2) 二氧化碳分离装置的制作图12是表示本实施例中制作的二氧化碳分离装置的示意图，图12(a)为其剖视图，图12(b)为以图12(a)所示的C-C’线切割时的示意俯视图。参考图12，首先，在铝板(纵95. OmmX横95. OmmX厚度15. Omm)的一个面上形成由近M字形的凹槽构成的第一混合气体供给室20a，在其两末端上分别连接由管接头(7々-一 π 々公司制造，产品编号SS-400-l-2)构成的第一混合气体导入口 22a、第一净化气体排出口 23a，并且形成与第一混合气体供给室20a分开的(彼此不连通的)、由近U字形的凹槽构成的第二混合气体供给室20b，在其两末端上分别连接由与上述相同的接头构成的第二混合气体导入口 22b、第二净化气体排出口 23b，制成混合气体供给板21。如图12(b)所示，第一混合气体供给室20a和第二混合气体供给室20b在混合气体供给板21的中央区域(由区域X、Y和Z构成的区域)形成蛇形的两个分离开的空间。第二混合气体供给室20b所形成的区域Y (纵10. 3mmX横22. 3mm)的空间为与阴极电极12接触的空间(参考图12(a))。另一方面，第一混合气体供给室20a所形成的区域X和Z (均为纵6. 0_X横22. 3mm)的空间为不与阴极电极12接触的空间，在紧靠其下部配置有阴离子交换型高分子电解质膜11。使用这样制作的混合气体供给板21和上述(I)中得到的二氧化碳分离层叠体10，除此以外，与实施例1同样操作，得到图12所示的二氧化碳分离装置。( 二氧化碳分离装置的二氧化碳分离能力的评价)[I]评价方法按照如下方法，对实施例广4中制作的二氧化碳分离装置的二氧化碳分离能力进行评价。在将二氧化碳分离装置的温度保持为50°C的状态(但是，在实施例3的二氧化碳分离装置的情况下，通过利用硅橡胶加热器进行加热而将还原剂供给板31的表面温度调节为60°C )下，将使用水温设定为48°C的加湿器加湿后的H2气体从还原剂导入口 32以IOOmL/分钟的流量供给到还原剂供给室30内，同时将使用水温设定为48°C的加湿器加湿后的空气从混合气体导入口 22以IOOmL/分钟的流量供给到混合气体供给室20内，调节可变电阻器的体积以使在还原剂供给板31与混合气体供给板21之间流动的电流为100mA，同时使二氧化碳分离装置工作，将从净化气体排出口 23排出的净化气体鼓入IOOmL的石灰水中，并测量直至石灰水由于与二氧化碳反应而产生白浊为止所需的时间。在实施例4的二氧化碳分离装置中，分别向第一混合气体供给室20a、第二混合气体供给室20b中以IOOmL/分钟的流量供给使用水温设定为48°C的加湿 器加湿后的空气，将从第一净化气体排出口23a排出的净化气体鼓入IOOmL的石灰水中，并测量上述时间。
在不通过二氧化碳分离装置而直接将使用水温设定为48°C的加湿器加湿后的空气以IOOmL/分钟的流量鼓入IOOmL的石灰水中时，直至石灰水产生白浊为止所需的时间为3分钟。[2]评价结果实施例1中，石灰水产生白浊需要30分钟。用新的石灰水替换产生了白浊的石灰水，并测量直至再次产生白浊为止所需的时间，结果，确认为相同的30分钟，从而确认到能够长时间维持二氧化碳分离能力。另外，使用氧气浓度计G-103 (饭岛电子工业株式会社制造)，检测从净化气体排出口 23排 出的净化气体中的氧气浓度和从混合气体导入口 22供给的空气中的氧气浓度，结果确认到，在将从混合气体导入口 22供给的空气中的氧气浓度设为100时，从净化气体排出口 23排出的净化气体中的氧气浓度为低于99的氧气浓度。实施例2中，石灰水产生白浊需要35分钟，与实施例1相比，能够确认二氧化碳分尚能力提闻。实施例3中，石灰水产生白浊需要35分钟，与实施例1相比，能够确认二氧化碳分尚能力提闻。实施例4中，石灰水产生白浊需要30分钟，与实施例1同等。另外，使用氧气浓度计G-103 (饭岛电子工业株式会社制造)，检测从第一净化气体排出口 23a排出的净化气体中的氧气浓度和从第一混合气体导入口 22a供给的空气中的氧气浓度，结果确认到，在将从第一混合气体导入口 22a供给的空气中的氧气浓度设为100时，从第一净化气体排出口23a排出的净化气体中的氧气浓度为99以上的氧气浓度。[碱性燃料电池系统的制作]〈实施例5>(I)碱性燃料电池的制作使用与上述实施例1中制作的二氧化碳分离层叠体10相同的层叠体作为膜电极复合体。另外，在招板(纵95. OmmX横95. OmmX厚度15. Omm)的一个面上以使其两末端位于铝板的一个端面上的方式形成由蛇形的凹槽(截面面积4_2)构成的阳极流路(燃料流路)，然后，在阳极流路的两末端上分别连接管接头(7々二一 7 α V々公司制造，产品编号SS-400-l-2)，由此，形成阳极供给口、阳极排出口，制成阳极隔板。另外，制作与阳极隔板相同的另一块隔板，作为阴极隔板(蛇形的凹槽为阴极流路(氧化剂流路)，两个接头为阴极供给口、阴极排出口)。在上述膜电极复合体的阳极气体扩散层上以阳极流路侧与阳极气体扩散层相对的方式层叠阳极隔板，并且在阴极气体扩散层上以阴极流路侧与阴极气体扩散层相对的方式层叠阴极隔板，并将它们通过螺栓紧固方式连接，由此，制作碱性燃料电池。(2)碱性燃料电池系统的制作用SUS配管将实施例1中制作的二氧化碳分离装置的净化气体排出口 23与碱性燃料电池的阴极供给口连接，并用SUS配管将碱性燃料电池的阳极排出口与二氧化碳分离装置的还原剂导入口 32连接，由此，制作碱性燃料电池系统。(碱性燃料电池系统的电池特性的评价)在将二氧化碳分离装置和碱性燃料电池的温度保持为50°C的状态下，将使用水温设定为48°C的加湿器加湿后的H2气体从碱性燃料电池的阳极供给口以IOOmL/分钟的流量进行供给，同时将使用水温设定为48°C的加湿器加湿后的空气从二氧化碳分离装置的混合气体导入口 22以IOOmL/分钟的流量进行供给，在调节可变电阻器的体积的同时使二氧化碳分离装置工作，以使在二氧化碳分离装置的还原剂供给板31与混合气体供给板21之间流动的电流为100mA，并且使碱性燃料电池工作，测定将在碱性燃料电池的阳极隔板与阴极隔板之间流动的电流设定为IA时系统开始工作I分钟后的输出电压。输出电压为O. 4V。<比较例1>向实施例5中制作的碱性燃料电池直接供给未经二氧化碳分离装置处理的空气，由此，测定碱性燃料电池的输出电压 。即，在将实施例5中制作的碱性燃料电池的温度保持为50°C的状态下，将使用水温设定为48°C的加湿器加湿后的H2气体从碱性燃料电池的阳极供给口以IOOmL/分钟的流量进行供给，同时将使用水温设定为48°C的加湿器加湿后的空气从阴极供给口以IOOmL/分钟的流量进行供给，由此使碱性燃料电池工作，并测定将在碱性燃料电池的阳极隔板与阴极隔板之间流动的电流设定为IA时系统开始工作I分钟后的输出电压。输出电压为O. 2V。标号说明I碱性燃料电池2燃料电池堆3、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000 二氧化碳分离装置10 二氧化碳分离层叠体11阴离子交换型高分子电解质膜12阴极电极13阳极电极20混合气体供给室20a第一混合气体供给室20b第二混合气体供给室21混合气体供给板22混合气体导入口22a第一混合气体导入口22b第二混合气体导入口23净化气体排出口23a第一净化气体排出口23b第二净化气体排出口30还原剂供给室31还原剂供给板32还原剂导入口33还原剂排出口40 布线50、51加湿装置60混合气体供给装置61还原剂供给装置
70还原剂罐80电阻器90发电装置 95温度控制装置
权利要求
1.一种二氧化碳分离装置，用于从含有氧气和二氧化碳气体的混合气体中分离二氧化碳气体， 所述装置包括 依次具有阳极电极、阴离子交换型高分子电解质膜和阴极电极的二氧化碳分离层叠体； 配置在所述阳极电极的外表面上、由所述阳极电极侧的至少一部分开放的空间构成且用于向所述阳极电极供给还原剂的还原剂供给室；以及 配置在所述阴极电极的外表面上、由所述阴极电极侧的至少一部分开放的空间构成且用于向所述阴极电极供给所述混合气体的混合气体供给室， 并且所述阳极电极与所述阴极电极电连接。
2.如权利要求1所述的二氧化碳分离装置，其中，所述阳极电极与所述阴极电极通过电阻器进行电连接。
3.如权利要求2所述的二氧化碳分离装置，其中，所述电阻器为可变电阻器。
4.如权利要求1所述的二氧化碳分离装置，其中，所述阳极电极与所述阴极电极通过发电装置进行电连接。
5.如权利要求1所述的二氧化碳分离装置，其中， 所述阳极电极具有层叠在所述阴离子交换型高分子电解质膜的一个表面上的阳极催化剂层， 所述阴极电极具有层叠在所述阴离子交换型高分子电解质膜的另一个表面上的阴极催化剂层， 所述阳极催化剂层的体积大于所述阴极催化剂层的体积。
6.如权利要求5所述的二氧化碳分离装置，其中，所述阳极催化剂层的所述阴离子交换型高分子电解质膜侧的表面的面积大于所述阴极催化剂层的所述阴离子交换型高分子电解质膜侧的表面的面积。
7.如权利要求1所述的二氧化碳分离装置，其中，还具有用于使所述阳极电极的温度升高的温度控制装置。
8.如权利要求7所述的二氧化碳分离装置，其中， 所述阳极电极与所述阴极电极通过电阻器进行电连接， 所述电阻器兼作所述温度控制装置。
9.如权利要求1所述的二氧化碳分离装置，其中， 所述二氧化碳分离层叠体为从内侧开始依次具有所述阴极电极、所述阴离子交换型高分子电解质膜和所述阳极电极的圆筒形层叠体， 所述混合气体供给室由所述二氧化碳分离层叠体的中空部构成。
10.如权利要求1所述的二氧化碳分离装置，其中， 所述混合气体供给室由空间上彼此分离的第一混合气体供给室和第二混合气体供给室构成， 所述阴极电极仅与形成所述第二混合气体供给室的空间接触，并且形成所述第一混合气体供给室的空间与所述阴离子交换型高分子电解质膜接触。
11.如权利要求10所述的二氧化碳分离装置，其中，形成所述第一混合气体供给室的空间与所述阴离子交换型高分子电解质膜接触的区域的合计面积大于形成所述第二混合气体供给室的空间与所述阴极电极接触的区域的合计面积。
12.如权利要求1所述的二氧化碳分离装置，其中， 所述还原剂供给室具有用于导入所述还原剂的还原剂导入口和用于排出含有所述还原剂和二氧化碳气体的气体的还原剂排出口， 所述混合气体供给室具有用于导入所述混合气体的混合气体导入口和用于排出使二氧化碳减少或除去后的净化气体的净化气体排出口。
13.一种碱性燃料电池系统，其包括权利要求12所述的二氧化碳分离装置以及至少依次具有阳极、电解质层和阴极的碱性燃料电池， 从所述二氧化碳分离装置的所述净化气体排出口排出的净化气体被供给至所述碱性燃料电池的所述阴极，并且从所述碱性燃料电池的所述阳极排出的还原剂被从所述二氧化碳分离装置的所述还原剂导入口导入到所述还原剂供给室内。
14.一种二氧化碳分离装置的使用方法，其为权利要求1所述的二氧化碳分离装置的使用方法，其中，所述混合气体供给室内的压力高于所述还原剂供给室内的压力。
15.如权利要求14所述的二氧化碳分离装置的使用方法，其中，将所述混合气体加压后导入到所述混合气体供给室内。
16.一种二氧化碳分离装置的使用方法，其为权利要求3所述的二氧化碳分离装置的使用方法，其中，在所述阳极电极与所述阴极电极之间流动的电流量低于预定量时，减小所述可变电阻器的电阻值。
17.—种二氧化碳分离装置的使用方法，其为权利要求4所述的二氧化碳分离装置的使用方法，其中，在所述阳极电极与所述阴极电极之间流动的电流量低于预定量时，增加所述发电装置的输出电压。
全文摘要
本发明提供二氧化碳分离装置及其使用方法，所述二氧化碳分离装置用于从含有氧气和二氧化碳气体的混合气体中分离二氧化碳气体，所述装置包括依次具有阳极电极、阴离子交换型高分子电解质膜和阴极电极的二氧化碳分离层叠体；配置在阳极电极的外表面上、由阳极电极侧的至少一部分开放的空间构成且用于向阳极电极供给还原剂的还原剂供给室；以及配置在阴极电极的外表面上、由阴极电极侧的至少一部分开放的空间构成且用于向阴极电极供给混合气体的混合气体供给室，并且阳极电极与阴极电极电连接。
文档编号C01B31/20GK103003199SQ20118003570
公开日2013年3月27日 申请日期2011年7月20日 优先权日2010年7月21日
发明者水畑宏隆, 佐多俊辅, 吉田章人, 吉江智寿 申请人:夏普株式会社